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1、- 1 -第 八 次 课 授 课 提 纲五、数控机床的位置检测装置（一）对位置检测装置的要求闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检测装置，常用的有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等。位置检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，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。为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度。不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。一般要求测量元件的分辨率（测量元件能测量的最小位移量）在 0.0001 0.01mm 之内，测量精度为 0.001 0
2、.02mm，运动速度为024 m / min。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰性强（2）满足精度和速度的要求（3）便于安装和维护（4）成本低、寿命长。 （二）常用的位置检测装置1旋转变压器（1）旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。在实际应用中，考虑到使用的方便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。a. 鉴相工作方式如
3、图 2-20 所示为四极旋转变压器，给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位相差 /2 的交流励磁电压，即:u1 s UmSintu1 c UmCost （21） 在转子绕组的其中一个绕组接一高阻抗，它不作为旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是为了提高测量精度。这两个励磁电压在转子的另一绕组中都产生了感应电压，并叠加在一起，因而转子中的感应电压应为这两个电压的代数和，即：u2ku 1 s Sin ku 1 c Cosk UmSint Sin k UmCost Cosk UmCos(t - ) （22）同理，假如转子逆向转动，可得：u2k UmCos(t ) （23）由式（21）和
4、（22）可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势 u2与定子绕组中的励磁电压同频率，但相位不同，其差值为 。而 角正是被测位移，故通过比较感应电势 u2 与定子励- 2 -磁电压输出电压 u1 c的相位，便可求出 。b.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交变励磁电压，即：u1 s Us m Sintu1c Uc m Sint （24）其中，幅值分别为正弦、余弦函数，即：Us m U mSinUc m U mCos式中 角可改变，称为旋转变压器的电气角。则在转子上的叠加感应电压为：u2ku 1 s Sin ku 1 c CoskU mSinSin t Sin kU mCo
5、sSin t CoskU mCos( -) Sint (25)如果转子逆向转动，可得： u2kU mCos( +) Sint (26)由上式（25）和（26）可得，转子感应电压的幅值随转子的偏转角 而变化，测量出幅值即可求得转角 。在实际应用中，应根据转子误差电压的大小，不断修改励磁信号中的 角（即励磁幅值） ，使其跟踪 的变化。（2）旋转变压器的应用由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床上。2感应同步器感应同步器也是一种非接触电磁式测量装置，它可以测量
6、角位移或直线位移。感应同步器的特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命长且维护简单。（1）感应同步器的结构和工作原理感应同步器测量装置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两部分组成，如图 2-21 所示。- 3 -图 2-22 表示了定尺绕组感应电压与定尺、滑尺之间相对位置的关系。（2）感应同步器的工作方式 同旋转变压器工作方式相似，
7、根据滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位工作方式和幅值工作方式两种情况。相位工作方式（鉴相工作法） 给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以同频、同幅但相位相差 的交流励磁电压，即:/tmUsintccos)2(由于定尺绕组的感应电压滞后滑尺绕组的励磁电压 90，当滑尺移动时，定尺绕组中产生的感应电压为:cosincostmKUdsUin)2(t式中, 为耦合系数； 为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角， ，其中 为 x2滑尺相对定尺的位移量， 为节距。应用叠加原理，定尺绕组上的感应电压为-dcUscosintmKsincotmKU= )in(t由上述分析可知，在相位工作方式中
8、，感应输出电压是一个幅值不变的交流电压。由于耦合系数 、励磁电压幅值 以及频率 均为常数，所以定尺感应电压 只随空间相位角 的变化KmUdU而变化,即定尺感应电压 与滑尺的位移值 有严格的对应关系。通过鉴别定尺感应电压相位，dx即可测得滑尺和定尺的相对位移量。幅值工作方式（鉴幅工作方式） 给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交流励磁电压，即:tsmUinc其中， ， ， 为给定的电气角。si cosmU则在定尺绕组上产生的感应电压为:=dsinscK)sin(tmU当滑尺和定尺处于初始位置时， ，则 0。 在滑尺移动过程中，在一个节距内任一d0 的 点称为节距零点。当定
9、尺、滑尺之间产生相对位移 ，即改变滑尺位置时，则dU x，使得 0。令 ，此时在定尺绕组上产生的感应电压为:d=dU)sin(tmKsintmKU当 很小时，定尺绕组上的感应电压可以近似表示为:- 4 -dUtmKsin又因为 ，所以定尺绕组上的感应电压又可表示为：/2x txi2由上式可知，定尺绕组上的感应电压 实际上是误差电压，当滑尺位移量 很小时，误差d x电压幅值和 呈正比，因此可通过测量 的幅值来测定位移量 的大小。xUx在幅值工作方式中，每当改变一个 位移增量，就有误差电压 产生。当 超过某一预xdUd先整定的门槛电平时，就会产生脉冲信号，并以此来修正励磁信号 、 ，使误差信号重新
10、降sc到门槛电平以下（相当节距零点） ，以把位移量转化为数字量，实现了对位移的测量。3光栅光栅是用于数控机床的精密检测装置，是一种非接触式测量。它是利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光栅）和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图 2-23 所示。常见光栅的工作原理是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的，这里不再详述。光栅具有如下特点：（1）响应速度快、量程宽、测量精度高。测直线位移，精度可达 0.53
11、m（300mm 范围内） ，分辨率可达 0.1m；测角位移，精度可达 0.15，分辨率可达 0.1，甚至更高。（2）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。（3）具有较强的抗干扰能力。（4）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。4磁栅磁栅是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检磁过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和圆型磁栅，前三种用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。如图 2-24 所示为磁栅
12、结构框图，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。（1）磁性标尺（2）拾磁磁头由于用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时亦能测量位移或位置，所以应采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。磁栅与光栅相比，测量精度略低一些，但它有如下特点：- 5 -（1）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可抹去重录。亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。（2）磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。（3）耐油污、灰尘等，对使用环境要求较低。（4）但反应速度受到限制；因磁头与磁尺有接触的相对运动产生磨损，对磁栅的使用寿命产生影响。
