数控系统和机床的测量系统是现代数控机床的关键部件

应用于数控机床方面的传感器

物理031班 0361005 伍文彬数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。

数控系统和机床的测量系统是现代数控机床的关键部件,尤其是机床的测量系统,它是保证机床高精度的前提条件。

一、时栅传感器在数控系统中的应用1

新型的智能位移传感器- 时栅传感器,通过将其信号转化为数控系统的标准测量接口信号,实现了用时栅位移传感器代替数控系统中的光栅传感器。由于时栅传感器的性价比远远高于光栅传感器(与同等精度的光栅位移传感器相比,其价格约为光栅的1 /10,从而显著降低了数控系统的成本。

1 时栅传感器工作原理及其信号输出

时栅传感器是按照时空坐标转换思想 :“它是由建立相对匀速运动双坐标系(即一个坐标系上的位置之差(位移)表现为另一个坐标系统上观查到的时间之差”)而研制的一种新型位移传感器。它摆脱了以往位移传感器采用高精密机械加工和装配来保证精度的传统思路,而是采用测量时间的方法,用微型计算机技术来实现测量的高精度。最近,中国测试技术研究院参照JJG900“光电轴角编码器检定规程”检定时栅传感器的精度为±018″。时栅的基本工作原理是通过测量动坐标系上的观察点每次到动测头和定测头时的时间差,来测量位移量(为时间差与匀速V 之积) 。其原理如图1所示。

图1 时栅原理图

时栅设计输出信号为三路信号。分别为方向信号D、增量信号P 和零位脉冲信号Z。三信号为标准的TTL电平信号,其体波行如图2 所示。增量信号为离散的脉冲信号,即传感器每80μs (时栅旋转磁场周期)输出一组方波信号;方向信号为电平信号,正转时为高电平,反转时为低

电平;零位信号为脉冲信号,传感器每转360°输出一个脉冲信号。

在设计时栅信号转换接口电路时,考虑到测量系统的实时性,采用了全硬件接口电路。时栅传

感器转换接口电路原理图如图3所示。

图3 电路原理图

接口电路中74LS74型D 触发器电路为二分频电路。将其反相输出端.Q接到其D 输入端,当输入信号的第一个上升沿到来时,触发器都将翻转一次,于是在输出端得到的信号频率只有原信号的一半,这样就得到一个对CLK端输入的信号进行二分频的电路;接口电路的其余部分为简单的逻辑电路。如图3所示,将时栅传感器的方向信号和增量信号接入转换接口电路后,当方向信号D 为高电平时(正转) ,与门4A关闭,与门5A打开,增量信号P通过与门5A和或门6A,与增量信号P的二分频电路异或后生成比增量信号P 的二分频信号(A 相信号)滞后90°的同频信号(B 相信号) ,如图4 正转信号所示;当图4 反转信号分析方向信号D 为低电平时(反转) ,与门5A 关闭,与门4A打开,增量信号P取反后通过与门4A和或门6A,

图4 反转信号分析

与增量信号P 的二分频电路(A 相信号)异或后生成比增量信号P二分频信号超前90°的同频信号(B 相信号) ,时栅传感器转换接口电路输出反转信号如图所示。从接口输出信号分析可以看出,采用全硬件设计的时栅信号转换电路能够将时栅输出信号转换化数控系统中定义的测量输入信号,再根据数控系统中定义的接口标准为5 V方波差分信号,将转换接口输出信号设计为差分输出,与数控系统的测量接口进行匹配即可实现用性价比高的时栅传感器替换光栅传感器。

二、高精度定位传感器及其在混联切削机器人中的应用2

普通数控机床一般通过对刀来确定工件与刀具之间精确的位置关系, 其零点仅作为停止参考位置, 回零的精度并不作为机床性能的一项重要指标, 而将加工对刀或更换零件时的刀具和工作台所在的位置作为零件加工的精确位置。一般用行程开关及伺服驱动电机自带的编码器组成的回零定位系统, 其定位精度取决于下面两点: ①编码器的精度; ②运动部件的质量、回零运动速度、驱动系统刚度及摩擦特性等。而对由串、并联组成的混联自由度切削机器人 , 一则其结构由多个直线移动关节和回转关节组成, 特别对于由多分支组成的并

