第五部分?jǐn)?shù)控機床位置檢測與傳感器件1.位置傳感器件主要分類(1)直線和角位移傳感器:a.直線位移傳感器直線位移傳感器用于測量工作臺的位移，通常裝在工作臺側(cè)面。為了使傳感器的熱膨脹系數(shù)與機床床身的相同，要選擇傳感器的材料，否則會影響測量的準(zhǔn)確性。直線位移傳感器還要避免油霧、冷卻液和切屑等的污染。b.角位移傳感器是用來測量傳動軸的角度位移的。用角位移傳感器測量直線位移時，要求它的測量值與工作臺的直線位移有一定的對應(yīng)關(guān)系，通常是將角位移傳感器裝在帶動工作臺移動的絲杠的端部。位移傳感器的輸出只有兩種形式，即模擬式或數(shù)字式；直線或角位移傳感器也可能是絕對、半絕對或增量位移傳感器。(2)模擬式和數(shù)字式位移傳感器:模擬傳感器——傳感器輸出信號的強度產(chǎn)生連續(xù)的、逐漸的變化。數(shù)字位移傳感器——工作臺位置變化時，位移傳感器以電脈沖的形式產(chǎn)生一個數(shù)字式輸出信號。根據(jù)機床的最小設(shè)定單位，每移動相應(yīng)的距離就產(chǎn)生一個脈沖。(3)絕對、半絕對及增量位移傳感器:絕對、增量傳感器產(chǎn)生的信號，前者是一個絕對的位置數(shù)據(jù).后者是相對于上一個位置的增最(相對)數(shù)據(jù)。半絕對位移傳感器大部分使用絕對角位移傳感器測量絲杠的角位移，為了得到工作臺的直線位移，需要采用一些附加的方法測定絲杠旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。2.精度的概念精度和分辨率是描述傳感器件性能的重要指標(biāo)。傳感器件的測量精度是其可以一致的、重復(fù)測出的最小單位；分辨率是指傳感器件能辨別的一個物理量等分后的最小單位。無論是直線位移傳感器還是角位移傳感器，精度都是指其測量工作臺位移的精度，而不是傳感器的分辨率。另一方面，測量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影響。3.光柵位移檢測裝置光柵位移傳感器基于莫爾條紋和光電效應(yīng)將位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，有直線光柵和困光柵兩種類型。光柵位移檢測裝置的測量精度高，在大量程測長方面其精度僅低于激光式的測量精度；而對要求整困范圍內(nèi)高分辨率的困分度測量來說，光柵式測量裝置是精度最高的一種。光柵位移傳感器具有高分辨率、大量程、抗干擾能力強、宜于動態(tài)測量、自動測量及數(shù)字顯示等特點，是數(shù)控機床上理想的位置檢測元件。(1)光柵位移檢測裝置:包括三大部分:光柵傳感器、光柵倍頻器、光柵數(shù)顯表。a.光柵傳感器是一種將位移信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號的裝置。這部分功能主要由光柵光學(xué)系統(tǒng)、相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)以及初級信號處理與驅(qū)動電路來完成。b.光柵倍頻器是為光柵傳感器供電并對其輸出信號進行辨向和細分等處理的電子裝置，輸出兩路電脈沖信號對應(yīng)于正反兩個移動方向。c.光柵數(shù)顯表用來給光柵倍頻器供電、對其輸出進行記數(shù)并轉(zhuǎn)換成位移量以及顯示和輸出位移量。最主要的作用是顯示位移測量的結(jié)果。(2)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理:a.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)由主光柵和光柵讀數(shù)頭構(gòu)成，其中光柵讀數(shù)由光源、指示光柵及光學(xué)系統(tǒng)、光電元件等組成。主要元件有:(a)光源，要求了解光源的特點及主要參數(shù)。(b)光柵副，由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。指示光柵比主光柵要短，兩者的距離式中W——柵距，A——有效光波長。主光柵和指示光柵的柵線錯開一個很小的角度，以得到莫爾條紋。(c)光電接收元件，把由光柵副形成的莫爾條紋的明暗強弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，一般采用光電池或光敏三極管。光柵讀數(shù)頭不包括主光柵，測量時它與主光柵做相對位移，可以測得移動件的位移量。b.光柵傳感器的工作原理是本章的重點內(nèi)容之一。要求掌握的內(nèi)容有莫爾條紋的形成原理、莫爾條紋的特點、利用莫爾條紋測量位移的原理。(3)辨向原理和細分技術(shù):a.