位置检测装置

位置检测装置2023/7/30第1页，课件共81页，创作于2023年2月第四节位置检测装置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。2023/7/30第2页，课件共81页，创作于2023年2月§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第3页，课件共81页，创作于2023年2月

位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第4页，课件共81页，创作于2023年2月●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;●在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度20—30m/min，转速高达100000r/min。●使用维护方便，适应机床工作环境；●成本低。一、数控机床对位置检测装置的要求：2023/7/30第5页，课件共81页，创作于2023年2月二、检测装置的分类1、按测量对象不同分类位移检测装置:脉冲编码器、光栅

速度检测装置：测速发电机2、按安装位置不同分类直接测量:将检测装置安装在执行部件上

间接测量:将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第6页，课件共81页，创作于2023年2月3、按测量方法不同分类增量式测量绝对式测量绝对式测量：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。特点：装置的结构较为复杂增量式测量：只测量位移量。测量单位为0.01mm每移动0.01mm发出一个脉冲信号。§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第7页，课件共81页，创作于2023年2月优点：

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式。

缺点：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错误。如出某种事故，无法恢复。

§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第8页，课件共81页，创作于2023年2月§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第9页，课件共81页，创作于2023年2月4、按检测信号不同分类数字式测量模拟式测量模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来表示。

如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。特点：

●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，技术成熟。§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第10页，课件共81页，创作于2023年2月数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。

测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。特点：

●被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；

●测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；

●测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。§4-1对位置检测装置的要求2023/7/30第11页，课件共81页，创作于2023年2月检测装置的分类

数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。

☆运动型式—

回转型和直线型；

☆信号转换的原理—光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。

2023/7/30第12页，课件共81页，创作于2023年2月数控机床检测装置分类

分

类

增

量

式

绝

对

式

位移传感器

回转型——脉冲编码器、自整角机、旋转变压器、圆感应同步器、光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅

多极旋转变压器、绝对脉冲编码器

绝对值式光栅、三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器

直线型——直线应同步器、光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪

霍耳位置传感器

三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器

速度传感器

交、直流测速发电机、数字脉编码式速度传感器、霍耳速度传感器

速度—角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、磁敏式速度传感器

电流传感器

霍耳电流传感器

2023/7/30第13页，课件共81页，创作于2023年2月

传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。

1.精度

符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。高精度和高速实时测量。

2.分辨率

分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。

3.灵敏度灵敏度高、一致。三数控测量装置的性能指标及要求

2023/7/30第14页，课件共81页，创作于2023年2月4.迟滞对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。

5.测量范围和量程6.零漂与温漂其它可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。2023/7/30第15页，课件共81页，创作于2023年2月§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第16页，课件共81页，创作于2023年2月§4-2常用典型位置检测装置一、旋转变压器（角位移检测元件）

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，激磁频率通常为400H、500H、1000H、3000H、5000H，其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。2023/7/30第17页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第18页，课件共81页，创作于2023年2月旋转变压器

54318762

图旋转变压器结构示意

1-转轴2-轴承3-机壳4-转子铁心5-定子铁心

6-端盖7-电刷8-集电环

2023/7/30第19页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第20页，课件共81页，创作于2023年2月工作原理：定子绕组输入电压§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第21页，课件共81页，创作于2023年2月

设加到定子绕组的励磁电压为U1=Umsint，通过电磁耦合，将在转子绕组中产生的感应电压为U2=KU1sin=KUmsintsin式中K—变压比（K=N1/N2为定子、转子绕组的匝数）Um—励磁最大电压—励磁电压角频率—转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴垂直时，=0；当转子磁轴与定子磁轴平行时，=90。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第22页，课件共81页，创作于2023年2月连接电路图:2023/7/30第23页，课件共81页，创作于2023年2月应用：旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。

1.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900的交流励磁电压，即

这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如图5-2所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：

(S-1)第24页，课件共81页，创作于2023年2月假如，转子逆向转动，可得

(S-2)

由式(S-1)和(S-2)可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转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，被测轴的角位移就知道了。

2023/7/30第25页，课件共81页，创作于2023年2月2.鉴幅工作方式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激磁电压，即

