位置檢測裝置

一、位置檢測裝置的分類和要求

    位置檢測裝置是閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其精度在很大程度上由位置檢測裝置的進(jìn)度決定。現(xiàn)在，檢測元件與系統(tǒng)的最高水平：被測部件的最高移動(dòng)速度240m/min時(shí)，檢測位移分辨率1um；24m/min時(shí)，分辨率0.1um；最高分辨率可達(dá)0.01um。

    對位置檢測裝置的要求：

    1）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強(qiáng)；

    2）在機(jī)床執(zhí)行部件移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿足精度和速度要求；

    3）使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境。

    4）成本低。

    （一）數(shù)字式和模擬式測量（所獲得的信號不同）

    1．?dāng)?shù)字式測量

    將被測量以數(shù)字的方式表示。測量信號一般為電脈沖，可直接送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較處理和顯示。這樣的檢測裝置有：光柵檢測裝置、脈沖編碼器。裝置比較簡單，抗干擾能力強(qiáng)。

    2．模擬式測量

    將被測量用連續(xù)變量表示。如：電壓的幅值變化、相位變化。對相位變化的量可直接送數(shù)控裝置與移相的指令電壓進(jìn)行比較，對幅值變化的量，可先將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號，再送數(shù)控裝置進(jìn)行比較和顯示。這類裝置有：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器。

    （二）增量式和絕對式測量（測量方式不同）

    1．增量式測量

    只測出位移的增量，并用數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)來表示單位位移的數(shù)量。

    由于位移的距離是由增量值累積求得，所以，一旦某處測量有誤，則其后所得的位移距離都是錯(cuò)誤的。

    由于不能指示絕對坐標(biāo)位置，當(dāng)因事故斷電停機(jī)檢查，執(zhí)行部件的位置發(fā)生變化后，不能由檢修后的位置直接回到停機(jī)時(shí)的原位，而要先回到加工程序的起始位置，并計(jì)算出起點(diǎn)到停機(jī)位置的距離，才能用位移指令，令執(zhí)行部件移回停機(jī)時(shí)的位置，以便繼續(xù)加工。光柵、脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺都是增量式檢測裝置。

    2．絕對式測量

    能測出被測部件在某一絕對坐標(biāo)系中的絕對坐標(biāo)值，并以二進(jìn)制或二十進(jìn)制數(shù)碼信號表示。需要轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號才能送去比較和顯示。有：絕對式脈沖編碼盤、三速式絕對編碼盤。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分辨率與位移量都受限制。

    此外，根據(jù)安裝測量位置，有直接測量和間接測量。

    二、感應(yīng)同步器

    （一）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理

    1．結(jié)構(gòu)

    是一種電磁感應(yīng)式的位置檢測裝置，有圓和直線兩種，分別測量角位移和直線位移。

 圖1直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)原理

    結(jié)構(gòu)如圖1所示。有定尺和滑尺。鋼質(zhì)基尺上粘貼有銅箔，經(jīng)照相腐蝕成繞組。繞組節(jié)距為2mm，定尺是一連續(xù)繞組，滑尺有兩個(gè)繞組----正弦繞組和余弦繞組，在空間位置上相差1/4個(gè)節(jié)距。定尺表面涂防切削液涂層，滑尺表面還粘貼一層鋁箔，接地防靜電感應(yīng)。定尺安裝在固定部件上，滑尺安裝在移動(dòng)部件上，表面相互保持平行，間隙為0.2—0.3mm。定尺一般長250mm，通過多根尺接長，增加測量長度。

    2．工作原理

    當(dāng)滑尺繞組通以激磁電壓，如正弦繞組通US=Umsinωt。在定尺繞組上就產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電壓，且感應(yīng)電壓的幅值隨滑尺相對定尺的位置改變。變化情況如圖4-25所示。