联部分 , 不但有单个分支多关节的误差, 而且有分支之间的耦合误差; 二则加工复杂零件是其突出优点, 而此类零件一般具有多品种、小批量、工艺复杂等特点。这样, 由于工件更换及品种变化原因, 或者同一工件由于加工过程中需要热处理、变换机床等工艺原因, 以及由于机床故障或换班等停机原因, 使机器人多次频繁对刀。因此若采用传统的回零定系统, 不仅影响加工精度, 而且降低加工效率。针对上述问题, 本文设计了一种简单的高精度定位传感器, 并将其用于混联切削机器人串联部分的单轴回零和并联部分的动平台回零定位。从而实现由并联驱动的动平台和串联驱动的工作台快速、精确回零及得到二者精确的位置关系, 实现其自动快速适应混联切削机器人的加工要求。

自动定位高精度传感器

1. 1 基本结构及定位原理

为了提高切削机器人的工作效率, 一般要求定位精度高, 定位速度快。但定位速度过大, 将会使被定位件产生定位动态误差。对此, 文献[4 ]对定位速度做了一定的研究。本定位传感器由减速信号产生单元、准停信号产生单元、定位失效处理单元组成, 其示意图如图1 所示。其中, 减速信号产生单元由触发球等组成; 准停信号产生单元由高精度的准停球等组成;定位失效处理单元由弹性铰等组成。负极电缆接被定位件, 正极电缆接定位传感器。定位原理

如下: 由被定位件上负极与定位传感器

的正极形成电开关。当被定位件与触发球

接触时, 将减速信号输入控制器开始以

比较大的加速度进行减速(同时由减速单

元磁性元件将触发球经过压缩弹簧拉

回) , 减速到设定的速度后由控制器产

生二次减速信号, 并进行平稳减速至均

匀运动, 以保证被定位件以恒定低速与

准停球接触, 并且采用电路来消除正负

极接触时由于抖动产生的影响, 从而实

现高精度定位的目的。同时考虑到定位失

效后损坏定位传感器及其它机器人部件,

加入了失效处理单元。即当定位失效后,

压缩弹性绞产生微小变形, 使弹性铰形

成的负极与定位座的正极接触产生失效

处理信号并输入计算机进行失效处理,

运动部件反向运动。右图1定位传感器结

构示意图

定位过程

断开接触器, 由弹簧将减速信号产生单元的触发球弹出到图1 位置, 使之处于等待接触状态, 并同时将负极与被定位件接通, 启动被定位运动部件。当此运动部件接触到触发球时, 则以被定位运动件为负极和触发球为正极的电开关信号接通, 产生大的加速度减速信号,

并将此信号接入计算机的I?O 卡, 使计算机控制被定位件以比较大的加速度进行减速。同时接通接触器, 由接触器将触发球拉回来, 则可保证定位时触发球正极与被定位运动件负极

断开, 为定位信号的产生提供可能(因为触发球和准停球同接正极, 被定位运动件接负极, 若不断开, 即使准停球与被定位件接触, 也无法产生定位图2 定位实验数据描述图信号)。当减速到设定的速度后由控制器产生二次减速信号并进行小加速度平稳减速, 减速到设定

的恒定低速后以匀速运动。一旦准停球与被定位运动件接触时, 定位电路立刻产生定位信号, 通过硬件电路锁定伺服驱动器, 同时将此信号接入I?O 板, 从而实现精确定位。

定位实验

定位传感器安装在切削机器人直线移动

关节上, 并接电源正极, 被定位运动件

接电源的负极, 将被定位件接触到触发

球与其接触到准停球之间的距离大约定

为5mm 左右。通过计算机自动控制定位,

采用高精度激光干涉仪(英国ML 10) 进

行测量, 重复进行1 500 次多阶段定位

实验。为便于描述, 其中每测100 次取

其中定位误差E 最大值的1 次描述在图

2 上。由实验知, 此定位传感器的定位

误差在1×10- 6m 以下, 作为定位传感

器是可行的。

串联轴和并联动平台的自动回零及定位

以三轴串联(x 轴、y 轴、C 轴) 和三轴并联(z 轴、A 轴、B 轴) 混联切削机器人为

例进行说明。

工作台的回零定位

工作台由串联部分驱动, 既有直线移动关节x 轴和y 轴, 又有回转关节C 轴。对于直线移动关节x轴和y 轴可将负极接移动部件上, 定位传感器装在相对静止的部件上; 对于回转关节C 轴, 其精度受半径影响, 半径越大, 误差越大。故而, 回转关节可将定位传感器安装在回转工作台的外边缘相对静止的零件上, 负极接回转工作台的回转件上。

