数控检测技术

1、1 数控检测技术2索索 引引n第十讲n第11讲n第12讲n第13讲34.1 概 述 组成：位置测量装置是由检测元件（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，将运动部件实际位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。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。44.1.1 检测装置的分类 数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。

2、 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量； 测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式； 运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型； 信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、光电效应、光栅效应、电磁感应原理、电磁感应原理、 压电效应、压阻效应和压电效应、压阻效应和磁阻效应磁阻效应等。等。5表41 数控机床检测装置分类 分 类 增 量 式 绝 对 式 位移传感器 回转型脉冲编码器、自整角机 、旋转变压器、圆感应同步器 、光栅角度传感器 、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器 、绝

3、对脉冲编码器 绝对值式光栅 、 三速圆感应同步器 、磁阻式多极旋转变压器 直线型直线应同步器 、光栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器 、绝对值磁尺、光电编码尺 、磁性编码器 速度传感器 交、直流测速发电机 、 数字脉冲编码式速度传感器 、霍耳速度传感器 速度、角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、磁敏式速度传感器 电流传感器 霍耳电流传感器 6 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。 2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。

4、4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。 4.1.2 数控测量装置的性能指标及要求 74.2 旋转变压器 图图5 51 1 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1分解器定子线圈；2分解器转子线圈；3转子轴；4分解器转子；5分解器定子；6变压器定子；7变压器转子；8变压器一次线圈；9变压器二次线圈8l 旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。l 分类：有电刷、集电环结构和无刷结构l 工作原理：互感原理 4.2.1 旋转变压器的结构和工作

5、原理 定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R49 图3-6 旋转变压器的工作原理(a) (b) (c) 20(90 )E2sincosEKtVm2sin(0 )EKtVm 10l 设加到分解器定子绕组的激磁电压为V1=Vmsin t，通过电磁耦合，分解器转子绕组将产生感应电动势E2。当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴相互垂直时，定子绕组磁通不穿过转子绕组，所以转子绕组的感应电动势E2=0，如图4-2(a)所示. 11l当转子绕组的磁轴自垂直位置转过 时，由于两磁轴平行，此时转子绕组的感应电动势为最大，l即E2=KVmsin t，如图4-2(c)所示. 09012l 转子绕

6、组因定子磁通变化而产生的感应电动势为：21cossincosmEKVKVt式中： E2转子绕组感应电势； V1定子绕组励磁电压，V1=KVmsin t； Vm电压信号幅值； 定、转子绕组轴线间夹角； K变压比(即绕组匝数比)。显然，当 一定时，E2为一等幅余弦波，测得余正弦波的峰值，即可求出转角 的大小。13激磁输出tttU图4.3 旋转变压器波形图2E14 4.2 2 旋转变压器的应用 VSVS1.鉴相方式 鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。 sinSmVVtcosCmVVt两相正交绕组分别通以幅值相等、频率相同，而相位相差的正弦交变电压

7、： 09015图4.4 定子两相绕组励磁162sincossinsincoscoscos(- ) SCmmmEKVKVKVtKVtKVt根据线性叠加原理，在转子工作绕组中产生的感应电势应为这两相磁通所产生的感应电动势之和，即为：17l 由上式可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，其差值为。而正是被测位移，故通过比较感应电势与定子激磁电压信号的相位，便可求出。 182.鉴幅方式 VS鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电动势幅值的检测来实现位移检测的。 定子的两相正交绕组，分别通以频率和相位都相等、幅值分别按正弦和余弦变化的激磁交流电压 。sin

8、sinSmVVtcossinCmVVt192sincos sinsinsinsincoscos cos(- )sin SCmmmEKVKVKVtKVtKVt sinmVcosmV根据线性叠加原理，转子工作绕组中产生的感应电动势为：式中:机械角，是定、转子绕组轴线间夹角；电气角，激磁交流电压信号的相位角；其可调节修正分别为定子两个绕组的幅值。20对于旋转变压器的应用，要注意两个问题对于旋转变压器的应用，要注意两个问题：(1)在转子每转一周时，转子输出电压将随旋转变压器的极数不同，不只一次的通过零零点点，容易引起混淆。必须在线路中加相敏检波器来辨别转换点，或限制旋转变压器转子在小于半周期内工作；(

