1、第五部分 数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。位移传感器的输出只有两种形式，即模拟式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。(2)模拟式和数字式位
2、移传感器:模拟传感器传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。数字位移传感器工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个
3、物理量等分后的最小单位。无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。另一方面，测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响。3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。光栅位移检测装置的测量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。光栅位移传感器具有高分辨率、大量程、抗干扰能力强、宜于动态测量、自动测量及数字显示等特点，是数控机床上理想的位置检测元件。(1)光栅位移检测装置:包括
4、三大部分:光栅传感器、光栅倍频器、光栅数显表。a.光栅传感器是一种将位移信号转换为相应电信号的装置。这部分功能主要由光栅光学系统、相应的机械结构以及初级信号处理与驱动电路来完成。b.光栅倍频器是为光栅传感器供电并对其输出信号进行辨向和细分等处理的电子装置，输出两路电脉冲信号对应于正反两个移动方向。c.光栅数显表用来给光栅倍频器供电、对其输出进行记数并转换成位移量以及显示和输出位移量。最主要的作用是显示位移测量的结果。(2)光栅传感器的结构和工作原理:a.光栅传感器的结构由主光栅和光栅读数头构成，其中光栅读数由光源、指示光栅及光学系统、光电元件等组成。主要元件有:(a)光源，要求了解光源的特点及
5、主要参数。(b)光栅副，由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。指示光栅比主光栅要短，两者的距离 /2Wd式中 W栅距，A有效光波长。主光栅和指示光栅的栅线错开一个很小的角度，以得到莫尔条纹。(c)光电接收元件，把由光栅副形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，一般采用光电池或光敏三极管。光栅读数头不包括主光栅，测量时它与主光栅做相对位移，可以测得移动件的位移量。b.光栅传感器的工作原理是本章的重点内容之一。要求掌握的内容有莫尔条纹的形成原理、莫尔条纹的特点、利用莫尔条纹测量位移的原理。(3)辨向原理和细分技术:a.辨向原理辨向的目的是当工作台正向移动时将得到的脉冲数累加；反向移动时则从已累加的
6、脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数。要求掌握辨向原理及辨向电路的结构与时序。b.细分技术细分技术就是在莫尔条纹变化一周期时不只是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲以提高分辨率。细分越多则分辨率越高。最常用的细分方法是直接细分(又称位置细分)。(4)了解光栅传感器的安装方法及应注意的事项。4.脉冲发生器脉冲发生器又称角度数字编码器或者码盘，它具有精度高、结构紧凑以及工作可靠等优点，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件。脉冲发生器有增量式和绝对式两种类型。(1)增量式脉冲发生器:增量式脉冲发生器的结构最为简单，应用很广泛。但是直接使用增量式角度脉冲发生器进行测量其转换精度并不高；通
