第三章数控机床的位置检测ppt课件

1、 感应同步器位置检测装置感应同步器位置检测装置 旋转变压器位置检测装置旋转变压器位置检测装置 磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置 光栅位置检测装置光栅位置检测装置 激光干涉位置检测装置激光干涉位置检测装置 脉冲编码器脉冲编码器 第第3章章 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置基本要求：基本要求： 1掌握数控系统中速度检测装置原理及应用。掌握数控系统中速度检测装置原理及应用。 2掌握数控系统中位置检测装置原理及应用。掌握数控系统中位置检测装置原理及应用。 3了解数控系统中电流检测元件及应用。了解数控系统中电流检测元件及应用。 重点重点: 1） 光电脉冲编码器检测逻辑电路原理及波形图。光电脉

2、冲编码器检测逻辑电路原理及波形图。 2） 光栅尺检测逻辑电路原理及波形图。光栅尺检测逻辑电路原理及波形图。 难点难点: 对于带有方向端计数器和可逆计数器时，检测电路构对于带有方向端计数器和可逆计数器时，检测电路构成的区别。成的区别。第第3 3章章 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置3.1 概述概述 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。 作用作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控装置发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控制。控制。 3.1 概述概述 位置检测装置

3、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。 作用作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成闭环、半闭环控装置发出的指令信号相比较，构成闭环、半闭环控制。控制。 3.1.1 要求要求 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强持精度，抗干扰能力强; 在机床执行部件工作范围内，能满足精度和在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度要求速度要求; 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。 检测元件的精度指标：检测元件的

4、精度指标： 系统精度在一定长度或转角内测量累系统精度在一定长度或转角内测量累积误差的最大值积误差的最大值 （0.0010.02mm/m， 10/360） 系统分辨率所能正确检测的最小位移系统分辨率所能正确检测的最小位移量量 0.0010.01mm，2 （取（取1/31/10机床加工精度）机床加工精度）3.1.2 位置检测装置的分类位置检测装置的分类 数字式测量数字式测量 模拟量测量模拟量测量 数字式测量：被测的量以数字的形式来数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。测量信号为电脉冲，可以直接把它们表示。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、处置。送入数控装置进行比较、处置。 特

5、点：特点： 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；处理； 测量精度取决于测量单位，和量程基本测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；无关； 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强力较强 。 3.1.2 位置检测装置的分类位置检测装置的分类 模拟式测量：模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。化、相位变化等。 主要用于小量程的测量，如感应同步器主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距的一个线距2mm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

6、测的量，无需变换；直接测量被测的量，无需变换； 在小量程内实现较高精度的测量，技术在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。成熟。增量式增量式 ：只测量位移量。：只测量位移量。 测量单位为测量单位为0.01mm，每移动每移动0.01mm发出一个脉冲信号。发出一个脉冲信号。 优点：优点： 装置简单，任何一个对中点都可作为测量的装置简单，任何一个对中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起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。式。 缺点：缺点： 在增量式检测系统中，移距是由测量信号计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数读出，一旦

7、计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。错误。如出某种事故，无法恢复。绝对式：绝对式： 对于被测量的任意一点位置均由固定的零点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。标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。位置检测装置工作原理的分析要点位置检测装置工作原理的分析要点 1) 要检测的位移反映在位置检测元件要检测的位移反映在位置检测元件的什么部分的什么部分? 2) 如何将位移转换成相应的电信号的如何将位移转换成相应的电信号的检测量检测量? 3) 用电的检测信号的什么量用电的检测信号的什么量(脉冲脉冲 幅幅值值 相位相位 频率频率)来标定位移

8、量的大小来标定位移量的大小?3.2 感应同步器测量装置感应同步器测量装置 3.2.1 组成及工作原理组成及工作原理 工作原理：工作原理： 电磁耦合原理，电磁耦合原理， 位移、转位移、转角角 电信号电信号 滑尺与定尺相互平行，并保持一定滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。的间距。 滑尺通以交流激磁电压，按正弦规滑尺通以交流激磁电压，按正弦规律变化的磁场，定尺上感应电压，定尺律变化的磁场，定尺上感应电压，定尺上感应电压随位移的变化而变化相同上感应电压随位移的变化而变化相同频率）。频率）。滑尺位置感应电压 移动距离 感应电压随滑尺、定尺位置变化 规律：规律：滑尺移动一个节距滑尺移动一个节距 感生电

9、动势按余弦波形变化一个周期感生电动势按余弦波形变化一个周期2，在一个节距内：在一个节距内： 检测检测 的变化，的变化， 即可检测一个节距内的位移量即可检测一个节距内的位移量 。22/2/xx工作方式：工作方式： 相位工作方式鉴相型系统）相位工作方式鉴相型系统） 幅值工作方式鉴幅型系统）幅值工作方式鉴幅型系统） 相位工作方式：相位工作方式： 供给滑尺的激磁信号为频率、幅值供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差相同，相位角相差90的交流电压。的交流电压。 幅值工作方式：幅值工作方式： 给滑尺绕组通入相位相同、频率相给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。同，但幅值不同的励磁