2. 2 动平台回零定位

并联部分比较复杂, 因为动平台的零位包括z 轴零位和A 、B 轴零位。而动平台的零位精度与三个分支的回零精度和运动误差(含结构参数误差及变形误差) 有关。本文在并联机构的结构参数已经识别和校准的基础上[ 6 ] , 进行动平台的回零定位。本系统采用粗定位和

精定位的两级定位方法, 即将定位传感器分别安装在各分支直线移动关节上以实现动平台的粗定位, 然后用安装在工作台上的校准定位传感器组来进行动平台的回零精定位。校准回

零定位传感器组所用的传感器与2. 1 节所用的单轴回零定位传感器结构相同, 但定位过程不同。单轴回零定位用传感器被定位件与准停球一接触即定位; 而传感器组所用的传感器在弹性铰允许的范围内, 按动平台指令进行定位。此精定位传感器组的位置及安装精度预先在三坐标测量机上校准。基准规安装在动平台上, 亦预先用三坐标测量机校准, 使其基准面与动平台上三铰所决定的动平台虚拟平面平行。具体定位过程如下(图3) :

三、线切割加工检测断丝的传感器3

数控电火花线切割机床是使用一根移动着的细金属丝(Φ0. 10～Φ0. 30mm 铜丝或钼丝) 作工具电极,并在工具电极与工件之间通以脉冲电流,使工件产生电腐蚀而加工成一定形状和尺寸的机床。在线切割加工中,工具电极由于自身电腐蚀损耗或使用不当等因素,经常会发生断丝现象。国内生产的普及型数控高速走丝线切割机床一般不能做到断丝自动停机,自动化功能比较低,控制方式不完善,影响工件加工质量。随着数控机床加工自动化的深入发展,利用传感器技术检测断丝状况,将传感器检测到的信号送入控制系统处理,经过判别,控制加工过程,已成为数控线切割机床自动化加工的趋势。本文介绍的一种传感器可用于线切割机床加工时工具电极断丝状况的检测。

传感器的原理和使用方法

实现线切割加工断丝的自动控制,信号源的确定与传感器的选择是关键。在线切割机床上直接用机械式传感器检测工具电极是否断丝比较困难,也不现实。经过多种方案的试验比较,最后选择工件和工具电极之间的高频脉冲电流作为信号源,机床正常加工高频信号存在(见图1) ,当工具电极断丝信号随之消失。为了使高频信号检测不影响电火花线切割放电性能, 检测方式采用电磁感应技术,根据法拉第电磁感应定律,在电磁感应现象中产生的感应电动

势大小,跟穿过这一回路的磁通量的变化率成正比。公式为:

以上公式表明,感应电动势ε除了和磁通量的变化率成正比外,还和线圈匝数n 有关。在研制过程中,我们选用了CJ 10 - 10 中间继电器的空心线圈作为传感器, 该空心线圈约8750 ±10 匝, 线圈电压为380V ,铜丝直径Φ0109mm.

线切割机床采用正极性加工,即脉冲电源的正极接工件,负极接工具,脉冲电源的作用是将工频的交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流,以供给电极放电间隙所需要的能量来蚀除金属。当工具和工件之间有脉冲电流通过时,脉冲电源和工件之间的导线周围存在着高频直流的磁场,该磁场的磁感应线是以导线上各点为同心圆,并且都在跟导线垂直的平面上。从理论上,将导线从传感器中穿过,传感器受到磁感应线的作用,产生感应电流。实际上,由于线圈中间有12 ×18 (mm) 的空心,感应的信号很弱很弱,一般测量方法检测困难。为了增加感应电流的强度,实际使用将导线在空心线圈表面绕一圈,让导线和线圈紧贴,增强感

