位移检测学习教案

1、位移位移(wiy)检测检测第一页，共48页。 位置(wi zhi)检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 数控机床对位置(wi zhi)检测装置的要求如下：（1） 工作可靠，抗干扰能力强；（2） 满足精度和速度的要求；（3）安装，维护方便，适合机床工作环境；（4） 成本低。6.2 6.2 位移位移(wiy) (wiy) 速度速度 位置检测装位置检测装置置第1页/共48页第二页，共48页。1)1)直线位移测量直线位移测量 它是将检测装它是将检测装置直接安装在机床置直接安装在机床拖板上，直接测量拖板上，直接测

2、量机床坐标的直线位机床坐标的直线位移 量 ， 因 此移 量 ， 因 此(ync)(ync)也称直接也称直接测量，作为全闭环测量，作为全闭环伺服系统的位置反伺服系统的位置反馈用。馈用。缺点缺点: 是测量装置要和工作台行程等长，所以在是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床大型数控机床(sh kn j chun)上受到一定上受到一定限制。限制。 第2页/共48页第三页，共48页。2)2)转动角度测量转动角度测量 它是将检测装置安装在驱动它是将检测装置安装在驱动(q dn)(q dn)电电动机轴上或滚珠丝杠上，通过检测转动件的动机轴上或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床坐标的直

3、线位移量，角位移来间接测量机床坐标的直线位移量，因此也称为间接测量，作为半闭环伺服系统因此也称为间接测量，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。的位置反馈用。 优点优点: :是测量方便可靠、无长度限制。是测量方便可靠、无长度限制。 缺点缺点: :是测量信号中增加了由回转运动转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，从而影响其测变为直线运动的传动链误差，从而影响其测量精度。量精度。 第3页/共48页第四页，共48页。第4页/共48页第五页，共48页。第5页/共48页第六页，共48页。2)2)绝对式测量绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置绝对式测量装置对于被测量的任意一点位

4、置均由固定的零点标起，每一个被检点都有一个相均由固定的零点标起，每一个被检点都有一个相应的测量值。应的测量值。 装置的结构较增量式复杂，如编码盘，对应装置的结构较增量式复杂，如编码盘，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。 显然，分辨精度显然，分辨精度(jn d)(jn d)要求愈高，量程要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构也就愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构也就愈复杂。愈复杂。 第6页/共48页第七页，共48页。第7页/共48页第八页，共48页。综合综合(zngh)(zngh)上述各种分类方法，可用下表表上述各种分类方法

5、，可用下表表示。示。 第8页/共48页第九页，共48页。一、结构与工作原理一、结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出(shch)电压大小与转子位置有关。电压大小与转子位置有关。 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角

6、来间接测量工作台的位移。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。 旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。234第9页/共48页第十页，共48页。如图所示，定子和转子各有一对磁极，设加如图所示，定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压为到定子绕组励磁电压为 ，当，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为转子绕组中产生的感应电压为当转子转过当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即中感应电压

7、最大，即 。sinsin2tKUUmtKUUmsin2tUUmsin1U1U1U1定子定子(dngz)转子转子(zhun z)U2U2U21=00= 1=900第10页/共48页第十一页，共48页。二、应用二、应用 旋转变压器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。旋转变压器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式鉴相式 是根据感应是根据感应(gnyng)输出电压的相位来检测位移量；输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式鉴幅式 是根据感应是根据感应(gnyng)输出电压的幅值来检测位移量。输出电压的幅值来检测位移量。 1 . 鉴相工作方式鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差给定子两绕组分

8、别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即的交流励磁电压，即 tVVtVVmcmscossin第11页/共48页第十二页，共48页。 这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如上图所示，根据电压，如上图所示，根据(gnj)(gnj)线性叠加原理，线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：cossin2csKVKVV)cos(coscossinsintKVtKVtKVmmm定子定子转子转子VCVSV2第12页/共48页第十三页，共48页。 由式可见，转子输出电压的相位角和转子由式可见，转子

