開放式數(shù)控系統(tǒng)的檢測元件

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2134

1 開放式控制器與多種檢測元件的匹配


檢測元件是CNC系統(tǒng)中伺服控制單元的重要組成部分。它能檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)或伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位移和速度，并將檢測到的信號反饋回伺服控制單元，構(gòu)成閉環(huán)反饋。檢測元件的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制精度。處理運(yùn)動機(jī)構(gòu)經(jīng)檢測元件反饋的各種不同信號是開放式控制器開放性的一個重要體現(xiàn)。PMAC可以接收各種檢測元件的反饋，包括直接接收增量編碼器反饋，選用相應(yīng)附件可接收測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、激光干涉儀、絕對編碼器、磁致伸縮傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵、光柵尺(直光柵和圓光柵)和激光尺等元件的反饋。反饋類型包括正交碼盤反饋、并行位置反饋、直線位移傳感器反饋、模擬位置反饋、旋轉(zhuǎn)變壓器反饋及雙反饋等。可見，PMAC的開放性是非常廣泛的。

2 各種檢測元件的特點(diǎn)與應(yīng)用


常用于測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的反饋元件有旋轉(zhuǎn)編碼器(主要是光電編碼器)、圓光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器及旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器等。用于測量直線運(yùn)動的反饋元件有直光柵、激光尺、直線式感應(yīng)同步器和激光干涉儀等。其中有些還可用于加速度、速度的反饋。這里把目前常用的檢測元件用下表作一簡單歸納，以便于實(shí)際應(yīng)用中選用。

3 主要檢測元件產(chǎn)品


下面介紹一下最常用的光電編碼器和光柵尺產(chǎn)品，并簡要介紹一種新型檢測元件—激光尺。

  1. 光電編碼器
    光電編碼器可以非常方便地測量電動機(jī)軸的角位移，還可以測量軸的轉(zhuǎn)速。目前常將光電編碼器直接通過十字連軸節(jié)與伺服電動機(jī)組裝在一起用以構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如SANYO帶碼盤的直流和交流伺服系統(tǒng)，PANSONIC可選增量或絕對碼盤的MINUS系列交流伺服系統(tǒng)。
    光電編碼器產(chǎn)品如日本NEMICON的各種類型碼盤，廣泛用于多關(guān)節(jié)機(jī)器人的控制、ATC工作母機(jī)的分度、半導(dǎo)體墊片移動機(jī)器人的控制及CT掃描儀的床身定位等方面。種類繁多，有手動編碼器、絕對編碼器、附增量型的多型絕對編碼器，增量型編碼器，中空型編碼器以及手動脈沖發(fā)生器等，微小型編碼器直徑僅為12mm。分辨率 6位、8位、10位等，最高達(dá)25000脈沖/r，可覆蓋絕大多數(shù)控制應(yīng)用場合。

  2. 光柵尺
    計(jì)量光柵作為測量元件已有多年的歷史，特別在數(shù)控機(jī)床上作為閉環(huán)控制的反饋元件。英國RENISHAW公司首開開放式非接觸鋼帶光柵系統(tǒng)的先河，一改光柵對安裝和使用環(huán)境要求極高的狀態(tài)，使光柵走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
    RENISHAW RG2直線光柵由RGS鋼帶光柵和讀數(shù)頭組成，RGS鋼帶厚0.2mm，寬6mm，長度從一米到數(shù)十米均可供應(yīng)，柵距20μm或40μm，光柵精度±3μm/m，線性度±3μm/m或±1μm/60mm。雙面鍍金，保護(hù)標(biāo)尺不被污物損傷，上下兩面均勻變形。讀數(shù)頭分RGH22、RGH24及 RGH25三種外形尺寸，內(nèi)置細(xì)分電路，有0.05μm、0.1μm、0.5μm、1μm和5μm分辨率可選。模擬頭有標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出和電流輸出可選。體積小，重量輕，調(diào)整方便。內(nèi)置多色發(fā)光指示燈來指示讀數(shù)頭的安裝，不需示波器等工具。其特殊處理保證標(biāo)尺部分劃傷時(shí)精度不受影響。
    RENISHAW還有RGH34裸頭光柵系統(tǒng)，RGH42 X-Y網(wǎng)狀光柵，RGR圓光柵，激光尺和激光干涉儀等產(chǎn)品。

  3. 激光尺
    RENISHAW 最新開發(fā)的激光尺RLE由RLU激光發(fā)生器、RID測頭組成，是專門為工廠單軸或雙軸開發(fā)的高精度、高直線性位置反饋元件。同樣利用激光干涉的原理，但是比激光干涉儀更適合于工業(yè)應(yīng)用而不是標(biāo)定�？蓽y量軸長度最大100m，最大進(jìn)給率5m/s，精度± 10nm，重復(fù)精度5～10nm。經(jīng)過細(xì)分補(bǔ)償后可得到0.077nm 的分辨率。適用于半導(dǎo)體、量規(guī)及機(jī)床等精度要求高的場合。

























































































常用檢測元件歸納表
  增量式編碼器 絕對式編碼器 光柵 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器
原理 利用光電原理把機(jī)械角位移變成電信號 利用光的衍射原理產(chǎn)生的明暗交替的莫爾條紋 利用電磁感應(yīng)原理的模擬式測角器件，本質(zhì)上是互感系數(shù)可變的變壓器 利用電磁感應(yīng)原理，兩個平面形印制繞組的互感隨位置不同而變化，工作原理與多極旋轉(zhuǎn)變壓器相似
分類 原理和結(jié)構(gòu)

