1、數(shù)控應用技術及應用清華版數(shù)控機床位置傳感器件25.1 數(shù)控機床位置傳感器件的類型數(shù)控機床的位置傳感器件用于將位移量轉換成電信號數(shù)控機床的位置傳感器件用于將位移量轉換成電信號輸出。這些輸出信號一般比較弱，要由信號處理單元輸出。這些輸出信號一般比較弱，要由信號處理單元對其進行進一步變換和放大，成為較強的、并且利于對其進行進一步變換和放大，成為較強的、并且利于輸入數(shù)控機床控制單元輸入數(shù)控機床控制單元(數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng))的信號。輸入數(shù)控的信號。輸入數(shù)控機床控制單元的信號一般是電流或電脈沖信號，在閉機床控制單元的信號一般是電流或電脈沖信號，在閉環(huán)系統(tǒng)中，這些信號作為反饋信號與參考輸入信號相環(huán)系統(tǒng)中，這些

2、信號作為反饋信號與參考輸入信號相減，就得到閉環(huán)控制的偏差信號。減，就得到閉環(huán)控制的偏差信號。1. 直線位移傳感器直線位移傳感器2. 角位移傳感器角位移傳感器3. 模擬或數(shù)字位移傳感器模擬或數(shù)字位移傳感器4. 絕對、半絕對或增量位移傳感器絕對、半絕對或增量位移傳感器35.2 光柵位移檢測裝置早在早在19世紀，光柵的衍射效應就被人們用來進世紀，光柵的衍射效應就被人們用來進行光譜分析和光波波長的測定等工作，但是將行光譜分析和光波波長的測定等工作，但是將光柵實際用作長度計量和數(shù)控機床的位置傳感光柵實際用作長度計量和數(shù)控機床的位置傳感器件還是近四、五十年的事。到器件還是近四、五十年的事。到20世紀世紀7

3、0年代年代以后，由于微電子技術的飛速發(fā)展和日臻成熟，以后，由于微電子技術的飛速發(fā)展和日臻成熟，應用在工業(yè)計量領域的光柵不斷完善，并在數(shù)應用在工業(yè)計量領域的光柵不斷完善，并在數(shù)控機床上獲得了廣泛的應用。控機床上獲得了廣泛的應用。45.2.1 光柵位移檢測裝置的組成光柵位移傳感器基于莫爾條紋和光電效應將位光柵位移傳感器基于莫爾條紋和光電效應將位移信號轉變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^適當?shù)慕Y構設計，移信號轉變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^適當?shù)慕Y構設計，可以制成直線光柵和圓光柵，分別用于測量直可以制成直線光柵和圓光柵，分別用于測量直線位移和角位移。作為一個獨立的、完整的測線位移和角位移。作為一個獨立的、完整的測量裝置，按其功能光

4、柵位移檢測裝置包括以下量裝置，按其功能光柵位移檢測裝置包括以下三大部分。三大部分。(1)光柵傳感器 (2)光柵倍頻器 (3)光柵數(shù)顯表 55.2.2 光柵傳感器的結構和工作原理 1. 光柵傳感器的結構光柵傳感器由主光柵和光柵讀數(shù)頭構成，其中光柵讀數(shù)由光源、指示光柵及光學系統(tǒng)、光電元件等組成。圖5.3和圖5.4給出了兩種光柵傳感器的內部結構，主要元件如下。2. 莫爾條紋的形成及其特點(1)莫爾條紋的形成 (2)莫爾條紋的特點 莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對應關系。 莫爾條紋的間距對光柵柵距有放大作用。 (3)莫爾條紋測量位移的原理 65.2.3 光柵傳感器的信號處理技

