数控技术之位置检测装置

第6章位置检测装置大连交通大学本章主要内容6.1概述6.2光栅6.3脉冲编码器6.4旋转变压器6.5感应同步器6.1概述

位置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）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；

成本低。位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：

1.

直接测量

直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来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，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.

间接测量

它是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，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。6.1.1

直接测量和间接测量1.

数字式测量

它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。

2.

模拟量测量

它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。6.1.2数字式测量和模拟式测量

1.增量式测量

在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。

2.绝对式测量

绝对式测量装置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。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。

6.1.3增量式测量和绝对式测量6.2光栅根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1μm以上。

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。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0.05~0.1mm的间隙。6.2.1结构光栅尺实物图9

当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。6.2.2工作原理莫尔条纹具有如下特点：（1）.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，如右图所示则有莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。（2）.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000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成的误差。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P（3））.莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动与与栅栅距距的的移移动动成比比例例当光光栅栅尺尺移移动动一一个个栅栅距距P时，，莫莫尔尔条条纹纹也也刚刚好好移移动动了了一一个个条条纹纹宽宽度度W。只只要要通通过过光光电电元元件件测测出出莫莫尔尔条条纹纹的的数数目目，，就就可可知知道道光光栅栅移移动动了了多多少少个个栅栅距距，，工工作作台台移移动动的的距距离离可可以以计计算算出出来来。。若若光光栅栅移移动动方方向向相相反反，，则则莫莫尔尔条条纹纹移移动动方方向向也也相相反反。。θ标尺尺光光栅栅W指示示光光栅栅（（斜斜））P标尺尺方方向向指示示尺尺转转角角θ方向向莫尔尔条条纹纹方方向向标尺尺方方向向指示示尺尺转转角角θ方向向莫尔尔条条纹纹方方向向光栅栅测测量量系系统统光栅栅测测量量系系统统如如图图所所示示，，由由光源源、、聚聚光光镜镜、、光光栅栅尺尺、、光光电电元元件件和和驱驱动动线线路路组成成。。读读数数头头光光源源发发出出辐辐射射光光线线，，经经过过聚聚光光镜镜后后变变为为平平行行光光束束，，照照射射光光栅栅尺尺。。光光电电元元件件（（常常使使用用硅硅光光电电池池））接接受受透透过过光光栅栅尺尺光光强强信信号号，，并并将将其其转转换换成成相相应应的的电电压压信信号号。。由由于于此此信信号号比比较较微微弱弱，，驱驱动动线线路路的的作作用用就就是是将将电电压压信信号号进进行行电电压压和和功功率率放放大大。。除标标尺尺光光栅栅与与工工作作台台一一起起移移动动外外，，其其他他均均装装在在一一个个壳壳体体内内，，作作成成一一个个单单独独部部件件固固定定在在机机床床上上，，这这个个部部件件称称为为光栅栅读读数数头头，又又叫叫光光电电转转换换器器，，其其作作用用把把光光栅栅莫莫尔尔条条纹纹的的光光信信号号变变成成电电信信号号。。当光光栅栅移移动动一一个个栅栅距距，，莫莫尔尔条条纹纹便便移移动动一一个个条条纹纹宽宽度度，，理理论论上上光光栅栅亮亮度度变变化化是是一一个个三三角角波波形形，，但但由由于于漏漏光光和和不不能能达达到到最最大大亮亮度度，，被被削顶顶削削底底后而而近近似似一一个个正正弦弦波波（（见见左左图图））。。硅硅光光电电池池将将近近似似正正弦弦波波的的光光强强信信号号变变为为同同频频率率的的电电压压信信号号（（见见右右图图）），，经经光光栅栅位位移移——数数字字变变换换电电路路放放大大、、整整形形、、微微分分输输出出脉脉冲冲。。