位置測(cè)量裝置的要求和分類畢業(yè)論文.doc

5.1位置測(cè)量裝置的要求和分類在閉環(huán)系統(tǒng)中，輸出信號(hào)被返回與輸入信號(hào)相比較。因此，位置測(cè)量裝置需要閉環(huán)循環(huán)。位置測(cè)量裝置通常是旋轉(zhuǎn)或線性設(shè)備，并提供位置和速度信號(hào)。5.1.1位置測(cè)量裝置的要求為了確定一個(gè)機(jī)器零件在機(jī)床中的位置，位置反饋裝置是必須的，它每時(shí)每刻都對(duì)軸的當(dāng)前位置和命令位置進(jìn)行比較和控制。要選擇一個(gè)合適的測(cè)量系統(tǒng)機(jī)床建造者必須考慮各種標(biāo)準(zhǔn)。如：準(zhǔn)確度和精確度，可靠性，導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，最大切削速度的要求，以及這樣一個(gè)系統(tǒng)的維修費(fèi)用。這些都是選擇數(shù)控機(jī)床位置測(cè)量裝置的要求。（1）應(yīng)最高的可靠性和最低測(cè)量次數(shù)。（2）滿足最高的精度要求和速度范圍。（3）方便測(cè)量裝置的安裝和維修。設(shè)備適應(yīng)工作環(huán)境。（4）成本應(yīng)該盡可能的低。5.1.2位置測(cè)量裝置的分類測(cè)量設(shè)備可以按以下幾種方式分類：直接和間接測(cè)量。增量式測(cè)量和絕對(duì)測(cè)量。數(shù)字與模擬測(cè)量5.1.2.1直接和間接測(cè)量直接測(cè)量系統(tǒng)位置測(cè)量系統(tǒng)直接連接在機(jī)床的導(dǎo)軌上或嵌入機(jī)床的入口處。它相對(duì)絲杠或驅(qū)動(dòng)元件是獨(dú)立的（因此避免了和絲杠或驅(qū)動(dòng)元件誤差的聯(lián)系）,但缺點(diǎn)是相對(duì)成本較高，因?yàn)楸仨毐３终麄€(gè)測(cè)量長(zhǎng)度。它還有一個(gè)更大的缺點(diǎn)就是在反饋環(huán)節(jié)中會(huì)引起機(jī)床內(nèi)部的共振。直接測(cè)量可以由線性測(cè)量設(shè)備機(jī)床提供,但是他們作為更高質(zhì)量產(chǎn)品的高精度測(cè)量裝置趨勢(shì)的要求正越來越受到顧客的歡迎。間接測(cè)量系統(tǒng)一個(gè)帶位置測(cè)量裝置的系統(tǒng)安裝在絲杠或機(jī)床的一部分驅(qū)動(dòng)元件上。間接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是成本低，在機(jī)床上的安裝更簡(jiǎn)單，更容易維護(hù)。精度的要求可被絲杠和優(yōu)良設(shè)備上的反彈螺距誤差降低。間接系統(tǒng)通常配有旋轉(zhuǎn)位置測(cè)量裝置，例如分解器和編碼器。5.1.2.2增量式和絕對(duì)測(cè)量增量式測(cè)量系統(tǒng)在一個(gè)增量系統(tǒng)中，每個(gè)位移取決于其偏離基準(zhǔn)的大小即當(dāng)前位置的增加。增量系統(tǒng)的缺點(diǎn)是只能確定相對(duì)位置，所以以前的測(cè)量誤差會(huì)對(duì)以后所有的測(cè)量產(chǎn)生影響（累積誤差）。絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)在絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的所有測(cè)量數(shù)據(jù)都以一個(gè)固定的位置或中心的坐標(biāo)為基準(zhǔn)沒有提及之前坐標(biāo)。電源故障（中段開始）后重新啟動(dòng)更容易，積累誤差少。數(shù)字絕對(duì)測(cè)量裝置因其高分辨率而非常非常昂貴。5.1.2.3數(shù)字與模擬測(cè)量數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)字系統(tǒng)中，位置或位移測(cè)量使用離散值。