位置检测装置0制袋机

位置检测装置

位置检测装置 2011年12月10日 来源： 一、位置检测装置的分类和要求位置检测装置是闭环进给伺服系统的重要组成部分，其精度在很大程度上由位置检测装置的进度决定。现在，检测元件与系统的最高水平：被测部件的最高移动速度240m/min时，检测位移分辨率1um；24m/min时，分辨率0.1um；最高分辨率可达0.01um。对位置检测装置的要求：1） 受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强；2） 在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度要求；3） 使用维护方便，适应机床工作环境。4） 成本低。（一）数字式和模拟式测量（所获得的信号不同） 1．数字式测量将被测量以数字的方式表示。测量信号一般为电脉冲，可直接送到数控装置进行比较处理和显示。这样的检测装置有：光栅检测装置、脉冲编码器。装置比较简单，抗干扰能力强。2．模拟式测量将被测量用连续变量表示。如：电压的幅值变化、相位变化。对相位变化的量可直接送数控装置与移相的指令电压进行比较，对幅值变化的量，可先将其转换为数字脉冲信号，再送数控装置进行比较和显示。这类装置有：旋转变压器、感应同步器。（二）增量式和绝对式测量（测量方式不同） 1．增量式测量只测出位移的增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移的数量。由于位移的距离是由增量值累积求得，所以，一旦某处测量有误，则其后所得的位移距离都是错误的。由于不能指示绝对坐标位置，当因事故断电停机检查，执行部件的位置发生变化后，不能由检修后的位置直接回到停机时的原位，而要先回到加工程序的起始位置，并计算出起点到停机位置的距离，才能用位移指令，令执行部件移回停机时的位置，以便继续加工。光栅、脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺都是增量式检测装置。2．绝对式测量能测出被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标值，并以二进制或二十进制数码信号表示。需要转换成脉冲数字信号才能送去比较和显示。有：绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘。结构复杂，分辨率与位移量都受限制。此外，根据安装测量位置，有直接测量和间接测量。二、感应同步器（一）感应同步器的结构和工作原理 1．结构是一种电磁感应式的位置检测装置，有圆和直线两种，分别测量角位移和直线位移。图1 直线式感应同步器的结构原理结构如图1所示。有定尺和滑尺。钢质基尺上粘贴有铜箔，经照相腐蚀成绕组。绕组节距为2mm，定尺是一连续绕组，滑尺有两个绕组----正弦绕组和余弦绕组，在空间位置上相差1/4个节距。定尺表面涂防切削液涂层，滑尺表面还粘贴一层铝箔，接地防静电感应。定尺安装在固定部件上，滑尺安装在移动部件上，表面相互保持平行，间隙为0.2—0.3mm。定尺一般长250mm，通过多根尺接长，增加测量长度。 2．工作原理当滑尺绕组通以激磁电压，如正弦绕组通US=Umsinωt。在定尺绕组上就产生按正弦规律变化的感应电压，且感应电压的幅值随滑尺相对定尺的位置改变。变化情况如图4-25所示。当正弦绕组与定尺绕组对齐重叠时，绕组完全偶合，感应电压的幅值最大。滑尺相对定尺移动，感应电压减小，在错开1/4节距时，感应电压为零，继续移动，感应电压减小为负值，到1/2节距，感应电压达负的最大值。在继续移动，感应电压增大，到3/4节距，电压为零，再移动，电压继续升高，到一个节距，电压又增大到正的最大值。可见，滑尺相对定尺移动一个节距，感应电压的幅值按余弦规律变化一周。感应电压按下式变化：x：0~2mm（2τ）------θ机：0~2π，所以，有：θ机=πx/τ。即：感应电压幅值的电角度与滑尺相对定尺的位移量，在一个节距内成正比关系。故，只要测出θ机就能得到位移量。