第五章 位置检测装置.

1、明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第五章第五章 位置检测装置位置检测装置 内容提要内容提要 本章将详细讨论进给伺服系统的各种位置反馈元件位置检测装置。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。 而位置检测装置则是CNC 系统的“五官”。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第一节第一节 概述概述一. 进给伺服系统

2、进给伺服系统1 . 定义： 进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件的位置位置和速度速度作为控制量的自动控制系统。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院二、组成及作用二、组成及作用 组成组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 作用作用：实时测量

3、执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检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装置。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院三、进给伺服系统对位置测量装置的要求q 高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；q 能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数

4、量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。q 使用维护方便使用维护方便，适应机床工作环境适应机床工作环境；q 成本低成本低。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院四、 位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型回转型和直线型明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院常用位置检测装置分类表数数字字式式 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

5、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 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第二节第二节. 感应同步器感应同步器1. 感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类q 结构：二尺与导轨平行 sin cos 节距2（2mm） 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（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件滑尺滑尺（分段励磁绕组：正弦（分段励磁绕组：正弦+余弦）：固定在移

6、动部件余弦）：固定在移动部件0.15 0.35mm明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 分类增量式绝对式圆感应同步器带型窄长型标准型增量式绝对式直线感应同步器明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理. . 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q感应同步器的工作原理U0U01USUSUSUSUS定尺滑尺明德明德 砺志砺志 博学

7、博学 笃行笃行机械工程学院q 感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucsin1明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行

8、机械工程学院 滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取： 2: 2= x : 1 x = 1 结论：结论：相对位移量 x 与 相位角1 呈线性关系，只要能测出相位角1 ，就可求得位移量 x 。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系统和鉴幅型系统。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为 /2的交变电压： US = Um sint UC = Um cost 则： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sint cos1K Um cost s

9、in1 = K Um sin（t 1） 结论：结论：只要能测出Uo与US相位差1 ，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压： US = Um sin2sint UC = Um cos2sint 2= x 2 （ x 2是指令位移值） Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1 = K Um sin（21）sint 结论：结论：只要能测出Uo与UC相位差1 ，就可求得滑尺与

10、定尺 相 对位移量 x 。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院5.几点说明感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便 地采用现代的数字处理技术明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院6. 感应同步器的特点及使用注意事项q 特点精度高：平均自补偿特性；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。串联方式

11、n 10串并联方式 n 10明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 使用注意事项 在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响） 在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。 对鉴相系统： 激磁电压的幅值、频率相等；相位差900 对鉴幅系统： 对Um sin2、Um cos2调制的精确性 当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第三节. 编码器编码器 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

12、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。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院1. 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节距AABBZZm+/4明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 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

13、出的波形有六路： 其中， 是 的取反信号。AB90Z码盘转一圈AA 、ZZBB、ZBA、ZBA、明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 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明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 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

14、一圈ZBA、A共模干扰：一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声。差模干扰：则是幅度相等，相位相反的的噪声。 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 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线线/ 转转 到 10万线万线 /转转 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明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院2. 绝对式编码器q 结构和工作原理 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

15、；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。23222120明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 绝对编码盘的编码方式及特点 二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。 误差分析：扇区边界读数时会出现两个以上不同数字输出读数模糊现象。 1111000023222120明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 格雷码（循环码、葛莱码） 特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。23222120明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院

16、 格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不 进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。 例题： 将二进制码0101转换成对应的格雷码： （雷格码）（右移一位并舍去末位（二进制码）01110100101明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 绝对式码盘的规格及分辨率 规格绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；现在市场上提供从 4道道 到 18道道 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） 设绝对式码盘的规格 n 道： n2360明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院

17、3. 光电编码器的特点 非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好； 允许测量转速高，精度较高；。 光电转换，抗干扰能力强； 体积小，便于安装，适合于机床运行环境； 结构复杂，价格高，光源寿命短； 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院4、磁性编码器近年发展起来的新型编码器，输出形式与光学编码器一样，都是数字脉冲信号。特点：抗环境能力强，响应速度快，寿命长，结构简单，价格低廉，将在很大程度上代替光学编码器。类型：增量式绝对式磁敏电阻式励磁环式强磁金属半导体明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第四节 直线光栅 光栅的分类：物理

18、光栅和计量光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院1.长光栅检测装置的结构 一、 长光栅检测装置的结构 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机

19、械工程学院2.工作原理（以透射投影为例） 莫尔条纹形成的原理2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 莫尔条纹的特征：（1）莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。 （2）放大作用 莫尔条纹宽度 W 和光栅栅距 d、栅线夹角之间关系：间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律 由图可知 W=d sin 又

20、很小可认为 sin 故 W=d/ 例如 d = 0.01, = 0.01rad, 得W =1mm, 放大100（3）均化栅距误差作用明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分 二、 光栅位移-数字变换电路 abcd插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲abcd插动放大插动放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 第第5 5节节 磁

21、尺测量装置磁尺测量装置 磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。路组成。 利用录磁的原理将一定周期变化的方波、正弦利用录磁的原理将一定周期变化的方波、正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁波或脉冲电信号，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，用拾磁磁头将磁膜上，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，经过检测电路处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位移量。理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。特点：特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的

22、对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。较好的稳定性。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院速度响应型磁头磁通响应型磁头明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 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、玻璃或其他合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、化学沉积或电镀的一层金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层1020um的导磁材料（的导磁材料（Ni-Co或或Fe-Co合金），在它

23、的表面上录制相等合金），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节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚层厚12mm的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。器，它把反映空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化率成比例，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。根据数控机床的要求，为了在低速运动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置检测，必须采用和静止时也