数控装备技术检测装置B

1、1第第5 5章章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置235-1 5-1 概述概述一.检测装置的作用l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，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。l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。 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。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。45-1 5-1 概述概述二.数控机床对检测装置的要求55-1 5-1 概述概述

2、三三.位置检测装置的分类位置检测装置的分类 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、电磁感应原理、光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。65-1 5-1 概述概述785-2 5-2 旋转变压器旋转变压器简称旋变，又称作解算器或分解器（Resolver）95-2 5-2 旋转变压器旋转

3、变压器187621、结构 旋转变压器结构示意1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环 345102、工作原理旋转变压器是输出的电压信号与转子转角成一定函数关系的控制微电机, 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。115-2 5-2 旋转变压器旋转变压器n电磁感应定子定子转子转子S S1R1S S2S

4、S3S S4R2R3R412tUUmsin1tUUmsin1tUUmsin1单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，在定子绕组加上励磁电压，则转子通过电磁耦合，产生感应电压13转子绕组中产生的感应电压为cossincos12tKVKUUm式中 K变压比（即绕组匝数比）；Vm励磁信号的幅值； 励磁信号角频率； 旋转变压器转角。145-2 5-2 旋转变压器旋转变压器3、应用实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等、轴线相互垂直的绕组构成两种典型工作方式：鉴相式和鉴幅式。15tUUtUUmcmscossin（1）鉴相式鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量

5、给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，电压的代数和：)sin(sincoscossin2tKUtKUtKUUmmm转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就知道了。16tUUtUUmcmssincossinsin（2）鉴幅工作方式 给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，即式中 激磁绕组中的电气角。 Umsin , Umcos 为定子两绕组激磁

6、信号的幅值则转子上的叠加电压为tKVtKVmmsin)sin()sincoscos(sinsin感应电势是以感应电势是以为角频率、以为角频率、以KVm sin( -)为幅值的交变电压信号，为幅值的交变电压信号，若电气角已知，测量出幅值即可求得转角。17u旋转变压器安装在丝杠上，当角0 360变化时，表示丝杠上的螺母走1个导程，间接测量了丝杠的直线位移（导程）大小。u测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。u转子每转1周，转子的输出电压不止一次通过零点，需加相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。1819一、结构与种类感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，模拟式

7、测量，二者工作原理相同。种类：直线式、旋转式（圆盘式）。直线式直线式：定尺、滑尺，测直线位移，全闭环伺服系统。旋转式旋转式：定子、转子，测角位移，半闭环伺服系统。工作原理与直线式相同，不同的是定子（相当于定尺）、转子（相当于滑尺）及绕组形状不同，结构上分：圆形、扇形。20节距2（2mm）1/4节距215-3 5-3 感应同步器感应同步器1-机床不动部分 2-机床移动部分 3-定尺座 4-护罩 5-滑尺 6-滑尺座 7-调辊板 8-定尺二、原理 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成印刷绕

8、组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间隙。22 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc2235-3 5-3 感应同步器感应同步器当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺

9、感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示。24 如果滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。显然，在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期。255-3 5-3 感应同

10、步器感应同步器22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos2 若设定尺绕组节距为2，它对应的感应电压以余弦函数变化，当滑尺移动距离为x时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系可得设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为 式中 K耦合系数； Vm激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。 Vmcos 为感应电压的幅值26 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处

11、，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系(图中OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。275-3 5-3 感应同步器感应同步器tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm 1. 鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压根据叠加原理，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，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。三、应用有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式

12、。285-3 5-3 感应同步器感应同步器tUUtUUmcmssincossinsinsinsincoscossinsin2tKUtKUUmmtKUmsinsin2. 鉴幅式系统 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。式中 给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为式中 与位移对应的角度。鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值29305-4 5-4 光栅光栅一、分类按用途分：物理光栅和计量光栅按用途分：物理光栅和计量光栅物理光栅（衍射光栅）物理光栅（衍射光栅）：200500条/，栅距0.0020.005，利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波

13、长测定。计量光栅：计量光栅：25条/、50条/、100条/、250条/等，栅距0.0040.25，利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。用于闭环控制系统，可测位移和转角。读数速率高（0 数十万次/每秒），适用动态测量。315-4 5-4 光栅光栅按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移325-4 5-4 光栅光栅按光线走向：玻璃透射光栅玻璃透射光栅、金属反射光栅金属反射光栅。玻璃透射光栅玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：1）光源可采用垂直

14、入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；2）一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。33金属反射光栅金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条/mm ，分辨率低。特点：1）光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；2）光栅的安装和调整较方便；3）安装面积较小；4）易于接长或制成整根的钢带长光栅；5）不易碰碎。34355-4 5-4 光栅光栅二、二、光栅的结构与测量原理（以玻璃透射式直线光栅为例）1、组成361-光栅尺（标尺光栅） 2-指示光栅 3-光电接收元件 4-光源375-