9、输出电压的相位角和转子的偏转的偏转(pinzhun)角之间有严格的对应关角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就知道了。的角位移就知道了。 2. 鉴幅工作方式鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流(jioli)激磁电压，即激磁电压，即tVVtVVmcmssi

10、ncossinsin第13页/共48页第十四页，共48页。由式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变由式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。化，测量出幅值即可求得转角。 如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从当角从00到到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线了一个导程，间接测量了执行部件的直线(zhxin)位位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。转的转数，

11、折算成位移总长度。则转子则转子(zhun z)上的叠加电压为上的叠加电压为cossin2csKVKVVtKVtKVmmsin)cos()coscossin(sinsin第14页/共48页第十五页，共48页。1）结构与工作原理）结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置(zhungzh)，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种： 直线式感

12、应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。 旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。 以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。 2. 感应同步器感应同步器第15页/共48页第十六页，共48页。 结构(jigu)： 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，如图所示，定尺和滑尺的基板采用直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，如图所示，定尺和滑尺的基板采用(ciyng)与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有

13、铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间隙。间隙。 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为2mm ，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100

14、mm，节距为，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。节距。 定尺滑尺余弦绕组正弦绕组V2VsVc2t2t/4第16页/共48页第十七页，共48页。 定 尺滑 A 尺 Bt241位 Ct221置 Dt243E t2EAV2MN正弦绕组余弦绕组BDCOP 工作(gngzu)原理： 第17页/共48页第十八页，共48页。二、应用二、应用 感应感应

15、(gnyng)同步器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。同步器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式鉴相式 是根据感应是根据感应(gnyng)输出电压的相位来检测位移量；输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式鉴幅式 是根据感应是根据感应(gnyng)输出电压的幅值来检测位移量。输出电压的幅值来检测位移量。 1 . 鉴相工作方式鉴相工作方式 给正、余弦两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差给正、余弦两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即的交流励磁电压，即tVVtVVmcmscossin第18页/共48页第十九页，共48页。在定尺的感应在定尺的感应(gnyng)(gnyng)电压应

16、为：电压应为：21VVV)sin(sincoscossintKVtKVtKVmmmtKVVmsincos1tKVVmcossin2滑尺直线位移量滑尺直线位移量x x与与 之间的关系为：之间的关系为：ttxx22第19页/共48页第二十页，共48页。2. 鉴幅工作方式鉴幅工作方式 给滑尺的两个绕组分别通以频率相同给滑尺的两个绕组分别通以频率相同(xin tn)、相位相同、相位相同(xin tn)、幅值分、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即tVVtVVmcmssincossinsin在定尺绕组的感应电势为：在定尺绕组的感应电势为：sin()sinmmVK

17、Vt 为定尺、滑尺实际相位角。为定尺、滑尺实际相位角。m第20页/共48页第二十一页，共48页。2. 鉴幅工作鉴幅工作(gngzu)方式方式 设设 sinsinmVKVt 感应电势与感应电势与 成正比，即成正比，即V随给定的位随给定的位移量移量 与工作台实际位移与工作台实际位移 的差的差值值 成正比变化。成正比变化。m则：则：(sin)mVKVt 当当 较小时，有较小时，有( )x1()mx( )x第21页/共48页第二十二页，共48页。感应同步器的特点：感应同步器的特点：1 1）精度高）精度高极对数多，平均效应产生的测量精度比制造精度极对数多，平均效应产生的测量精度比制造精度高，定、滑尺间无

18、机械转换环节高，定、滑尺间无机械转换环节(hunji)(hunji)，测量，测量结果只受本身精度的影响。结果只受本身精度的影响。2 2）测量长度不受限制，可多块尺相接安装。）测量长度不受限制，可多块尺相接安装。3 3）对环境的适应性强）对环境的适应性强金属基尺与安装部件材料的膨胀系数相近，温度金属基尺与安装部件材料的膨胀系数相近，温度变化时，热膨胀相同，不影响测量精度。变化时，热膨胀相同，不影响测量精度。4 4）维护简单，寿命长）维护简单，寿命长定、滑尺无接触，无磨损，安装简单。要装防护定、滑尺无接触，无磨损，安装简单。要装防护罩。罩。第22页/共48页第二十三页，共48页。 光栅种类较多。根

