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1、2020 6 9 1 第5章数控机床常用检测装置 5 1检测装置简介检测元件的精度主要包括系统精度和系统分辨率两项 系统精度是指在一定长度或转角范围内测量积累误差的最大值 目前一般长度位置检测精度均已达到 0 002mm m以内 回转角测量精度达到 10 360 系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量 目前长度位移的分辨率多数为1 m 高精度系统分辨率可达0 1 m 回转分辨率为2 不同类型数控机床对检测装置的精度和使用速度要求是不同的 2020 6 9 2 5 1检测装置简介 系统分辨率的提高 对加工精度有一定的影响 但也不宜过小 分辨率的选取通常和脉冲当量的选取方法一样 数值也相同
2、均按机床加工精度的1 3 1 10选取 数控机床对检测装置的主要要求有 工作可靠 抗干扰性能强 使用维护方便 适应机床的工作环境 满足精度和速度的要求 易于实现高速的动态测量 处理的自动化 成本低 2020 6 9 3 5 2旋转变压器 5 2 1旋转变压器的结构和工作原理 1 旋转变压器的结构 图5 1旋转变压器a 有刷结构b 无刷结构 2020 6 9 4 5 2 1旋转变压器的结构和工作原理 2020 6 9 5 5 2 2旋转变压器的应用 1 2020 6 9 6 5 2 2旋转变压器的应用 2 2020 6 9 7 5 2 2旋转变压器的应用 3 2020 6 9 8 5 3感应同步
3、器 5 3 1感应同步器的结构和种类按结构可分为直线感应同步器和圆形感应同步器两种 直线式用于测量直线位移 而圆形感应同步器用于检测角位移 直线式由定尺和滑尺两部分组成 而圆形感应同步器由定子和转子组成 感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和次级线圈 它们都是利用交变磁场和互感原理工作的 2020 6 9 9 5 3 1感应同步器的结构和种类 2020 6 9 10 5 3 2感应同步器的工作原理 1 如图5 8所示 滑尺上具有在空间上相差1 4节距的正弦绕组和余弦绕组 且定尺与滑尺节距相同 当滑尺励磁绕组与定尺感应绕组间发生相对位移时 由于电磁耦合的作用 感应绕组中的感应电压随位移
4、的变化而呈周期性地变化 感应同步器就是利用这一特点来检测滑尺相对定尺的位置的 图5 8直线感应同步器的结构 2020 6 9 11 5 3 2感应同步器的工作原理 2 图5 9感应同步器工作原理 当定尺绕组与滑尺绕组之一相重合时 如图5 9的A点 这时定尺输出的感应电压最大 当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时 感应电压逐渐减小 到达1 4节距的位置B时 由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中产生的电压方向相反 所以定尺线圈输出电压为零 如果滑尺继续向C点移动 则滑尺磁场在定尺中产生的电压在负方向上逐渐增大 C点达到最大 当滑尺再向D点移动时 定尺电压又逐渐变为零 当移动一个节距 到达E点时 又与A点
5、的情况相同 2020 6 9 12 5 3 4感应同步器测量系统 感应同步器也有 鉴相测量系统和鉴幅测量系统 1 鉴相测量系统给感应同步器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同 相位差为90 的励磁信号 则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为 2020 6 9 13 5 3 4感应同步器测量系统 2 鉴幅测控系统鉴幅工作方式是根据感应输出电压的幅值变化来检测位移的 在这种工作方式下 滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和相位相同 幅值不同正弦电压 即 2020 6 9 14 5 4光栅 光栅是利用光的反射 透射和干涉现象制成 有物理光栅和计量光栅 物理光栅两刻线之间距离在0 002 0
6、 005mm之间 常用于光谱分析和光波波长的测定 计量光栅栅距在0 004 0 025mm之间 常用于高精度位移的检测 是数控系统中应用较多的一种检测装置5 4 1计量光栅的种类按照不同的分类方法 计量光栅可分为 直线光栅和圆形光栅 逶射光栅和反射光栅 增量式光栅和绝对式光栅等 2020 6 9 15 5 4 2计量光栅的工作原理 1 2020 6 9 16 5 4 2计量光栅的工作原理 2 莫尔条纹有以下几个重要特性 1 平均效应莫尔条纹是由大量的光栅线纹共同作用产生的 对光栅的线纹误差有平均作用 从而可以在很大程度上消除光栅线纹的制造误差 光栅越长 参加工作的线纹越多 这种平均效应就越大
7、2 对应关系如图5 11所示 当光栅移动一个栅距d 摩尔条纹也相应移动一个纹距W 其光强变化近似正弦波形 若移动方向相反 则摩尔条纹移动的方向也相反 3 放大作用 2020 6 9 17 5 4 2计量光栅的工作原理 3 2020 6 9 18 5 4 2计量光栅的工作原理 4 2 光电转换光栅检测系统的光电转换转由光栅读数头完成 最基本的光栅读数头由光源 聚光镜 指示尺光栅和硅光电池组成 如图5 12a所示 为了便于说明其工作原理 以光闸莫尔光栅为例 说明当光栅移动一个栅距时 其输出波形和两块光栅相互位置变化的关系 2020 6 9 19 5 4 2计量光栅的工作原理 5 当两块光栅的刻线重