5、術光柵傳感器實現(xiàn)了位移量由非電量光柵傳感器實現(xiàn)了位移量由非電量到電量的轉換，但為了辨別位移的到電量的轉換，但為了辨別位移的方向，提高測量精度，以及實現(xiàn)數(shù)方向，提高測量精度，以及實現(xiàn)數(shù)字顯示等要求，必須把傳感器的輸字顯示等要求，必須把傳感器的輸出信號送入數(shù)顯表做進一步處理。出信號送入數(shù)顯表做進一步處理。1. 辨向原理由于位移量是有方向性的，因此希望當物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加；反向移動時就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)。為了實現(xiàn)這一設想，在相距1/4B的位置上設置兩個光柵元件1和2。 2. 細分技術所謂細分技術，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

6、脈沖，以提高分辨率。 75.3 脈沖發(fā)生器5.3.1 概述脈沖發(fā)生器又稱角度數(shù)字編碼器或碼盤，具有精度高、結構緊湊、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)生器有兩種類型：增量式和絕對式。增量式脈沖發(fā)生器需要一個計數(shù)系統(tǒng)和一個辨向系統(tǒng)：旋轉的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖；在計數(shù)中對每個基數(shù)進行加或減，從而記錄了旋轉的方向和角位移。絕對式脈沖發(fā)生器不需要基數(shù)，它在任意位置都能給出一個對應于固定點的數(shù)字碼輸出。脈沖發(fā)生器的敏感元件可以是非接觸式的(如光電式和電磁式)，也可以是接觸式的。85.3.2 增量式脈沖發(fā)生器增量式脈沖發(fā)生器的結構最為簡單，增量式脈沖發(fā)

7、生器的結構最為簡單，應用也很廣泛。直接使用增量式角應用也很廣泛。直接使用增量式角度脈沖發(fā)生器進行測量，其轉換精度脈沖發(fā)生器進行測量，其轉換精度并不高；通常可采用電子細分來度并不高；通常可采用電子細分來提高它的分辨率。提高它的分辨率。增量式脈沖發(fā)生器的結構簡圖如圖增量式脈沖發(fā)生器的結構簡圖如圖5.9所示。所示。 在一個碼盤的邊緣上開有相等角度在一個碼盤的邊緣上開有相等角度的縫隙的縫隙(或小孔或小孔)，在碼盤兩邊分別，在碼盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，當碼盤隨工安裝光源及光敏元件，當碼盤隨工作軸一起轉動時，每轉過一個縫隙作軸一起轉動時，每轉過一個縫隙就產(chǎn)生一次光線的明暗變化，經(jīng)整就產(chǎn)生一次光線的明

8、暗變化，經(jīng)整形放大，便可得到一定幅值和功率形放大，便可得到一定幅值和功率的電脈沖輸出信號，其脈沖數(shù)就等的電脈沖輸出信號，其脈沖數(shù)就等于轉過的縫隙于轉過的縫隙(或小孔或小孔)數(shù)。如果將數(shù)。如果將上述脈沖信號送到計數(shù)器中計數(shù)，上述脈沖信號送到計數(shù)器中計數(shù)，從測得的脈沖數(shù)就能知道碼盤轉過從測得的脈沖數(shù)就能知道碼盤轉過的角度。的角度。95.3.3 絕對脈沖發(fā)生器1. 接觸式碼盤接觸式碼盤的特點是敏感元件電刷與碼盤上導電區(qū)直接接觸，以檢出碼盤的位置。接觸式脈沖發(fā)生器的碼盤基體是絕緣體，碼道是一組同心圓，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來決定。同心圓的徑向距離就是碼道寬。 2. 光電式和電磁式脈沖發(fā)生器光電式脈沖發(fā)生

9、器是目前用得較多的一種非接觸絕對脈沖發(fā)生器，碼盤由透明區(qū)和不透明區(qū)按一定編碼規(guī)律構成。 3. 絕對式脈沖發(fā)生器的選用絕對式脈沖發(fā)生器的分辨率取決于碼道的多少，目前已能生產(chǎn)出有21條碼道的脈沖發(fā)生器，其絕對位置分辨率優(yōu)于1.3，對于光電脈沖發(fā)生器還可使用電子細分技術，獲得23條碼道，分辨率達0.15。105.4 感應同步器感應同步器可測量直線位移和角位移，并能轉感應同步器可測量直線位移和角位移，并能轉換成數(shù)字顯示。根據(jù)測量對象的不同，它可以換成數(shù)字顯示。根據(jù)測量對象的不同，它可以分為直線感應同步器和圓感應同步器。感應同分為直線感應同步器和圓感應同步器。感應同步器對環(huán)境要求低，抗干擾能力強，維護簡