15、4 5-4 光栅光栅38395-4 5-4 光栅光栅2、光栅的工作原理VSd dW WW W安装时保证两光栅尺沿线纹方向保持一个很小夹角 、刻划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm），在光源照射下，在与的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔条纹（横向莫尔条纹），两条亮（暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度w 。40演示演示415-4 5-4 光栅光栅W=P/sin 又很小可认为 sin 故 W=P/ 例如 P= 0.01, = 0.01rad, 得W =1mm, 放大倍数：w/p=1/0.01=100倍标尺光栅W指示光栅（斜）P用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，

16、 (rad)为光栅线纹之间的夹角42p例：某光栅检测装置，光栅删距为0.01mm，标尺光栅和指示光栅的夹角为0.01，测得移动莫尔条纹数为200，试计算其摩尔条纹的宽度、工作台移动距离。解：W=P/=0.01/0.01=1mm S=200*0.01=2mm43445-4 5-4 光栅光栅 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个余弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得

17、到工作台的移动距离。光栅位移O光栅的实际亮度变化光栅位移电压O光栅的输出波形图亮度3、 应用（光栅位移数字转换系统）应用（光栅位移数字转换系统）455-4 5-4 光栅光栅4、光栅信息处理在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。46475-5 5-5 编码器编码器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。一、分类按坐标系：增量式、绝对式按信号的读取方式：光电式、接触式和电磁感应式。脉冲编码器的型号可由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500

18、P/r和3000 P/r等；485-5 5-5 编码器编码器49二、增量式编码器1234567增量式光电脉冲编码器的结构1-光源 2-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 505-5 5-5 编码器编码器光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信号处理电路光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信号处理电路光电码盘用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。515-5 5-5 编码器编码器A组与B组狭缝彼此错开1/4节距，对应的光敏元件产生的信号A

19、、B彼此相差90相位，用于辨向。根据脉冲数目可得被测轴的角位移；根据脉冲频率可得被测轴的转速；根据A、B两相相位超前滞后关系可得被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。52光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：A、/A、B、/B、Z、/Z，其中，/是取反信号。535-5 5-5 编码器编码器54增量式码盘的规格增量式码盘的规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数； 现在市场上提供的规格从36线/ 转到10万

20、线/转都有；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。555-5 5-5 编码器编码器数控机床常用编码器数控机床常用编码器:根据丝杠螺距来选用根据丝杠螺距来选用高分辨率的脉冲编码器高分辨率的脉冲编码器现已有每转发出10万乃至几百万个脉冲的编码器，内部应用了微处理器。565-5 5-5 编码器编码器三、三、 绝对式编码器绝对式编码器 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。 绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种。57结构和工作原理结构和工

21、作原理p码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；p对应每圈都有光电传感器；p输出信号的路数与码盘圈数成正比；p检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。585-5 5-5 编码器编码器绝对编码盘的编码方式及其特点绝对编码盘的编码方式及其特点二进制编码：二进制编码： 特点：编码顺序与位置顺序相一致，但可能产生非单值性误差。59格雷码（循环码、葛格雷码（循环码、葛莱码）莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。60绝对式编码器的特点绝对式编码器的特点（）可以直接读出角度坐标的绝对值（）没有累积误差（）电源切除后位置信

22、号不会丢失（）允许的最高旋转速度较高（）为提高精度和分辨率，必须增加码道数，结构复杂，价格较高。615-5 5-5 编码器编码器编码器在数控机床编码器在数控机床中的应用中的应用1位移测量（进给系统）位移测量（进给系统）和伺服电机同轴联接622主轴控制主轴控制（1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制，用于螺纹加工中 a）对编码器输出脉冲计数，保证主轴每转1周，刀具准确移动1个螺距（导程） b）一般的螺纹加工要经过几次切削完成，每次重复切削，进刀位置必须相同。为保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到光电编码器中的1转脉冲（零点脉冲）后，才开始螺纹切削的计算。63(2)主轴定向准停控制加工中心换刀时，为使机械手对准刀柄，主轴需停在固定的径向位置，在固定切削循环中（如精镗孔）要求刀具停在某一径向位置才能退出，这要求主轴能准确地停在某一固定位置上，这就是主轴定向准停功能。编码器的输出为当前刀具号643测速测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，可代替测速发电机的模拟测速，成为数字测速装置。4零标志脉冲用于回参考点控制零标志脉冲用于回参考点控制采用增量式的位置检测装置时，数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。参考点位置是否正确与检测装置中的零标