数控机床的位置检测装置.ppt
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1、第三讲 数控机床的位置检测装置在这一讲,我们将主要学习:n n数控机床中位置检测装置所起的作用n n数控机床对位置检测装置性能的要求n n常用位置检测装置的结构和工作原理 一、位置检测装置的作用与要求一、位置检测装置的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分,在第二位置检测装置是数控系统的重要组成部分,在第二讲中我们知道:在闭环或半闭环控制的数控机床中,必讲中我们知道:在闭环或半闭环控制的数控机床中,必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来,与给定的控制值检测出来,与给定的控制值(指令信号指令信号)进行比较,从而进行比较
2、,从而控制驱动元件正确运转,使工作台控制驱动元件正确运转,使工作台(或刀具或刀具)按规定的轨按规定的轨迹和坐标移动。迹和坐标移动。1.1.数控机床对检测装置的基本要求:数控机床对检测装置的基本要求:1 1)稳定可靠、抗干扰能力强)稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等,检测装置要能境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等,检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定,并且受环境温度影响够在这样的恶劣环境下工作稳定,并且受环境温度影响小,能够抵抗较强的电磁干扰。小,能够抵抗较强的电磁干扰。2 2)满足精度和速度的要求。)满足精度和速度的要求。为保证数控
3、机床的精为保证数控机床的精度和效率,检测装置必须具有足够的精度和检测速度,度和效率,检测装置必须具有足够的精度和检测速度,位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量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。级。3 3)安装维护方便、成本低廉。)安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用受机床结构和应用环境的限制,要求位置检测装置体积小巧,便于安装调环境的限制,要求位置检测装置体积小巧,便于安装调试。尽量选用价格低廉,性能价格比高的检测装置。试。尽量选用价格低廉,性能价格比高的检测装置。数控机床加工精度,在很大程度上取决于数控机数控机床加工精度,在很大程度上取决于数控机床位置检测装
4、置的精度,因此,位置检测装置是数控机床位置检测装置的精度,因此,位置检测装置是数控机床的关键部件之一,它对于提高数控机床的加工精度有床的关键部件之一,它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。决定性的作用。2.位置检测装置的分类1)按输出信号的形式分类:数字式:模拟式:将被测量以数字形式表示,测量信号一般为电脉冲。将被测量以连续变化的物理量来表示(电压相位/电压幅值变化)2)按测量基点的类型分类:增量式增量式:绝对式:只测量位移增量,并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。3)按位置检测元件的运动形式分类:回转型:直线型:测量直线位移测量角位移
5、3.位置检测装置的主要性能指标 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,数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。2)分辨率 位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的高低,对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的13110选取(也就是说,位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度)。3.灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高,而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。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
6、的不一致,称为迟滞。数控伺服系统的传感器要求迟滞小。5.测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系统的要求,并留有余地。6.零漂与温漂 零漂与温漂是在输入量没有变化时,随时间和温度的变化,位置检测装置的输出量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标志,零漂和温漂反映了随时间和温度的改变,传感器测量精度的微小变化。n n二、旋转编码器二、旋转编码器n n旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置,在数控机,在数控机床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴上,随被测轴一起转动,直接将被测角位移转换成数字上,随被
7、测轴一起转动,直接将被测角位移转换成数字(脉冲脉冲)信号,所以也称为旋转脉冲编码器,这种测量方信号,所以也称为旋转脉冲编码器,这种测量方式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。n n按输出信号形式,旋转编码器可以分为增量式和绝对式按输出信号形式,旋转编码器可以分为增量式和绝对式两种类型。两种类型。n n常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器,其原理常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器,其原理如图如图5.15.1所示。所示。图图5.1 5.1 增量式光电编码器示意原理增量式光电编码器示意原理n n增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘
8、、增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成,玻璃的表面在真空中镀一栅板用玻璃研磨抛光制成,玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬,然后用照相腐蚀法,在光栅盘的边缘层不透明的铬,然后用照相腐蚀法,在光栅盘的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭缝,每条狭缝的后面对应安装一个光电管。缝,每条狭缝的后面对应安装一个光电管。n n当光栅盘随被测工作轴一起转动时,每转过一个缝隙,当光栅盘随被测工作轴一起转动时,每转过一个缝隙,光电
9、管就会感受到一次光线的明暗变化,使光电管的电光电管就会感受到一次光线的明暗变化,使光电管的电阻值改变,这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强阻值改变,这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化,而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号,弱变化,而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号,经过整形和放大等处理,变换成脉冲信号。通过计数器经过整形和放大等处理,变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目,即可测定旋转运动的角位移;通过计计量脉冲的数目,即可测定旋转运动的角位移;通过计量脉冲的频率,即可测定旋转运动的转速,测量结果可量脉冲的频率,即可测定旋转运动的转速,测量结果可以通过数字显示装置进行显
