《机床数控原理与系统教学作者周德卿第3章节数控检测反馈装置20158课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机床数控原理与系统教学作者周德卿第3章节数控检测反馈装置20158课件（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、周德卿 2015.8,1,第3章 数控检测反馈装置,机床数控原理与系统,机械工业出版社,周德卿 2015.8,2,【教学重点】 本章学习数控系统中常用的位置和速度检测反馈装置。掌握检测机械运动行程的开关装置，如光电式、霍尔式或电感式无触点接近开关；检测机械运动位置与速度的旋转变压器、光电编码器、光栅尺和测速电机等装置；了解检测机床位置精度测量的激光干涉仪装置等。 【教学内容】 3.1 数控检测反馈装置概述 3.2 机床行程检测传感器 3.3 机床运动机械位置检测传感器 3.4 机床运动机械的速度检测传感器 3.5 机床精度测量用激光干涉仪 【教学课时】4课时,周德卿 2015.8,3,3.1
2、数控检测反馈装置概述 3.1.1 数控检测反馈装置用途和要求 如图3-1所示的数控系统，为使伺服运动机构能够准确跟踪由零件轮廊程序所规定的轨迹运动，必需有位置、速度检测与反馈装置，与伺服驱动器、伺服电动机构成闭环控制的伺服系统。 数控系统中位置检测反馈装置主要作用是检测机械位移和速度，并发出反馈信号与CNC数控装置发出的零件轮廊插补位置指令信号相比较，若有偏差经过伺服驱动器功率放大后驱动伺服电动机，经传动机械带动刀架或平台等运动机构向消除偏差方向运动，直至逼近零件轮廊，达到所要求的加工精度为止。 可见，位置检测反馈装置是进给伺服系统闭环控制的重要环节之一，其精度和分辨率直接影响进给伺服系统的控
3、制精度和动态性能，从而影响数控加工机床的定位精度。现代数控系统对检测传感器要求是：高可靠性和高抗干扰性；高精度和高分辨率；响应速度快、稳定性和可靠性好；抗干扰性能强，维护使用方便及与计算机连接方便等。,周德卿 2015.8,4,图3-1 数控系统的位置与速度检测反馈装置,周德卿 2015.8,5,3.1.2 数控常用检测装置 机床行程限位检测传感器-有机械式有触点行程开关，接近式无触点行程开关如光电式、霍尔式和电感式等接近开关。 机床位移或位置检测传感器-模拟式传感器如：旋转变压器、感应同步器、磁栅尺等；数字脉冲式传感器如：光电编码器、光栅尺，它们又分为:增量式和绝对式； 机床速度传感器测速发
4、电机、光电式或霍尔式、光电编码器等。 实际上旋转变压器、光栅尺及光电编码器等测量出角位移后，将其进行微分后便是角速度=d/dt。 数控机床常用光电编码器测量与旋转轴转速成正比的脉冲频率，然后通过F/V转换器，将其转换为与速度或正比的电压值作为速度反馈信号。所以，常用与伺服电动机同轴的光电编码器，既可作为反馈到NC的位置传感器信号又同时作为反馈到伺服驱动器的速度传感器信号。,周德卿 2015.8,6,3.2 机床行程检测传感器,机械运动行程检测传感器，用于检测包括X、Y、Z等各伺服坐标轴的正反向超限行程、回参考点、自动换刀位置等。它们均是开关量输出，通常分机械式有触点开关和无触点接近开关两类，如
5、图3-2所示。 常用的行程检测传感器有：机械式有触点开关如微动开关、行程开关、组合式行程开关（由3-5个行程升关组成，外有推杆头）等，因有机械触点，寿命短、信号有抖动、可靠性差；接近式无触点开关，按工作原理可分为光电式、电容式、电感式和霍尔式等，因无触点，工作可靠、寿命长，常用于检测机床参考点、超限行程保护等。 机械式有触点开关-如微动开关、行程开关、组合式行程开关（由3-5个行程开关组成，外有推杆头）等，因有触点，寿命短、信号有抖动、可靠性差； 接近式无触点开关-按工作原理可分为光电式、电容式、电感式和霍尔式等，因无触点，工作可靠、寿命长，常用于检测机床参考点、超限行程保护等。,周德卿 20
