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1、CNC第 6章 数控机床的检测装置主要内容6.1 概述6.2 旋转变压器6.3 感应同步器6.4 光栅6.5 磁栅6.6 编码器CNC6.1 概述位置检测装置 作用 ：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动。位置测量装置 组成 ：检测元件（传感器）和信号处理装置。数控系统中的检测装置分：位移、速度和电流三种类型。常用位移检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。CNC闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统精度决定。半闭环控制的数控机床：旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，测量电机或
2、丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。6.1 概述CNC位置检测装置的精度：系统精度、分辨率系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。一般：直线位移检测精度： 0.002 0.02mm/m；回转角测量精度： 10 360系统分辨率：测量元件所能正确检 测的最小位移量。目前：直线位移分辨率： 1 m，高精度 0.1 m；回转分辨率：可达 2。不同数控机床对检测装置精度、速度要求：大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。6.1 概述CNC6.1.1数控机床对检测装置的主要要求
3、1）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；5）易于实现高速的动态测量。6.1 概述CNC6.1.2 位置检测装置分类 (位移传感器 )6.1 概述3速直线感应同步器绝对值式磁尺直线感应同步器磁尺多通道透射光栅计量光栅激光干涉仪直线型多极旋转变压器3速圆感应同步器旋转变压器圆感应同步器圆磁尺绝对式脉冲编码器增量式脉冲编码器圆光栅回转型绝对式增量式绝对式增量式模拟式数字式CNC1增量式与绝对式1）增量式检测方式测量位移增量，移动一个测 量单位就发出一个测量信号。如：测量单位为 0.001mm，每移动 0.
4、001mm发出 1个脉冲信号，通过对脉冲计数可得到位移量。优点：检测装置较简单，任 何一个对中点均可作为测量起点；缺点：一旦计数有误，此后 测量结果全错；发生故障时（如断电、断刀等 ）不能再找到事故前的位置，必须将工作台移至起点重新计数。6.1 概述CNC2）绝对式测量方式被测量的任一点的位置都以一个固定 的零点作基准，每一被测点都有一个相应的 对零点的测量值。避免了增量式检测方式的缺陷，但其 结构较为复杂。接触式码盘6.1 概述CNC2数字式与模拟式1）数字式测量方式将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：（ 1）被测量以数字形式表示，便于
5、显示、处理；（ 2）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）；（ 3）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。6.1 概述CNC2）模拟式测量方式将被测量用连续的变量来表 示，如用相位变化、电压变化表示。特点：（ 1）直接对被测量进行检测；（ 2）在小量程内可以实现高精度测量；（ 3）可用于直接检测和间接检测。6.1 概述CNC3直接测量与间接测量1）直接测量位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，即：用直线式检测装置测直线位移，用旋转式检测装置测角位移，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。直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。测量精度主要取决于测量元件
6、的精度，不受机床传动精度的影响。检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。6.1 概述CNC2）间接测量若回转型位置检测装置测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈。对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制。缺点：在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。6.1 概述CNC6.2 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机，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
7、控机床。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。CNC6.2 旋转变压器旋转变压器的分类按有无电刷分：接触式和无接触式两种；按极对数分：单对极和多对极；按用途分：计算用旋转变压器和数据传输用变压器；按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等。CNC6.2.1旋转变压器的结构旋转变压器（同步分解器），与两相绕线式异步电机相似， 由定子和转子组成， 是一种旋转式的小型交流电机。有刷旋转变压器 定子、转子上两相绕组轴线分别相互垂
8、直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。无刷旋转变压器 具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。6.2 旋转变压器CNC数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成：分解器：左，结构与有刷旋转变压器基本相同。变压器：右，无电刷与滑环，作用是不通过电刷与滑环把信号传递出来6.2 旋转变压器CNC6.2 旋转变压器分解器中的转子输出信号接在变压器的一次绕组上，变压器的二次绕组与分解器中的定子一样固定在旋转变压器的壳体上。工作时，分解器的定子绕组外加励磁电压，转子绕组即耦合出与偏转角相关的感应电压，此信号接在变压器的一次绕组上，经耦合由变压器的二次绕组输出。无刷旋转变压器由两部
