数控检测技术.

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1、第第 4 4 章章 数控检测技术 1 索 引 n第十讲 n第11讲 n第12讲 n第13讲 2 4.1 概 述 组成：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。 作用：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 件实际位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。 它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 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。 3 4.1.1 检测装置的分类 数控系统中的检测装置分为位移、速度和 电流三种类型。

2、 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。 4 表41 数控机床检测装置分类 分 类 增 量 式 绝 对 式 位移 传感器 回转型脉冲编码 器 、自整角机 、旋转变压 器 、圆感应同步器 、光栅角 度传感器 、圆光栅、圆磁 栅 多极旋转变压 器 、 绝对 脉冲编码 器 绝对 值式光栅 、 三速圆感应 同步器 、磁阻式多极旋 转变压 器 直线型直线应 同步 器 、光栅尺、磁栅尺 、激 光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应

3、同步器 、 绝对值 磁尺、光电编码 尺 、磁性编码 器 速度 传感器 交、直流测速发电 机 、 数字脉冲编码 式速度传感器 、霍耳速度传感器 速度、角度传感器（ Tachsyn）、数字电磁、 磁敏式速度传感器 电流 传感器 霍耳电流传感器 5 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。 2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂

4、其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。 4.1.2 数控测量装置的性能指标及要求 6 4.2 旋转变压器 图51 旋转变压器结构示意 1分解器定子线圈；2分解器转子线圈；3转子轴；4分解器转子；5分解器 定子；6变压器定子；7变压器转子；8变压器一次线圈；9变压器二次线圈 7 l旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分 解器。 l分类：有电刷、集电环结构和无刷结构 l工作原理：互感原理 4.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 定子 转子 S1 R1S2 S3 S4 R2 R3 R4 8 图3-6 旋转变压 器的工作原理 (a) (b) (c) 9 l 设加到分解器定

5、子绕组的激磁电压为 V1=Vmsin t，通过电磁耦合，分解器转子 绕组将产生感应电动势E2。当转子绕组的 磁轴与定子绕组的磁轴相互垂直时，定子 绕组磁通不穿过转子绕组，所以转子绕组 的感应电动势E2=0，如图4-2(a)所示. 10 l当转子绕组的磁轴自垂直位置转过 时 ，由于两磁轴平行，此时转子绕组的感 应电动势为最大， l即E2=KVmsin t，如图4-2(c)所示. 11 l转子绕组因定子磁通变化而产生的感应电动势 为： 式中： E2转子绕组感应电势； V1定子绕组励磁电压，V1=KVmsin t； Vm电压信号幅值； 定、转子绕组轴线间夹角； K变压比(即绕组匝数比)。 显然，当

6、一定时，E2为一等幅余弦波，测得余正弦波的峰值 ，即可求出转角 的大小。 12 激 磁 输 出 图4.3 旋转变压器波形图 13 4.2 2 旋转变压器的应用 V S V S 1.鉴相方式 鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应 电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。 两相正交绕组分别通以幅值相等、频率相同，而相位 相差 的正弦交变电压： 14 图4.4 定子两相绕组励磁 15 根据线性叠加原理，在转子工作绕组中产 生的感应电势应为这两相磁通所产生的感应 电动势之和，即为： 16 l 由上式可见，旋转变压器转子绕组中 的感应电势与定子绕组中的激磁电压同频 率，但相位不同，其差值为

7、。而 正是 被测位移，故通过比较感应电势与定子激 磁电压信号的相位，便可求出。 17 2.鉴幅方式 V S 鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中 感应电动势幅值的检测来实现位移检测的。 定子的两相正交绕组，分别通以频率和相位都 相等、幅值分别按正弦和余弦变化的激磁交流电压 。 18 根据线性叠加原理，转子工作绕组中产生的 感应电动势为： 式中:机械角，是定、转子绕组轴线间夹角； 电气角，激磁交流电压信号的相位角；其可调节修正 分别为定子两个绕组的幅值。 19 对于旋转变压器的应用，要注意两个问题 ： (1)在转子每转一周时，转子输出电压将随旋 转变压器的极数不同，不只一次的通过零 点，容

8、易引起混淆。必须在线路中加相敏 检波器来辨别转换点，或限制旋转变压器 转子在小于半周期内工作； (2)由于普通旋转变压器属增量式测量，如果 转子直接接丝杠，转子转动一周，仅相当 于工作台一个丝杠导程的直线位移，不能 反映全行程。因此，在数控机床中，要检 测工作台的绝对位置，需要增加一个绝对 位置计数器，与旋转变压器配合使用。 20 l第11讲 返回首页 21 感应同步器 l(1)直线式感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元 件，按其结构和测量对象的特点可分为直 线式和旋转式两种，前者用于测量直线位 移，后者用于角位移测量。 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成 ，定尺与滑尺之间有均匀的气隙。

9、直线式 感应同步器是直线条形，它由基板、绝缘 层、绕组及屏蔽层组成。 22 图4-8 直线式感应同步器 1基板；2绝缘层 ；3绕组 ；4屏蔽层 23 图3-9 定尺与滑尺绕组 (a)定尺绕组 (b)滑尺绕组 24 l 考虑到接长和安装，通常定尺绕组做 成连续式的单相绕组，滑尺绕组做成分段 式的两相正交绕组，如图3-9所示。ss为正 弦绕组，cc为余弦绕组，定尺与滑尺之间 的间隙为0.3mm左右。定尺比滑尺长，其 中被全部滑尺绕组所覆盖的定尺有效导体 数N称为直线感应同步器的极数。 25 l 定尺绕组中相邻两有效导体之间的距 离称为极距W2，滑尺绕组相邻两有效导体 之间的距离为节距W1，一般都通

