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1、二、感应同步器 1.感应同步器的结构和特点 感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角变为电信号，借以进行位置检测的反馈控制，在数控机床上使用极为普遍。 按其用途可分为两大类：直线感应同步器和圆感应同步器。 前者用于直线位移的测量，用于闭环控制系统；后者用于转角的测量，用于半闭环控制系统。在结构上，两者都包括固定和运动两大部分，对旋转式分别称为定子和转子；对直线式分别称为定尺和滑尺。,白城师范学院机电系机自教研室,24,感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件，由旋转变压器演变而来。它的极对数可以做得很多，一般取360对极、720对极，最多的达2000对极。由于多极结构，在电与磁两方面对误差
2、都起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同步器的励磁频率一般取210kHz。 （1）圆感应同步器 它由定子和转子组成。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组（ sin绕组和 cos 绕组做成分段式，两相绕组交差分布，相差90电相角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来,白城师范学院机电系机自教研室,26,），,。,白城师范学院机电系机自教研室,28,（2）直线式感应同步器,考虑到接长和安装，通常定尺绕组做成连续式单相绕组,滑尺上配置断续绕组，并且分为正弦励磁绕组和余弦励磁绕组，这两个绕组在空间上错开90电相角。,白城师范学院机电系机自教研室,31,感应同步器的使用特点 精度高 可拼接成各种需要的
3、长度 对环境的适应性强 使用寿命长 注意安装间隙,根据测量长度的要求，采用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整，使拼接后总长度的精度保持（或略低于）单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式有两种：当定尺少于10块时，将各绕组串联连接，当多于10块时，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联，以不使定尺绕组阻抗过高为原则。,直线式感应同步器金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。感应同步器为非接触式电磁耦合器件，可选耐温性能好的非导磁性材料作保护层，加强了其抗温防湿的能力，同时在绕组的每个周期内，任何时候都可以给出与绝对位置相对应的单值电
4、压信号，不受环境干扰的影响。,由于感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采用专门的工艺方法制作精确。再加上它的极对数多，定尺上的感应电压信号是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所以测量精度高。目前直线感应同步器的精度可达0.001mm,重复精度0.0002mm,灵敏度0.00005m。直径为302mm的感应同步器的精度可达0.5,重复精度0.1，灵敏度0.05。,由于感应同步器定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必须用钢带或折罩覆盖
5、，以免切屑划伤滑尺与定尺的绕组。,感应同步器安装时要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在（0.020.25）mm0.05mm以内，滑尺在移动过程中，由于晃动所引起的间隙变化也必须控制在0.01mm之内。如果间隙过大，必将影响测量信号的灵敏度。,2.感应同步器的工作原理,白城师范学院机电系机自教研室,32,当滑尺上励磁绕组和定尺上的绕组位置重合时，耦合磁通最大，感应电动势也最大。,当继续平行移动滑尺时，感应电动势逐渐减小，当移动到1/4节距位置处，在感应绕组内的感应电动势为零。,继续移动到半个节距处，可得到与初始位置极性相反的最大感应电动势。,在3/4节距处，感应电动势又 变为零。,移动到下一个节距
6、时，又回到与初始位置完全相同的耦合状态，感应电动势最大。这样，感应电动势随滑尺相对于定尺的移动而呈周期性变化。,白城师范学院机电系机自教研室,35,(1) 鉴相型系统 当在正弦绕组加励磁电压Us=Umsint，它在定尺绕组中产生的感应电动势为：式中 K耦合系数，与位移X对应的角度，定、滑尺相对移动一个节距P=2，从0变到2，即,36,同理，在余弦绕组加励磁电压Uc=Umcost，它在定尺绕组中产生的感应电动势为：应用迭加原理，定尺上的感应电动势为：,白城师范学院机电系机自教研室,38,鉴相检测系统方框图,脉冲相位变换器方框图,白城师范学院机电系机自教研室,39,（2）鉴幅式系统鉴幅式伺服系统原
7、理框图,进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。,出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。,同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。,若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者
8、不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。,五、光栅 光栅用于光谱分析和光波波长的测定，是测量数控机床工作台位移的光电检测元件。 光栅分为物理光栅和计量光栅。 物理光栅刻线细密，用于光谱分析和光波波长的测定。 计量光栅比较而言刻线较粗，但栅距也较小，在0.0040.25mm之间，测量的位置精度非常高，分辨率也很高，达0.1m，主要用在数字检测系统。,白城师范学院机电系机自教研室,41,1.光栅的种类 光栅传感器为动态测量元件，按运动方式分为长光栅和圆光栅： 长光栅用来测量直线位移； 圆光栅用来测量角度位移。 根据光线在
9、光栅中的运动路径分为透射光栅和反射光栅。 一般光栅传感器都是做成增量式的，也可以做成绝对值式的。 目前光栅传感器应用在高精度数控机床的伺服系统中，其精度仅次于激光式测量。在加工中心等高精度数控机床上应用较广。,白城师范学院机电系机自教研室,42,白城师范学院机电系机自教研室,43,光栅测量系统,光栅是由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光敏元件等构成。,主光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固定部件上，两者相对移动，相互平行，它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。主光栅和指示光栅的刻线错开一定的角度，以得到莫尔条纹。,主光栅和指示光栅通称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃片或长条形金属镜