    當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對齊重疊時(shí)，繞組完全偶合，感應(yīng)電壓的幅值最大�；�尺相對定尺移動(dòng)，感應(yīng)電壓減小，在錯(cuò)開1/4節(jié)距時(shí)，感應(yīng)電壓為零，繼續(xù)移動(dòng)，感應(yīng)電壓減小為負(fù)值，到1/2節(jié)距，感應(yīng)電壓達(dá)負(fù)的最大值。在繼續(xù)移動(dòng)，感應(yīng)電壓增大，到3/4節(jié)距，電壓為零，再移動(dòng)，電壓繼續(xù)升高，到一個(gè)節(jié)距，電壓又增大到正的最大值�？梢�，滑尺相對定尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電壓的幅值按余弦規(guī)律變化一周。感應(yīng)電壓按下式變化：

    x：0~2mm（2τ）------θ機(jī)：0~2π，所以，有：θ機(jī)=πx/τ。即：感應(yīng)電壓幅值的電角度與滑尺相對定尺的位移量，在一個(gè)節(jié)距內(nèi)成正比關(guān)系。故，只要測出θ機(jī)就能得到位移量。

    （二）感應(yīng)同步器的應(yīng)用

    感應(yīng)同步器有鑒相和鑒幅兩種應(yīng)用（工作）方式。

    1．鑒相方式

    在正弦繞組上通以勵(lì)磁電壓：US=Umsinωt

    在余弦繞組上通以勵(lì)磁電壓：UC=Umcosωt

    兩繞組的勵(lì)磁電壓的幅值、頻率相同，相位不同且相差π/2。

    分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓：

    US ---k Umcosθ機(jī)sinωt，   UC --- —k Umsinθ機(jī)cosωt。

    定尺上總的感應(yīng)電壓為兩感應(yīng)電壓的疊加：

     U=kUmsin（ωt－θ機(jī)）

    這是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的電壓，其相位角為，即相位變化對應(yīng)于滑尺相對定尺位移量的變化。故：只要取出感應(yīng)電壓的相位角，就可測量出滑尺相對定尺的位移。且相位角的正負(fù)（超前或落后）反應(yīng)了相對運(yùn)動(dòng)的方向。通過鑒別感應(yīng)電壓的相位測量位移，所以稱鑒相工作方式。

    2．鑒幅方式

    在正、余弦繞組上通以調(diào)幅激磁電壓：頻率、相位相同，幅值不同，正弦繞組的幅值按正弦規(guī)律變化，余弦繞組按余弦規(guī)律變化：

            US ---k Umcosθ機(jī)sinωt，   UC --- —k Umsinθ機(jī)cosωt。

    在定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

     U=k Umsinθ電sinωt cosθ機(jī)- kUmcosθ電sinωt sinθ機(jī)

          = k Umsin（θ電-θ機(jī)）sinωt

    在鑒幅方式，位移的變化，引起的變化，表現(xiàn)為感應(yīng)電壓幅值的變化。因此，可以通過鑒別感應(yīng)電壓的幅值變化測量位移的變化。

    令Δθ=θ電-θ機(jī)，且Δθ=πΔx/τ，當(dāng)Δθ很小時(shí)，有：

U= k UmΔθsinωt= k Um（πΔx/τ）sinωt

    電壓幅值的變化量正比于位移的變化量（增量）。

    在實(shí)際應(yīng)用中，不斷修改激磁信號的θ電，使之緊緊跟蹤的θ機(jī)變化，從而保持Δθ為很小的量。感應(yīng)電壓實(shí)際上是一個(gè)微量的誤差電壓。這樣，通過測定電壓的幅值來測定Δθ，也就是Δx的大小。

    三、光柵位置檢測裝置

    (一)光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)

圖2光柵位置檢測裝置

    如圖2所示，由光源、透鏡、指示光柵、光電元件、驅(qū)動(dòng)電路以及標(biāo)尺光柵組成。前5個(gè)元件安裝在同一支架上構(gòu)成讀數(shù)頭，讀數(shù)頭安裝在機(jī)床執(zhí)行部件的固定零件上。標(biāo)尺光柵安裝在移動(dòng)零件上。標(biāo)尺光柵與指示光柵的尺面平行，保持0.05～0.1mm的間隙。