辨向原理辨向的目的是當(dāng)工作臺正向移動時將得到的脈沖數(shù)累加；反向移動時則從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)。要求掌握辨向原理及辨向電路的結(jié)構(gòu)與時序。b.細分技術(shù)細分技術(shù)就是在莫爾條紋變化一周期時不只是輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖以提高分辨率。細分越多則分辨率越高。最常用的細分方法是直接細分(又稱位置細分)。(4)了解光柵傳感器的安裝方法及應(yīng)注意的事項。4.脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器又稱角度數(shù)字編碼器或者碼盤，它具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊以及工作可靠等優(yōu)點，是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測元器件。脈沖發(fā)生器有增量式和絕對式兩種類型。(1)增量式脈沖發(fā)生器:增量式脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)最為簡單，應(yīng)用很廣泛。但是直接使用增量式角度脈沖發(fā)生器進行測量其轉(zhuǎn)換精度并不高；通常采用電子細分提高它的分辨率，其細分原理光柵傳感器的完全相同。增量式脈沖發(fā)生器采用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置，令它們在空間的相對位置有一定關(guān)系，從而產(chǎn)生相位差90o的兩路輸出信號:把此兩路信號送入與光柵辨向電路相同的辨向電路中，即可鑒別脈沖發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)方向。增量式脈沖發(fā)生器可用來測量轉(zhuǎn)速，但最高允許測量轉(zhuǎn)速受脈發(fā)生器單次脈沖寬度的限制，可用下式計算:選用1~2V。勵磁頻率低，繞組感抗小，有利于提高精度；但由于感應(yīng)電動勢正比于勵磁頻率，故應(yīng)考慮允許的最大測量速度。式中——勵磁頻率；——脈沖當(dāng)量。(4)感應(yīng)同步器的信號處理:根據(jù)工作要求和精度的不同，感應(yīng)闊步器的信號處理有鑒相型、鑒幅型、幅-相型等方式。要求掌握常用的鑒相型和鑒幅型的信號處理方式。a.鑒相型鑒相型是根據(jù)感應(yīng)電動勢的相位來鑒別位移量?；呱嫌嘞液驼依@組的勵磁電壓都同步等幅.彼此相差90o電相角，即余弦繞組的勵磁電壓為,正弦繞組的勵磁也壓為。這時感應(yīng)繞組的總感應(yīng)電動勢為: 式中 ——感應(yīng)同步器原、副邊繞組的電壓變換常數(shù)；、——勵磁電壓的幅值和頻率。 如果兩尺的相對位移是x,檢測周期為W2(以定尺節(jié)距為準(zhǔn)，對于標(biāo)準(zhǔn)型為2mm),則機械位移引起的電相角變化為因此，只要測出余弦統(tǒng)組的勵磁電壓和感應(yīng)統(tǒng)組的總感應(yīng)電動勢之間的相位差θ，就可以很容易地得到兩尺的相對位移是工。b.鑒幅型滑尺上余、正弦繞組供以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據(jù)感應(yīng)電動勢振幅來測信號位移量，稱為鑒幅型。余弦繞組上的勵磁電壓為,正弦繞組上的勵磁電壓為,則感應(yīng)繞組上的總輸出感應(yīng)電動勢為:式中——勵磁電壓幅值；——給定的電相角。上式把感應(yīng)同步器兩尺的相對位移和感應(yīng)電動勢的幅聯(lián)系起來，這就懸鑒幅型感應(yīng)同步器信號處理的基本原理。感應(yīng)同步器應(yīng)用最廣泛的一種方式是作為位置檢測元件構(gòu)成數(shù)字位置測量系統(tǒng)口感應(yīng)同步器作為測量元件，可以用鑒相或鑒il畫方式將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為電模擬量，再對該模擬量進行測定或處理，以數(shù)字信號的形式輸出測量結(jié)果，從而構(gòu)成完整的數(shù)字位置測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能部件有感應(yīng)同步器、放大器、邏輯控制電路和函數(shù)電壓發(fā)生器，此外還有顯示計數(shù)器、電源以及振蕩器等輔助部件。6.旋轉(zhuǎn)變壓器常用于數(shù)控機床中角位移的檢測，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，對工作環(huán)境要求不高，信號輸出幅度大，抗干擾能力強。