第六章位置检测装置优秀课件.ppt

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1、第六章位置检测装置第1页，本讲稿共32页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 位置检测装置第2页，本讲稿共32页 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环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。等于零为止。6-16-1

2、对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求第六章 位置检测装置第3页，本讲稿共32页受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰受温度、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 位置检测装置第4页，本讲稿

3、共32页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、检测装置的分类第六章 位置检测装置第5页，本讲稿共32页(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

4、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，在在大大型型数数控控机机床床上上受到一定限制。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服系系统统的的位位置置反馈用。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

5、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 位置检测装置第6页，本讲稿共32页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。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0.01

6、mm0.01mm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 位置检测装置第7页，本讲稿共32页优点优点：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，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有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。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 位置检测装置第8页，本讲稿共32页第六章 位置检测装置第9页，

7、本讲稿共32页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（主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm2mm）内的信号相位变化等。内的信号相位变化等。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 位置检测

8、装置第10页，本讲稿共32页数字式测量：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。比较、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 位置检测装置第11页，本讲稿共32页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（

9、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，特点：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。第六章 位置检测装置第12页，本讲稿共32页工作原理：定子绕组输入电压第六章 位置检测装置第13页，本讲稿共32页 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，通过电磁耦合，将在转

10、子绕组中产生的感应电压为合，将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）UmUm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转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴垂直时，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 位置检测装置第14页

11、，本讲稿共32页二、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、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、结构：直线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定子第六章 位置检测装置第15页，本讲稿共32页3、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）。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

12、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）。第六章 位置检测装置第16页，本讲稿共32页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 位置检测装置第17页，本讲稿共32页定尺绕组产生感应电动势原理图第六章 位置检测装置第18页，本讲稿共32页滑尺的正弦绕组加电压Us=Um sint 时，定尺绕组 Us=KUmsint cos滑尺的正弦绕组加电压Uc=Um cost

13、时，定尺绕组 Uc=KUmcost sin =KUmcost cos(+/2)Ud=Us+Uc =KUmsint cos+KUmcost cos(+/2)=KUmsin(t-)-滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角当滑尺移动x距离则感应电压以余弦或正弦函数变化角第六章 位置检测装置第19页，本讲稿共32页三、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，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码电脉冲，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。器可分为增量式与绝对式两

14、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，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，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种。式三种。第六章 位置检测装置第20页，本讲稿共32页n位编码盘当码道为十八条 =0.0014第六章 位置检测装

15、置第21页，本讲稿共32页2.增量式脉冲编码器 增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。第六章 位置检测装置第22页，本讲稿共32页 第六章 位置检测装置第23页，本讲稿共32页四、光栅四、光栅光学测量元件光学测量元件分类：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

16、。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。第六章 位置检测装置第24页，本讲稿共32页反射光栅：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。组成：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它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。相互平行第六章 位置检测装置第25页，本讲稿共32页工作原理：（透射光栅）标尺光栅指示光栅第六章 位置检测装置第26页，

17、本讲稿共32页 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。莫尔条纹的形成第六章 位置检测装置第27页，本讲稿共32页特点特点：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。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。也可采用信号。在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不

18、直接接触，没有磨在检测过程中，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。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。统变质。第六章 位置检测装置第28页，本讲稿共32页五、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。组成：磁性标尺、磁头和检测电路 利用

19、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。第六章 位置检测装置第29页，本讲稿共32页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1020um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12mm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。第六章 位置检测装置第30页，本讲稿共32页特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。第六章 位置检测装置第31页，本讲稿共32页第32页，本讲稿共32页