数控技术位置检测装置

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）.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，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，则莫尔条纹移动方向也相反。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向光栅测量系统

光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。

除标尺光栅与工作台一起移动外，其他均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。

当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见左图）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见右图），经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。光栅位移O光栅的实际亮度变化光栅位移电压O光栅的输出波形图亮度6.2.3应用（光栅位移－数字转换系统）1.鉴向采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。2.提高精度增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。1.P1、P3信号是相位差180o的两个信号，差动得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得余弦信号。2.正余弦经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，3.A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，4.由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。3.测量原理图其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相加A′B+AD′+C′D+B′C反向相加BC′+CD′+A′D+AB′四倍频辨向电路波形

若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。6.3脉冲编码器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。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。

从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。光电式脉冲编码器的特点：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。脉冲编码器实物图6.3控.1牲绝对式盗编码器绝对式编腰码器是一吃种旋转式倍检测装置泊，可直接蔑把被测转息角用数字益代码表示造出来，且每一个角足度位置均葵有其对应扯的测量代容码，它能表昏示绝对位冶置，没有蔽累积误差焰，电源切哀除后，位聚置信息不最丢失，仍奔能读出转对动角度。绝对式太编码器纠有光电争式、接虑触式和郑电磁式童三种，转以接触够式四位姿绝对编绳码器为哑例来说伸明其工睬作原理绳。如图所示京为二进制球码盘。它玻在一个不组导电基体陆上作成许睁多金属区拆使其导电丘，其中有肤剖面线部逐分为导电绝区，用“虚1”表示僚；其它部颗分为绝缘汪区，用“垂0”表示显。每一径蜻向，由若猴干同心圆旋组成的图抬案代表了梨某一绝对丘计数值通常，不我们把麦组成编怨码的各唉圈称为码道，码盘询最里圈腹是公用拴的，它考和各码公道所有尺导电部谢分连在俊一起，视经电刷物和电阻念接电源洋负极。田在接触厘式码盘陷的每个演码道上怖都装有赶电刷，真电刷经左电阻接黎到电源催正极（势图b）垫。当检露测对象宴带动码罪盘一起看转动时采，电刷国和码盘危的相对宰位置发圆生变化往，与电刷串联红的电阻将岂会出现有份电流通过汇或没有电犁流通过两伸种情况。若回路中啦的电阻上讽有电流通允过，为“撒1”；反篮之，电刷贞接触的是懂绝缘区，太电阻上无吴电流通过纹，为“0似”。如果召码盘顺时添针转动，思就可依次滥得到按规唱定编码的猎数字信号嫁输出，图板示为4位鲁二进制码辣盘，根据摄电刷位置耐得到由“铲1”和“蹈0”组成邮的二进制挖码，输出水为000并0、00慕01、0渣010…夕…111班1。码盘位掠数越大堪，所能无分辨的叮角度越万小，测虹量精度练越高。若要提哪高分辨力搜，就必须姨增多码道奇，即二进画制位数增饭多。目前接触添式码盘一锐般可以做武到9位二更进制，光疫电式码盘肯可以做到觉18位二挪进制。用二进制照代码做的异码盘，如解果电刷安坝装不准，荣会使得个原别电刷错肺位，而出悉现很大的使数值误差陷。如前2趟页图，当们电刷由位狼置011薯1向10浙00过渡毯时，可能洽会出现从五8（10片00）到甘15（1局111）邻之间的读骡数误差，泛一般称这肥种误差为露非单值性浴误差。原因（叼缺点）：图案变化洗无规律，愤在使用中乎多位同时矩变化，易酒产生较多疼的误读。为消除舅这种误足差，可域采用葛莱码盘。下页图为控葛莱码盘轿，其各码道篮的数码驰不同时也改变，谨任何两单个相邻姐数码间巡寿只有一园位是变劈燕化的，奔每次只使切换一抵位数，把误差湖控制在最刮小范围内缴。二进制智码转换援成葛莱波码的法则是：将访二进制揪码右移张一位并蝴舍去末晓位的数赴码，再殊与二进衡制数码捉作不进隙位加法于，结果撤即为葛绘莱码。葛莱码乞盘例如，逮二进制掏码11备01对测应的葛新莱码为旁101颤1，其育演算过谣程如下向：110街1（们二进制兼码）1101迁（不进位申相加，舍谷去末位）101钻1（歼葛莱码宗）

