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数控机床结构与数控原理 模块四 位置检测装置 课题一 主轴编码器 知识点: ?数控机床对检测元件的要求 ?位置检测装置的分类 技能点: ?了解数控机床中主轴编码器的工作原理及其使用 一、任务引入 叙述主轴编码器的工作原理及其应用。 二、任务分析 主轴编码器应用于在数控车床车螺纹时，是利用其同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号, 从而保证车削螺纹不会乱扣。螺纹是怎样加工的,车刀进刀点和退刀点应处在什么位置,主轴编码器有什么作用, 三、相关知识 1(螺纹 螺纹是在圆柱面或圆锥面上沿着螺旋线所形成的、具有相同剖面形状的连续凸起和沟槽。在圆柱表面上形成的螺纹称圆柱螺纹，在圆锥表面上形成的螺纹称圆锥螺纹。在回转体外表面上形成的螺纹称外螺纹，在回转体内表面上形成的螺纹称内螺纹。 加工螺纹的方法很多，在车床上加上螺纹时，车床通过三爪卡盘夹紧圆柱形工件，并带动它作等速旋转运动，车床进给机构带动车刀(标准螺纹车刀)沿圆柱轴线方向作等速直线运动，车刀刀尖在工件表面切削出三角形凹槽从而形成三角形螺纹。如图4-1所示。 图4-1 在车床上加工螺纹 86 φ 如图4-2所示，螺纹加工时有轨迹始点(A点，即进刀点)和轨迹终点(B点，即退刀点)。在螺纹加工轨迹中为保证螺纹的加工设置有足够的升速进刀段δ和降速退刀段δˊ，以消除伺服滞后造成的螺距误差。 L1L2 ZpOp21φφB 2δ A Xpδ1 图4-2 螺纹加工 2(主轴编码器的作用 主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方面的直接联系，为了加工螺纹，就要求3 给定进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。 四、任务实施 光电脉冲发生器的原理如图4-3所示。在漏光盘上，沿圆周刻有两圈条纹，外圈为圆周等分线条，例如:1024条，作为发送脉冲用，内圈仅1条。在光栏上，刻有透光条纹A、B、C，A与B之间的距离应保证当条纹A与漏光盘上任一条纹重合时，条纹B应与漏光盘上另一条纹的重合度错位1/4周期。在光栏的每一条纹的后面均安置光敏三极管一只，构成一条输出通道。 A B灯泡C 光敏管聚光镜光栏板 漏光盘 图4-3 光电脉冲发生器的原理图 87 灯泡发出的散射光线经过聚光镜聚光后成为平行光线，当漏光盘与主轴同步旋转时，由于漏光盘上的条纹与光栏上的条纹出现重合和错位，使光敏管受到光线亮、暗的变化，引起光敏管内电流大小发生变化，变化的信号电流经整流放大电路输出矩形脉冲。由于条纹A与漏光盘条纹重合时，条纹B与另一条纹错位1/4周期，因此A、B两通道输出的波形相位也相差1/4周期。 脉冲发生器中漏光盘内圈的一条刻线与光栏上条纹C重合时输出的脉冲为同步(起步，又称零位)脉冲。利用同步脉冲，数控车床可实现加工控制，也可作为主轴准停装置的准停信号。数控车床车螺纹时，利用同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。 五、知识的链接 1(数控机床对检测元件及位置检测装置的要求 (1) 数控机床对检测元件要求 检测元件是检测装置的重要部件，其主要作用是检测位移和速度，发送反馈信号。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量电路。 数控机床对检测元件的主要要求是:?寿命长，可靠性高，抗干扰能力强;?满足精度和速度要求;?使用维护方便，适合机床运行环境;?成本低;?便于与计算机联接。 不同类型的数控机床对检测系统的精度与速度的要求不同。通常大型数控机床以满足速度要求为主，而中、小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率和脉冲当量时，一般要求比加工精度高一个数量级。 (2)数控机床对位置检测装置的要求 位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。不同类型的数控机床，对位置检测元件，检测系统的精度要求和被测部件的最高移动速度各不相同。现在检测元件与系统的最高水平是:被测部件的最高移动速度高至240m/min时，其检测位移的分辨率(能检测的最小位移量)可达1μm，如24m/min时可达0.1μm。最高分辨率可达到0.01μm。 数控机床对位置检测装置有如下要求: ?受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。 ?在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。 ?使用维护方便，适应机床工作环境。 88 ?成本低。 2(位置检测装置的分类 对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用以下不同的检测方式。 (1)增量式和绝对式测量 增量式检测方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移(即最小设定单位)的数量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。但在此系统中，移距是靠对测量信号累积后读出的，一旦累计有误，此后的测量结果将全错。另外在发生故障时(如断电)不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置。 绝对式测量方式测出的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表示出来，一般都要经过转换成脉冲数字信号以后，才能送去进行比较和显示。采用此方式，分辨率要求愈高，结构也愈复杂。这样的测量装置有绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘(或称多圈式绝对编码盘)等。 (2)数字式和模拟式测量 数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控系统进行比较、处理。这样的检测装置有脉冲编码器、光栅。数字式检测有以下3个特点。 ?被测量转换成脉冲个数，便于显示和处理; ?测量精度取决于测量单位，与量程基本无关;但存在累计误码差; ?检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。 模拟式检测是将被测量用连续变量来表示，如电压的幅值变化，相位变化等。在大量程内做精确的模拟式检测时，对技术有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测装置有测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。模拟式检测的主要特点有以下几个。 ?直接对被测量进行检测，无须量化。 ?在小量程内可实现高精度测量。 ?能进行直接检测和间接检测。 位置检测装置安装在执行部件(即末端件)上直接测量执行部件末端件的直线位移或角位移，都可以称为直接测量，可以构成闭环进给伺服系统，测量方式有直线光栅、直线 89 感应同步器、磁栅、激光干涉仪等测量执行部件的直线位移;由于此种检测方式是采用直线型检测装置对机床的直线位移进行的测量。其优点是直接反映工作台的直线位移量。缺点是要求检测装置与行程等长，对大型的机床来说，这是一个很大的限制。 位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电机轴上，测量其角位移，经过传动比变换以后才能得到执行部件的直线位移量，这样的称为间接测量，可以构成半闭环伺服进给系统。如将脉冲编码器装在电机轴上。间接测量使用可靠方便，无长度限制;其缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动链误差，从而影响测量精度。一般需对机床的传动误差进行补偿，才能提高定位精度。 除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还包括检测速度的元件,用以检测和调节发动机的转速。常用的测速元件是测速发动机。 数控机床常见的位置检测装置见表4-1。 表4-1 常见的位置检测装置 类型 增量式 绝对式 回转型 脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同多速旋转变压器、绝对脉冲编码器 、三速圆 步器、圆光栅、圆磁栅 感应同步器 直线型 直线感应同步器、计量光栅 、磁尺三速感应同步器、绝对值式磁尺 激光干涉仪 【思考与练习】 1. 简述主轴编码器的工作原理。 2. 数控机床对检测元件有哪些要求, 3. 数字式检测装置有哪些特点, 90 软驱单元HNC,21 XS2,XS2电缆长度,15米 DATA11DATA GND33GND VCC44VCC CLOCK55CLOCK XS3,XS3 TX_D1+11TX_D1+ TX_D1-22TX_D1- RX_D2+33RX_D2+ BI_D3+44BI_D3+ BI_D3-55BI_D3- RX_D2-66RX_D2- BI_D4+77BI_D4+ BI_D4-88BI_D4- XS4,XS4 L111L1 L222L2 L333L3 L444L4 +5V55+5V L566L5 L677L6 L788L7 L899L8 GND1010GND L91111L9 L101212L10 L111313L11 L121414L12 L131515L13 XS5,XS5 RXD22RXD TXD33TXD课题二 连接光栅尺与数控装置 GND55GND 知识点 ?常用位置检测元件的工作原理及其应用 图3,22 软驱单元接线图 ?半闭环系统的连接与调试 技能点: ?能进行半闭环系统的连接与调试，掌握位置误差的测量及其补偿 一、任务引入 数控装置与光栅尺的联接原理图如图4-4所示，根据图4-4进行连接，并用数字示波 器观察光栅尺的波形。 