8、合时 透光最多 光电池输出的电压信号最大 当光栅1向右移动半个栅距时 两块光栅的暗线纹将明线纹遮住 透光近似于0 光电池输出最小 再移动半个栅距 则两块光栅的刻线又重合 光电池输出又达到最大值 这种光栅的遮光作用与光栅的移动距离成线性关系 所以光电池的光接收量也与光栅的移动距离成线性关系 即光电池的输出电压波形也近似于三角形 但这是一种理想的状态 只有在两块光栅的夹角为0 刻线质量极好 而且刻线宽度均匀一致才能达到 2020 6 9 20 5 4 2计量光栅的工作原理 6 2020 6 9 21 5 4 3光栅的测量装置 2 光栅测量装置原理如前所述 光栅的移动形成了莫尔条纹 又经光电转换成正
9、弦电压信号输出 这样的信号 只能用于计数 而不能辨别方向 实际应用中 即要求有较高的检测精度 又能辨别方向 为了达到这种要求 通常使用分频电路实现 下面介绍一种广泛使用的四倍频辨向电路工作原理 所谓四倍频 就是采用四个光电元件和四个狭缝 使其与莫尔条纹相重合的位置相差1 4栅距 这样 相邻两个光电元件输出的正弦信号相差90 经过整形和逻辑处理后即可得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号 2020 6 9 22 5 4 3光栅的测量装置 图5 12光栅信号四倍频电路 2020 6 9 23 5 5磁栅 磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件 可用作直线和角位移的测量 磁栅与同步感应器 光栅相比
10、 测量精度略低 但具有复制简单以及安装方便等一系列优点 特别是在油污 粉尘较多的环境中应用 具有较好的稳定性 因此 磁栅较广泛地应用在数控机床 精密机床和各种测量机上 2020 6 9 24 5 5磁栅 磁栅检测装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上 用来作测量基准 在检测过程中 用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号转换成电信号 然后通过检测电路把磁头相动于磁尺的位置送给伺服控制系统或数字显示装置 磁栅检测装置由磁性标尺 拾磁磁头和检测电路三部分组成 2020 6 9 25 5 5 1磁性标尺 磁性标尺常采用不导磁材料做基体 在上面镀上一层10 30 m厚的高磁性材料 形
11、成均匀的磁膜 再用录磁磁头在磁尺上记录节距相等的周期性变化的磁信号 用于作为测量基准 信号可为正弦波 方波等 节距通常为0 05 0 1 0 2 m等 最后磁尺表面涂上保护层 以防磁头与磁尺频繁接触过程中的磁膜磨损 磁性标尺按形状可分为 用于检测直线位移的平面实体型磁尺 带状磁尺和同轴型线状磁尺 用于检测角位移的回转型磁尺等 如图5 13所示 2020 6 9 26 5 5 1磁性标尺 a 平面实体型磁尺b 带状磁尺c 同轴型线状磁尺d 回转型磁尺图5 13按磁性标尺形状分类的各种磁尺1 实体尺2 尺座 屏蔽罩 3 带状尺4 尺垫 泡沫塑料 5 磁头6 线状尺7 磁尺8 组合磁头9 尺座 20
12、20 6 9 27 5 5 2读数磁头 读数磁头是进行磁电转换的器件 它将反映位置变化的磁化信号检测出来 并转换成电信号输送给检测电路 根据机床数字控制系统的要求 为了在低速运动和静止时也能进行位置检测 必须采用一种磁通响应型磁头 而不能采用普通录音机上的速度响应型磁头 磁通响应型磁头是一个带有饱和铁芯的二次谐波调制器 如图5 14所示 2020 6 9 28 5 5 2读数磁头 图5 14磁通响应型磁头 2020 6 9 29 5 5 3磁栅的工作原理 1 2020 6 9 30 5 5 3磁栅的工作原理 图5 15双磁头配置原理图 2020 6 9 31 5 6脉冲编码器 脉冲编码器是一种
13、旋转脉冲编码器 它把机械转角变成电脉冲 是一种常用的角位移传感器 脉冲编码器通常装在被检测的轴上 随被测轴一起旋转 可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式 脉冲编码器根据输出信号的方式不同 可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器 根据内部结构和检测方式不同 可分为接触式 光电式和电磁式三种 2020 6 9 32 5 6 1绝对式脉冲编码器 可直接把检测转角用数字代码表示出来 每一个角度均有其对应的代码 它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置 没有积累误差 绝对式码盘的编码类型有二进制编码 二 十进制编码 格雷码等 图5 16为4位二进制接触式绝对式码盘 图5 16接触式绝对式
14、编码器的码盘a 绝对式码盘结构b 二进制码盘c 格雷码盘 2020 6 9 33 5 6 1绝对式脉冲编码器 将二进制码右移一位并将末位舍去 然后将其与原码进行不进位加法 则会得到与之相对应的雷格码 接触式码盘体积小 输出功率大 但易磨损 其使用寿命短 转速也不能太高 光电式码盘即是将接触式码盘的导电与不导电式区域用透明和不透明区域代替 电磁式码盘则是用有磁和无磁替换接触式码盘的导电和不导电区域 2020 6 9 34 5 6 1绝对式脉冲编码器 光电绝对值编码器 2020 6 9 35 5 6 2脉冲增量式码盘 1 结构及其特点增量式脉冲编码器最初就是一种光电盘 它由光源 聚光镜 光电盘 分
15、度狭缝 光电元件 模数转换线路及数字显示装置组成 光电盘可以用玻璃研磨抛光制成 玻璃表面在真空中镀一层不透明的铬 然后用照像腐蚀法在上面制成狭缝作透光用 狭缝的数量可以为几百条或几千条 也可以用精制的金属圆盘 在圆周上开出一定数量的等分槽缝 或在一定半径的圆周上钻出一定数量的孔 使圆盘形成相等数量的透明或不透明的区域 2020 6 9 36 5 6 2脉冲增量式码盘 2 增量式脉冲编码器工作原理光电盘装在回转轴上 当光电盘随工作轴一起转动时 每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化 经过光敏元件变成一次电信号的明暗变化 对它进行整形 放大和微分处理后 得到脉冲输出信号 脉冲数就等于转过的缝隙数