    光柵尺

    光柵尺指標(biāo)尺光柵和指示光柵，根據(jù)制造方法和光學(xué)原理的不同，可分為透射光柵和反射光柵。

    透射光柵：在經(jīng)磨制的光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。

    特點(diǎn)：1）光源垂直入射，光電元件直接感受光照，因此，信號幅值比較大，信噪

    比好，光電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡單。

    2）線紋密度大，如200線/mm，光柵本身已經(jīng)細(xì)分到0.005mm，從而減輕

    了電子線路的負(fù)擔(dān)。

    缺點(diǎn)：玻璃易碎；熱膨脹系數(shù)與機(jī)床金屬部件不一致，影響測量精度。

    反射光柵：用不銹鋼帶經(jīng)照相腐蝕或直接刻線制成。

    特點(diǎn)：與機(jī)床金屬部件熱膨脹系數(shù)一致；增加光柵尺長度方便；安裝所需面積小，

    調(diào)整方便。適用于大位移測量。

    缺點(diǎn)：線紋密度低。

    光柵線紋是光柵的光學(xué)結(jié)構(gòu)，相鄰兩線紋的距離稱為柵距ω。單位長度上刻線數(shù)目稱為線紋密度，常見為4、10、25、50、100、200、250線/mm。

    （二）莫爾條紋

    指示光柵與標(biāo)尺光柵柵距ω相同，平行放置，并將指示光柵在自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度θ，使兩光柵的刻線相交。當(dāng)光源照射時(shí)，在線紋相交鈍角的平分線方向，出現(xiàn)明暗交替。間距相等的條紋，稱莫爾條紋。這是由于光的干涉效應(yīng)，在交點(diǎn)，刻線形成的透光隙縫互不遮擋，透光最強(qiáng)，形成亮帶。在兩交點(diǎn)的中間，透光隙縫完全被不透光的部分遮蓋，透光最差，形成暗帶。相鄰兩亮帶或暗帶之間的距離W稱為莫爾條紋的節(jié)距。節(jié)距W與柵距ω和傾角θ之間的關(guān)系為：

    莫爾條紋有以下特點(diǎn)：

    1．放大作用

    當(dāng)ω=0.01mm，θ=0.002rad=0.11°時(shí)，W=5mm。節(jié)距是柵距的500倍，將很難看清的光柵線紋放大成清晰可見的莫爾條紋。這樣便于測量。

    2．誤差均化作用

    莫爾條紋是由成百千根刻線共同形成的，這樣，使得柵距的誤差得到平均化。

    3．利用莫爾條紋測量位移

    標(biāo)尺光柵相對指示光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，對應(yīng)莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)節(jié)距。利用這個(gè)特點(diǎn)就可測量位移：在光源對面的光柵尺背后固定安裝光電元件，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋明—暗---明變化一周。光電元件接受的光強(qiáng)強(qiáng)---弱---強(qiáng)變化一周，輸出一個(gè)近似按正弦規(guī)律變化的信號，信號變化一周。根據(jù)信號的變化次數(shù)，就可測量位移量，移動(dòng)了多少個(gè)柵距。

    標(biāo)尺光柵相對指示光柵的方向改變，對應(yīng)莫爾條紋的移動(dòng)方向隨之改變，根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)方向可確定位移的方向：在刻線平行方向相距1/4節(jié)距安裝兩個(gè)光電元件，這是兩個(gè)光電元件輸出的信號有π/2的相位差，根據(jù)兩信號的相位的超前和落后，可判斷位移方向。

    四、脈沖編碼器

    脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置，能將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖。還可通過檢測電脈沖的頻率來檢測轉(zhuǎn)速，作速度檢測裝置。有增量式脈沖編碼器和絕對式脈沖編碼器兩種。

    （一）增量式脈沖編碼器

    1．結(jié)構(gòu)

    增量式脈沖編碼器有光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。數(shù)控機(jī)床上使用的都是光電式。

