数控检测装置 第6章.

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1、* 第第6 6章章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置 安徽科技学院安徽科技学院 机电与车辆工程学院机电与车辆工程学院 Date1数控技术 * 主要内容：主要内容： 6.1 概述 6.2 旋转变压器 6.3 感应同步器 6.4 光栅 6.5编码器 6.6磁栅 Date2数控技术 * 6.1.1对位置检测装置的要求 一、组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）和信号 处理装置组成的 。 二、作用：数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检 测装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。若有 偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方 向运动，直到偏差为零。它是数控机床闭环和半闭环伺 服系统的

2、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 。 6.1 概述 Date3数控技术 * 三、数控机床对位置检测装置的要求 (1)受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长 期保持精度，抗干扰能力强； (2)在机床执行部件移动范围内，能满足精度 和速度的要求； (3)使用维护方便，适应机床工作环境； (4)成本低； （5）易于实现高速的动态测量。 6.1 概述 Date4数控技术 * 主要技术指标： 可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度等 分辨率： 位移检测系统能够测量的最小位移量

3、分辨率选择： 测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级 检测系统的选择： 大型机床：速度响应要高 中小型和高精度机床：以满足精度要求为主 6.1 概述 Date5数控技术 * 直接测量 它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。 优点是准确性高、可靠性好。 缺点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。 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

4、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。 （1）直接式测量和间接式测量(检测方式） 6.1.2检测装置的分类 6.1 概述 Date6数控技术 * 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。 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

5、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 ，结构就愈复杂。 (2)增量式测量和绝对式测量(编码方式） 6.1 概述 Date7数控技术 * 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。 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比较复杂。 (3)数字式测量和模拟式测量（检测信号的类型） 6.1 概述 Date8数控技术 * 6.2 旋转变压器 6.2.

6、1 旋转变压器的结构 旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关 系 的感应式微电动机，是一种角位移测量装置，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，由定子 和 转子组成。数控机床上常见的角位移测量装置，广泛用 于 半闭环控制的数控机床。 旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现 电 机轴或丝杠转角的测量。 Date9数控技术 * 6.2 旋转变压器 6.2.1 旋转变压器的结构 优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要 求 低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和 抗 干扰能力强等特点。 缺点：信号处理比较复杂 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相

7、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。 Date10数控技术 * 旋转变压器的结构图 6.2 旋转变压器 Date11数控技术 * 6.2 旋转变压器 6.2.2 旋转变压器的工作原 理 旋转变压器根据互感原理工作， 定子与转子之间气隙磁通分布呈 正余弦规律。当定子加上一定 频率的激磁电压时，通过电磁耦 合，转子绕组产生感应电势，其 输出电压的大小取决于定子和转 子两个绕组轴线在空间的相对位 置。 单极对旋转变压器的工作原理： 定子 转子 Date12数控技术 * 根据互感原理工作，平

8、行时互感最大，副边感应电动势 最 大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。 6.2 旋转变压器 Date13数控技术 * 6.2 旋转变压器 Date14数控技术 * 定子激磁电压和转子感应电动势的变化波形图 6.2 旋转变压器 Date15数控技术 * 使用较广泛的为正余弦（双极对）旋转变压器 6.2 旋转变压器 Date16数控技术 * 6.2.3旋转变压器的工作方式 鉴相工作方式 鉴幅工作方式 一、鉴相工作方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位 相差90o的正弦交流电压： 6.2 旋转变压器 当转子正转时： Date17数控技术 * 转子输出电压的相位角和间有严格

9、对应关系，只要检测出 转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就可得到被测 轴的角位移。 实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位作为基准 相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定的 大小。 6.2 旋转变压器 当转子反转时，同理可得： Date18数控技术 * 二、鉴幅方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅 值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压： 6.2 旋转变压器 当转子正转时： 当转子反转时，同理可得： 转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出幅值可 测出转角。 wqa tKUU m sin)sin( 2 += Date19数控技术 * 角位移如何计算直线位移？

