1、第6 章 數(shù)控機(jī)床及加工中心的位移檢測(cè)系統(tǒng)6. 1 概述6. 2 感應(yīng)同步器6. 3 光柵位置檢測(cè)裝置6. 4 光電脈沖編碼器6. 5 旋轉(zhuǎn)變壓器6. 6 磁尺檢測(cè)裝置返回6. 1概述6. 1. 1檢測(cè)裝置的性能指標(biāo)與要求通常位置檢測(cè)裝置的精度指標(biāo)主要包括系統(tǒng)精度和系統(tǒng)分辨率。系統(tǒng)精度是指在某單位長(zhǎng)度或角度內(nèi)的最大累計(jì)測(cè)量誤差, 目前直線位移的測(cè)量精度可達(dá) (0. 0010. 002) mm/ m,角位移的測(cè)量精度可達(dá)10/360。而系統(tǒng)分辨率是指位置檢測(cè)裝置能夠測(cè)量的最小位移量,目前直線位移的分辨率可達(dá)0. 001mm, 角位移的分辨率可達(dá)2。通常檢測(cè)裝置能檢測(cè)到的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度

2、為024m/ min。數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的要求主要有:下一頁(yè)返回6. 1概述(1) 高可靠性和抗干擾性。(2) 滿足精度和速度的要求。(3) 高精度保持性。(4) 使用及維護(hù)方便, 適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境。(5) 成本低。6. 1. 2檢測(cè)裝置的分類6. 1. 2. 1增量式與絕對(duì)式1. 增量式測(cè)量上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 1概述增量式測(cè)量只測(cè)量相對(duì)位移量, 如果測(cè)量單位為0. 001mm, 則每移動(dòng)0. 001mm 就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式, 其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但由于測(cè)量結(jié)果是增量形式, 一旦某一處測(cè)量有誤, 則在其后的累加測(cè)量值均是錯(cuò)誤的, 因此可能產(chǎn)生累積

3、誤差。而且, 增量式測(cè)量在斷電后不能記憶絕對(duì)坐標(biāo)值, 所以采用這種測(cè)量方式的數(shù)控機(jī)床在開機(jī)時(shí), 必須進(jìn)行“回零” 操作, 其在發(fā)生斷電故障時(shí), 不能再找到事故前的正確位置, 只能在故障排除后回零重新計(jì)數(shù)才能找到正確位置。2. 絕對(duì)式測(cè)量上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 1概述絕對(duì)式測(cè)量方式對(duì)于被測(cè)量點(diǎn)的位置都是由一個(gè)固定的零點(diǎn)作為基準(zhǔn)的, 每一點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。采用這種方式, 分辨率要求越高, 量程越大, 結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。6. 1. 2. 2直接式與間接式若測(cè)量傳感器所測(cè)量的指標(biāo)就是所要求的指標(biāo), 即直線型傳感器測(cè)量直線位移、回轉(zhuǎn)型傳感器測(cè)量角位移, 則該測(cè)量方式為直接測(cè)量。典型的直接測(cè)量裝置為光柵、

4、感應(yīng)同步器或磁尺、編碼器。其測(cè)量精度主要取決于測(cè)量系統(tǒng)本身的精度, 不受機(jī)床傳動(dòng)精度的直接影響。但測(cè)量直線位移時(shí), 檢測(cè)裝置要和行程等長(zhǎng), 這對(duì)于大型機(jī)床而言是不利的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 1概述若回轉(zhuǎn)傳感器測(cè)量的角位移只是中間值, 由它再推算出與之對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)直線位移, 那么該測(cè)量方式為間接測(cè)量。該方法使用方便且無(wú)長(zhǎng)度限制, 但其測(cè)量精度取決于測(cè)量裝置和機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。典型的間接測(cè)量裝置為碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。6. 1. 2. 3模擬式與數(shù)字式數(shù)字式測(cè)量是將被測(cè)量以數(shù)字形式表示。數(shù)字式測(cè)量輸出信號(hào)一般是電脈沖, 可以直接送到數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī)) 進(jìn)行比較、處理。其典型的檢測(cè)裝置為光柵位移測(cè)量裝