10、面上光刻出均匀密集的线纹。 光栅的线纹相互平行，线纹之间的距离称为栅距。对于圆光栅，这些线纹是圆心角相等的向心条纹。两条向心纹线之间的夹角称为栅距角。栅距和栅距角是光栅的重要参数。 对于长光栅，金属反射光栅的线纹密度为2550/mm；玻璃透射光栅为100250/mm对于圆光栅，一周内刻有10800条线纹（圆光栅直径为270mm，360进制）。,白城师范学院机电系机自教研室,44,。,白城师范学院机电系机自教研室,45,光栅的结构 1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 4-防护罩,光栅读数头 1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路,什么叫莫尔条纹？ 栅距相同的主光栅和
11、指示光栅，刻线面相对的重叠在一起，中间留有适当小的间隙，并且两者刻线错开一定的角度，两块光栅的刻线就会相交。这样由于光的干涉效应，就会产生和栅线接近于垂直的明暗相间的条纹，这些条纹就是莫尔条纹。 严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,白城师范学院机电系机自教研室,46,图6-25 莫尔条纹,莫尔条纹中相邻两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的间距,白城师范学院机电系机自教研室,47,莫尔条文宽度B的理论公式,莫尔条纹,莫尔条纹的特征（特点）： （1）莫尔条纹的变化规律 两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规
12、律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。,白城师范学院机电系机自教研室,48,白城师范学院机电系机自教研室,49,（2）放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，在两光栅栅线夹角较小的情况下，如图6-25所示则有莫尔条纹宽度W与角成反比， 越小，放大倍数越大。就不需要经过复杂的光学系统，便能将光栅的栅距放大，从而大大减化了电子放大线路。,（3）均化栅距误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均
13、匀造成的误差。,白城师范学院机电系机自教研室,50,（4） 辨向作用 当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个间距 W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反（见图6-25）。,白城师范学院机电系机自教研室,51,3.提高光栅检测分辨精度的细分电路 利用莫尔条纹的特点，光敏元件可以把光强变化转换成相应的电压信号，根据电压信号的变化，我们就可测量出光栅的相对位移情况，如位移大小、位移方向和移动速度等。 在光栅测量系统中，为了提高分辨率和测量精度，不可能仅靠增大栅线的密度
14、来实现。工程上采用莫尔条纹的细分技术。细分技术有光学细分、机械细分和电子细分等方法。伺服系统中应用最多的是电子细分法。最基础的是4倍频光栅位移-数字变换电路。这种电路的组成就是后面这张图。,白城师范学院机电系机自教研室,52,白城师范学院机电系机自教研室,53,然后经过位移-数字变换电路形成正走、反走时的正向、反向脉冲,光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受,a、c信号是相位差为180的两个信号，送入差动放大器放大，得到sin信号。将信号幅度放大到足够大。,同理b、d信号送入到另一个差动放大器，得到cos信号。,然后将这4个方波信号再经过微分变成4个窄脉冲，由与门电路把0、90、180和270
15、四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲。最后再计算出脉冲个数，来测量光栅的实际位移。,sin、cos信号经过整形器的整形变成两个方波，这两个方波信号再经过反向又得到两个方波信号。,由4块光电池发出的信号分别为a、b、c和d，相位彼此相关90,三、脉冲编码器 1.脉冲编码器的分类和结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，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。 脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其他两种。 脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。数控机床上常用的有：20
16、00P/r、2500 P/r和3000 P/r等。,白城师范学院机电系机自教研室,55,这种检测方式的特点是： 检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小； 由于光电变换性能的提高，可得到较快的响应速度。 其缺点是抗污染能力差，容易损坏。,白城师范学院机电系机自教研室,56,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-印刷电路板,2.光电脉冲编码器的工作原理,白城师范学院机电系机自教研室,57,两个光电元件错开90相位角安装。当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件上得到一个光电波形输出,A相比B相导前90。若A相导前B相时为正方向旋转，则B相导前A相时就是负方向旋转。利用A相与B相的相应关系可以判别编码器的旋转方向,A、B信号为具有90相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得下图所示的输出方波,3. 光电脉冲编码器的应用 光电脉冲编码器在数控机床上，用在数字比较伺服系统中，作为位置检测装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有几种方式： 一是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。 二是适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。,
