第六章位置检测装置

1、LOGOClick to add your text第六章第六章 位置检测装置位置检测装置6-26-2常用典型位置检测装置常用典型位置检测装置6-16-1对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求第六章第六章 位置检测装置位置检测装置 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。

2、偏差的方向运动直至偏差等于零为止。6-16-1对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求第六章第六章 位置检测装置位置检测装置受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强抗干扰能力强; ;在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度求；进给速度2030m/min2030m/min，转速高达，转速高达100000r/min100000r/min。使用维护方便，适应机床工作环境；使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。成本低。一、数控机床对位置检测装置的要求：一、数控机床对位置检测

3、装置的要求：第六章第六章 位置检测装置位置检测装置1 1、按测量对象不同分类、按测量对象不同分类位移检测装置位移检测装置: :脉冲编码器、光栅脉冲编码器、光栅 速度检测装置：测速发电机速度检测装置：测速发电机2 2、按安装位置不同分类、按安装位置不同分类直接测量直接测量: :将检测装置安装在执行部件上将检测装置安装在执行部件上 间接测量间接测量: :将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上二、检测装置的分类二、检测装置的分类第六章第六章 位置检测装置位置检测装置(1)(1)直接测量直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上，直接测量工作台将直线型检测装置

4、安装在移动部件上，直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成位的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，在大型数控机床上受到一定限制。要和工作台行程等长，在大型数控机床上受到一定限制。(2)(2)间接测量间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用

5、。作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。量精度。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置3 3、按测量方法不同分类、按测量方法不同分类增量式测量增量式测量绝对式测量绝对式测量 绝对式测量：对于被测量的任意一点位置均由固定的零绝对式测量：对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。点标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。特点：装置的结构较为复杂特点：装置的结构较

6、为复杂 增量式测量：只测量位移量。测量单位为增量式测量：只测量位移量。测量单位为0.01mm0.01mm每移动每移动0.01mm0.01mm发出一个脉冲信号。发出一个脉冲信号。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置优点优点： 装置简单，任何一个点都可作为测量的起点。在轮廓装置简单，任何一个点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。控制的数控机床上大都采用这种方式。缺点缺点： 在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢

7、复。故，无法恢复。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第六章第六章 位置检测装置位置检测装置4 4、按检测信号不同分类、按检测信号不同分类数字式测量数字式测量模拟式测量模拟式测量 模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来表示。模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来表示。 如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm2mm）内的信号相位变化等。内的信号相位变化等。特点特点： 直接测量被测的量，无需变换；直接测量被测的量，无需变换； 在小量程

8、内实现较高精度的测量，技术成熟。在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置 数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。 测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。进行比较、处理。特点：特点： 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理； 测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；测量精度取决于测量单位，和量程基本无关； 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。第六章第六章 位置检测装

9、置位置检测装置6-2 6-2 常用典型位置检测装置常用典型位置检测装置一、旋转变压器（角位移检测元件）一、旋转变压器（角位移检测元件） 旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为常为400H400H、500H500H、1000H1000H、3000H3000H、

10、5000H5000H，特点：特点：其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置工作原理：工作原理：u1=Umsin tu2u2u2 1 =0 = 1 =90 u1=Umsin tu1=Umsin t定子绕组定子绕组输入电压输入电压第六章第六章 位置检测装置位置检测装置 设加到定子绕组的励磁电压为设加到定子绕组的励磁电压为U1=UmsinU1=Umsin t t，通过电磁耦，通过电磁耦合，将在转子绕组中产生的感应电压为合，将在转

11、子绕组中产生的感应电压为 U2 = K U1sinU2 = K U1sin = K Um sin= K Um sin t sint sin = = K Um sinK Um sin sinsin t t 式中式中 KK变压比（变压比（K=N1/N2K=N1/N2为定子、转子绕组的匝数）为定子、转子绕组的匝数） UmUm励磁最大电压励磁最大电压 励磁电压角频率励磁电压角频率 转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴垂直时，垂直时， =0=0 ；当转子磁轴与定子磁轴平行时，；当转子磁轴与定子磁轴平行时， =90=90 。第六章第六章 位置检测装置位置检测

12、装置二、感应同步器二、感应同步器 非接触电磁式测量元件，测角位移或直线位移非接触电磁式测量元件，测角位移或直线位移1 1、分类：、分类：直线型感应同步器直线型感应同步器测量直线位移测量直线位移旋转型感应同步器旋转型感应同步器测量角位移测量角位移2 2、结构：、结构：直线型直线型旋转型旋转型定尺定尺安装在机床床身上安装在机床床身上滑尺滑尺安装在移动部件上安装在移动部件上转子转子定子定子第六章第六章 位置检测装置位置检测装置3 3、工作原理：（标准直线型感应同步器为例）、工作原理：（标准直线型感应同步器为例） 利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（