5、置。數(shù)字式測(cè)量的特點(diǎn)如下:上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 1概述(1) 被測(cè)量量化后轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù), 便于顯示處理。(2) 測(cè)量精度取決于測(cè)量單位, 與量程基本無(wú)關(guān)。(3) 檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單, 脈沖信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)。模擬式檢測(cè)是將被測(cè)量用連續(xù)的變量表示, 如用電壓或相位的變化來(lái)表示。在大量程內(nèi)做精確的模擬式檢測(cè)技術(shù)要求較高, 故在數(shù)控機(jī)床中, 模擬式檢測(cè)主要用于小量程測(cè)量。模擬式測(cè)量的主要特點(diǎn)如下:(1) 直接對(duì)被測(cè)量進(jìn)行檢測(cè), 無(wú)須量化。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 1概述(2) 在小量程內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。(3) 可用于直接檢測(cè)和間接檢測(cè)。典型的模擬式測(cè)量裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁柵等。數(shù)控機(jī)床常用

6、檢測(cè)裝置的分類見表6-1。上一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面印刷電路繞組的電磁耦合原理, 檢測(cè)運(yùn)動(dòng)件的直線位移或角位移的傳感器。它屬于模擬式測(cè)量, 其輸出電壓隨被測(cè)直線位移或角位移而改變。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)可分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩類。直線型感應(yīng)同步器用于直線位移測(cè)量, 旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)同步器用于角位移測(cè)量。兩者結(jié)構(gòu)略有不同, 但其工作原理相同。感應(yīng)同步器的抗干擾性強(qiáng), 對(duì)環(huán)境要求低, 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 大量程時(shí)接長(zhǎng)方便, 加之成本較低, 所以在數(shù)控機(jī)床檢測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器6. 2. 1直線型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖6-1 所示, 其

7、定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成, 鋼板上用絕緣黏結(jié)劑貼有銅箔, 并利用腐蝕的辦法做成圖6-1 所示的矩形繞組。長(zhǎng)尺叫定尺, 短尺叫滑尺, 標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)度為250mm, 滑尺長(zhǎng)度為100mm, 使用時(shí)定尺安裝在固定部件上(如機(jī)床床身)、滑尺安裝在運(yùn)動(dòng)部件上。由圖6-1 可以看出, 定尺繞組是連續(xù)的, 而滑尺上分布有兩個(gè)勵(lì)磁繞組, 分別稱為正弦繞組(sin 繞組) 和余弦繞組(cos 繞組)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí), 余弦繞組與定尺繞組相差1/4 節(jié)距。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺上矩形繞組的節(jié)距相等, 均為2, 定尺和滑尺之間有(0.

8、250. 05) mm 的均勻氣隙, 使用時(shí)分別安裝在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件上。定尺安裝在機(jī)床導(dǎo)軌上, 其長(zhǎng)度大于被檢測(cè)件的長(zhǎng)度; 滑尺較短, 安裝在運(yùn)動(dòng)部件上, 并自然接地。目前生產(chǎn)的直線型感應(yīng)同步器有標(biāo)準(zhǔn)式、窄式、鋼帶式和三速式等多種。標(biāo)準(zhǔn)式感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)度為250mm, 但可用接長(zhǎng)的方法接到18m。鋼帶式感應(yīng)同步器定尺的單根長(zhǎng)度可做到10m, 最長(zhǎng)30m。直線型感應(yīng)同步器適用于各種重型、大型和中小型機(jī)床。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器6. 2. 2感應(yīng)同步器的工作原理由圖6-1 可以看出, 當(dāng)滑尺的兩個(gè)繞組中任意相通有勵(lì)磁電流時(shí), 由于電磁感應(yīng)作用,在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。定尺繞組中

9、感應(yīng)的總電勢(shì)是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的向量和。圖6-2 所示為滑尺繞組相對(duì)定尺繞組移動(dòng)時(shí)定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)變化的情況, 若向滑尺上的正弦繞組通以交流勵(lì)磁電壓, 則在繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電流, 因而繞組周圍產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), A 點(diǎn)表示滑尺繞組與定尺繞組重合, 這時(shí)定尺繞組中感應(yīng)電勢(shì)最大, 當(dāng)滑尺從A 點(diǎn)向右平移時(shí), 感應(yīng)電勢(shì)相應(yīng)逐漸減小, 到兩繞組剛好錯(cuò)開1/ 4 節(jié)距位置即圖中B 點(diǎn)時(shí), 感應(yīng)電勢(shì)為零。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器再繼續(xù)移動(dòng)到1/ 2 節(jié)距的位置C 點(diǎn)時(shí), 得到的感應(yīng)電勢(shì)與A 點(diǎn)大小相同, 但極性相反。再移動(dòng)到3/ 4 節(jié)距即圖中D 點(diǎn)時(shí), 感應(yīng)電勢(shì)又變?yōu)榱?。?dāng)

