位置檢測裝置課件

第四節(jié)位置檢測裝置位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。8/23/2023第四節(jié)位置檢測裝置位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。1§4-1對位置檢測裝置的要求8/23/2023§4-1對位置檢測裝置的要求8/2/20232

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)出反饋信號和數(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，使著向消除偏差的方向運動直至偏差等于零為止?！?-1對位置檢測裝置的要求8/23/2023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)●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;●在機床執(zhí)行部件工作范圍內，能滿足精度和速度的要求；進給速度20—30m/min，轉速高達100000r/min?！袷褂镁S護方便，適應機床工作環(huán)境；●成本低。一、數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求：8/23/2023●受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強二、檢測裝置的分類1、按測量對象不同分類位移檢測裝置:脈沖編碼器、光柵

速度檢測裝置：測速發(fā)電機2、按安裝位置不同分類直接測量:將檢測裝置安裝在執(zhí)行部件上

間接測量:將檢測元件安裝在滾珠絲杠或驅動電動機軸上§4-1對位置檢測裝置的要求8/23/2023二、檢測裝置的分類1、按測量對象不同分類位移檢測裝置:脈沖編3、按測量方法不同分類增量式測量絕對式測量絕對式測量：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。特點：裝置的結構較為復雜增量式測量：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?！?-1對位置檢測裝置的要求8/23/20233、按測量方法不同分類增量式測量絕對式測量絕對式測量：對于被優(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，以后的測量結果則完全錯誤。如出某種事故，無法恢復。

§4-1對位置檢測裝置的要求8/23/2023優(yōu)點：

裝置簡單，任何一個對中點都可作為測量的起點§4-1對位置檢測裝置的要求8/23/2023§4-1對位置檢測裝置的要求8/2/20234、按檢測信號不同分類數(shù)字式測量模擬式測量模擬式測量：模擬式測量是將被測量用連續(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；

●在小量程內實現(xiàn)較高精度的測量，技術成熟?！?-1對位置檢測裝置的要求8/23/20234、按檢測信號不同分類數(shù)字式測量模擬式測量模擬式測量：模擬數(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)控裝置進行比較、處理。特點：

●被測的量轉換為脈沖個數(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；

●測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強?！?-1對位置檢測裝置的要求8/23/2023數(shù)字式測量：被測的量以數(shù)字的形式來表示。特點：

●被檢測裝置的分類

數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。

☆運動型式—回轉型和直線型；

☆信號轉換的原理—光電效應、光柵效應、電磁感應原理、壓電效應、壓阻效應和磁阻效應等。

8/23/2023檢測裝置的分類數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種數(shù)控機床檢測裝置分類

8/23/2023數(shù)控機床檢測裝置分類8/2/2023

傳感器的性能指標應包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。

1.精度

符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關系的準確程度稱作精度。高精度和高速實時測量。

2.分辨率

分辯率應適應機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。

3.靈敏度靈敏度高、一致。三數(shù)控測量裝置的性能指標及要求

8/23/2023傳感器的性能指標應包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如134.遲滯對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。

5.測量范圍和量程6.零漂與溫漂其它可靠，抗干擾性強、使用維護方便、成本低等。8/23/20234.遲滯對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出14§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/202315§4-2常用典型位置檢測裝置一、旋轉變壓器（角位移檢測元件）

旋轉變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交流電機。在結構上與兩相繞組式異步電動機相似，由定子和轉子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉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，其結構簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。8/23/2023§4-2常用典型位置檢測裝置一、旋轉變壓器（角位移檢測元件）8/23/20238/2/2023旋轉變壓器

54318762

圖旋轉變壓器結構示意

1-轉軸2-軸承3-機殼4-轉子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

8/23/2023旋轉變壓器54318762圖旋轉變壓器結構示意

18/23/20238/2/2023工作原理：定子繞組輸入電壓§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023工作原理：定子繞組輸入電壓§4-2常用典型位置檢測裝置8/2

