位置检测系统概述

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：位置检测系统是数控机床伺服系统中的重要组成部分。位置检测系统可测量的最小位移量称为分辨率。不同类型的数控机床，对位置检测元件、检测系统的精度要求和被测部件的最高移动速度要求各不相同。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。表3-1 常见的位置检测装置

位置检测系统是数控机床伺服系统中的重要组成部分。其主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，则控制执行部件向着消除偏差的方向运动，从而构成伺服系统的闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度保证。位置检测系统可测量的最小位移量称为分辨率。一般要求测量元件的分辨率在0.0001～0.01mm之内，测量精度为0.001～0.02mm，运动速度为0～24m/min。

不同类型的数控机床，对位置检测元件、检测系统的精度要求和被测部件的最高移动速度要求各不相同。随着数控机床的发展，精度和速度越来越高，某些机床的定位精度达到了±0.002mm/300m，主轴转速也达到了100000r/min，被测部件的最高移动速度高至240m/min时，其检测位移的分辨率（能检测的最小位移量）可达1μm。最高分辨率可达到0.01μm。

1.数控机床对位置检测装置的要求

1）工作可靠，受温度、湿度的影响小，能长期保持精度；抗干扰能力强，可抗各种电磁等干扰。

2）满足机床精度和速度的要求，在机床执行部件移动范围和位移速度的极限条件下，检测装置要达到一定的检测精度和较小的累积误差。

3）便于安装和维护，适应机床工作环境。测量系统安装要求有一定的安装精度，安装精度要合理，由于受使用环境影响，整个测量系统要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。

4）成本低，寿命长。

2.位置检测方式

因工作条件和检测要求不同，可以采用以下几种不同的检测方式：

（1）增量式和绝对式检测增量式检测方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移（即最小设定单位）的数量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。但在此系统中，移距是靠对测量信号累积后读出的，一旦累计有误，此后的测量结果将全错。另外在发生故障时（如断电）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、激光干涉仪等都是增量检测装置。

绝对式检测方式测出的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表示出来，一般都要经过转换成脉冲数字信号以后，才能送去进行比较和显示。采用此方式，分辨率要求越高，结构也越复杂。这样的测量装置有绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或称多圈式绝对编码盘）等。

（2）数字式和模拟式检测数字式检测是将被测量单位量化后以数字形式表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控系统进行比较、处理。这样的检测装置有脉冲编码器、光栅。数字式检测有以下3个特点：

1）被测量单位转换成脉冲个数，便于显示和处理。

2）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关，但存在累计误差。

3）检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。

模拟式检测是将被测量单位用连续变量来表示，如电压的幅值变化，相位变化等。在大量程内做精确的模拟式检测时，对技术有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测装置有测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。模拟式检测的主要特点有以下几个：

1）直接对被测量单位进行检测，无须量化。

2）在小量程内可实现高精度测量。

3）能进行直接检测和间接检测。

（3）直接测量和间接测量位置检测装置安装在执行部件（即机床的末端件）上直接测量执行部件末端件的直线位移或角位移，都可以称为直接测量。直接测量方式可以构成闭环进给伺服系统，用直线光栅、直线感应同步器、磁栅、激光干涉仪等测量执行部件的直线位移。由于此种检测方式是采用直线型检测装置对机床的直线位移进行的测量，其优点是可直接反映工作台的直线位移量，缺点是要求检测装置与行程等长，对大型的机床而言，这种测量方式受到限制。

位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电动机轴上，测量其角位移，经过传动比变换后才能得到执行部件的直线位移量。这种测量方式称为间接测量，可以构成半闭环伺服进给系统，如将脉冲编码器装在电动机轴上。间接测量使用可靠方便，无长度限制；其缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动链误差，从而影响了测量精度。一般需要对机床的传动误差进行补偿，来提高其定位精度。

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电动机。

数控机床常见的位置检测装置见表3-1。

表3-1 常见的位置检测装置

位置检测系统概述

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