10检测教案数字式位置检测传感器与检测技术项目教程梁森授课教案.docx
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10检测教案数字式位置检测传感器与检测技术项目教程梁森授课教案
模块十、数字式位置检测授课教案
课程名称:
检测技术
班级:
性质:
考试课
授课人:
课题:
模块十、数字式位置检测
课时安排:
3
课次编号:
15、16
教材分析
难点
±1误差。
重点:
角编码器的M法测速。
教学目的和要求
1.掌握位置检测的基本概念
2.熟悉角编码器的组成和工作原理。
3.掌握绝对式角编码器的码道与分辨力的关系。
4.掌握绝对式角编码器的输出编码与旋转角度的关系。
5.熟悉增量式角编码器的刻线数与分辨力的关系。
6.熟悉增量式角编码器的辨向原理及零位标记的作用。
7.掌握增量式角编码器的M法测速。
8.熟悉光栅的结构和工作原理。
9.熟悉光栅的莫尔条纹的光学放大作用和特征。
10.熟悉光栅刻线数与分辨力的关系。
11.熟悉光栅的关系辨向与细分技术。
13.了解磁栅的结构与工作原理。
14.了解介绍容栅的结构与工作原理。
15.了解老机床改造的步奏。
采用教学方法和实施步骤
讲授、课堂互动、分析、实训
教具:
各种角编码器、光栅、磁栅
各教学环节和内容
位置检测的基本概念
表10-1数字式位置检测传感器的分类及特点
种类
工作原理
测量范围
最高
分辨力
特点
磁阻式旋转变压器
磁阻效应,输出电压随转子的角位移而变化
360º
1º
价廉,输出信号与旋转的角度成线性关系;模拟输出信号易受干扰;在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号,可实现函数解算功能
感应同步器
电磁感应。
定子、转子的间隙为0.2~0.3mm
200mm
0.02mm
价廉;模拟输出信号微弱,易受干扰,碳素结构钢底板较重。
每块直线型定尺的长度仅为200mm,如超过该上限,需要用多块定尺接长。
接长时,需要用激光干涉仪校准两块定尺之间的间隙
球栅尺
6相电感线圈与钢球之间的电磁感应
10m
5μm
又称球感尺,价廉,全密封,不受灰尘、油污影响;模拟输出信号易受干扰;可用于准确度要求不高的直线位移测量
接触式角编码器
接触电位
360º
5.6º
价廉;码道数小于6;易磨损,适合于静态测量
磁阻式角编码器
磁阻效应
360º×4096
0.35º
价廉;码道数小于10;适用于要求不高的角位移测量
光电式角编码器
光电效应
360º×4096
0.3'
分辨力较高,响应频率快;适合于普通机床等的角位移测量或转速测量
长光栅
光电效应
3m
1μm
准确度和分辨力高;易折断;用于直线位移的精密测量
圆光栅
光电效应
360º
0.1'
分辨力高;适合于精密机床等要求较高的角位移测量或转速测量
长磁栅
磁电感应
30m
5μm
磁栅尺可以按需要剪裁,安装简便,可用于大量程位移测量
圆磁栅
磁电感应
360º
1'
分辨力较高,响应频率较快;适合于普通机床等的角位移测量或转速测量
直线容栅
静电感应
200
10μm
价廉;分辨力不高,响应频率慢;可用于百分尺、千分尺、标高尺等
圆容栅
静电感应
360º
0.6º
价廉;分辨力较高,响应频率慢;可用于百分表、千分表等
一、直接测量和间接测量
图10-1直接测量和间接测量示意图
a)直接测量b)间接测量
1-导轨2-运动部件3-直线式位置传感器的随动部件4-直线式位置传感器的固定部件
5-旋转式位置传感器6-丝杠-螺母副7-电动机
例10-1若丝杠的螺距t=6.00mm(当丝杠转一圈360°时,“单线螺母”或“单头螺母”移动的直线距离为6.00mm),旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度θ为7290°,求螺母的直线位移x。
解螺母的直线位移
x=(7290°/360°)×6mm=121.50mm
提问:
1.用直线式位置传感器进行直线位移的直接测量时,传感器的行程与什么有关?
有何优点?
2.旋转式间接测量时,有何优点?
3.能够将旋转运动转换成直线运动的机械传动装置有哪些?
