第5数控机床的位置传感器件下ppt课件

1、中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学第第5章数控机床的位置传感器件下章数控机床的位置传感器件下中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学5.4感应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁式高精度位置检测安装。按其构造特点普通分为直线式感应同步器是一种电磁式高精度位置检测安装。按其构造特点普通分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移丈量；旋转式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移丈量；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移丈量。感应同步器具有检测精度比较高、感应同步器由转子和定子组成，用于角位移丈量。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰

2、性强、寿命长、维护方便、本钱低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应抗干扰性强、寿命长、维护方便、本钱低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应同步器为例，对其构造特点和任务原理进展表达。同步器为例，对其构造特点和任务原理进展表达。 一、任务原理一、任务原理 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图如图3-11所示。定尺与滑尺平行安装，且坚所示。定尺与滑尺平行安装，且坚持一定的间隙。定尺上有单向均匀延续感应持一定的间隙。定尺上有单向均匀延续感应绕组，其节距用绕组，其节距用2表示，每个节距相当于绕表示，每个节距相当于绕组空间分布的一个组空间分布的一个2周期。滑尺上有两组

3、励周期。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组磁绕组，一组为正弦励磁绕组A，另一组为余，另一组为余弦励磁绕组弦励磁绕组B，两绕组的节距与定尺绕组的节，两绕组的节距与定尺绕组的节距相等，并相互错开距相等，并相互错开1/4节距陈列。当正弦励节距陈列。当正弦励磁绕组磁绕组A的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差的线圈与定尺相差/2的间隔，即二者相差的间隔，即二者相差/2的电角度。的电角度。 图图3-11 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学图图3-12 同步感应器任务原理同步感应器任务原理 当向滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁当向滑尺的两个绕组中

4、的任一绕组通以交变激磁电压时，那么在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围电压时，那么在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产产生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对生相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于于定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化电磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化而变化。图而变化。图3-123-12给出了滑尺相对于定尺处于不同的位给出了滑尺相对于定尺处于不同的位置时，定尺绕组中感

5、应电势的变化情况。图中置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。图中A A点表示点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；假设滑尺相对于定尺从势最大；假设滑尺相对于定尺从A A点逐渐向左点逐渐向左( (或右或右) )平平行挪动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错行挪动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开开1 14 4节距的位置节距的位置B B点，感应电势减为零；假设再继点，感应电势减为零；假设再继续挪动，移到续挪动，移到1 12 2节距的节距的C C点，感应电势值与点，感应电势值与A A点一样，点一样，但极性相反；到达但极性相

6、反；到达3 34 4节距的节距的D D点时，感应电势再一点时，感应电势再一次变为零；其后，挪动了一个节距到达次变为零；其后，挪动了一个节距到达E E点，情况就又点，情况就又与与A A点一样了，相当于又回到了点一样了，相当于又回到了A A点。这样，滑尺在挪点。这样，滑尺在挪动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就电势近似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就是利用这个感应电势的变化来进展位置检测的。是利用这个感应电势的变化来进展位置检测的。 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学二、感应同步器的任

7、务方式二、感应同步器的任务方式 根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种任务方式。任务方式。 sin （414）SmVVt 给滑尺绕组给滑尺绕组A A和绕组和绕组B B分别通以幅值、频率一样，而相位差为分别通以幅值、频率一样，而相位差为9090的交流励磁的交流励磁电压，即电压，即 1、鉴相任务方式、鉴相任务方式3-11 假设起始时滑尺的正弦绕组与定尺绕组重合，当滑尺挪动时，滑尺的正弦假设起始时滑尺的正弦绕组与定尺绕组重合，当滑尺挪动时，滑尺的正弦绕组与定尺绕组不重合，当滑尺挪动绕组与定尺绕组不重合，

8、当滑尺挪动X间隔时，那么在定尺上的感应电势为间隔时，那么在定尺上的感应电势为 VBs= KVsCOS= KVm COSsint式中：式中：K电耦合系数；电耦合系数；Vm 励磁电压幅值；励磁电压幅值； 滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相 对挪动的间隔对挪动的间隔X，可用下式表示：，可用下式表示： =(22 )X=( )X 312 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 滑尺的正弦绕组滑尺的正弦绕组A与定尺的感应绕组重合时，滑尺余弦绕组与定尺的感应绕组重合时，滑尺余弦绕组B与定尺绕组相差与定尺绕组相差1/4节距，它

9、在定尺上的感应电势为节距，它在定尺上的感应电势为 VB K = KVKCOS+/2=KVmCOStsin运用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为运用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为 VB =VBs+VB K =- KVmsin(t-) (3-13) 从式从式3-13中可以看出，在鉴相任务方式中，由于耦合系数中可以看出，在鉴相任务方式中，由于耦合系数K、励磁电、励磁电压幅值压幅值Vm以及频率以及频率t均是常数，所以定尺的感应电势均是常数，所以定尺的感应电势VB只随空间相位角只随空间相位角的的变化而变化，因此，可以经过鉴别定尺感应电势的相位，即可测得滑尺与定尺变化而变化，因此，可以经过鉴别定尺

