數(shù)控機床的位置檢測系統(tǒng)

數(shù)控機床的位置檢測系統(tǒng)第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五

基本傳感器一般采用光柵，同步傳感器，磁柵，光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等基本元件。正交信號由基本傳感器產(chǎn)生，再做后續(xù)處理一般都要經(jīng)過前置放大，這方面可以結(jié)合模擬電子技術自行分析。細分電路是一個專用的電路，對于正交正弦信號的細分一般由一套電阻網(wǎng)絡組成。對于整形判向電路也是電子技術的一般應用。對于交流信號的整形往往采用過需比較加史密特觸發(fā)器即可。而對判向電路一般都為邏輯電路實現(xiàn)。難度不大，形式多樣?？赡嬗嫈?shù)分為硬件式和軟件式兩種，若是硬件式則完全由硬件電路實現(xiàn)。CNC不斷地讀取可逆計數(shù)的值用作求給定反饋的差值。若是軟件式可逆記數(shù)器則要求每個計數(shù)脈沖申請中斷，在中斷服務程序中作加或減的計數(shù)，最后完成可逆計數(shù)。位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運動，直至偏差等于零為止。為了提高數(shù)控機床的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度，不同類型的數(shù)控機床，對元件和檢測系統(tǒng)的精度要第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五求，允許的最高移動速度各不相同。一般要求檢檢測元件的分辨度(檢測元件能檢測的最小位移量)在0.0001～0.01mm之內(nèi)，測量精度為0.0010～0.02mm/m，運動速度為0～24m/min。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：1)受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強：2)在機床執(zhí)行部件移動范圍內(nèi)，能滿足精度相速度的要求；3)使用維護方便，適應機床工作環(huán)境；4)成本低。二、位置檢測裝置的分類按工作條件和測量要求不同、可采用不同的測量方式。

(一)數(shù)字式測量和模擬式測量

1．數(shù)字式測量數(shù)字式測量是將被測的量以數(shù)字的形式來表示。測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。如光柵位置檢測裝置。數(shù)字式測量裝置的特點是：1)被測的量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，便于顯示和處理，2)測量精度取決于測量單位，和量程基本上無關(但存在累積誤差)；3)切量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強。

第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五2．模擬式測量

模擬式測量是特鉸測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等，數(shù)控機床所用模擬式測量主要用于小量程的測量，如感應同步器的一個線距(2mm)內(nèi)的信號相位變化等。在大量程內(nèi)作精確的模擬式測量時，對技術要求較高。模擬式測量的特點是：1)直接測量被測的量，無需變換，2)在小量程內(nèi)實現(xiàn)較高精度的測量，技術上較為成熟。如用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器等。

(二)增量式測量和絕對式測量

1．增量式測量

增量式測量的持點是：只測位移量，如測量單位為0.01mm，則每移動0.01mm就發(fā)出一個脈沖信號。其優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可作為測量的起點。在輪廓控制的數(shù)控機床上大都采用這種測量方式。典型的測量元件有感應同步器、光柵、磁尺等。在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計數(shù)讀出的，一旦計數(shù)有誤，以后的測量結(jié)果則完全錯誤。因此，在增量式檢測系統(tǒng)中，基點特別重要。此外，由于某種事故(如停電、刀具損的而停機，當事故排除后不能再找到事故前執(zhí)行部件的正確位置，這是由于這種測量方式?jīng)]有一個特定的標記，必須將執(zhí)行部件移至起始點重新計數(shù)才能找到事故前的正確位置。下面介紹的絕對式測量裝置可以克服以上缺點。

2．絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復雜，如編碼盤中．對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)也就愈復雜。

第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五(三)直接測量和間接測量l．直接測量

直接測量是將檢測裝置直接安裝在執(zhí)行部件上，如光柵、感應同步器等用來直接測量工作臺的直線位移，其缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，因此，不便于在大型數(shù)控機床上使用。2．間接測量

間接測量裝置是將檢測裝置安裝在滾珠絲杠或驅(qū)動電機抽上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量執(zhí)行部件的直線位移。間接測量方便可靠，無長度限制。其缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。

第二節(jié)正交、正弦信號的細分及判向電路一、細分電路

所謂正交正弦信號即

(v)(v)其中為位移量

第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五寫成相量式：

(v)(v)

我們以十六細分為例把這兩個信號接到一個電阻網(wǎng)絡上。如圖6-2所示：我們根據(jù)相量運算的方法可以求得的值。如圖6-3所示：可以理解，當精確調(diào)整好，完全可以把的16個正弦波的相位差間隔調(diào)到,得到16個正弦波。先不管這16個正弦波的幅度。我只須將這16路信號經(jīng)過個自的過零比較器，即可得到間隔的16個方波。再經(jīng)后面的微分，判向，可逆計數(shù)等電路完成位移檢測。

