數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用清華數(shù)控機(jī)床的位置傳感器件PPT課件

1、15.1 數(shù)控機(jī)床位置傳感器件的類型 數(shù)控機(jī)床的位置傳感器件用于將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。這些輸出信號(hào)一般比較弱，要由信號(hào)處理單元對其進(jìn)行進(jìn)一步變換和放大，成為較強(qiáng)的、并且利于輸入數(shù)控機(jī)床控制單元(數(shù)控系統(tǒng))的信號(hào)。輸入數(shù)控機(jī)床控制單元的信號(hào)一般是電流或電脈沖信號(hào)，在閉環(huán)系統(tǒng)中，這些信號(hào)作為反饋信號(hào)與參考輸入信號(hào)相減，就得到閉環(huán)控制的偏差信號(hào)。 1. 直線位移傳感器 2. 角位移傳感器 3. 模擬或數(shù)字位移傳感器 4. 絕對、半絕對或增量位移傳感器第1頁/共18頁25.2 光柵位移檢測裝置 早在19世紀(jì)，光柵的衍射效應(yīng)就被人們用來進(jìn)行光譜分析和光波波長的測定等工作，但是將光柵實(shí)際用作長度計(jì)量和

2、數(shù)控機(jī)床的位置傳感器件還是近四、五十年的事。到20世紀(jì)70年代以后，由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日臻成熟，應(yīng)用在工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域的光柵不斷完善，并在數(shù)控機(jī)床上獲得了廣泛的應(yīng)用。第2頁/共18頁3光柵位移檢測裝置的組成 光柵位移傳感器基于莫爾條紋和光電效應(yīng)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以制成直線光柵和圓光柵，分別用于測量直線位移和角位移。作為一個(gè)獨(dú)立的、完整的測量裝置，按其功能光柵位移檢測裝置包括以下三大部分。 (1)光柵傳感器 (2)光柵倍頻器 (3)光柵數(shù)顯表 第3頁/共18頁4光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 光柵傳感器由主光柵和光柵讀數(shù)頭構(gòu)成，其中光柵讀數(shù)由光

3、源、指示光柵及光學(xué)系統(tǒng)、光電元件等組成。圖5.3和圖5.4給出了兩種光柵傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要元件如下。 2. 莫爾條紋的形成及其特點(diǎn) (1)莫爾條紋的形成 (2)莫爾條紋的特點(diǎn) 莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對應(yīng)關(guān)系。 莫爾條紋的間距對光柵柵距有放大作用。 (3) 莫爾條紋測量位移的原理 第4頁/共18頁5光柵傳感器的信號(hào)處理技術(shù) 光柵傳感器實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量到電量的轉(zhuǎn)換，但為了辨別位移的方向，提高測量精度，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示等要求，必須把傳感器的輸出信號(hào)送入數(shù)顯表做進(jìn)一步處理。 1. 辨向原理 由于位移量是有方向性的，因此希望當(dāng)物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù)累加；

4、反向移動(dòng)時(shí)就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，在相距1/4B的位置上設(shè)置兩個(gè)光柵元件1和2。 2. 細(xì)分技術(shù) 所謂細(xì)分技術(shù)，就是在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只是輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以提高分辨率。 第5頁/共18頁65.3 脈沖發(fā)生器 概述 脈沖發(fā)生器又稱角度數(shù)字編碼器或碼盤，具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測元器件。 脈沖發(fā)生器有兩種類型：增量式和絕對式。增量式脈沖發(fā)生器需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)和一個(gè)辨向系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖；在計(jì)數(shù)中對每個(gè)基數(shù)進(jìn)行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的方向和角位移。絕

5、對式脈沖發(fā)生器不需要基數(shù)，它在任意位置都能給出一個(gè)對應(yīng)于固定點(diǎn)的數(shù)字碼輸出。脈沖發(fā)生器的敏感元件可以是非接觸式的(如光電式和電磁式)，也可以是接觸式的。第6頁/共18頁7增量式脈沖發(fā)生器 增量式脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)最為簡單，應(yīng)用也很廣泛。直接使用增量式角度脈沖發(fā)生器進(jìn)行測量，其轉(zhuǎn)換精度并不高；通常可采用電子細(xì)分來提高它的分辨率。 增量式脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5.9所示。 在一個(gè)碼盤的邊緣上開有相等角度的縫隙(或小孔)，在碼盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，當(dāng)碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙就產(chǎn)生一次光線的明暗變化，經(jīng)整形放大，便可得到一定幅值和功率的電脈沖輸出信號(hào)，其脈沖數(shù)就等于轉(zhuǎn)過的縫隙(或