（二）感应同步器的应用感应同步器有鉴相和鉴幅两种应用（工作）方式。1．鉴相方式 在正弦绕组上通以励磁电压：US=Umsinωt 在余弦绕组上通以励磁电压：UC=Umcosωt 两绕组的励磁电压的幅值、频率相同，相位不同且相差π/2。分别在定尺绕组上产生感应电压： US ---k Umcosθ机sinωt， UC --- —k Umsinθ机cosωt。定尺上总的感应电压为两感应电压的叠加： U=kUmsin（ωt－θ机）这是一个按正弦规律变化的电压，其相位角为，即相位变化对应于滑尺相对定尺位移量的变化。故：只要取出感应电压的相位角，就可测量出滑尺相对定尺的位移。且相位角的正负（超前或落后）反应了相对运动的方向。通过鉴别感应电压的相位测量位移，所以称鉴相工作方式。 2．鉴幅方式在正、余弦绕组上通以调幅激磁电压：频率、相位相同，幅值不同，正弦绕组的幅值按正弦规律变化，余弦绕组按余弦规律变化： US=Umsinθ电sinωt UC=Umcosθ电sinωt在定尺绕组上的感应电压为： U=k Umsinθ电sinωt cosθ机- kUmcosθ电sinωt sinθ机 = k Umsin（θ电-θ机）sinωt 在鉴幅方式，位移的变化，引起的变化，表现为感应电压幅值的变化。因此，可以通过鉴别感应电压的幅值变化测量位移的变化。令Δθ=θ电-θ机，且Δθ=πΔx/τ，当Δθ很小时，有：U= k UmΔθsinωt= k Um（πΔx/τ）sinωt电压幅值的变化量正比于位移的变化量（增量）。在实际应用中，不断修改激磁信号的θ电，使之紧紧跟踪的θ机变化，从而保持Δθ为很小的量。感应电压实际上是一个微量的误差电压。这样，通过测定电压的幅值来测定Δθ，也就是Δx的大小。三、光栅位置检测装置(一)光栅检测装置的结构 如图2所示，由光源、透镜、指示光栅、光电元件、驱动电路以及标尺光栅组成。前5个元件安装在同一支架上构成读数头，读数头安装在机床执行部件的固定零件上。标尺光栅安装在移动零件上。标尺光栅与指示光栅的尺面平行，保持0.05～0.1mm的间隙。 光栅尺光栅尺指标尺光栅和指示光栅，根据制造方法和光学原理的不同，可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅：在经磨制的光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。 特点：1）光源垂直入射，光电元件直接感受光照，因此，信号幅值比较大，信噪 比好，光电转换器的结构简单。 2）线纹密度大，如200线/mm，光栅本身已经细分到0.005mm，从而减轻 了电子线路的负担。 缺点：玻璃易碎；热膨胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。反射光栅：用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成。 特点：与机床金属部件热膨胀系数一致；增加光栅尺长度方便；安装所需面积小， 调整方便。适用于大位移测量。 缺点：线纹密度低。光栅线纹是光栅的光学结构，相邻两线纹的距离称为栅距ω。单位长度上刻线数目称为线纹密度，常见为4、10、25、50、100、200、250线/mm。（二）莫尔条纹指示光栅与标尺光栅栅距ω相同，平行放置，并将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，使两光栅的刻线相交。当光源照射时，在线纹相交钝角的平分线方向，出现明暗交替。间距相等的条纹，称莫尔条纹。这是由于光的干涉效应，在交点，刻线形成的透光隙缝互不遮挡，透光最强，形成亮带。在两交点的中间，透光隙缝完全被不透光的部分遮盖，透光最差，形成暗带。相邻两亮带或暗带之间的距离W称为莫尔条纹的节距。节距W与栅距ω和倾角θ之间的关系为： 莫尔条纹有以下特点： 1．放大作用当ω=0.01mm，θ=0.002rad=0.11°时，W=5mm。节距是栅距的500倍，将很难看清的光栅线纹放大成清晰可见的莫尔条纹。这样便于测量。2．误差均化作用 莫尔条纹是由成百千根刻线共同形成的，这样，使得栅距的误差得到平均化。 