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

光电盘是用玻璃圣材料研磨搁抛光制成须，玻璃表咬面在真空勾中镀上一销层不透光炒的铬，然句后用照相击腐蚀法在什上面制成编向心透光徒窄缝。透皱光窄缝在望圆周上等到分，其数询量从几百厨条到几千狗条不等。圆盘也用玻璃蚀材料研磨肢抛光制成捐，其透光险窄缝为两态条，每一徒条后面安详装有一只糠光电元件哗。光电盘检与工作轴藏连在一起召，1.光电切盘转动时幸，每转过艺一个缝隙狂就发生一竟次光线的河明暗变化虏，光电元徒件把通过略光电盘和坐圆盘射来宜的忽明忽庆暗的光信侍号转换为纤近似正弦叶波的电信倾号，2.经过蚁整形、放丢大、和微路分处理后葬，输出脉修冲信号。3.通佛过记录埋脉冲的萝数目，怜就可以检测出转缎角。测洒出脉冲敌的变化清率，即催单位时裙间脉冲绣的数目与，就可三以求出钞速度。6.3.剩2增绕量式脉冲泄编码器光电式脉伸冲编码器顷，它由光端源、聚光框镜、光电烤盘、圆盘捷、光电元满件和信号鸣处理电路驼等组成（喝如图）。电流AB节距ωtA1B1900图5-1贸5脉冲斯编码器输灰出波形为了判断旋霸转方向，圆盘府的两个笔窄缝距量离彼此热错开1日/4节珠距，使常两个光乐电元件血输出信寺号相位绞差900。如图眠5-1欺5所示始，A、删B信号愤为具有胀900相位差的补正弦波，伏经放大和潜整形变为炊方波A1、B1。设A相比棒B相超前寨时为正方慨向旋转，昂则B相超线前A相就塔是负方向际旋转，利钞用A相与亮B相的相仪位关系可享以判别旋菌转方向。水此外，在骡光电盘的疏里圈不透雄光圆环上舌还刻有一迟条透光条螺纹，用以恰产生每转竹一个的零位脉冲耗信号，它是穿轴旋转鞭一周在惑固定位恨置上产季生一个腰脉冲。6.4辛旋转未变压器6.4粘.1结构与工哀作原理旋转变唇压器是宋输出电敬压信号腐与转子冷转角成努一定函佛数关系军的控制微脖电机,旋转变恐压器是尼一种角膨位移测嚼量装置跳，由定耳子和转虚子组成号。旋转变录压器的语工作原位理与普焰通变压渔器基本决相似，骑其中1.定子绕组作为变思压器的窝一次侧爸，接受励磁电压。2.转子绕组作为变压农器的二次孙侧，通过链电磁耦合谦得到感应电析压，只是魄其输出裁电压大怀小与转报子位置炮有关。旋转变压艺器通过测浓量电动机吵或被测轴摧的转角来筛间接测量槐工作台的份位移。旋不转变压器次分为单极拖和多极形征式。旋转变阻压器实言物图如图所甜示，单裳极型旋想转变压伯器的定尿子和转普子各有笑一对磁轮极，假修设加到姥定子绕左组的励仔磁电压戚，则转蜜子通过我电磁耦安合，产谨生感应泻电压。旋转变压首器工作原息理结构图式中K—变压比荡（即绕组蜻匝数比）池；Vm—励磁信砌号的幅值竟；芹ω血—励磁群信号角频服率；θ—旋转变袭压器转角慢。转子绕组截中产生的起感应电压残为两磁轴平个行，此时失转子绕组央中感应电搅压最大，灯即实际使探用时通渣常采用改多极形惑式，如塔正余弦动旋转变遥压器，姓其定子慨和转子秤均由两没个匝数哄相等，展轴线相索互垂直级的绕组遵构成，转子输不出电压素则为应用叠莫加原理万，其磁吼通为正余弦旋慎转变压器委工作原理Us定子Uc转子θ6.4.阔2应用两种典型忌工作方式皱，鉴相式被和鉴幅式落。鉴相式鱼是根据感添应输出电丙压的相位纹来检测位哑移量；鉴宝幅式是根堤据感应输窜出电压的凭幅值来检扛测位移量杀。1.鉴相闲工作方式给定子两住绕组分别沫通以幅值相响同、频项率相同店、相位米差900的交流励盗磁电压，砖即这两个励盼磁电压在累转子绕组永中都产生唤了感应电呢压，电压胳的代数和臂：由上两才式可见吴，转子输出电企压的相构位角和转子的渔偏转角之间有严格刑的对应行关系，这样，政只要检测武出转子输付出电压的分相位角，芝就可知道嚼转子的转吸角。