10、称为节距 ，用2表示，常取为2mm，节距代表了测 量周期。绕组节距 ，其中a1 、b1分别为导片宽度和间隙，滑尺的节距 也可取 。 26 l正弦与余弦两绕组的中心距L1 为： l式中: n任意正整数。 27 l 直线式感应同步器分为标准型、 窄型、带型和三重型。三重型结构是 在一根尺上有粗、中、精三种绕组， 以便构成绝对测量系统。 28 旋转式感应同步器 l 旋转式感应同步器的结构，如图4-7所 示。定子、转子都用不锈钢、硬铝合金等 材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子 相对的一面均有导电绕组，绕组用厚0.05 mm铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层 。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽 层(材

11、料为铝箔或铝膜)。 29 图4-8 旋转式感应同步器绕组图 a)定子绕组 (分)段式 b)转子绕组 (连续 式) 30 l 转子绕组为连续绕组；定子上有 两相sin绕组和cos绕组正交绕组，做 成分段式，两相绕组交差分布，相差 电角度。属于同一相的各相绕组用导 线串联起来 . 31 图4-7 旋转式感应同步器 1转子基板；2转子绕组；3定子绕组；4定子基板；5绝缘层 ；6屏蔽层 32 4.3.3直线式感应同步器的工作原理 l 当滑尺两个绕组中的任一绕组通以激 磁交变电压时，由于电磁感应，在定尺绕 组中会产生感应电势。该感应电势的大小 取决于定尺、滑尺的相对位置。感应电势 的频率与激励信号的频率

12、相同，幅值由激 励信号的幅值和感应同步器的物理结构决 定。 33 图4-9 直线式感应同步器的工作原理图 (a)定尺、滑尺绕组 原理图 (b)定尺绕组产 生感应电势 原理图 34 l 当滑尺绕组与定尺绕组完全重合时， 定尺绕组感应电势为正向最大，如图4-9(a) 中所示的位置；如果滑尺相对定尺从重合 处逐渐向右(或左)平行移动，感应电势就 随之逐渐减小 . 35 l在两绕组刚好处于相差1/4节距的位置时， 感应电势为零；滑尺向右移动到1/2节距位 置时，感应电势为负向最大；当到达3/4节 距位置时，又变为零；当到达整节距位置 时，感应电势又为正向最大。这时，滑尺 移动了个节距(W = 2)，感

13、应电势变化了 一个周期(2)，呈余弦函数。 36 当设滑尺移动距离为x，则感应电势将以余弦函 数变化相位角。 l令Vs表示滑尺上一相绕组的激磁电压: 式中 VmVs的幅值。 37 式中 K变压比。 则定尺绕组感应电势E2为: 38 4.3.4感应同步器的应用 l(1)鉴相方式 l在鉴相方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅 值相等、频率相同、相位相差 的交流电压，即 l根据电磁感应及叠加原理，激磁信号产生移动磁场，该激 磁切割定尺导片感应出电压Vo为 l由此可见，通过鉴别定尺输出感应电压的相位，再由式 (3-1)即测得滑尺相对于定尺位移x。 39 放 大 滤 波 基准信号 发生器 脉 冲

14、 调 相 器 鉴 相 器 放 大 器 激 磁 供 电 线 路 伺 服 电 机 速度 控制 单元 滑尺 定尺 机床 Vs Vc -x +x PA PB 图4.10 感应同步器鉴相测量系统框图 40 l(2)鉴幅方式 l在鉴幅方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦 绕组分别通以相位相等、频率相同，但幅 值不同的交流电压，即 l式中 激磁电压的给定相位角。 41 l同理，在定尺绕组中感应出电压V0，为 由此可见，在给定时，只要测量出V0的幅值 KVmsin(-)，便可以得到，进而求得线位移。 42 具体实现原理是： l 若原始状态=，则E2=0。然后滑尺相对定 尺有一位移x，使变为+，则感应电压增加 量为:

15、 l上式表明: l1、在x很小的情况下，E2与x成正比，也就 是鉴别E2的幅值，即可测x的大小。 l2、当x较大时，通过改变，使=，使E2=0， 根据可以确定从而确定x。 43 4.3.5 感应同步器的安装 (1)感应同步器在安装时必须保持两尺 平行、两平面间的间隙约为0.250.05mm ，倾斜度小于0.50，装配面波纹度在 0.01mm250mm以内。滑尺移动时，晃动 的间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm 。 44 l (2)感应同步器大多装在容易被切屑 及切屑液浸入的地方，所以必须加以防护 ，否则切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺 的绕组刮伤或短路，使装置发生误动作及 损坏。 45 l(3)同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以 及激磁电流失真度超过2，将对检测精 度产生很大的影响，因此在调整系统时， 应加以注意。 l(4)由于感应同步器感应电势低，阻抗低， 所以加强屏蔽以防干扰。 46 l第12讲 返回首页 47 4.4 光栅传感器 4.4.1光栅的类型和结构 计量光栅可分为透射式光栅和反射 式光栅两大类，均由光源、光栅副、光 敏元件三大部分组成。计量光栅按形状 又可分为长光栅和圆光栅。 光栅传感器利用光栅的衍射现象，把光 栅应用于光谱分析、测定光波的波长等方 面。 48 尺身尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定）扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