數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)可以是增量（例如，光柵和增量編碼器）或絕對(duì)的（例如，絕對(duì)式編碼器）。數(shù)字信號(hào)更容易儲(chǔ)存，更可靠的傳輸和無差錯(cuò)復(fù)制。數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)無需單獨(dú)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。模擬測(cè)試系統(tǒng)在這個(gè)體系中，位移轉(zhuǎn)被換成另一種可以很容易地測(cè)量物理模擬。物理性質(zhì)類似的物體可能有著極為不同的本質(zhì)。模擬位置測(cè)量裝置可能是感應(yīng)傳感器，其輸出連續(xù)位移的比例（如解析器和感應(yīng)同步器）。模擬系統(tǒng)意味著一個(gè)信號(hào)，如電壓幅度表示一個(gè)軸的位置，換種方式說，我們用距離這個(gè)物理變量來表示電壓。一個(gè)特定的軌道將被一個(gè)電壓來模擬。模擬裝置通常更簡(jiǎn)單，更穩(wěn)定并且更便宜。但是，這種測(cè)量提供移動(dòng)物體的直觀顯示。模擬位移測(cè)量裝置，適合中小型數(shù)控機(jī)床。5.2編碼器編碼器可以測(cè)量角位置或角位移。它們可分為兩個(gè)主要類型：絕對(duì)式編碼器產(chǎn)生的代碼的價(jià)值是直接表示出絕對(duì)位置。增量編碼器產(chǎn)生同步變化的增加或減少的測(cè)量值。5.2.1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置。在絕對(duì)式編碼器中，當(dāng)系統(tǒng)被接通就可以立即對(duì)實(shí)際位置進(jìn)行測(cè)量。絕對(duì)式編碼器有三種：電刷式，光學(xué)式和磁場(chǎng)式。用電刷式結(jié)構(gòu)作為一個(gè)例子。見例5.1。在灌木叢型編碼器中移動(dòng)磁盤包含連接到一個(gè)共同的終端的導(dǎo)電部分和絕緣部分。當(dāng)挑選電刷與導(dǎo)電部分發(fā)生接觸，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉連接。帶有一個(gè)額外電刷的數(shù)字輸出的獨(dú)立部分被看作是帶電導(dǎo)軌上的一個(gè)普通連接。當(dāng)刷正與絕緣部分連接會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開放的連接。圖5.1顯示了一個(gè)四個(gè)軌道的圓盤。這是一個(gè)只利用0和1兩個(gè)數(shù)字的數(shù)字系統(tǒng)。編碼盤有四個(gè)軌道，對(duì)應(yīng)四位二進(jìn)制數(shù)，并且16片段最多提供16個(gè)數(shù)字號(hào)碼。位置由右至左的數(shù)字相當(dāng)于2的冪，代表環(huán)數(shù)。例如，1011相當(dāng)于?；璋档牡貐^(qū)磁盤上昏暗的地區(qū)，當(dāng)被認(rèn)為沿圓圈的任意半徑，代表獨(dú)特的二進(jìn)制數(shù)字。四點(diǎn)分割的計(jì)算方法如下：111008212120210123。商業(yè)元件采用多達(dá)12軌道。一般情況下，對(duì)于一個(gè)n軌道磁盤的最大數(shù)量的上限，可以用402/360=05.22來表示；因此，對(duì)于一個(gè)n軌道圓盤，結(jié)果可被n2分解為：402/360。這些刷軸編碼器沒有內(nèi)部電路，并且可以工作的信號(hào)范圍很廣。但是，不可避免的，由于刷子或軌道磨損會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較高的軸扭矩和使用壽命的減少。簡(jiǎn)單二進(jìn)制輸出的一個(gè)主要問題可能引起的是，由于刷子的輕微錯(cuò)位改變從一個(gè)部分到另一個(gè)部分，一個(gè)跟蹤可能發(fā)生了變化，或者稍微領(lǐng)先或落后的其他軌道。