應用于數(shù)控機床方面的傳感器

1、應用于數(shù)控機床方面的傳感器應用于數(shù)控機床方面的傳感器物理0310361005伍文彬 應用于數(shù)控機床方面的傳感器應用于數(shù)控機床方面的傳感器 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術；(3)自動控制技術；(4)伺服驅(qū)動技術；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等。 數(shù)控系統(tǒng)和機床的測量系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵部件,尤其是機床的測量系統(tǒng),它是保證機床高精度的前提條件。而傳感器則是測量系統(tǒng)的重要組成部分一、時柵

2、傳感器一、時柵傳感器 它是由建立相對勻速運動雙坐標系(即一個坐標系上的位置之差(位移)表現(xiàn)為另一個坐標系統(tǒng)上觀查到的時間之差”)而研制的一種新型位移傳感器 新型的智能位移傳感器- 時柵傳感器,通過將其信號轉化為數(shù)控系統(tǒng)的標準測量接口信號,實現(xiàn)了用時柵位移傳感器代替數(shù)控系統(tǒng)中的光柵傳感器。由于時柵傳感器的性價比遠遠高于光柵傳感器(與同等精度的光柵位移傳感器相比,其價格約為光柵的1 /10,從而顯著降低了數(shù)控系統(tǒng)的成本 它擺脫了以往位移傳感器采用高精密機械加工和裝配來保證精度的傳統(tǒng)思路,而是采用測量時間的方法,用微型計算機技術來實現(xiàn)測量的高精度。最近,中國測試技術研究院參照JJG900“光電軸角編

3、碼器檢定規(guī)程”檢定時柵傳感器的精度為018。時柵的基本工作原理是通過測量動坐標系上的觀察點每次到動測頭和定測頭時的時間差,來測量位移量(為時間差與勻速V 之積) 。其原理如圖1所示。時柵傳感器原理圖時柵傳感器輸出信號時柵設計輸出信號為三路信號。分別為方向信號D、增量信號P 和零位脈沖信號Z。三信號為標準的TTL電平信號,其體波行如圖2 所示。增量信號為離散的脈沖信號,即傳感器每80s (時柵旋轉磁場周期)輸出一組方波信號;方向信號為電平信號,正轉時為高電平,反轉時為低電平;零位信號為脈沖信號,傳感器每轉360輸出一個脈沖信號。時柵傳感器轉換接口電路原理圖 接口電路中74LS74型D 觸發(fā)器電路

4、為二分頻電路。將其反相輸出端.Q接到其D 輸入端,當輸入信號的第一個上升沿到來時,觸發(fā)器都將翻轉一次,于是在輸出端得到的信號頻率只有原信號的一半,這樣就得到一個對CLK端輸入的信號進行二分頻的電路;接口電路的其余部分為簡單的邏輯電路。 將時柵傳感器的方向信號和增量信號接入轉換接口電路后,當方向信號D 為高電平時(正轉) ,與門4A關閉,與門5A打開,增量信號P通過與門5A和或門6A,與增量信號P的二分頻電路異或后生成比增量信號P 的二分頻信號(A 相信號)滯后90的同頻信號(B 相信號) ,如圖4 正轉信號所示;當圖4反轉信號分析方向信號D 為低電平時(反轉) ,與門5A 關閉,與門4A打開,

5、增量信號P取反后通過與門4A和或門6A,與增量信號P 的二分頻電路(A 相信號)異或后生成比增量信號P二分頻信號超前90的同頻信號(B 相信號) ,時柵傳感器轉換接口電路輸出反轉信號如圖所示。從接口輸出信號分析可以看出,采用全硬件設計的時柵信號轉換電路能夠?qū)r柵輸出信號采用全硬件設計的時柵信號轉換電路能夠?qū)r柵輸出信號轉換化數(shù)控系統(tǒng)中定義的測量輸入信號轉換化數(shù)控系統(tǒng)中定義的測量輸入信號,再根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中定義的接口標準為再根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中定義的接口標準為5 V方波差分信號方波差分信號,將轉換接口輸出信號設計為差分輸出將轉換接口輸出信號設計為差分輸出,與數(shù)控系統(tǒng)的測量接口進行與數(shù)控系統(tǒng)的測量接口進行