二、判向及可逆計數(shù)

現(xiàn)代數(shù)控裝置中軟件的作用越來越大，在很多問題的處理方面。軟硬件結(jié)合的作法越來越多。概述中提及的整形判向，可逆計數(shù)器現(xiàn)在很少有人采取獨立硬件環(huán)節(jié)來組合。這里我們介紹一種軟硬結(jié)合的方法實現(xiàn)判向可逆計數(shù)的方法。1.硬件原理圖如圖6-4

518為8位數(shù)據(jù)比較器，～分別為～經(jīng)過零比較器后的方波，～為兩個377的輸出，均為CPU控制。工作時若～未發(fā)生變化時OUT1或OUT2中必有一個為“0”產(chǎn)生中斷請求信號。CPU在中斷服務程序中完成對～的采樣，并重置～使OUT1、OUT2重變?yōu)椤?”，最后根據(jù)～的狀態(tài)與前一狀態(tài)比較后作軟件式可逆計數(shù)器的加或減，完成可逆計數(shù)。

第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五2.數(shù)據(jù)比較及重置位的邏輯關系根據(jù)數(shù)據(jù)比較器的邏輯關系得：

OUT1=

OUT2=

=OUT1OUT2

由于518為8位數(shù)據(jù)比較器，故對于16位采用了兩個518芯片，245作為CPU采樣u1′～u16′狀態(tài)的三態(tài)門。便于CPU讀入u1′～u16′，377為重置518所用的輸出鎖存器。設u1′從0變?yōu)?時，此時必為0，OUT1也變?yōu)?。當然也跳至0申請中斷。CPU根據(jù)u1′～u16′的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)u2′變化了，那么就置，并輸出至377。使重新變?yōu)?，OUT1也重新變?yōu)?。CPU在中斷服務程序中立即作可逆計數(shù)的工作，完成后中斷返回。

3、軟件工作過程

這里的軟件工作過程主要是指中斷服務程序。其任務為：

①

完成u1′～u16′的讀取。②

求出可逆計數(shù)的增量（+1為：01H，-1為OFFH）。③

可逆計數(shù)。④

重置518后中斷返回。軟件板圖如圖6-5第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五圖6-5判向可逆計數(shù)軟件框圖第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五軟件板圖中，查表得狀態(tài)序號就是根據(jù)u1′～u16′次序號的不同定義了OO～OFH十六個狀態(tài)值。事實上u1′～u16′的變化都是按次序改變的。正轉(zhuǎn)時從：u1′～u16′方向依次變化。反轉(zhuǎn)時，按u16′～u1′方向依次變化。正轉(zhuǎn)時，增量總是為01H，反轉(zhuǎn)時，增量總是為0FFH。只要把此增量與可逆計數(shù)器的當前值相加并進行多位操作，便可完成可逆計數(shù)器的操作。對于版圖中其它操作都不難理解，讀者在編程時可以展開。

第三節(jié)感應同步器測位移

感應同步器是根據(jù)電磁耦合原理將位移信號轉(zhuǎn)換成電信號的。一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應同步器由定尺1和滑尺2兩部分組成，定尺和滑尺均用鋼板作基本，用絕緣粘結(jié)劑將銅箔粘貼在基體上。用照相腐蝕的方法制成矩齒形平面繞組。示意圖如圖6-6。在滑尺的銅箔繞組上面用絕緣的粘結(jié)劑貼一層鋁箔，以防止靜電感應。標準式直線式感應同步器的定尺長為250mm，當被測位移移較長時，可用多個定尺連接起來。定尺上的繞組是節(jié)距為2mm的單相連續(xù)繞組?；弑榷ǔ叨桃恍?，它有兩個節(jié)距為2mm的繞組A和B。繞組A稱為正弦繞組，繞組B稱為余弦繞組。它們相對于定尺繞組錯開1/4節(jié)距。旋轉(zhuǎn)式感應同步器由轉(zhuǎn)子1和定子2組成。用于直線式感應同步器相同的方法制成轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組。所不同的是繞組排列成輻射狀，如圖6-7所示。轉(zhuǎn)子繞組是單向均勻連續(xù)的。定子繞組亦分為A和B，相對于定子繞組錯開1/4節(jié)距。

第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五

使用時，對于直線式感應同步器，定尺固定在不動的部件上，滑尺固定在移動的部件上。對于旋轉(zhuǎn)式感應同步器定子固定在不動的部件上，轉(zhuǎn)子固定在移動的部件上。定尺與滑尺的兩個繞組表面平行其間隙為0.05—0.25mm，定子與半徑的平面繞組也平行。其間隙為0.05—0.25mm。測量時，滑子（或定子）的兩個繞組A、B各供給一個交流勵磁電壓、，則定尺（或轉(zhuǎn)子）上的繞組由于電磁感應作用而產(chǎn)生與勵磁電壓同頻率的交變感應電勢。當消尺相對于定尺或轉(zhuǎn)子相對于定子運動時，因它們的繞組位置改變，使定子繞組（或轉(zhuǎn)子繞組）的磁鏈改變，感應電勢也就隨著發(fā)生變化。