二、增量式测量与绝对式测量
例10-2在图10-1a中,若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm,在10s时间里,长光栅传感器发出2000个脉冲,求:
1)工作台的直线位移x(机床行业习惯使用的单位为:
mm)。
2)运动速度v(机床行业习惯使用的单位为:
m/min)。
解1)根据题意,工作台每移动0.01mm,长光栅传感器便发出1个脉冲,计数器就加1或减1。
当计数值为2000时,工作台移动了x=2000×0.01mm=20.0mm。
2)v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。
提问:
为什么增量式位置传感器必须有一个零位标志?
【丝杠-螺母副位移转换填表训练】
丝杠-螺母副(单线)在10s时间里运动的数据如下,请分析、填空
(最少保留三位有效数字)。
螺母的螺距t/mm
2(细牙)
6(粗牙)
丝杠的旋转角度θ/°
180
360
450
-90①
-100
0
100
3600
丝杠转速/r·min-1
6.00
-1.67
螺母的位移x/mm
-1.00
6.00
螺母的线速度
v/m·min-1
0
0.060
0.150
-0.030
0.360
①负号表示旋转机械元件作逆时针运动,直线机械元件向左运动,以下同。
项目一角编码器
【项目教学目标】
☞知识目标
1.了解接触式角编码器的原理与编码方法。
2.了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。
☞技能目标
1.掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。
2.掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。
3.掌握增量式角编码器的M法测速计算。
一、绝对式角编码器
1.接触式角编码器的结构
图10-24位二进制接触式码盘
a)电刷在自然二进制码盘上的位置b)4位自然二进制码盘c)4位格雷码码盘
1-码盘2-转轴3-导电体4-绝缘体5-电刷6-激励公用轨道(接电源正极)
2.接触式角编码器的分辨力与分辨率
α=360°/2M(10-1)
分辨率=1/2M(10-2)
提问:
位数(码道的圈数)M与分辨的角度α的关系?
要提高分辨力的措施是什么?
例10-3求12码道的绝对式角编码器的分辨力α。
解12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为212=4096个位置数,所以能分辨的角度
α=360°/212=5.27'
表10-24位十进制数与自然二进制码以及格雷码的对照表
十进制数
自然二进制码
格雷码
十进制数
自然二进制码
格雷码
0
0000
0000
8
1000
1100
1
0001
0001
9
1001
1101
2
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0010
11
1011
1110
4
0100
0110
12
1100
1010
5
0101
0111
13
1101
1011
6
0110
0101
14
1110
1001
7
0111
0100
15
1111
1000
【绝对式角编码器分辨率、分辨力填表训练】
(最少保留3位有效值)
码道数目n
6
8
10
11
12
16
22
位置数目
26
211
213
216
分辨率
1/256
1/1024
1/2048
1/4096
1/8192
1/4194304
分辨力
0.35°
0.33′
0.309″
3.绝对式光电角编码器的结构
图10-3绝对式光电角编码器
a)12码道光电码盘的平面结构b)4码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系c)外形
提问:
码盘上的低位与高位刻痕如何安排?
表10-3GP50S8-1024-3F-2型绝对式角编码器的主要技术参数
参数名称
指标
电源电压/V
DC12~24±5%
消耗电流/mA
100
分辨率
1/1024
输出码
格雷码
输出形态
集电极开路NPN型
最高响应频率/kHz
35
允许最高机械转速/r·min-1
3000
使用环境温度/℃
-10~70
保存环境温度/℃
-25~85
使用环境湿度(%)
35~85RH(不结露)
防护等级
IP64
振动耐久性(10~55Hz)/mm
1.5(振幅,x/y/z各向2h)
允许冲击/g
50
外形参数/mm
外径
50
长度
55.5(不含轴)
轴径
8
轴长
15
重量/g
380
输出类型
NPN型集电极开路
5.绝对式角编码器的接线
表10-410码道角编码器的接线颜色
接线
DC12~24V
0V
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
颜色
白色
黑色
棕色
红色
橙色
黄色
蓝色
紫色
灰色
白夹
棕色
白夹
红色
白夹
橙色
图10-4绝对式角编码器与用户端的RS485通信电路
二、增量式角编码器
1.增量式光电角编码器的结构
图10-5增量式光电角编码器结构示意图
a)外形b)内部结构c)扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系
1-转轴2-发光二极管3-扫描孔板(光栏板)4-零位标志光槽(Z)
5-零位光敏元件6-码盘7-电源及信号线连接座8-聚光透镜
提问:
图10-5中,A、B、Z光电元件分别起什么作用?