10、移動(dòng)一個(gè)節(jié)距到達(dá)E 點(diǎn)時(shí),情況與A 點(diǎn)相同。可見, 滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中, 定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)按余弦波形變化一個(gè)周期。設(shè)定尺繞組節(jié)距為2, 它對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了2, 當(dāng)滑尺移動(dòng)距離為時(shí), 對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系可得上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器則定尺繞組上的感應(yīng)電勢(shì)為同理, 當(dāng)只對(duì)余弦繞組勵(lì)磁時(shí), 定尺繞組中感應(yīng)電勢(shì)Ec 按下述公式變化:當(dāng)同時(shí)給滑尺上兩繞組勵(lì)磁(Us、Uc ) 時(shí), 則更具疊加原理, 定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)應(yīng)是各感應(yīng)電勢(shì)的代數(shù)和(E =Es +Ec), 據(jù)此就可以求出滑尺的位移。6. 2. 3感應(yīng)同步器的典型應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返

11、回6. 2感應(yīng)同步器根據(jù)勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁供電方式的不同, 感應(yīng)同步器可分為鑒相工作方式和鑒幅工作方式兩種。6. 2. 3. 1鑒相工作方式給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別施加頻率相同、幅值相同但時(shí)間相位相差/2的交流勵(lì)磁電壓, 即根據(jù)疊加原理, 定尺上的總感應(yīng)電壓為上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器鑒相式檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成如圖6-3 所示。CNC 裝置發(fā)出指令脈沖, 經(jīng)脈沖相位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相對(duì)于基準(zhǔn)相位0 變化的指令相位1, 即表示位移量的指令式是以相位差角度值給定的。從脈沖相位變換器輸出的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)經(jīng)勵(lì)磁供電線路給感應(yīng)同步器滑尺的兩勵(lì)磁繞組供電, 其過程為基準(zhǔn)相位0 經(jīng)/ 2 移相, 變?yōu)榉?/p>

12、相等、頻率相同、相位相差/ 2 的正弦、余弦信號(hào), 給正弦繞組、余弦繞組勵(lì)磁。這樣, 因?yàn)槭莵?lái)源于同一個(gè)基準(zhǔn)相位0, 所以定尺繞組上所取得的感應(yīng)電壓E 的相位2 則反映出兩者的相位位置。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器因此, 將指令相位1 和實(shí)際相位2 在鑒相器中進(jìn)行比較, 若兩者相位一致, 即1 =2, 則表示感應(yīng)同步器的實(shí)際位置與給定指令位置相同; 若兩者位置不一致, 則利用其產(chǎn)生的相位差作為控制信號(hào), 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)向減小相位差的方向移動(dòng)。具體控制過程為: 脈沖相位轉(zhuǎn)換器每接收一個(gè)脈沖便產(chǎn)生一個(gè)指令位移增量, 其大小取決于脈沖相位轉(zhuǎn)換器的分頻系數(shù)N, 而分頻系數(shù)取決于系統(tǒng)分辨率

13、。如果感應(yīng)同步器一個(gè)節(jié)距為2mm, 脈沖當(dāng)量選定為0. 005mm, 則一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的相位增量為上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器6. 2. 3. 2鑒幅工作方式供給滑尺上正、余弦繞組以頻率相同、相位相同但幅值不同的勵(lì)磁電壓。則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為當(dāng)- 的數(shù)值很小時(shí), 定尺上的感應(yīng)電壓E 可近似表示為上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器而其中所以機(jī)械位移每改變一個(gè)x 的位移增量, 就有誤差電壓E。值得注意的是, 當(dāng)誤差電壓很小時(shí), 誤差電壓的幅值才和x 成正比。當(dāng)E 超過某一預(yù)先設(shè)定的門檻電平時(shí), 就產(chǎn)生脈沖信號(hào), 并用此來(lái)修正勵(lì)磁信號(hào)Us、Uc, 使誤差信號(hào)重新降低到門檻電平以下, 這