10、單，步器對環(huán)境要求低，抗干擾能力強，維護簡單，壽命較長，售價低廉，同時具有一定精度，所壽命較長，售價低廉，同時具有一定精度，所以應用較廣。以應用較廣。115.4.1 感應同步器的結構、分類和選用1. 感應同步器的結構直線感應同步器的繞組結構如圖5.12所示。 2. 感應同步器的分類根據(jù)不同的運行方式、精度要求、測量范圍以及安裝條件等，直線式感應同步器可有標準型、窄型、帶型以及三重型等不同的尺寸、形狀和種類。125.4.2 感應同步器的工作原理和信號處理方式1. 工作原理各種感應同步器的基本工作原理是一樣的，都是基于電磁感應現(xiàn)象。當勵磁繞組用一定頻率的正弦電壓勵磁時，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通，感應

11、繞組與這個交變磁通耦合，感應出同頻率的交變電動勢(圖5.13)。圖5.14中表示了感應電動勢與繞組位置的關系。 2. 感應同步器的信號處理根據(jù)工作要求和精度的不同，感應同步器的信號處理有鑒相型、鑒幅型、幅/相型等方式。 135.4.3 感應同步器數(shù)字位置測量系統(tǒng)感應同步器作為測量元件，可以用感應同步器作為測量元件，可以用鑒相或鑒幅方式將直線位移或角位鑒相或鑒幅方式將直線位移或角位移轉換為電模擬量，若再對該模擬移轉換為電模擬量，若再對該模擬量進行測定或處理，以數(shù)字信號的量進行測定或處理，以數(shù)字信號的形式輸出測量結果，就可以構成完形式輸出測量結果，就可以構成完整的數(shù)字位置測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整的數(shù)字

12、位置測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能部件有感應同步器、放大器、功能部件有感應同步器、放大器、邏輯控制電路和函數(shù)電壓發(fā)生器，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、電源以及振此外還有顯示計數(shù)器、電源以及振蕩器等輔助部件。蕩器等輔助部件。圖圖5.15是采用鑒幅工作原理的增量是采用鑒幅工作原理的增量型數(shù)字位置測量系統(tǒng)的框圖。型數(shù)字位置測量系統(tǒng)的框圖。 顯示計數(shù)器所計脈沖數(shù)和顯示值即顯示計數(shù)器所計脈沖數(shù)和顯示值即為輸入的位移增量，故這種系統(tǒng)稱為輸入的位移增量，故這種系統(tǒng)稱為增量型測量系統(tǒng)。當上述系統(tǒng)中為增量型測量系統(tǒng)。當上述系統(tǒng)中的位模變換器為感應同步器時，便的位模變換器為感應同步器時，便構成了感應同

13、步器的數(shù)字測量系統(tǒng)，構成了感應同步器的數(shù)字測量系統(tǒng)，其原理框圖如圖其原理框圖如圖5.16所示。所示。 145.5 其他位置檢測元件5.5.1 旋轉變壓器1. 旋轉變壓器的工作原理旋轉變壓器的工作原理旋轉變壓器常用于數(shù)控機床中角位移的檢測，具有結構簡單、牢固，對工作環(huán)境要求不高，信號輸出幅度大，以及抗干擾能力強等優(yōu)點。但普通的旋轉變壓器測量精度較低，為角分數(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)。旋轉變壓器是根據(jù)互感原理工作的，見圖5.17。 2. 信號處理方式信號處理方式旋轉變壓器構成角位移測量系統(tǒng)時，其信號處理方式與感應同步器類似，也分為鑒幅

