應用于數控機床方面的傳感器介紹

1、應用于數控機床方面的傳感器物理031班 0361005 伍文彬 數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術；(3)自動控制技術；(4)伺服驅動技術；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等。數控系統(tǒng)和機床的測量系統(tǒng)是現代數控機床的關鍵部件,尤其是機床的測量系統(tǒng),它是保證機床高精度的前提條件。一、時柵傳感器在數控系統(tǒng)中的應用 時柵傳感器在數控系統(tǒng)中的應用王彥剛,等自動化儀表第27卷第1期2006年1

2、月新型的智能位移傳感器- 時柵傳感器,通過將其信號轉化為數控系統(tǒng)的標準測量接口信號,實現了用時柵位移傳感器代替數控系統(tǒng)中的光柵傳感器。由于時柵傳感器的性價比遠遠高于光柵傳感器(與同等精度的光柵位移傳感器相比,其價格約為光柵的1 /10,從而顯著降低了數控系統(tǒng)的成本。1時柵傳感器工作原理及其信號輸出時柵傳感器是按照時空坐標轉換思想 :“它是由建立相對勻速運動雙坐標系(即一個坐標系上的位置之差(位移)表現為另一個坐標系統(tǒng)上觀查到的時間之差”)而研制的一種新型位移傳感器。它擺脫了以往位移傳感器采用高精密機械加工和裝配來保證精度的傳統(tǒng)思路,而是采用測量時間的方法,用微型計算機技術來實現測量的高精度。最

3、近,中國測試技術研究院參照JJG900“光電軸角編碼器檢定規(guī)程”檢定時柵傳感器的精度為±018。時柵的基本工作原理是通過測量動坐標系上的觀察點每次到動測頭和定測頭時的時間差,來測量位移量(為時間差與勻速V 之積) 。其原理如圖1所示。圖1時柵原理圖時柵設計輸出信號為三路信號。分別為方向信號D、增量信號P 和零位脈沖信號Z。三信號為標準的TTL電平信號,其體波行如圖2 所示。增量信號為離散的脈沖信號,即傳感器每80s (時柵旋轉磁場周期)輸出一組方波信號;方向信號為電平信號,正轉時為高電平,反轉時為低電平;零位信號為脈沖信號,傳感器每轉360°輸出一個脈沖信號。在設計時柵信號

4、轉換接口電路時,考慮到測量系統(tǒng)的實時性,采用了全硬件接口電路。時柵傳感器轉換接口電路原理圖如圖3所示。圖3電路原理圖接口電路中74LS74型D 觸發(fā)器電路為二分頻電路。將其反相輸出端.Q接到其D 輸入端,當輸入信號的第一個上升沿到來時,觸發(fā)器都將翻轉一次,于是在輸出端得到的信號頻率只有原信號的一半,這樣就得到一個對CLK端輸入的信號進行二分頻的電路;接口電路的其余部分為簡單的邏輯電路。如圖3所示,將時柵傳感器的方向信號和增量信號接入轉換接口電路后,當方向信號D 為高電平時(正轉) ,與門4A關閉,與門5A打開,增量信號P通過與門5A和或門6A,與增量信號P的二分頻電路異或后生成比增量信號P 的

5、二分頻信號(A 相信號)滯后90°的同頻信號(B 相信號) ,如圖4 正轉信號所示;當圖4反轉信號分析方向信號D 為低電平時(反轉) ,與門5A 關閉,與門4A打開,增量信號P取反后通過與門4A和或門6A,圖4反轉信號分析與增量信號P 的二分頻電路(A 相信號)異或后生成比增量信號P二分頻信號超前90°的同頻信號(B 相信號) ,時柵傳感器轉換接口電路輸出反轉信號如圖所示。從接口輸出信號分析可以看出,采用全硬件設計的時柵信號轉換電路能夠將時柵輸出信號轉換化數控系統(tǒng)中定義的測量輸入信號,再根據數控系統(tǒng)中定義的接口標準為5 V方波差分信號,將轉換接口輸出信號設計為差分輸出,與數

6、控系統(tǒng)的測量接口進行匹配即可實現用性價比高的時柵傳感器替換光柵傳感器。二、高精度定位傳感器及其在混聯切削機器人中的應用 樊澤明等: 高精度定位傳感器及其在混聯切削機器人中的應用西安理工大學學報Journal of Xian U niversity of Techno logy (2002) Vo l. 18 No. 1普通數控機床一般通過對刀來確定工件與刀具之間精確的位置關系, 其零點僅作為停止參考位置, 回零的精度并不作為機床性能的一項重要指標, 而將加工對刀或更換零件時的刀具和工作臺所在的位置作為零件加工的精確位置。一般用行程開關及伺服驅動電機自帶的編碼器組成的回零定位系統(tǒng), 其定位精度取