7、常采用电子细分提高它的分辨率，其细分原理光栅传感器的完全相同。增量式脉冲发生器采用两套光电转换装置，令它们在空间的相对位置有一定关系，从而产生相位差90 o的两路输出信号:把此两路信号送入与光栅辨向电路相同的辨向电路中，即可鉴别脉冲发生器的旋转方向。增量式脉冲发生器可用来测量转速，但最高允许测量转速受脉发生器单次脉冲宽度的限制，可用下式计算: TNnp/60max式中 脉冲发生器最高允许测量转速(r/min)；maxn脉冲发生器每转所产生的脉冲数(r -1)；PN单次脉冲宽度(s)。T(2)绝对脉冲发生器:绝对式脉冲发生器在任意位置都能给出一个对应于固定点的数字码输出，它不需要基数。由单个码盘
8、组成的绝对编码器的角位移测量范围为0 o 360 o，若要测量大于360 o的角位移或者轴转数，需要多个码盘。脉冲发生器的敏感元件可以是非接触式的(如光电式和电磁式),也可以是接触式的。采用不同的敏感元件，码盘的制造和形式也不同。最常用的绝对式脉冲发生器有接触式码盘、光学码盘和磁性码盘。接触式绝对脉冲发生器的优点是在简单的应用中，不需特殊的开关逻辑，只需简单地改变电源就能将每条线上的电压输出调整到需要的电平上。其缺点是存在着电刷和脉冲发生器的磨损，特别是电刷在导电区和绝缘区的滑动产生的电弧将造成码盘和电刷寿命的降低，并且经不起振动。a.接触式码盘接触式码盘的特点是敏感元件电刷与码盘上导电区直接
9、接触以检出码盘的位置。主要组成部分是码盘和电刷。码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆，其数目决定分辨率。同心圆的径向距离就是码道宽。若n为码道数，则测量每周的分辨角度为360 o/2n。以这个角度为间隔，在一周内划出2 n个扇形区。为了供电，码盘上设有一个供电码道，并有供电电刷相连。为了读出导电区的电位，每个码道上装有一个电刷，每个电刷和一根单独电线相连，作为某一位逻辑电平“1“或“0“的输出。这样，每一组扇形区对应于一个二进制数。一般外轨道是低位，内轨道为高位。这样就能以二进制数表示码盘转过的角度了。码盘安装时，要求码盘的中心孔和被测体刚性连接，同心度要好并且码盘应和被测轴垂直，以避免了在旋转
10、过程中某个轨道的电刷在相邻轨道间跳动。为提高绝对式脉冲发生器的精度，降低制作要求，常采用以下几种方法:(a)使用循环码盘直接二进制码盘对码盘的制作和安装要求很严格，否则容易出错，出错的机率多且误差的绝对值较大。为此通常采用循环码盘，循环码盘的特点是相邻两组数码之间只有一位是变化的。因此即使制作和安装不准确，产生的误差也不可能超过码盘自身的分辨率。二进制码转换为循环码的规则是:将某个二进制码右移一位并舍去末位码，然后与原二进制码作不进位加法，即得循环码。设一个十进制数的n位循环码为RnRn-1R1,它的n位二进制码为CnCn-1 Cl，则由二进制码转换成循环码可表示为: 1iiinR式中 不进位
11、加法一般形式为:CnCn-1Cn-2Cl 二进制码CnCn-1Cn-2C2 二进制码右移一位的二进制码RnRn-1Rn-2R1 循环码(b)采用扫描法 最低位码道上安装一个电刷，其他高位码道上安装两个电刷。一个放在被测位置之前，称超前电刷；另一个放在被测位置的后边，称滞后电刷。在每个确定位置，最低位电刷输出的电平反映了它真正的值，而高位码道由于有两个电刷，就会输出两种电平。在某个码道上电刷对真正的输出是“1“时，高一级码道上的真正输出要从滞后电刷上读出。如果某个码道上电刷对真正的输出是“0“时，高一级轨道上的真正输出要从超前电刷读出。(c)可以采用几个码盘通过机械传动装置连在一起的码盘组提高分
12、辨率。b.光电式和电磁式脉冲发生器光电式脉冲发生器的码盘由透明区和不透明区按一定编码规律构成。由于没有机械磨损，因而允许转速高，使用寿命长，可靠性高。现有的加工技术可在单个码盘上做18条码道，分辨率为360 o /218,测量精度很高。是用得较多的一种非接触绝对脉冲发生器。电磁式脉冲发生器是在导体圆盘上用腐蚀的办法做成一定的编码图形，使导磁体圆盘有的地方厚，有的地方薄；再用一个马蹄形磁心体磁头，磁头上绕两个线圈，原边用正弦电流励磁。当导磁体的厚区转到磁头下时，磁头的磁导大，二次侧线圈感应电动势大，定义为1,导磁盘的薄区转到磁头下时，磁头的磁导小，二次侧感应电动势小，定义为0,有寿命长，转速高的