2.增量式光电角编码器的分辨力与分辨率
增量式光电角编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数(分度数)M有关,最小分辨的角度α为
α=360°/M(10-3)
分辨率=1/M(10-4)
例10-4某增量式角编码器的技术指标为1024个脉冲/r(即分度数M=1024P/r),求:
分辨力α。
解按题意,码盘边缘的透光槽数为1024个,则能分辨的最小角度为
α=360°/M=360°/1024=0.352°
提问:
如何判断码盘旋转的方向?
必须设置什么元件?
图10-6绝对式角编码器的输出信号
a)TTL电平信号b)正弦波信号
图10-7绝对式角编码器的差分输出电路
提问:
屏蔽线的外壳金属软线能否两端分别接到两端的大地?
为什么(可以从两端大地存在电位差来分析)?
3.增量式光电角编码器的旋转角度计算
θ=360º×(m/M)(10-5)
提问:
增量式角编码器的分度数M越大,同样的的m值,所对应的旋转角度就越?
例10-5某增量式角编码器的分度数M=1024,从零位信号Z之后的10s内,计数器对角编码器的一路信号(图10-6中的A信号)计数,得到m=1024+128个脉冲。
求:
码盘旋转的角度θ和转速n(r/min)。
解按题意,码盘边缘的透光槽数为1024个,码盘旋转的角度
θ=360º×(m/M)=360°×(1152/1024)=360°×1.125=405°
n=60×r/s=60×[(405°/360º)/10s]=6.75r/min
【增量式角编码器分辨率、分辨力填表训练】
增量式码盘在10s时间里输出脉冲数目如下,请根据式(10-3)、式(10-5)分析、填空。
(最少保留三位有效数字)。
外缘狭缝条纹数分度数M
1024
4096
分辨力/(°)
0.352
计数脉冲数(A超前B)
256
512
65536
1024
2048
41984
码盘的旋转角度θ/(°)
360
360
码盘的转速v/r·min-1
0
3.00
61.5
计数脉冲数(B超前A)
1024
2048
10496
0
40960
43008
码盘的旋转角度θ/(°)
0
-3600
-360
-720
-360
旋转状态
正转1024,反转2048
正转1024,反转256
正转1024,反转2048
正转1024,反转256
码盘最终的旋转角度θ/(°)
-360
-90
5.增量式光电角编码器的接线
图10-8增量式角编码器的差分输出的接线
表10-5WLF系列角编码器的主要技术指标
参数名称
指标
电源电压/V
DC5或8~30
消耗电流/mA
<60mA
分辨率
1/1024
输出形态
推拉型或集电极开路NPN型
上升、下降时间/ns
≤100
最高响应频率/kHz
150
允许最高机械转速/r·min-1
6000
允许角加速度/rad·s-2
1×104
转动惯量/kg·m²
1.3×10-5
25℃时的起动力矩/N·m
5×10-2
使用环境温度/℃
-10~70
保存环境温度/℃
-25~85
使用环境湿度(%)
35~85RH(不结露)
防护等级
IP54,IP65
出线方式
电缆侧出,电缆后出
插座侧出,插座后出
任务二角编码器的应用
一、角编码器在数字测速中的应用
1.M法测速
图10-9M法和T法测速原理
a)M法b)T法
(10-6)
则转速n(单位为r/min)为
(10-7)
提问:
1.M法测速适合于怎样转速的场合?
2.当转速较慢时,测量误差怎样变化?
3.闸门时间ts的长短有何影响?
例10-6某角编码器的技术指标为1024P/r(即M=1024P/r=1K),在0.2s时间内测得100个脉冲,即ts=0.2s,m1=100,求:
1)转速n。
2)±1误差引起的转速测量误差为多少转每分钟?
3)如果将ts延长到1s,转速测量误差为多少转每分钟?
