数控机床位置检测与传感器件

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1、第五部分数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。位移传感器的输出只有两种形式，即模拟

2、式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。(2)模拟式和数字式位移传感器:模拟传感器——传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。数字位移传感器——工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直

3、线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个物理量等分后的最小单位。无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。另一方面，测量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影响。3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。光栅位移检测装置的测

4、量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。光栅位移传感器具有高分辨率、大量程、抗干扰能力强、宜于动态测量、自动测量及数字显示等特点，是数控机床上理想的位置检测元件。(1)光栅位移检测装置:包括三大部分:光栅传感器、光栅倍频器、光栅数显表。a.光栅传感器是一种将位移信号转换为相应电信号的装置。这部分功能主要由光栅光学系统、相应的机械结构以及初级信号处理与驱动电路来完成。b.光栅倍频器是为光栅传感器供电并对其输出信号进

5、行辨向和细分等处理的电子装置，输出两路电脉冲信号对应于正反两个移动方向。c.光栅数显表用来给光栅倍频器供电、对其输出进行记数并转换成位移量以及显示和输出位移量。最主要的作用是显示位移测量的结果。(2)光栅传感器的结构和工作原理:a.光栅传感器的结构由主光栅和光栅读数头构成，其中光栅读数由光源、指示光栅及光学系统、光电元件等组成。主要元件有:(a)光源，要求了解光源的特点及主要参数。(b)光栅副，由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。指示光栅比主光栅要短，两者的距离式中W——栅距，A——有效光波长。主光栅和指

6、示光栅的栅线错开一个很小的角度，以得到莫尔条纹。(c)光电接收元件，把由光栅副形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，一般采用光电池或光敏三极管。光栅读数头不包括主光栅，测量时它与主光栅做相对位移，可以测得移动件的位移量。b.光栅传感器的工作原理是本章的重点内容之一。要求掌握的内容有莫尔条纹的形成原理、莫尔条纹的特点、利用莫尔条纹测量位移的原理。(3)辨向原理和细分技术:a.辨向原理辨向的目的是当工作台正向移动时将得到的脉冲数累加；反向移动时则从已累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数。要求掌握辨

7、向原理及辨向电路的结构与时序。b.细分技术细分技术就是在莫尔条纹变化一周期时不只是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲以提高分辨率。细分越多则分辨率越高。最常用的细分方法是直接细分(又称位置细分)。(4)了解光栅传感器的安装方法及应注意的事项。4.脉冲发生器脉冲发生器又称角度数字编码器或者码盘，它具有精度高、结构紧凑以及工作可靠等优点，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件。脉冲发生器有增量式和绝对式两种类型。(1)增量式脉冲发生器:增量式脉冲发生器的结构最为简单，应用很广泛。但是直接使用增

8、量式角度脉冲发生器进行测量其转换精度并不高；通常采用电子细分提高它的分辨率，其细分原理光栅传感器的完全相同。增量式脉冲发生器采用两套光电转换装置，令它们在空间的相对位置有一定关系，从而产生相位差90o的两路输出信号:把此两路信号送入与光栅辨向电路相同的辨向电路中，即可鉴别脉冲发生器的旋转方向。增量式脉冲发生器可用来测量转速，但最高允许测量转速受脉发生器单次脉冲宽度的限制，可用下式计算:式中——脉冲发生器最高允许测量转速(r/min)；——脉