第三部分 数控机床的伺服系统(位置检测).ppt

机电工程学院,数控加工技术,数控机床伺服系统,第二节,数控机床的位置检测,3.2.1,数控机床的位置检测概述,组成：位置检测装置是由检测元件,（,传感器,）,和信号处理装置组成的,。,作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分,。,闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置,。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,一、进给伺服系统对位置测量装置的要求,高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；,能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率,（,一个数量级,）,；,位置检测装置最高允许的检测速度应为数控机床的最高运行速度；,使用维护方便，适应机床工作环境；,成本低。,机电工程学院,分 类,增 量 式,绝 对 式,位移,传感器,回转型,脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、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,直线型,直线感应同步器、光栅尺、磁栅尺,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,数字电磁、磁敏式速度传感器,电流,传感器,霍耳电流传感器,第二节,数控机床的位置检测,二、数控机床中检测方式的分类,机电工程学院,3.2.2,旋转变压器,第二节,数控机床的位置检测,旋转变压器是一种角度测量装置。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，抗干扰强，工作可靠,。,一、,旋转变压器结构,旋转变压器在结构上和两相线绕式异步电动机相似，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，分有刷和无刷两种。在有刷结构中，定子与转子上均为两相交流分步绕组。两相绕组轴线相互垂直。转子绕组的端点通过电刷和滑环引出,。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,4.2,4,3,1,8,7,6,2,旋转变压器结构示意,1-,转轴,2-,轴承,3-,机壳,4-,转子铁心,4.2-,定子铁心,6-,端盖,7-,电刷,8-,集电环,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构保证了其定子和转子之间的磁通呈正,（,余,）,弦规律。定子绕组加上励磁电压。通过电磁耦合，转子绕组产生感应电压。其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。感应电压随着转子的偏转的角度呈正,（,余,）,弦变化：,E,2,=KU,1,cos,=KU,m,sintcos,式中,:,E,2,转子绕组感应电势；,U,1,定子绕组励磁电压,U,1,=,U,m,sin,t,；,U,m,电压信号幅值；,定、转子绕组轴线间夹角；,K,变压比,二、旋转变压器工作原理,机电工程学院,U,1,=,U,m,sint,U,1,U,1,E,2,=,0,（,=,90,）,E,2,=,KU,m,sin,t,cos,E,2,=,KU,m,sin,t,（,=,0,）,第二节,数控机床的位置检测,可见，旋转变压器转子绕组的输出电压是转子角位移的函数。,机电工程学院,V,S,V,S,U,s,U,c,E,2,定子两相绕组励磁,转子输出信号的相位角,(,t-,),与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。,第二节,数控机床的位置检测,三、鉴相工作方式,U,s,=,U,m,sint,U,c,=,U,m,cost,E,2,=,KU,s,cos,-,KU,c,sin,=KU,m,(,sintcos,-,costsin,),=,KU,m,sin,(,t-,),机电工程学院,V,S,V,S,U,s,U,c,E,2,定子两相绕组励磁,感应电势,（,E,2,）,是以,为角频率、以,U,m,sin(,电,-,机,),为幅值的交变电压信号。若电气角,电,已知，只要测出,E,2,幅值,(,利用,E,2,=,0),，,便可间接的求出机械角,机,，从而得出被测角位移。,四、鉴幅方式,U,s,=,U,m,sin,电,sint,U,c,=,U,m,cos,电,sint,E,2,=KU,m,cos,机,-,KU,c,sin,机,=KU,m,sint,(,sin,电,cos,机,-,cos,电,sin,机,),=,KU,m,sin,(,电,-,机,),sint,第二节,数控机床的位置检测,机电工程学院,V,S,V,S,第二节,数控机床的位置检测,3.2.3,感应同步器,感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。,机电工程学院,V,S,V,S,第二节,数控机床的位置检测,一、感应同步器的结构,直线式感应同步器的绕组结构有定尺和滑尺两部分组成。,旋转式感应同步器的绕组结构则由定子和转子两部分组成。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,二、感应同步器工作原理,当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器就是利用这个特点进行测量的。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,e,S,=,KU,S,cos,=KU,m,sintcos,式中,:,e,S,定尺绕组感应电势；,K,变压比,U,S,滑尺绕组励磁电压,U,S,=,U,m,sin,t,；,U,m,电压信号幅值；,滑尺相对定尺在空间相位角；,在一个节距,W,内，定滑尺相对位移距离,x,与,的关系式为：,=,2,x/,W,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,三、感应同步器输出信号的处理方式,1,、鉴相方式,U,s,=,U,m,sint,，,U,c,=,U,m,cost,e,s,=,KU,s,cos,=,KU,m,sint,cos,e,c,=,KU,c,cos,(,+,/2,),=-,KU,m,sin,cost,e=,e,s,+,e,c,=,KU,m,(,sintcos,-sin,cost,),=,KU,m,sin,(,t,-,)=,KU,m,sin,(,t-,2,x/w,),供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差,90,的交流电压，根据感应电动势的相位鉴别位移量，故称鉴相方式。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,2,、鉴幅方式,给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。,U,s,=,U,m,sin,d,sint,，,U,c,=,U,m,cos,d,sint,e,s,=,KU,s,cos,=,KU,m,sin,d,sint,cos,e,c,=,KU,c,cos,(,+,/2,),=-,KU,m,cos,d,sintsin,e=,e,s,+,e,c,=,KU,m,sint,(,sin,d,cos,-sin,cos,d,),=,KU,m,sin,(,d,-,),sint,=,KU,m,sin,(,d,-,2,x/w,),sint,e,KU,m,2,x/w,sint,通过感应电动势,e,的幅值，就可测出的,x,大小。,机电工程学院,V,S,V,S,第二节,数控机床的位置检测,四、感应同步器位移测量系统,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,3.2.4,光栅,光栅是一种最常见的测量装置。它的制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离为栅距，而单位长度上的线纹数目叫线纹密度。