解1)角编码器轴的转速
2)由于存在±1误差,在ts时间段里,计数得到的脉冲数m1=100±1个脉冲,则
3)如果将ts延长到1s,m1'必然增加到500,则
结论:
计算得到的转速不变,但±1个脉冲引起的误差显著缩小。
二、绝对式角编码器在工位编码及刀库选刀控制中的应用
1.绝对式角编码器在工位编码中的应用
由于绝对式角编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出,若角编码器与转盘同轴相连,则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应,转盘加工工位的编码如图10-10所示。
当转盘上某一工位转到加工点时,该工位对应的编码由角编码器输出给控制系统。
图10-10转盘加工工位的编码
1-绝对式角编码器2-电动机3-同步带4-转轴5-转盘6-工件7-刀具
例10-7设图10-10中的角编码器为4码道绝对式码盘,工件1~8的编码从0000到1110。
图10-10中的工位1(0000)已完成加工,要使处于工位2上的工件转到加工点等待钻加工,计算机应如何控制电动机和转盘?
解由于工位的编码是从0000开始到1110,所以每个工位的变化为0010。
工位2上的编码为0010,工位3上的编码为0100,以此类推。
当工件1完成加工后,电动机通过“同步带”驱动转盘顺时针旋转。
当角编码器的输出从0001跳变到0010时,计算机命令电动机停转并自锁,开始加工工件2……直到第8个工位(1110)加工完成后,转盘上的工件全部卸下,重新开始新的8个工件的加工。
提问:
如果采用3码道角编码器,若工位1的编码是000时。
则到工位2的编码是多少?
项目二光栅传感器
【项目教学目标】
☞知识目标
1.了解计量光栅的类型、结构及工作原理。
2.了解莫尔条纹的光学放大原理。
☞技能目标
1.掌握光栅的分辨率与分辨力计算。
2.掌握光栅的辨向与细分方法。
3.掌握光栅的应用。
一、光栅的类型和结构
图10-15光栅的分类
a)透射式光栅光路b)反射式光栅光路c)敞开式反射钢带长光栅外形d)圆光栅
1-LED光源2-聚光透镜3-扫描光栅(指示光栅)4-主光栅(标尺光栅)5-栅状光电接收元件6-扫描掩膜7-窗口8-圆光栅9-零位标记
提问:
光栅如何分类?
图10-16长光栅的结构及外观
a)内部结构剖面图b)安装示意图
1-铝合金定尺2-读数头(动尺)3-电缆4-带聚光镜的LED
5-主光栅(标尺光栅,固定在定尺尺身上)6-指示光栅(随读数头及溜板移动)7-光敏元件
8-密封唇9-信号调理电路10-压缩空气入口11-安装槽12-电缆拖链
提问:
图10-16中,压缩空气用来做什么?
图10-17直线透射式长光栅测量原理图
1-光源2-透镜3-指示光栅4-主光栅(标尺光栅)5-零位光栅
6-细分辨向用光敏元件(2路或4路)7-零位光敏元件
透射式光栅的几个重要参数:
(1)栅距;
(2)角节距。
提问:
1.如果某直线光栅在每毫米里刻线数为100,则栅距为多少毫米?
2.如果某圆光栅在一个圆周刻线数为100,则角节距为多少度?
二、光栅的工作原理
1.莫尔条纹
图10-18等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹
图10-19sin和cos光敏元件的输出电压波形及细分脉冲
a)光栅位移与光强及输出电压的关系b)整形后的方波c)4细分脉冲
(1)亮带和暗带;
(2)莫尔条纹的识别;3)莫尔条纹的放大栅距作用;4)莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数
提问:
1.如果圆光栅旋转一圈产生100次亮带和暗带的变化,则角节距为多少度?
2.设置sin和cos两个光敏元件的目的是什么?
3.图10-19b中,矩形波是怎样得到的?
3.图10-19c中,尖脉冲波是怎样得到的?
2.莫尔条纹的特征
1)莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的;2)莫尔条纹移动的方向;3)莫尔条纹的间距。
L=W/sinθ≈W/θ(10-11)
式中L——莫尔条纹间距;
W——光栅栅距;
θ——两光栅刻线夹角(rad)。
提问:
从式(10-11)可知,θ越小,L就怎样?
例10-8某长光栅的刻线数为25线/mm,指示光栅与主光栅刻线的夹角α=1º,求:
栅距W和莫尔条纹间距L。
解
由于夹角θ较小,所以莫尔条纹间距
提问:
主光栅与指示光栅之间的夹角越小,莫尔条纹的间距就越?
。
3.辨向及细分
(1)辨向原理;
(2)细分技术。
提问:
细分是指分频还是倍频?