6、15.8,7,图3-2 有触点开关与无触点接近开关,周德卿 2015.8,8,1.光电开关 光电开关测量原理 如图3-3所示，利用发光二极管作光源发射可见光或不可见红外光，通过与之相对的光电二极管或光电三极管接收。若中间没有物体遮档，光电三极管接收到光，输出大电流；若中间有遮挡物，光电三极不能接收而导通，无电流通过。这样就产生了光电脉冲信号，作为位置检测或工作计数或转动物体速度计数用。 基于以上原理，光电开关显然有透射式与遮档式(反射式)两种工作方式。 光电开关的应用 光电开关价廉物美、体积小、性能可靠，广泛用于自动控制系统、生产流水线、办公设备和家用电器中。例如生产流水线上的工件位置、工件计
7、数、工件有无及接近开关；测量旋转物体转速；复印机中检测复印纸有无：安全或防盗警；卫生设备自动冲洗发信开关等,如3-4所示。,图3-3 光电开关工作原理图,周德卿 2015.8,9,图3-4光电开关应用图 a)用遮档式光电开关检测螺钉供料 b)用反射式光电开关控制钢板长度切割,周德卿 2015.8,10,2.霍尔开关 霍尔传感器是基于半导体材料如锗(Ge)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)的霍尔效应，即对磁敏感等的半导体三极管效应。 霍尔效应 如图3-5所示：半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片一侧时，在垂直于电流和磁场的方向上另一侧将产生电动势U
8、H，该现象称霍尔效应:,式中: UH-两侧面电位差,霍尔电势; KH霍尔元件灵敏度; B-磁场强度 ; I-给霍尔元件通的电流; -磁场B与电流方向I夹角.,图3-5 霍尔效应图,周德卿 2015.8,11,霍尔效应图,周德卿 2015.8,12,（2）霍尔传感器的应用 霍尔接近开关 从霍尔效应原理图（图3-6 ）看出，若固定I，让B有一突变，则UH将有大的变化，这就是霍尔型接近开关的原理。依此可以制成接近开关用来测量物体的位置，应用于机床或机械手位置如超限行程、回零点等测量与控制信号。此外，电动自行车无刷电机的换向开关及数控机床上的多工位刀架刀位发讯开关，也采用了霍尔接近开关。 电流测量 若
9、固定磁场B，则霍尔电势与穿过一个磁环上导线(也可以在磁环上绕一定匝数)的电流成正比，常用作伺服系统中电流环输出电流的测量与反馈传感器，以保证伺服轴具有恒力矩特性。,图3-6 闭环式霍尔电流传感器 工作原理图,周德卿 2015.8,13, 转速测量 在控制电流I恒定的条件下，如图3-7所示在被测转速盘上对称位置放置四个小磁铁，当转盘旋转至与近旁霍尔三极管接近时，磁感应强度大小发生突变，输出霍尔电势为高。当离开时，输出霍尔电势则为低。这就产生了一个眿冲信号，继续转下去会产生一串序列脉冲信号。由于单位时间内脉冲数目是与转速成是正比的，这就可用作速度测量。 行程控制 如图3-8所示，用霍尔接近开关检测
10、和控制机械手或机床工作台运动的行程。小磁铁安装在运动部件上，霍尔三极管安装在相对固定的部件上。,周德卿 2015.8,14,图3-7 用霍尔传感器测量转速 图3-8 用霍尔开关控制机械行程,周德卿 2015.8,15,3.电感式接近开关,电感式接近开关是利用涡流效应制成的。它由一个螺线管线圈加上被测金属扳组成，如图3-9所示。当线圈置于金属导体附近并且通有电流i1时线圈周围就产生一个交变磁场H1，置于该磁场中的金属导体就产生感应涡流i2，并产生新磁场H2，该磁场与原磁场方向相反，从而使线圈中有效阻抗与品质因素发生变化。利用谐振电路可以测量这种变化。 由于线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率
11、、厚度t、绂圈与金属导体的距离、以及线圈的几何参数等因素有关，因而利用此原理可测量机械位移、厚度、振幅、裂纹和缺陷等等，并且是非接触式的传感器。 常用电感式接近开关检测各伺服轴超限行程开关与回参考点开关。,涡流效应,图3-9 涡流传感器工作原理 l.线圈 2.金属导体,周德卿 2015.8,16,3.3 机床移动部件位移(位置)检测传感器,机床移动部件的位移测量包括线位移与角位移两大类。常用光栅尺和感应同步器等测量线位移，常用光电编码盘测量角位移。有了角位移后，将其进行微分后便是角速度=d/dt。二阶微分则是角加速度。 3.3.1 旋转变压器 旋转变压器(如图3-10)常用于数控机床中测量移动