13、优点，较有发展前途。5.感应同步器感应同步器可分为直线感应同步器和圆感应同步器以分别测量直线位移和角位移，并能转换成数字显示。感应同步器对环境要求低，抗干扰能力强，维护简单，寿命较长，售价低廉，同时具有一定精度，所以应用较广。(1)感应同步器的结构:直线感应同步器的绕组由定尺和滑尺两部分组成。定尺上是连续绕组，滑尺上是分段绕组(又称为正、余弦绕组，在空间错开90 o电角度，即1/4周期，两组节距相同),均由印制电路绕组做成。目前标准型定尺节距 为2mm。2W根据不同的运行方式、精度要求、测量范围以及安装条件等，直线式感应同步器可有标准型、窄型、带型以及三重型等不同的尺寸、形状和种类。(2)感应
14、同步器的使用:应了解感应间步器的安装及感应同步器的接长原理和步骤。正确的接长可避免或缩小了因接长不善而带来的附加误差，但由于接缝的存在仍将导致接缝误差，它是由接缝处磁密变小造成的，一般在2 4m；因此，即使单块定尺的精度选得很高，接长后的总精度仍然不会很高。减小接缝误差就是要消除或减小接缝处磁场的不均匀性，可通过定尺采用非磁性基板或加大绝缘层厚度，在接缝处填充磁性物质，或对靠近接缝处的定尺绕阻采取变节距措施等方法来实现。(3)感应同步器的工作原理:感应同步器的基本工作原理是基于电磁感应现象。当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，将产生同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通鹅合，感应出同频率的
15、交变电动势。感应电动势随滑尺相对于定尺的移动而周期性变化。加大励磁电压将获得较大的感应电动势.但过大的励磁电压将引起过大的励磁电流，吏温升过高而元法正常工作，一般励磁电压选用12V。励磁频率低，绕组感抗小，有利于提高精度；但由于感应电动势正比于励磁频率，故应考虑允许的最大测量速度 。maxfq式中 励磁频率；f脉冲当量。q(4)感应同步器的信号处理:根据工作要求和精度的不同，感应阔步器的信号处理有鉴相型、鉴幅型、幅-相型等方式。要求掌握常用的鉴相型和鉴幅型的信号处理方式。a.鉴相型 鉴相型是根据感应电动势的相位来鉴别位移量。滑尺上余弦和正弦绕组的励磁电压都同步等幅.彼此相差90 o电相角，即余
16、弦绕组的励磁电压为 ,正弦绕组的励磁也压为 。这时感应绕组的总感应电动势tUmsintUmcs为:)sin(iosintkktke mm式中 感应同步器原、副边绕组的电压变换常数；k、 励磁电压的幅值和频率。mU如果两尺的相对位移是x,检测周期为W2(以定尺节距为准，对于标准型为2mm),则机械位移引起的电相角变化为 2/Wx因此，只要测出余弦统组的励磁电压和感应统组的总感应电动势之间的相位差，就可以很容易地得到两尺的相对位移是工。b.鉴幅型 滑尺上余、正弦绕组供以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电动势振幅来测信号位移量，称为鉴幅型。余弦绕组上的励磁电压为 ,正弦绕组上的励磁电
17、压为 ,则感应绕组上tUmcos tUmsin的总输出感应电动势为: coisincoin tktke式中 励磁电压幅值；m给定的电相角。上式把感应同步器两尺的相对位移 和感应电动势的幅2/Wx联系起来，这就悬鉴幅型感应同步器信号处理的基本原理。)cos(mkU感应同步器应用最广泛的一种方式是作为位置检测元件构成数字位置测量系统口感应同步器作为测量元件，可以用鉴相或鉴il画方式将直线位移或角位移转换为电模拟量，再对该模拟量进行测定或处理，以数字信号的形式输出测量结果，从而构成完整的数字位置测量系统。该系统的功能部件有感应同步器、放大器、逻辑控制电路和函数电压发生器，此外还有显示计数器、电源以及