数控装置XS32接口XS32 光栅尺AA1 AA9 BB2A 屏蔽(5×0.25 0.5m)BBB10 Z差分Z3Z信号板 ZZ+5V11 +5V+5VGND4 GNDGND13PE 图4-4 数控装置与光栅尺的联接 图3,31 数控系统电气原理图(光栅尺)二、任务分析 从图4-4中可看到光栅尺与数控装置的XS32接口相连，将检测的信号反馈给数控系 统，对机床的移动(转动)进行控制。什么是光栅,光栅是怎样工作的,有哪些位置检测 装置,怎样检测数控系统中的位置测量装置的误差,下面我们就对这些问题进行讲解。 91 三、相关知识 1(光栅尺测量系统 光栅尺测量系统如图4-5所示，它由光源1、透镜2、标尺光栅3、指示光栅4、光敏元件5和信号处理电路组成。信号处理电路又具有放大、整形和鉴向倍频功能。 通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独部件固定在机床上。这个部件称为光栅读头，其作用是将莫尔条纹的信号转换成所需的电脉冲信号。当标尺光栅随工作台一起移动时，光源通过聚光镜后，透过标尺光栅和指示光栅形成忽明忽暗的莫尔条纹(光信号);光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的放大、整形、鉴相倍频后输出或显示。为了测量转向，至少要放置两个光敏元件，两者相距1,4莫尔条纹节距，这样当莫尔条纹移动时，会得到两路信号相位相差π,2的波形;将输出信号送入鉴向电路，即可判断移动方向。 1 2 3 4 信号处理电路 5 图4-5光栅尺测量系统 l一光源;2一透镜;3一标尺光栅;4一指示光栅;5一光敏元件 为了提高光栅的分辨率，通常还用4倍频的方法细分。所谓4倍频细分，就是将莫尔条纹原来的每个脉冲信号，变为在O、π,2、π、3π,2时都有脉冲输出，从而使精度提高了4倍。若光栅栅距0.Olmm，则工作台每移动0.0025mm，系统就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅尺测量系统的分辨率不仅取决于光栅尺的栅距，而且取决于鉴相倍频的倍数n，即: 分辨率=栅距/n 2(光栅 计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。 (1)光栅的种类与精度 92 在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称透射光栅;在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。 计量光栅分为长光栅(测量直线位移)和圆光栅(测量角位移)，而每一种又根据其用途和材质的不同分为多种。 1)直线光栅(即长光栅) ?玻璃透射光栅。它是在玻璃表面感光材料的涂层上或者在金属镀膜上制成的光栅线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。光栅的几何尺寸主要根据光栅线纹的长度和安装情况具体确定，如图4-6所示。 玻璃透射光栅的特点是:光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构简单;每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。 光栅线纹放大图7.5 5a122a(栅距)5510001080 图4-6透射光栅 ?金属反射光栅。是在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作或用钻石刀直接刻画制作光栅条纹。 金属反射光栅的特点是:标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致;标尺光栅的安装和调整比较方便;安装面积较小;易于接长或制成整根的钢带长光栅;不易碰碎。目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、50。 2)圆光栅 圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周上的线纹数也不相同。圆光栅一般有3种形式。 ?六十进制，如10800、21600、32400、64800等; ?十进制，如1000、2500、5000等; ?二进制，如512、1024、2048等。 圆光栅的结构如图4-7所示。 93 ?260 ?255.3(基准圆) ?190?202(安装圆) ?240(参考圆) 15 刻线面 6.5 a5=1(或) 8bab图4-7圆光栅 3)计量光栅的精度 光栅检测系统的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差，即累积误差。由于使用了莫尔条纹技术，因此，相邻误差得以适当的被修正，但对累积误差无多大改善。 由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，目前光栅精度可以达到微米级，再通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。