第六章位置检测装置PPT讲稿.ppt

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1、第六章位置检测装置第1页，共32页，编辑于2022年，星期三6-26-2常用典型位置检测装置常用典型位置检测装置6-16-1对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第2页，共32页，编辑于2022年，星期三 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在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

2、至偏差等于零为止。方向运动直至偏差等于零为止。6-16-1对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第3页，共32页，编辑于2022年，星期三受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗受温度、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；在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度进给速度2030m/min2030m/min，转速高达，转速高达100000r/min100000r/min。使用维护方便，适应机床工作环境；使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。成本低。一、数

3、控机床对位置检测装置的要求：一、数控机床对位置检测装置的要求：第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第4页，共32页，编辑于2022年，星期三1 1、按测量对象不同分类、按测量对象不同分类位移检测装置位移检测装置:脉冲编码器、光栅脉冲编码器、光栅 速度检测装置：测速发电机速度检测装置：测速发电机2 2、按安装位置不同分类、按安装位置不同分类直接测量直接测量:将检测装置安装在执行部件上将检测装置安装在执行部件上 间接测量间接测量:将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上二、检测装置的分类二、检测装置的分类第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第5页，共32

4、页，编辑于2022年，星期三(1)(1)直接测量直接测量 将将直直线线型型检检测测装装置置安安装装在在移移动动部部件件上上，直直接接测测量量工工作作台台的的直直线线位位移移，作作为为全全闭闭环环伺伺服服系系统统的的位位置置反反馈馈信信号号，构构成成位位置置闭闭环环控控制制。优优点点是是准准确确性性高高、可可靠靠性性好好，缺缺点点是是测测量量装装置置要要和和工工作作台台行行程程等等长长，在在大大型数控机床上受到一定限制。型数控机床上受到一定限制。(2)(2)间接测量间接测量 将将旋旋转转型型检检测测装装置置安安装装在在驱驱动动电电机机轴轴或或滚滚珠珠丝丝杠杠上上，通通过过检检测测转转动动件件的的

5、角角位位移移来来间间接接测测量量机机床床工工作作台台的的直直线线位位移移，作作为为半半闭闭环环伺伺服系统的位置反馈用。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。运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第6页，共32页，编辑于2022年，星期三3 3、按测量方法不同分类、按测量方法不同分类增量式测量增量式测量绝对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。绝对式测量：对于被测量的

6、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。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。测量单位为增量式测量：只测量位移量。测量单位为0.01mm0.01mm每移动每移动0.01mm0.01mm发出一个脉冲信号。发出一个脉冲信号。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第7页，共32页，编辑于2022年，星期三优点优点：装置简单，任何一个点都可作为测量的起点。在轮廓控装置简单，任何一个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。制的数控机床上大都采用这种方式。缺点缺点：在增量式检测系统中，移距

7、是由测量信号计数读出，一旦计数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。有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第8页，共32页，编辑于2022年，星期三第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第9页，共32页，编辑于2022年，星期三4 4、按检测信号不同分类、按检测信号不同分类数字式测量数字式测量模拟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。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如电压

8、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（于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm2mm）内的信号相位）内的信号相位变化等。变化等。特点特点：直接测量被测的量，无需变换；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。在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第10页，共32页，编辑于2022年，星期三数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。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。

9、较、处理。特点：特点：被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；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。测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第11页，共32页，编辑于2022年，星期三6-2 6-2 常用典型位置检测装置常用典型位置检测装置一、旋转变压器（角位移检测元件）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。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

10、机相似，由定子和转子组成，定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，激磁频率通常为到定子绕组上，激磁频率通常为400H400H、500H500H、1000H1000H、3000H3000H、5000H5000H，特点：特点：其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方其结构简单、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。便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第12页，共32页，

11、编辑于2022年，星期三工作原理：工作原理：定子绕组输入电压第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第13页，共32页，编辑于2022年，星期三 设加到定子绕组的励磁电压为设加到定子绕组的励磁电压为U1=UmsinU1=Umsin t t，通过电磁耦合，将，通过电磁耦合，将在转子绕组中产生的感应电压为在转子绕组中产生的感应电压为 U2=K U1sinU2=K U1sin =K Um sin=K Um sin t sint sin =K Um sinK Um sin sinsin t t 式中式中 KK变压比（变压比（K=N1/N2K=N1/N2为定子、转子绕组的匝数）为定子、转子绕组的匝数）Um

12、Um励磁最大电压励磁最大电压 励磁电压角频率励磁电压角频率 转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴垂直时，转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴垂直时，=0=0；当转子磁轴与定子磁轴平行时，；当转子磁轴与定子磁轴平行时，=90=90。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第14页，共32页，编辑于2022年，星期三二、感应同步器二、感应同步器 非接触电磁式测量元件，测角位移或直线位移非接触电磁式测量元件，测角位移或直线位移1 1、分类：、分类：直线型感应同步器直线型感应同步器测量直线位移测量直线位移旋转型感应同步器旋转型感应同步器测量角位移测量角位移2 2、结构：、结构：直线型直线型旋