14、樣就把位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器圖6-4 所示為感應(yīng)同步器鑒幅測(cè)量系統(tǒng)框圖。由于感應(yīng)同步器定尺繞組輸出的誤差電壓E 比較微弱, 所以要經(jīng)前置放大器放大到一定幅值后, 再送到誤差變換器。誤差變換器經(jīng)方向判別后, 將表示方向正負(fù)的符號(hào)送入脈沖混合器, 并產(chǎn)生實(shí)際脈沖值。此環(huán)節(jié)中包括門檻電路, 一旦定尺上的感應(yīng)電壓E 超過門檻值, 便產(chǎn)生實(shí)際脈沖值。這些脈沖一方面作為實(shí)際位移值送到脈沖混合器; 另一方面送到數(shù)字正余弦信號(hào)發(fā)生器, 修正勵(lì)磁電壓的幅值, 使其按照正余弦規(guī)律變化。門檻電平的整定, 是根據(jù)脈沖當(dāng)量來(lái)進(jìn)行的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器

15、脈沖混合器的作用是將來(lái)自于CNC 裝置的指令脈沖與反饋回來(lái)的實(shí)際脈沖值進(jìn)行比較,得到系統(tǒng)的數(shù)字量位置誤差, 再經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào), 控制伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。D/ A 轉(zhuǎn)換器的作用是產(chǎn)生勵(lì)磁電壓。D/ A 轉(zhuǎn)換器由多抽頭的計(jì)數(shù)變壓器、開關(guān)線路和變換計(jì)數(shù)器組成, 計(jì)數(shù)變壓器的抽頭必須精確地按照正弦、余弦函數(shù)抽出。6. 2. 4感應(yīng)同步器的安裝將感應(yīng)同步器的輸出與數(shù)字位移顯示器相連, 便可方便地將滑尺相對(duì)定尺的機(jī)械位移準(zhǔn)確地顯示出來(lái)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器根據(jù)感應(yīng)同步器的工作方式不同, 數(shù)字位移顯示器也有相位型和幅值型兩種。為了提高定尺輸出電信號(hào)的強(qiáng)度, 定尺上

16、輸出電壓首先應(yīng)經(jīng)前置放大器放大后再進(jìn)入到數(shù)字顯示器中。此外, 在感應(yīng)同步器滑尺繞組與勵(lì)磁電源之間要設(shè)置匹配電壓器, 以保證滑尺繞組有較低的輸入阻抗。圖6-5 所示為直線感應(yīng)同步器的安裝圖, 通常將定尺尺座與固定導(dǎo)軌連接, 滑尺座與移動(dòng)部件連接。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 2感應(yīng)同步器為了保證檢測(cè)精度, 要求定尺側(cè)母線與機(jī)床導(dǎo)軌基準(zhǔn)面的平行度允差在全長(zhǎng)內(nèi)為0. 1mm, 滑尺側(cè)母線與機(jī)床導(dǎo)軌基準(zhǔn)面的平行度允差在全長(zhǎng)內(nèi)為0. 02mm, 定尺與滑尺接觸的四角間隙一般不大于0. 05mm。當(dāng)量程超過250mm 時(shí), 需將多個(gè)定尺連接起來(lái), 此時(shí)應(yīng)使接長(zhǎng)后的定尺組件在全長(zhǎng)上的累積誤差控制在允差范圍內(nèi)。接長(zhǎng)后

17、的定尺組件和滑尺組件分別安裝在機(jī)床兩個(gè)做相對(duì)位移的部件上。上一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置光柵主要可分為物理光柵和計(jì)量光柵兩大類。物理光柵刻線細(xì)密(200500 條/ mm),節(jié)距小, 利用光的衍射現(xiàn)象, 通常用于光譜的分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定等。計(jì)量光柵刻線較粗(25 條/ mm, 50 條/ mm, 100 條mm, 250 條mm), 主要利用光的透射和反射現(xiàn)象, 用于檢測(cè)直線位移和角位移等。計(jì)量光柵應(yīng)用莫爾條紋原理, 所測(cè)的位置精度相當(dāng)高, 而且計(jì)量光柵的讀數(shù)速率從每秒零次到數(shù)萬(wàn)次, 范圍很廣, 非常適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。計(jì)量光柵又分為長(zhǎng)光柵(用于測(cè)量直線位移) 和圓光柵(用于測(cè)量角位移), 兩

18、者工作原理基本相似, 通常長(zhǎng)光柵應(yīng)用較多。下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置6. 3. 1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置(直線光柵傳感器) 由標(biāo)尺光柵、指示光柵和光柵讀數(shù)頭等組成。標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動(dòng)部件上(如工作臺(tái)上), 光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上。當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí), 指示光柵便在標(biāo)尺光柵上發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙要嚴(yán)格保證(0. 050. 1mm)。圖6-6 所示為光柵檢測(cè)裝置的安裝結(jié)構(gòu)。標(biāo)尺光柵和指示光柵統(tǒng)稱為光柵尺, 它們是在真空鍍膜的玻璃片或長(zhǎng)條形金屬鏡面上刻出均勻密集的線紋, 光柵的線紋相互平行, 線紋之間的距離叫作柵距