式中—激磁绕组中的电气角。则转子上的叠加电压为2023/7/30第26页，课件共81页，创作于2023年2月同理，如果转子逆向转动，可得(S-4)偏转角而变化，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，当角从00到3600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位移。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。2023/7/30第27页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第28页，课件共81页，创作于2023年2月二、感应同步器工作原理：

利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第29页，课件共81页，创作于2023年2月第30页，课件共81页，创作于2023年2月§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第31页，课件共81页，创作于2023年2月定尺绕组产生感应电动势原理图§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第32页，课件共81页，创作于2023年2月

滑尺定尺机床VsVc

+x-x

感应同步器鉴相测量系统框图放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元2023/7/30第33页，课件共81页，创作于2023年2月三、脉冲编码器（角位移检测元件）1、增量式脉冲编码器§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第34页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第35页，课件共81页，创作于2023年2月2、绝对式脉冲编码器§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第36页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第37页，课件共81页，创作于2023年2月1、光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：2023/7/30第38页，课件共81页，创作于2023年2月式中—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。2023/7/30第39页，课件共81页，创作于2023年2月

2023/7/30第40页，课件共81页，创作于2023年2月光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（下图）。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。

第41页，课件共81页，创作于2023年2月

电流

AB节距

ωt

A1

B1

900

图5-15脉冲编码器输出波形第42页，课件共81页，创作于2023年2月

为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图5-15所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。

第43页，课件共81页，创作于2023年2月光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统（下图）的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，2023/7/30第44页，课件共81页，创作于2023年2月在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。2023/7/30第45页，课件共81页，创作于2023年2月

减计数

加计数

图5-16辨向环节框图和波形图差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分第46页，课件共81页，创作于2023年2月四、光栅组成：标尺光栅：安装在机床的移动部件上指示光栅：安装在机床的固定部件上它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。相互平行§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第47页，课件共81页，创作于2023年2月光栅尺2023/7/30第48页，课件共81页，创作于2023年2月圆光栅2023/7/30第49页，课件共81页，创作于2023年2月分类：透射光栅反射光栅透射光栅：采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。

特点：光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光照。因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简单，如线性密度200线/mm。缺点：玻璃易破裂，热胀系数与金属部件不一致，影响测量精度。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第50页，课件共81页，创作于2023年2月反射光栅：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，接长方便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。缺点：为了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不宜多，常用4、10、25、40、50线/mm。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第51页，课件共81页，创作于2023年2月光栅尺2023/7/30第52页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第53页，课件共81页，创作于2023年2月工作原理：§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第54页，课件共81页，创作于2023年2月

若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，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，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，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第55页，课件共81页，创作于2023年2月莫尔条纹的形成§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第56页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第57页，课件共81页，创作于2023年2月特点：

●由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响较小。也可采用信号。

●在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度可以长期保持。

●光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学系统变质。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第58页，课件共81页，创作于2023年2月五、磁栅磁栅又称磁尺，是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置。可用于长度角度的测量。组成：磁性标尺、磁头和检测电路利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，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之间的位移量。§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第59页，课件共81页，创作于2023年2月特点:精度高，安装方便,大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测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较好的稳定性。其缺点是需要屏蔽和防尘。2023/7/30第60页，课件共81页，创作于2023年2月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、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层10～20um的导磁材料（Ni-Co或Fe-Co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层厚1～2mm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。

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，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。

§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第61页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第62页，课件共81页，创作于2023年2月§4-2常用典型位置检测装置2023/7/30第63页，课件共81页，创作于2023年2月2023/7/30第64页，课件共81页，创作于2023年2月为了辨别磁头在磁尺上的移动方向，通常采用了间距为（m±1/4）的两组磁头（其中m为任意正整数）。如下图所示，i1、i2为励磁电流，其输出电压分别为

第65页，课件共81页，创作于2023年2月第66页，课件共81页，创作于2023年2月U1和U2是相位相差90°的两列脉冲。至于哪个导前，则取决于磁尺的移动方向。根据两个磁头输出信号的超前或滞后，可确定其移动方向。第67页，课件共81页，创作于2023年2月测量方式磁栅的测量方式有鉴幅测量方式和鉴相测量方式。1.鉴幅测量方式如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为π/2的两组信号

2023/7/30第68页，课件共81页，创作于2023年2月两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。

第69页，课件共81页，创作于2023年2月2.