数控机床 位置检测技术

最里一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经 电刷和电阻接电源正极。除公用圈以外，4位BCD码盘的4圈码道 上也都装有电刷，电刷经电阻接地，电刷布置如图4-8(a)所示。由 于码盘与被测轴连在一起，而电刷位置是固定的，当码盘随被测 轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的 是导电区域，则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，该回路中 的电阻上有电流流过，为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域， 则形不成回路，电阻上无电流流过，为“0”。由此可根据电刷的 位置得到由“1”、“0”组成的4位BCD码。
4.1 位置伺服控制
图4-3 闭环控制系统示意图
4.1 位置伺服控制
4.1.2 幅值伺服控制 幅值伺服控制是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并
以此作为位置反馈信号，与指令信号进行比较，构成闭环控制系统,如图44所示为鉴幅式伺服系统方框图。
图4-4 鉴幅式伺服系统框图
该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节 和执行元件五部分组成。进入比较器的信号有两路，一路来自数控装置 插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动 的位移；
4.1 位置伺服控制
4.1.3 相位伺服控制
相位伺服控制系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭环） 控制的伺服系统，是数控机床中使用较多的一种位置控制系统。具有 工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。如图4-5所示是鉴相式伺服系 统方框图，它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号 处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等组成。
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(4-1)
Z为条纹数
z
4.2 光电编码器
光电编码盘是一种增量式检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲 数来区分。数控机床上常用的光电编码盘有：2000P/r、2500P/r和 3000P/r等；在高速、高精度数字伺服系统中，应用高分辨率的光电编 码盘，如20000P/r、25000P/r和300DoP/r等；在内部使用微处理器的编 码盘，可达100000 P/r以上。作为速度检测器时，必须使用高分辨率的 编码盘。
4.1 位置伺服控制
2. 半闭环控制系统
图4-2所示是半闭环控制系统示意图。半闭环控制系统是在开环控制 伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角，间 接地检测出运动部件的位移，反馈给数控装置的比较器，与输入指令进 行比较，用差值控制运动部件。
图4-2 半闭环控制系统示意图
4.1 位置伺服控制
4.1 位置伺服控制
图4-5 鉴相式伺服系统框图
检测元件及信号处理线路，作用是将工作台的位移量检测出来，并表 达成与基准移量。
4.1 位置伺服控制
鉴相器，输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号； 另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工作台 的实际位移量大小。这两路信号都用与基准信号之间的相位差来表示 ，且同频率、同周期。当工作台实际移动的距离不满足进给要求的距 离时，这两个信号之间便存在一个相位差，这个相位差的大小就代表 了工作台实际移动距离与进给要求距离的误差，鉴相器就是鉴别这个 误差的电路，它的输出是与此相位差成正比的电压信号。
半闭环控制，运动部件的部分机械传动链不包括在闭环之内，机械传动 链的误差无法得到校正或消除。但目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构， 具有很好的精度和精度保持性，而且具有消除反向运动间隙的结构，可 以满足大多数数控机床用户的需要。
4.1 位置伺服控制
3. 闭环控制系统
闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置，直接安装直线或回 转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器 中，与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严 格按实际需要的位移量运动。闭环控制的主要优点是将机械传动链的全 部环节都包括在闭环之内，从理论上说，闭环控制系统的运动精度主要 取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度超过 半闭环系统，为高精度数控机床提供了技术保障。但闭环控制系统价格 较昂贵，对机床结构及传动链要求高，因为传动链的刚度、间隙，导轨 的低速运动特性以及机床结构的抗振性等因素都会影响系统调试，甚至 使伺服系统产生振荡，降低了数控系统的稳定性。图4-3所示是闭环控制 系统示意图。
4.2 光电编码器
图4-6 增量式光电编码器结构示意图
1-转轴
2-发光二极管
3-光栏板
4-零标志
5-光敏元件
6-光电码盘
7-印制电路板 8-电源及信号连接座
图4-7 增量式脉冲编码盘的输出波形
4.2 光电编码器
4.2.2 绝对式编码器
绝对式旋转编码器可直接将被测角度用数字代码表示出来，且每一 个角度位置均有对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电，只要 再通电就能读岀被测轴的角度位置，即具有断电记忆力功能。下面以 接触式码盘介绍绝对式旋转编码器测量原理。
光电编码器
①掌握增量式编码器； ②了解绝对式编码器； ③熟悉编码器的应用。