几种常用光栅的精度数据见表4-2。 表4-2 各种光栅的精度 计量光栅 光栅长度 线纹数 精 度 玻璃透射光栅 500 100/mm 5μm 玻璃透射光栅 1000 LOO/mm lOμm 94 直线式 金属反射光栅 500 25/mm 7μm 金属反射光栅 1220 40/mm 13μm 高精度反射光栅 1000 50/mm 7.5μm 玻璃衍射光栅 300 250/mm 1.5μm 回转式 玻璃圆光栅 Φ270 10800/周 3″ (2)透射直线式和莫尔条纹式光栅 光栅位置检测装置由光源， 光源透镜标尺光栅光敏元件长光栅(标尺光栅)，短光栅 指示光栅驱动(指示光栅)和光电元件等组 线路成，如图4-8所示。 根据光栅的工作原理分为 图4-8 光栅位置检测装置 透射直线式和莫尔条纹式光栅两类。 1)透射直线式光栅 透射直线式光栅的结构如图4-9所示，它是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称为标尺光栅;短光栅装在机床固定部件上，称为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接受到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接受到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接受到的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1/4栅距，并通过鉴向线路进行辨别。 由于这种光栅只能透过透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。 光通量变化 指示光尺标尺光栅 透镜灯泡光电元件 位移S光电元件输出 位移S整形输出 位移S读数头 W 脉冲输出位移S 图4-9 透射直线式光栅原理图 95 节距W 指示光栅G2标尺光栅G1 W暗 W明 暗W 明 baθ 图4-10 莫尔条纹式光栅 2)莫尔条纹式光栅 用得较普遍的是莫尔条纹式光栅，是将栅距相同的标尺光栅与指示光栅互相平行的叠放并保持一定的间隙(0.1?)，然后将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，那么两块光栅尺上的刻线交叉，在光源的照射下，相交点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距相交点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线占据的空间增大，因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。如图4-10所示，此明暗相间条纹称之为莫尔条纹，其光强度分布近似于正弦波形。如果将指示光栅沿标尺光栅长度方向平行的移动，则可看到莫尔条纹也跟着移动，但移动方向与指示光栅移动方向垂直。当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移过一个条纹。 四、任务实施 1.光栅尺与数控装置的连接 (1)根据图4-4将数控系统与光栅尺进行连接，此时光栅尺位置反馈信号只是用来显示坐标轴的实际位置，并没有用来作为位置的闭环控制。仔细检查接线，保证接线正确。 (2)设置数控系统的交流伺服轴参数。 (3)设置交流伺服单元的参数，使之工作在位置控制方式下。 2(观察光栅尺波形 (1)将编码器的A、B相信号分别接入数字示波器的两个通道。 (2)进入数控系统，在MDI方式下调用G01指令，使交流伺服轴进行低速进给运动，按一下进给修调右侧的'+'按键(修调倍率缺省设定是递增10%，即按一下'+'按键，轴进给速度递增10%)。 (3)调整示波器，使两个通道同步，观察交流伺服轴由低速逐渐加速运动后，两个通道的信号波形，并以平面坐标系的格式绘制波形，如图4-13所示。 96 (4)让交流伺服电动机反向转动，观察两个通道的信号波形，并以图4-11所示的格式绘制波形。 (5)将编码器的Z相信号接入数字示波器的一个通道。 (6)进入数控系统，在MDI方式下调用G01指令，使交流伺服轴低速进给运动。 (7)调整示波器，观察Z相信号波形，并以图4-11所示的格式绘制波形。 (8)用同样的方法观察，并绘制光栅尺A、B、Z相信号波形。 V OT 图4-11绘制波形格式 五、知识链接 1(旋转变压器 旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。 在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。常用的激磁频率为400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。 旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。