數(shù)控機(jī)床的位置檢測(PPTminimizer).ppt

1, 感應(yīng)同步器位置檢測裝置 旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測裝置 磁尺位置檢測裝置 光柵位置檢測裝置 激光干涉位置檢測裝置 脈沖編碼器,第3章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置,2,基本要求： 1）掌握數(shù)控系統(tǒng)中速度檢測裝置原理及應(yīng)用。 2）掌握數(shù)控系統(tǒng)中位置檢測裝置原理及應(yīng)用。 3）了解數(shù)控系統(tǒng)中電流檢測元件及應(yīng)用。 重點: 1） 光電脈沖編碼器檢測邏輯電路原理及波形圖。 2） 光柵尺檢測邏輯電路原理及波形圖。 難點: 對于帶有方向端計數(shù)器和可逆計數(shù)器時，檢測電路構(gòu)成的區(qū)別。,第3章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置,3,3.1 概述 位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 作用: 檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，構(gòu)成半閉環(huán)、閉環(huán)控制。,4,3.1 概述 位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 作用: 檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，構(gòu)成閉環(huán)、半閉環(huán)控制。,5,3.1.1 要求 受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強(qiáng); 在機(jī)床執(zhí)行部件工作范圍內(nèi)，能滿足精度和速度要求; 使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境； 成本低。 檢測元件的精度指標(biāo)： 系統(tǒng)精度在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測量累積誤差的最大值 （0.0010.02mm/m， 10/360） 系統(tǒng)分辨率所能正確檢測的最小位移量 0.0010.01mm，2 （取1/31/10機(jī)床加工精度）,6,3.1.2 位置檢測裝置的分類 數(shù)字式測量 模擬量測量 數(shù)字式測量：被測的量以數(shù)字的形式來表示。測量信號為電脈沖，可以直接把它們送入數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。 特點： 被測的量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，便于顯示和處理； 測量精度取決于測量單位，和量程基本無關(guān)； 測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強(qiáng) 。,7,3.1.2 位置檢測裝置的分類 模擬式測量： 將被測量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。 主要用于小量程的測量，如感應(yīng)同步器的一個線距（2mm）內(nèi)的信號相位變化等。 特點： 直接測量被測的量，無需變換； 在小量程內(nèi)實現(xiàn)較高精度的測量，技術(shù)成熟。,8,增量式 ：只測量位移量。 測量單位為0.01mm，每移動0.01mm發(fā)出一個脈沖信號。 優(yōu)點： 裝置簡單，任何一個對中點都可作為測量的起點。在輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上大都采用這種方式。 缺點： 在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計數(shù)讀出，一旦計數(shù)有誤，以后的測量結(jié)果則完全錯誤。如出某種事故，無法恢復(fù)。 絕對式： 對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標(biāo)起。每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。,9,位置檢測裝置工作原理的分析要點 1) 要檢測的位移反映在位置檢測元件的什么部分? 2) 如何將位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的檢測量? 3) 用電的檢測信號的什么量(脈沖 幅值 相位 頻率)來標(biāo)定位移量的大小?,10,3.2 感應(yīng)同步器測量裝置 3.2.1 組成及工作原理 工作原理： 電磁耦合原理， 位移、轉(zhuǎn)角 電信號 滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。 滑尺通以交流激磁電壓，按正弦規(guī)律變化的磁場，定尺上感應(yīng)電壓，定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。,11,滑尺位置,感應(yīng)電壓,移動距離,感應(yīng)電壓隨滑尺、定尺位置變化,12,規(guī)律： 滑尺移動一個節(jié)距 感生電動勢按余弦波形變化一個周期2， 在一個節(jié)距內(nèi)： 檢測 的變化， 即可檢測一個節(jié)距內(nèi)的位移量 。,13,工作方式： 相位工作方式（鑒相型系統(tǒng)） 幅值工作方式（鑒幅型系統(tǒng)） 相位工作方式： 供給滑尺的激磁信號為頻率、幅值相同，相位角相差90的交流電壓。 幅值工作方式： 給滑尺繞組通入相位相同、頻率相同，但幅值不同的勵磁電壓。,14,3.2.2 鑒相測量系統(tǒng),相位工作方式： 供給滑尺的激磁信號為頻率、幅值相同，相位角相差90的交流電壓。,15,兩繞組在定尺上的感生電壓：,據(jù)線性疊加原理，定尺上感應(yīng)的總電壓：,說明： 上式建立了感生電壓U2與相位 間的關(guān)系。