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1、第五章 位移测量与控制系统,位移测量与控制系统概述,位移测量传感器,位移测量和控制的应用,5.1 位移测量与控制系统概述,位移测量是线位移和角位移测量的统称。实际上就是长度和角度的测量。位移是矢量。它表示物体上某一点在两个不同瞬间的位置变化。因而对位移的度量，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。 位移测量在工程中应用很广。这不仅因为机械工程中常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，而且许多机械量的测量往往可以先通过适当地转换变成为位移的测试，然后再换算成相应的被物理量。例如，在对力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数的测量中，常常采用这种方法。,材料成形的加工过程
2、中被加工物料或工件往往先被安装（夹）固定于载物台或工作台上，然后，在三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与加工机构（各类加工头）有特定相对位置要求的待加工位置。 由于被加工物料或工件与加工机构有特定相对位置关系，因此，被加工物料或工件被安装（夹）固定于载物台或工作台上后，也可能是加工机构在三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与载物台或工作台有特定相对位置要求的加工位置。,无论是工作台移动，还是加工头移动，都属于通过某种机电传动方式达到一刚体在三维空间中的几何位移的测量与控制问题。,位移测量包括长度、厚度 、高度、距离、物位、镀层厚度、表面粗糙、角度等的测量。 测量位移广泛地应用非电量的
3、电测法，能够测量位移的传感器很多，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线等。此外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电荷耦合器（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测量提供了不少新的方法。,位移测量与控制系统中典型的机电传动结构类型,1螺杆，螺母 副传动结构,x,螺母,丝杠,2齿轮齿条副传动结构,齿距,齿条,齿轮,x,3凸轮一顶杆副传动结构,4磁性轮一靠模副传动结构,位移控制系统的类型,1按位移控制的维数分类,2按位置给定量的性质分类,一维 二维 三维 多维,位移程序控制系统 位移随动控制系统,5.2 位移测量与控制系统的组成,位
4、移随动控制系统的组成,位移程序控制系统的组成,5.3 常用测量方法和装置,直线位移的检测,1、电感式位移传感器,W-线圈匝数,Rm-磁路总磁阻,li-各段导磁体的长度,ui-各段导磁体的磁导率,Ai-各段导磁体的截面积,(1) 变气隙式,电感位移传感器基本形式,思考：灵敏度？ 线性度？,改进方法？,(2) 变面积式 (3) 螺管式,(3) 螺管式,蔡萍教材P40 图3-5,(1) 光栅传感器原理 (莫尔条纹),构成：,叠合,主光栅,指示光栅,夹角,明暗相间条纹,莫尔条纹,移动,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,主光栅-标尺光栅，定光栅；,指示光栅-动光
5、栅,2、光栅位移传感器（Grating）,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 准确性：误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,(2) 光栅传感器特点 精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1 量程大：透射式-光栅尺长（几十米 响应快：可用于动态测量 增量式：增量码测量 计数 断电数据消失 要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 成本高：电路复杂,(3) 光栅传感器结构,1 主光栅尺（定光栅） 2 指示光栅（动光栅） 3 光电元件 4 透镜 5 光源,
6、透射式结构：,反射式结构：,光源 指示光栅 透射 主光栅 光电元件,光源 主光栅 反射 指示光栅 光电元件,(4) 代表性产品：,德国Heidenhain（海德汉）：,封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 m,开放式：量程1440mm，分辨力0.01m,开放式：量程270mm 分辨力1nm,英国Renishaw（雷尼绍）：,量程：任意 分辨力： 0.1 m 0.01 m,中国长春光机所：,量 程：1000mm 分辨力：0.01 m 精 度：2 m,2、光学干涉（Interference）,干涉原理（单频干涉）：,两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹,其亮暗程度取决于两束光间的相位差,亮条：,
7、暗条：,=2k, k=0,1,l,2, 相消干涉,=2k, k=0,1,l,2, 相长干涉,结构：,实现要点:（1）单一光源,光源,观察屏、光电接收,固定 反射镜,被测物体,半透半反镜,（4）分光镜（半透半反）,（5）固定参考反射镜,（2）被测物体,（3）光电接收,双频激光干涉位移传感器,测量原理：,激光器发出一束激光， 含有两束偏振光： 左旋光，频率f1 右旋光，频率f2， 振幅相同， 频率相差约2MHz。,激光束,分光器,参考光束,测量光束,光电检测,/4波片,渥氏棱镜,f2光电检测,f1角锥棱镜,参考信号,测量信号,f2-f1,f,f1f1,f2-(f1 f),激光干涉位移传感器,HP5