10、感应电势的相位，即可测得滑尺与定尺间的相对位移。间的相对位移。 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学给滑尺绕组给滑尺绕组A和绕组和绕组B分别通以相位、频率一样，但幅值不同的励磁交流电压分别通以相位、频率一样，但幅值不同的励磁交流电压 2、鉴幅任务方式、鉴幅任务方式3-14 式中式中 Vm sin、Vm COS为两励磁交流电压的幅值，那么定尺上的叠加感应电势为为两励磁交流电压的幅值，那么定尺上的叠加感应电势为 VB = KVmsinsintCOS+KVm COSsintCOS+/2 =KVm sint sin- 3-15 = KVmsinsintCOS-KVm COSsintsin =KVm

11、 sintsinCOS- COSsin 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学5.5旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种常用的角位移检测安装，由于它构造简单、动作灵敏、旋转变压器是一种常用的角位移检测安装，由于它构造简单、动作灵敏、任务可靠，且其精度能满足普通的检测要求，因此被广泛运用在半闭环控制任务可靠，且其精度能满足普通的检测要求，因此被广泛运用在半闭环控制的数控机床上。的数控机床上。一、一、 旋转变压器的构造旋转变压器的构造 旋转变压器的构造和两相绕线式异步电机的构造类似，可分为定子和转旋转变压器的构造和两相绕线式异步电机的构造类似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软

12、磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组经过固定在壳体上叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组经过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种构造方式。同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种构造方式。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 图图3-7是有刷式旋转变压器。它的转子绕组经过滑环和电刷直接引出，其是有刷式旋转变压器

13、。它的转子绕组经过滑环和电刷直接引出，其特点是构造简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压特点是构造简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。器的可靠性差，寿命也较短。 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 图图38是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器

14、原边线圈连上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一同，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，经过电磁在一同，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，经过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种构造防止了电刷与滑环之间的耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种构造防止了电刷与滑环之间的不良接触呵斥的影响，提高了旋转变压器的可靠性及运用寿命，但其体积、质量、不良接触呵斥的影响，提高了旋转变压器的可靠性及运用寿命，但其体积、质量、本钱均有所添加。本钱均有所添加。图图3-8无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器二、二、 旋转变压器的

15、任务原理旋转变压器的任务原理 旋转变压器根据互感原理任务，由于旋转变压器在构造上保证了其定子和转旋转变压器根据互感原理任务，由于旋转变压器在构造上保证了其定子和转子子(旋转一周旋转一周)之间气隙内磁通分布符合正之间气隙内磁通分布符合正/余弦规律，因此，当励磁电压加到定子余弦规律，因此，当励磁电压加到定子绕组时，经过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图绕组时，经过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图39为单极旋转变压器电为单极旋转变压器电气任务原理图。设加在定子绕组气任务原理图。设加在定子绕组S1S2的励磁电压为的励磁电压为 sin(4 1) SmVVt33 图图 3-9 单极旋转变压器单极旋转

16、变压器 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学根据电磁学原理，转子绕组根据电磁学原理，转子绕组B1B2中的感应电势那么为中的感应电势那么为 34 式中：式中：K旋转变压器的变压比，旋转变压器的变压比，K=N1/ N2 N1 为原边绕组匝数；为原边绕组匝数；N2为为 副边绕组匝数；副边绕组匝数； Vm 励磁电压幅值；励磁电压幅值； 转子偏转角。转子偏转角。 由式由式(34)可知，转子绕组输出的感应电势可知，转子绕组输出的感应电势VB为以角速度为以角速度随时间随时间t变化的变化的交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。当转子和定子的磁轴垂直交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。

17、当转子和定子的磁轴垂直时时,=0，不产生感应电势，不产生感应电势，VB=0；当两磁轴垂直时，；当两磁轴垂直时，=90，感应电势，感应电势VB为为最大，即最大，即 VB=K Vm sint 因此，只需丈量出转子绕组中的感应电势因此，只需丈量出转子绕组中的感应电势VB的大小，就可间接地得到转子相的大小，就可间接地得到转子相对于定子的位置，即对于定子的位置，即角的大小。假设转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底角的大小。假设转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，那么座上，那么角代表的是丝杠被测轴转过的角度，它间接反映了机床任务台的角代表的是丝杠被测轴转过的角度，它间接反映了机床任务台的位移。位