10、将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当 角从0变化到360时，表示丝杠上的螺母走了 一个导程，就间接地测量了丝杠的直线位移（导 程）的大小。 要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对 位 置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长 度。 6.2 旋转变压器 6.2.4 旋转变压器的工作方式 Date20数控技术 * 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，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位 移或角位移而改变。 按其结构特点一般分为： 直线式感应同步器：由定尺和滑尺组成， 用于直线位移测量，闭环伺服系统。 旋转式感应同步器：由转子和定子组成， 用于角位移测量，半闭环伺服系统

11、 。 6.3 感应同步器 Date21数控技术 * 6.3 感应同步器 直线式感应同步器 6.3.1 感应同步器结构 Date22数控技术 * 6.3 感应同步器 直线式感应同步器的定尺绕组和滑尺绕组的结构示意图 连续绕组 分段绕组： 正弦绕组SS 余弦绕组CC 导电片宽片间间隙 节距 Date23数控技术 * 6.3 感应同步器 Date24数控技术 * 标准的直线式感应同步器定尺长250mm，感应绕 组；滑尺长100mm，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。节距（感应同步器两个单元 绕 组之间的距离）为2=2mm。 “节距”是衡量感应同步器精度的主要参数。 6.

12、3 感应同步器 Date25数控技术 * 6.3.2 安装 定尺安装在机床的不动部件上； 滑尺安装在机床的移动部件上。 安装防护罩：防止切屑和油污浸入 必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为0.250.05mm， 其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部 工作长度上正常耦合，减少测量误差。 直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范围增 加 时，将定尺接长。 定尺全部接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误 差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏差。 6.3 感应同步器 Date26数控技术 * 6.3.3工作原理 滑尺与定尺间产生相对位移，由于电磁耦合的

13、变化，使定 尺上的感应电压随位移的变化而变化。 6.3 感应同步器 Date27数控技术 * 6.3 感应同步器 定 尺 绕 组 产 生 感 应 电 压 原 理 图 Date28数控技术 * 当滑尺移动距离为2，2变变化为为2，当移动动X时时，则则 对应对应 感应电压应电压 以余弦函数变变化角度。 可得： 6.3 感应同步器 Date29数控技术 * 6.3 感应同步器 6.3.4感应同步器的应用 一、鉴相工作方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相 位相差90o的交流电压： 分别在定尺绕组上产生感应电压： 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。 D

14、ate30数控技术 * 例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相 位差为3.6，表明滑尺移动了多少mm？ 6.3 感应同步器 3.6 2mm Date31数控技术 * 将 称为相移位移转换系数。 例如：设节距 ，则： 6.3 感应同步器 如脉冲当量 /脉冲，那么其相移系数 为 Date32数控技术 * 鉴相系统结构框图 6.3 感应同步器 Date33数控技术 * 二、鉴幅工作方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅 值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压： 若电气角已知，只要测出U2幅值，便能求出与位移对应的角度 。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零。的变化量则代表对 应的位

15、移量，就可测得机械位移x。 6.3 感应同步器 Date34数控技术 * 鉴幅系统结构框图 2.3 感应同步器 数控 装置 比较器 D/A 转换器 伺服 放大器 伺服驱 动机构 鉴幅器 电压频率 转换器 励磁 电路 Date35数控技术 * 6.3.5 感应同步器的特点 精度高； 测量范围大； 环境适应性强，工作可靠； 维护简单、寿命长，安装方便； 成本低，工艺性好。 6.3 感应同步器 Date36数控技术 * 6.4光栅 通常意义上讲，光栅按用途分有两大类： 物理光栅（衍射光栅）：200500条/，栅距 0.0020.005，主要是利用光的衍射原理，用 于光谱分析和光波波长的测定。 计量光

16、栅：25条/、50条/、100条/、250 条 /等，栅距0.0040.25，主要是利用光的透 射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。 Date37数控技术 * 6.4光栅 6.4.1 光栅的结构和工作原理 一、结构 光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分 为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅 高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分 为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直 线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似， 本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。 Date38数控技术 * 6.4光栅 6.4.1 光栅的结构和工作原理 组成：标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程大于1m 时，需要将光栅接长。 安装：标尺光栅一般安装在机床活动部