18、振荡器等辅助部件。6.旋转变压器常用于数控机床中角位移的检测，结构简单、牢固，对工作环境要求不高，信号输出幅度大，抗干扰能力强。但普通的旋转变压器测量精度较低，为角分数量级，使用范围受到一定限制。一般用于精度要求不高或大型机床的较低精度及中等精度的测量系统。(1)旋转变压器的工作原理:旋转变压器是根据互感原理工作的。当定子绕组加上交流励磁电压时，通过互感在转子绕组中产生的感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置，两者平行时互感最大，感应电动势也最大；两者垂直时互感的电感量为零，感应电动势也为零。当两者呈一定角度时，有 2112 /,cosWkke式中 定子绕组感
19、应电动势，与外加电压方向相反；1e转子绕组感应电动势:2两个绕组的臣数比；k两个绕组轴向间的夹角。由脉冲磁场 在原边 中感应的电动势 为11W1e14.f式中 励磁电压的频率，在数校系统应用时常取24kHz。 f(2)旋转变压器构成角位移测量系统时的信号处理方式:a.鉴相型 旋转变压器的定子两相正交绕组(即正弦绕组S和余弦绕组C)中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90 o的正弦交流电压 tUtUmcms s,in式中 交流电压最大值。mU这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势为 tkUemsin2式中 励磁角频率；转子相对于定子的角位移。测量转子绕组输出电压的相位角即可测得转子相对于定
20、子的转角位置。b.鉴幅型 定子两相绕组的励磁电压为频率相同、相位相同，而励磁电压分别为 tUtUmcms sino,sin 它们在转组中产生的感应电动势为 2sitkem决定定子的励磁幅值。若 ,则 。在实际应用中，根据转子误0e差电压的大小，不断修改定子励磁信号的 (即修改定子的励磁幅值),使其跟踪的变化，以测量角位移。7.磁栅磁栅是测量直线位移的一种数字式传感器，加工工艺简单，需要时可将原来的磁化信号抹去，重新录制，或安装在机床上后再录制磁化信号。这对消除安装误差和机床本身的几何误差以及提高测量精度都十分有利。磁栅传感器由磁尺、磁头和检测电路组成。磁尺用不导磁金属做成尺基，表面镀一层磁性材
21、料，录上波长为的磁信号。磁头有两种形式，动态磁头(又称速度响应式磁头)和静态磁头(又称磁通响应式磁头)。动态磁头只有在磁头与磁尺间有相对运动时才有信号输出，输出信号的大小取决于运动速度，静止时就没有信号输出，故不适用于长度测量。作为位置检测元件，为了在低速甚至静止时也能进行位置检测，必须采用静态磁头。这种磁头有两组绕组，励磁绕组和输出绕组。当对励磁绕组施加励磁电流时，输出线圈中输出的是一个调幅信号，ti00sn txUumsc sin2o式中 输出线圈中输出的感应电动势；scu输出电动势的峰值；mU磁性标尺的节距；选定磁性标尺上某一个N极作为位移零点时，磁头对磁性标尺的x位移量；输出线圈感应电
22、动势的频率，它比励磁电流 。的频率 高一倍。i0在磁头相对于磁性标尺运动过程中，只要测量出磁头输出电压 的包scu络线过零的次数，就可知道 的大小。x使用单个磁头输出信号小，而且对磁性标尺磁化信号的节距和波形要求也较高。所以实际中总是将几十个磁头以一定方式串联，构成多间隙磁头使用。应了解这种方法的基本工作原理。为了辨别磁头与磁尺相对移动的方向，通常采用两组磁头彼此相距( 为正整数)的配置。二组磁头输出的载波信号有90 o相角差，该信41m号经过滤、波、整形和放大后便得到两路相差90 o的方波信号，因此可以使用光栅数显表的辨向和细分技术进行磁尺的信号处理。问题是磁尺的节距一般远大于光栅刻线的间距，使用这种信号处理方法，无法达到数控机床所要求的测量精度。磁栅检测电路包括磁头励磁电路，读取信号的放大、滤波、辨向、细分、显示及控制电路等几部分。也有幅值测量和相位测量之分，以相位测量应用较多。影响磁栅传感器性能的因素也是需要了解的内容。另外，磁栅传感器还存在两个需要解决的问题:一是磁信号的稳定性，另一个是磁头在磁尺上的摩擦带来的磨损。磁栅传感器对环境要求不太高，但对防尘和防止切屑等方面的要求很严格，以保护磁尺不被磨损。