8、528A Laser interferometer：,量程：100m 分辨力： 0.01 m,1、绝对码光电编码器,原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,码盘：光学玻璃，透光/不透光 照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）,光源：LED 光学系统 平行光 投影精确,光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后 响应速度,码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）,组成：光源、码盘、光电元件,增加码道、增大码盘尺寸 有限,提高精度,光学细分 附加码道,角位移检测,测量电路：,编码码制：,十进制码 - 0 1 2 3 4 5 6 7
9、 8 9,二进制码 - 0000 0001 0010 0011 0100,格 雷 码-循环码：相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化转换,放大 足够电平 ，驱动,整形 接近理想方波,细分 提高分辨率（光学+电路）,多位码同时动作同步误差错码,读数直观，不易电路处理,直观，易于后续电路和计算机处理,4位绝对码光电编码器码制,每一个微小的角位移都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。在绝对式测量中，即使中途断电，重新上电之后，也能读出当前位置的数据。,1,0,绝对式角编码器,自然二进制码 或格雷码,0,1,绝对式编码器（接触式）演示,4个电刷,4位二进制码盘,+5V输入 公共码道,最小分辨角
10、度为 =360/2n,特点：,小范围绝对位置测量-角度、直线位置 小范围位移、速度检测,结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，,应用：,例：直线 旋转 360,直接数字量输出 - 数字传感器，,绝对码 - 绝对角位置传感器,测量范围有限（360），,速度不高（最高几千转/分），怕振动 - 丢数,连接 - 弹性连轴结,2、增量码光电编码器,结构： 与绝对编码器类似,码道：最外 - 增量码道：透光扇形区分辨率 中间 - 辨向码道：错开半个扇形区 最内 - 零位码道：透光狭缝基准脉冲,应用：相对位置测量-角度、直线位置， 位移、速度测量,特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 脉冲数字输出，测
11、量范围无限 速度不高（最高几千转/分） 怕振动 - 丢数,绝对式码盘与增量式码盘有何区别？,10码道光电绝对式码盘和增量式码盘,透光区,不透光区,零位标志,在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。,增量式测量得到的脉冲波形,3、圆光栅传感器,工作原理：莫尔条纹技术,类型：(1) 直线莫尔条纹：条纹 -直线,(2) 圆型莫尔条纹：条纹 - 圆型,RENISHAW 圆光栅：角度分辨率为0.01 系统精度为 0.7,(a) 径向光栅 - 圆弧形莫尔条纹,光栅：两块，径
12、向刻线，栅距角相同，偏心叠合,条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。,在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹,在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹,其他位置上上，称为斜向莫尔条纹,条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧,光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，,(b) 切向光栅 - 环形莫尔条纹,光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同， 基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，,条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，,宽度也不是定值，随位置不同而不同。,特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。,(c) 环形光栅 - 辐射形莫尔条纹,条纹：近
13、似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。,位移测量和控制系统的应用举例,编码器在定位加工中的应用,1绝对式编码器 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具,数控加工中心,角编码器在机器人控制中的应用,伺服电机,伺服电机,编码器,伺服电机,伺服电机,编码器,编码器,编码器,编码器在伺服电机中的应用,利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。,转速测量 转子磁极位置测量 角位移测量,编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用,旋转刀库,被加工工件,刀具,角编码器的输出为当前刀具号,角编码器与旋转刀库连接,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）,数显表,2自由度光栅数显表,X位移显示,Z或Y位移显示,