13、转型旋转型定尺定尺安装在机床床身上安装在机床床身上滑尺滑尺安装在移动部件上安装在移动部件上转子转子定子定子第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第15页，共32页，编辑于2022年，星期三3 3、工作原理：（标准直线型感应同步器为例）、工作原理：（标准直线型感应同步器为例）利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。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激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正

14、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）。随位移的变化而变化（相同频率）。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第16页，共32页，编辑于2022年，星期三定尺定尺定尺上制有单向均匀感应绕组，一般为定尺上制有单向均匀感应绕组，一般为250mm250mm滑尺滑尺长长100mm100mm，绕有两个励磁绕组，绕有两个励磁绕组第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第17页，共32页，编

15、辑于2022年，星期三定尺绕组产生感应电动势原理图定尺绕组产生感应电动势原理图第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第18页，共32页，编辑于2022年，星期三滑尺的正弦绕组加电压滑尺的正弦绕组加电压Us=Um sinUs=Um sin t t 时时，定尺绕组定尺绕组 Us=KUmsinUs=KUmsin t t cos cos 滑尺的正弦绕组加电压滑尺的正弦绕组加电压Uc=Um cosUc=Um cos t t 时，时，定尺绕组定尺绕组 Uc=KUmcosUc=KUmcos t t sin sin =KUmcos=KUmcos t t cos(cos(+/2)/2)Ud=Us+Ud=Us+U

16、c Uc =KUmsin =KUmsin t t cos cos +KUmcos+KUmcos t t cos(cos(+/2)/2)=KUmsin(=KUmsin(t t-)-滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角当滑尺移动当滑尺移动x x距离则感应电压以余弦或正弦函数变化距离则感应电压以余弦或正弦函数变化 角角第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第19页，共32页，编辑于2022年，星期三三、脉冲编码器（角位移检测元件）三、脉冲编码器（角位移检测元件）v 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编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电

17、脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。分为增量式与绝对式两类。v1.1.绝对式编码器绝对式编码器v 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接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量代码，它能表示绝码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三

18、种。动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第20页，共32页，编辑于2022年，星期三n n位编码盘位编码盘当码道为十八条当码道为十八条 =0.0014=0.0014 第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第21页，共32页，编辑于2022年，星期三2.2.增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器 增增量量式式脉脉冲冲编编码码器器分分光光电电式式、接接触触式式和和电电磁磁感感应应式式三三种种。就就精精度度和和可可靠靠性性来来讲讲，光光电电式式脉脉冲冲编编码码器器优优于于其其它它两两种种，它它的的型型号号是是用用脉脉冲冲数数/转转（p/rp/r）来来区区

19、分分，数数控控机机床床常常用用20002000、25002500、3000p/r3000p/r等等，现现在在已已有有每每转转发发1010万万个个脉脉冲冲的的脉脉冲冲编编码码器器。脉脉冲冲编编码码器器除除用用于于角角度检测外，还可以用于速度检测。度检测外，还可以用于速度检测。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第22页，共32页，编辑于2022年，星期三 第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第23页，共32页，编辑于2022年，星期三四、光栅四、光栅光学测量元件光学测量元件分类：分类：透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅透射光栅：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采用经

20、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。成光栅线纹。特点：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，比较大，信噪比好。光电转换器结构简单，如线性密度如线性密度200200线线/mm/mm。缺点：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。玻璃易破裂，热胀系数与金属部件不一致，影响测量精度。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第24页，共32页，编辑于2022年，星期三反射光栅：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。也可用光栅和机

21、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。钢带做成长达数米的长光栅。缺点：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 4、1010、2525、4040、5050线线/mm/mm。组成：组成：标尺光栅：安装在机床的固定部件上标尺光栅：安装在机床的固定部件上指示光栅：安装在机床的移动部件上指示光栅：安装在机床的移动部件上它们之间保持它们之间保持0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm的间隙。的间隙。相互平行相互平行第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第25页，共32页，编辑于2022

22、年，星期三工作原理：（透射光栅）工作原理：（透射光栅）标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第26页，共32页，编辑于2022年，星期三 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，平分线上，出现明暗交替

23、、间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条称之为横向莫尔条纹。纹。莫尔条纹的形成莫尔条纹的形成第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第27页，共32页，编辑于2022年，星期三特点特点：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。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。而精度可以长期保持。光线刻线要求很精确，两光栅之间

24、的间隙及倾斜角都要求保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，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。同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学系统变质。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第28页，共32页，编辑于2022年，星期三五、磁栅五、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。置。组成：组成：磁性标尺、磁头和检测电路磁性标尺、磁头和检测电路 利用录磁的原理将

25、一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电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。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。过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第29页，共32页，编辑于2022年，星期三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、玻璃或其他合金材

26、料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的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层101020um20um的导磁材料的导磁材料（Ni-CoNi-Co或或Fe-CoFe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁合金），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信号。磁信号的节距一般为0.050.05、0.10.1、0.20.2、1mm1mm。为了防止磁头对。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚1 12mm2mm的耐磨塑料保护层。磁的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换

27、器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中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。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，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，必须采用必须采用磁通响应型磁头。磁通响应型磁头。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第30页，共32页，编辑于2022年，星期三特点：特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较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。强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。第六章第六章 位置检测装置位置检测装置第31页，共32页，编辑于2022年，星期三第32页，共32页，编辑于2022年，星期三