10、电压。3.2.2 鉴相测量系统鉴相测量系统 相位工作方式：相位工作方式： 供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差同，相位角相差90的交流电压。的交流电压。 tuutuumcmscossin两绕组在定尺上的感生电压：两绕组在定尺上的感生电压：据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：据线性叠加原理，定尺上感应的总电压： 22cossincoscos()cossin2smcmUkukUtUkukUt 222sincoscossinsin()mmmUUUkUtkUtkUt说明：说明： 上式建立了感生电压上式建立了感生电压U2与相位与相位 间的关系。间的关系。 3.2

11、.2 鉴相测量系统鉴相测量系统 鉴别定尺上的感应电压的相位，可得位移值：鉴别定尺上的感应电压的相位，可得位移值： 鉴相系统结构方框图指令信号指令信号 1sin()kt反馈信号感应电压）反馈信号感应电压）sin()kt1误差信号误差信号22xx3.2.3 鉴幅测量系统鉴幅测量系统 幅值工作方式：幅值工作方式： 滑尺绕组通入相位滑尺绕组通入相位 一样、频率一样、频率 一样，一样，但幅值不同的励磁电压：（工作台移动指但幅值不同的励磁电压：（工作台移动指令令 ） 11( )x1sinsinsmuUt1cossincmuUt 幅值工作方式： 定尺上的感生电压：定尺上的感生电压：2121sinsincos

12、cossinsinmmUkUtUkUt 定尺上感应的总电压：定尺上感应的总电压： （正、余弦绕组同时供电，线性叠加（正、余弦绕组同时供电，线性叠加 ）2111sinsincoscossinsinsinsin()mmmUkUtkUtkUt幅值工作方式：幅值工作方式： 结论：结论： 感生电压的幅值感生电压的幅值 随指令给定的位随指令给定的位移量移量与工作台实际位移量与工作台实际位移量 的差值的正弦的差值的正弦规律变化。规律变化。2U11( )x( )xtkUUmsin)sin(123.2.3 鉴幅测量系统鉴幅测量系统 鉴幅系统结构方框图 脉冲混合器将指令脉冲与反馈脉冲比较，得到跟随误差，经DA变换

13、后为模拟信号控制伺服机构带动工作台移动。课堂作业班级： 序号： 姓名： 1. 解释：解释： 对刀点；刀位点；对刀点；刀位点； 工件原点；机床原点；编程原点工件原点；机床原点；编程原点2. 填空：填空： 脉冲当量的值取得越脉冲当量的值取得越 ，加工精度，加工精度越越 。 铣削工件外部轮廓时，应采用铣削工件外部轮廓时，应采用 向切向切入入/切出。切出。3.3 3.3 旋转变压器位移检测装置自学）旋转变压器位移检测装置自学） 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。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相

14、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、5000H5000H，其结构简单、，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。度大，抗干扰性强，工作可靠。 工作原理：工作原理： 当激磁电压当激磁电压U1U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转加到定子绕组时，通过电磁耦合

15、，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图a a所所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因而，感应电示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因而，感应电压压U2U2为为0 0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压转子绕组的产生的感应电压U2U2为为：U1= Umsin tU2= k U1 sin = ksin t sin 旋转变压器工作原理图旋转变压器工作原理图3.4 3.4 磁尺测量装磁

16、尺测量装 （自学）（自学） 磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。和检测电路组成。 利用录磁的原理将一定周期变化的正利用录磁的原理将一定周期变化的正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾尺的磁膜上，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信号，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经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。之间的位移量。 特点：特点： 对使用环境的条件要求较低，对周对使用环境的

17、条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。的地方使用有较好的稳定性。磁尺测量装置的组成和工作原理：磁尺测量装置的组成和工作原理： 磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层积或电镀的一层1020um的导磁材料的导磁材料Ni-Co或或Fe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0

18、.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚常在磁性膜上涂一层厚12mm的耐磨塑料保护的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。间位置的磁信号输送到检测电路中去。 普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。置检测，必

19、须采用磁通响应型磁头。3.5 光栅位置检测装置光栅位置检测装置 光栅用于数控机床作为检测装置，已有光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。系统用得较多的一种检测装置。 物理光栅物理光栅 刻线细密，栅距刻线细密，栅距0.0020.005mm,光谱分析，波长测定光谱分析，波长测定 计量光栅计量光栅 栅距栅距0.0040.25mm, 常用于常用于数字测量系统数字测量系统 计量光栅计量光栅 : 玻璃透射光栅玻璃透射光栅 光源可

