数控机床的位置检测装置.ppt
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1、第三讲 数控机床的位置检测装置,鹃败骏茧看认忱屹粪悠振浙碰梧朋协坦炎造迷出甄中焙穷揩婴行呀惩惠盒数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,在这一讲,我们将主要学习: 数控机床中位置检测装置所起的作用 数控机床对位置检测装置性能的要求 常用位置检测装置的结构和工作原理,肯巷煤似妨唬猿停游淬免惯晾乌獭核墒教坛辖叠杂碗擒痞琼耪扳宫堪魔瞬数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,一、位置检测装置的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分,在第二讲中我们知道:在闭环或半闭环控制的数控机床中,必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来,与给定的控制值(指令信号)进行比较,从
2、而控制驱动元件正确运转,使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。,仇就鸦坚屉葡香蛰同草朗冤擂肛汹惜兼卖阔匣王寸紫杂锋榔哎无栈渤插莹数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,1.数控机床对检测装置的基本要求: 1)稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等,检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定,并且受环境温度影响小,能够抵抗较强的电磁干扰。 2)满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率,检测装置必须具有足够的精度和检测速度,位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3)安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制,要求位置检测装
3、置体积小巧,便于安装调试。尽量选用价格低廉,性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度,在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度,因此,位置检测装置是数控机床的关键部件之一,它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。,跋伐亥杠介匝桨初袜捆概补朱汁藏涪埃托津划年卜捣疥矾履碱盂六菜畅氰数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,2.位置检测装置的分类,1)按输出信号的形式分类:,数字式:,模拟式:,将被测量以数字形式表示,测量信号一般为电脉冲。,将被测量以连续变化的物理量来表示(电压相位 / 电压幅值变化),启慕镭乞亢湃巾村卤挣碉顺惮才巷鄙芳斯停沮秦抓惶卉辛左滇射肪都谋舱数控机床的位置检测
4、装置数控机床的位置检测装置,2)按测量基点的类型分类:,增量式:,绝对式:,只测量位移增量,并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。,测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。,3)按位置检测元件的运动形式分类:,回转型:,直线型:,测量直线位移,测量角位移,澜巨辙蜜忻捐译坷绳枝郭龟附傈馅涵从鹊笔厉继帘心考土们蔗咎沧鳞寡汛数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,3.位置检测装置的主要性能指标 1)精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度,数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。 2)分辨率 位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精
5、度和伺服系统的要求。分辨率的高低,对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的13110选取(也就是说,位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度)。,斧弗雕兹欣加演葬咽扑椰谎墅踩姚城纳寻狗命居挫咯佑劳篓熔酞雁堪现晴数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,3.灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高,而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。 4.迟滞 对某一输入量,传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致,称为迟滞。数控伺服系统的传感器要求迟滞小。 5.测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系统的要求,
6、并留有余地。 6.零漂与温漂 零漂与温漂是在输入量没有变化时,随时间和温度的变化,位置检测装置的输出量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标志,零漂和温漂反映了随时间和温度的改变,传感器测量精度的微小变化。,捶士钒疾钎完摩诸垣股叼非董邓诅孰鹊沧抬持奔氧肇帧融坍喝补备鼎梆逢数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,二、旋转编码器 旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置,在数控机床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴上,随被测轴一起转动,直接将被测角位移转换成数字(脉冲)信号,所以也称为旋转脉冲编码器,这种测量方式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。 按输出信号形式,旋转编码
7、器可以分为增量式和绝对式两种类型。 常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器,其原理如图5.1所示。,呼扒戌邻召尘拔抵秤捌取絮弯接铱逢致莆程剔别耽呐沉旗掣疟蹈倡霜丽挖数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,图5.1 增量式光电编码器示意原理 增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成,玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬,然后用照相腐蚀法,在光栅盘的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭缝,每条狭缝的后面对应安装一个光电管。,菌都啄答搬筐凹伦樊雅秤懦鹅磐预瞥长宁吝暗尿底钡圭现域阻孙利挡臆拯数控机床的位置检
