数控技术五章位置检测装置.ppt

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第五章第五章位置检测装置位置检测装置第一节第一节概概述述一、位置检测装置的要求位置检测装置的要求位位置置检检测测装装置置是是数数控控机机床床的的重重要要组组成成部部分分。

在在闭闭环环、半半闭闭环环控控制制系系统统中中，它它的的主主要要作作用用是是检检测测位位移移和和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。

速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。

数控机床对位置检测装置的要求如下：

数控机床对位置检测装置的要求如下：

（11）工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；（22）满足精度和速度的要求；满足精度和速度的要求；（33）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（44）成本低。

成本低。

位位置置检检测测装装置置按按工工作作条条件件和和测测量量要要求求不不同同，有有下下面面几几种种分类方法：

分类方法：

二、位置检测装置的分类二、位置检测装置的分类返回课件首页

（一）数字式测量和模拟式测量

（一）数字式测量和模拟式测量1.1.数字式测量数字式测量它是将被测的量以它是将被测的量以数字形式数字形式来表示，测量信号一来表示，测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。

如光栅位置检测装置。

较、处理。

如光栅位置检测装置。

数字式测量特数字式测量特点点：

被测的量转换为脉冲个数便与显示和处理；被测的量转换为脉冲个数便与显示和处理；测量精测量精度取决于测量单位，与量程基本无关。

测量装置度取决于测量单位，与量程基本无关。

测量装置简单，信号抗干扰能力强。

简单，信号抗干扰能力强。

2.2.模拟量测量模拟量测量它是将被测的量用它是将被测的量用连续变量连续变量来表示，如电压来表示，如电压变化、相位变化等。

它对信号处理的方法相对来变化、相位变化等。

它对信号处理的方法相对来说比较复杂。

测量特点：

直接测量被测的量，无说比较复杂。

测量特点：

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。

如用需变换。

在小量程内实现较高精度的测量。

如用旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器

（二）

（二）增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量1.1.增量式测量增量式测量在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量测量只测相对位移量只测相对位移量，如测量单位为，如测量单位为0.001mm0.001mm，则每移则每移动动0.001mm0.001mm就发出一个脉冲信号，就发出一个脉冲信号，其优点其优点是测量装置较是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。

后测量所得结果完全错误。

2.2.绝对式测量绝对式测量绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定绝对式测量装置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。

的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。

测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。

显然，码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。

显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。

数也愈多，结构就愈复杂。

（三）直接测量和间接测量（三）直接测量和间接测量1.1.直接测量直接测量直直接接测测量量是是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，用用来来直直接接测测量量工工作作台台的的直直线线位位移移，作作为为全全闭闭环环伺伺服服系系统统的的位位置置反反馈馈信信号号，从从而而构构成成位位置置闭闭环环控控制制。

其其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，所以在大型数控机床上受到一定限制。

所以在大型数控机床上受到一定限制。

2.2.间接测量间接测量它它是是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移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。

位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。

优点优点是测量方便、无长度限制。

是测量方便、无长度限制。

缺点缺点是测量信号中增加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。

了测量精度。

第二节第二节感应同步器感应同步器一、结构与工作原理一、结构与工作原理感感应应同同步步器器为为电电磁磁式式检检测测装装置置，属属模模拟拟式式测测量量，其其输输出出电电压随被测直线位移或角位移而改变。

压随被测直线位移或角位移而改变。

感感应应同同步步器器按按其其结结构构特特点点一一般般分分为为直直线线式式和和旋旋转转式式两两种种：

直直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。

线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。

旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。

旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。

以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。

以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。

直直线线感感应应同同步步器器其其结结构构如如图图5-15-1所所示示，定定尺尺和和滑滑尺尺的的基基板板采采用用与与机机床床热热膨膨胀胀系系数数相相近近的的钢钢板板制制成成，钢钢板板上上用用绝绝缘缘粘粘结结剂剂贴贴有有铜铜箔箔，并并利利用用腐腐蚀蚀的的办办法法做做成成图图示示的的印印刷刷绕绕组组。

长长尺尺叫叫定定尺尺，安安装装在在机机床床床床身身上上，短短尺尺为为滑滑尺尺，安安装装于于移移动动部部件件上上，两两者者平平行行放放置，保持置，保持0.25-0.05mm0.25-0.05mm间隙。

间隙。

感感应应同同步步器器两两个个单单元元绕绕组组之之间间的的距距离离为为节节距距，滑滑尺尺和和定定尺尺的的节节距距均均为为，这这是是衡衡量量感感应应同同步步器器精精度度的的主主要要参参数数。