19、。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置對(duì)于圓光柵, 這些線紋是圓心角相等的向心條紋, 兩條向心條紋之間的夾角叫作柵距角。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)光柵, 金屬反射光柵的線紋密度為每毫米2550 個(gè)條紋, 玻璃透射光柵為每毫米100250 個(gè)條紋。光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器, 它把光柵莫爾條紋變?yōu)殡娦盘?hào)。圖6-7 所示為垂直入射的讀數(shù)頭, 讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。圖6-6 中的標(biāo)尺光柵不屬于光柵讀數(shù)頭, 但它要穿過光柵讀數(shù)頭, 且保證與光柵有準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系。6. 3. 2光柵傳感器的工作原理上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置以投射光柵為例, 當(dāng)

20、指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度 , 并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí), 在光源的照射下, 柵紋上形成明暗相間的條紋, 這就是莫爾條紋, 如圖6-8 所示。嚴(yán)格來(lái)說(shuō), 莫爾條紋排列的方向是: 與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋寬度, 以B表示。6. 3. 2. 1莫爾條紋的變化規(guī)律兩片光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距, 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。由于光的衍射與干涉作用,莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余) 弦函數(shù), 變化周期與光柵相對(duì)移動(dòng)的柵距數(shù)同步。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置6. 3. 2. 2放大作用測(cè)量莫爾條紋的寬度要比測(cè)

21、量光柵線紋寬度容易得多。在兩光柵柵距均為W, 柵線夾角較小的情況下, 莫爾條紋寬度B 與光柵柵距W 及柵線夾角之間有下列關(guān)系:當(dāng) 角很小時(shí), sin, 則上式可近似為上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置若W =0. 01mm, =0. 01rad, 則可得出B =1mm, 即將光柵柵距轉(zhuǎn)換成為放大100 倍的莫爾條紋。6. 3. 2. 3誤差平均效應(yīng)由于每條莫爾條紋都是由許多光柵線紋的交點(diǎn)組成的, 當(dāng)線紋中有一條線紋有誤差時(shí)(間距不等或傾斜), 這條有誤差的線紋和另一光柵線紋的交點(diǎn)位置將產(chǎn)生變化。但是, 由于一條莫爾條紋是由許多光柵線紋交點(diǎn)組成的。因此, 光柵柵距不均勻或斷裂導(dǎo)致一個(gè)線紋交

22、點(diǎn)位置的變化, 對(duì)于一條莫爾條紋來(lái)講其影響就非常小了, 所以莫爾條紋可以起到均化誤差的作用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置6. 3. 2. 4莫爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成比例當(dāng)干涉條紋移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí), 莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度, 若光柵移動(dòng)方向相反, 則莫爾條紋移動(dòng)的方向也相反。莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向相垂直。這樣測(cè)量光柵水平方向移動(dòng)的微小距離即可用檢測(cè)垂直方向?qū)挻蟮哪獱枟l紋的變化來(lái)代替。6. 3. 3光柵位移數(shù)字變換電路在光柵測(cè)量系統(tǒng)中, 提高分辨率和測(cè)量精度不可能僅靠增大柵線的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。工程上常采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)。細(xì)分技術(shù)有光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分等方

23、法。在伺服系統(tǒng)中, 應(yīng)用最多的是電子細(xì)分方法。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置下面介紹一種常用的4 倍頻光柵位移數(shù)字變化電路。該電路的組成如圖6-9 所示。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接收, 然后經(jīng)過位移數(shù)字變換電路形成正、反走時(shí)的正、反向脈沖, 由可逆計(jì)數(shù)器接收。圖6-9 中有4 塊光電池發(fā)出的信號(hào)分別為a、b、c 和d, 相位彼此相差90。a、c 信號(hào)相位差為180, 送入差動(dòng)放大器放大, 得到sin 信號(hào), 將信號(hào)幅度放大到足夠大。同理, b、d 信號(hào)送入另一個(gè)差動(dòng)放大器, 得到cos 信號(hào)。sin、cos 信號(hào)經(jīng)整形變成方波A 和B, A 和B 信號(hào)經(jīng)反向得C 和D信號(hào)。