19、据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上(yshng)。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。光栅尺的结构直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.0

20、50.1mm的间隙。 第23页/共48页第二十四页，共48页。25原理：原理： 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平行行(pngxng)光线垂直照射标尺光栅时，则在光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为摩尔条纹。当两光栅尺沿与刻线垂直的方称为摩尔条纹。当两光栅尺沿与刻线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动，当向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动，当光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个光栅

21、尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个节距。这样只要通过光电元件检测出莫尔条纹节距。这样只要通过光电元件检测出莫尔条纹移动的数目和方向，就可以知道光栅移过了多移动的数目和方向，就可以知道光栅移过了多少个栅距和移动的方向。少个栅距和移动的方向。第24页/共48页第二十五页，共48页。26工作工作(gngzu)原原理：理： 第25页/共48页第二十六页，共48页。 特点特点(tdin)： 1. 放大作用放大作用 用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，表示栅距，为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有 莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度W与角成反

22、比，越小，放大倍数越大。与角成反比，越小，放大倍数越大。 PPWsinWPWP第26页/共48页第二十七页，共48页。 2. 均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹莫尔条纹(tio wn)是由光栅的大量刻线共同是由光栅的大量刻线共同组成，例如，组成，例如，200条条/mm的光栅，的光栅，10mm宽的光宽的光栅就由栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。成的误差。3. 莫尔条纹莫尔条纹(tio wn)的移动与栅距的移动成比的移动与栅距的移动成比例例 当光栅尺移动一个栅距

23、当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹时，莫尔条纹(tio wn)也刚好移动了一个条纹也刚好移动了一个条纹(tio wn)宽度宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹只要通过光电元件测出莫尔条纹(tio wn)的数的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹则莫尔条纹(tio wn)移动方向也相反。移动方向也相反。第27页/共48页第二十八页，共48页。 P1 P2 P3 P4 指示光栅 标尺光栅 硅光电池 聚光镜 光源 光栅测量光栅测量(cling)系统：系统：第

24、28页/共48页第二十九页，共48页。第29页/共48页第三十页，共48页。31 编码器是一种旋转编码器是一种旋转式测量元件式测量元件(yunjin)，通常装在被检测轴上通常装在被检测轴上（或同步带联接）；随（或同步带联接）；随被测轴一起转被测轴一起转4. 编码器编码器动，可将被测轴的角位移转换为增量动，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。根据脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式，编码器可分为内部结构和检测方式，编码器可分为(fn wi)接触式、光电式和电磁式接触式、光电式和电磁式3种。种。其中，光电编码器在数控机床上应用其中，光电编码器在数控机床上应用较多，

25、由霍尔效应构成的电磁编码器较多，由霍尔效应构成的电磁编码器则可用作速度检测元件。则可用作速度检测元件。 第30页/共48页第三十一页，共48页。32（一）接触式编码器（一）接触式编码器 接触式编码器是一种绝对式的检测装置，接触式编码器是一种绝对式的检测装置，可直接可直接(zhji)把被测转角用数字代码表示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出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电或切量代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。断电源，也能读出转动角度。 接触式编码器体积小，输出信号功率大，接触式编码器体积小，输出信号功率大，

26、但易磨损，寿命短且转速不能太高。但易磨损，寿命短且转速不能太高。第31页/共48页第三十二页，共48页。33（二）（二） 光电式编码器光电式编码器 光电式编码器是一种光电式转角检光电式编码器是一种光电式转角检测装置。编码器用透明及不透明区域按测装置。编码器用透明及不透明区域按一定编码构成，根据其编码方式不同，一定编码构成，根据其编码方式不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。编码器。 增量式光电编码器可通过光电转换增量式光电编码器可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应的脉将被测轴的角位移增量转换成相应的脉冲冲(michng)数字量，然后由微机数数

