数控装备技术检测装置B解读

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1、第5章 数控机床的检测装置 vv概述概述 vv旋转变压器旋转变压器 vv感应同步器感应同步器 vv光栅光栅 vv编码器编码器 1 第一节第一节 概述概述 2 5-1 概述 一.检测装置的作用 l实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置 控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反 馈到位置控制单元，以实施闭环控制，使工作台按指 令路径精确地移动。 l闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测 装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统， 尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检 测装置。 位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 3 5-1 概述 二.数控机

2、床对检测装置的要求 工作可靠，抗干扰性强工作可靠，抗干扰性强 能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求 使用维护方便，适合机床的工作环境使用维护方便，适合机床的工作环境 成本低成本低 4 5-1 概述 三.位置检测装置的分类 安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量； 测量方法 增量型和绝对型; 检测信号的类型 模拟式和数字式； 运动型式 回转型和直线型； 信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理 、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。 5 5-1 概述 数字式数字式模模拟拟拟拟式式 增量式增量式绝对绝对绝对绝对 式式增量式增量式绝对绝对绝对绝对 式式 回回转转转转形形圆圆圆圆光光栅栅栅

3、栅编码盘编码盘编码盘编码盘旋旋转变压转变压转变压转变压 器、器、圆圆圆圆感感 应应应应同步器、同步器、圆圆圆圆形磁形磁 栅栅栅栅 多多级级级级旋旋转变压转变压转变压转变压 器器 直直线线线线形形长长长长光光栅栅栅栅 激光干涉激光干涉仪仪仪仪 编码编码编码编码 尺尺 直直线线线线感感应应应应同步器、同步器、 磁磁栅栅栅栅、容、容栅栅栅栅 绝对值绝对值绝对值绝对值 式磁尺式磁尺 6 第二节第二节 旋转变压器旋转变压器 7 5-2 旋转变压器 简称旋变，又称作解算器或分解器（Resolver ） 8 5-2 旋转变压器 1 8 7 6 2 1、结构 旋转变压器结构示意 1-转轴 2-轴承 3-机壳

4、4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环 345 9 2、工作原理 旋转变压器是输出的电压信号与转子转角成一定函数关系 的控制微电机, 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。 10 5-2 旋转变压器 n电磁感应 定子 转子 S1 R1S2 S3 S4 R2 R3 R4 11 单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极

5、，在定子绕 组加上励磁电压，则转子通过电磁耦合，产生感应电压 12 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。 13 5-2 旋转变压器 3、应用 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 两种典型工作方式：鉴相式和鉴幅式。 14 （1）鉴相式 鉴相式是根据感应输出电压的相位来 检测位移量 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，电压的代数和： 转子输出电压的相位角和转子的偏转

6、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。 15 （2）鉴幅工作方式 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。 Umsin , Umcos 为定子两绕组激磁信号的幅值 则转子上的叠加电压为 感应电势是以为角频率、以KVm sin( -)为幅值的交变电压信号， 若电气角已知，测量出幅值即可求得转角。 16 u旋转变压器安装在丝杠上，当角0 360变化时， 表示丝杠上的螺母走1个导程，间接测量了丝杠的直线 位移

7、（导程）大小。 u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。 u转子每转1周，转子的输出电压不止一次通过零点，需 加相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。 17 第三节第三节 感应同步器感应同步器 18 一、结构与种类 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，模拟式测 量，二者工作原理相同。 种类：直线式、旋转式（圆盘式）。 直线式：定尺、滑尺，测直线位移，全闭环伺服系统。 旋转式：定子、转子，测角位移，半闭环伺服系统。 工作原理与直线式相同，不同的是定子（相当于定尺）、 转子（相当于滑尺）及绕组形状不同，结构上分：圆形、 扇形。 19 节距2（2mm） 1/

8、4节距 20 5-3 感应同步器 1-机床不动部分 2-机床移动部分 3-定尺座 4-护罩 5-滑尺 6-滑尺座 7-调辊 板 8-定尺 二、原理 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，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。 21 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距。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

9、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。 U2 定尺 滑尺 余弦绕组正弦绕组 US Uc 2 22 5-3 感应同步器 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 对位置关系如图所示。 23 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

10、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，在滑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。 24 5-3 感应同步器 若设定尺绕组节距为2，它对应的感应电压以余弦函数变化，当滑尺移 动距离为x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 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； Vm激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率； 与位移

11、对应的角度。 Vmcos 为感应电压的幅值 25 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 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定的 位移。 26 5-3 感应同步器 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

12、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 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。 三、应用 有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。 27 5-3 感应同步器 2. 鉴幅式系统 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅 值不同。 式中 给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为 式中 与位移对应的角度。 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值 28 第四节第四节 光栅光栅 29 5-4 光栅 一、分类 按用途分：物理光栅和计量光栅 物理光栅（衍射光栅）：200500条/，栅距0.002 0.005

13、，利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长测 定。 计量光栅：25条/、50条/、100条/、250条/等，栅 距0.0040.25，利用光的透射和反射现象，用于数控机 床检测系统。 用于闭环控制系统，可测位移和转角。读数速率高（0 数 十万次/每秒），适用动态测量。 30 5-4 光栅 按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。 长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移 31 5-4 光栅 按光线走向：玻璃透射光栅、金属反射光栅。 玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属 膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透 明与不透明间隔相等的线纹。 特点： 1）光源可采用垂直入射，光电元件直接接

14、受光信号，因 此信号幅度大，读数头结构较简单； 2）一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做 到微米级的分辨率。 32 金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或 用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条 /mm ，分辨率低。特点： 1）光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致； 2）光栅的安装和调整较方便； 3）安装面积较小； 4）易于接长或制成整根的钢带长光栅； 5）不易碰碎。 33 34 5-4 光栅 二、光栅的结构与测量原理 （以玻璃透射式直线光栅为例） 精度高精度高, ,工作原理利用光的工作原理利用光的透射和衍射透射和衍射现象现象, ,可测直线或可

15、测直线或 转角。抗干扰能力强，但对环境要求高。转角。抗干扰能力强，但对环境要求高。 1、组成 标尺光栅标尺光栅 固定在机床活动部件上固定在机床活动部件上 指示光栅指示光栅 安装在读数头内安装在读数头内 35 1-光栅尺（标尺光栅） 2-指示光栅 3-光电接收元件 4 -光源 36 5-4 光栅 光栅读数头光栅读数头 37 38 5-4 光栅 2、光栅的工作原理 V S d W W 安装时保证两光栅尺沿线纹方向保持一个很小夹角 、刻划 面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm），在光 源照射下，在与的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条 纹莫尔条纹（横向莫尔条纹），两条亮（暗）纹间的

16、距 离称莫尔条纹宽度w 。 39 演示 40 5-4 光栅 莫尔条纹性质：莫尔条纹性质： uu在平行光照射下在平行光照射下, ,透过莫尔条纹的透过莫尔条纹的 光强度分布近似于余弦函数；光强度分布近似于余弦函数； uu放大作用：放大作用： W=P/sin 又很小可认为 sin 故 W=P/ 例如 P= 0.01, = 0.01rad, 得W =1mm, 放大倍数：w/p=1/0.01=100 倍 标尺光栅 W 指示光栅 （斜） P 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度， P(mm)表示栅距， (rad)为光栅线纹之间的夹角 41 p例：某光栅检测装置，光栅删距为0.01mm， 标尺光栅和指示光栅的夹角为0.01，测得移 动莫尔条纹数为200，试计算其摩尔条纹的 宽度、工作台移动距