3．利用莫尔条纹测量位移 标尺光栅相对指示光栅移动一个栅距，对应莫尔条纹移动一个节距。利用这个特点就可测量位移：在光源对面的光栅尺背后固定安装光电元件，莫尔条纹移动一个节距，莫尔条纹明—暗---明变化一周。光电元件接受的光强强---弱---强变化一周，输出一个近似按正弦规律变化的信号，信号变化一周。根据信号的变化次数，就可测量位移量，移动了多少个栅距。标尺光栅相对指示光栅的方向改变，对应莫尔条纹的移动方向随之改变，根据莫尔条纹的移动方向可确定位移的方向：在刻线平行方向相距1/4节距安装两个光电元件，这是两个光电元件输出的信号有π/2的相位差，根据两信号的相位的超前和落后，可判断位移方向。四、脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲。还可通过检测电脉冲的频率来检测转速，作速度检测装置。有增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器两种。（一）增量式脉冲编码器1．结构增量式脉冲编码器有光电式、接触式和电磁感应式三种。数控机床上使用的都是光电式。结构如图4-37所示。圆光栅固定在转轴上，转轴与被测旋转轴连接。指示光栅固定在机座上，与圆光栅平行并保持一定的间隙。光源、光电元件和电路板固定在底座上，在光栅前后相对安装。圆光栅的基体是玻璃圆盘，表面用真空镀膜法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀工艺，制成等距的透光和不透光相间的辐射状线纹，相邻两个透光和不透光线纹构成一个节距。在圆盘里圈不透光圆环上刻有一条透光条纹，用来产生一转一个脉冲信号Z。指示光栅上有两组线纹，节距与圆光栅相等，两组线纹彼此错开1/4节距。2．工作原理圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的A、B两组线纹，每转过一个光栅节距，便在光电元件上形成明—暗—明一个周期的光信号，并被转换成两组近似于正弦波的电压信号，连续旋转便得到两路正弦电压信号。经放大、整形后，得到方波信号。从而将角位移转换成了电脉冲。正转时，A相超前90，反转时，B相超前90，通过鉴别A、B两相方波的相位关系，辨别旋转方向。一转脉冲Z为基准脉冲，也称零点脉冲。它是在圆光栅，也是被测旋转轴在一个固定的圆周位置上产生的脉冲。作为坐标原点的信号，车螺纹时作为进刀点的信号。每个脉冲对应的转角与每转输出的脉冲数有关，通常有2000，2500，3000p/r。高分辨率的有：20000，25000，30000p/r。最高达100000p/r。（二）绝对式脉冲编码器是绝对角度位置检测装置。输出信号是某种制式的数码信号，每个角度位置对应一个不同的数码，表示出位移后到达的绝对位置。要用起点位置和终点位置的数码，经运算后才能求得位移量的大小。位移具有停电记忆，只要通电就能显示所在的绝对位置，因此，事故停机检修后，可根据停机时存储或记录的绝对位置，通过绝对位移指令，直接回到原停机位置继续加工。也有光电式、接触式、电磁式三种。常用光电式。结构组成与增量编码盘相似。旋转圆盘是编码盘。码盘上有许多同心圆环（码位数），称为码道。整个圆盘周向又分成若干等份（编码数）的扇形区段，每一扇形区段的码道组成一个数码，透光的码道为“1”，不透光的码道为“0”，内码道为数码高位。所用数码可以是纯二进制，还有葛莱循环码。在圆盘的同一半径方向的每个码道处安装一个光电元件，光源透过码盘，每个扇形区段内的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。纯二进制码的缺点：相邻两个二进制数可能有多个数位不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增加了误读几率。葛莱码则相邻两个二进制数码只有一个数位不同，只有一位切换，提高了读数可靠性。

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