光栅尺和磁栅尺
①掌握光栅尺的结构及工作原理； ②了解光栅尺位移数字变换系统； ③了解磁栅尺的结构及工作原理； ④了解磁栅尺的检测电路。
旋转变压器和感应同步器
①掌握旋转变压器结构原理； ②了解感应同步器结构原理。
①光电编码器； ②角位移测量 ； ③绝对测量与相对测量。
如果光栏板上两条夹缝中的信号分别为A和B，相位相差90°，通过 整形，成为两个方波信号，光电编码盘的输出波形如图4-7所示。根据 A和B的先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对 应转轴正转；若B相超前于A相就对应于轴反转。若以该方波的前沿或 后沿产生记数脉冲，可以形成代表正向位移或反向位移的脉冲序列。 除此之外，光电脉冲编码盘每转一转还输出一个零位脉冲的信号，这 个信号可用作加工螺纹时的同步信号。
驱动线路和执行元件，鉴相器的输出信号一般比较微弱，不能直 接驱动执行元件，驱动线路的任务就是将鉴相器的输出进行电压、功 率放大，如需要，再进行信号转换，转换成驱动执行元件所需的信号 形式。驱动线路的输出与鉴相器的输出成比例。执行元件的作用是实 现电信号和机械位移的转换，它将驱动线路输出的代表工作台指令进 给量的电信号转换为工作台的实际进给，直接带动工作台移动。
第四章 位置检测技术
4.1 位置伺服控制 4.2 光电编码器 4.3 光栅尺和磁栅尺 4.4 旋转变压器和感应同步器 4.5 思考与练习
第四章 本章教学要点
知识要点 位置伺服控制
掌握程度
①掌握位置伺服控制分类； ②了解幅值伺服控制； ③了解相位伺服控制;
相关知识
①幅值比较； ②相位比较； ③负反馈。
4.1 位置伺服控制
另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现， 它代表了工作台实际移动的距离。鉴幅系统工作前，数控装置和测 量元件及信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，执行 元件不带动工作台移动。出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不 再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时以鉴幅式工作的测量 元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路，转换成相应的 数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器，与进给 脉冲进行比较。若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际 移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，工作台不动；若 两者不相等，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作 台移动的距离，执行元件带动工作台移动，直到比较器输出为零时 为止。
图4-1 开环控制系统示意图
4.1 位置伺服控制
4.1.1 位置伺服控制分类
按伺服系统有无反馈位置检测元件，位置检测元件安装位置，机床伺服 系统通常可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
1. 开环控制系统 数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出 一定频率和数量的脉冲，不断改变步进电动机各相绕组的供电状态，使相应坐标 轴的步进电动机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移 动或转动。运动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数决定。开环控 制系统具有结构简单、价格低廉等优点。但通常输出的扭矩较小，而且当输入较 高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。图4-1所示是 开环控制系统的示意图。
基准信号发生器，输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是 为伺服系统提供一个相位比较基准。
脉冲调相器又称数字相位转换器，它的作用是将来自数控装置的进给 脉冲信号转换为相位变化的信号，该相位变化信号可用正弦信号表示， 也可用方波信号表示。若数控装置没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输 出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。若数控装 置有脉冲输出，数控装置每输出一个正向或反向进给脉冲，脉冲调相器 的输出将超前或滞后基准信号—个相应的相位角Φ。若数控装置输出N个 正向进给脉冲，则脉冲调相器的输出就超前基准信号一个相位角NΦ。
显然，位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。 图4-8(c)为4位格雷码盘，其特点是任意两个相邻数码间只有一位是 变化的，可消除非单值性误差。 由于电刷安装位置引起的误差最多不 会超过“1”，使误差大为减小。
4.2.3 编码器在数控机床中的应用 (1) 位移测量。在数控机床中编码器和伺服电动机同轴连接或连接在 滚珠丝杠末端用于工作台和刀架的直线位移测量。在数控回转工作台 中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的转角位 移。 (2) 主轴控制。当数控车床主轴安装编码器后，则该主轴具有C轴插 补功能，可实现主轴旋转与z坐标轴进给的同步控制；恒线速切削控制 ，即随着刀具的径向进给及切削直径的逐渐减小或增大，通过提高或 降低主轴转速，保持切削线速度不变；主轴定向控制等。
4.2 光电编码器
通过图4-8(b)可看到电刷位置与输出代码的对应关系。码盘码道的 圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出， 若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分为2n等分，即共有2n 个二进制码来表示码盘的不同位置，所能分辨的角度为：