数控机床及加工中心的位移检测系统课件.ppt
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1、第第6 章章 数控机床及加工中心的位移检数控机床及加工中心的位移检测系统测系统 6.1 概述概述 6.2 感应同步器感应同步器 6.3 光栅位置检测装置光栅位置检测装置 6.4 光电脉冲编码器光电脉冲编码器 6.5 旋转变压器旋转变压器 6.6 磁尺检测装置磁尺检测装置返回6.1概述概述 6.1.1检测装置的性能指标与要求检测装置的性能指标与要求通常位置检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统通常位置检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统精度是指在某单位长度或角度内的最大累计测量误差精度是指在某单位长度或角度内的最大累计测量误差,目前直线位移目前直线位移的测量精度可达
2、的测量精度可达(0.0010.002)mm/m,角位移的测量精度可达角位移的测量精度可达10/360。而系统分辨率是指位置检测装置能够测量的最小位移。而系统分辨率是指位置检测装置能够测量的最小位移量量,目前直线位移的分辨率可达目前直线位移的分辨率可达0.001mm,角位移的分辨率可达角位移的分辨率可达2。通常检测装置能检测到的数控机床运动部件的运动速度为通常检测装置能检测到的数控机床运动部件的运动速度为024m/min。数控机床对检测装置的要求主要有数控机床对检测装置的要求主要有:下一页返回6.1概述概述(1)高可靠性和抗干扰性。高可靠性和抗干扰性。(2)满足精度和速度的要求。满足精度和速度的
3、要求。(3)高精度保持性。高精度保持性。(4)使用及维护方便使用及维护方便,适应机床工作环境。适应机床工作环境。(5)成本低。成本低。6.1.2检测装置的分类检测装置的分类6.1.2.1增量式与绝对式增量式与绝对式1.增量式测量增量式测量上一页 下一页返回6.1概述概述增量式测量只测量相对位移量增量式测量只测量相对位移量,如果测量单位为如果测量单位为0.001mm,则每移动则每移动0.001mm 就发出一个脉冲信号。在轮廓控制数控机床上多采用这种就发出一个脉冲信号。在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式测量方式,其优点是测量装置结构简单。但由于测量结果是增量形式其优点是测量装置结构简单。但由于
4、测量结果是增量形式,一旦某一处测量有误一旦某一处测量有误,则在其后的累加测量值均是错误的则在其后的累加测量值均是错误的,因此可能产因此可能产生累积误差。而且生累积误差。而且,增量式测量在断电后不能记忆绝对坐标值增量式测量在断电后不能记忆绝对坐标值,所以采所以采用这种测量方式的数控机床在开机时用这种测量方式的数控机床在开机时,必须进行必须进行“回零回零”操作操作,其在其在发生断电故障时发生断电故障时,不能再找到事故前的正确位置不能再找到事故前的正确位置,只能在故障排除后回只能在故障排除后回零重新计数才能找到正确位置。零重新计数才能找到正确位置。2.绝对式测量绝对式测量上一页 下一页返回6.1概述
5、概述绝对式测量方式对于被测量点的位置都是由一个固定的零点作为基准绝对式测量方式对于被测量点的位置都是由一个固定的零点作为基准的的,每一点都有一个相应的测量值。采用这种方式每一点都有一个相应的测量值。采用这种方式,分辨率要求越高分辨率要求越高,量程越大量程越大,结构就越复杂。结构就越复杂。6.1.2.2直接式与间接式直接式与间接式若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标,即直线型传感器测量即直线型传感器测量直线位移、回转型传感器测量角位移直线位移、回转型传感器测量角位移,则该测量方式为直接测量。典则该测量方式为直接测量。典型的直接测量装置为光栅、感应同步器
6、或磁尺、编码器。其测量精度型的直接测量装置为光栅、感应同步器或磁尺、编码器。其测量精度主要取决于测量系统本身的精度主要取决于测量系统本身的精度,不受机床传动精度的直接影响。但不受机床传动精度的直接影响。但测量直线位移时测量直线位移时,检测装置要和行程等长检测装置要和行程等长,这对于大型机床而言是不利这对于大型机床而言是不利的。的。上一页 下一页返回6.1概述概述若回转传感器测量的角位移只是中间值若回转传感器测量的角位移只是中间值,由它再推算出与之对应的工由它再推算出与之对应的工作台直线位移作台直线位移,那么该测量方式为间接测量。该方法使用方便且无长那么该测量方式为间接测量。该方法使用方便且无长
7、度限制度限制,但其测量精度取决于测量装置和机床传动系统的精度。典型但其测量精度取决于测量装置和机床传动系统的精度。典型的间接测量装置为码盘和旋转变压器。的间接测量装置为码盘和旋转变压器。6.1.2.3模拟式与数字式模拟式与数字式数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字式测量输出信号一般是数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字式测量输出信号一般是电脉冲电脉冲,可以直接送到数控装置可以直接送到数控装置(计算机计算机)进行比较、处理。其典型的进行比较、处理。其典型的检测装置为光栅位移测量装置。检测装置为光栅位移测量装置。数字式测量的特点如下数字式测量的特点如下:上一页 下一页返回6.1概述概述(1
