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1、1, 感应同步器位置检测装置 旋转变压器位置检测装置 磁尺位置检测装置 光栅位置检测装置 激光干涉位置检测装置 脉冲编码器,第3章 数控机床的位置检测装置,2,基本要求： 1）掌握数控系统中速度检测装置原理及应用。 2）掌握数控系统中位置检测装置原理及应用。 3）了解数控系统中电流检测元件及应用。 重点: 1） 光电脉冲编码器检测逻辑电路原理及波形图。 2） 光栅尺检测逻辑电路原理及波形图。 难点: 对于带有方向端计数器和可逆计数器时，检测电路构成的区别。,第3章 数控机床的位置检测装置,3,3.1 概述 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。 作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置
2、发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控制。,4,3.1 概述 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。 作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成闭环、半闭环控制。,5,3.1.1 要求 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强; 在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度要求; 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。 检测元件的精度指标： 系统精度在一定长度或转角内测量累积误差的最大值 （0.0010.02mm/m， 10/360） 系统分辨率所能正确检测的最小位移量 0.0010.01mm，2 （取1/31/10机床加工精度）,6,3.
3、1.2 位置检测装置的分类 数字式测量 模拟量测量 数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。 特点： 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，和量程基本无关； 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强 。,7,3.1.2 位置检测装置的分类 模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。 主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。 特点： 直接测量被测的量，无需变换； 在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。,8,增量式：只测量位移量。 测量单位为0.01mm
4、，每移动0.01mm发出一个脉冲信号。 优点： 装置简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。 缺点： 在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。绝对式： 对于被测量的任意一点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。,9,位置检测装置工作原理的分析要点 1) 要检测的位移反映在位置检测元件的什么部分? 2) 如何将位移转换成相应的电信号的检测量? 3) 用电的检测信号的什么量(脉冲 幅值 相位 频率)来标定位移量的大小?,10,3.2 感应同步器测量装置3.2.1 组成及
5、工作原理 工作原理： 电磁耦合原理， 位移、转角 电信号 滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。 滑尺通以交流激磁电压，按正弦规律变化的磁场，定尺上感应电压，定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。,11,滑尺位置,感应电压,移动距离,感应电压随滑尺、定尺位置变化,12,规律：滑尺移动一个节距 感生电动势按余弦波形变化一个周期2，在一个节距内： 检测 的变化， 即可检测一个节距内的位移量 。,13,工作方式： 相位工作方式（鉴相型系统） 幅值工作方式（鉴幅型系统） 相位工作方式： 供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差90的交流电压。 幅值工作方式： 给滑尺绕组通入相位相同、频率
6、相同，但幅值不同的励磁电压。,14,3.2.2 鉴相测量系统,相位工作方式： 供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差90的交流电压。,15,两绕组在定尺上的感生电压：,据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：,说明： 上式建立了感生电压U2与相位 间的关系。,16,3.2.2 鉴相测量系统 鉴别定尺上的感应电压的相位，可得位移值：,鉴相系统结构方框图,指令信号,反馈信号（感应电压）,误差信号,17,3.2.3 鉴幅测量系统 幅值工作方式： 滑尺绕组通入相位 相同、频率 相同，但幅值不同的励磁电压：（工作台移动指令 ）,18,幅值工作方式：,定尺上的感生电压：,定尺上感应的总电压： （正、余
7、弦绕组同时供电，线性叠加 ）,19,幅值工作方式：,结论： 感生电压的幅值 随指令给定的位移量与工作台实际位移量 的差值的正弦规律变化。,20,3.2.3 鉴幅测量系统,鉴幅系统结构方框图,脉冲混合器将指令脉冲与反馈脉冲比较，得到跟随误差，经DA变换后为模拟信号控制伺服机构带动工作台移动。,21,课堂作业班级： 序号： 姓名：,1. 解释： 对刀点；刀位点； 工件原点；机床原点；编程原点2. 填空： 脉冲当量的值取得越 ，加工精度越 。 铣削工件外部轮廓时，应采用 向切入/切出。,22,3.3 旋转变压器位移检测装置（自学） 旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕
8、组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400H、500H、1000H、3000H、5000H，其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。 工作原理： 当激磁电压U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（a）所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压U2为0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压U2为：,U1= Umsin tU2= k U1
9、sin = ksin t sin,23,旋转变压器工作原理图,24,3.4 磁尺测量装 （自学） 磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。 利用录磁的原理将一定周期变化的正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。 特点： 对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。,25,26,磁尺测量装置的组成和工作原理： 磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层
10、1020um的导磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚12mm的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。 普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。,27,3.5 光栅位置检测装置 光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系
11、统用得较多的一种检测装置。 物理光栅 刻线细密，栅距0.0020.005mm,光谱分析，波长测定 计量光栅 栅距0.0040.25mm, 常用于数字测量系统,计量光栅 : 玻璃透射光栅 光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单; 刻线密度大100条/mm, 细分后，分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度. 金属反射光栅 钢尺、钢带 照相腐蚀、钻石刀刻划 热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎,28,3.5.1 光栅检测的工作原理 组成： 1 光源 2 聚光镜 3 标尺光栅（长光栅） 4 指示光栅（短光栅） 5 硅光电池,标尺光栅长度相当于工作台移动的全行程;
12、长短光栅保持0.050.1mm间隙.,29,3.5.2 莫尔条纹的产生 标尺光栅和指示光栅的栅距 指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度, 两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，出现明暗交替，间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。,形成原因： 对于粗光栅主要是挡光积分效应，对于细光栅则是光线通过线纹衍射后，产生干涉的结果。,30,莫尔条纹的特点 1）放大作用 2）平均效应 莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米100线的光栅，10mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成。因面对个别栅线的间距误差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除了短周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。,31,莫尔条纹的特点 1）放大作用 2）平均效应 3）莫尔条纹的移动规律 当光栅向左或向有移动一个栅距，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距W。而且莫尔条纹的移动还具有以下规律：若标尺光栅不动，将指示光栅逆时针方向转一很小的角度后，并使标尺光栅向石移动，则莫尔条纹便向下移动；反之，当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹向上移动。若将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度后，当标尺光栅向右移动，则莫尔条纹向上移动；反之，标尺光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动。,