因此，在数控机床上广泛应用。 通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。另外，还有一种多极旋转变压器。也可以把一个极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器做在一个磁路上，装在一个机壳内，构成'粗测'和'精测'电气变速双通道检测装置，用于高精度检测系统和同步系统。 根据旋转变压器的工作原理，旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式:鉴相方式和鉴幅方式。 (1)鉴相工作方式 在旋转变压器定子的两相正交绕组(正弦用s和和余弦用c表示)，一般称为正弦绕组 97 和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压 U=Usinωt U=Ucosωt smcm 两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。根据线性叠加原理，在转子绕组中感应电压为 U=kUsinθ+kUcosθ=kUcos(ωt-θ) s机c机m机 其中k为变压比，由式4-10可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ。因此只机要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。 (2)鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压 U=Usinθsinωt U=Ucosθsinωt sm电cm电 则在转子绕组上得到感应电压为 U=kUsinθ+kUcosθ s机c机 =kUsinωt(sinθsinθ+cosθUcosθ) m电机电c机 =kUcos(θ-θ) sinωt m电机 在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角θ，使之跟踪θ的变化，并测电机量感应电压幅值即可求得机械角位移θ。 机 2(感应同步器 应同步器与旋转变压器一样，是利用电磁耦合原理，将位移或转角转化成电信号的位置检测装置。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器按其运动形式和结构形式的不同，可分为旋转式(或称圆盘式)和直线式两种。前者用来检测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统;后者用来检测直线位移，用于大型和精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统中，两者工作原理和工作方式相同。 (1)感应同步器的结构 直线式感应同步器的结构如图4-12所示。感应同步器由定子和滑尺两部分组成。定尺和滑尺通常以优质碳素钢作为基体，一般选用导磁材料，其膨胀系数尽量与所安装的主基体相近。定尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙。定尺表面制有连续平面绕组(在基体上用绝缘的粘合剂贴上铜箔，用光刻或化学腐蚀方法制成方形开口平面绕组);在滑尺的绕组周围常贴一层铝箔，防止静电干扰，滑尺上制有两组分段绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组，，这两段绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4的节距，节距用2τ表示，安装时定尺组件与滑尺组件安装在机床的不动和移动部件上，例如工作台和床身，滑尺安装在机床 98 上，并自然接地。工作时，当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确的测量出位移量。感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的。 2τ2τ 滑 尺 滑(m+1/2)τ定尺尺 图4-12 直线式感应同步器的结构原理 (2)感应同步器的应用 与旋转变压器一样，有鉴相式和鉴幅式两种工作方式，原理亦相同。 (3)感应同步器的特点 1)精度高 因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度能做得较高。直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。感应同步器的灵敏度(或称分辨率)，取决于一个周期进行电气细分的程度，灵敏度的提高受到电子细分电路中信噪比的限制，只要对线路进行精心设计和采取严密的抗干扰措施，可以把电噪声减到很低，并获得很高的稳定性。 2)测量长度不受限制 当测量长度大于250?时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量，大多数采用直线式感应同步器来实现。 