24、上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 3光柵位置檢測(cè)裝置A、C、B、D 信號(hào)再經(jīng)微分變成窄脈沖A、C、B、D, 即在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖, 由與門電路把0、90、180、270 4 個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái), 根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向脈沖或反向脈沖, 用可逆計(jì)數(shù)器測(cè)量光柵的實(shí)際位移, 如圖6-10 所示。在光柵位移數(shù)字變換電路中, 除上面介紹的4 倍頻回路以外, 還有10 倍頻回路等。上一頁(yè)返回6. 4光電脈沖編碼器6. 4. 1脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器, 能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖, 是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置檢測(cè)裝置, 經(jīng)過變換電路也可以用于速度檢測(cè),

25、同時(shí)作為速度檢測(cè)裝置。脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式3 種。從精度和可靠性方面來(lái)看, 光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。數(shù)控機(jī)床上主要是使用光電式脈沖編碼器。脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置,它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分的。下一頁(yè)返回6. 4光電脈沖編碼器數(shù)控機(jī)床上常用的脈沖編碼器有2 000 脈沖/ r、2 500 脈沖/ r 和3 000 脈沖/ r 等; 在高速、高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中, 應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器, 如20 000 脈沖/ r、25 000 脈沖/ r 和3 000 脈沖/ r 等, 現(xiàn)已有每轉(zhuǎn)發(fā)出10 萬(wàn)個(gè)脈沖,乃至幾百萬(wàn)個(gè)脈沖的脈沖編碼器, 該編碼器裝置內(nèi)部應(yīng)用

26、了微處理器。光電式脈沖編碼器由光源、透鏡、光電盤、光柵板(圓盤)、光電元件和信號(hào)處理電路等組成(見圖6-11)。光電盤用玻璃材料研磨拋光制成, 玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻, 再用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分, 其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 4光電脈沖編碼器圓盤(光柵板) 也用玻璃材料研磨拋光制成, 其透光窄縫為兩條, 每一條后面安裝一只光電元件。6. 4. 2光電脈沖編碼器的工作原理如圖6-12 所示, 當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí), 光線透過兩個(gè)光柵的線紋部分, 形成明暗相間的3路莫爾條紋, 同時(shí)光敏元件接收這些光信號(hào), 并轉(zhuǎn)化為交替變換的電信號(hào)A、B

27、 (近似于正弦波) 和Z, 再經(jīng)放大和整形變成方波。其中A、B 信號(hào)稱為主計(jì)數(shù)脈沖, 它們?cè)谙辔簧舷嗖?0, 如圖6-13 所示; Z 信號(hào)稱為零位脈沖, “一轉(zhuǎn)一個(gè)”, 該信號(hào)與A、B 信號(hào)嚴(yán)格同步。零位脈沖寬度是主計(jì)數(shù)脈沖寬度的一半, 細(xì)分后同比例變寬。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 4光電脈沖編碼器這些信號(hào)作為位移測(cè)量脈沖, 如經(jīng)過頻率/ 電壓變換, 也可作為速度測(cè)量反饋信號(hào)。6. 4. 3光電編碼器的運(yùn)用光電脈沖編碼器應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中, 作為位置檢測(cè)裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測(cè)信號(hào)反饋給CNC 裝置有幾種方式: 一是使用減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器, 形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖; 二

28、是使用有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器, 形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。圖6-14 所示為第一種方式的電路圖和波形圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 4光電脈沖編碼器光電脈沖編碼器的輸入脈沖信號(hào), 經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)傳輸進(jìn)入CNC 裝置, 仍為A 相信號(hào)和B 相信號(hào), 如圖6-14 (a) 所示。圖6-15 所示為第二種方式的電路圖和波形圖。現(xiàn)代全數(shù)字?jǐn)?shù)控伺服系統(tǒng)中, 由專門的微處理器通過軟件對(duì)光電編碼器的信號(hào)進(jìn)行采集、傳送和處理, 完成位置控制任務(wù)。上面介紹的光電脈沖編碼器主要用在進(jìn)給系統(tǒng)中。如果在主運(yùn)動(dòng)(主軸控制) 中也采用這種光電脈沖編碼器, 則該系統(tǒng)成為具有位置控制功能的主軸控制系統(tǒng), 或者叫