9、2)由于普通旋转变压器属增量式测量，如果转子直接接丝杠，转子转动一周，仅相当于工作台一个丝杠导程的直线位移，不能不能反映全行程反映全行程。因此，在数控机床中，要检测工作台的绝对位置，需要增加一个绝对位置计数器，与旋转变压器配合使用。21l第第1111讲讲返回首页22感应同步器感应同步器 l(1)直线式感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构和测量对象的特点可分为直线式直线式和旋转式旋转式两种，前者用于测量直线位移，后者用于角位移测量。 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成由定尺和滑尺组成，定尺与滑尺之间有均匀的气隙。直线式感应同步器是直线条形，它由基板、绝缘层、绕组及屏蔽层组成。

10、23图4-8 直线式感应同步器1基板；2绝缘层；3绕组；4屏蔽层24图3-9 定尺与滑尺绕组(a)定尺绕组 (b)滑尺绕组25l考虑到接长和安装，通常定尺绕组做成连续式的单相绕组，滑尺绕组做成分段式的两相正交绕组，如图3-9所示。ss为正弦绕组，cc为余弦绕组，定尺与滑尺之间的间隙为0.3mm左右。定尺比滑尺长，其中被全部滑尺绕组所覆盖的定尺有效导体数N称为直线感应同步器的极数。 26l定尺绕组中相邻两有效导体之间的距离称为极距W2，滑尺绕组相邻两有效导体之间的距离为节距W1，一般都通称为节距，用2表示，常取为2mm，节距代表了测量周期。绕组节距 ，其中a1、b1分别为导片宽度和间隙，滑尺的节

11、距也可取 。 21112()WWab1223WW27l正弦与余弦两绕组的中心距L1 为：l 式中: n任意正整数。11()24nlW28l 直线式感应同步器分为标准型、窄型、带型和三重型。三重型结构是在一根尺上有粗、中、精三种绕组，以便构成绝对测量系统。 29旋转式感应同步器旋转式感应同步器 l 旋转式感应同步器的结构，如图4-7所示。定子、转子都用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用厚0.05 mm铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽层(材料为铝箔或铝膜)。 30图4-8 旋转式感应同步器绕组图a)定子绕组(分)

12、段式 b)转子绕组(连续式)31l 转子绕组为连续绕组；定子上有两相sin绕组和cos绕组正交绕组，做成分段式，两相绕组交差分布，相差 电角度。属于同一相的各相绕组用导线串联起来 .09032图4-7 旋转式感应同步器1转子基板；2转子绕组；3定子绕组；4定子基板；5绝缘层；6屏蔽层334.3.3直线式感应同步器的工作原理直线式感应同步器的工作原理l 当滑尺两个绕组中的任一绕组通以激 磁交变电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会产生感应电势。该感应电势的大小取决于定尺、滑尺的相对位置。感应电势的频率与激励信号的频率相同，幅值由激励信号的幅值和感应同步器的物理结构决定。 34图4-9 直线式感应同

13、步器的工作原理图(a)定尺、滑尺绕组原理图 (b)定尺绕组产生感应电势原理图35l 当滑尺绕组与定尺绕组完全重合时，定尺绕组感应电势为正向最大，如图4-9(a)中所示的位置；如果滑尺相对定尺从重合处逐渐向右(或左)平行移动，感应电势就随之逐渐减小 .36l在两绕组刚好处于相差1/4节距的位置时，感应电势为零；滑尺向右移动到1/2节距位置时，感应电势为负向最大；当到达3/4节距位置时，又变为零；当到达整节距位置时，感应电势又为正向最大。这时，滑尺移动了个节距(W = 2)，感应电势变化了一个周期(2)，呈余弦函数。37 当设滑尺移动距离为x，则感应电势将以余弦函数变化相位角。 l 令Vs表示滑尺

