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1、第五章 位置检测装置,位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 数控机床对位置检测装置的要求如下： （1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； （4） 成本低。 位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：,返回课件首页,（一） 直接测量和间接测量 1. 直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点
2、是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,（二）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。 2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说
3、比较复杂。,（三） 增量式测量和绝对式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈
4、复杂。,第一节 旋转变压器,一、结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。 旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。,如图5-1所示，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。当转子转到使它的磁轴和定子绕组磁轴垂直时转子绕组感应电压；当转子绕组的磁轴自垂直
5、位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为 式中 K变压比（即绕组匝数比）； Vm励磁信号的幅值； 励磁信号角频率； 旋转变压器转角。 当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即,图5-1 旋转变压器工作原理,实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图5-2所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为 转子输出电压则为,Vs 定子 c Vc s c ccos ssin 转子 s 图5-2 正余弦旋转变压器工作原理,二、应用 旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，
6、鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。 1 . 鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即 这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如图5-2所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和： (5-1),假如，转子逆向转动，可得 (5-2) 由式(5-1)和(5-2)可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就知道了。,2. 鉴幅工
7、作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 式中 激磁绕组中的电气角。 则转子上的叠加电压为,同理，如果转子逆向转动，可得 (5-4) 由式(5-3)和(5-4)可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。 如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从00到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。,第二节 感应同步器,一、结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理
8、相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种： 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。 旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。 以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。,直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图5-3所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间隙。 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距
9、均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。,V2 定尺 滑尺 正弦绕组 Vs Vc 余弦绕组 图5-3 直线感应同步器结构,当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图5-4所示。如果滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组
10、线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图5-4中ABCDE。,图5-4 感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系,若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动
11、距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系 可得 (5-5) 设表示滑尺上一相绕组的激磁电压 则定尺绕组感应电压为 式中 K耦合系数； 激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。,感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图5-4中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系(图5-4中OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确
12、定的位移。 二、应用 感应同步器作为位置测量装置安装在数控机床上，它也有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。,1. 鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 (5-6) 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，当节距的情况下，表明滑尺移动了0.02mm。,滑尺 定尺 机床 Vs Vc +x -x 图5-5 感应同步器鉴相测量系统框图,基准信号发生器输出一系列一定频率的基准脉冲信号（载波信号），为伺服系统提供一个相位比较基准。 激磁信
13、号 +x 指令信号 -x -x 图5-6 脉冲调相器组成原理框图,脉冲调相器的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化的信号。图5-6为其原理组成框图，在脉冲调相器中，由基准信号发生器产生的基准脉冲信号分成两路，一路直接输入分频器1，它为1/N分频的二进制计数器，称为基准分频通道。为适应感应同步器滑尺的两励磁绕组供电的要求，该通道输出两路幅值相等、频率相同、相位相差900的脉冲信号，经激磁供电线路变成正、余弦信号给滑尺正弦、余弦绕组励磁。另一路先经过脉冲加减器，再进入分频器2，该分频器也为1/N分频二进制计数器，称为调相分频通道。调相分频通道的任务是将指令脉冲信号调制成与基准脉冲有一定
14、关系的输出脉冲信号，其相位差大小和极性与指令脉冲有关。上述两个分频器均为1/N分频，即当输入N个计数脉冲后产生一个溢出脉冲。,为说明指令移相情况，设两个分频器均由四个二进制计数触发器C0C3组成，每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信号。对应无指令脉冲和有指令脉冲两种情况，可用图5-7和图5-8两个波形图来描述 C0 C1 C2 C3 F 图5-7 无指令脉冲时序波形图,1 图5-8 有指令脉冲时序波形图,图5-7所示，当指令脉冲为零时，调相分频通道输出信号和基准脉冲信号相位相同，两者相位差为零。 图5-8所示，有一正向指令脉冲通过脉冲加减器，使得输入到调相分频通道的脉冲个数增加一个，结果该分频器产生溢出脉冲的时刻提前产生。因此，在指令脉冲作用下，调相分频通道输出脉冲与基准脉冲有一个相位差1，且110，0为基准信号发生器的基准相位；1为指令信号相位；1的大小取决于指令脉冲数，其随时间变化的快慢取决于指令脉冲频率，而其相对于0的超前与滞后，则取决于指令脉冲进给方向。,当用同一脉冲源的输出时钟脉冲去触发容量相同的两个分频器1和2时（见图5-7），结果在两个分频器最后一级的输出是频率大大降低的两个同频率信号。假设时钟脉冲频率为F，当分频器