設加到定子繞組的勵磁電壓為U1=Umsin

t，通過電磁耦合，將在轉子繞組中產(chǎn)生的感應電壓為U2=KU1sin

=KUmsin

tsin

式中K—變壓比（K=N1/N2為定子、轉子繞組的匝數(shù)）Um—勵磁最大電壓

—勵磁電壓角頻率

—轉子與定子相對角位移，當轉子磁軸與定子磁軸垂直時，

=0

；當轉子磁軸與定子磁軸平行時，

=90

?！?-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023設加到定子繞組的勵磁電壓為U1=Umsint，通過電連接電路圖:8/23/2023連接電路圖:8/2/2023應用：旋轉變壓器作為位置檢測裝置，有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。

1.鑒相工作方式給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即

這兩個勵磁電壓在轉子繞組中都產(chǎn)生了感應電壓，如圖5-2所示，根據(jù)線性疊加原理，轉子中的感應電壓應為這兩個電壓的代數(shù)和：

(S-1)8/23/2023應用：旋轉變壓器作為位置檢測裝置，有兩種典型工作方式，鑒假如，轉子逆向轉動，可得

(S-2)

由式(S-1)和(S-2)可見，轉子輸出電壓的相位角和轉子的偏轉角之間有嚴格的對應關系，這樣，只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就可知道轉子的轉角。由于旋轉變壓器的轉子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。

8/23/2023假如，轉子逆向轉動，可得

2.鑒幅工作方式給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即

式中—激磁繞組中的電氣角。則轉子上的疊加電壓為8/23/20232.鑒幅工作方式8/2/2023同理，如果轉子逆向轉動，可得(S-4)偏轉角而變化，測量出幅值即可求得轉角。如果將旋轉變壓器裝在數(shù)控機床的滾珠絲杠上，當角從00到3600時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉的轉數(shù)，折算成位移總長度。8/23/2023同理，如果轉子逆向轉動，可得8/2/20238/23/20238/2/2023二、感應同步器工作原理：

利用電磁耦合原理，將位移或轉角變成電信號（極為普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應，在定尺上感出感應電壓，當滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）?！?-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023二、感應同步器工作原理：§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/位置檢測裝置課件§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/2023定尺繞組產(chǎn)生感應電動勢原理圖§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023定尺§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/2023

滑尺定尺機床VsVc

+x-x

感應同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖放大濾波基準信號發(fā)生器脈沖調相器鑒相器放大器激磁供電線路伺服電機速度控制單元8/23/2023放大基準信號發(fā)生器脈沖調相器鑒相器放大器三、脈沖編碼器（角位移檢測元件）1、增量式脈沖編碼器§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023三、脈沖編碼器（角位移檢測元件）1、增量式脈沖編碼器§4-28/23/20238/2/20232、絕對式脈沖編碼器§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/20232、絕對式脈沖編碼器§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/208/23/20238/2/20231、光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應機床工作臺移動的距離可用下式計算：8/23/20231、光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸式中—脈沖當量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉的脈沖數(shù)（p/r）。8/23/2023式中8/2/2023

8/23/20238/2/2023光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（下圖）。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉動時，每轉過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。

8/23/2023光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元

電流

AB節(jié)距

ωt

A1

B1

900

圖5-15脈沖編碼器輸出波形8/23/2023電流8/2/2023

為了判斷旋轉方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖5-15所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。設A相比B相超前時為正方向旋轉，則B相超前A相就是負方向旋轉，利用A相與B相的相位關系可以判別旋轉方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。

8/23/2023為了判斷旋轉方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（下圖）的工作原理如下：光電脈沖編碼器與伺服電機的轉軸連接，隨著電機的轉動產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉速的快慢而升降。若工作臺靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較器中進行比較，結果輸出也為零。因伺服電機的速度給定為零，工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，8/23/2023光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（下圖）的工作原理在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反饋信號的差值，經(jīng)放大后，驅動電機帶動工作臺移動。電機運轉后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖送入比較器，與指令脈沖進行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。8/23/2023在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反

減計數(shù)

加計數(shù)