29、作C 軸控制。在一般主軸控制系統(tǒng)中, 采用主軸位置脈沖編碼器, 其原理與光電脈沖編碼器一樣,只是光柵線紋數(shù)為1 024/ 周, 經(jīng)4 倍頻細(xì)分電路后, 為每轉(zhuǎn)4 096 個(gè)脈沖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 4光電脈沖編碼器主軸位置脈沖編碼器的作用是控制自動(dòng)換刀時(shí)的主軸準(zhǔn)停以及車削螺紋時(shí)的進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)的定位。加工中心自動(dòng)換刀時(shí), 需要定向控制主軸停在某一固定位置, 以便在該處進(jìn)行換刀等動(dòng)作, 只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令, 即可利用主軸位置脈沖編碼器輸出信號(hào)使主軸停在規(guī)定的位置上。數(shù)控車床車削螺紋時(shí)需要多次走刀, 車刀和主軸都要求停在固定的準(zhǔn)確位置上, 其主軸的起點(diǎn)和終點(diǎn)角度位置依據(jù)主軸位置脈沖編碼器的

30、“零脈沖” 作為基準(zhǔn)來(lái)準(zhǔn)確保證。在進(jìn)給坐標(biāo)軸中, 還應(yīng)用一種手搖脈沖發(fā)生器, 一般每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1 000 個(gè)脈沖, 脈沖當(dāng)量為1m, 它的作用是慢速對(duì)刀和手動(dòng)調(diào)整機(jī)床。上一頁(yè)返回6. 5旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電動(dòng)機(jī), 它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。在結(jié)構(gòu)上, 旋轉(zhuǎn)變壓器與二相繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似, 由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的原邊, 轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。勵(lì)磁電壓接到定子繞組上, 其頻率通常為400Hz、500Hz、1 000Hz 和5 000Hz。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 動(dòng)作靈敏, 對(duì)環(huán)境要求低, 輸出信號(hào)幅度大, 抗干擾能力強(qiáng), 工作可靠, 因此在數(shù)控

31、機(jī)床上廣泛使用。6. 5. 1旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理下一頁(yè)返回6. 5旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證定子和轉(zhuǎn)子之間空氣隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律, 因此當(dāng)勵(lì)磁電壓加到定子繞組上時(shí), 通過電磁耦合, 轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 如圖6-16 所示。其輸出電壓的大小取決于轉(zhuǎn)子的角度位置, 即隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正弦變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸位置轉(zhuǎn)動(dòng)角度 時(shí), 繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁軸平行, 即 =90時(shí), 轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大, 即上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 5旋轉(zhuǎn)變壓器6. 5. 2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用中, 通常采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器, 其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有相互

32、垂直的兩個(gè)繞組, 如圖6-17 所示。當(dāng)勵(lì)磁繞組用兩個(gè)相位差90的電壓供電時(shí), 應(yīng)用疊加原理, 在副邊的一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組中磁通為(另一個(gè)繞組短接)而輸出電壓為上一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置磁尺又稱磁柵, 是用電磁方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種檢測(cè)裝置, 其記錄磁信號(hào)和拾取磁信號(hào)的原理與普通磁帶相似。錄磁時(shí), 將一定周期變化的磁和信號(hào)(方波、正弦波或脈沖等)用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺上, 作為測(cè)量的基準(zhǔn)。在檢測(cè)過程中, 用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 經(jīng)過檢測(cè)電路處理, 把磁頭相對(duì)于磁尺的位置送入數(shù)控裝置和數(shù)顯裝置中。磁尺位置檢測(cè)有直線式和回轉(zhuǎn)式兩種, 可用于直線和轉(zhuǎn)角的測(cè)量。磁尺位置檢測(cè)與光柵

33、、感應(yīng)同步器相比, 測(cè)量精度略低, 但其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置(1) 制作簡(jiǎn)單, 安裝、調(diào)整方便, 成本低。磁尺上的磁化信號(hào)錄制完后, 若發(fā)現(xiàn)不符合要求, 可抹去重錄。也可安裝在機(jī)床上后再進(jìn)行錄磁, 以避免安裝誤差。(2) 磁尺的長(zhǎng)度可以任意選擇, 也可以錄制任意節(jié)距的磁信號(hào)。(3) 在油污、粉塵較多的場(chǎng)合使用有較好的穩(wěn)定性。因此, 其在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測(cè)量機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。6. 6. 1磁尺的組成磁尺由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路組成, 其結(jié)構(gòu)如圖6-18 所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置它是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波