6、匹配即可實現(xiàn)用性價比高的時柵傳感器替換光柵傳感器匹配即可實現(xiàn)用性價比高的時柵傳感器替換光柵傳感器。二、高精度定位傳感器及其在混聯(lián)切削二、高精度定位傳感器及其在混聯(lián)切削機器人中的應用機器人中的應用 自動定位高精度傳感器自動定位高精度傳感器 為了提高切削機器人的工作效率, 一般要求定位精度高, 定位速度快。但定位速度過大, 將會使被定位件產(chǎn)生定位動態(tài)誤差。對此,本定位傳感器本定位傳感器由減速信號產(chǎn)生單元、準停信號產(chǎn)生單元、定位由減速信號產(chǎn)生單元、準停信號產(chǎn)生單元、定位失效處理單元組成失效處理單元組成，將其用于混聯(lián)切削機器人串將其用于混聯(lián)切削機器人串聯(lián)部分的單軸回零和并聯(lián)部分的動平臺回零定位。聯(lián)部分

7、的單軸回零和并聯(lián)部分的動平臺回零定位。從而實現(xiàn)由并聯(lián)驅(qū)動的動平臺和串聯(lián)驅(qū)動的工作臺快速、精確回零及得到二者精確的位置關系, 實現(xiàn)其自動快速適應混聯(lián)切削機器人的加工要求。定位傳感器結構示意圖定位傳感器結構示意圖減速信號產(chǎn)生單元由觸發(fā)球等組成; 準停信號產(chǎn)生單元由高精度的準停球等組成;定位失效處理單元由彈性鉸等組成。負極電纜接被定位件, 正極電纜接定位傳感器 定位原理:計算機進行失效處理, 運動部件反向運動。如下: 由被定位件上負極與定位傳感器的正極形成電由被定位件上負極與定位傳感器的正極形成電開關開關。當被定位件與觸發(fā)球接觸時當被定位件與觸發(fā)球接觸時, 將減速信號輸入將減速信號輸入控制器開始以比

8、較大的加速度進行減速控制器開始以比較大的加速度進行減速(同時由減速同時由減速單元磁性元件將觸發(fā)球經(jīng)過壓縮彈簧拉回單元磁性元件將觸發(fā)球經(jīng)過壓縮彈簧拉回) , 減速到減速到設定的速度后由控制器產(chǎn)生二次減速信號設定的速度后由控制器產(chǎn)生二次減速信號, 并進行平并進行平穩(wěn)減速至均勻運動穩(wěn)減速至均勻運動, 以保證被定位件以恒定低速與準以保證被定位件以恒定低速與準停球接觸停球接觸, 并且采用電路來消除正負極接觸時由于抖并且采用電路來消除正負極接觸時由于抖動產(chǎn)生的影響動產(chǎn)生的影響, 從而實現(xiàn)高精度定位的目的從而實現(xiàn)高精度定位的目的。同時考慮到定位失效后損壞定位傳感器及其它機器人部件, 加入了失效處理單元。即當

9、定位失效后, 壓縮彈性絞產(chǎn)生微小變形, 使彈性鉸形成的負極與定位座的正極接觸產(chǎn)生失效處理信號并輸入定位過程定位過程斷開接觸器, 由彈簧將減速信號產(chǎn)生單元的觸發(fā)球彈出到圖1 位置, 使之處于等待接觸狀態(tài), 并同時將負極與被定位件接通, 啟動被定位運動部件。當此運動部件接觸到觸發(fā)球時, 則以被定位運動件為負極和觸發(fā)球為正極的電開關信號接通, 產(chǎn)生大的加速度減速信號, 并將此信號接入計算機的IO 卡, 使計算機控制被定位件以比較大的加速度進行減速。同時接通接觸器, 由接觸器將觸發(fā)球拉回來, 則可保證定位時觸發(fā)球正極與則可保證定位時觸發(fā)球正極與被定位運動件負極斷開被定位運動件負極斷開, 為定位信號的產(chǎn)