6、小孔)數(shù)。如果將上述脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，從測得的脈沖數(shù)就能知道碼盤轉(zhuǎn)過的角度。第7頁/共18頁8絕對脈沖發(fā)生器 1. 接觸式碼盤 接觸式碼盤的特點(diǎn)是敏感元件電刷與碼盤上導(dǎo)電區(qū)直接接觸，以檢出碼盤的位置。接觸式脈沖發(fā)生器的碼盤基體是絕緣體，碼道是一組同心圓，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來決定。同心圓的徑向距離就是碼道寬。 2. 光電式和電磁式脈沖發(fā)生器 光電式脈沖發(fā)生器是目前用得較多的一種非接觸絕對脈沖發(fā)生器，碼盤由透明區(qū)和不透明區(qū)按一定編碼規(guī)律構(gòu)成。 3. 絕對式脈沖發(fā)生器的選用 絕對式脈沖發(fā)生器的分辨率取決于碼道的多少，目前已能生產(chǎn)出有21條碼道的脈沖發(fā)生器，其絕對位置分辨率優(yōu)于1.3，對于光

7、電脈沖發(fā)生器還可使用電子細(xì)分技術(shù)，獲得23條碼道，分辨率達(dá)0.15。第8頁/共18頁95.4 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器可測量直線位移和角位移，并能轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示。根據(jù)測量對象的不同，它可以分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器對環(huán)境要求低，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命較長，售價(jià)低廉，同時(shí)具有一定精度，所以應(yīng)用較廣。第9頁/共18頁10感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)、分類和選用 1. 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 直線感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu)如圖5.12所示。 2. 感應(yīng)同步器的分類 根據(jù)不同的運(yùn)行方式、精度要求、測量范圍以及安裝條件等，直線式感應(yīng)同步器可有標(biāo)準(zhǔn)型、窄型、帶型以及三重型等不同的尺寸、形狀和種類。第10頁/

8、共18頁11感應(yīng)同步器的工作原理和信號(hào)處理方式 1. 工作原理 各種感應(yīng)同步器的基本工作原理是一樣的，都是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)勵(lì)磁繞組用一定頻率的正弦電壓勵(lì)磁時(shí)，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通，感應(yīng)繞組與這個(gè)交變磁通耦合，感應(yīng)出同頻率的交變電動(dòng)勢(圖5.13)。圖5.14中表示了感應(yīng)電動(dòng)勢與繞組位置的關(guān)系。 2. 感應(yīng)同步器的信號(hào)處理 根據(jù)工作要求和精度的不同，感應(yīng)同步器的信號(hào)處理有鑒相型、鑒幅型、幅/相型等方式。 第11頁/共18頁12感應(yīng)同步器數(shù)字位置測量系統(tǒng) 感應(yīng)同步器作為測量元件，可以用鑒相或鑒幅方式將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為電模擬量，若再對該模擬量進(jìn)行測定或處理，以數(shù)字信號(hào)的形式輸出測量結(jié)果，

9、就可以構(gòu)成完整的數(shù)字位置測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能部件有感應(yīng)同步器、放大器、邏輯控制電路和函數(shù)電壓發(fā)生器，此外還有顯示計(jì)數(shù)器、電源以及振蕩器等輔助部件。 圖5.15是采用鑒幅工作原理的增量型數(shù)字位置測量系統(tǒng)的框圖。 顯示計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)和顯示值即為輸入的位移增量，故這種系統(tǒng)稱為增量型測量系統(tǒng)。當(dāng)上述系統(tǒng)中的位模變換器為感應(yīng)同步器時(shí)，便構(gòu)成了感應(yīng)同步器的數(shù)字測量系統(tǒng)，其原理框圖如圖5.16所示。 第12頁/共18頁135.5 其他位置檢測元件 旋轉(zhuǎn)變壓器 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器常用于數(shù)控機(jī)床中角位移的檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固，對工作環(huán)境要求不高，信號(hào)輸出幅度大，以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)