8、)被测量量化后转换为脉冲个数被测量量化后转换为脉冲个数,便于显示处理。便于显示处理。(2)测量精度取决于测量单位测量精度取决于测量单位,与量程基本无关。与量程基本无关。(3)检测装置比较简单检测装置比较简单,脉冲信号抗干扰能力强。脉冲信号抗干扰能力强。模拟式检测是将被测量用连续的变量表示模拟式检测是将被测量用连续的变量表示,如用电压或相位的变化来如用电压或相位的变化来表示。在大量程内做精确的模拟式检测技术要求较高表示。在大量程内做精确的模拟式检测技术要求较高,故在数控机床故在数控机床中中,模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式测量的主要特点如下模拟式测量的主要特点如
9、下:(1)直接对被测量进行检测直接对被测量进行检测,无须量化。无须量化。上一页 下一页返回6.1概述概述(2)在小量程内可以实现高精度检测。在小量程内可以实现高精度检测。(3)可用于直接检测和间接检测。可用于直接检测和间接检测。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅等。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅等。数控机床常用检测装置的分类见数控机床常用检测装置的分类见表表6-1。上一页返回6.2感应同步器感应同步器感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁耦合原理感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁耦合原理,检测运动检测运动件的直线位移或角位移的传感器。它属于模拟式
10、测量件的直线位移或角位移的传感器。它属于模拟式测量,其输出电压随其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构可分为直线型和旋转型两类。直线型感应同步器感应同步器按其结构可分为直线型和旋转型两类。直线型感应同步器用于直线位移测量用于直线位移测量,旋转型感应同步器用于角位移测量。两者结构略旋转型感应同步器用于角位移测量。两者结构略有不同有不同,但其工作原理相同。但其工作原理相同。感应同步器的抗干扰性强感应同步器的抗干扰性强,对环境要求低对环境要求低,机械结构简单机械结构简单,大量程时接大量程时接长方便长方便,加之成本较低加之成本较低,所以在数控机床检测系统
11、中得到了广泛的应用所以在数控机床检测系统中得到了广泛的应用。下一页返回6.2感应同步器感应同步器 6.2.1直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构如图如图6-1 所示所示,其定尺和滑尺的基板采用与其定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成机床热膨胀系数相近的钢板制成,钢板上用绝缘黏结剂贴有铜箔钢板上用绝缘黏结剂贴有铜箔,并利并利用腐蚀的办法做成图用腐蚀的办法做成图6-1 所示的矩形绕组。长尺叫定尺所示的矩形绕组。长尺叫定尺,短尺叫滑尺短尺叫滑尺,标准感应同步器定尺长度为标准感应同步器定尺长度为250mm,滑尺长度为滑尺长度为100mm
12、,使用时定尺使用时定尺安装在固定部件上安装在固定部件上(如机床床身如机床床身)、滑尺安装在运动部件上。、滑尺安装在运动部件上。由图由图6-1 可以看出可以看出,定尺绕组是连续的定尺绕组是连续的,而滑尺上分布有两个励磁绕组而滑尺上分布有两个励磁绕组,分别称为正弦绕组分别称为正弦绕组(sin 绕组绕组)和余弦绕组和余弦绕组(cos 绕组绕组)。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器当正弦绕组与定尺绕组对齐时当正弦绕组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与定尺绕组相差余弦绕组与定尺绕组相差1/4 节距。节距。感应同步器的定尺和滑尺上矩形绕组的节距相等感应同步器的定尺和滑尺上矩形绕组的节距相等,均为均为2
13、,定尺和滑尺定尺和滑尺之间有之间有(0.250.05)mm 的均匀气隙的均匀气隙,使用时分别安装在相对运动的使用时分别安装在相对运动的部件上。定尺安装在机床导轨上部件上。定尺安装在机床导轨上,其长度大于被检测件的长度其长度大于被检测件的长度;滑尺较滑尺较短短,安装在运动部件上安装在运动部件上,并自然接地。并自然接地。目前生产的直线型感应同步器有标准式、窄式、钢带式和三速式等多目前生产的直线型感应同步器有标准式、窄式、钢带式和三速式等多种。标准式感应同步器定尺长度为种。标准式感应同步器定尺长度为250mm,但可用接长的方法接到但可用接长的方法接到18m。钢带式感应同步器定尺的单根长度可做到。钢带
