数控技术5-测量与反馈装置A

1、Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术测量与反馈装置测量与反馈装置Chapter 5Measurement and Feedback EquipmentRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术概述概述旋转变压器旋转变压器 脉冲编码器脉冲编码器感应同步器感

2、应同步器 光栅光栅XXX本章小结本章小结Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术1 概述 IntroductionA 组成组成 位置测量装置是由检测元件检测元件（传感器，sensor）和信信号处理装置号处理装置组成的。B 作用作用 实时测量执行部件的位移和速度信号位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式信号形式，将运动部件现实位置反位置反馈到馈到位置控制单元，以实施闭环控制闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分重要组成部分。Raymond Ding Numerical Control Technolog

3、y机床数控技术机床数控技术1 概述 IntroductionB 作用作用 闭环数控机床的加工精度加工精度在很大程度上是由位置检由位置检测装置的精度决定的测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测必须精心选择位置检测装置装置。accuracyRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术1 概述 IntroductionC 进给伺服系统对位置测量装置的要求进给伺服系统对位置测量装置的要求u高可靠性和高抗干扰性u能满足精度和速度的要求u使用维护方便u成本低受温度、湿度的影响小受温度、湿

4、度的影响小工作可靠工作可靠精度保持性精度保持性好好抗干扰能力抗干扰能力强强位置检测装置分辨率应高于数控机床位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率的分辨率(一个数量级一个数量级)位置检测装置最高允许的检测速度应位置检测装置最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度高于数控机床的最高运行速度Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术1 概述 IntroductionD 位置测量装置的分类位置测量装置的分类u按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类u按测量基点的类型分类按测量基点的类型分类u按检测元件的运动形式分类按检测元件的运动

5、形式分类数字式数字式 digital模拟式模拟式 analog增量式增量式 incremental绝对式绝对式 absolute回转式回转式 revolving直线式直线式 linearRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术1 概述 IntroductionD 位置测量装置的分类位置测量装置的分类数数字字式式 模模拟拟式式 增增量量式式 绝绝对对式式 增增量量式式 绝绝对对式式 回回转转式式 脉脉冲冲编编码码盘盘 圆光栅 绝对式脉冲编码盘 旋旋转转变变压压器器 圆感应同步器 圆磁尺 三速圆感应同步器 直直线线式式 直直线线光光

6、栅栅 激光干涉仪 多通道透射光栅 直直线线感感应应同同步步器器 磁尺 三速感应同步器 绝对磁尺 Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle Encoder 脉冲编码器又称脉冲编码器又称码盘码盘，是一种，是一种回转式数字测量回转式数字测量元件，元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲角位移转换为增量脉冲形式形式或绝对式代码或绝对式代码形式形式 根据内部结构和检测方式码盘可分为根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式接触式、光

7、电式光电式和和电磁式电磁式三种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，三种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件可用作速度检测元件Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderA 增量式脉冲编码器的结构及工作原理增量式脉冲编码器的结构及工作原理Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderB 信号的作用及其处理方式信号的作

8、用及其处理方式n A、B两相的作用两相的作用 根据脉冲的数目可得出被根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移测轴的角位移 根据脉冲的频率可得被测根据脉冲的频率可得被测轴的转速轴的转速 根据根据A、B两相的两相的相位超前相位超前滞后关系可判断被测轴旋滞后关系可判断被测轴旋转方向转方向ABCP90O倍频电路：信号细分倍频电路：信号细分Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderB 信号的作用及其处理方式信号的作用及其处理方式ABCP90O信号细分信号细分a整形器A微分C微分AABAD +CDBC反向C

9、YH1正向脉冲b整形器B微分D微分BABBC +CDAD反向DYH1负向脉冲Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderB 信号的作用及其处理方式信号的作用及其处理方式n Z相的作用相的作用 被测轴的周向定位被测轴的周向定位基准信号基准信号被测轴的旋转圈数被测轴的旋转圈数记数信号记数信号nA B Z的作用的作用后续电路可利用后续电路可利用A、A两相实现两相实现差分输入，以消除远距离传输的差分输入，以消除远距离传输的共模干扰共模干扰Z码盘转一圈Raymond Ding Numerical Co

10、ntrol Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderC 规格及分辨率规格及分辨率n 规格规格 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数 现在市场上提供的规格从现在市场上提供的规格从 36ppr 到到 105ppr 都有都有 选择选择 伺服系统要求的分辨率伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数考虑机械传动系统的参数(如，传动比，导程如，传动比，导程)n 分辨率分辨率(分辨角分辨角) 设增量式码盘的规格为设增量式码盘的规格为 n 线线/转转n360resolution体会体会“增量增量式式”有何不足

11、？有何不足？Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderD 绝对式编码器绝对式编码器码盘基片上有多圈码道，且每码道码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等的刻线数相等对应每圈都有光电传感器对应每圈都有光电传感器输出信号的路数与码盘圈数成正比输出信号的路数与码盘圈数成正比检测信号按某种规律编码输出，故检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置可测得被测轴的周向绝对位置分辨率是多少？分辨率是多少？418 tracksRaymond Ding Numerical Control T

12、echnology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderD 绝对式编码器绝对式编码器带来什么样的带来什么样的新特点呢？新特点呢？u编码循序与位置编码循序与位置循序相一致循序相一致u但可能产生非单但可能产生非单值性误差值性误差Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderE Gray循环码循环码 Gray Code是由贝尔实验室的Frank Gray在20世纪40年代提出的一种编码方法， 用来在使用Pusle Code Modulation方法传送讯号时避免出错。于1