3)对环境的适应较高 因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，还能获得较高的重复精度，另外，感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺面防护要求低，而且可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层，加强感应同步器的抗温防湿能力。 4)维护简单，寿命长 感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦，磨损，使用寿命长，且无须担心元件老化等问题。 另外，感应同步器的抗干扰能力强，工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。 99 3(磁尺 磁尺又称为磁栅，是一种计算磁波数目的位置检测元件。可用于直线和转角的测量，其优点是精度高、复制简单及安装方便等，且具有较好的稳定性，常用在油污、粉尘较多的场合。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到了广泛使用。 磁尺由磁性标尺，磁头和检 测电路组成，其结构如图4-13所 示。磁性标尺是在非导磁材料的 磁基体上，采用涂敷，化学沉积或 伺服系统性磁头检测电路标电镀上一层很薄的磁性材料，然 连接数字显示尺电缆后用录磁的方法使敷层磁化成相 等节距周期变化的磁化信号。磁 图4-13 磁尺结构与工作原理 化信号可以是脉冲，也可以为正 弦波或饱和磁波。磁化信号的节 距(或周期)一般有0.05?，0.10mm，0.20?，1?等几种。 磁头是进行磁—电转换的器件，它把反映位置的磁信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。 磁尺是利用录磁原理工作的。先用录磁磁头将按一定周期变化的方波、正弦波或电脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。 4(脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。同时也可作速度检测装置。 (1)脉冲编码器的分类与结构 脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种，因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。光电脉冲编码器按每转发出脉冲数的多少来分，有多种型号。数控机床上最常用的光电脉冲编码器见表4-3。脉冲编码器的选用根据数控机床滚珠丝杠的螺距确定。 表4-3 光电脉冲发生器 脉冲编码器 每转移动量(mm) 脉冲编码器 每转移动量(mm) 2000P,r 2,3,4,6,8 3000P,r 3,6,12 100 2500P,r 5，10 光电式脉冲编码器的结构如图4-14所示。在一个圆盘的圆周上刻有等间距线纹，分为透明和不透明的部分，称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对，平行放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面制有相差1/4节距的两个狭缝(辨向狭缝)。此外，还有一个零位狭缝(每转发出一个脉冲)。脉冲发生器通过十字连接头或键与伺服电动机相连。当圆光栅旋转时，光线透过这两光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹，被光电元件接受，并变换成测量脉冲，其分辨率取决于圆光栅的一圈线纹数和测量电路的细分倍数。脉冲编码器主要技术性能见表4-4。 表4-4 脉冲编码器主要技术性能 电 源 5V?5%,?0.35A 温度范围 0,60?C 输出信号 轴向频动 0.02mm ,A，;B，;Z，, , 2每转脉冲数 2000,2500,3000 转子惯量 ,5.7kg?cm 电 源 5V?5%,?0.35A 温度范围 0,60?C 最高转速 2000r,min 阻尼转距 ,8N?cm i节距P BA 光源指示光栅轴连接法兰 Oωt 90?90? A B 90?电路板光敏元件圆光栅 图4-14 光电式脉冲编码器的结构 图4-15 脉冲编码器输出波形 当圆光栅与工作轴一起转动时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光电元件接受这些明暗相间的光信号，并转换为交替变换的电信号。该电信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，如图4-15所示。A和B信号相位相差90?，经放大和整形变成方形波。通过两个光栅的信号，还有一个'每转脉冲'，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z脉冲用来产生机床的基准点。