9、分组成：一部分称为分解器，由旋转变压器的定子和转子组成；另一部分称为变压器，用它取代电刷和滑环，其一次绕组与分解器的转子轴固定在一起，与转子轴一起旋转。CNC123567486.2 旋转变压器分解器定子线圈外接激磁电压（频率 400Hz、 500Hz、1000Hz、 2000Hz、 5000Hz），频率较高，旋转变压器尺寸显著减小，转子转动惯量也很小，适用加、减速比较大或精度高的齿轮、齿条组合使用的场合；分解器转子线圈输出信号接到变压器的一次绕组 5，从变压器的二次绕组 7引出最后的输出信号。CNC单极对：定子和转子各有一对磁极。多极对：增加定子或转子极对数，使电气转角为机械转角的倍数，用于高
10、精度绝对式检测。双极对：定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，检测精度较高，数控机床中应用普遍。6.2 旋转变压器CNC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。单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比，以保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同。多极对：不用升速，与电机直接相联，精度更高。一极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器可构成 “粗测 ”和 “精测 ”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测。6.2 旋转变压器CNC6.2.2 旋转变压器的工作原理根据互感原理工作，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
11、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。6.2 旋转变压器CNC56 2 2 2 1 1 10U1=Umsin t U1=Umsin t U1=Umsin t定子转子=0 =9002 k 1sinU2 nUmsin t sin6.2 旋转变压器CNC6.2 旋转变压器单极型旋转变压器的定子和转子 各有一对磁极 ，假设加到定子绕组的 励磁电压为 U1，则转子通过电磁耦合， 产生感应电势 U2。1msinUU t=21msin sinUnUnU t =Um激磁电压幅值n 绕组匝数比 转子偏转角CNC激磁输出U1U2tt6.2 旋转变
12、压器1msinUU t=21msin sinUnUnU t = =CNC45U1sU1cRU2 转子定子6.2 旋转变压器 cossin112 cskUkUU +=CNC1鉴相工作方式给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差 /2的交流激磁电压U1s Umsin tU1c Umsin （ t+ /2） Umcos t当转子正转时 ，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子 的感应电压 U2为6.2 旋转变压器 cossin112 cskUkUU +=CNCU2 kUmsin tsin kUmcos tcos =kUmcos（ t - ）Um激磁电压幅值； k电磁耦合系数
13、， k1； 相位角，即：转子偏转角。当转子反转时 ，同样可得到U2 kUmcos（ t + ）转子输出电压的相位角和 间有严格对应关系，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CNC2鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 U1s Umsinsin tU1c= Umcossin t当给定电气角为 时，交流激磁电压的幅值分别为 Usm UmsinUcm Umcos6.2 旋转变压器CNC
14、转子正转时 ， U1s、 U1c经叠加，转子感应电压 U2为：U2 kUmsin sin tsin k Umcos sin tcos kUmcos（ ） sin t转子反转时 ，同理有：U2 kUmcos（ ） sin tU2的幅值分别为: kUmcos（ ）、 kUmcos（ ）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。6.2 旋转变压器CNC由角位移如何计算直线位移 ?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，需加一台 绝对位置计数器 ，累计
15、所走的导程数，折算成位移总长度。三、旋转变压器的应用6.2 旋转变压器CNC6.3 感应同步器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。种类：根据用途和结构特点分直线式、旋 转式（圆盘式）两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于 全闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测量角位移，用于 半闭环伺服系统。工作原理与直线式相同，不同的是定子（ 相当于定尺）、转子（相当于滑尺）及绕组形状不 同，结构上分：圆形、扇形。CNC6.3.1 感应同步器的结构与种类6.3 感应同步器（固定在床身上）（安装在移动部件上）平行，间隙为 0.250.05mmCNC6.3 感应同步器w2 2（ a2+b2）w1 2（ a1+b1）一般 w1 w2或 w1 2/3 w2CNC6.3 感应同步器（当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）CNC6.3 感应同步器“节距 ”是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长 250mm，滑尺长