一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制編碼的角編碼器會(huì)由于輸出狀態(tài)的變化而給出錯(cuò)誤的讀數(shù)。作為一個(gè)例子，假設(shè)在圖5.2四軌道編碼器的編碼是從0111到1000。所有刷同時(shí)變化是不太可能，所以輸出可以0111-0000-1000或0111-1111-1000，或任何其他四位數(shù)字的組合。這意味著，一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤的號(hào)碼將會(huì)被顯示出來。使用格雷碼光盤這個(gè)問題是可以克服的。在這個(gè)編碼，一個(gè)時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)變化量，所以結(jié)果很明確。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)位的變化，距離碼作為單位經(jīng)常使用。圖5.3中了描述4位格雷碼的結(jié)構(gòu)和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換。例如二進(jìn)制編碼1110相應(yīng)的格雷碼是1001，其計(jì)算過程如下：100110101111。5.2.2增量編碼器增量式編碼器就是脈沖計(jì)數(shù)器。增量式編碼器是最簡(jiǎn)單的位置測(cè)量裝置，但沒有像絕對(duì)編碼器那樣給出明確的位置。僅提供相對(duì)的信息。輸入脈沖必須清點(diǎn)編碼器包含一個(gè)安裝在軸上透明圓盤和帶有密集精確、明確的交替循環(huán)模式和以及圓盤周邊地區(qū)的不透明部分，這是圖5.4顯示的。光盤的一邊提供一個(gè)固定的光源。當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)，光周期性的打在光電管上，因而當(dāng)盤緩慢沿邊緣上升和下降會(huì)產(chǎn)生一種在毫伏范圍內(nèi)的正弦輸出信號(hào)。這一信號(hào)被放大和反饋給一個(gè)可把其轉(zhuǎn)換為方波的整形電路。方波通過微分元件被改為短期脈沖。每一次光電管被遮擋都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。在每一次旋轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的脈沖數(shù)量是在磁盤上銘刻的行數(shù)的函數(shù)，并被稱為解析器。典型的磁盤可能含有200至18000環(huán)。增量式編碼器的軸驅(qū)動(dòng)裝置在輸出端提供電脈沖。脈沖的數(shù)量決定于距離。脈沖計(jì)數(shù)可以用來確定在絲杠螺距可行的分解中線性軸和編碼器軸和絲杠之間的減速齒輪的位置。因而MISnx這里N是編碼器所發(fā)出的連續(xù)脈沖；S是絲杠螺距；M是每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)量；I是編碼和絲杠之間的減速齒輪。脈沖頻率和軸速度成正比。工作臺(tái)的速度，這通常指加工操作的進(jìn)給速度，用如下方式得到脈沖頻率：MISf60這里V是工作臺(tái)速度；F是編碼器所發(fā)出的脈沖頻率。單脈沖輸出列作為方向不攜帶任何信息。旋轉(zhuǎn)的方向可能是使用有兩個(gè)相同的光電管的電編碼器同時(shí)讀取磁盤來確定的，使他們的輸出信號(hào)相對(duì)有一個(gè)90度的便宜，就像如圖5.5所示。第二光電管的輸出表示第一光電管輸出的正弦波的余弦。在實(shí)踐中一對(duì)光電管常被用來生產(chǎn)兩個(gè)信號(hào)。讓我們呼吁這兩個(gè)信號(hào)A和B。他們可以被整形為方波A1和B1。為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，讓我們說輸出格A1超前B190度。如果方向被扭轉(zhuǎn)，輸出B1將超前A190度。