為了說明定尺的感應電勢是隨著定尺的相對位置的改變而變化。下面闡述直線式感應同步器定尺與滑尺的四個不同位置（圖6-8）。如果只對A繞組供給交變的勵磁電壓uA，在繞組中產(chǎn)生電流，因而繞組周圍產(chǎn)生磁場，設如圖所示。當滑尺右行至圖中1的位置時，定尺繞組與滑尺繞組完全重合，定尺繞組磁鏈最大，感應電勢eA最大。當滑尺繼續(xù)右行，由于定尺繞組磁鏈減小，感應電勢也下降。當滑尺右行1/4節(jié)距，即圖中2的位置時，定尺繞組磁鏈的磁通正負摻半相互抵消，因而感應電勢為零。滑尺繼續(xù)右行，反向感應電動勢逐漸增大，當滑尺滑行1/2節(jié)距，即圖中3的位置時，定尺繞組磁鏈的磁通反向，因而產(chǎn)生負向最大感應電動勢。繼續(xù)右行至圖中4的位置，即滑行3/4節(jié)距時，感應電動勢又為零。當滑行一個節(jié)距是，即圖中的5位置時，又與1相同，由此可見，滑尺在定尺上滑動一個節(jié)距，定尺繞組感應電動勢eA的變化就經(jīng)歷一個周期，其波形是一個余弦函數(shù)。即

=(6.3.1)式中uA——滑尺繞組A的勵磁電壓k——定尺和滑尺的電磁偶合電壓系數(shù)；

——相對于滑尺和定尺相對位移的折算角

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在僅對滑尺的繞組B供給勵磁電壓的情況下，當滑尺右行時，定子繞組相差1/4節(jié)距，所以感應電勢的波形滯后，其數(shù)學表達式為：=(6.3.2)

當對兩個繞組同時供給勵磁電壓，滑尺移動時，定磁繞組的總感應電勢為上述兩個感應電勢的代數(shù)和，即（6.3.3）

實際使用時，繞組A和B上分別加頻率與幅值均相同的正弦變化與余弦變化的勵磁電壓（6.3.4）(6.3.5)將式（6.3.4）和式(6.3.5)代入式(6.3.3)得（6.3.6）由于電磁耦合系數(shù)K以及勵磁電壓的幅值和頻率均不變，定尺的感應電勢e只與角度有關。如果繞組的節(jié)距為L，滑尺和定尺相對移動S距離時，則（6.3.7）說明節(jié)距一定時角度與位移有嚴格的對應關系。因此，只要測得感應電勢的相對，就可推算滑尺和定尺相對移動的距離，進而測得運動部件的距離。

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感應同步器的測量電路通常分鑒相式測量電路和鑒幅式測量電路。圖6-9是數(shù)字式感應同步器鑒相式測量電路的方框圖。信號源產(chǎn)生兩個振幅相同而相位差的正弦信號電壓和余弦信號電壓，供給感應同步器滑尺的A、B繞組。定尺上產(chǎn)生感應電勢e，經(jīng)前置放大整形后變?yōu)榉讲?，并和參考信號方波送入鑒相器。鑒相器的輸出是感應電勢信號與參考信號的相位差，且反映出其正負。相位信號經(jīng)相位/脈沖變換電路后產(chǎn)生計數(shù)脈沖及方向信號。該計數(shù)脈沖及方向信號用來控制可逆計數(shù)器計數(shù)，正方移動時加，反方移動時減，最后完成位移的測量。用感應同步器測量位移，其特點是量程范圍較寬，若用多個定尺連接起來，量程可達數(shù)米，分辨率也較高，可達1um。

第四節(jié)光柵測位移

光柵是一種在基體上刻有等間距均勻分布的條紋的光學元件。用于位移測量的光柵稱為計量光柵，按照光路可分為透射光柵和反射光柵。按結(jié)構(gòu)形式則有長光柵和圓光柵之分。圖6-10為透射光柵的示意圖，圖中a為刻線寬度，b為縫隙寬度，a＋b=w稱為光柵的柵距，通常情況下a=b.線紋密度一般為每毫米100、50、25和10線。