后来的脉冲被送到计数器，根据脉冲的数目和频率可测出工作轴的转角及转速。其分辨率取决于圆光栅的圈数和测量线路的细分倍数。 101 (2)绝对值脉冲编码器 与增量式脉冲编码器不同，绝对值编码器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置。码盘的读取方式有接触式、光电式和电磁式等几种。最常用的是光电式编码器。 光电绝对值编码器的编码盘原理图和结构图如图4-16所示。图4-16a中，码盘上有四条码道。码道就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接受，并转变成电信号，输出信号为'1';如果不是透明区，光电管接受不到光线，输出信号为'O'。被测轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就代表了轴的相应位置，即绝对位置。 00001000 00011001 光光电管源00111011 10100010 11100110 码盘 11110111 11010101 01001100 a) b) 图4-16光电绝对值编码器 光电编码盘大多采用格雷码编码盘，格雷码数码见表4-5。格雷码的特点是每一相邻数码之间仅改变一位二进制数，这样，即使制作和安装不十分准确，产生的误差最多也只是最低位的一位数。 四位二进制码盘能分辨的最小角度(分辨率)为 4 α=360?,2=22.5? 码道越多，分辨率越小。目前，码盘码道可以做到18条，能分辨的最小角度为 18 α=360?,2=0.0014? 102 表4-5 编码盘的数码 角 度 二进制 格雷码 十进制 角 度 二进制 格雷码 十进制 O 0000 0000 0 8α 1000 1100 8 α 0001 0001 1 9α 1001 1101 9 2α 0010 0011 2 1Oα 1010 1111 10 3α 0011 0010 3 11α 1011 1110 11 4α 0100 0110 4 12α 1100 1010 12 5α 0101 0111 5 13α 1101 1011 13 6α 0110 0101 6 14α 1110 1001 14 7α 0111 0100 7 15α 1111 1000 15 (4)光电脉冲编码器的应用 光电脉冲编码器在数控机床上用作位置检测装置，将检测信号反馈给数控系统。其反馈给数控系统有两种方式:一是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲;二是适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。 【实践环节】——数控系统位置测量装置的测量及补偿 1. 实验目的与要求 (1)了解位置测量装置的基本概念。 (2)掌握几种位置测量装置(光电式增量编码器(又称码盘)、光栅尺等)的使用方法和信号处理方法，并合理选用。 (3)掌握数控机床开环、半闭环控制系统的原理和应用。 (4)了解机床误差的测量和补偿方法。 2. 实验仪器与设备 (1)HED-21S数控系统综合实验台一套。 (2)专用连接线一套。 (3)示波器一台。 (4)万用表一个。 3. 光电编码盘、光栅尺与数控装置的连接 (1)根据图4-17、图4-4分别将数控系统与光电编码盘、光栅尺进行连接，仔细检查接线，保证接线正确。 (2)设置数控系统的交流伺服轴参数及交流伺服单元的参数，使之工作在位置控制方式下。 103 X轴伺服模块 +T-SDMX Panasonic CNA -XT2AC SERVO DRIVER3?1mm BKL11S2L2CN I/FTKA103L3100K272K28220A2?1mm BK29 SRV-ON4r220B9 CCWL松下伺服电机5100t +M-MX8 CWL2+E-WEPOX Rvv 4?1mm 1.5mUXUX1(红)6UVXVXMS2(白或黄)7CP+3 PULS+PGV数控装置XWXW3(黑)3,8CP-4 PULS-WXS30接口4(绿/黄)PE9DIR+5 SIGN+PEDIR-6 SIGN-A+21 OA+A-22 OA-B+48 OB+B-49 OB-Z+23 OZ+XS30+E-WEPGX Rvvp12?0.2mm , 1.5mCN SIGZ-24 OZ-红 AGDN13.25 GDNA7粉红 /A/A8绿 BB924V蓝 /B7 COM+/B10X20黄 Z35 SRV-RDY+Z11X21橙 /Z37 ALM+/Z12浅蓝 RX17 GNDRX17100紫 RX41 COM-RX1834 SRV-RDY-白 +5V+5V 436 ALM-黑 0V0V 2FG FG 20 图4-17半闭环控制系统与松下交流伺服单元的连接 4(半闭环控制误差的测量及补偿 (1)反向间隙误差测量及补偿的操作如下: ?在回零工作方式下，使交流伺服进给轴执行回零操作。 ?将交流伺服进给轴'轴补偿参数'内的所有参数置O。 ?记录下光栅尺反馈的位置数据A，在MDI方式下调用G01指令，使轴正向移动1mm，然后再调用G01指令使轴反向移动1mm，记录下光栅尺反馈的位置数据B，如图4-18所示。 ?计算反向间隙误差补偿值(=?数据A-数据B?)，单位是内部脉冲当量(内部脉冲当量为1μm)。 ?将'轴补偿参数'内的'反向间隙参数'设置为反向间隙误差补偿值。 ?重复步骤?和?，比较第二次计算的误差值和第一次计算的误差值，看有何变化。 104 在MDI方式下调用G01指令,使轴移动(通常不大于1mm)读数据位置 两次移动距离相同A1A2An+1AnA… …B1Bn+1Bn反向位置B2B消除反向间隙消除反向间隙读数据位置 图4-18反向间隙测量方法示意图 (2)螺距误差测量及补偿(见图4-19)的操作如下: ?在回零工作方式下，使交流伺服进给轴执行回零操作。 ?在交流伺服进给轴的'轴补偿参数'内将所有与螺距误差有关的参数置0。 ?在交流伺服进给轴150mm的有效行程内，补偿间隔为10mm，共16个补偿点，各补偿点的坐标依次为 -150,-140,-130,-120,-110,-100,-90,-80,-70,-60,-50,-40,-30,-20,-10,0 ?调入测量螺距误差的程序，将各补偿点处的光栅尺位置反馈数据记录在表4-6中，根据下式: 螺距误差补偿值=机床指令坐标值-机床实际测量位置值 计算螺距误差，单位为内部脉冲当量。测量螺距误差的程序见表4-7。 在MDI方式下调用G01指令,使轴移动(通常不大于1mm)读数据位置 两次移动距离相同A1A2An+1AnA… …B1Bn+1Bn反向位置B2B消除反向间隙消除反向间隙读数据位置 图4-19螺距误差测量方法示意图 A,A，进给轴正向移动时测得的实际机床位置; B,B，进给轴负向移动时测得的实际机床位置 1n+11n+1 表4-6 螺距误差 项目 负向测量数据 负向偏差值 正向测量数据 正向偏差值 补偿点 105 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 表4-7 测量螺距误差的程序 程序 说明 %0110 文件名 G92 X0 Y0 Z0 建立临时坐标，坐标原点应该在参考点位置 WHILE[TRUE] 循环次数不限，即死循环 G91 G01 X1 F1500 X轴正向移动1mm G04 P10 暂停10s G01 X-1 X轴负向移动1mm，返回测量位置，并消除反向间隙 G04 P10 暂停10s，记录光栅尺位置反馈数据 M98 P1111 L15 调用负向移动子程序15次，子程序名为'1111' G01 X-1 F1000 X轴负向移动1mm G04 P10 暂停10s G01 X1 X轴正向移动1mm，返回测量位置，并消除反向间隙 G04 P10 暂停10s，记录光栅尺位置反馈数据 M98 P2222 L15 调用正向移动子程序15次，子程序名为'2222' ENDW 循环程序尾 M30 停止返回 %1111 X轴负向移动子程序，其名为'1111' G91 G01 X-10 F1000 X轴负向移动10mm G04 P10 暂停10s，记录光栅尺位置反馈数据 M99 子程序结束 106 %2222 X轴正向移动子程序，其名为'2222' G91 G01 X10 F500 X轴正向移动10mm G04 P10 暂停10s，记录光栅尺位置反馈数据 M99 子程序结束 ?设置'轴补偿参数'内与螺距误差有关的参数时，采用单向螺距误差补偿，偏差值[0]到偏差值[15]依次为在-150、-140、-130、-120、-110、-100、-90、-80、-70、-60、-50、-40、-30、-20、-10、0处坐标轴负向移动时的偏差值，如表4-8所示。 表4-8 单向螺距误差补偿 参数名 数据 说 明 螺补类型 1 单向螺距误差补偿 补偿点数 16 参考点偏差号 15 补偿间隔(内部脉冲当量) 10000 10mm 偏差值(内部脉冲当量)[O] 偏差值(内部脉冲当量)[1] 偏差值(内部脉冲当量)[2] 偏差值(内部脉冲当量)[3] 偏差值(内部脉冲当量)[4] 偏差值(内部脉冲当量)[5] 偏差值(内部脉冲当量)[6] 采用负向测量数据(因为参考点偏差值(内部脉冲当量)[7] 为起始位置，所以单向补偿时该点偏差值(内部脉冲当量)[8] 偏差值一般为零) 偏差值(内部脉冲当量)[9] 偏差值(内部脉冲当量)[10] 偏差值(内部脉冲当量)[11] 偏差值(内部脉冲当量)[12] 偏差值(内部脉冲当量)[13] 偏差值(内部脉冲当量)[14] 偏差值(内部脉冲当量)[15] ?重复步骤?，将数据记录在表4-9中，比较第二次计算的误差值和第-次计算的误差值，看有何变化。 表4-9 补偿后的螺距误差 项目 负向测量数据 负向偏差值 正向测量数据 正向偏差值 补偿点 -150 107 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 【思考与练习】 1. 简述光栅尺测量系统的工作原理。 2. 简述脉冲编码器的工作原理? 3. 简述格雷码的特点。 108 109 |
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