14、上一相绕组的激磁电压:22xxsinSmVVt式中式中 VmVs的幅值。的幅值。382coscos sinSmEKVKVt式中式中 K变压比。变压比。则定尺绕组感应电势则定尺绕组感应电势E2为为:394.3.4感应同步器的应用感应同步器的应用l (1)鉴相方式l 在鉴相方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相等、频率相同、相位相差 的交流电压，即l 根据电磁感应及叠加原理，激磁信号产生移动磁场，该激磁切割定尺导片感应出电压Vo为sincosSmCmVVtVVt2coscossinsincos()mmmEKVtKVtKVt090l由此可见，通过鉴别定尺输出感应电压的相位，再由式(3-1)

15、即测得滑尺相对于定尺位移x。40放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元滑尺定尺机床VsVc-x+xPAPB图4.10 感应同步器鉴相测量系统框图41l(2)鉴幅方式l在鉴幅方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相等、频率相同，但幅值不同的交流电压，即l式中 激磁电压的给定相位角。sincoscoscosSmCmVVtVVt42l 同理，在定尺绕组中感应出电压同理，在定尺绕组中感应出电压V0，为，为2sincoscoscoscossincos(sincoscossin )sin()cossin()cosmmmmmEKVtKVtKVtKVtKVxt 由

16、此可见，在由此可见，在给定时，只要测量出给定时，只要测量出V0的幅值的幅值KVmsin(-)，便可以得到，便可以得到，进而求得线位移。，进而求得线位移。 43具体实现原理是：具体实现原理是：l 若原始状态=，则E2=0。然后滑尺相对定尺有一位移x，使变为+，则感应电压增加量为:l 上式表明:l 1、在x很小的情况下，E2与x成正比，也就是鉴别E2的幅值，即可测x的大小。l 2、当x较大时，通过改变，使=，使E2=0，根据可以确定从而确定x。2sin()cosmEKVxt 444.3.5 感应同步器的安装感应同步器的安装 (1)感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.250.0

17、5mm，倾斜度小于0.50，装配面波纹度在0.01mm250mm以内。滑尺移动时，晃动的间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm。45l (2)感应同步器大多装在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路，使装置发生误动作及损坏。46l(3)同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真度超过2，将对检测精度产生很大的影响，因此在调整系统时，应加以注意。l(4)由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以加强屏蔽以防干扰。 47l第第1212讲讲返回首页484.44.4 光栅传感器光栅传感器 4.4.1光栅的类型和结构光栅的类型和结构 计量光栅

18、可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。 光栅传感器利用光栅的衍射现象，把光光栅传感器利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光波的波长等方栅应用于光谱分析、测定光波的波长等方面。面。49尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅50扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形

19、及结构（续）51525354直接测量示例 一、概述一、概述光栅55反射式光栅反射式光栅56透射式光栅透射式光栅57透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定58莫尔条纹莫尔条纹演示演示59l 计量光栅实质上是一种增量式编码器，它是通过形成莫尔条纹、光电转换、辨向和细化等环节实现数字计量的。l光栅的检测精度较高，可达 以上。 m1604.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理l (1)光栅位置检测装置组成 光栅位置检测装置由光源Q、长光栅(标尺光栅) G1、短光栅(指示光栅) G2、光电元件等组成，如图4.14所示。图3-13 光栅位置测量装置组成61l (2)莫尔条纹的形成 长光栅G1若固定在机床