10、生提供可能為定位信號的產(chǎn)生提供可能(因為觸因為觸發(fā)球和準停球同接正極發(fā)球和準停球同接正極, 被定位運動件接負極被定位運動件接負極, 若不斷開若不斷開, 即即使準停球與被定位件接觸使準停球與被定位件接觸, 也無法產(chǎn)生定位圖也無法產(chǎn)生定位圖2定位實驗數(shù)定位實驗數(shù)據(jù)描述圖信號據(jù)描述圖信號)。當減速到設定的速度后由控制器產(chǎn)生二次減速信號并進行小加速度平穩(wěn)減速, 減速到設定的恒定低速后以勻速運動。一旦準停球與被定位運動件接觸時一旦準停球與被定位運動件接觸時, 定位電路立定位電路立刻產(chǎn)生定位信號刻產(chǎn)生定位信號, 通過硬件電路鎖定伺服驅(qū)動器通過硬件電路鎖定伺服驅(qū)動器, 同時將此信同時將此信號接入號接入IO板

11、板, 從而實現(xiàn)精確定位。從而實現(xiàn)精確定位。定位實驗定位實驗定位傳感器安裝在切削機器人直線定位傳感器安裝在切削機器人直線移動關節(jié)上移動關節(jié)上, 并接電源正極并接電源正極, 被定位被定位運動件接電源的負極運動件接電源的負極, 將被定位件接將被定位件接觸到觸發(fā)球與其接觸到準停球之間觸到觸發(fā)球與其接觸到準停球之間的距離大約定為的距離大約定為5mm 左右。左右。通過計通過計算機自動控制定位算機自動控制定位,采用高精度激光采用高精度激光干涉儀干涉儀(英國英國ML 10) 進行測量進行測量, 重復重復進行進行1 500 次多階段定位實驗次多階段定位實驗。為便于描述, 其中每測100 次取其中定位誤差E 最大

12、值的1 次描述在圖2 上。由實驗知, 此定位傳感器的定位誤差定位誤差在 以下, 作為定位傳感器是可行的。m1016串聯(lián)軸和并聯(lián)動平臺的自動回零及定位串聯(lián)軸和并聯(lián)動平臺的自動回零及定位以三軸串聯(lián)(x 軸、y 軸、C 軸) 和三軸并聯(lián)(z 軸、A 軸、B 軸) 混聯(lián)切削機器人為例進行說明。工作臺的回零定位工作臺的回零定位工作臺由串聯(lián)部分驅(qū)動, 既有直線移動關節(jié)x 軸和y 軸, 又有回轉關節(jié)C 軸。對于直線移動關節(jié)x軸和y 軸可將負極接移動部件移動部件上, 定位傳感器定位傳感器裝在相對靜止的部件上; 對于對于回轉關節(jié)回轉關節(jié)C 軸軸, 其精度受半徑影響其精度受半徑影響, 半徑越大半徑越大, 誤差越大

13、。誤差越大。故而, 回轉關節(jié)可將定位傳感器安裝在回轉工作臺的外邊緣相對靜止的零件上, 負極接回轉工作臺的回轉件上 動平臺回零定位動平臺回零定位并聯(lián)部分比較復雜, 因為動平臺的零位包括z 軸零位和A 、B 軸零位。而動平臺的零位精度與三個分支的回零精度和運動誤差(含結構參數(shù)誤差及變形誤差) 有關。本文在并聯(lián)機構的結構參數(shù)已經(jīng)識別和校準的基礎上 , 進行動平臺的回零定位。 旋轉變壓器的結構和工作原理 旋轉變壓器（Resolver）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。 分類：有電刷、集電環(huán)結構和無刷結構 單對極元件、多對極元件（或稱多極元件） 工作原理：電磁感應工作原理：電磁感應 位移傳感器位移傳感器-