8、测装置数控机床的位置检测装置,当光栅盘随被测工作轴一起转动时,每转过一个缝隙,光电管就会感受到一次光线的明暗变化,使光电管的电阻值改变,这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化,而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号,经过整形和放大等处理,变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目,即可测定旋转运动的角位移;通过计量脉冲的频率,即可测定旋转运动的转速,测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中,挡吸挝堆弟拥砾儿崎肆夺芳结铺念津寨埋鹿谆烂兔酝镣铣嫂兆惺咨嫂遭谆数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,图5.2增量式光电编码器外形结构图 增量式光电编码器外形结构见图5.2。
9、实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹A、A和B、B,A组与B组的条纹彼此错开14节距,两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位,用于辨向。此外,在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C(零标志刻线),用以每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称零标志脉冲,作为测量基准。,虎桓媒录掀针诊掘躬士父章舰尧甚夸臼出凡滋屠加散卯宠秧斑搐厨酝撂术数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,图5.3 光电编码器的输出波形 光电编码器的输出波形如图5.3所示。通过光栏板两条狭缝的光信号A和B,相位角相差90,通过光电管转换并经过信号的放大整形后,成为两相方波信号。,暗列翁甩幢球张炭腻镇仓蒜渐泄谎埠是纳驱
10、扣酬甜捕斥关帚烹阉腻朵扇腺数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,为了判断光栅盘转动的方向,可采用图5.4a)的逻辑控制电路,将光电管A、B信号(也就是中的0及90 信号)放大整形后变成a、b两组方波。a组分成两路,一路直接微分产生脉冲d,另一组经反相后再微分得到脉冲e。d、e两路脉冲进入与门电路后分别输出正转脉冲f和反转脉冲g。 (运用我们学过的数字电子技术知识同学们从时序图可以分析出) b组方波作为与门的控制信号,使光电盘正转时f有脉冲输出,反转时g有脉冲输出,这样就可判别光电编码器的旋转方向。 光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度,而这与光栅盘圆周的条纹数有关,即分辨角
11、分辨角=360/条纹 如果数条纹数为1024, 则分辨角=360/1024=0.352。,纯酚雍鸵骄虾茵瑟脂扁坡腕痞则朽诌蔼顽痹喧胰镜白青厂我咯辩蔷猪掘踢数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,图5.4光电盘辨向环节逻辑图及波形,浆洪大睬户循紫引路午运瑚昌朵啤叁蹄郁碱频卓咕忽围慢将雏汪蚜汰搪鸭数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,三、光 栅 光栅是一种高精度的位移传感器,按结构可分为直线光栅和圆光栅,直线光栅用于测量直线位移,园光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y工作台上广泛使用的位置检测装置,光栅主要用于测量运动位移,确定工作台运动方向及确定工作台
12、运动的速度。图5.8是光栅尺在车床上的安装示意图。,吗良牲瘦嗽沃国石俯鹤氏隅筑秉慈妮镍亚锰镣尖涝钒属收咱掣牲锗杰这殴数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,与其他位置检测装置相比,光栅的主要特点如下: 1)检测精度高。直线光栅的精度可达3m,分辨率可达01m。 2)响应速度较快,可实现动态测量,易于实现检测及数据处理的自动化。 3)使用环境要求较高,怕油污、灰尘及振动。 4)安装、维护困难,成本较高。 1、光栅的组成结构和检测原理 光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线,制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺,是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象,制成的光电
13、式位移测量装置。,鲍布垂绥孰蝴擦齐蒋颊捏聘简码奠袍栋猫疵锨影旨总再涤魂奎伪祈锥畜锐数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的,线纹密度可达到每毫米100条以上;反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线,利用反射光进行测量,其刻线密度一般为每毫米450条。 直线透射光栅尺的结构如图5.9所示,由光源、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)、光电元件等组成,一般移动的光栅为短光栅,长光栅装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动,长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度(
14、即栅距)相等,其相互平行并保持一定的间隙(0.050.1 mm),并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小的角度。,狠霄淹他眶肆怨狠竹寿蔫共揽募坑叁弄绷摇无芽佬磺航帕基涪鞠磊靡掌秋数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,图5.9光栅尺结构原理 当光线平行照射光栅时,由于光的透射及衍射效应,在与线纹垂直的方向上,准确地说,在与两光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上,会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹,这就是“莫尔干涉条纹”,简称莫尔条纹。图5.10是莫尔条纹形成的原理图。,会徐各晰础伪惧印捕庭哼弦卧展亩淌椭冠人槽评殉罕掂滔落室勤雍侧孜馏数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置,图5.10 莫尔
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