14、式感应同步器定尺的单根长度可做到10m,最长最长30m。直。直线型感应同步器适用于各种重型、大型和中小型机床。线型感应同步器适用于各种重型、大型和中小型机床。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器 6.2.2感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理由图由图6-1 可以看出可以看出,当滑尺的两个绕组中任意相通有励磁电流时当滑尺的两个绕组中任意相通有励磁电流时,由于由于电磁感应作用电磁感应作用,在定尺绕组中必然产生感应电势。定尺绕组中感应的在定尺绕组中必然产生感应电势。定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的向量和。总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的
15、向量和。图图6-2 所示所示为滑尺绕组相对定尺绕组移动时定尺绕组感应电势变化的为滑尺绕组相对定尺绕组移动时定尺绕组感应电势变化的情况情况,若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压,则在绕组中产生励磁则在绕组中产生励磁电流电流,因而绕组周围产生了旋转磁场因而绕组周围产生了旋转磁场,A 点表示滑尺绕组与定尺绕组重点表示滑尺绕组与定尺绕组重合合,这时定尺绕组中感应电势最大这时定尺绕组中感应电势最大,当滑尺从当滑尺从A 点向右平移时点向右平移时,感应电感应电势相应逐渐减小势相应逐渐减小,到两绕组刚好错开到两绕组刚好错开1/4 节距位置即图中节距位置即图中B 点时点时,感
16、应感应电势为零。电势为零。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器再继续移动到再继续移动到1/2 节距的位置节距的位置C 点时点时,得到的感应电势与得到的感应电势与A 点大小相点大小相同同,但极性相反。再移动到但极性相反。再移动到3/4 节距即图中节距即图中D 点时点时,感应电势又变为零感应电势又变为零。当移动一个节距到达。当移动一个节距到达E 点时点时,情况与情况与A 点相同。可见点相同。可见,滑尺在移动一滑尺在移动一个节距的过程中个节距的过程中,定子绕组中的感应电势按余弦波形变化一个周期。定子绕组中的感应电势按余弦波形变化一个周期。设定尺绕组节距为设定尺绕组节距为2,它对应的感应电压以
17、余弦函数变化了它对应的感应电压以余弦函数变化了2,当滑当滑尺移动距离为尺移动距离为时时,对应的感应电压以余弦函数变化相位角对应的感应电压以余弦函数变化相位角。由比例。由比例关系关系可得可得上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器则定尺绕组上的感应电势为则定尺绕组上的感应电势为同理同理,当只对余弦绕组励磁时当只对余弦绕组励磁时,定尺绕组中感应电势定尺绕组中感应电势Ec 按下述公式变按下述公式变化化:当同时给滑尺上两绕组励磁当同时给滑尺上两绕组励磁(Us、Uc)时时,则更具叠加原理则更具叠加原理,定尺绕组定尺绕组中产生的感应电势应是各感应电势的代数和中产生的感应电势应是各感应电势的代数和(E=
18、Es+Ec),据此就可以据此就可以求出滑尺的位移。求出滑尺的位移。6.2.3感应同步器的典型应用感应同步器的典型应用上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器根据励磁绕组中励磁供电方式的不同根据励磁绕组中励磁供电方式的不同,感应同步器可分为鉴相工作方感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式两种。式和鉴幅工作方式两种。6.2.3.1鉴相工作方式鉴相工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别施加频率相同、幅值相同但时间相给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别施加频率相同、幅值相同但时间相位相差位相差/2的交流励磁电压的交流励磁电压,即即根据叠加原理根据叠加原理,定尺上的总感应电压为定尺上的总感应电压为上一
19、页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器鉴相式检测系统的基本组成鉴相式检测系统的基本组成如图如图6-3 所示所示。CNC 装置发出指令脉冲装置发出指令脉冲,经脉冲相位转换器转换为相对于基准相位经脉冲相位转换器转换为相对于基准相位0 变化的指令相位变化的指令相位1,即表即表示位移量的指令式是以相位差角度值给定的。示位移量的指令式是以相位差角度值给定的。从脉冲相位变换器输出的基准脉冲信号经励磁供电线路给感应同步器从脉冲相位变换器输出的基准脉冲信号经励磁供电线路给感应同步器滑尺的两励磁绕组供电滑尺的两励磁绕组供电,其过程为基准相位其过程为基准相位0 经经/2 移相移相,变为幅值变为幅值相等、频率相同