由于逼旋转变压熔器的转子泻和被测轴妥连接在一动起，所以重，被测轴须的角位移狂就知道了两。。假如，士转子逆轰向转动升，可得2.前鉴幅工近作方式给定子的降两个绕组皮分别通以频率相警同、相往位相同污、幅值化分别按殊正弦和令余弦变楚化的交流跳激磁电真压，即式中α—激磁瓜绕组中唇的电气厅角。Umsi均nα,Umco闹sα为定子两泛绕组激磁井信号的幅奖值则转子黄上的叠杏加电压盯为同理，复如果转率子逆向伏转动，阳可得(5-良4)由式(居5-3努)和(拖5-4象)可见竿，转子柴感应电压的幅艰值随转子的雷偏转角而变化，傍测量出幅榴值即可求线得转角。如果将探旋转变揪压器装侦在数控匪机床的泳滚珠丝晴杠上，吃当角从省00到36列00时，丝杠耐上的螺母幕带动工作代台移动了嘴一个导程拨，间接测贤量了执行泻部件的直线位允移。测量乐所走过还的行程累时，可制加一个计数器，累计所胀转的转数情，折算成绕位移总长做度。6.5歌感应同遭步器6.5仿.1触结构竿与工作焰原理感应同步踏器和旋转及变压器均为电磁宜式检测装阅置，属模里拟式测量寺，二者工作原理亏相同，其输出电压删随被测直汇线位移或缠角位移而使改变。感应同墓步器按羡其结构犹特点一互般分为直线式和抖旋转式两种：直线式脂感应同芳步器由俯定尺和稠滑尺组近成，用刺于直线驻位移测猫量。旋转式感址应同步器拒由转子和选定子组成灭，用于角涉位移测量来。以直线惨式感应板同步器腾为例，贵介绍其跌结构和却工作原珍理。直线感晕应同步事器相当攀于一个佛展开的柏多极旋竖转变压勺器，其湿结构如碍图所示怖，定尺为和滑尺甚的基板撒采用与嫌机床热盗膨胀系阁数相近恶的钢板妈制成，哄钢板上利用绝缘班粘结剂景贴有铜仔箔，并买利用腐胜蚀的办脾法做成甩图示的刘印刷绕休组。长剥尺叫定丸尺，安手装在机忘床床身踢上，短系尺为滑软尺，安荷装于移眼动部件慰上，两逗者平行减放置，苦保持0乎.25仰~0.运05m兼m间隙氧。图5-口16添直线感净应同步腾器结构U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc感应同翻步器两易个单元织绕组之藏间的距夹离为节栗距，滑堆尺和定谎尺的节唤距均为吃2τ，这车是衡量密感应同致步器精搜度的主练要参数饱。标准其感应同圆步器定编尺长2丘50m国m，滑陕尺长1用00m森m，节心距为2浅mm。染定尺上宜是单向环、均匀啦、连续蛮的感应考绕组，勾滑尺有凑两组绕该组，一务组为正哭弦绕组约，另一青为余弦淹绕组。桥当正弦宁绕组与秤定尺绕钉组对齐雪时，余享弦绕组煤与定尺协绕组相吗差1/迷4节距叨。U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc2τ当滑尺任桂意一绕组浓加交流激离磁电压时观，由于电吼磁感应作赔用，在定确尺绕组中货必然产生盲感应电压第，该感应西电压取决藏于滑尺和逢定尺的相派对位置。斯当只给滑助尺上正弦盗绕组加励任磁电压时牢，定尺感叶应电压与帐定、滑尺吩的相对位泄置关系如据图所示。

定

尺

滑A

尺Bt241

位Ct221

置Dt243

Et2

E

A

V2

M

N

正弦绕组

余弦绕组

距离

B

D

C

O

P

定

尺

滑A尺Bt241位Ct221置Dt243

Et2

如果滑恨尺处于A位置，即滑尺暂绕组与定高尺绕组完灰全对应重椒合，定尺祥绕组线圈旦中穿入的糕磁通最多谨，则定尺掩上的感应