每每产产生生一一个个脉脉冲冲，，就就代代表表移移动动了了一一个个栅栅距距那那么么大大的的位位移移，，通通过过对对脉脉冲冲计计数数便便可可得得到到工工作作台台的的移移动动距距离离。。光栅位移移O光栅的实实际亮度度变化光栅位移电压O光栅的输出波形图亮度6.2.3应应用（（光栅位位移－数数字转换换系统））1.鉴向向采用一个光光电元件即即只开一个个窗口观察察，只能计计数，却无无法判断移移动方向。。因为无论论莫尔条纹纹上移或下下移，从一一固定位置置看其明暗暗变化是相相同的。为为了确定运运动方向，，至少要放置置两个光电电元件，两两者相距1/4莫尔尔条纹宽度度。当光栅移动动时，莫尔尔条纹通过过两个光电电元件的时时间不同，，所以两个个光电元件件所获得的的电信号虽虽然波形相相同，但相相位相差90o。根据两光光电元件输输出信号的的超前和滞滞后，可以以确定标尺尺光栅移动动方向。2.提高精精度增加线纹密密度，能提提高光栅检检测装置的的精度，但但制造较困困难，成本本高。在实实际应用中中，既要提提高测量精精度，同时时又能达到到自动辨向向的目的，，通常采用用倍频或细分分的方法来提提高光栅的的分辨精度度，如果在在莫尔条纹纹的宽度内内，放置四四个光电元元件，每隔隔1/4光光栅栅距产产生一个脉脉冲，一个个脉冲代表表移动了1/4栅距距那么大位位移，分辨辨精度可提提高四倍，，这就是四四倍频方案案。1.P1、P3信号是相位位差180o的两个信号号，差动得得正弦信号号。同理，，P2、P4信号送另一一个差动放放大器，得得余弦信号号。2.正余余弦经整形形变成方波波A和B，，为使每隔隔1/4节节距都有脉脉冲，把A、B各自自反向一次次得C、D信号，3.A、、B、C、、D信号再再经微分变变成窄脉冲冲A′、B′、C′′、D′，，即在正走走或反走时时每个方波波的上升沿沿产生窄脉脉冲，4.由由与门电路路把0o、90o、180o、270o四个位置上上产生的窄窄脉冲组合合起来，根根据不同的的移动方向向形成正向向或反向脉脉冲。图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光光电池，产产生的信号号相位彼此此相差90o。3.测量原原理图其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相相加A′B+AD′′+C′D+B′C反向相相加BC′′+CD′′+A′D+AB′′四倍频辨向向电路波形形若光栅栅距距0.01mm，则则工作台每每移动0.0025mm，就就会送出一一个脉冲，，即分辨率率为0.0025mm。由此此可见，光光栅检测系系统的分辨辨力不仅取取决于光栅栅尺的栅距距，还取决决于鉴向倍倍频的倍数数。除四倍倍频以外，，还有十倍倍频、二十十倍频等。。6.3脉脉冲编码码器脉冲编码器器是一种旋旋转式脉冲冲发生器，，能把机械械转角变成成电脉冲。。脉冲编码码器可分为为增量式与与绝对式两两类。从产生元件件上分，脉脉冲编码器器有光电式式、接触式式、电磁感感应式三种种，从精度度和可靠性性来看，光光电式较好好，数控机机床上主要要使用的是是光电式脉脉冲编码器器。型号用脉脉冲数/转转（p/r）分，常常用的2000，2500，，3000p/r,现在有有10万p/r以上上的产品。。它可以用于于角度检测，也可用于于速度检测。通常它与与电机做成成一体，或或安装在非非轴伸端。。光电式脉冲冲编码器的的特点：检检测方式是是非接触式的，无摩擦擦和磨损，，驱动力小小，响应速速度快。脉冲编码器器实物图6.3.1绝对式式编码器绝对式编码码器是一种种旋转式检检测装置，，可直接把把被测转角角用数字代代码表示出出来，且每一个角度度位置均有有其对应的的测量代码码，它能表示示绝对位置置，没有累累积误差，，电源切除除后，位置置信息不丢丢失，仍能能读出转动动角度。绝对式编码码器有光电电式、接触触式和电磁磁式三种，，以接触式式四位绝对对编码器为为例来说明明其工作原原理。如图所示为为二进制码码盘。它在在一个不导导电基体上上作成许多多金属区使使其导电，，其中有剖剖面线部分分为导电区区，用“1”表示；；其它部分分为绝缘区区，用“0”表示。。每一径向向，由若干干同心圆组组成的图案案代表了某某一绝对计计数值通常，我们们把组成编编码的各圈圈称为码道，码盘最里里圈是公用用的，它和和各码道所所有导电部部分连在一一起，经电电刷和电阻阻接电源负负极。在接接触式码盘盘的每个码码道上都装装有电刷，，电刷经电电阻接到电电源正极（（图b）。。当检测对对象带动码码盘一起转转动时，电电刷和码盘盘的相对位位置发生变变化，与电刷串联的的电阻将会会出现有电电流通过或或没有电流流通过两种种情况。若回路中的的电阻上有有电流通过过，为“1”；反之之，电刷接接触的是绝绝缘区，电电阻上无电电流通过，，为“0””。如果码码盘顺时针针转动，就就可依次得得到按规定定编码的数数字信号输输出，图示示为4位二二进制码盘盘，根据电电刷位置得得到由“1”和“0”组成的的二进制码码，输出为为0000、0001、0010………1111。码盘位数越越大，所能能分辨的角角度越小，，测量精度度越高。若要提高高分辨力，，就必须增增多码道，，即二进制制位数增多多。目前接触式式码盘一般般可以做到到9位二进进制，光电电式码盘可可以做到18位二进进制。用二进制代代码做的码码盘，如果果电刷安装装不准，会会使得个别别电刷错位位，而出现现很大的数数值误差。。如前2页页图，当电电刷由位置置0111向1000过渡时时，可能会会出现从8（1000）到15（1111）之之间的读数数误差，一一般称这种种误差为非非单值性误误差。原因（缺点点）：图案变化无无规律，在在使用中多多位同时变变化，易产产生较多的的误读。为消除这种种误差，可可采用葛莱码盘。下页图为葛葛莱码盘，，其各码道的数数码不同时时改变，任任何两个相相邻数码间间只有一位位是变化的的，每次只只切换一位位数，把误差控控制在最小小范围内。。二进制码转转换成葛莱莱码的法则是：将二进进制码右移移一位并舍舍去末位的的数码，再再与二进制制数码作不不进位加法法，结果即即为葛莱码码。葛莱码盘例如，二进进制码1101对应应的葛莱码码为1011，其演演算过程如如下：1101（（二进制制码）1101（（不进位相相加，舍去去末位）1011（（葛莱码码）