例10-9某长光栅的刻线数M=100根/mm,细分数s=4,求:
细分后光栅的分辨力Δ。
解栅距W=1/M=1mm/100=0.01mm,Δ=W/s=0.01mm/4=0.0025mm=2.5μm。
由上例可见,光栅信号通过4细分技术处理后,相当于将光栅的分辨力提高了3倍。
必须指出的是,分辨力与最大允许误差是两个概念,分辨力通常远小于绝对误差。
直线式光栅的测量准确度取决于刻线的质量、光学扫描计数、电子处理技术、安装技术、光栅尺热胀系数与机床导轨热胀系数的吻合度等。
在机床加工中,当计数器清零之后,在温度、振动变化不大的短时间内,可以认为以“清零点”为起点的位移x≈NΔ。
4.零位标记
提问:
光栅中设置零位标记是干什么的?
例10-10增量式长光栅的栅距W=0.01mm,细分数s=16。
当铣刀向下运动,电路出现零位信号后,又计得N=4096个脉冲,求:
零位之后铣刀的位移x约为多少毫米?
解x≈N(W/s)=4096×(0.01mm/16)=2.56mm。
表10-6FAGOR-SV系列长光栅尺的主要技术指标
参数名称
指标
栅距(周期)/μm
20(玻璃光栅尺)
玻璃板热胀系数/K-1
8×10-6
最大允许误差/μm
±5
最大线速度/m·min-1
120
允许最大振动/g
10(无加强板)
20(带加强板)
移动阻力/N
<4
工作温度/℃
0~50
存储温度/℃
-20~70
相对湿度(%)
20~80RH
重量/kg
0.2+0.5/m
密封等级标准
IP53
通入干净压缩空气:
IP64
读数头
电缆30
表10-7RESR-RGH20-52圆光栅的主要技术指标
参数名称
指标
读数头尺寸(长×宽×高)/mm
9.5×15.0×15.0
最大转速/r·min-1
3000
磁头与磁尺的间隙/mm
0.8±0.08
最大抗振性/g
10
移动阻力/N
≤5
外径/mm
52
角节距(周期)/(º)
4096
刻划准确度/(″)
±4
分辨力/(″)
5
细分数
4~40
电缆弯曲半径/mm
≥75
重量/kg
0.2
密封等级
IP53
连接压缩空气时,IP64
工作温度/℃
0~50
存储温度/℃
-20~70
相对湿度(%)
20~80RH
图10-20长光栅尺的安装与调整
1-床身(安装面)2-长光栅尺3、4-百分表5-安装螺栓
项目三磁栅传感器
【项目教学目标】
☞知识目标
1.了解磁栅传感器的结构及工作原理。
2.了解磁栅数显表的原理。
☞技能目标
1.掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。
2.掌握磁栅的辨向方法。
3.掌握磁栅的应用。
图10-24长磁栅结构
1-尺身2-滑尺(读数头)3-密封唇4-电缆5-信号调理盒6-接插口
提问:
图10-24中的密封唇用于防止什么?
一、磁栅结构及工作原理
提问:
磁栅传感器主要由什么组成?
图10-26静态磁头的结构及输出信号与磁尺的关系
1-磁尺2-sin磁头3-cos磁头4-磁极铁心5-可饱和铁心6-励磁绕组
7-感应输出绕组8-低通滤波器9-匀速运动时sin磁头的输出波形(基波为2倍励磁频率)
10-保护膜11-载波12-包络线
提问:
1.为何设置两个磁头?
2.磁栅传感器是接触式还是非接触式传感器?
3.图10-26中的ec是AM还是FM波形?
图10-27磁栅尺、磁头与数显表套件
1-20m不锈钢磁尺2-磁头3-信号转换器4-计算机接口5-三维主显示器6-操作显示器
提问:
图10-27的显示器有3排数码管(X、Y、Z),分别用于测量什么的位移?
表10-8XCCB长磁栅的主要技术指标
参数名称
指标
全长
L+143mm
有效长度L/mm
100~900
最大行程
L+22mm
最大响应速度/m·min-1
60
刻线数/线·mm-1
20
脉冲(细分前)/(个·mm-1)
20(TTL电平)
细分前分辨力/μm
50
细分后分辨力/μm
0.5
最大误差/μm
±(5+5L/1000)
激励源/kHz
10
移动寿命/km
9000
电缆最大长度/m
30
二、磁栅数显表
图10-28ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图
1-磁尺基底2-录磁后的硬磁性薄膜
提问:
图10-28中,可逆计数器用于什么