第五章 位置检测装置
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1、明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第五章第五章 位置检测装置位置检测装置 内容提要内容提要 本章将详细讨论进给伺服系统的各种位置反馈元件位置检测装置。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。 而位置检测装置则是CNC 系统的“五官”。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第一节第一节 概述概述一. 进给伺服系统
2、进给伺服系统1 . 定义： 进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件的位置位置和速度速度作为控制量的自动控制系统。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院二、组成及作用二、组成及作用 组成组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 作用作用：实时测量
3、执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院三、进给伺服系统对位置测量装置的要求q 高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；q 能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数
4、量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。q 使用维护方便使用维护方便，适应机床工作环境适应机床工作环境；q 成本低成本低。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院四、 位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型回转型和直线型明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院常用位置检测装置分类表数数字字式式 模模拟拟式式 增增量量式式 绝绝对对式式 增增量量式式 绝绝对对式式 回回转转式式 脉脉冲冲编编码码盘盘 圆光栅 绝对式脉冲编码盘 旋旋
5、转转变变压压器器 圆感应同步器 圆磁尺 三速圆感应同步器 直直线线式式 直直线线光光栅栅 激光干涉仪 多通道透射光栅 直直线线感感应应同同步步器器 磁尺 三速感应同步器 绝对磁尺 明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第二节第二节. 感应同步器感应同步器q 感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类q 结构：二尺与导轨平行 sin cos 节距2（2mm） 节距（0.5mm）41 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)定尺定尺（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件滑尺滑尺（分段励磁绕组：正弦（分段励磁绕组：正弦+余弦）：固定在移动
6、部件余弦）：固定在移动部件0.15 0.35mm明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 分类增量式绝对式圆感应同步器带型窄长型标准型增量式绝对式直线感应同步器明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理. . 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q感应同步器的工作原理U0U01USUSUSUSUS定尺滑尺明德明德 砺志砺志 博学博
7、学 笃行笃行机械工程学院q 感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucsin1明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机
8、械工程学院 滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取： 2: 2= x : 1 x = 1 结论：结论：相对位移量 x 与 相位角1 呈线性关系，只要能测出相位角1 ，就可求得位移量 x 。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系统和鉴幅型系统。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为 /2的交变电压： US = Um sint UC = Um cost 则： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sint cos1K Um cost si
9、n1 = K Um sin（t 1） 结论：结论：只要能测出Uo与US相位差1 ，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压： US = Um sin2sint UC = Um cos2sint 2= x 2 （ x 2是指令位移值） Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1 = K Um sin（21）sint 结论：结论：只要能测出Uo与UC相位差1 ，就可求得滑尺与定
10、尺 相 对位移量 x 。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院几点说明感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便 地采用现代的数字处理技术明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院6. 感应同步器的特点及使用注意事项q 特点精度高：平均自补偿特性；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。串联方式 n 1
11、0串并联方式 n 10明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院q 使用注意事项 在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响） 在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。 对鉴相系统： 激磁电压的幅值、频率相等；相位差900 对鉴幅系统： 对Um sin2、Um cos2调制的精确性 当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行机械工程学院第三节. 编码器编码器 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换
