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1、第6章 数控机床测量反馈系统 数控机床测量反馈系统 n概述 n旋转变压器 n感应同步器 n光栅测量装置 n脉冲编码器 6.1 概述 一、数控机床检测装置的分类 （1）直接测量和间接测量 p若位置检测装置测量的对象就是被测量本身，即直线式测量直线 位移，旋转式测量角位移，该测量方式称为直接测量。直接测量 组成位置闭环伺服系统，其测量精度由测量元件和安装精度决定 ，不受传动精度的直接影响，但检测装置要和行程等长，这对大 型机床是一个限制。 p若位置检测装置测量出的数值通过转换才能得到被测量，如用旋 转式检测装置测量工作台的直线位移，要通过角位移与直线位移 之间的线性转换求出工作台的直线位移。这种测
2、量方式称为间接 测量。间接测量组成位置半闭环伺服系统，其测量精度取决于测 量元件和机床传动链二者的精度。因此，为了提高定位精度，常 常需要对机床的传动误差进行补偿。间接测量的优点是测量方便 可靠，且无长度限制。 数控机床检测装置的分类 （2）增量式测量和绝对式测量 p增量式测量装置只测量位移增量，即工作台每 移动一个基本长度单位，检测装置便发出一个 检测信号，此信号通常是脉冲形式。增量式检 测装置均有零点标志，作为基准起点。数控机 床采用增量式检测装置时，在每次接通电源后 要回参考点操作，以保证测量位置的正确，大 多数数控机床采用这种测量方式。 p绝对式测量是指被测的任一点位置都从一个固 定的
3、零点算起，每一个测点都有一个对应的编 码，常以二进制数据形式表示。 数控机床检测装置的分类 （3）数字式测量和模拟式测量 p数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量 。得到的测量信号为脉冲形式，以计数后得到 的脉冲个数表示位移量。其特点是便于显示、 处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本 无关；抗干扰能力强。 p模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示， 模拟式测量的信号处理电路较复杂，易受干扰 ，数控机床中常用于小量程测量。 二、 数控机床对检测装置的要求 （1）满足数控机床的精度和速度要求 （2）工作可靠 （3）便于安装和维护 三、数控检测装置的性能指标与要求 （1）精度 符合输出量与输入
4、量之间特定函数关 系的准确程度称作精度，数控用传感器要满足 高精度和高速实时测量的要求。 （2）分辨率 分辨率应适应机床精度和伺服系统 的要求。分辨率的提高，对提高系统性能指标 、提高运行平稳性都很重要。高分辨率传感器 已能满足亚微米和角秒级精度设备的要求。 （3）灵敏度 实时测量装置不但要灵敏度高，而 且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致 的。 数控检测装置的性能指标与要求 （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。 数控伺服系统的传感器要求迟滞小。 （5）测量范围和量程 传感器的测量范围要满足 系统的要求，并留有余地。 （6）零漂与温漂 传感
5、器的漂移量是其重要性能 标志，它反映了随时间和温度的变化，传感器 测量精度的微小变化。 6.2 旋转变压器 一、旋转变压器的组成及工作原理 旋转变压器 二、相位工作方式 相位工作方式 n转子绕组上感应电动势为： 旋转变压器 三、幅值工作方式 幅值工作方式 n转子绕组上感应电动势为： 6.3 感应同步器 一、感应同步器的组成及工作原理 感应同步器的组成及工作原理 感应同步器的组成及工作原理 （1）相位工作方式 感应同步器的组成及工作原理 （2）幅值工作方式 感应同步器 二、感应同步器测量系统 （1）鉴相测量系统 p感应同步器鉴相测量系统包括脉冲一一相位变 换器、励磁供电线路、测量信号放大器和鉴相
6、 器等。其原理框图如图6.6所示。 鉴相测量系统 n其中，脉冲位变换器的作用是将输入指令脉 冲转换成相位值，其原理框图如图6.7所示。 鉴相测量系统 n脉冲加减法器是脉 冲相位变换器的 关键部分，它完成 向基准脉冲中加入 或抵消脉冲的作用 。 鉴相测量系统 n图6.8中，基准通道分频器I输出的参考信号作 为相位基准供给励磁供电线路，再由励磁供电 线路分解成两个相位相差90的方波，经滤波 放大得到正弦及余弦励磁电压供给滑尺的两个 绕组，如图6.9所示。 鉴相测量系统 n鉴相器的作用是鉴别指令信号与反馈信号相位 ，并判断相位差的大小和方向。这里介绍一种 使用异或门和D触发器组成的鉴相器，如图 6.
