位移检测装置

位置检测装置

位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号) 进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具) 按规定的轨迹和坐标移动。

一、 数控机床对检测装置的基本要求：

1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。

2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。

3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。

数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。

二、 位置检测装置的主要性能指标：

1. 精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。

2. 分辨率 位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1／3～1／10选取，也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度。

3. 灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。

4. 迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统的传感器要求迟滞小。

5. 测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。

6. 零漂与温漂 零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微

三、 小变化。 位置检测装置分类：

1. 按输出信号的形式分类：

数字式：将被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲。 模拟式：将被测量以连续变化的物理量来表示（电压相位 / 电压幅值变化）

2. 按测量基点的类型分类：

增量式：只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。

绝对式：测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。

3. 按位置检测元件的运动形式分类：

直线式：测量直线位移。

四、 回转式：测量角位移 适合锯床用传感器分析：

1. 光栅

光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，圆光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y 工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。

与其他位置检测装置相比，光栅的主要特点如下：

1) 检测精度高。直线光栅的精度可达3μm，分辨率可达0．1μm。

2) 响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化。

3) 使用环境要求较高，怕油污、灰尘及振动。

● 4) 安装、维护困难，成本较高。 光栅的组成结构和检测原理：

光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。

按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般为每毫米4～50条。直线透射光栅尺的结构如图所示，由光源、长光栅(标尺光栅) 、短光栅(指示光栅) 、光电元件等组成，一般移动的光栅为短光栅，长光栅装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动，长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度(即栅距) 相等，其相互平行并保持一定的间隙(0.05～0.1 mm) ，并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小的角度θ。

2. 同步感应器：

感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置。按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。

感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感应同步器的测量精度可达1.5μm，测量分辨率可0.05μm，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器的分度装置等。

● 感应同步器的结构

直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.2～0.3mm 间隙。标准的感应同步器定尺250mm ，尺上有一组感应绕组；滑尺长100mm ，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组us ，一组为余弦励磁绕组uc 。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2mm ，用τ表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差1／4节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组在空间位置上相差1／4节距，即 π/2相位角。

● 感应同步器的工作原理

利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压● 随位移的变化而变化（相同频率）。 感应同步器优点：

1) 具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量

精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。

2) 抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位

置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。