7、決于下面兩點: 編碼器的精度; 運動部件的質量、回零運動速度、驅動系統(tǒng)剛度及摩擦特性等。而對由串、并聯組成的混聯 自由度切削機器人 , 一則其結構由多個直線移動關節(jié)和回轉關節(jié)組成, 特別對于由多分支組成的并聯部分 , 不但有單個分支多關節(jié)的誤差, 而且有分支之間的耦合誤差; 二則加工復雜零件是其突出優(yōu)點, 而此類零件一般具有多品種、小批量、工藝復雜等特點。這樣, 由于工件更換及品種變化原因, 或者同一工件由于加工過程中需要熱處理、變換機床等工藝原因, 以及由于機床故障或換班等停機原因, 使機器人多次頻繁對刀。因此若采用傳統(tǒng)的回零定系統(tǒng), 不僅影響加工精度, 而且降低加工效率。針對上述問題, 本

8、文設計了一種簡單的高精度定位傳感器, 并將其用于混聯切削機器人串聯部分的單軸回零和并聯部分的動平臺回零定位。從而實現由并聯驅動的動平臺和串聯驅動的工作臺快速、精確回零及得到二者精確的位置關系, 實現其自動快速適應混聯切削機器人的加工要求。自動定位高精度傳感器1. 1基本結構及定位原理為了提高切削機器人的工作效率, 一般要求定位精度高, 定位速度快。但定位速度過大, 將會使被定位件產生定位動態(tài)誤差。對此, 文獻4 對定位速度做了一定的研究。本定位傳感器由減速信號產生單元、準停信號產生單元、定位失效處理單元組成, 其示意圖如圖1 所示。其中, 減速信號產生單元由觸發(fā)球等組成; 準停信號產生單元由高

9、精度的準停球等組成;定位失效處理單元由彈性鉸等組成。負極電纜接被定位件, 正極電纜接定位傳感器。定位原理如下: 由被定位件上負極與定位傳感器的正極形成電開關。當被定位件與觸發(fā)球接觸時, 將減速信號輸入控制器開始以比較大的加速度進行減速(同時由減速單元磁性元件將觸發(fā)球經過壓縮彈簧拉回) , 減速到設定的速度后由控制器產生二次減速信號, 并進行平穩(wěn)減速至均勻運動, 以保證被定位件以恒定低速與準停球接觸, 并且采用電路來消除正負極接觸時由于抖動產生的影響, 從而實現高精度定位的目的。同時考慮到定位失效后損壞定位傳感器及其它機器人部件, 加入了失效處理單元。即當定位失效后, 壓縮彈性絞產生微小變形,

10、使彈性鉸形成的負極與定位座的正極接觸產生失效處理信號并輸入計算機進行失效處理, 運動部件反向運動。右圖1定位傳感器結構示意圖定位過程斷開接觸器, 由彈簧將減速信號產生單元的觸發(fā)球彈出到圖1 位置, 使之處于等待接觸狀態(tài), 并同時將負極與被定位件接通, 啟動被定位運動部件。當此運動部件接觸到觸發(fā)球時, 則以被定位運動件為負極和觸發(fā)球為正極的電開關信號接通, 產生大的加速度減速信號, 并將此信號接入計算機的IöO 卡, 使計算機控制被定位件以比較大的加速度進行減速。同時接通接觸器, 由接觸器將觸發(fā)球拉回來, 則可保證定位時觸發(fā)球正極與被定位運動件負極斷開, 為定位信號的產生提供可能(因為

11、觸發(fā)球和準停球同接正極, 被定位運動件接負極, 若不斷開, 即使準停球與被定位件接觸, 也無法產生定位圖2定位實驗數據描述圖信號)。當減速到設定的速度后由控制器產生二次減速信號并進行小加速度平穩(wěn)減速, 減速到設定的恒定低速后以勻速運動。一旦準停球與被定位運動件接觸時, 定位電路立刻產生定位信號, 通過硬件電路鎖定伺服驅動器, 同時將此信號接入IöO 板, 從而實現精確定位。定位實驗定位傳感器安裝在切削機器人直線移動關節(jié)上, 并接電源正極, 被定位運動件接電源的負極, 將被定位件接觸到觸發(fā)球與其接觸到準停球之間的距離大約定為5mm 左右。通過計算機自動控制定位,采用高精度激光干涉儀(英

