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位置检测装置

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发表于 2010-9-11 22:01:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一、位置检测装置的分类和要求

& E9 y, g3 N4 k1 c6 w5 x5 c
位置检测装置是闭环进给伺服系统的重要组成部分,其精度在很大程度上由位置检测装置的进度决定。现在,检测元件与系统的最高水平:被测部件的最高移动速度240m/min时,检测位移分辨率1um;24m/min时,分辨率0.1um;最高分辨率可达0.01um。
' w5 F5 D- l) b/ u
对位置检测装置的要求:
( L! [9 `* ^. x5 ~$ s* C( n1 ?* P
1) 受温度、湿度的影响小,工作可靠,能长期保持精度,抗干扰能力强;
" |- P4 B' \" X8 V; W5 B
2) 在机床执行部件移动范围内,能满足精度和速度要求;
6 `! P5 H, Q, R" G6 w
3) 使用维护方便,适应机床工作环境。
& k8 j/ S" g4 U4 T3 y$ p: D
4) 成本低。
$ o. u# D0 g2 H3 i# ]8 S+ g# Y
(一)数字式和模拟式测量(所获得的信号不同)
. d+ N! ^" v* W# I' n; O+ v( c& N/ [
   1.数字式测量
$ H2 C5 F% C0 h! p& e2 N9 f
将被测量以数字的方式表示。测量信号一般为电脉冲,可直接送到数控装置进行比较处理和显示。这样的检测装置有:光栅检测装置、脉冲编码器。装置比较简单,抗干扰能力强。
. M6 j+ r1 s( J! ]
2.模拟式测量
" e, _9 I' |, F8 }% E1 E
将被测量用连续变量表示。如:电压的幅值变化、相位变化。对相位变化的量可直接送数控装置与移相的指令电压进行比较,对幅值变化的量,可先将其转换为数字脉冲信号,再送数控装置进行比较和显示。这类装置有:旋转变压器、感应同步器。
1 [* ?6 w9 k; c
(二)增量式和绝对式测量(测量方式不同)
9 P# `1 m5 C' G# Z! {% e
    1.增量式测量
G5 F# K q! e/ X( N& z
只测出位移的增量,并用数字脉冲的个数来表示单位位移的数量。
$ { S: S" n. l' \* [7 X
由于位移的距离是由增量值累积求得,所以,一旦某处测量有误,则其后所得的位移距离都是错误的。
* b( O8 m ~' D1 \! ~
由于不能指示绝对坐标位置,当因事故断电停机检查,执行部件的位置发生变化后,不能由检修后的位置直接回到停机时的原位,而要先回到加工程序的起始位置,并计算出起点到停机位置的距离,才能用位移指令,令执行部件移回停机时的位置,以便继续加工。光栅、脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺都是增量式检测装置。
8 _1 [0 Y8 l* t
2.绝对式测量
6 B+ |! }4 Q4 t
能测出被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标值,并以二进制或二十进制数码信号表示。需要转换成脉冲数字信号才能送去比较和显示。有:绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘。结构复杂,分辨率与位移量都受限制。
% X1 q9 p- _0 V; x% b0 p2 |( K/ I
此外,根据安装测量位置,有直接测量和间接测量。
; C2 J4 D) {1 g7 \

