数控技术及应用第5章-数控机床位置传感器件

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1、第五章第五章 数控机床位置传感器件数控机床位置传感器件 5.1 概述概述 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，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： （1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3） 易于安装，维护方便，适应机床工作环境； （4） 成本低。 位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法： 返回课件首页数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接

2、测量和和间接测量间接测量； 测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式； 运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型； 信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、光电效应、光栅效应、电磁感应原理、 压电效应、压阻效应和磁阻效应压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。5.1 概述概述（一） 直接测量和间接测量 1. 直接测量(直线位移传感器） 直接测量是将直线位移传感器安装在移动部件（工作台）上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。 其优点是准确性高、可靠性

3、好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2. 间接测量（角位移传感器） 它是将旋转型检测装置（角位移传感器）安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点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，从而影响了测量精度。 （二）数字式测量和模拟式测量1. 数字式测量（数字位移传感器） 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。2. 模拟量测量（模拟位移传感器） 它是将被测的

4、量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。（三） 增量式测量和绝对式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，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。 2. 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，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显

5、然，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。 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下： 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。高精度和高速实时测量。 2.分辨率： 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度： 灵敏度高、一致。 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的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程： 其它:可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。5.1 概述概述5.2 光栅光栅 一、结构一、结构 光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅透射光栅和反射光栅反射

6、光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅圆光栅和直线光栅直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。 1.长光栅检测装置

7、的结构主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）图图5.9 5.9 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅 图图5.10 5.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 二、工作原理二、工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，标尺光栅与指示光栅交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明

8、亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹具有如下特点： 1. 放大作用 用B（mm）表示莫尔条纹莫尔条纹的宽度，W(mm)表示栅距栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，如图5-18所示则有 (5-8)莫尔条纹宽度B与角成反比，越小，放大倍数越大。 WWBsinVSW WB BB B 2. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。 3. 莫尔条纹的移

9、动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距当光栅尺移动一个栅距W W时，莫尔条纹也时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度刚好移动了一个条纹宽度B B。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反（见图5-18）。 若标尺光栅不动，将指示光栅转一很小的角度，两者移动方向及光栅夹角关系如表5-1所示。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。表5-1莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系 W 标尺光栅图5-18 莫尔条纹 图5-19 光栅测

10、量系统 P1 P2 P3 P4 指示光栅 标尺光栅 硅光电池 聚光镜 光源 光栅测量系统如图5-19所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用

11、把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。 三、光栅传感器的信号处理（光栅位移数三、光栅传感器的信号处理（光栅位移数字转换系统）字转换系统） 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，假定我们开辟一个小窗口来观察莫尔条纹的变化情况，就会发现它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见图5-20）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见图5-21），经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。 O