20、不动件上，长度相当工作台移动的全行程，短光栅G2则固定在机床移动部件上。长、短光栅保持一定间隙、重叠在一起并在自身的平面内转个很小角度， 图3-14 莫尔条纹的形成62B称为莫尔条纹的节距.l两块栅距W相等，黑白宽度相同的光栅，在沿线纹方向上保持一个很小的夹角，当它们彼此平行相互接近时，由于遮光效应或光的衍射作用，便在暗纹相交处形成多条亮带。形成亮带的间距B与线纹夹角的关系为:2sin2WWB63l莫尔条纹垂直于两块光栅线纹夹角的平分线，由于角很小，所以莫尔条纹近似垂直于光栅的线纹，故称为横向莫尔条纹。当两块光栅沿着垂直于线纹的方向相对移动时，莫尔条纹沿着垂直于条纹的方向移动。移动的方向取决于

21、两块光栅的夹角移动的方向取决于两块光栅的夹角的方向的方向和相对移动的方向。和相对移动的方向。64莫尔条纹的移动有如下的规律：l1)若长光栅不动，将短光栅按逆时针方向转将短光栅按逆时针方向转过一个很小角度过一个很小角度(+)，然后使它向左移动，然后使它向左移动，则莫尔条纹向下移动则莫尔条纹向下移动；反之，当短光栅向右移动莫尔条纹向上移动。l2)若将短光栅按顺时针方向转过一个小角度(-)时，则情况与(+)的情况相反。l栅距移动与莫尔条纹的移动的对应关系，便于用光电元件(如硅光电池)将光信号转换成电信号。65l(3)光栅位移-数字转换系统 如前所述，光栅的移动形成了莫尔条纹，又经光电转换成正弦电压信

22、号输出。这样的信号只能用只能用于计数，而不能辨别方向。于计数，而不能辨别方向。实际应用中，即要求有较高的检测精度，又能辨别方向。为了达到这种要求，通常使用分频电路实现。在此介绍一种广泛应用的四倍频辨向电路工作原理 66莫尔条纹有以下特点：l 1放大作用l 当W=0.01mm，=0.002rad=0.11时，B=5mm。节距是栅距的500倍，将很难看清的光栅线纹放大成清晰可见的莫尔条纹。这样便于测量。l 2误差均化作用l 莫尔条纹是由成百千根刻线共同形成的，这样，使得栅距的误差得到平均化。67l 3利用莫尔条纹测量位移l 标尺光栅相对指示光栅移动一个栅距，对应莫尔条纹移动一个节距。利用这个特点就

23、可测量位移：在光源对面的光栅尺背后固定安装光电元件，莫尔条纹移动一个节距，莫尔条纹明暗-明变化一周。光电元件接受的光强强-弱-强变化一周，输出一个近似按正弦规律变化的信号，信号变化一周。根据信号的变化次数，就可测量位移量，移动了多少个栅距。68四倍频细分判向原理四倍频细分判向原理6970100sin(0)sinAAUUUtUUt200sin()cos2AAUUUtUUt300sin()sinAAUUUtUUt4003sin()cos2AAUUUtUUt71 莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分 4.4.2 光栅位移-数字变换电路 abcd插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计

24、数正脉冲反脉冲abcd插动放大插动放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走72l 在光栅位移数字转换系统中，除上述四倍频外，还有八倍频、十倍频、二十倍频等。例如，刻线密度为100线/mm的光栅，十倍频后，其最小读数值为1m，可用于精密机床的测量。2022-3-3173莫尔条纹动画设计74长光栅莫尔条纹播放动画播放动画75长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画76播放中播放中圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画77光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放

25、中播放中78环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示79单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画播放动画80l第第13讲讲返回首页814.5 4.5 光电脉冲编码器光电脉冲编码器 4.5.1 4.5.1 脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器的分类与结构 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。脉冲编码器按读取方式分为：光电式、接触式和电磁感应式。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。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等；1234567图4.18 光电脉冲编码器的结构1-光源 2