感应同步器

, f7 `9 I9 K$ E( J
(一)感应同步器的结构和工作原理
7 w8 F* e) K9 `2 ]& _7 ]4 h$ x5 e
    1.结构
* S( }! `, ]5 [
是一种电磁感应式的位置检测装置,有圆和直线两种,分别测量角位移和直线位移。
5 m. l! d( P, i8 j% Z
0 K. \; E5 u0 h: ?- s
1 直线式感应同步器的结构原理
4 P2 t$ Q: B0 t
结构如图1所示。有定尺和滑尺。钢质基尺上粘贴有铜箔,经照相腐蚀成绕组。绕组节距为2mm,定尺是一连续绕组,滑尺有两个绕组----正弦绕组和余弦绕组,在空间位置上相差1/4个节距。定尺表面涂防切削液涂层,滑尺表面还粘贴一层铝箔,接地防静电感应。定尺安装在固定部件上,滑尺安装在移动部件上,表面相互保持平行,间隙为0.2—0.3mm。定尺一般长250mm,通过多根尺接长,增加测量长度。
; r; D1 H, y- w, a' `3 r0 _
    2.工作原理
: ?: ?5 c& `; p0 N- n1 m6 b! X" C
当滑尺绕组通以激磁电压,如正弦绕组通US=Umsinωt。在定尺绕组上就产生按正弦规律变化的感应电压,且感应电压的幅值随滑尺相对定尺的位置改变。变化情况如图4-25所示。
* r! {$ `& i- L. a& b! l6 D
当正弦绕组与定尺绕组对齐重叠时,绕组完全偶合,感应电压的幅值最大。滑尺相对定尺移动,感应电压减小,在错开1/4节距时,感应电压为零,继续移动,感应电压减小为负值,到1/2节距,感应电压达负的最大值。在继续移动,感应电压增大,到3/4节距,电压为零,再移动,电压继续升高,到一个节距,电压又增大到正的最大值。可见,滑尺相对定尺移动一个节距,感应电压的幅值按余弦规律变化一周。感应电压按下式变化:
1 f+ m) W( c6 p( u% `( i
) \ T% j" G% f% h8 k8 J6 v+ G
x:0~2mm(2τ)------θ:0~2π,所以,有:θ=πx/τ。即:感应电压幅值的电角度与滑尺相对定尺的位移量,在一个节距内成正比关系。故,只要测出θ就能得到位移量。
7 @8 i7 z9 P3 Y) _, q3 U
(二)感应同步器的应用
: \6 v) c; y+ s/ ?) \$ u( Q
感应同步器有鉴相和鉴幅两种应用(工作)方式。
& t5 x4 x$ q& G/ {; ?+ n- L. Q
1.鉴相方式
% K& @5 B3 o0 k% A& _0 C
    在正弦绕组上通以励磁电压:US=Umsinωt
1 U; h9 ?( }# I$ H
    在余弦绕组上通以励磁电压:UC=Umcosωt
1 Q6 P& x& R |' S! o8 p, C* o+ a
    两绕组的励磁电压的幅值、频率相同,相位不同且相差π/2。
. ^ R3 D: \& ?/ q! J$ _: }
分别在定尺绕组上产生感应电压:
1 i4 d! W2 z) e V, k# w6 X7 S5 ]
            US ---k Umcosθsinωt,   UC --- —k Umsinθcosωt。
+ P1 L1 O6 n+ [9 \- H
定尺上总的感应电压为两感应电压的叠加:
# q3 u* O. x2 D: b: K l
        U=kUmsin(ωt-θ
/ ?& s4 J4 T" G; Y) ^" q
这是一个按正弦规律变化的电压,其相位角为,即相位变化对应于滑尺相对定尺位移量的变化。故:只要取出感应电压的相位角,就可测量出滑尺相对定尺的位移。且相位角的正负(超前或落后)反应了相对运动的方向。通过鉴别感应电压的相位测量位移,所以称鉴相工作方式。
* n4 w/ W4 e$ L$ o8 R- ?4 v
    2.鉴幅方式
, {* f! I b5 Y0 Z' E
在正、余弦绕组上通以调幅激磁电压:频率、相位相同,幅值不同,正弦绕组的幅值按正弦规律变化,余弦绕组按余弦规律变化:
6 i& u5 e6 ]+ u& ?- D$ F
         US=Umsinθsinωt           UC=Umcosθsinωt
; D1 J8 q6 l m
在定尺绕组上的感应电压为:
8 l, I! z- v( }; ~) z+ H
     U=k Umsinθsinωt cosθ- kUmcosθsinωt sinθ
" V. Q% g2 u) j+ Y9 e2 ~
          = k Umsin(θ)sinωt
& j" k& V/ k W3 Y! v
    在鉴幅方式,位移的变化,引起的变化,表现为感应电压幅值的变化。因此,可以通过鉴别感应电压的幅值变化测量位移的变化。
0 p6 D0 g: I) B* [7 W4 ^$ i* o" Y/ L
令Δθ=θ,且Δθ=πΔx/τ,当Δθ很小时,有:
* g- L8 ^% w% L
U= k UmΔθsinωt= k Um(πΔx/τ)sinωt
, B9 f7 j+ I7 b7 G8 w
电压幅值的变化量正比于位移的变化量(增量)。
' f( M- [9 z! |( `1 {' n
在实际应用中,不断修改激磁信号的θ,使之紧紧跟踪的θ变化,从而保持Δθ为很小的量。感应电压实际上是一个微量的误差电压。这样,通过测定电压的幅值来测定Δθ,也就是Δx的大小。
3 B9 I9 {( @8 N8 g
6 \* S3 F; e' j) n3 k- o: p