1000

1

2

3

4

5

7

8

9

10

11

12

13

14

0000

6

0

0001

0011

0010

0110

0111

0101

1001

1011

1010

1110

1111

1101

0100

1100

15

光电盘是用玻璃材材料研磨抛抛光制成，，玻璃表面面在真空中中镀上一层层不透光的的铬，然后后用照相腐腐蚀法在上上面制成向向心透光窄窄缝。透光光窄缝在圆圆周上等分分，其数量量从几百条条到几千条条不等。圆盘也用玻璃材材料研磨抛抛光制成，，其透光窄窄缝为两条条，每一条条后面安装装有一只光光电元件。。光电盘与与工作轴连连在一起，，1.光电盘盘转动时，，每转过一一个缝隙就就发生一次次光线的明明暗变化，，光电元件件把通过光光电盘和圆圆盘射来的的忽明忽暗暗的光信号号转换为近近似正弦波波的电信号号，2.经过整整形、放大大、和微分分处理后，，输出脉冲冲信号。3.通过记记录脉冲的的数目，就就可以测出出转角。测测出脉冲的的变化率，，即单位时时间脉冲的的数目，就就可以求出出速度。6.3.2增量量式脉冲编编码器光电式脉冲冲编码器，，它由光源源、聚光镜镜、光电盘盘、圆盘、、光电元件件和信号处处理电路等等组成（如如图）。电流AB节距ωtA1B1900图5-15脉冲编编码器输出出波形为了判断旋转方方向，圆盘的两两个窄缝距距离彼此错错开1/4节距，使使两个光电电元件输出出信号相位位差900。如图5-15所示示，A、B信号为具具有900相位差的正正弦波，经经放大和整整形变为方方波A1、B1。设A相比B相超前时时为正方向向旋转，则则B相超前前A相就是是负方向旋旋转，利用用A相与B相的相位位关系可以以判别旋转转方向。此此外，在光光电盘的里里圈不透光光圆环上还还刻有一条条透光条纹纹，用以产产生每转一一个的零位脉冲信信号，它是轴旋旋转一周在在固定位置置上产生一一个脉冲。。6.4旋旋转变压器器6.4.1结构与工作作原理旋转变压器器是输出电电压信号与与转子转角角成一定函函数关系的的控制微电机机,旋转变压器器是一种角角位移测量量装置，由由定子和转转子组成。。旋转变压器器的工作原原理与普通通变压器基基本相似，，其中1.定子绕组作为变压器器的一次侧侧，接受励磁电压。2.转子绕组作为变压器器的二次侧侧，通过电电磁耦合得得到感应电压，只是其输输出电压大大小与转子子位置有关关。旋转变压器器通过测量量电动机或或被测轴的的转角来间间接测量工工作台的位位移。旋转转变压器分分为单极和和多极形式式。旋转变压器器实物图如图所示，，单极型旋旋转变压器器的定子和和转子各有有一对磁极极，假设加加到定子绕绕组的励磁磁电压，则则转子通过过电磁耦合合，产生感感应电压。。旋转变压器器工作原理理结构图式中K—变压比（（即绕组匝匝数比）；；Vm—励磁信号号的幅值；；ωω——励磁信信号角频率率；θ—旋转变压压器转角。。转子绕组中中产生的感感应电压为为两磁轴平行行，此时转转子绕组中中感应电压压最大，即即实际使用时时通常采用用多极形式式，如正余余弦旋转变变压器，其其定子和转转子均由两两个匝数相相等，轴线线相互垂直直的绕组构构成，转子输出电电压则为应用叠加原原理，其磁磁通为正余弦旋转转变压器工工作原理Us定子Uc转子θ6.4.2应用两种典型工工作方式，，鉴相式和和鉴幅式。。