12、國ML 10) 進行測量, 重復進行1 500 次多階段定位實驗。為便于描述, 其中每測100 次取其中定位誤差E 最大值的1 次描述在圖2 上。由實驗知, 此定位傳感器的定位誤差在1×10- 6m 以下, 作為定位傳感器是可行的。串聯軸和并聯動平臺的自動回零及定位以三軸串聯(x 軸、y 軸、C 軸) 和三軸并聯(z 軸、A 軸、B 軸) 混聯切削機器人為例進行說明。工作臺的回零定位工作臺由串聯部分驅動, 既有直線移動關節(jié)x 軸和y 軸, 又有回轉關節(jié)C 軸。對于直線移動關節(jié)x軸和y 軸可將負極接移動部件上, 定位傳感器裝在相對靜止的部件上; 對于回轉關節(jié)C 軸, 其精度受半徑影響,

13、 半徑越大, 誤差越大。故而, 回轉關節(jié)可將定位傳感器安裝在回轉工作臺的外邊緣相對靜止的零件上, 負極接回轉工作臺的回轉件上。2. 2動平臺回零定位并聯部分比較復雜, 因為動平臺的零位包括z 軸零位和A 、B 軸零位。而動平臺的零位精度與三個分支的回零精度和運動誤差(含結構參數誤差及變形誤差) 有關。本文在并聯機構的結構參數已經識別和校準的基礎上 6 , 進行動平臺的回零定位。本系統(tǒng)采用粗定位和精定位的兩級定位方法, 即將定位傳感器分別安裝在各分支直線移動關節(jié)上以實現動平臺的粗定位, 然后用安裝在工作臺上的校準定位傳感器組來進行動平臺的回零精定位。校準回零定位傳感器組所用的傳感器與2. 1 節(jié)

14、所用的單軸回零定位傳感器結構相同, 但定位過程不同。單軸回零定位用傳感器被定位件與準停球一接觸即定位; 而傳感器組所用的傳感器在彈性鉸允許的范圍內, 按動平臺指令進行定位。此精定位傳感器組的位置及安裝精度預先在三坐標測量機上校準。基準規(guī)安裝在動平臺上, 亦預先用三坐標測量機校準, 使其基準面與動平臺上三鉸所決定的動平臺虛擬平面平行。具體定位過程如下(圖3) : 三、線切割加工檢測斷絲的傳感器 樊琳陳齊漢 線切割加工檢測斷絲的傳感器蘇州大學江蘇省蘇州市215021數控電火花線切割機床是使用一根移動著的細金屬絲(0. 100. 30mm 銅絲或鉬絲) 作工具電極,并在工具電極與工件之間通以脈沖電流

15、,使工件產生電腐蝕而加工成一定形狀和尺寸的機床。在線切割加工中,工具電極由于自身電腐蝕損耗或使用不當等因素,經常會發(fā)生斷絲現象。國內生產的普及型數控高速走絲線切割機床一般不能做到斷絲自動停機,自動化功能比較低,控制方式不完善,影響工件加工質量。隨著數控機床加工自動化的深入發(fā)展,利用傳感器技術檢測斷絲狀況,將傳感器檢測到的信號送入控制系統(tǒng)處理,經過判別,控制加工過程,已成為數控線切割機床自動化加工的趨勢。本文介紹的一種傳感器可用于線切割機床加工時工具電極斷絲狀況的檢測。傳感器的原理和使用方法實現線切割加工斷絲的自動控制,信號源的確定與傳感器的選擇是關鍵。在線切割機床上直接用機械式傳感器檢測工具電

16、極是否斷絲比較困難,也不現實。經過多種方案的試驗比較,最后選擇工件和工具電極之間的高頻脈沖電流作為信號源,機床正常加工高頻信號存在(見圖1) ,當工具電極斷絲信號隨之消失。為了使高頻信號檢測不影響電火花線切割放電性能,檢測方式采用電磁感應技術,根據法拉第電磁感應定律,在電磁感應現象中產生的感應電動勢大小,跟穿過這一回路的磁通量的變化率成正比。公式為: 以上公式表明,感應電動勢除了和磁通量的變化率成正比外,還和線圈匝數n 有關。在研制過程中,我們選用了CJ 10 - 10 中間繼電器的空心線圈作為傳感器, 該空心線圈約8750 ±10 匝, 線圈電壓為380V ,銅絲直徑0109mm.

