(工学)第六章 进给伺服系统.ppt

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，用以检测和调节电动机的转速。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如表6-10所示。 三、常用位置检测元件 1．光栅尺 光栅利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来测量机床工作台的位移量。一般用于机床数控系统的闭环控制。光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床运动部件上(如工作台或丝杠上)，光栅读数头产生相对移动。 光栅安装在机床上，容易受到油雾、冷却液污染，造成信号丢失，影响位置控制精度，所以对光栅要经常维护，保持光栅的清洁。另外特别是对于玻璃透射光栅要防止振动和敲击，以免损坏光栅。下面以透射光栅为例介绍光栅的工作原理： 透射光栅的工作原理透射光栅测量系统原理如图6-35所示，它由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和信号处理电路组成。信号处理电路又包括放大、整型和鉴向倍频等。通常情况下，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数头，其作用是将光信号转换成所需的电脉冲信号。光栅读数是利用莫尔条纹的形成原理进行的。 图6-36是莫尔条纹形成原理图。将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中间保持0.01-0.1mm的间隙，并且指示光栅和标尺光栅的线纹相互交叉保持一个很小的夹角θ，如图所示。当光源照射光栅时，在α—α线上，两块光栅的线纹彼此重合，形成一条横向透光亮带：在b—b线上，两块光栅的线纹彼此错开，形成一条不透光的暗带。这些横向明暗相间出现的亮带和暗带酒是莫尔条纹。直线光栅尺外观如图6-37所示。 两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹的间距B，设光栅的栅距为W，两光栅线纹夹角为θ，则它们之间的几何关系为： 因为夹角θ很小，所以可取sin(θ／2)≈ θ／2，故上式可改写成： 由上式可见，θ越小，则B越大，相当于把栅距W扩大了1／θ倍后，转化为莫尔条纹。例如：栅距W=0.01mm，夹角θ=0.001rad，则莫尔条纹的间距B等10mm，扩大了1000倍。 两块光栅每相对移动一个栅距，则光栅某一固定点的光强按明——暗——明规律变化一个周期，即莫尔条纹移动一个莫尔条纹的间距。因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目，就可以知道光栅移动了多少栅距也就知道了运动部件的准确位移量。 2．光电脉冲编码器 图6-38为增量式光点编码器工作原理示意图。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6-39所示。A和B信号相位相差90°，经放大和整形变成方形波，将该信号送入鉴相电路，即可判断圆光栅的旋转方向。 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。 增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度α(分辨角或分辨率)，而这与光电码盘圆周内所分狭缝的条数有关。α=3600/缝数 由于光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此根据脉冲数目可得出工作轴的回转角度，由传动比换算出直线位移距离；根据脉冲频率可得工作轴的转速；根据光栏板上两个狭缝中信号的相位先后，可判断光电码盘的正、反转。 此外，在光电编码器的内圈还增加一条透光条纹Z，每转产生一个零位脉冲，在进给电动机所用的光电编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺纹加工等。 数控装置的接口电路通常会对接收到的增量式光电编码器差动信号作四倍频处理，从而提高检测精度，方法是从A和B的上升延和下降延各取一个脉冲，则每转所检测的脉冲数为原来的四倍频。 进给电动机常用增量式光电编码器的分辨率有2