应效果。传感器使用方法如图2 所示。

实验证明,选择最小电规准,用约0. 2A 的高频电流切割3mm 左右的金属片,用万用表测量空心线圈的两端点,线圈感应电压约为1～2V. 如果用示波器看波形,检测的信号和高频电源的波形一致。

传感器的配用电路

测断丝传感器和配用电路的原理框图见图3 ,依据原理框图研制的电路图如图4 所示。

图4 中L 为传感器。机床正常工作,在传感器L的两端会感应出一个高频信号。该信号经D1 整流后,加R1 上。电路中由R P1 产生一个标准设定值,输入信号和标准值信号连接N1 成比较放大器。标准值的确定,主要依据实验结果,传感器的感应信号的强弱和加工电流的大小有直接关系,机床正常加工感应信号不会低于1V ,考虑到切割机床加工中的其它因素,标准值设定为1V. 为了能满足不同型号的线切割机床的应用,标准值的大小可以通过R P1 进行调节。信号处理由延迟和信号放大二部分电路组成。设计延迟电路主要是为了防止执行元件误动作,由D2 、R2 、DW1 、C、R P2 与R4 串联组成, R P2 可根据机床加工实际情况调节延迟时间。普及型高速走丝线切割机床工作时,运丝电机带动贮丝筒一起连续不断地正反转。当电机转子正反转交换瞬间,工具电极速度瞬时为零。为防止高频电流烧断工具电极,高频电流会自动中断1～2s. 采用延迟电路,使检测到的高频信号保持2s 左右,以免执行元件J 误动作。若无延迟电路,感应信号瞬间消失,执行元件J 会马上动作,使机床不能正常工作。

信号放大电路由两个运算放大器组成,设计信号放大电路是为了将信号放大来推动执行元件。N1 接成比较放大器,N2 接成比较器,L ED1 上的电压既是N2 的基准电压,还可作为电源正常工作的指示信号(绿色) 。经N1 放大的检测信号由延迟电路保持数秒后送到N2 的反相端,与R3 产生的基准电压比较后送到BG的基极,BG 的集电极控制执行元件,即一个中间继电器。当检测到高频信号时,N2 输出“0”电平,执行元件不动作;当高频信号消失时,N2 输出“1”电平,执行元件切断有关电源。L ED2 为机床断丝状况的指示信号(红色) 。

电路板所需要的电源可配备一个稳压电源或直接从线切割机床内部配备的稳压电源中引出。该电路板的工作电源耗电很少,约3W 左右,如果从机床内部配备的稳压电源中引出,不会影响机床电气性能。

四、物体速度传感器

图 1 光电检测运动物体的速度（长度）示意图1—光源 A 2—光敏元件 VDA3—运动物体 4—光源 B 5—光敏元件 VDB6—RS触发器 7—高频脉冲信号源 8—计数器 9—显示器

当物体自左向右运动时，首先遮断光源 A 的光线，光敏元件 VDA输出低电平，触发 RS触发器，使其置“1”，与非门打开，高频脉冲可以通过，计数器开始计数。当物体经过设定的 S0距离而遮挡光源 B 时，光敏元件 VDB输出低电平，RS触发器置“0”，与非门关闭，计数器停止计数。设高频脉冲的频率 f=1MHz，周期 T =1μs，计数器所计脉冲数为 n，则可判断出物体通过已知距离 S0所经历的时间为（单位为μs），则运动物体的平均速度为

应用上述原理，还可以测量出运动物体的长度 L

五、旋转变压器

旋转变压器的结构和工作原理

旋转变压器（Resolver ）简称旋变，

又称作解算器或分解器。

分类：有电刷、集电环结构和无刷结构 单对极元件、多对极元件（或称多极元件）

工作原理：电磁感应

α

式中: E 2 V1 Vm 旋转变压器的应用 鉴相方式

V s =Vmsin ωt

V c =Vmcos ωt

E 2= KV m cos α- KV c sin α

V 1=V m sin ωt

E 2=0（α= 90°） E 2=K m sin(ωt )cos α E 2= KV m sin(ωt )（α=