数控技术-数控检测装置

1、CNC第第2 2章章 数控检测装置数控检测装置 主要内容主要内容 概述概述 旋转变压器旋转变压器 感应同步器感应同步器 光栅光栅 磁栅磁栅 编码器编码器1CNC主要内容2.1 2.1 概述概述 组成：组成：检测元件（传感器）、信号处理装置。检测元件（传感器）、信号处理装置。 作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并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，变换成位置控制单元所要求的信号形式，构成伺服构成伺服系统闭环或半闭环控制。系统闭环或半闭环控制。半闭环控制的数控机床：半闭环控制的数控机床：旋转变压器旋转变压器、编码器编码器等，安装在电机或丝杠上，测等，

2、安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台直线位移。量电机或丝杠的角位移间接测量工作台直线位移。闭环控制系统的数控机床：闭环控制系统的数控机床：感应同步器感应同步器、光栅光栅、磁栅磁栅等，安装在工作台和导轨等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。上，直接测量工作台的直线位移。半闭环、闭环数控机床的加工精度在很大程度上是半闭环、闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由由位置检测装置的精度位置检测装置的精度决定的。决定的。2CNC位置检测装置的精度位置检测装置的精度：系统精度系统精度和和分辨率分辨率系统精度系统精度：一定长度或转角范围内测量累积误：一定长度或转角范围内测量累

3、积误差的最大值。一般：差的最大值。一般： 直线位移检测精度：直线位移检测精度：0.0020.02m； 回转角测量精度：回转角测量精度：10360系统分辨率系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位：测量元件所能正确检测的最小位移量。移量。目前：目前： 直线位移分辨率：直线位移分辨率：1m，高精度，高精度0.1m； 回转分辨率：可达回转分辨率：可达2。2.1 2.1 概述概述3CNC主要内容2.1 2.1 概述概述 数控系统中的检测装置按检测的物理量不同，分数控系统中的检测装置按检测的物理量不同，分位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。位移检测装置分类：位移检测装置分类： 安装位置安装

4、位置 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；4CNC主要内容6.1 6.1 概述概述数字式数字式 模拟式模拟式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对式 回回转转型型 增量式脉冲增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲绝对式脉冲编码器编码器 旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 多极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 直直线线型型 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 多

5、通道透射多通道透射光栅光栅 直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺 3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 位移检测装置分类位移检测装置分类5CNC主要内容数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求 1）受温、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；）受温、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境；）使用维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；）成本低；5）易于实现高速的动态测量。）易于实现高速的动态测量。 2.1 2.1 概述概述6CNC主要内容2.2 2.

6、2 旋转变压器旋转变压器 是一种是一种输出电压输出电压与与角位移量角位移量成连续函数关系成连续函数关系的感应的感应式微电机，式微电机，数控机床上常见的数控机床上常见的角位移测量角位移测量装置，广泛用装置，广泛用于于半闭环控制半闭环控制的数控机床。的数控机床。优点：优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点。和抗干扰能力强等特点。缺点：缺点：信号处理比较复杂。信号处理比较复杂。旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电旋转变压器

7、转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。机轴或丝杠转角的测量。旋转变压器旋转变压器7CNC主要内容123567482.2 旋转变压器旋转变压器分解器分解器变压器变压器数控机床主要使用数控机床主要使用无刷旋转变压器无刷旋转变压器，无刷旋转变压器无刷旋转变压器具具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。转轴转轴机壳机壳 分解器定子分解器定子变压器定子变压器定子变压器变压器一次线圈一次线圈变压器变压器转子转子变压器二次线圈变压器二次线圈分解器转子分解器转子2.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 8CNC主要内容6.2.2

8、 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 原理：原理：电磁感应，电磁感应，当当定子定子加上一定频率的加上一定频率的激磁电压时，通过激磁电压时，通过电电磁耦合磁耦合，转子转子绕组产绕组产生感应电势，其生感应电势，其输出输出电压电压的大小取决于定的大小取决于定子和转子两个绕组轴子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。线在空间的相对位置。 6.2 旋转变压器旋转变压器tUUmsin1tnUnUUmsinsinsin12Um激磁电压幅值激磁电压幅值 n绕组匝数比绕组匝数比 转子偏转角转子偏转角9CNC主要内容 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1

