一、位置檢測元件的要求和種類 | |
| 位置伺服系統(tǒng)的位置控制是將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)。而實(shí)際反饋位置的采集，則是由一些位置檢測裝置來完成。這些檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、脈沖編碼器、光柵、磁柵…… 對于采用半閉環(huán)控制的位置伺服系統(tǒng)，其閉環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，它的位置檢測裝置一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器，或高分辨率的脈沖編碼器，裝在進(jìn)給電機(jī)或者絲杠的端頭，旋轉(zhuǎn)變壓器（或脈沖編碼器）每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都嚴(yán)格對應(yīng)著運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)的一定距離。測量了電機(jī)或絲杠的角位移，也就是間接測量了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線位移。 對于采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置伺服系統(tǒng)，應(yīng)該直接測量工作臺(tái)的直線位移，可采用感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等測量裝置。由工作臺(tái)直接帶動(dòng)感應(yīng)同步器的滑動(dòng)尺度的同時(shí)，與裝在機(jī)床床身上的定尺配合，測量出工作臺(tái)的實(shí)際位置。 可見，位置測量裝置是位置伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是測量位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。 位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。位置伺服系統(tǒng)對檢測裝置的主要要求有： （1）高可靠性和高抗干擾性； （2）滿足精度和速度要求； （3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境； （4）成本低。 | 二、感應(yīng)同步器 |
| 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的。可用來測量直線或轉(zhuǎn)角位移。測量直線位移的稱長感應(yīng)同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器。 | |
| 圓感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。這兩類感應(yīng)同步器是采用同一的工藝方法制造的。一般情況下。首先用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然后按設(shè)計(jì)要求腐蝕成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印制電路繞組。定尺和滑尺，轉(zhuǎn)子和定子上的繞組分布是不相同的。在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連續(xù)繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差900相角，又稱為正、余弦繞組。感應(yīng)同步器的分段繞組和連續(xù)繞組相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈，利用交變電磁場和互感原理工作。 安裝時(shí)，定尺和滑尺，轉(zhuǎn)子和定子上的平面繞組面對面地放置。由于其間氣隙的變化要影響到電磁耦合度的變化，因此氣隙一般必須保持在0.25±0.05mm的范圍內(nèi)。工作時(shí)，如果在其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。再通過對此信號的檢測處理，便可測量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。 感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是： ①具有較高的精度與分辨力。其測量精度首先取決于印制電路繞組的加工精度，溫度變化對其測量精度影響不大。感應(yīng)同步器是由許多節(jié)距同時(shí)參加工作，多節(jié)距的誤差平均效應(yīng)減小了局部誤差的影響。目前長感應(yīng)同步器的精度可達(dá)到±1. 5μm，分辨力0.0 5μm，重復(fù)性0.2μm。直徑為300mm的圓感應(yīng)同步器精度可達(dá) ，分辨力 ，重復(fù)性 。 ②抗干擾能力強(qiáng)。感應(yīng)同步器在一個(gè)節(jié)距內(nèi)是一個(gè)絕對測量裝置，在任何時(shí)間內(nèi)都可以給出僅與位置相對應(yīng)的單值電壓信號，因而瞬時(shí)作用的偶然干擾信號在其消失后不再有影響。平面繞組的阻抗很小，受外界干擾電場的影響很小。 ③使用壽命長，維護(hù)簡單。定尺和滑尺，定子和轉(zhuǎn)子互不接觸，沒有摩擦、磨損，所以使用壽命很長。它不怕油污、灰塵和沖擊振動(dòng)的影響，不需要經(jīng)常清掃。但需裝設(shè)防護(hù)罩，防止鐵屑進(jìn)入其氣隙。 ④可以作長距離位移測量。可以根據(jù)測量長度的需要，將若干根定尺拼接。拼接后總長度的精度可保持（或稍低于）單個(gè)定尺的精度。目前幾米到幾十米的大型機(jī)床工作臺(tái)位移的直線測量，大多采用感應(yīng)同步器來實(shí)現(xiàn)。 ⑤工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 由于感應(yīng)同步器具有上述優(yōu)點(diǎn)，長感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測量中，例如用于三坐標(biāo)測量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重型機(jī)床及加工中測量裝置等。圓感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。 | 三、光電脈沖編碼器 |
| 編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器。下面以增量型編碼器為例作簡要說明。 1．工作原理 由圖10.11所示，由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取、獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D。每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。 由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。 編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少個(gè)通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。 2．信號輸出 信號輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動(dòng)（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。 編碼器的脈沖輸出信號一般連接到計(jì)數(shù)器、plc、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。 如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。A、B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。 對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。 3．增量式編碼器的問題 增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。 |