10、示或直接输入到数控系统中以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中图图5.25.2增量式光电编码器外形结构图增量式光电编码器外形结构图n n增量式光电编码器外形结构见图增量式光电编码器外形结构见图5.25.2。实际应用的光电编码。实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹器的光栅板上有两组条纹A A、A A和和B B、B B,A A组与组与B B组的条纹组的条纹彼此错开彼此错开1 14 4节距,两组条纹相对应的光敏元件所产生的节距,两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差信号彼此相差9090相位,用于辨向。此外,在光电码盘的里相位,用于辨向。此外,在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹圈里
11、还有一条透光条纹C(C(零标志刻线零标志刻线),用以每转产生一个,用以每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称零标志脉冲,作为测量基准。脉冲,该脉冲信号又称零标志脉冲,作为测量基准。图图5.3 5.3 光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 n n光电编码器的输出波形如图5.3所示。通过光栏板两条狭缝的光信号A和B,相位角相差90,通过光电管转换并经过信号的放大整形后,成为两相方波信号。n n为了判断光栅盘转动的方向,可采用图为了判断光栅盘转动的方向,可采用图5.4a)5.4a)的逻辑控制的逻辑控制电路电路,将光电管将光电管A A、B B信号(也就是中的信号(也就是中的0 0及及90 90 信号)信
12、号)放大整形后变成放大整形后变成a a、b b两组方波。两组方波。a a组分成两路,一路直组分成两路,一路直接微分产生脉冲接微分产生脉冲d d,另一组经反相后再微分得到脉冲,另一组经反相后再微分得到脉冲e e。d d、e e两路脉冲进入与门电路后分别输出正转脉冲两路脉冲进入与门电路后分别输出正转脉冲f f和反和反转脉冲转脉冲g g。(运用我们学过的数字电子技术知识同学们(运用我们学过的数字电子技术知识同学们从时序图可以分析出)从时序图可以分析出)b b组方波作为与门的控制信号,组方波作为与门的控制信号,使光电盘正转时使光电盘正转时f f有脉冲输出,反转时有脉冲输出,反转时g g有脉冲输出,这有
13、脉冲输出,这样就可判别光电编码器的旋转方向。样就可判别光电编码器的旋转方向。n n光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度,光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度,而这与光栅盘圆周的条纹数有关,即分辨角而这与光栅盘圆周的条纹数有关,即分辨角 分辨角分辨角=360/=360/条纹条纹 如果数条纹数为如果数条纹数为10241024,则分辨角则分辨角=360/1024=0.352=360/1024=0.352。图图5.45.4光电盘辨向环节逻辑图及波形光电盘辨向环节逻辑图及波形n n三、光三、光 栅栅n n光栅是一种高精度的位移传感器,按结构可分为直线光栅是一种高精度的位移传感器,按结
14、构可分为直线光栅和圆光栅,直线光栅用于测量直线位移,园光栅光栅和圆光栅,直线光栅用于测量直线位移,园光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜工具显微镜X-YX-Y工作台上广泛使用的位置检测装置,工作台上广泛使用的位置检测装置,光栅主要用于测量运动位移,确定工作台运动方向及光栅主要用于测量运动位移,确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。图确定工作台运动的速度。图5.85.8是光栅尺在车床上的是光栅尺在车床上的安装示意图。安装示意图。n n 与其他位置检测装置相比,与其他位置检测装置相比,光栅的主要特点光栅的主要特点如下:如下:
15、n n 1)1)检测精度高。检测精度高。直线光栅的精度可达直线光栅的精度可达3m3m,分辨率可达,分辨率可达0 01m1m。n n 2)2)响应速度较快响应速度较快,可实现动态测量,易于实现检测及数,可实现动态测量,易于实现检测及数据处理的自动化。据处理的自动化。n n 3)3)使用环境要求较高,怕油污、灰尘及振动。使用环境要求较高,怕油污、灰尘及振动。n n4)4)安装、维护困难,成本较高。安装、维护困难,成本较高。n n1 1、光栅的组成结构和检测原理、光栅的组成结构和检测原理n n光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密
16、集刻线,制成的光学元件。数控机床上用的光等距的密集刻线,制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺,是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象,栅尺,是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象,制成的光电式位移测量装置。制成的光电式位移测量装置。n n按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。透射光。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的,线纹密度可达到每毫米制成的,线纹密度可达到每毫米100100条以上;反射光条以上;反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集栅一般是在金属的反光平面上刻
17、上平行、等距的密集刻线,利用反射光进行测量,其刻线密度一般为每毫刻线,利用反射光进行测量,其刻线密度一般为每毫米米4 45050条。条。n n直线透射光栅尺的结构如图直线透射光栅尺的结构如图5.95.9所示,由光源、长光栅所示,由光源、长光栅(标尺光栅标尺光栅)、短光栅、短光栅(指示光栅指示光栅)、光电元件等组成,、光电元件等组成,一般移动的光栅为短光栅,长光栅装在机床的固定部一般移动的光栅为短光栅,长光栅装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动,长光栅的有效长度件上。短光栅随工作台一起移动,长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度即为测量范围。两块光栅的刻线密度(即栅距即栅距)相
18、等,相等,其相互平行并保持一定的间隙其相互平行并保持一定的间隙(0.05(0.050.1 mm)0.1 mm),并且,并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小的角度使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小的角度。图图5.95.9光栅尺结构原理光栅尺结构原理n n当光线平行照射光栅时,由于光的透射及衍射效应,当光线平行照射光栅时,由于光的透射及衍射效应,在与线纹垂直的方向上,准确地说,在与两光栅线纹在与线纹垂直的方向上,准确地说,在与两光栅线纹夹角夹角 的平分线相垂直的方向上,会出现明暗交替、间的平分线相垂直的方向上,会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹,这就是隔相等的粗条纹,这就是“莫尔干涉条纹莫尔干涉条纹”
19、,简称莫,简称莫尔条纹。图尔条纹。图5.105.10是莫尔条纹形成的原理图。是莫尔条纹形成的原理图。图图5.10 5.10 莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理n n当光栅移动一个栅距形时,莫尔条纹也相应移动一莫当光栅移动一个栅距形时,莫尔条纹也相应移动一莫尔条纹的间距尔条纹的间距B B,即光栅某一固定点的光强按明一暗一,即光栅某一固定点的光强按明一暗一明规律交替变化一次。因此,光电元件只要读出移动明规律交替变化一次。因此,光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目,就知道光栅移动了多少栅距,从而的莫尔条纹数目,就知道光栅移动了多少栅距,从而也就知道了运动部件的准确位移量。也就知道了运动部件的准确位移
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