20、、相位相差相等、频率相同、相位相差/2 的正弦、余弦信号的正弦、余弦信号,给正弦绕组、余给正弦绕组、余弦绕组励磁。这样弦绕组励磁。这样,因为是来源于同一个基准相位因为是来源于同一个基准相位0,所以定尺绕组上所以定尺绕组上所取得的感应电压所取得的感应电压E 的相位的相位2 则反映出两者的相位位置。则反映出两者的相位位置。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器因此因此,将指令相位将指令相位1 和实际相位和实际相位2 在鉴相器中进行比较在鉴相器中进行比较,若两者相位若两者相位一致一致,即即1=2,则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同;若两者位
21、置不一致若两者位置不一致,则利用其产生的相位差作为控制信号则利用其产生的相位差作为控制信号,控制执行机控制执行机构带动工作台向减小相位差的方向移动。构带动工作台向减小相位差的方向移动。具体控制过程为具体控制过程为:脉冲脉冲相位转换器每接收一个脉冲便产生一个指令相位转换器每接收一个脉冲便产生一个指令位移增量位移增量,其大小取决于脉冲其大小取决于脉冲相位转换器的分频系数相位转换器的分频系数N,而分频系数而分频系数取决于系统分辨率。如果感应同步器一个节距为取决于系统分辨率。如果感应同步器一个节距为2mm,脉冲当量选定脉冲当量选定为为0.005mm,则一个脉冲对应的相位增量为则一个脉冲对应的相位增量为
22、上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器6.2.3.2鉴幅工作方式鉴幅工作方式供给滑尺上正、余弦绕组以频率相同、相位相同但幅值不同的励磁电供给滑尺上正、余弦绕组以频率相同、相位相同但幅值不同的励磁电压。压。则在定尺绕组产生的总感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为当当-的数值很小时的数值很小时,定尺上的感应电压定尺上的感应电压E 可近似表示为可近似表示为上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器而其中而其中所以所以机械位移每改变一个机械位移每改变一个x 的位移增量的位移增量,就有误差电压就有误差电压E。值得注意的是。值得注意的是,当误差电压很小时当误差电压很小时,误差电压的幅值才和误差
23、电压的幅值才和x 成正比。当成正比。当E 超过某一预超过某一预先设定的门槛电平时先设定的门槛电平时,就产生脉冲信号就产生脉冲信号,并用此来修正励磁信号并用此来修正励磁信号Us、Uc,使误差信号重新降低到门槛电平以下使误差信号重新降低到门槛电平以下,这样就把位移量转化为数这样就把位移量转化为数字量字量,实现了对位移的测量。实现了对位移的测量。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器图图6-4 所示所示为感应同步器鉴幅测量系统框图。由于感应同步器定尺绕为感应同步器鉴幅测量系统框图。由于感应同步器定尺绕组输出的误差电压组输出的误差电压E 比较微弱比较微弱,所以要经前置放大器放大到一定幅值所以要经
24、前置放大器放大到一定幅值后后,再送到误差变换器。误差变换器经方向判别后再送到误差变换器。误差变换器经方向判别后,将表示方向正负的将表示方向正负的符号送入脉冲混合器符号送入脉冲混合器,并产生实际脉冲值。此环节中包括门槛电路并产生实际脉冲值。此环节中包括门槛电路,一一旦定尺上的感应电压旦定尺上的感应电压E 超过门槛值超过门槛值,便产生实际脉冲值。这些脉冲一便产生实际脉冲值。这些脉冲一方面作为实际位移值送到脉冲混合器方面作为实际位移值送到脉冲混合器;另一方面送到数字正余弦信号另一方面送到数字正余弦信号发生器发生器,修正励磁电压的幅值修正励磁电压的幅值,使其按照正余弦规律变化。使其按照正余弦规律变化。
25、门槛电平的整定门槛电平的整定,是根据脉冲当量来进行的。是根据脉冲当量来进行的。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器脉冲混合器的作用是将来自于脉冲混合器的作用是将来自于CNC 装置的指令脉冲与反馈回来的实装置的指令脉冲与反馈回来的实际脉冲值进行比较际脉冲值进行比较,得到系统的数字量位置误差得到系统的数字量位置误差,再经再经D/A 转换器将其转换器将其转换为模拟电压信号转换为模拟电压信号,控制伺服机构带动工作台移动。控制伺服机构带动工作台移动。D/A 转换器的作用是产生励磁电压。转换器的作用是产生励磁电压。D/A 转换器由多抽头的计数变转换器由多抽头的计数变压器、开关线路和变换计数器组成压
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