,16,3.2.2 鑒相測量系統(tǒng) 鑒別定尺上的感應(yīng)電壓的相位，可得位移值：,鑒相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖,指令信號,反饋信號（感應(yīng)電壓）,誤差信號,17,3.2.3 鑒幅測量系統(tǒng) 幅值工作方式： 滑尺繞組通入相位 相同、頻率 相同，但幅值不同的勵磁電壓：（工作臺移動指令 ）,18,幅值工作方式：,定尺上的感生電壓：,定尺上感應(yīng)的總電壓： （正、余弦繞組同時供電，線性疊加 ）,19,幅值工作方式：,結(jié)論： 感生電壓的幅值 隨指令給定的位移量 與工作臺實際位移量 的差值的正弦規(guī)律變化。,20,3.2.3 鑒幅測量系統(tǒng),鑒幅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖,脈沖混合器將指令脈沖與反饋脈沖比較，得到跟隨誤差，經(jīng)DA變換后為模擬信號控制伺服機(jī)構(gòu)帶動工作臺移動。,21,課堂作業(yè) 班級： 序號： 姓名：,1. 解釋： 對刀點；刀位點； 工件原點；機(jī)床原點；編程原點 2. 填空： 脈沖當(dāng)量的值取得越 ，加工精度越 。 銑削工件外部輪廓時，應(yīng)采用 向切入/切出。,22,3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器位移檢測裝置（自學(xué)） 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交流電機(jī)。在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電動機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400H、500H、1000H、3000H、5000H，其結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。 工作原理： 當(dāng)激磁電壓U1加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感生電壓，由于轉(zhuǎn)子是可以旋轉(zhuǎn)的，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸轉(zhuǎn)到與定子繞組磁軸垂直時，如圖（a）所示，激磁磁通不穿過轉(zhuǎn)子繞組的橫截面，因此，感應(yīng)電壓U2為0。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過任意角度時，轉(zhuǎn)子繞組的產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2為 ：,U1= Umsin t U2= k U1 sin = ksin t sin,23,旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理圖,24,3.4 磁尺測量裝 （自學(xué)） 磁尺位置檢測裝置是由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測電路組成。 利用錄磁的原理將一定周期變化的正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測量的基準(zhǔn)。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過檢測電路處理后，用以計量磁頭相對磁尺之間的位移量。 特點： 對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強(qiáng)，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。,25,26,磁尺測量裝置的組成和工作原理： 磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍的一層1020um的導(dǎo)磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號。磁信號的節(jié)距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層厚12mm的耐磨塑料保護(hù)層。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號輸送到檢測電路中去。 普通錄音機(jī)上的磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，屬于速度響應(yīng)型磁頭。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運動和靜止時也能進(jìn)行位置檢測，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。,27,3.5 光柵位置檢測裝置 光柵用于數(shù)控機(jī)床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。它是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置。 物理光柵 刻線細(xì)密，柵距0.0020.005mm,光譜分析，波長測定 計量光柵 柵距0.0040.25mm, 常用于數(shù)字測量系統(tǒng),計量光柵 : 玻璃透射光柵 光源可垂直入射，信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡單; 刻線密度大100條/mm, 細(xì)分后，分辨率達(dá)微米級; 易碎，熱膨脹系數(shù)與機(jī)床不一致，影響測量精度. 金屬反射光柵 鋼尺、鋼帶 照相腐蝕、鉆石刀刻劃 熱膨脹系數(shù)與機(jī)床一致，安裝調(diào)整方便，易接長，不易碎,28,3.5.1 光柵檢測的工作原理 組成： 1 光源 2 聚光鏡 3 標(biāo)尺光柵（長光柵） 4 指示光柵（短光柵） 5 硅光電池,標(biāo)尺光柵長度相當(dāng)于工作臺移動的全行程; 長短光柵保持0.050.1mm間隙.,29,3.5.2 莫爾條紋的產(chǎn)生 標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距 指示光柵在其自身平面內(nèi)相對于標(biāo)尺光柵傾斜一個很小的角度, 兩塊光柵的刻線就會相交。當(dāng)燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在與兩塊光柵線紋相交的鈍角平分線方向，出現(xiàn)明暗交替，間隔相等的粗短條紋，稱之為橫向莫爾條紋。