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1、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,主要内容,6.1 概述,组成：位置检测装置是由检测元件（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。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，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，必须精心选择位置检测装置。,主要内容,6.1 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。 安装的位置及耦合方式直接测量
2、和间接测量； 测量方法 增量型和绝对型; 检测信号的类型 模拟式和数字式； 运动型式 回转型和直线型； 信号转换的原理光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。,主要内容,6.1 概述,主要内容,数控机床对检测装置的主要要求,1）受温、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,主要内容,6.2 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控机床。优点：结构简单、动作灵敏、
3、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。,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。,旋转变压器,主要内容,6.2 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。,主要内容,端盖,6.2 旋转变压器,旋转变压器有刷结构示意,5,4,机壳 3,转轴,轴承,转子铁心,定子铁心,电刷,集电环,6.2.1旋转变压器的结构,主要内容,6.2.1
4、旋转变压器的结构,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直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面。,6.2 旋转变压器,主要内容,6.2 旋转变压器,分解器,变压器,数控机床主要使用无刷旋转变压器，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。,主要内容,6.2.2 旋转变压器的工作原理,原理：电磁感应，当定子加上一定频率的激磁电压时，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,主要内容,U2 nUm sint sin,6.2 旋
5、转变压器,主要内容,6.2 旋转变压器,Um激磁电压幅值n绕组匝数比转子偏转角,主要内容,6.2 旋转变压器,主要内容,6.2 旋转变压器,1c,1s,1ccos,1ssin,使用较广泛的为正余弦旋转变压器,主要内容,6.2 旋转变压器,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 U1sUmsint U1cUm（sint+/2）Umcost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,1鉴相工作方式,主要内容,6.2 旋转变压器,U2kUmsintsinkUmcostcos =kUmcos（t-）当转子反转时，同样可得到 U2k
6、 Umcos（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。,主要内容,2鉴幅工作方式,6.2 旋转变压器,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 U1sUmsinsint U1c= Umcos sint,主要内容,6.2 旋转变压器,转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint转子反
7、转时，同理有： U2kUmcos（） sint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。,主要内容,三、旋转变压器的应用,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，累计所走的导程数，折算成位移总长度。,6.2 旋转变压器,6.3 感应同步器,感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋转式：定
8、子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。,6.3.1 感应同步器的结构,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0.250.05mm,6.3 感应同步器,w22（a2+b2）,w12（a1+b1）,一般w1w2或w12/3 w2,6.3 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。）,6.3 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100mm，节距为2mm。,6.3 感应同步器,圆感应同步器结构：,转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段式、两相正交（相差90电角度） sin绕组、co
9、s绕组,6.3 感应同步器,6.3.2 感应同步器的安装,定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为025005mm，其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。,6.3 感应同步器,直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范围增加时，将定尺接长。定尺全部接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏差。,6.3 感应同步器,6.3.3 感应同步器工作原理,6.3 感应同步器,滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合
10、的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。,6.3 感应同步器,感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系,A,B,C,D,当滑尺移动距离为 2，V2 变化 2,当移动 x时，则对应感应电压以余弦函数变化角度。,6.3 感应同步器,可得,设 表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为,1.鉴相工作方式 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。,6.3 感应同步器,例如： 定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，表明滑尺移动了多少mm？
11、,6.3 感应同步器,将 称为相移位移转换系数。例：设节距2=2，则 若脉冲当量2m/脉冲，则相移系数为,6.3 感应同步器,供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。,2.鉴幅工作方式,则在定尺绕组产生的总感应电压为,6.3 感应同步器,若电气角已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应的角度。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零。的变化量则代表对应的位移量，就可测得机械位移。,6.4 光栅,通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：物理光栅（衍射光栅）：200500条/，栅距0.0020.005，主要是利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅：25条/、50条
12、/、100条/、250条/等，栅距0.0040.25，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。,按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。 长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。,6.4 光栅,6.4.1 光栅的种类,玻璃透射光栅是在玻璃的表面上涂上一层均匀的感光材料或金属镀膜，用照相腐蚀等方法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；每毫米上线纹数多，一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。,6.4 光栅,直线光栅,金属反射光栅
13、：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为4、10、25、40、50条/mm ，分辨率低。特点：标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整比较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。,6.4 光栅,在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。,6.4 光栅,圆光栅,（以玻璃透射式直线光栅为例） 光栅的结构组成：标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程 大于1m时，需要将光栅接长。安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台 上或丝杠上）光栅读数头安装
14、在机床固定部件上 （如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。,6.4 光栅,6.4.2光栅的结构与测量原理,6.4 光栅,光栅的结构与测量原理,光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。常见结构按光路分：分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。,6.4 光栅,6.4 光栅,两者间隙0.05或0.1,光栅的基本测量原理两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角、刻划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm）在光源照射下，在与两光栅线纹角的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔条纹（横向莫尔条纹），两条亮（暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度 w 。,6.4 光栅,6.4 光栅,莫尔条纹特性：（1）光学放大作用,放大比k为 ：,若d=0.01mm，0.01rad，则w1mm，k100,6.4 光栅,（2）均化误差作用莫尔条纹 大量光栅线纹形成 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,