旋轉(zhuǎn)的方向可以由這兩個(gè)波反饋的外部邏輯電路確定。圖5.6顯示了一個(gè)方向鑒別器。其運(yùn)作如下：信號(hào)A和A是兩個(gè)彼此相差180度的正弦波。信號(hào)B和B是兩個(gè)彼此相差180度的正弦波。這些波可以通過分整形器和放大器提供方波A和B。然后方波a和B就被與信號(hào)的B區(qū)別開了。如果原始的A1等于B1則與門Y2有輸出；因此，可能在一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)輸出信號(hào)通過Y1或Y2輸出。順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)所顯示的“B1高和A1低”，與門Y1被用于反向減去。通過方向差別電路脈沖增加或減少的在計(jì)算中是可逆的。除了額外的索引脈沖可以利用，磁盤上還提供一個(gè)只包含一個(gè)明確的部分的單獨(dú)區(qū)域。索引脈沖可以提供一個(gè)明確的起點(diǎn)作為參考零，這數(shù)控機(jī)床是非常有益的。在許多應(yīng)用中它可能被用于構(gòu)造一個(gè)增量編碼器作為裝置的一部分。增量編碼器，雖然價(jià)格低廉且簡(jiǎn)單易行的，但確實(shí)有一些缺點(diǎn)。首先在電力供應(yīng)中斷后位置測(cè)量通常會(huì)丟失（與以往正確裝置不同，并且不明確，當(dāng)電力恢復(fù)后不能給出正確位置）。系統(tǒng)使用增量編碼器必須用某種方式建立一個(gè)計(jì)數(shù)可以重新開始的基準(zhǔn)面。圖5.6方向鑒別器5.3光柵5.3.1光柵的原理光學(xué)光柵由兩個(gè)玻璃制成的透明尺構(gòu)成的。他們需要巧妙的交叉，或影象蝕刻或水氣沉積為間隔均勻、排列緊密一系列平行線。透明和黑線在寬度上可以相等。其中有個(gè)長(zhǎng)的而其他都是短的。一般來說，長(zhǎng)尺被叫做光柵尺并被安裝在可以動(dòng)部分。短的被稱為指示光柵并被安裝在固定的部分。實(shí)際上，同時(shí)在指示光柵和光柵尺上出現(xiàn)的相同線條的間隔有20，50，100，250厘米等。圖5.7光學(xué)光柵測(cè)量系統(tǒng)如圖5.7光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)光源，一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，光柵和光電管。固定的長(zhǎng)光柵擴(kuò)展至超過機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，帶有一個(gè)指示光柵覆蓋在上面。除了光柵尺，其他單位被放在閱讀頭上。光學(xué)光柵的原理是著名的“莫爾條紋效應(yīng)”。兩個(gè)尺按照一個(gè)非常小的角度Q彼此傾斜。這導(dǎo)致了它們之間的交叉點(diǎn)上的干涉效應(yīng)。這種模式被稱為莫爾條紋（圖5.8）。圖5.8光學(xué)測(cè)量的原理莫爾條紋在實(shí)踐中，當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)，兩尺上的線條就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，因此，條紋圖會(huì)垂直的穿過它們，與他們的移動(dòng)方向取決于導(dǎo)軌的右（加）或左（減號(hào)）移動(dòng)方向，如表5.1。一種深（輕）條紋產(chǎn)生在光柵的寬度上并且按照插圖所示的順序運(yùn)動(dòng)。表5.1莫爾條紋的移動(dòng)方向和光柵的移動(dòng)方向及的關(guān)系。莫爾條紋有以下特點(diǎn):（1）成倍放大光柵間距。光的相互作用和指示光柵產(chǎn)生莫爾條紋的寬度W取決于和光柵間距P，如圖5.9所示。圖5.9W取決于P和W是莫爾條文寬度；是指示光柵斜角；P是光柵間距；一個(gè)主要問題，盡管為了解決斜度問題，因此，光電管頭需要變得非常小。莫爾條紋不需要非常小的光電管所以為這一問題提供了良好的解決方案。因此斜度通常被莫爾條紋所取代參，考圖5.8最好理