机床数控技术(第六章)课件

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1、第六章数控机床的位移检测装置,数控机床的位移检测装置,概述 编码器 光栅 旋转变压器 感应同步器,概 述,组成：位移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，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制，即起着测量和反馈两个作用。它是闭环、半闭环进给伺服系统的不可缺少组成部分； 为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测装置和检测系统的精度。因此，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，研制和选用性能良好的检测装置是非常重要的。,概 述,位移检测装置是数控机床的重要组成部分。从一定意

2、义上看，数控机床的加工精度主要取决于位移检测装置的精度和分辨率。 分辨率是传感器能分辨出的最小测量值。 不同类型的数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的。对大型机床，以满足速度要求为主；对中小型机床和高精度机床，以满足精度要求为主。 选择测量系统的分辨率要比加工精度高一个数量级。分辨率不仅取决于传感器本身，也取决于测量线路。 一般要求测量系统的分辨率在0.00010.01mm之内，测量精度为0.0010.02mm/m，运动速度024m/min。,概 述,数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。 按测量方法分为增量式和绝对式 按检测信号的类型分为模拟式和数字式 根据安装的位置

3、及耦合方式分为直接测量和间接测量 按运动型式分为回转型和直线型 按信号转换的原理分为光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等,增量式和绝对式,增量式测量方法的特点是每移动一个脉冲当量（例0.001mm）就发出一个脉冲信号，任何一个中点都可以看作测量的起点。典型的装置有：感应同步器、光栅、磁尺等。 测量装置简单； 测量的值由测量信号计数读出，一旦计数有误，后面结果就出错，若出现停电等事故，不能找到前面的正确位置； 轮廓控制的数控机床上大都采用。 绝对式测量方法对于被测量的任意一点的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，测量装置的结构较为复杂。典型的装置

4、有：编码器、磁尺等。 可以克服增量式的缺点； 测量装置比较复杂。,模拟式和数字式,数字式测量方法是将测量值用测量单位量化后的数字形式表示，测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置与其发出的指令进行比较与处理。典型的装置有：光栅、编码器。 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理； 测量精度取决于测量单位，和量程无关； 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。 模拟式测量方法是是将测量值用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。典型的装置有：旋转变压器、感应同步器。 直接测量被测的量，无需变换； 在小量程内能实现较高测量精度，技术成熟。,直接测量和间接测量,直接测量法是将检测装置直接安装在执

5、行部件上。典型的装置有：感应同步器、光栅等。 测量装置要和工作台行程等长，不便于在大型数控机床上使用。 间接测量法是将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电机轴上，通过检测角位移来间接测量执行部件的直线位移。典型的装置有：旋转变压器等。 方便可靠，无长度限制； 有传动链误差，影响了测量精度。 归纳表,分 类 归 纳,编 码 器,编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器，能把机 械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。 编码器按读取方式分为：光电式、接触式和电磁感应 式。 1 2 3 4 5 6 7 光电脉冲编码器的结构 1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7

6、-印刷电路板 增量式编码器 绝对式编码器,增量式编码器,增量式编码器 工作原理 指示光栅有两组信号A和B，每组信号的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组信号彼此错开1/4个节距，每组信号与旋转圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于记数和辩向； 利用光电转换原理，经放大、整形后得到所示的方波信号A和B，如光栅盘正转时A相超前90，反转时B相超前90。另外还产生一转脉冲Z，Z为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标原点的信号，车削螺纹时作为刀点的信号。,脉冲编码的输出信号,增量式编码器,增量式编码器 结构简单，使用寿命长（几万小时以上），高分辨率是增量式编码器的优势（每度100条线，刻线36

7、000根）； 它的型号是由每转发出的脉冲数来区分， 2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等； 增量式编码器存在的主要问题： 数据容易丢失； 一旦停电或误操作，把基数丢失，就难以寻找回来； 会发生误差累积现象； 为了弥补缺陷，开发出绝对式编码器，即电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置信号。,绝对式编码器,绝对式编码器 绝对式编码器就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码； 绝对式光电编码器是利用自然二进制或循环二进制编码方式进行光电转换的； 码盘按其所用码制可分为二进制、循环码（葛莱码）、十进制码等。图6-3 纯二进制编码方式图案转移点不明确，容易产

8、生误读错误，在位置变化时，可能有两个或更多位的状态同时发生改变，这种误差将发出错误信息，导致严重后果； 从7（0111）变为8（1000）时，如果每位变化有先后，会输出错码。如：7（0111）15（1111）8（1000）。 针对以上确定，发展了几种编码法，其中有常用的葛莱码，其基本思想是：当码盘转动时，在相邻的计数位置，每次只有一位代码有变化，表6-1。,绝对式编码器,白的部分表示透光，用“1”表示；黑的部分表示不透光，用“0”表示； 最里层表示最高位，最外层表示最低位，有9层的话，可以编码29=512个。,绝对式编码器,采用葛莱码后，即使光电码盘的制作、安装有误差，也不会超过最低位的单位量

9、； 要提高绝对式编码器的精度，关键在于提高码盘的划分精细度和准确度； 分辨率取决于码道的数目，码道数取决于码盘的尺寸。,光 栅,光栅的种类很多，其中以计量光栅的技术发展得最迅速和最成熟。计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角位移，是数控机床上应用较多的一种检测装置。光栅传感器的空间分辨率一般可达1m左右，单根光栅的长度可达600m以上，主光栅能够进行拼接，测量范围可达几米以上。 计量光栅的种类 光栅测量的基本原理,计量光栅的种类,光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成，如图所示： 计量光栅按其形状和用途可以分为长光栅和圆光栅两种，前者用于测量长度，后者用于测量角度;