13、极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。率）。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置定尺定尺定尺上制有单向均匀感应

14、绕组，一般为定尺上制有单向均匀感应绕组，一般为250mm250mm滑尺滑尺长长100mm100mm，绕有两个励磁绕组，绕有两个励磁绕组第六章第六章 位置检测装置位置检测装置定尺绕组产生感应电动势原理图定尺绕组产生感应电动势原理图第六章第六章 位置检测装置位置检测装置滑尺的正弦绕组加电压滑尺的正弦绕组加电压Us = Um sinUs = Um sin t t 时时， 定尺绕组定尺绕组 Us = KUmsinUs = KUmsin t t cos cos 滑尺的正弦绕组加电压滑尺的正弦绕组加电压Uc = Um cosUc = Um cos t t 时，时， 定尺绕组定尺绕组 Uc = KUmcos

15、Uc = KUmcos t t sin sin = KUmcos= KUmcos t t cos( cos( + + /2)/2) Ud = Us+ Ud = Us+ Uc Uc = KUmsin = KUmsin t t cos cos + KUmcos+ KUmcos t t cos( cos( + + /2)/2) = KUmsin(= KUmsin( t t- - ) ) - -滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角xx22当滑尺移动当滑尺移动x x距离则感应电压以余弦或正弦函数变化距离则感应电压以余弦或正弦函数变化 角角第六章第六章 位置检测装置位置检测

16、装置三、脉冲编码器（角位移检测元件）三、脉冲编码器（角位移检测元件）v 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。编码器可分为增量式与绝对式两类。v 1. 1. 绝对式编码器绝对式编码器v 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对

17、位置，没有累积误差，电源切除后，量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种。式、接触式和电磁式三种。 第六章第六章 位置检测装置位置检测装置12360nn n位编码盘位编码盘当码道为十八条当码道为十八条 =0.0014=0.0014 第六章第六章 位置检测装置位置检测装置2. 2. 增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器 增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其三种。就精

18、度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数它两种，它的型号是用脉冲数/ /转（转（p/rp/r）来区分，数控）来区分，数控机床常用机床常用20002000、25002500、3000p/r3000p/r等，现在已有每转发等，现在已有每转发1010万万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。还可以用于速度检测。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置 第六章第六章 位置检测装置位置检测装置四、光栅四、光栅光学测量元件光学测量元件分类：分类：透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅透射光栅：透射光栅：采用经磨制

19、的光学玻璃或在玻璃表面感光材料的涂采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。层上刻成光栅线纹。特点：特点：光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光照。因光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光照。因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简单，此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简单， 如线如线性密度性密度200200线线/mm/mm。缺点：缺点：玻璃易破裂，热胀系数与金属部件不一致，影响测量精玻璃易破裂，热胀系数与金属部件不一致，影响测量精度。度。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置反射光栅：反射光栅：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，接长方光栅和机床金属

20、部件的线膨胀系数一致，接长方便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。缺点：缺点：为了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不为了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不宜多，常用宜多，常用4 4、1010、2525、4040、5050线线/mm/mm。组成：组成：标尺光栅：安装在机床的固定部件上标尺光栅：安装在机床的固定部件上指示光栅：安装在机床的移动部件上指示光栅：安装在机床的移动部件上它们之间保持它们之间保持0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm的间隙。的间隙。相互平行相互平行第六章第六章 位置检测装置位置检测装置工作原理：（透射光栅）工作原理

21、：（透射光栅）标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅第六章第六章 位置检测装置位置检测装置 若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，条纹，称之为横向莫尔条纹。称之为横向莫尔条纹。莫尔条纹的形成莫尔条纹

22、的形成第六章第六章 位置检测装置位置检测装置特点特点： 由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响较小。线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响较小。也可采用信号。也可采用信号。 在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度可以长期保持。磨损，因而精度可以长期保持。 光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界的影响产求

23、保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学系统变质。系统变质。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置五、磁栅五、磁栅 磁栅又称磁尺，是一种采用电磁方法记录磁波数目的位磁栅又称磁尺，是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置。置检测装置。 组成：组成： 磁性标尺、磁头和检测电路磁性标尺、磁头和检测电路 利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的信号，经