13、953年取得美国专利。 Gray Code的编码方式不是唯一的，这里讨论的是最常用的一种。Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderE Gray循环码循环码u编码方法编码方法它是从二进制码转换而来的：它是从二进制码转换而来的：将二进制码与其本身将二进制码与其本身右移一位右移一位后的数码作后的数码作不进位加法不进位加法，得出，得出的结果即为格雷码的结果即为格雷码11001010Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编

14、码器 Pusle EncoderE Gray循环码循环码Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术2 脉冲编码器 Pusle EncoderF 光电编码器的应用特点光电编码器的应用特点n非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好n允许测量转速高，精度较高允许测量转速高，精度较高n光电转换，抗干扰能力强光电转换，抗干扰能力强n体积小，便于安装，适合于机床运行环境体积小，便于安装，适合于机床运行环境n结构复杂，价格高，光源寿命短结构复杂，价格高，光源寿命短n码盘基片为玻璃，抗冲击和

15、抗震动能力差码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术Any questions？Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器A 从变压器到旋转变压器从变压器到旋转变压器dEdt 11dendt 22dendt 2211nUUnRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器A 从变压器到旋转变压器从变压器到旋转变压器21sinBSnUUn2211n

16、UUnsinsinBmUkUtRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器A 从变压器到旋转变压器从变压器到旋转变压器sinsinBmUkUt调制波的峰值调制波的峰值角位置角位置解调后的值解调后的值Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器A 从变压器到旋转变压器从变压器到旋转变压器sinsinBmUkUt调制波的峰值调制波的峰值角位置角位置解调后的值解调后的值Raymond Ding Numerical Control Technology

17、机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器B 实际应用的工作方式实际应用的工作方式1sinSmEUt1cosCmEUt211sincosSCEkEkEcos()mkUtRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器B 实际应用的工作方式实际应用的工作方式1sinSmEUt1cosCmEUt211sincosSCEkEkEcos()mkUt鉴相方式鉴相方式u幅值相同，频率相同幅值相同，频率相同u相位相差相位相差900u正弦交变电压正弦交变电压u垂直布置垂直布置u匝数相同匝数相同鉴相器鉴相器phase detector相位比较器

18、相位比较器鉴相电路鉴相电路Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器B 实际应用的工作方式实际应用的工作方式1sinsinSmEUt1cossinCmEUt211sincosSCEkEkEcos()sinmkUtRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器B 实际应用的工作方式实际应用的工作方式鉴幅方式鉴幅方式鉴幅电路？鉴幅电路？1sinsinSmEUt1cossinCmEUt2cos()sinmEkUt机械角机械角电气角电气角跟踪跟踪Ray

19、mond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器C 结构结构Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器C 结构结构Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术3 旋转变压器D 应用特点应用特点结构简单，工作可靠结构简单，工作可靠对环境要求低对环境要求低信号输出幅度大信号输出幅度大抗干扰能力强抗干扰能力强极对数大于极对数大于1 1时的情况，多时的情况，多次过零点的问题；次过零点的问题；一个导程

20、内的相对测量，如一个导程内的相对测量，如何变成绝对测量；何变成绝对测量；Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器A 感应同步器结构感应同步器结构 sin cos 节距2 节距（0.5mm）41 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)定尺定尺滑尺滑尺滑尺定尺Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器A 感应同步器结构感应同步器结构利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号，借以进行利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号，借以

21、进行位置检测和反馈控制位置检测和反馈控制直线式直线式感应同步器中有定尺和滑尺两部分，定尺与滑尺平行感应同步器中有定尺和滑尺两部分，定尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙。定尺固定不动，当滑尺移动。定尺安装，且保持一定间隙。定尺固定不动，当滑尺移动。定尺上的绕组是连续分布的。滑尺有两个激磁绕组，即正弦绕组上的绕组是连续分布的。滑尺有两个激磁绕组，即正弦绕组A和余弦绕组和余弦绕组B，它们在空间位置上相差它们在空间位置上相差14节距，节距用节距，节距用2表示，其值一般为表示，其值一般为2mm。 Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4

22、感应同步器A 感应同步器结构感应同步器结构Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器A 感应同步器结构感应同步器结构Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器A 感应同步器结构感应同步器结构Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器B 工作原理工作原理U0U01USUSUSUSUS定尺滑尺如果在滑尺的两个绕组如果在滑尺的两个绕组(正、正、余弦绕组余弦绕组)中通以中

23、通以满足不同条满足不同条件的电压件的电压，也可以得到两种，也可以得到两种典型的工作方式：典型的工作方式：鉴相工作鉴相工作方式和鉴幅工作方式方式和鉴幅工作方式。Raymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器B 工作原理工作原理q鉴相工作方式鉴相工作方式给滑尺的两个正余给滑尺的两个正余弦绕组分别供以弦绕组分别供以频频率和幅值相同，相率和幅值相同，相位差为位差为9090的励磁的励磁信号信号定尺绕组中分别产生的感应电动势为：定尺绕组中分别产生的感应电动势为：定尺上输出的感应电压为：定尺上输出的感应电压为：sinSmUUtcosC

24、mUUtsincosSmEkUtcoscos()cossin2CmmEkUtkUt sin()dCSmuEEkUtRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器B 工作原理工作原理q鉴相工作方式鉴相工作方式 滑尺相对定尺的空间相位角滑尺相对定尺的空间相位角 与滑尺相对于定尺位移与滑尺相对于定尺位移x的关系为：的关系为：定尺上输出的感应电压为：定尺上输出的感应电压为：sin()dCSmuEEkUt22xRaymond Ding Numerical Control Technology机床数控技术机床数控技术4 感应同步器B 工作原理工作原理q鉴幅工作方式鉴幅工