7、10所示。 鉴相测量系统 感应同步器测量系统 （2）鉴幅测量系统 6.4 光栅测量装置 一、光栅测量的工作原理 p光栅装置的结构是由标尺光栅和指 示光栅组成的，在标尺光栅和指示 光栅上都有密度相同的许多刻线， 称为光栅条纹，光栅条纹的密度一 般为每毫米25、50、100、250条。 对于透射光栅，这些刻线不透光（ 对于反射光栅，这些刻线不反光） 。光线由两刻线之间窄面透射（或 反射回来），见图6.12。 光栅测量的工作原理 n把指示光栅平行放在标尺光栅侧面，并使它们 的刻线相对倾斜一个很小角度，光源放在标尺 光栅另一侧面（以透射光栅为例）。当光线通 过时，在指示光栅上会产生莫尔条纹，见图 6.
8、13，莫尔条纹是明暗相间的条纹。当指示光 栅移动时，莫尔条纹移动，移动方向几乎与光 栅移动方向垂直。指示光栅相对标尺光栅移动 一个刻线距离，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹 间距。莫尔条纹间距与刻线间距关系如下： 光栅测量装置 二、光栅测量装置的数字变换线路 光栅测量装置的数字变换线路 光栅测量装置 三、读数头 光栅测量装置 四、等倍透镜系统 6.5 脉冲编码器 n脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。从 精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其它 两种。数控机床主要使用光电式脉冲编码器。 n光电式脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码 盘直接装在转轴上，能把机械转角变成电脉冲信号， 是
9、数控机床上使用很广泛的位置检测装置，同时也用 于速度检测。光电式脉冲编码器按编码方式又可分为 绝对值式和增量式两种，这两种在数控机床中均有应 用。常用的为增量式脉冲编码器，而绝对值式脉冲编 码器则用在有特殊要求的场合。 脉冲编码器 n增量式编码器结构简单，成本低，使用方便。缺点是 有可能由于噪声或其它外界干扰产生计数误差，若因 停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故 发生前执行部件的正确位置；而绝对值式编码器是利 用其圆盘上的图案来表示数值的，坐标值可从绝对编 码盘中直接读出，不会有累计进程中的误计数。运转 速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即 便因停电或其它原因造成坐标值清
10、除，通电后仍可找 到原绝对坐标位置。其缺点是，当进给转数大于一转 时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码 器连接起来组成多级检测装置，但其结构复杂、成本 高。 脉冲编码器 一、增量式脉冲编码器 （1）增量式脉冲编码器的分类与结构 p增量式脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号由 每转输出的脉冲数来区别。数控机床上常用的编码器 有两种，一种是以十进制为单位的，如2 000 P/r、2 500 P/r、3 000 P/r等；另一种是以二进制为单位的 ，如1 024 P/r、2 048 P/r、4 096 P/r等。目前， 在高速、高精度数字伺服系统中，应用高分辨率的脉 冲编码器的脉冲数则较
11、高，如18 000 P/r、20 000 P/r、25 000 P/r、30 000 P/r等。现在已有使用每 转10万以上脉冲的脉冲编码器。 增量式脉冲编码器的分类与结构 增量式脉冲编码器 （2）增量式脉冲编码器的工作原理 增量式脉冲编码器 （3）增量式脉冲编码器的应用 脉冲编码器 二、绝对值式脉冲编码器 （1）绝对值式脉冲编码器的种类与工作原 理 绝对值式脉冲编码器 （2）混合式绝对值编码器 n这种编码器是把增量制码与绝对制码同制在一 块码盘上。在圆盘的最外圈是高密度的增量条 纹，中间有四个码道组成绝对式四位葛莱码， 每1/4同心圆被葛莱码分割为16个等分段。圆 盘最里面有发一转信号的狭缝。 n该码盘的工作原理是三级计数：粗、中、精计 数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示 。在一转以内的角度位置由葛莱码的不同数值 表示，每1/4圆葛莱码的细分由最外圈增量制 码完成。 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