14、型和鑒相型兩種。155.5.2 磁柵磁柵是測量直線位移的一種數(shù)字式磁柵是測量直線位移的一種數(shù)字式傳感器，加工工藝比較簡單，需要傳感器，加工工藝比較簡單，需要時還可將原來的磁化信號抹去，重時還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，以及提高測量床本身的幾何誤差，以及提高測量精度都是十分有利的。目前可以做精度都是十分有利的。目前可以做到系統(tǒng)精度到系統(tǒng)精度0.01mm，分辨率，分辨率5m。磁柵傳感器由磁尺、磁頭和檢測電磁柵傳感器由磁尺、磁頭和檢測電路組成，如圖路組成，如圖5.1

15、8所示。所示。 相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接，相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接，這樣得到的總輸出是每個磁頭輸出這樣得到的總輸出是每個磁頭輸出信號的疊加。這樣不但增大了輸出信號的疊加。這樣不但增大了輸出信號的強度，提高了信噪比，同時信號的強度，提高了信噪比，同時也降低了對節(jié)距和波形的精度要求，也降低了對節(jié)距和波形的精度要求，因為多個磁頭串聯(lián)使用有誤差平均因為多個磁頭串聯(lián)使用有誤差平均作用。這種磁頭的原理如圖作用。這種磁頭的原理如圖5.20所所示。示。165.6 習 題(1)名詞解釋：名詞解釋：光柵數(shù)顯表莫爾條紋電子細分光柵讀數(shù)頭脈沖發(fā)生器辨向接觸式碼盤循環(huán)碼(2)莫爾條紋有何特點？莫爾條紋有何特點？

16、(3)簡述莫爾條紋測量位移的工作原理。簡述莫爾條紋測量位移的工作原理。(4)光柵傳感器在數(shù)控機床的實際應用中有哪些優(yōu)點和缺點？光柵傳感器在數(shù)控機床的實際應用中有哪些優(yōu)點和缺點？(5)使用使用2048線線/轉的脈沖發(fā)生器測量電動機轉速，若脈沖發(fā)生器最高轉速轉的脈沖發(fā)生器測量電動機轉速，若脈沖發(fā)生器最高轉速允許的機械轉速為允許的機械轉速為5000r/min，求其脈沖寬度是多少？，求其脈沖寬度是多少？(6)為提高絕對式脈沖發(fā)生器的精度，降低制作要求，常采用哪幾種方法？為提高絕對式脈沖發(fā)生器的精度，降低制作要求，常采用哪幾種方法？加以簡要說明。加以簡要說明。(7)簡述感應同步器的工作原理。簡述感應同步

17、器的工作原理。(8)敘述感應同步器的鑒相型和鑒幅型的信號處理方式的原理。敘述感應同步器的鑒相型和鑒幅型的信號處理方式的原理。(9)感應同步器接長時應注意哪些問題？感應同步器接長時應注意哪些問題？(10) 感應同步器數(shù)字測量系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述其工作原理。感應同步器數(shù)字測量系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述其工作原理。175.6 習 題(11) 接觸式碼盤的碼道數(shù)為接觸式碼盤的碼道數(shù)為18，那么測量每周的分辨角度是多少？，那么測量每周的分辨角度是多少？ (12)簡述磁柵的組成和工作原理。簡述磁柵的組成和工作原理。(13)磁柵傳感器中為什么采用靜態(tài)磁頭？其結構如何？磁柵傳感器中為什么采用靜態(tài)磁頭？其結構如何？(14)磁柵傳感器多間隙磁頭的作用是什么？簡述其工作原理。磁柵傳感器多間隙磁頭的作用是什么？簡述其工作原理。(15)舉例說明何謂增量式數(shù)字傳感器？何謂絕對式數(shù)字傳感器？舉例說明何謂增量式數(shù)字傳感器？何謂絕對式數(shù)字傳感器？(16)增量式脈沖發(fā)生器與絕對式脈沖發(fā)生器是測量什么機械量的？增量式脈沖發(fā)生器與絕對式脈沖發(fā)生器是測量什么機械量的？各有什么