,形成原因： 對于粗光柵主要是擋光積分效應(yīng)，對于細(xì)光柵則是光線通過線紋衍射后，產(chǎn)生干涉的結(jié)果。,30,莫爾條紋的特點 1）放大作用 2）平均效應(yīng) 莫爾條紋是由若干線紋組成，例如每毫米100線的光柵，10mm長的莫爾條紋，等亮帶由2000根刻線交叉形成。因面對個別柵線的間距誤差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除了短周期誤差的影響。因此莫爾條紋的節(jié)距誤差就取決于光柵刻線的平均誤差。,31,莫爾條紋的特點 1）放大作用 2）平均效應(yīng) 3）莫爾條紋的移動規(guī)律 當(dāng)光柵向左或向有移動一個柵距，莫爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地移動一個節(jié)距W。而且莫爾條紋的移動還具有以下規(guī)律：若標(biāo)尺光柵不動，將指示光柵逆時針方向轉(zhuǎn)一很小的角度后，并使標(biāo)尺光柵向石移動，則莫爾條紋便向下移動；反之，當(dāng)標(biāo)尺光柵向左移動時，則莫爾條紋向上移動。若將指示光柵順時針方向轉(zhuǎn)動一很小的角度后，當(dāng)標(biāo)尺光柵向右移動，則莫爾條紋向上移動；反之，標(biāo)尺光柵向左移動，則莫爾條紋向下移動。,32,3.5.3 辨向 安裝兩個彼此錯開1/4節(jié)距的光電元件，當(dāng)光柵移動時，莫爾條紋通過兩個隙縫的時間不同所以兩個光電元件所獲得的電信號雖然波形相同，但相相差90。若以其一為參考信號，則另一信號超前或滯后參考信號，由此可判定運動方向。,33,3.5.4 提高光柵分辨精度的措施 1）提高刻線精度和增加刻線密度 有限 2）倍頻 常用 四倍頒方案 光柵刻線密度為50線mm，采用4個光電元件和4個隙縫，每隔14光柵節(jié)距產(chǎn)生一個脈沖，分辨精度可提高四倍。,34,四倍頒方案,35,36,3.5.5 光柵位置檢測裝置的特點 測量精度高 可用于大量程測量 可實現(xiàn)動態(tài)測量 易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理自動化 抗干擾能力強(qiáng) 怕振動、油污 高精度光柵制造成本高,37,脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。,3.7. 脈沖編碼器,38,. 增量脈沖編碼器,結(jié)構(gòu)及工作原理,信號處理裝置,a,b,z,碼盤基片,透鏡,光源,光敏元件,透光狹縫,光欄板,光源,39,光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路： 的取反信號。,A,B,90,Z,碼盤轉(zhuǎn)一圈,其中，,是,40, 輸出信號的作用及其處理, A、B兩相的作用 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前、滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。,A,B,CP,90O,41, Z相的作用 被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號； 被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。 的作用 后續(xù)電路可利用A、 兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。,Z,碼盤轉(zhuǎn)一圈,42,增量式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)； 現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從 36線/ 轉(zhuǎn) 到 10萬線 /轉(zhuǎn) 都有； 選擇：伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。 分辨率（分辨角） 設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為 n 線/轉(zhuǎn)：,43,提高增量式光電編碼器分辨率的方法 提高圓周的等分狹縫的密度 增加光電盤的發(fā)訊通道 使盤上有若干大小不等的同心圓環(huán)狹縫（碼道），光電盤轉(zhuǎn)一周，發(fā)出的脈沖個數(shù)增多，分辨率提高。 增量式編碼器的缺點 有可能產(chǎn)生計數(shù)錯誤（由于噪聲或其它外界干擾） 若因停電、刀具破損而停機(jī)，事故排除后不能找到事故前執(zhí)行部件的正確位置,44,. 絕對式編碼器,碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等； 對應(yīng)每圈都有光電傳感器； 輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比； 檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。,45,絕對編碼盤的編碼方式 及特點 二進(jìn)制編碼： 特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。 誤差分析：,1000,1111,46, 格雷碼 （循環(huán)碼、葛萊碼） 特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。,47,格雷碼的編碼方法 它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為： 將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。 例題： 將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼：,48,絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù) n 有關(guān)； 現(xiàn)在市場上提供從 4道 到 18道 都有； 選擇：伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。 分辨率（分辨角） 設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格 n 道：,49,. 光電編碼器的特點