20、垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单; 刻线密度大刻线密度大100条条/mm, 细分后，分辨率达微米级细分后，分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度. 金属反射光栅金属反射光栅 钢尺、钢带钢尺、钢带 照相腐蚀、钻石刀刻划照相腐蚀、钻石刀刻划 热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎不易碎 3.5.1 光栅检测的工作原理光栅检测的工作原理 组成：组成： 1 光源光源 2 聚光镜聚光镜 3 标尺光栅长光栅）标尺光栅长光栅） 4 指示光栅短光

21、栅）指示光栅短光栅） 5 硅光电池硅光电池 标尺光栅长度相当于工作台移动的全行程标尺光栅长度相当于工作台移动的全行程;长短光栅保持长短光栅保持0.050.1mm间隙间隙. 3.5.2 莫尔条纹的产生莫尔条纹的产生 标尺光栅和指示光栅的栅距标尺光栅和指示光栅的栅距 指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜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一个很小的角度, 两块光栅的刻线就会相交。当灯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，光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，出现明在与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向

22、，出现明暗交替，间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条暗交替，间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。纹。 形成原因： 对于粗光栅主要是挡光积分效应，对于细光栅则是光线通过线纹衍射后，产生干涉的结果。 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 1 1放大作用放大作用 2 2平均效应平均效应 莫尔条纹是由若干线纹组成，莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米例如每毫米100100线的光栅，线的光栅，10mm10mm长的莫尔条纹，等亮长的莫尔条纹，等亮带由带由20002000根刻线交叉形成。因面对个别栅线的间距根刻线交叉形成。因面对个别栅线的间距误差误差( (或缺陷或缺陷) )就平均化了，在很大程度上消除了短就平均

23、化了，在很大程度上消除了短周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。于光栅刻线的平均误差。 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 1 1放大作用放大作用 2 2平均效应平均效应 3 3莫尔条纹的移动规律莫尔条纹的移动规律 当光栅向左或向有移动一个栅距，当光栅向左或向有移动一个栅距，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距WW。而且莫尔条纹的移动还具有以下规律：若标尺。而且莫尔条纹的移动还具有以下规律：若标尺光栅不动，将指示光栅逆时针方向转一很小的角度光栅不动，将指示光栅逆时针方向转一很小

24、的角度后，并使标尺光栅向石移动，则莫尔条纹便向下移后，并使标尺光栅向石移动，则莫尔条纹便向下移动；反之，当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹向动；反之，当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹向上移动。若将指示光栅顺时针方向转动一很小的角上移动。若将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度后，当标尺光栅向右移动，则莫尔条纹向上移动；度后，当标尺光栅向右移动，则莫尔条纹向上移动；反之，标尺光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动。反之，标尺光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动。 3.5.3 辨向辨向 安装两个彼此错开安装两个彼此错开1/4节距的光电元件，当光节距的光电元件，当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同所栅移动

25、时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相相差相相差90。若以其一为参考信号，则另一信号超。若以其一为参考信号，则另一信号超前或滞后参考信号，由此可判定运动方向。前或滞后参考信号，由此可判定运动方向。 3.5.4 提高光栅分辨精度的措施提高光栅分辨精度的措施 1提高刻线精度和增加刻线密度提高刻线精度和增加刻线密度 有限有限 2倍频倍频 常用常用 四倍颁方案四倍颁方案 光栅刻线密度为光栅刻线密度为50线线mm，采用，采用4个光电元件和个光电元件和4个隙缝，每隔个隙缝，每隔14光栅节距产生一个光栅节距产生一个脉冲，

26、分辨精度可提高四倍。脉冲，分辨精度可提高四倍。 四倍颁方案四倍颁方案3.5.5 3.5.5 光栅位置检测装置的特点光栅位置检测装置的特点 测量精度高测量精度高 可用于大量程测量可用于大量程测量 可实现动态测量可实现动态测量 易于实现测量及数据处理自动化易于实现测量及数据处理自动化 抗干扰能力强抗干扰能力强 怕振动、油污怕振动、油污 高精度光栅制造成本高高精度光栅制造成本高 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床

27、上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。3.7. 脉冲编码器1. 增量脉冲编码器增量脉冲编码器 结构及工作原理 信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板AABBZZ节距m+/4光源 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路： 的取反信号。AA 、ZZBB、ZBA、ZBA、AB90Z码盘转一圈是 输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测

28、轴的转速；根据A、B两相的相位超前、滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理四倍频电路实现）。ABCP90O Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。 的作用后续电路可利用A、 两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z码盘转一圈ZBA、Aq增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率 规格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 36线/ 转 到 10万线 /转 都有；选择：伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。 分辨率分辨角设增量式码盘的规格为 n 线/转：n360提高增量式光电编码器分辨率的方法提高圆周的等分狭缝的密度 增加光电盘的发讯通道 使盘上有若干大小不等的同心圆环狭缝码道），光电盘转一周，发出的脉冲个数增多，分辨率提高。 增量式编码器的缺点 有可能产生计数错误由于噪声或其它外界干扰） 若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置2. 绝对式编码器码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；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；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。232221