光柵分標尺光柵和指示光柵。標尺光柵的有效長度即為測量范圍（標尺光柵還可接長來擴大測量范圍）。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者刻有同樣密度的線紋。使用時兩片光柵相互重疊，兩者相距一個微小的距離d，使其中一片固定，另一片隨著被測物體移動，即可實現(xiàn)位移測量。光柵用于測量的基本原理是利用莫爾條紋。當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小夾角時，由于擋光效應（對線紋密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對線紋密度≥100條/mm的光柵），在光柵線紋大致垂直的方向上，產(chǎn)生明暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”，如圖6-11所示。

第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五

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光柵用于測量的基本原理是利用莫爾條紋。當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小夾角時，由于擋光效應（對線紋密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對線紋密度≥100條/mm的光柵），在光柵線紋大致垂直的方向上，產(chǎn)生明暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”，如圖6-11所示。

莫爾條紋有如下特點：1、當光柵在橫向沿刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋在刻線方向移動。兩光柵相對移動一個柵距W時，莫爾條紋也同步移動一個間距BH，固定點上的光強則變化一周，而且在光柵反向移動時，莫爾條紋的移動方向也隨之反向。

第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五2、莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角θ之間的關系為

式中，BH—莫爾條紋間距；

—光柵柵距；

θ—兩光柵刻線間的夾角（rad）。3、莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用。能在很大程度上消除刻線的不均勻誤差的影響。若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號（電壓或電流）輸出，輸出的幅值可用光柵位移量X的余弦函數(shù)表示。以電壓輸出而言：(6.4.2)式中

u－光電元件的電壓信號

uav－輸出信號中的平均直流分量

um—輸出信號的幅值

x——兩光柵瞬時相對唯一第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五將此電壓信號放大，整形變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，再經(jīng)辯向電路的可逆計數(shù)器，則可以顯示出位移量，位移量為脈沖與柵距的乘積。對整形、判向、可逆計數(shù)器在第一節(jié)、第二節(jié)中已敘述過。隨著細分的路數(shù)增加，光柵位移的分辨力就提高，但受調(diào)試難度及電路元件參數(shù)的限制細分路數(shù)不能無限增大，一般分辨力在0.1ｕ-0.2ｕ就屬高精度了。光柵的測量范圍大（幾乎不受限制），動態(tài)范圍寬且易于實現(xiàn)數(shù)字化測量和自動控制。光柵測量是精密測量中應用較多的一種檢測方法。其缺點是對使用環(huán)境要求較高，在現(xiàn)場使用要求密封，以防止油污、灰塵、鐵屑等的污染。

第五節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器測量角位移

旋轉(zhuǎn)變壓器是用來測量角位移的測量裝置。當以一定頻率（一般為400HZ或更高）的交流電壓加于勵磁繞組時，輸出線阻的電壓幅值與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關系。前一種稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線形旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動機相似，一般做成兩極電機的形式。在定子上有勵磁繞組與輔助繞組，他們的軸線互成。在轉(zhuǎn)子上有兩個輸出繞組——正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成（圖6-12）。當給定子的勵磁組加上等幅的交流電壓us1時，在轉(zhuǎn)子的兩個繞組上將分別產(chǎn)生輸出電壓uR1和uR2，其大小與轉(zhuǎn)子偏離零位的轉(zhuǎn)角有如下關系：

第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五(6.5.1)(6.5.2)式中，——旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比； ——轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù)；

——加于勵磁繞組的交流電壓（V）

當輸出繞組接有負載時，就有電流通過輸出繞組并產(chǎn)生電樞反應磁通，使氣隙中磁場發(fā)生畸變。這時，輸出電壓就有一定的變化。為了減少這種變化，旋轉(zhuǎn)變壓器在工作時，應將輔助繞組D3D4短接，或在Z1Z2、Z3Z4

兩輸出繞組上接對稱負載，為提高旋轉(zhuǎn)變壓器的工作精確度，其負載阻抗應盡量的大。線形旋轉(zhuǎn)變壓器實際上也是正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線形旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比Ke和接線方式（圖6.3.3），這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線形關系。此時輸出電壓為(6.5.3)第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五根據(jù)此公式，選定變比Ke及允許的非線性，就可推斷出滿足線性關系的轉(zhuǎn)角范圍。如取Ke=0.54，非線性不超過，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角范圍可達，在此范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)角呈線性關系（圖6-13）。

第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)編碼器測角位移

編碼盤又稱為角度編碼器。按不同的讀數(shù)方法，可分為絕對碼盤和增量碼盤兩種；按其不同的工作原理，又可分為接觸式、光電式和電磁式等幾種。但在現(xiàn)代數(shù)控中，增量碼盤用得最多，分析如下：圖6-14是一種增量型光電編碼器的結(jié)構(gòu)圖。被測軸插入編碼器的轉(zhuǎn)子3的孔中，并用

第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期五法蘭5將編碼器固定到軸4的端蓋上，旋緊轉(zhuǎn)子11中的螺釘后，轉(zhuǎn)子即帶動固定在它上面的玻璃