34、或電脈沖信號(hào)錄制在磁性標(biāo)尺上, 作為測(cè)量基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí), 用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁性信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào), 再送到檢測(cè)電路中去, 把磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來(lái), 并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。6. 6. 2磁性標(biāo)尺和磁頭磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上, 用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍等方法, 在其表面覆一層10 20m 厚的磁性材料(如Ni-Co-P 或Fe-Co 合金), 稱為磁性膜, 再用錄磁磁頭在此尺上記錄等節(jié)距( 節(jié)距常為0. 05mm、0. 1mm、0. 2mm、1mm) 的周期變化的磁信號(hào), 以作為測(cè)量基準(zhǔn)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置為防止磁頭和磁尺

35、頻繁接觸, 造成對(duì)磁性膜的磨損, 可在磁性膜上均勻涂敷一層12m 的耐磨塑料保護(hù)層。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的器件, 它把反映位置的磁信號(hào)檢測(cè)出來(lái), 并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求, 為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè), 磁尺上采用的磁頭與普通錄音機(jī)上的磁頭不同。普通錄音機(jī)上采用的是速度響應(yīng)性磁頭, 而磁尺上采用的是磁通響應(yīng)性磁頭。該種磁頭的結(jié)構(gòu)如圖6-19 所示。磁頭有兩組繞組, 分別為繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上的勵(lì)磁繞組和繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上的拾磁繞組(輸出繞組)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置當(dāng)對(duì)勵(lì)磁繞組施加勵(lì)磁電流ia =i0sint 時(shí), 若ia 瞬時(shí)

36、值大于某一數(shù)值, 橫桿上的鐵芯材料飽和, 這時(shí)磁阻很大, 磁路被阻斷, 磁性標(biāo)尺的磁通0 不能通過磁頭閉合, 輸出線圈不與0交鏈; 如果ia的瞬時(shí)值小于某一數(shù)值, ia所產(chǎn)生的磁通也隨之降低, 兩橫桿中的磁阻也降低到很小, 磁通開路, 0與輸出線圈交鏈。由此可知, 勵(lì)磁線圈的作用相當(dāng)于磁開關(guān)。6. 6. 3磁尺的工作原理勵(lì)磁電流在一個(gè)周期內(nèi)兩次為零, 兩次出現(xiàn)峰值, 相應(yīng)的磁開關(guān)通斷兩次。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置磁路在由通到斷的時(shí)間內(nèi), 輸出線圈中交鏈磁通量由0 變化到0; 磁路在由斷到通的時(shí)間內(nèi), 輸出線圈中交鏈磁通量由0 變化到0 。 0 由磁性標(biāo)尺中的磁信號(hào)決定, 因此, 輸

37、出線圈中輸出的是一個(gè)調(diào)幅信號(hào), 即使用單個(gè)磁頭輸出信號(hào)較弱, 而且對(duì)磁性標(biāo)尺上磁化信號(hào)的節(jié)距和波形要求也較高。所以實(shí)際上總是將幾十個(gè)磁頭以一定方式串聯(lián), 構(gòu)成多間隙磁頭使用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置為了辨別磁頭的移動(dòng)方向, 通常采用間距為(m+1/ 4) 的兩組磁頭(m =1, 2, 3, ),并使兩組磁頭的勵(lì)磁電流相位相差45, 這樣兩組磁頭輸出電勢(shì)信號(hào)的相位相差90。如果第一組磁頭的輸出信號(hào)是則第二組磁頭的輸出信號(hào)必然是為了提高輸出信號(hào)的幅值, 同時(shí)降低對(duì)錄制的磁化信號(hào)正弦波形和節(jié)距誤差的要求, 在實(shí)際使用時(shí), 常將幾個(gè)到幾十個(gè)磁頭以一定的方式聯(lián)系起來(lái), 組成多間隙磁頭, 如圖6-20所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6. 6磁尺檢測(cè)裝置多間隙磁頭中的每一個(gè)磁頭都以相同的間距 /2 配置, 相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接。因此, 輸出信號(hào)為各磁頭輸出信號(hào)的疊加。多間隙磁頭具有高精度、高分辨率和輸出電壓大等特點(diǎn), 輸出電壓與磁頭數(shù)n 成正比, 例如當(dāng)n =30, /2=50kHz 時(shí), 輸出的峰值達(dá)到數(shù)百毫伏; 而當(dāng) /2=25kHz 時(shí), 峰值高達(dá)1V 左右。6. 6. 4檢測(cè)電路磁尺檢測(cè)是模擬檢查, 必須和檢測(cè)電路配合才能進(jìn)行。檢測(cè)線路包括勵(lì)磁電路, 讀取信號(hào)的濾波、放大、整形、倍頻、細(xì)分、數(shù)字