10、根据光线的走向，光栅可分为透射光栅（图6-7放大示意图）和反射光栅，前者的栅线刻在透明材料上，后者则刻在金属或玻璃金属膜上。,主光栅G1，固定在机床活动部件上，长度相当于工作台移动的全行程； 指示光栅G2，安装在机床固定部件上; 两者的间隙0.050.1mm。,放大示意图,在玻璃表面上制成一组平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，采用真空镀膜的方法光刻出均匀密集的线纹； a：栅线宽，b：栅线缝隙， a = b ，W（=a +b） ：栅距，栅距是光栅的重要参数；对于长光栅，一般为25-50线/mm（金属），100-250/mm（玻璃）。,光栅测量的基本原理,光栅主要是利用莫尔条纹实现测量的。 莫尔条

11、纹的产生和特点 圆光栅的莫尔条纹,莫尔条纹的产生和特点,莫尔条纹的形成，实际上是光通过一对光栅是所产生的衍射和干涉的结果。光在先后经过两叠合的光栅副时，其中任何一块光栅的不透光狭缝都会对光起遮光作用。这样两光栅的透光狭缝和透光狭缝的交点成为亮点，这些亮点的连线，便组成了一条透光的亮线；而不透光狭缝和透光狭缝的交点连线，则构成一条不透光的暗线，图6-8所示。 横向莫尔条纹重要特性 光闸莫尔条纹,莫尔条纹的形成,tan=tan/2 B = w/,莫尔条纹的产生和特点,横向莫尔条纹重要特性： 平均效应,莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻画误差有平均作用，使光栅的节距误差得到平均化，从而能

12、在很大程度上消除短周期误差的影响。栅线的工作长度越大，参加工作的刻线越多，这一作用就越显著； 放大作用,由于角很小，光栅有明显的放大作用，放大比为K=B/W1/，K为一很大的值， 如光栅节距W=0.01mm，取=0.002rad = 0.11，则B=5mm，K=500，即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有5mm，栅距W很小，很难观察，而莫尔条纹却清晰可见； 对应关系,两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B，摩尔条纹明-暗-明变化一个周期，这为光元件的安装与信号检测提供了良好的条件；光栅反向移动时，莫尔条纹

13、亦反向移动。,光闸摩尔条文,光闸莫尔条纹 当W1=W2=W，且=0时，所得到的莫尔条纹宽度趋于无穷大，两光栅就像闸门一样时启时闭，故称光闸莫尔条纹。当一光栅沿X方向移动一个栅距时，光亮度就明暗变化一次。,圆光栅的莫尔条纹,典型的计量圆光栅的系统结构和长光栅的结构一样，一般由光栅副和光学系统、接收系统所组成。 圆光栅的样式多种多样，其莫尔条纹也有许多形式。在长度计量中主要应用以下两种： 环形莫尔条纹（见图6-9） 圆弧形莫尔条纹（见图6-10）,环形莫尔条纹,两圆光栅的栅距W相同，两圆同心放置，切线圆半径分别是r1，r2，形成的莫尔条纹是同心圆蔟； B=WR/r1+r2。,圆弧形莫尔条纹,两圆光

14、栅的栅距W相同，两圆偏心放置，各部分栅线的夹角不同，形成的莫尔条纹是不同曲率半径的圆弧； 有纵向莫尔条纹和横向莫尔条纹，实际使用中常用横向莫尔条纹。,旋转变压器,旋转变压器是控制系统中较为常见的位置测量元件，它属于精密的控制微电机。从外形上看，它和电机相似，有一个定子和一个转子；从物理本质上看，它是一种可以旋转的变压器；转子绕组的输出电压与转子的转角有关。 旋转变压器的结构 旋转变压器的工作原理 工作方式 3 4 5,1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环,旋转变压器的结构,旋转变压器由定子和转子两大部分组成，如图所示：S1S3及S2S4为定子

15、绕组，R1R3及R2R4为转子绕组。定子和转子绕组之间的互感系数是按转子的偏转角的正弦和余弦规律变化，一个信号与转子角度的正弦比例变化，另一信号与转子角度的余弦成比例变化。,旋转变压器的工作原理,旋转变压器按照互感原理工作，定子绕组上分别加上交变励磁电压，当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产生感应电势感应电压； 先讨论单极工作情况以说明旋转变压器的工作原理。设加到定子绕组的励磁电压为E1=Emsint，通过电磁耦合，转子绕组将 产生感应电压E2； 当转子转到使它的绕组的 磁轴与定子绕组的磁轴相 垂直时，则转子感应电压 E2=0；,旋转变压器的工作原理,当转子绕组的磁轴自垂直位置转过-角时，

16、这时转子绕组的感应电压为： E2=KE1sin= Emsintsin；,旋转变压器的工作原理,当转子转动= 90 时，使两磁轴平行，此时转子绕组的感应电压为最大： E2=KEmsint,其中E2为一等幅正弦波。,旋转变压器的工作原理,实际应用较多的，是利用定、转子各具有一对正交绕组的正、余弦旋转变压器，当使定子的一个绕组短接，另一个绕组通单向交流电压，在转子绕组中可以得到正弦、余弦函数的输出电压。,正、余弦旋转变压器,若使转子的绕组短接，应用叠加原理，可以得到两种典型的工作方式。,工作方式,鉴相工作法 在旋转变压器定子的两相正交绕组，又称为正弦 和余弦绕组上，分别加上幅值相等、频率相同但相位差90的正弦、余弦励磁电压： E1s=Emsint E1c=Emcost 转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压线性叠加得总感应电压为： E2=kE1s sin+ kE1c cos =kEmcos(t -) 由此可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角； 那么，通过检测