   (1)接觸式

   (2)光電式

   (3)電磁式

反饋形式

   (1)增量式編碼器

   (2)絕對式編碼器

   (3)混合式編碼器		 材料

   (1)玻璃光柵

   (2)金屬光柵

原理

   (1)透射式

   (2)反射式		 (1)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

(2)線性旋轉(zhuǎn)變壓器

(3)比例式旋轉(zhuǎn)變壓器		 (1)直線式

(2)旋轉(zhuǎn)式
基本組成 發(fā)光二極管，光電圓盤，遮光板，光敏元件， (1)圓光柵

   金屬圓環(huán)，標(biāo)尺光柵，讀數(shù)頭

(2)直線光柵

   標(biāo)尺光柵，讀數(shù)頭		 分有刷和無刷兩種，定子鐵心與線圈，轉(zhuǎn)子鐵心與線圈，轉(zhuǎn)子輸出變壓器 定尺和滑尺，繞組
特點(diǎn) 每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)一個增量角位移 通過讀取編碼盤上的圖案來表示絕對角位移 通過光敏元件測量莫爾條紋移動的數(shù)量來測量角位移 輸出為模擬量 感應(yīng)輸出電動勢為幅值不變，相位隨定尺和滑尺相對變化的交流電壓。
優(yōu)點(diǎn) (1)沒有觸點(diǎn)磨損

(2)允許轉(zhuǎn)速高、精度高		 分辨率高

易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量和

自動控制		 結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、耐熱、耐沖擊、抗干擾、信號輸出幅度大、成本低 (1)高精度高分辨率的線位移和轉(zhuǎn)角測量

(2)抗干擾能力強(qiáng)，受外界干擾電場和空間磁場變化的影響很小，基本不受電源波動的影響

(3)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長

(4)可以長距離位移測量

(5)工藝性好、成本較底、便于復(fù)制和成批生產(chǎn)
(3)最常用，易安裝

(4)價(jià)格較絕對式便宜		 (3)可以直接讀取角度坐標(biāo)的絕對值，不必“尋零”

(4)位置信息不容易丟失

(5)沒有累積誤差

(6)允許的最高旋轉(zhuǎn)速度比增量式高
缺點(diǎn) (1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

(2)價(jià)格貴		 對使用環(huán)境要求較高，使用時(shí)要求密封，須防油污、灰塵、鐵屑等污染 (1)精度低，適合中低精度角位移的測量

(2)輸出為模擬量，不能實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制		 (1)輸出信號弱

(2)信號處理麻煩

(3)配套的用于信號處理的電子設(shè)備(數(shù)顯表)比較復(fù)雜，價(jià)格高
(3)掉電后會丟失位置信息

(4)允許的最高旋轉(zhuǎn)速度不如絕對式高		 (3)單轉(zhuǎn)式所能測量的軸角范圍0～360°，不適于用多轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)動控制中，多轉(zhuǎn)式已有開發(fā)，但成本較高

(4)采樣處理時(shí)存在時(shí)間延遲，不適應(yīng)高速控制的需要
精度范圍 以分辨率表示，與碼盤轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)和倍頻數(shù)有關(guān)。一般為500～5000個脈沖/r。高精度達(dá)217脈沖數(shù)。倍頻數(shù)一般為1，2，4，8倍頻。 以分辨率表示，與碼盤的碼道數(shù)目有關(guān)。高精度絕對碼盤一般為19位，更高精度達(dá)21位 10nm～10μm 測量精度3～5’ (1)直線式

   精度±1μm，分辨率0.05μm，重復(fù)精度0.2μm

(2)旋轉(zhuǎn)式(直徑300mm)

   精度±1"，分辨率0.05"，重復(fù)精度0.1 "
應(yīng)用場合 非常廣泛。角度、速度、加速度、線位移量、角度量測量的各種場合 非常廣泛。角度測量的各種場合 應(yīng)用廣泛。計(jì)量和檢測、裝配和測試、直線電動機(jī)、印刷和影象、科學(xué)儀器、半導(dǎo)體制造中 在高精度的隨動系統(tǒng)中做測量元件，在模擬解算裝置中做解算元件 很廣。

旋轉(zhuǎn)式應(yīng)用如:陀螺平臺、伺服轉(zhuǎn)臺、火炮控制、雷達(dá)天線定位、精密機(jī)床等設(shè)備中。

直線式應(yīng)用如:坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床以及其它精密機(jī)床的定位、顯示、和數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)控制系統(tǒng)中
主要特征參數(shù) 電源，輸出信號，輸出形式，脈沖數(shù)，最高響應(yīng)頻率，啟動力矩，軸上額定負(fù)載，最高轉(zhuǎn)速，軸徑/軸形狀，使用環(huán)境 電源，輸出形式，輸出碼，分辨率(碼道數(shù)目)，最高響應(yīng)頻率，啟動力矩，軸上額定負(fù)載，最高轉(zhuǎn)速，軸徑/軸形狀，使用環(huán)境 分辨率，輸出波形，量程或直徑，測量周期，環(huán)境要求，直流電源，防護(hù)等級，最小時(shí)鐘頻率，最大移動速度，尺寸 普通:

激磁方式，激磁方額定電壓，額定頻率，開路輸入阻抗，變壓比(輸出/激磁)，多極和雙通道型及極對數(shù)，最大空載輸出電壓		 結(jié)構(gòu)類型，檢測周期，精度，重復(fù)精度，滑尺阻抗，滑尺輸入電壓，定尺阻抗，定尺輸入電壓，電壓傳遞系數(shù)

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