18、移。 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕组和转子绕组正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等且相互垂直的绕组组成，如图均由两个匝数相等且相互垂直的绕组组成，如图3-10所示。图中所示。图中S1S2为定子为定子主绕组，主绕组，K1K2为定子辅助绕组。转子绕组为定子辅助绕组。转子绕组B1B2输出感应电压输出感应电压VB，另一绕组，另一绕组A1A2接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反响。接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反响。 图图 3-10 正弦余弦旋转变压器任务原理正弦余弦旋转变压器任务原理 中国

19、地质大学远程教学中国地质大学远程教学 假设用两个相位差为假设用两个相位差为9090的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电压的公式为压的公式为 35 36 那么那么VS和和VK在转子绕组在转子绕组B1B2上产生的感应电压分别为上产生的感应电压分别为由于感应电压是关于转子偏转角由于感应电压是关于转子偏转角的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。 VB S = KVm sintsinVB k= KVm costcos中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学三、旋转变压器任务方式三、旋转变压器任务方式 当定子

20、绕组通入不同的励磁电压时，有两种不同的任务方式：鉴相式和当定子绕组通入不同的励磁电压时，有两种不同的任务方式：鉴相式和鉴幅式。鉴幅式。 给定子的两个绕组给定子的两个绕组S1S2、 K1K2分别通入同幅、同频率但相位差为分别通入同幅、同频率但相位差为90的的励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组B1B2的感应的感应电势电势VB的值为感应电压的值为感应电压VBS和和VBK之和，即之和，即 1鉴相任务方式鉴相任务方式 VB = VB S + VB k = KVm sintsin+ KVm costcos = KVmcos(t-

21、) 37 当转子逆时针旋转时，那么当转子逆时针旋转时，那么 VB = KVmcos(t+) 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 由此可见，转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有着严厉由此可见，转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有着严厉的对应关系，只需检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的的对应关系，只需检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的偏转角偏转角。在实践运用中，常把定子余弦绕组。在实践运用中，常把定子余弦绕组K1K2励磁电压的相位作励磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组为基准相位，与转子绕组B1B2输出电压的相位作比较，用以确定转输出电压的相位作比较，用以确定转子

22、偏转角子偏转角的大小，可得知被测轴的角位移。的大小，可得知被测轴的角位移。 2鉴幅式任务方式鉴幅式任务方式 给定子的两个绕组给定子的两个绕组S1S2、K1K2分别通以频率、相位都一样，但幅值不分别通以频率、相位都一样，但幅值不同的交流励磁电压，那么有同的交流励磁电压，那么有 38 39 mV sinmV cos12B B式中式中和分别为交流励磁电压分别为交流励磁电压VSVS和和VKVK的幅值。的幅值。为旋转变压器电气角。为旋转变压器电气角。感应电势感应电势VBVB的值为的值为VBSVBS和和VBKVBK之和，即之和，即 转子顺时针旋转时，绕组转子顺时针旋转时，绕组310 中国地质大学远程教学中

23、国地质大学远程教学当转子逆时针旋转时，那么当转子逆时针旋转时，那么 VB = KVmcos(+)sint 由式由式(3-10)可知，转子感应电势可知，转子感应电势VB的幅值为的幅值为KVmcos(-)交变交变电压信号，随转子的偏转角电压信号，随转子的偏转角而变化，所以，只需检测出转子输出电而变化，所以，只需检测出转子输出电压的幅值即可知道转子的偏转角压的幅值即可知道转子的偏转角。在实践运用中，可不断修正。在实践运用中，可不断修正角，角，使其跟综转子偏转角使其跟综转子偏转角的变化，从而得到被测轴的角位移。的变化，从而得到被测轴的角位移。 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学三、三、 旋转变压

24、器的运用旋转变压器的运用 丈量旋转变压器的感应电压丈量旋转变压器的感应电压VB的幅值或相位的变化，就可知转子偏转角的幅值或相位的变化，就可知转子偏转角的变的变化。假设将其安装在数控机床的丝杠上，当化。假设将其安装在数控机床的丝杠上，当角从角从0变化到变化到360时，表示丝杠旋时，表示丝杠旋转了一周，与丝杠相配合的螺母挪动了一个导程，这样可间接地丈量丝杠的直线位转了一周，与丝杠相配合的螺母挪动了一个导程，这样可间接地丈量丝杠的直线位移导程的大小。由于普通旋转变压器属于增量式丈量安装，无法丈量任务台的移导程的大小。由于普通旋转变压器属于增量式丈量安装，无法丈量任务台的整个行程，假设要丈量任务台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的假设干次小角度整个行程，假设要丈量任务台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的假设干次小角度之和，即之和，即 需加一台绝对位置计数器，累计任务台所走的导程数，折算成位移的总长度。需加一台绝对位置计数器，累计任务台所走的导程数，折算成位移的总长度。另