,光栅种类繁多，一般来讲，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍射现象，用于光谱分析和光波波长测定。而计量光栅较物理光栅刻线稍粗,（,25,、,50,、,100,、,250,条,mm,),，,主要是利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用了莫尔条纹原理，因而所测的位置精度相当高，有很高的分辨率，很易做到,0.1um,的分辩率，最高分辨率可达,0.025um,。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,一、光栅的结构,长光栅在机床的固定部件上，称之为标尺光栅，短光栅装在机床的移动部件上，称之为指示光栅两块光栅互相平行并保持一定的间隙，通常为,0.05mm,或,0.1mm,。而且两块光栅的刻线密度必须相同。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,在实际使用中，大多把光源、指示光栅,(,短光栅,),和光电元件等组合在一起称之为读数头。因此光栅检测装置也可以看成是由读数头和标尺光栅,(,长光栅,),两部分组成。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,光栅尺在机床上的安装,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,常见光栅的工作原理都是基于物理上的莫尔条纹形成原理。当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，而挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距交点越远的区域，两光栅不透明的黑线的重叠部分越少，黑线所占据的空间增多因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直的交替出现的亮、暗极大条纹就是莫尔条纹，莫尔条纹具有以下几个特性：,二、光栅工作原理,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,1,放大作用,由,B=W/,。若取栅距,W,0.01mm,，,0.001,弧,度，则上式可得,B,10mm,。相当于把光栅的栅距放大了,1000,倍，从而提高了测量的灵敏度。,2,均化误差作用,莫尔条纹是由若干线纹组成的，例如每毫米,200,条线纹的光栅，,10mm,宽的莫尔条纹就由,2000,根线纹组成。这样一来，节距之间所固有的相邻误差就平均化了。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,3.,信息变换作用,莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当两个光栅相对移动一个栅距,W,时，莫尔条纹相应地移动一个莫尔条纹宽度,B,。若光栅往相反方向移动，莫尔条纹也往相反方向移动。因莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直，可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹代替光栅水平方向移动的微小距离。,4,光强分布规律,当用平行光束照射光栅时，就形成明暗相间的莫尔条纹。其由亮纹到暗纹、再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频,。,三、光栅测量系统,通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个整体内，做成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉种信号,。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,四、光栅位移,-,数字变换系统,机电工程学院,V,S,V,S,第二节,数控机床的位置检测,3.2.5,脉冲编码器,脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。,根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式,3,种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多。,另外，它还可分为绝对式和增量式两种。,机电工程学院,V,S,V,S,第二节,数控机床的位置检测,一、增量式光电编码脉冲器,信号处理装置,a,b,z,码盘基片,透镜,光源,光敏元件,透光狭缝,光,欄,板,节距,m+/4,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,V,S,V,S,A,a,B,b,Z,z,信号处理装置,a,b,z,节距,m+/4,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路,：,其中，是,的取反信号。,A,B,90,Z,码盘转一圈,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,A,B,CP,90,O,输出信号的作用及其处理,A,、,B,两相的作用,根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；,根据脉冲的频率可得被测轴的转速；,根据,A,、,B,两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。,后续电路可利用,A,、,B,两相的,90,相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,Z,相的作用,被测轴的周向定位基准信号；,被测轴的旋转圈数记数信号。,Z,码盘转一圈,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；,现在市场上提供的规格从,36,线,/,转到,10,万线,/,转,都有,；,选择：伺服系统要求的分辨率,；,考虑机械传动系统的参数,。,增量式码盘的规格,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,二、接触式绝对脉冲编码器,绝对式脉冲编码器可以直接将被测转角转换成相应的代码，没有累计误差，电源切断后，位置信息不丢失。但其结构复杂、价格较贵。,电刷,绝缘体,导体,2,0,2,1,2,2,2,3,R,E,+,-,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,二进制编码：,特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。,0 1 0 1,1 1 1 0,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 1,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,2,3,2,2,2,1,2,0,绝对编码盘的编码方式及特点,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,格雷码,（,循环码、葛莱码,）,特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。,1 1 1 1,0 0 0 1,1 1 0 1,1 1 0 0,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 1,0 1 1 0,0 0 1 0,0 0 1 1,0 0 0 0,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 1,1 0 1 0,1 1 1 0,2,3,2,2,2,1,2,0,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,机电工程学院,第二节,数控机床的位置检测,机电工程学院,