鉴相式是是根据感应应输出电压压的相位来来检测位移移量；鉴幅幅式是根据据感应输出出电压的幅幅值来检测测位移量。。1.鉴相工工作方式给定子两绕绕组分别通通以幅值相同、、频率相同同、相位差差900的交流励磁磁电压，即即这两个励磁磁电压在转转子绕组中中都产生了了感应电压压，电压的的代数和：：由上两式可可见，转子子输出电压的的相位角和转子的偏转转角之间有严格的对对应关系，这样，只只要检测出出转子输出出电压的相相位角，就就可知道转转子的转角角。由于旋旋转变压器器的转子和和被测轴连连接在一起起，所以，，被测轴的的角位移就就知道了。。。假如，转子子逆向转动动，可得2.鉴幅幅工作方式式给定子的两两个绕组分分别通以频率相同、、相位相同同、幅值分分别按正弦弦和余弦变变化的交流激磁磁电压，即即式中α—激磁绕组组中的电气气角。Umsinα,Umcosα为定子两绕绕组激磁信信号的幅值值则转子上的的叠加电压压为同理，如果果转子逆向向转动，可可得(5-4)由式(5-3)和(5-4)可见，转转子感应电压的幅值值随转子的偏转转角而变化，测测量出幅值值即可求得得转角。如果将旋转转变压器装装在数控机机床的滚珠珠丝杠上，，当角从00到3600时，丝杠上的的螺母带动工工作台移动了了一个导程，，间接测量了了执行部件的的直线位移。测量所走过过的行程时，，可加一个计数器，累计所转的的转数，折算算成位移总长长度。6.5感感应同步器6.5.1结结构与工工作原理感应同步器和和旋转变压器器均为电磁式检检测装置，属属模拟式测量量，二者工作原理相同同，其输出电压随被被测直线位移移或角位移而而改变。感应同步器按按其结构特点点一般分为直线式和旋转转式两种：直线式感应同同步器由定尺尺和滑尺组成成，用于直线线位移测量。。旋转式感应同同步器由转子子和定子组成成，用于角位位移测量。以直线式感应应同步器为例例，介绍其结结构和工作原原理。直线感应同步步器相当于一一个展开的多多极旋转变压压器，其结构构如图所示，，定尺和滑尺尺的基板采用用与机床热膨膨胀系数相近近的钢板制成成，钢板上用用绝缘粘结剂剂贴有铜箔，，并利用腐蚀蚀的办法做成成图示的印刷刷绕组。长尺尺叫定尺，安安装在机床床床身上，短尺尺为滑尺，安安装于移动部部件上，两者者平行放置，，保持0.25~0.05mm间隙隙。图5-16直直线感应同同步器结构U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc感应同步器两两个单元绕组组之间的距离离为节距，滑滑尺和定尺的的节距均为2τ，这是衡量量感应同步器器精度的主要要参数。标准准感应同步器器定尺长250mm，滑滑尺长100mm，节距距为2mm。。定尺上是单单向、均匀、、连续的感应应绕组，滑尺尺有两组绕组组，一组为正正弦绕组，另另一为余弦绕绕组。当正弦弦绕组与定尺尺绕组对齐时时，余弦绕组组与定尺绕组组相差1/4节距。U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc2τ当滑尺任意一一绕组加交流流激磁电压时时，由于电磁磁感应作用，，在定尺绕组组中必然产生生感应电压，，该感应电压压取决于滑尺尺和定尺的相相对位置。当当只给滑尺上上正弦绕组加加励磁电压时时，定尺感应应电压与定、、滑尺的相对对位置关系如如图所示。

定

尺

滑A

尺Bt241

位Ct221

置Dt