26、-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 82间接测量示例 工作台丝杠编码器步进电机一、概述一、概述83 利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。二、应用二、应用1 1、光电编码器、光电编码器在伺服电机中的应用在伺服电机中的应用842 2、光电编码器、光电编码器刀库选刀控制中刀库选刀控制中的应用的应用角编码器的输出为当前刀具号85二、光电编码器二、光电编码器1 1、简介：、简介： 光电编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 86转轴码盘及

27、狭缝光敏元件批示光栅及辨向用的A、B狭缝光源ABC零位标志2 2、工作原理、工作原理87三增量式光电脉冲编码器三增量式光电脉冲编码器l 增量式光电脉冲编码器亦称光电码盘、光电脉冲发生器等，是一种旋转式脉冲发生器，将被测轴的角位移角位移转换成脉冲数字脉冲数字。光电式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，在数控机床上既可用做角位移检测，也可用作角速度检测 .881)增量式光电脉冲编码器的结构图3-17 增量式光电脉冲编码器的原理图892)增量式光电脉冲编码器的工作原理 l当光电盘随轴一起转动时，在光源的照射下，透过光栏板的狭缝形成明暗交错的光信号（近似于正弦信号），光敏元件把此光信号转换

28、成电信号，通过信号处理电路进行整形、放大后变成脉冲信号，通过计量脉冲的数量，通过计量脉冲的数量，即可测出转轴的转角，通过计量脉冲即可测出转轴的转角，通过计量脉冲的频率，即可测出转轴的转速。的频率，即可测出转轴的转速。 90 t 节距节距PAB90 90 图4.23 光电脉冲编码器的输出波形 91提高光电码盘的分辨率:l(1)提高光电盘圆周的等分狭缝的密度； 该方法，实际上是使光电盘的狭缝变成了圆光栅线纹，通过减小栅距增加线纹条数提高分辨率。92提高光电码盘的分辨率:l(2)增加光电盘的发信通道。 该方法，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，而是有若干大小不等的同心圆环狭缝（亦称码道），光电盘回转一周，

29、使发出的脉冲信号增多，分辨率提高。933)增量式光电脉冲编码器的特点l优点:没有接触磨损，使用寿命长，允许转速高，检测精度高。l缺点:是结构复杂，价格高，光源的寿命有限。而就码盘的材料而言，薄钢板或铝板所制成的光电码盘比玻璃码盘的抗振性能好，耐不洁环境，且造价低。但由于受到加工槽数的限制，检测精度低。942绝对式编码器l 绝对值编码器是一种直接编码、绝对测量的检测装置，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的惟一代码。与增量脉冲编码器不同，它是通过读取绝对编码盘、编码尺(通称为码盘)的代码(图案)信号指示绝对位置。电源切除后，位置信息不丢失，也没有积累差。95绝对式编码器分类:l编码器使用的计

30、数制分: 二进制编码 二进制循环码(葛莱码) 余三码 二十进制码等编码器。96l从结构原理来分: 接触式 光电式 电磁式 绝对值式编码器。97图3-19 绝对式编码器的码盘结构示意(a)纯二进制码盘 (b)循环二进制码盘(葛莱码)982)绝对式编码器的结构l绝对值式编码器一般都做成二进制编码，码盘的图案由若干个同心圆环组成。从编码的角度来说，这些圆环称为码道，码道的数量与二进制的位数相同。靠近圆心的码道代表高位数码，越往外位数越低，最外圈是最低位。l黑色扇区表示遮光，白色扇区表示透光区。 993)绝对式脉冲编码器的工作原理l由光源l发出光线经柱面镜2变成一束平行光照射在玻璃码盘3上，玻璃码盘3上刻有许多同心码道，具有一定规律的亮区和暗区。具有一定规律的亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4形成一束很窄的光束照射在光电元件5上，光电元件的排列与码道一一对应，对亮区输出为亮区输出为“1”，暗区，暗区输出为输出为“0”，再经信息处理电路(图中没画出)，主要有放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，就代表了码盘轴的转角大小，从而实现了角度的绝对值测量