三、光栅位置检测装置

1 g9 p* r0 l) }* K; ?
(一)光栅检测装置的结构
; ~7 Q( l0 ~9 m3 Z& z
. O$ K$ m1 c4 X5 D& V- e
图2 光栅位置检测装置
6 h; l9 n7 c; ~& {. |) ]3 }
    如图2所示,由光源、透镜、指示光栅、光电元件、驱动电路以及标尺光栅组成。前5个元件安装在同一支架上构成读数头,读数头安装在机床执行部件的固定零件上。标尺光栅安装在移动零件上。标尺光栅与指示光栅的尺面平行,保持0.05~0.1mm的间隙。
! g" D1 }" y! s6 u) F- C- @
    光栅尺
. L, p4 u6 R) k$ H' b. X# T O
光栅尺指标尺光栅和指示光栅,根据制造方法和光学原理的不同,可分为透射光栅和反射光栅。
8 s9 F1 H3 y% F) B
透射光栅:在经磨制的光学玻璃表面,或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。
) L: T; e9 ? K9 N# w
          特点:1)光源垂直入射,光电元件直接感受光照,因此,信号幅值比较大,信噪
( S5 N, w/ U' t# j
                   比好,光电转换器的结构简单。
/ h0 A9 s2 I# @ W0 G
                    2)线纹密度大,如200线/mm,光栅本身已经细分到0.005mm,从而减轻
# o: H+ Y) J; m# T1 ~- z5 _% p# }
                   了电子线路的负担。
1 q1 G$ X/ q; ^1 q* {7 E& ~' l
          缺点:玻璃易碎;热膨胀系数与机床金属部件不一致,影响测量精度。
6 z' S [9 ^# b; p
反射光栅:用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成。
8 f- c. f/ f7 w' G3 g/ V
          特点:与机床金属部件热膨胀系数一致;增加光栅尺长度方便;安装所需面积小,
4 a3 t" W3 ~9 b: V2 i" X1 S [( w
                调整方便。适用于大位移测量。
; C7 j" G: Z" H- a2 j! B- h; W
          缺点:线纹密度低。
+ v3 R8 B3 P4 }7 s
光栅线纹是光栅的光学结构,相邻两线纹的距离称为栅距ω。单位长度上刻线数目称为线纹密度,常见为4、10、25、50、100、200、250线/mm。
: f2 @# L* w. ~4 j, b( w+ ]2 }
(二)莫尔条纹
6 \ Y5 A' I' p1 {
指示光栅与标尺光栅栅距ω相同,平行放置,并将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ,使两光栅的刻线相交。当光源照射时,在线纹相交钝角的平分线方向,出现明暗交替。间距相等的条纹,称莫尔条纹。这是由于光的干涉效应,在交点,刻线形成的透光隙缝互不遮挡,透光最强,形成亮带。在两交点的中间,透光隙缝完全被不透光的部分遮盖,透光最差,形成暗带。相邻两亮带或暗带之间的距离W称为莫尔条纹的节距。节距W与栅距ω和倾角θ之间的关系为:
7 P( J0 p, \* e1 V* R7 x
  
$ |' \$ K2 F& G j: k
     莫尔条纹有以下特点:
' _ p& {+ B* _5 ?- e
    1.放大作用
: j$ c4 H; r1 n# z8 {7 Y
当ω=0.01mm,θ=0.002rad=0.11°时,W=5mm。节距是栅距的500倍,将很难看清的光栅线纹放大成清晰可见的莫尔条纹。这样便于测量。
4 i: Q$ U! L K r q8 W5 o
2.误差均化作用
8 C" [/ v" |, [+ M
    莫尔条纹是由成百千根刻线共同形成的,这样,使得栅距的误差得到平均化。
! Z z1 S. Z& S
    3.利用莫尔条纹测量位移
: x6 m3 f) c( U
   标尺光栅相对指示光栅移动一个栅距,对应莫尔条纹移动一个节距。利用这个特点就可测量位移:在光源对面的光栅尺背后固定安装光电元件,莫尔条纹移动一个节距,莫尔条纹明—暗---明变化一周。光电元件接受的光强强---弱---强变化一周,输出一个近似按正弦规律变化的信号,信号变化一周。根据信号的变化次数,就可测量位移量,移动了多少个栅距。
4 ~* m& Z6 l: Z) ~1 i3 {1 ]
标尺光栅相对指示光栅的方向改变,对应莫尔条纹的移动方向随之改变,根据莫尔条纹的移动方向可确定位移的方向:在刻线平行方向相距1/4节距安装两个光电元件,这是两个光电元件输出的信号有π/2的相位差,根据两信号的相位的超前和落后,可判断位移方向。
4 r; P' C! D4 w3 L @" C9 P