9、U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsinU2 nUm sint sin6.2 旋转变压器旋转变压器10CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsintUUmsin1sinsin2tnUUm11CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器45 U1sU1cRU2转子定子cossin112cskUkUU 1c 1s 1ccos

10、 1ssin 使用较广泛的为使用较广泛的为正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器：定子有两个绕组定子有两个绕组正、余弦绕组正、余弦绕组 k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k1；相位角，即：转子偏转角。相位角，即：转子偏转角。12CNC主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但相位差相位差/2/2的交流激磁电压的交流激磁电压 U1sUmsint U1cUmsin（t+/2）Umcost当转子正转时当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应电压感应电压经叠

11、加，得到转子的感应电压U2 2为为 cossin112cskUkUU1鉴相工作方式鉴相工作方式U2kUmsintsinkUmcostcos kUmcos（t-）13CNC主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器当转子反转时当转子反转时，同理，转子的感应电压，同理，转子的感应电压U2为为 ： U2k Umcos（t+）旋转变压器转子绕组中的感应电压与定子绕组中的励旋转变压器转子绕组中的感应电压与定子绕组中的励磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏角角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角，即，即可测得转子相对于定

12、子的转角位置。可测得转子相对于定子的转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位置。确定转子转角的位置。14CNC主要内容2 2鉴幅工作方式鉴幅工作方式2.2 旋转变压器旋转变压器定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相同、幅定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsin sint U1c= Umcos sint 转子正转时转子正转时

13、，U1s、U1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2为：为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint15CNC主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器转子反转时转子反转时，同理有转子感应电压，同理有转子感应电压U2 2为：为： U2kUmcos（） sint转子感应电压的转子感应电压的幅值幅值随转子的随转子的偏转角偏转角而变化。测量出而变化。测量出幅值可测出幅值可测出 转角。转角。16CNC2.3 感应同步器感应同步器感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。位移或角位移而

14、改变。根据用途和结构特点分：根据用途和结构特点分：直线式、旋转式。直线式、旋转式。直线式：直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋转式：旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。直线式感应同步器有：直线式感应同步器有：标准式：标准式：精度最高、使用最广；精度最高、使用最广；窄式窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工；机床上安装位置窄小且安装面难于加工；带式：带式：定尺可至定尺可至3m3

15、m以上，不需接长，定尺随床身热变形而变形，以上，不需接长，定尺随床身热变形而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低；刚性稍差，总测量精度比标准式低；3 3重式：重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。17CNC2.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构2.3 感应同步器感应同步器（固定在床身上）（固定在床身上）（安装在移动部件上）（安装在移动部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.2 0.2 0.30.3mm直线感应同步器结构：直线感应同步器结构：18CNC2.3 感应同步器感应同步器当正弦绕组与定当正弦绕组与定尺绕组对齐时，尺绕组

16、对齐时，余弦绕组与定尺余弦绕组与定尺绕组相差绕组相差1/41/4节距。节距。“节距节距” 2 是衡量感应同步器精度的主要参数。标准是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm，节距，节距2mm。19CNC2.3.3 感应同步器工作原理感应同步器工作原理 正弦绕组余弦绕组滑尺定尺2/2UdUsUc2.3 感应同步器感应同步器滑尺、定尺发生相对位移，由于电磁耦合的变化，滑尺、定尺发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组的使感应绕组的感应电压随位移的变化而变化。感应电压随位移的变化而变化。20CNC2.3 感应同步器感应同步器感应电压幅

17、值与相对位置关系21CNC 当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2 ，滑尺绕组相对于定尺绕组的空，滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角变化间相位角变化 2 2 ；当移动；当移动 x x 时，则时，则相位角变化相位角变化 角度角度。22xxx22tVVmssincossincos2tKVKVVms2.3 感应同步器感应同步器可得可得设设 表示滑尺上一相绕组的激磁电压，表示滑尺上一相绕组的激磁电压，则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为22CNC给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，频率、幅值相同，相位相差相位相差90900 0的交流励磁电压的交流励磁电

18、压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。sincossmcmVVtVVt)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm2.3 感应同步器感应同步器xx221.鉴相工作方式鉴相工作方式23CNC 给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率、相位相同频率、相位相同，但但幅值不同幅值不同。 2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式tVVtVVmcmssincossinsin则在定尺绕组产生的总感应电压为则