10、。但普通的旋轉(zhuǎn)變壓器測量精度較低，為角分?jǐn)?shù)量級(jí)，使用范圍受到一定限制。一般用于精度要求不高或大型機(jī)床的較低精度及中等精度的測量系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的，見圖5.17。 2. 信號(hào)處理方式 旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成角位移測量系統(tǒng)時(shí)，其信號(hào)處理方式與感應(yīng)同步器類似，也分為鑒幅型和鑒相型兩種。第13頁/共18頁14磁柵 磁柵是測量直線位移的一種數(shù)字式傳感器，加工工藝比較簡單，需要時(shí)還可將原來的磁化信號(hào)抹去，重新錄制，或安裝在機(jī)床上后再錄制磁化信號(hào)。這對消除安裝誤差和機(jī)床本身的幾何誤差，以及提高測量精度都是十分有利的。目前可以做到系統(tǒng)精度0.01mm，分辨率5m。 磁柵傳感器由磁尺、磁頭和檢測電路

11、組成，如圖5.18所示。 相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接，這樣得到的總輸出是每個(gè)磁頭輸出信號(hào)的疊加。這樣不但增大了輸出信號(hào)的強(qiáng)度，提高了信噪比，同時(shí)也降低了對節(jié)距和波形的精度要求，因?yàn)槎鄠€(gè)磁頭串聯(lián)使用有誤差平均作用。這種磁頭的原理如圖5.20所示。第14頁/共18頁15磁柵 磁柵檢測電路包括：磁頭勵(lì)磁電路，讀取信號(hào)的放大、濾波、辨向、細(xì)分、顯示及控制電路等幾個(gè)部分。根據(jù)檢測方法不同，也有幅值測量和相位測量之分，以相位測量應(yīng)用較多。 影響磁柵傳感器性能的因素主要有以下幾個(gè)方面。 磁尺磁性涂層的均勻程度和磁信號(hào)錄制的均勻性； 磁頭和磁心的剩磁效應(yīng)； 對外磁場干擾的敏感性； 磁尺上磁信號(hào)的尺寸誤差和磁

12、頭的間距誤差； 勵(lì)磁繞組的影響。第15頁/共18頁165.6 習(xí) 題 (1)名詞解釋：光柵數(shù)顯表莫爾條紋電子細(xì)分光柵讀數(shù)頭脈沖發(fā)生器辨向接觸式碼盤循環(huán)碼 (2)莫爾條紋有何特點(diǎn)？ (3)簡述莫爾條紋測量位移的工作原理。 (4)光柵傳感器在數(shù)控機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用中有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？ (5)使用2048線/轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)生器測量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，若脈沖發(fā)生器最高轉(zhuǎn)速允許的機(jī)械轉(zhuǎn)速為5000r/min，求其脈沖寬度是多少？ (6)為提高絕對式脈沖發(fā)生器的精度，降低制作要求，常采用哪幾種方法？加以簡要說明。 (7)簡述感應(yīng)同步器的工作原理。 (8)敘述感應(yīng)同步器的鑒相型和鑒幅型的信號(hào)處理方式的原理。 (9)感應(yīng)同步器接長時(shí)應(yīng)注意哪些問題？ (10) 感應(yīng)同步器數(shù)字測量系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述其工作原理。第16頁/共18頁175.6 習(xí) 題 (11) 接觸式碼盤的碼道數(shù)為18，那么測量每周的分辨角度是多少？ (12) 簡述磁柵的組成和工作原理。 (13) 磁柵傳感器中為什么采用靜態(tài)磁頭？其結(jié)構(gòu)如何？ (14) 磁柵傳感器多間隙磁頭的作用是什么？簡述其工作原理。 (15) 舉例說明何謂增量式數(shù)字傳感器？何謂絕對式數(shù)字傳感器？ (16) 增量式脈沖發(fā)生器與