27、字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移量和直控系统或计数器计数得到角位移量和直线位移量。线位移量。 第32页/共48页第三十三页，共48页。34增量增量(zn lin)式光电编码器式光电编码器第33页/共48页第三十四页，共48页。35光电编码器需解决光电编码器需解决(jiju)的两个问题：的两个问题： 1、正反向辨别、正反向辨别 2、掉电位置记忆、掉电位置记忆 为了测量为了测量(cling)出转向，光澜板的两个窄缝距离比编码器两个窄缝之间的距离小出转向，光澜板的两个窄缝距离比编码器两个窄缝之间的距离小1/4节距，使两个光敏元件的输出信号相差节距，使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。

28、相位。 如果将其输出的脉冲信号经频率如果将其输出的脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。第34页/共48页第三十五页，共48页。36 C相产生的脉冲叫基准脉冲相产生的脉冲叫基准脉冲,也叫零点也叫零点脉冲脉冲,在数控车床主轴末端通常就使用在数控车床主轴末端通常就使用增量式光栅编码器，来检测主轴的位置，增量式光栅编码器，来检测主轴的位置，以保证切削螺纹时不会乱扣。以保证切削螺纹时不会乱扣。 例如，例如，J1CJK6146型数控车床主轴型数控车床主轴编码器就采用增量式光栅编码器编码器就采用增量式光

29、栅编码器LF-90BM-CO5D；MJ-520数控车床主轴编数控车床主轴编码器采用的是码器采用的是Y615-720型增量式圆光型增量式圆光栅编码器。此外，增量式光栅编码器也栅编码器。此外，增量式光栅编码器也可以用于高速旋转的转数计数或加工中可以用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床心等数控机床(sh kn j chun)上上的主轴准停信号。的主轴准停信号。第35页/共48页第三十六页，共48页。 它是一种直接编码式的测量元件。它把被测它是一种直接编码式的测量元件。它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积累误差。累误差。 编码盘有光电式、接触式

30、和电磁式三种。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。 接触式易磨损，不易高速；光电式和电磁式接触式易磨损，不易高速；光电式和电磁式是非接触式，允许是非接触式，允许(ynx)(ynx)用于高速。因此，最用于高速。因此，最常用的是光电式编码盘。常用的是光电式编码盘。 第36页/共48页第三十七页，共48页。第37页/共48页第三十八页，共48页。 四位编码盘，其分辨角四位编码盘，其分辨角360360/24/2422.522.5。 如 用如 用 n n 位 编 码 盘 ， 即 分 辨 角位 编 码 盘 ， 即 分 辨 角 360360/2n/2n，所以，所以n n越大，分辨角度就越小，越大，分辨角度就

31、越小，精确度也就越高。精确度也就越高。 目前接触式码盘一般目前接触式码盘一般(ybn)(ybn)可以做到可以做到9 9位二进制，而光电式码盘可做到位二进制，而光电式码盘可做到1818位二进位二进制。制。 494. 42621443602360181124703125. 051236023609189 时，时，对于对于时，时，对于对于nn第38页/共48页第三十九页，共48页。2 2格雷码盘格雷码盘 在实际应用中，二进制码盘盘在实际应用中，二进制码盘盘(pn (pn pn)pn)上图案变化较大，对码盘制作和电刷上图案变化较大，对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差，即容易产生读数错误。性误差，即容易产生读数错误。 例如，当电刷由位置例如，当电刷由位置01110111向位置向位置10001000过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现，可能会出现8 8到到1515之间的任一个十进制之间的任一个十进制数。数。 为了消除这种非单值性误差，可采用为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘二进制循环码盘( (格雷码盘格雷码盘) )。 第39页/共48页第四十页，共48页。第40页/共48页第四十一页，共48页。42