14、旋轉變壓器定子定子轉子轉子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R4 E2= KV 1 cos = KV m sintcos =90 E 2 = 0 =0 E 2 = KV m SINt式中: E 2轉子繞組感應電勢； V1定子繞組勵磁電壓 V1=Vmsint； Vm電壓信號幅值； 定、轉子繞組軸線間夾角； K變壓比 （即繞組匝數(shù)比） 旋轉變壓器的結構和工作原理 V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 1. 鑒相方式傳感器

15、Vs=VmsintVc=Vmcost E2= KV m cos- KV csin = KV m (sintcos- costsin) = KV m sin(t-) 旋轉變壓器的應用 VSVSVsVcE2 圖圖5.35.3 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 轉子輸出信號的相位角轉子輸出信號的相位角(t-)與轉子與轉子的偏轉角之間有著嚴格的對應關系。的偏轉角之間有著嚴格的對應關系。2.鑒幅方式傳感器Vs=Vmsin電sintVc=Vmcos電sint E2 = KV m cos機- KV csin機 = KV m sint(sin電cos機- cos電sin機) = KV m sin(電-機) s

16、int 旋轉變壓器的應用 VSVSVsVcE2 圖圖5.35.3 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 感應電勢（感應電勢（E2）是以）是以為角頻率、為角頻率、以以V Vm m sin(sin(電電 - -機機 ) )為幅值的交變電為幅值的交變電壓信號。若電氣角壓信號。若電氣角電電已知，只要測出已知，只要測出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可間接的求出，便可間接的求出機械角機械角機機 ，從而得出被測角位移。，從而得出被測角位移。 四、物體速度傳感器四、物體速度傳感器 用光電檢測運動物體的速度的傳感器用光電檢測運動物體的速度的傳感器光電檢測運動物體的速度（長度）示意圖1光

17、源 A 2光敏元件 VDA3運動物體 4光源 B 5光敏元件 VDB6RS觸發(fā)器 7高頻脈沖信號源 8計數(shù)器 9顯示器 速度傳感器原理及過程 當物體自左向右運動時，首先遮斷光源 A 的光線，光敏元件 VDA輸出低電平，觸發(fā) RS觸發(fā)器，使其置 “1”，與非門打開，高頻脈沖可以通過，計數(shù)器開始計數(shù)。當物體經(jīng)過設定的 S0距離而遮擋光源 B 時，光敏元件 VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器置 “0”，與非門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。設高頻脈沖的頻率 f=1MHz，周期 T =1s，計數(shù)器所計脈沖數(shù)為 n，則可判斷出物體通過已知距離 S0所經(jīng)歷的時間為（單位為s），則運動物體的平均速度為： 應用上述原理，還可

18、以測量出運動物體的長度 L五、線切割加工檢測斷絲的傳感器五、線切割加工檢測斷絲的傳感器 在線切割加工中,工具電極由于自身電腐蝕損耗或使用不當?shù)纫蛩?經(jīng)常會發(fā)生斷絲現(xiàn)象。 線切割加工檢測斷絲的傳感器：線切割加工檢測斷絲的傳感器：用于線切割機床加工時工具電極斷絲狀況的檢測 國內(nèi)生產(chǎn)的普及型數(shù)控高速走絲線切割機床一般不能做到斷絲自動停機,自動化功能比較低,控制方式不完善,影響工件加工質(zhì)量。隨著數(shù)控機床加工自動化的深入發(fā)展,利用傳感器技術檢測斷絲狀況,將傳感器檢測到的信號送入控制系統(tǒng)處理,經(jīng)過判別,控制加工過程,已成為數(shù)控線切割機床自動化加工的趨勢 傳感器的原理和使用方法傳感器的原理和使用方法 為了使高頻信號檢測不影響電火花線切割放電性能,檢測方式采用電磁感應技術,根據(jù)法拉第電磁感應定律,在電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應電動勢大小,跟穿過這一回路的磁通量的變化率 成正比。公式為: 線切割機床采用正極性加工,即脈沖電源的正極接工件,負極接工具,脈沖電源的作用是將工頻的交流電流轉換成一定頻率的單向脈沖電流,以供給電