17、線切割機床采用正極性加工,即脈沖電源的正極接工件,負極接工具,脈沖電源的作用是將工頻的交流電流轉換成一定頻率的單向脈沖電流,以供給電極放電間隙所需要的能量來蝕除金屬。當工具和工件之間有脈沖電流通過時,脈沖電源和工件之間的導線周圍存在著高頻直流的磁場,該磁場的磁感應線是以導線上各點為同心圓,并且都在跟導線垂直的平面上。從理論上,將導線從傳感器中穿過,傳感器受到磁感應線的作用,產生感應電流。實際上,由于線圈中間有12 ×18 (mm) 的空心,感應的信號很弱很弱,一般測量方法檢測困難。為了增加感應電流的強度,實際使用將導線在空心線圈表面繞一圈,讓導線和線圈緊貼,增強感應效果。傳感器使用方

18、法如圖2 所示。實驗證明,選擇最小電規(guī)準,用約0. 2A 的高頻電流切割3mm 左右的金屬片,用萬用表測量空心線圈的兩端點,線圈感應電壓約為12V. 如果用示波器看波形,檢測的信號和高頻電源的波形一致。傳感器的配用電路測斷絲傳感器和配用電路的原理框圖見圖3 ,依據原理框圖研制的電路圖如圖4 所示。圖4 中L 為傳感器。機床正常工作,在傳感器L的兩端會感應出一個高頻信號。該信號經D1 整流后,加R1 上。電路中由R P1 產生一個標準設定值,輸入信號和標準值信號連接N1 成比較放大器。標準值的確定,主要依據實驗結果,傳感器的感應信號的強弱和加工電流的大小有直接關系,機床正常加工感應信號不會低于1

19、V ,考慮到切割機床加工中的其它因素,標準值設定為1V. 為了能滿足不同型號的線切割機床的應用,標準值的大小可以通過R P1 進行調節(jié)。信號處理由延遲和信號放大二部分電路組成。設計延遲電路主要是為了防止執(zhí)行元件誤動作,由D2 、R2 、DW1 、C、R P2 與R4 串聯組成, R P2 可根據機床加工實際情況調節(jié)延遲時間。普及型高速走絲線切割機床工作時,運絲電機帶動貯絲筒一起連續(xù)不斷地正反轉。當電機轉子正反轉交換瞬間,工具電極速度瞬時為零。為防止高頻電流燒斷工具電極,高頻電流會自動中斷12s. 采用延遲電路,使檢測到的高頻信號保持2s 左右,以免執(zhí)行元件J 誤動作。若無延遲電路,感應信號瞬間

20、消失,執(zhí)行元件J 會馬上動作,使機床不能正常工作。信號放大電路由兩個運算放大器組成,設計信號放大電路是為了將信號放大來推動執(zhí)行元件。N1 接成比較放大器,N2 接成比較器,L ED1 上的電壓既是N2 的基準電壓,還可作為電源正常工作的指示信號(綠色) 。經N1 放大的檢測信號由延遲電路保持數秒后送到N2 的反相端,與R3 產生的基準電壓比較后送到BG的基極,BG 的集電極控制執(zhí)行元件,即一個中間繼電器。當檢測到高頻信號時,N2 輸出“0”電平,執(zhí)行元件不動作;當高頻信號消失時,N2 輸出“1”電平,執(zhí)行元件切斷有關電源。L ED2 為機床斷絲狀況的指示信號(紅色) 。電路板所需要的電源可配備

21、一個穩(wěn)壓電源或直接從線切割機床內部配備的穩(wěn)壓電源中引出。該電路板的工作電源耗電很少,約3W 左右,如果從機床內部配備的穩(wěn)壓電源中引出,不會影響機床電氣性能。四、物體速度傳感器圖 1 光電檢測運動物體的速度（長度）示意圖1光源 A 2光敏元件 VDA3運動物體 4光源 B 5光敏元件 VDB6RS觸發(fā)器 7高頻脈沖信號源 8計數器 9顯示器當物體自左向右運動時，首先遮斷光源 A 的光線，光敏元件 VDA輸出低電平，觸發(fā) RS觸發(fā)器，使其置 “1”，與非門打開，高頻脈沖可以通過，計數器開始計數。當物體經過設定的 S0距離而遮擋光源 B 時，光敏元件 VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器置 “0”，與非門關閉，計數器停止計數。設高頻脈沖的頻率 f=1MHz，周期 T =1s，計數器所計脈沖數為 n，則可判斷出物體通過已知距離 S0所經歷的時間為（單位為s），則運動物體的平均速度為應用上述原理，還