四、脉冲编码器

' M+ L p) K( f' z* o4 W
    脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置,能将机械转角变换成电脉冲。还可通过检测电脉冲的频率来检测转速,作速度检测装置。有增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器两种。
8 i- z8 U, \, C8 a
(一)增量式脉冲编码器
4 U' j- P2 e3 \
1.结构
0 y- x' V" U" b# N! F
 增量式脉冲编码器有光电式、接触式和电磁感应式三种。数控机床上使用的都是光电式。
8 J& [7 l8 V1 u' \; `! f0 Y; c3 v
 结构如图4-37所示。圆光栅固定在转轴上,转轴与被测旋转轴连接。指示光栅固定在机座上,与圆光栅平行并保持一定的间隙。光源、光电元件和电路板固定在底座上,在光栅前后相对安装。
1 m( Q# q% _# }2 A
 圆光栅的基体是玻璃圆盘,表面用真空镀膜法镀上一层不透光的金属膜,再涂上一层均匀的感光材料,用照相腐蚀工艺,制成等距的透光和不透光相间的辐射状线纹,相邻两个透光和不透光线纹构成一个节距。在圆盘里圈不透光圆环上刻有一条透光条纹,用来产生一转一个脉冲信号Z。指示光栅上有两组线纹,节距与圆光栅相等,两组线纹彼此错开1/4节距。
! M Y2 C, t' z3 \
2.工作原理
5 V0 k1 [0 J5 O: W0 z
圆光栅旋转时,光线透过两个光栅的A、B两组线纹,每转过一个光栅节距,便在光电元件上形成明—暗—明一个周期的光信号,并被转换成两组近似于正弦波的电压信号,连续旋转便得到两路正弦电压信号。经放大、整形后,得到方波信号。从而将角位移转换成了电脉冲。正转时,A相超前90,反转时,B相超前90,通过鉴别A、B两相方波的相位关系,辨别旋转方向。一转脉冲Z为基准脉冲,也称零点脉冲。它是在圆光栅,也是被测旋转轴在一个固定的圆周位置上产生的脉冲。作为坐标原点的信号,车螺纹时作为进刀点的信号。每个脉冲对应的转角与每转输出的脉冲数有关,通常有2000,2500,3000p/r。高分辨率的有:20000,25000,30000p/r。最高达100000p/r。
0 ]; Y0 S& H: |2 U" G9 B% d8 O
(二)绝对式脉冲编码器
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是绝对角度位置检测装置。输出信号是某种制式的数码信号,每个角度位置对应一个不同的数码,表示出位移后到达的绝对位置。要用起点位置和终点位置的数码,经运算后才能求得位移量的大小。位移具有停电记忆,只要通电就能显示所在的绝对位置,因此,事故停机检修后,可根据停机时存储或记录的绝对位置,通过绝对位移指令,直接回到原停机位置继续加工。
$ C! ^6 b8 t) y7 m
也有光电式、接触式、电磁式三种。常用光电式。
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结构组成与增量编码盘相似。旋转圆盘是编码盘。码盘上有许多同心圆环(码位数),称为码道。整个圆盘周向又分成若干等份(编码数)的扇形区段,每一扇形区段的码道组成一个数码,透光的码道为“1”,不透光的码道为“0”,内码道为数码高位。所用数码可以是纯二进制,还有葛莱循环码。在圆盘的同一半径方向的每个码道处安装一个光电元件,光源透过码盘,每个扇形区段内的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。
$ X3 s4 O0 V+ X3 N" E+ Q/ w; L
纯二进制码的缺点:相邻两个二进制数可能有多个数位不同,当数码切换时有多个数位要进行切换,增加了误读几率。
% w1 `3 ~* x+ z) ~$ X
葛莱码则相邻两个二进制数码只有一个数位不同,只有一位切换,提高了读数可靠性。
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