但普通的旋轉(zhuǎn)變壓器測量精度較低，為角分?jǐn)?shù)量級，使用范圍受到一定限制。一般用于精度要求不高或大型機床的較低精度及中等精度的測量系統(tǒng)。(1)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理:旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。當(dāng)定子繞組加上交流勵磁電壓時，通過互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置，兩者平行時互感最大，感應(yīng)電動勢也最大；兩者垂直時互感的電感量為零，感應(yīng)電動勢也為零。當(dāng)兩者呈一定角度時，有式中——定子繞組感應(yīng)電動勢，與外加電壓方向相反；——轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢:——兩個繞組的臣數(shù)比；——兩個繞組軸向間的夾角。由脈沖磁場在原邊中感應(yīng)的電動勢為 式中——勵磁電壓的頻率，在數(shù)校系統(tǒng)應(yīng)用時常取2~4kHz。(2)旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成角位移測量系統(tǒng)時的信號處理方式: a.鑒相型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相正交繞組(即正弦繞組S和余弦繞組C)中分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差90o的正弦交流電壓 式中——交流電壓最大值。這兩相勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 式中——勵磁角頻率；——轉(zhuǎn)子相對于定子的角位移。測量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角α即可測得轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角位置。b.鑒幅型定子兩相繞組的勵磁電壓為頻率相同、相位相同，而勵磁電壓分別為 它們在轉(zhuǎn)組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 決定定子的勵磁幅值。若,則。在實際應(yīng)用中，根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷修改定子勵磁信號的(即修改定子的勵磁幅值),使其跟蹤的變化，以測量角位移。7.磁柵磁柵是測量直線位移的一種數(shù)字式傳感器，加工工藝簡單，需要時可將原來的磁化信號抹去，重新錄制，或安裝在機床上后再錄制磁化信號。這對消除安裝誤差和機床本身的幾何誤差以及提高測量精度都十分有利。磁柵傳感器由磁尺、磁頭和檢測電路組成。磁尺用不導(dǎo)磁金屬做成尺基，表面鍍一層磁性材料，錄上波長為λ的磁信號。磁頭有兩種形式，動態(tài)磁頭(又稱速度響應(yīng)式磁頭)和靜態(tài)磁頭(又稱磁通響應(yīng)式磁頭)。動態(tài)磁頭只有在磁頭與磁尺間有相對運動時才有信號輸出，輸出信號的大小取決于運動速度，靜止時就沒有信號輸出，故不適用于長度測量。作為位置檢測元件，為了在低速甚至靜止時也能進行位置檢測，必須采用靜態(tài)磁頭。這種磁頭有兩組繞組，勵磁繞組和輸出繞組。當(dāng)對勵磁繞組施加勵磁電流時，輸出線圈中輸出的是一個調(diào)幅信號，式中——輸出線圈中輸出的感應(yīng)電動勢；——輸出電動勢的峰值；λ——磁性標(biāo)尺的節(jié)距；——選定磁性標(biāo)尺上某一個N極作為位移零點時，磁頭對磁性標(biāo)尺的位移量；——輸出線圈感應(yīng)電動勢的頻率，它比勵磁電流。的頻率高一倍。 在磁頭相對于磁性標(biāo)尺運動過程中，只要測量出磁頭輸出電壓的包絡(luò)線過零的次數(shù)，就可知道的大小。使用單個磁頭輸出信號小，而且對磁性標(biāo)尺磁化信號的節(jié)距和波形要求也較高。所以實際中總是將幾十個磁頭以一定方式串聯(lián)，構(gòu)成多間隙磁頭使用。應(yīng)了解這種方法的基本工作原理。為了辨別磁頭與磁尺相對移動的方向，通常采用兩組磁頭彼此相距(為正整數(shù))的配置。二組磁頭輸出的載波信號有90o相角差，該信號經(jīng)過濾、波、整形和放大后便得到兩路相差90o的方波信號，因此可以使用光柵數(shù)顯表的辨向和細分技術(shù)進行磁尺的信號處理。問題是磁尺的節(jié)距一般遠大于光柵