圖5-16辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分8/23/2023差整形放大Y1微差整形放大Y21微8/2/2023四、光柵組成：標尺光柵：安裝在機床的移動部件上指示光柵：安裝在機床的固定部件上它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。相互平行§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023四、光柵組成：標尺光柵：安裝在機床的移動部件上指示光柵：安裝光柵尺8/23/2023光柵尺8/2/202347圓光柵8/23/2023圓光柵8/2/202348分類：透射光柵反射光柵透射光柵：采用經(jīng)磨制的光學玻璃或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。

特點：光源可以采用垂直入射光，光電元件直接接受光照。因此信號幅值比較大，信噪比好。光電轉換器結構簡單，如線性密度200線/mm。缺點：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與金屬部件不一致，影響測量精度?！?-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023分類：透射光柵反射光柵透射光柵：采用經(jīng)磨制的光學玻璃或在玻璃反射光柵：光柵和機床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，接長方便。也可用鋼帶做成長達數(shù)米的長光柵。缺點：為了使反射后的莫爾系數(shù)反差較大，每毫米內線紋不宜多，常用4、10、25、40、50線/mm。§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023反射光柵：§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/2023光柵尺8/23/2023光柵尺8/2/20238/23/20238/2/2023工作原理：§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023工作原理：§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/2023

若標尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平面內相對于標尺光柵傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。當燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍角平分線上，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。§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023若標尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平莫爾條紋的形成§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023莫爾條紋的形成§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/20238/23/20238/2/2023特點：

●由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時莫爾條紋對刻線局部誤差有均化作用，因此，柵距誤差對測量精度影響較小。也可采用信號。

●在檢測過程中，標尺光柵與指示光柵不直接接觸，沒有磨損，因而精度可以長期保持。

●光線刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾斜角都要求保持不變，制造調試比較困難。光學系統(tǒng)易受外界的影響產(chǎn)生誤差，同時又有灰塵、油、冷卻液等污物的侵入，易使光學系統(tǒng)變質。§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023特點：

●由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時莫爾條紋五、磁柵磁柵又稱磁尺，是一種采用電磁方法記錄磁波數(shù)目的位置檢測裝置?？捎糜陂L度角度的測量。組成：磁性標尺、磁頭和檢測電路利用錄磁的原理將一定周期變化的方法，正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，作為測量的基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉換成電信號，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?！?-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023五、磁柵磁柵又稱磁尺，是一種采用電磁方法記錄磁波數(shù)目的位置檢特點:精度高，安裝方便,大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。其缺點是需要屏蔽和防塵。8/23/2023特點:精度高，安裝方便,大型機床和精密機床作為位置或位移量的59磁尺測量裝置的組成和工作原理：

磁性標尺是在非導磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，用涂敷、化學沉積或電鍍的一層10～20um的導磁材料（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1～2mm的耐磨塑料保護層。磁頭是進行磁電轉換的變換器，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，屬于速度響應型磁頭。根據(jù)數(shù)控機床的要求，為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用磁通響應型磁頭。

§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023磁尺測量裝置的組成和工作原理：

磁性標尺是在非導磁材8/23/20238/2/2023§4-2常用典型位置檢測裝置8/23/2023§4-2常用典型位置檢測裝置8/2/20238/23/20238/2/2023為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向，通常采用了間距為（m±1/4）的兩組磁頭（其中m為任意正整數(shù)）。如下圖所示，i1、i2為勵磁電流，其輸出電壓分別為

8/23/2023為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向，通常采用了間距為（m±1/48/23/20238/2/2023U1和U2是相位相差90°的兩列脈沖。至于哪個導前，則取決于磁尺的移動方向。根據(jù)兩個磁頭輸出信號的超前或滯后，可確定其移動方向。8/23/2023U1和U2是相位相差90°的兩列脈沖。至于哪個導前，則取決于測量方式磁柵的測量方式有鑒幅測量方式和鑒相測量方式。1.鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號

8/23/2023測量方式8/2/2023兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復雜的信頻電路，所以不常采用。

8/23/2023兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)2.鑒相測量方式

采用相位檢測的