12、部件的角位移传感器，例如电机旋转速度、工作台转角等。 旋转变压器结构 旋转变压器类似于二相绕线式交流电动机，按转子绕组引出方式不同，分有刷式和无刷式两种结构形式,它们均分为定子和转子两大部份。如图3-11。 有刷式旋转变压器的转子绕组是通过滑环和电刷的滑动接触引出感应电势，而无刷式则在转子同轴上装了一个附加变压器。附加变压器一次绕组固定在转子轴上并与转子绕组相接，二次侧固定在壳体上。转子绕组的感应电势，通过附加变压器一次侧与二次侧的电磁耦合由二次侧输出。 常见旋转变压器绕组有两极和四极，两极绕组各有一对磁极，四极则各有两对磁极。,周德卿 2015.8,17,图3-11 旋转变压器结构形式,图3
13、-10 旋转变压器外形图,周德卿 2015.8,18, 旋转变压器工作原理 以两极绕组为例，其基本工作原理与普通变压器相类似。两者区别是：普通变压器的一次侧与二次侧绕组磁耦合是相对固定的，输出与输入电压之比是常数(与匝数成反比)，而旋转变压器一次侧与二次侧绕组的相对位置随转子的角位移而时刻改变着，因而输出电压也随之变化。 因为：转子绕组输出电压u2的大小，取决于定子与转子两个绕组磁轴在空间相对位置角； 设：加在定子绕组的交流电压u1为： 当：转子与定子磁轴相垂直时(图3-12a)， 转子绕组转过角时(图3-12b)， 转子转过900，即转子与定子绕组平行时(图3-12C)转子绕组输出电压为最大
14、。 由上分析知，转子绕组输出电压频率与定子电源相同，其幅值随转子与定子的相对角位移的正弦函数而变化。因此只要测出转子绕组输出电压U2幅值，即可得到转子相对定子角位移的大小。,u2=Ku1Sin=KUmSinSint,u2=Ku1=KUmSint,u2=0,周德卿 2015.8,19,图3-12 两极绕阻式旋转变压器工作原理,周德卿 2015.8,20,3.3.2 光电编码器,光电编码器是把轴旋转角度转换成光电数字脉冲信号的传感器，常安装在数控机床或机器人的伺服电动机或主轴电动机内的尾端同轴上，构成一个整体。通过传动机构如滚珠丝杠间接测量机床运动部件位移，以实现伺服电动机旋转角度的精确控制。也可
15、以用1：1齿轮或同步带安装在主轴转动机构上，用于主轴速度测量与反馈。 1.光电编码器结构 结构如图3-13所示，在发光二极管和光敏二极管之间由旋转码盘隔开，在码盘上刻有栅缝（透光式），或镀镆反射条纹（反射式），当码盘随被测轴旋转时，光敏二极管断续接收发光二极管发出的光，输出方波脉冲信信号。,图3-13光电编码器结构原理图,周德卿 2015.8,21,a) b) 图3-13 增量式光电编码器结构图 a) 编码器产品外形图 b)编码器内部结构图,周德卿 2015.8,22,图3-14 增量式旋转编码器光学原理图,周德卿 2015.8,23,2.光电编码器工作原理 光电编码器按工作原理和用途不同，常
16、分为增量式光电编码器与绝对式光电编码器。 (1)增量式光电编码器工作原理 增量式光电编码器是通过与被测轴一起转动时，对产生的序列方波脉冲计数来检测被测轴的旋转角度，如图3-15所示。例如当用2500个脉冲/每转的编码器时，当计数到5000个脉冲时，则表示该电机旋转了2周。每当增计一个脉冲，就表示被测轴转动了一个角度增量值360o/2500=0.144o。 增量式光电编码器有A相、B相、Z相三条光栅，输出A相与B相两相脉冲信号互差90o,可方便判断出旋转方向。例如当用B相的上升沿触发A相的状态时，若B相上升沿对应A相的 “1”状态（高电平），则被测轴按顺时针方向旋转；若B相下降沿对应A相的“0”状态（低电平），则被测轴按逆时针方向旋转。Z相为零点标志信号，每转圈一个脉冲，可作为回参考点时的零点位置基准点。 为了抗干扰，光电编码器的输出信号常以差动方式输出：即 :,图3-15增量式光电编码器工作原理图,周德卿 2015