    結(jié)構(gòu)如圖4-37所示。圓光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與被測旋轉(zhuǎn)軸連接。指示光柵固定在機(jī)座上，與圓光柵平行并保持一定的間隙。光源、光電元件和電路板固定在底座上，在光柵前后相對安裝。

    圓光柵的基體是玻璃圓盤，表面用真空鍍膜法鍍上一層不透光的金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕工藝，制成等距的透光和不透光相間的輻射狀線紋，相鄰兩個(gè)透光和不透光線紋構(gòu)成一個(gè)節(jié)距。在圓盤里圈不透光圓環(huán)上刻有一條透光條紋，用來產(chǎn)生一轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖信號Z。指示光柵上有兩組線紋，節(jié)距與圓光柵相等，兩組線紋彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距。

    2．工作原理

    圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過兩個(gè)光柵的A、B兩組線紋，每轉(zhuǎn)過一個(gè)光柵節(jié)距，便在光電元件上形成明—暗—明一個(gè)周期的光信號，并被轉(zhuǎn)換成兩組近似于正弦波的電壓信號，連續(xù)旋轉(zhuǎn)便得到兩路正弦電壓信號。經(jīng)放大、整形后，得到方波信號。從而將角位移轉(zhuǎn)換成了電脈沖。正轉(zhuǎn)時(shí)，A相超前90，反轉(zhuǎn)時(shí)，B相超前90，通過鑒別A、B兩相方波的相位關(guān)系，辨別旋轉(zhuǎn)方向。一轉(zhuǎn)脈沖Z為基準(zhǔn)脈沖，也稱零點(diǎn)脈沖。它是在圓光柵，也是被測旋轉(zhuǎn)軸在一個(gè)固定的圓周位置上產(chǎn)生的脈沖。作為坐標(biāo)原點(diǎn)的信號，車螺紋時(shí)作為進(jìn)刀點(diǎn)的信號。每個(gè)脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角與每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)有關(guān)，通常有2000，2500，3000p/r。高分辨率的有：20000，25000，30000p/r。最高達(dá)100000p/r。

    （二）絕對式脈沖編碼器

    是絕對角度位置檢測裝置。輸出信號是某種制式的數(shù)碼信號，每個(gè)角度位置對應(yīng)一個(gè)不同的數(shù)碼，表示出位移后到達(dá)的絕對位置。要用起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的數(shù)碼，經(jīng)運(yùn)算后才能求得位移量的大小。位移具有停電記憶，只要通電就能顯示所在的絕對位置，因此，事故停機(jī)檢修后，可根據(jù)停機(jī)時(shí)存儲(chǔ)或記錄的絕對位置，通過絕對位移指令，直接回到原停機(jī)位置繼續(xù)加工。

    也有光電式、接觸式、電磁式三種。常用光電式。

    結(jié)構(gòu)組成與增量編碼盤相似。旋轉(zhuǎn)圓盤是編碼盤。碼盤上有許多同心圓環(huán)（碼位數(shù)），稱為碼道。整個(gè)圓盤周向又分成若干等份（編碼數(shù)）的扇形區(qū)段，每一扇形區(qū)段的碼道組成一個(gè)數(shù)碼，透光的碼道為“1”，不透光的碼道為“0”，內(nèi)碼道為數(shù)碼高位。所用數(shù)碼可以是純二進(jìn)制，還有葛萊循環(huán)碼。在圓盤的同一半徑方向的每個(gè)碼道處安裝一個(gè)光電元件，光源透過碼盤，每個(gè)扇形區(qū)段內(nèi)的光信號通過光電元件轉(zhuǎn)換成數(shù)碼脈沖信號。

    純二進(jìn)制碼的缺點(diǎn)：相鄰兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)可能有多個(gè)數(shù)位不同，當(dāng)數(shù)碼切換時(shí)有多個(gè)數(shù)位要進(jìn)行切換，增加了誤讀幾率。

    葛萊碼則相鄰兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼只有一個(gè)數(shù)位不同，只有一位切換，提高了讀數(shù)可靠性。