标标准准感感应应同同步步器器定定尺尺长长250mm250mm，滑滑尺尺长长100mm100mm，节节距距为为2mm2mm。

定定尺尺上上是是单单向向、均均匀匀、连连续续的的感感应应绕绕组组，滑滑尺尺有有两两组组绕绕组组，一一组组为为正正弦弦绕绕组组，另另一一为为余余弦弦绕绕组组。

当当正正弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组对对齐齐时时，余余弦绕组与定尺绕组相差弦绕组与定尺绕组相差1/41/4节距。

节距。

U0定尺滑尺正弦绕组UsUc余弦绕组图图5-1直线感应同步器结构直线感应同步器结构当当滑滑尺尺任任意意一一绕绕组组加加交交流流激激磁磁电电压压时时，由由于于电电磁磁感感应应作作用用，在在定定尺尺绕绕组组中中必必然然产产生生感感应应电电压压，该该感感应应电电压压取取决决于于滑滑尺尺和和定定尺尺的的相相对对位位置置。

当当只只给给滑滑尺尺上上正正弦弦绕绕组组加加励励磁磁电电压压时时，定定尺尺感感应应电电压压与与定定、滑滑尺尺的的相相对对位位置置关关系系如如图图5-25-2所所示示。

如如果果滑滑尺尺处处于于AA位位置置，即即滑滑尺尺绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组完完全全对对应应重重合合，定定尺尺绕绕组组线线圈圈中中穿穿入入的的磁磁通通最最多多，则则定定尺尺上上的的感感应应电电压压最最大大。

随随着着滑滑尺尺相相对对定定尺尺做做平平行行移移动动，穿穿入入定定尺尺的的磁磁通通逐逐渐渐减减少少，感感应应电电压压逐逐渐渐减减小小。

当当滑滑尺尺移移到到图图中中BB点点位位置置，与与定定尺尺绕绕组组刚刚好好错错开开1/41/4节节距距时时，感感应应电电压压为为零零。

再再移移动动至至1/21/2节节距距处处，即即图图中中CC点点位位置置时时，定定尺尺线线圈圈中中穿穿出出的的磁磁通通最最多多，感感应应电电压压最最大大，但但极极性性相相反反。

再再移移至至3/43/4节节距距，即即图图中中DD点点位位置置时时，感感应应电电压压又又变变为为零零，当当移移动动一一个个节节距距位位置置如如图图中中EE点点，又又恢恢复复到到初初始始状状态态，与与AA点点相相同同。

显显然然，在在滑滑尺尺移移动动一一个个节节距距的的过过程程中中，感感应应电电压压近近似似于于余余弦弦函函数数变变化化了了一一个个周周期期，如如图图5-25-2中中ABCDEABCDE。

图图5-2感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系感应同步器就是利用电压的变感应同步器就是利用电压的变化来进行位置检测的化来进行位置检测的设表示滑尺上一相绕组的激磁电压设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为式中式中K耦合系数；耦合系数；激磁电压的幅值；激磁电压的幅值；激磁电压的角频率；激磁电压的角频率；滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。

滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。

若设定尺绕组节距为若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数，它对应的感应电压以余弦函数变化，当滑尺移动距离为时变化，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦，则对应感应电压以余弦函数变化相位角函数变化相位角，由比例关系由比例关系可得可得（5-1）如果如果=18=18，节距为，节距为2mm2mm，则滑尺移动的距离为，则滑尺移动的距离为0.1mm0.1mm即为定尺和滑尺之间的相对位移。

即为定尺和滑尺之间的相对位移。

感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。

在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个曲线。

在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图位移点，如图5-25-2中中MM、NN两点。

为确定唯一位移，在滑两点。

为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开尺上与正弦绕组错开1/41/4节距处，配置了余弦绕组。

同节距处，配置了余弦绕组。

同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。

若滑尺上的正、余弦绕组它们之间为正弦函数关系。

若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。

定的位移。

二、应用二、应用感感应应同同步步器器作作为为位位置置测测量量装装置置安安装装在在数数控控机机床床上上，它也有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式它也有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。

1.1.鉴相型系统鉴相型系统根根据据定定尺尺上上感感应应电电压压的的相相位位来来测测量量滑滑尺尺和和定定尺尺之之间间的的相相对位移量。

对位移量。

供供给给滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组的的激激磁磁信信号号是是频频率率、幅幅值值相相同同，相位相差相位相差909000的交流励磁电压的交流励磁电压根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。

例如定尺感应输出电压与滑尺滑尺之间的相对位移。

例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为励磁电压之间的相位差为3.63.600，当节距为，当节距为2mm2mm的情况下，的情况下，表明滑尺移动了表明滑尺移动了0.02mm0.02mm。

滑尺定尺机床UsUc+x-x图图5-3感应同步器鉴相测量系统框图感应同步器鉴相测量系统框图放大放大滤波滤波基准信号发生器基准信号发生器脉脉冲冲调调相相器器鉴鉴相相器器放放大大器器激磁激磁供电供电线路线路伺服伺服电机电机速度速度控制控制单元单元鉴鉴相相