19、在定尺绕组产生的总感应电压为sinsincoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin2.3 感应同步器感应同步器若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应幅值，便能求出与位移对应的角度的角度。实际测量时，不断调整。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零，则，让幅值为零，则= ，从而求得，从而求得对应的位移量对应的位移量x，就可测得机械位移。，就可测得机械位移。 24CNC2.4 2.4 光栅光栅通常意义上讲，光栅通常意义上讲，光栅按用途按用途分，有两大类：分，有两大类：物理光栅物理光栅（衍射光栅）：（衍射光栅）：200500条条/，栅距，栅距0.0

20、020.005，主要是利用光的衍射原理，用于，主要是利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测定。光谱分析和光波波长的测定。计量光栅计量光栅：25条条/、50条条/、100条条/、250条条/等，栅距等，栅距0.0040.25，主要是利用光的透射，主要是利用光的透射和反射现象，用于和反射现象，用于数控机床闭环检测系统数控机床闭环检测系统。按形状按形状：长光栅（直线光栅）：检测线位移：长光栅（直线光栅）：检测线位移 圆光栅：测量角位移圆光栅：测量角位移直线光栅直线光栅按制作原理按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。：玻璃透射光栅、金属反射光栅。 2.4.1 光栅的种类光栅的种类25CNC（以

21、玻璃透射式直线光栅为例以玻璃透射式直线光栅为例） 光栅的结构光栅的结构组成：组成：标尺光栅、光栅读数头标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程，行程 大于大于1m时，需要将光栅接长。时，需要将光栅接长。安装：标尺光栅安装：标尺光栅一般安装在一般安装在机床活动部件机床活动部件上（如工作台上（如工作台 上或丝杠上）；上或丝杠上）；光栅读数头光栅读数头安装在安装在机床固定部件机床固定部件上上 （如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。（如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。2.4 2.4 光栅光栅2.4.2光栅的结构与测量原理光栅的结

22、构与测量原理26CNC光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理光栅读数头组成：光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。驱动线路。作用：作用：将光信号转换成电脉冲信号。将光信号转换成电脉冲信号。 27CNC均匀刻线均匀刻线标尺标尺光栅光栅指示指示光栅光栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动pp28光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理CNC莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向与光栅移动方向与光栅移动方向垂垂直直 光栅移动一个栅距，光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个莫尔条纹移动一个节距节距29光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原

23、理CNC光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者形成反时针方向的反向脉冲，通过可逆计数器或者形成反时针方向的反向脉冲，通过可逆计数器接受。接受。302.4.2光栅位移光栅位移-数字变换电路数字变换电路CNC312.4.2光栅位移光栅位移-数字变换电路数字变换电路CNC322.4.2 光栅位移光栅位移-数字变换电路数字变换电路CNC2.6 2.6 编码器编码器编码器（码盘）编码器（码盘）: :旋转式测量元件，装在被测旋转式测量元件，装在被测 轴上，随之一起转

24、动，将被测轴的角位移转换成增量轴上，随之一起转动，将被测轴的角位移转换成增量脉冲或绝对值式代码。脉冲或绝对值式代码。使用的计数制：使用的计数制：二进制、二进制循环码（格雷二进制、二进制循环码（格雷 码）等码）等输出信号的形式：输出信号的形式：绝对值式、脉冲增量式绝对值式、脉冲增量式内部结构和检测方式内部结构和检测方式：接触式、：接触式、光电式光电式、电磁式。、电磁式。33CNC两种安装方式：两种安装方式：编码器和伺服编码器和伺服电机同轴联接；电机同轴联接；联接在滚珠丝联接在滚珠丝杠末端；杠末端；工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器电机电机2.6 2.6 编码器编码器34CNC2.6 2.6 编码器编码器安装：安装：35CNC2.6.1 光电式编码器光电式编码器 常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为生器、光电脉冲编码器）为增量式增量式光电编码器，光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器。是一种旋转式脉冲发生器。把把机械转角变成电脉冲机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的，是数控机床常用的角角位移位移检测元件，也可用于检测元件，也可用于角速度检测角速度检测。2.6 2.6 编码器编码器36CNC高分辨率的脉冲编码器高分辨率的脉冲编码器脉冲编码器20000脉冲脉冲r25