数控原理基本第二章课件

1、组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）和主要内容作用：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。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。第一节概述数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。主要内容安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量；测量方法检测信号的类型运动型式增量型和绝对型;模拟式和数字式；回转型和直线型；信号转换的原理光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。分 类增

2、量 式绝 对 式位移传感器回转型脉冲编码器、旋转变主要内容压器、圆感应同步器 、圆光栅、圆磁栅多极旋转变压器 、绝对脉冲编码器 绝对值式光栅等直线型直线感应同步器 、光栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪霍耳位置传感器绝对值磁尺、光电编码尺 、磁性编码器等速度传感器测速发电机 、 数字脉冲编码器 、霍耳速度传感器速度 角度传感器、数字电磁、磁敏式速度传感器电流传感器霍耳电流传感器数控机床对检测装置的主要要求主要内容2）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；4）成本低；5）易于实现高速的动态测量。编 码 器 （ 码 盘 ） :旋 转 式 测 量 元 件 ， 装 在 被 测

3、轴上，随之一起转动，将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。使用的计数制： 二进制、二进制循环码（格雷码）等编码器；输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式编码器；内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。第二节码盘工作原理两种安装方式：编码器和伺服电机同轴联接;联接在滚珠丝杠末端；丝杠编码器电机工作台是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，每一个角度位置均有唯一对应的代码。即使断电或切断电源，也能读出转动角度。一、接触式码盘000110100010101010111011111101110110001001111100101111001010110001001

4、100110101100111 1000011001012000 1111101 0 1100101000 0000002224位二进制码盘高位在内，低位在外。n位二进制码盘，有n圈码道，圆周均分2n等份(有2n不同位置)，最小分辨角360/2n。n越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前n=814位。电刷绝缘体导电体转轴-E+0101003210212223010010111010010101100111 10000110E0111-1000，10011010， 1011，11001101，1110， 1111若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，一个为精计码盘。精计码盘转1圈，粗

5、计码盘转1格。码盘制作和电刷安装很严格，若电刷恰好位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测读数可能会是任意的数字。例：01111000，可能会出现815之间的任一十进制数。这种误差称为非单值误差。71314110000 1000010001300112 00106 01100111010159100110111010 101110 15111111010100 11004128消除误差：采用循环码（格雷码）。格雷码盘：各码道的数码不同时改变，每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。接触式绝对值编码器优点：结构简单、体积小、输出信号强。缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转）

6、，精度受码道数限制。使用范围有限。思考:接触式码盘码道数为8个,当前位置输出编码数为10001100,问相对零点转过多少角度?常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检测。二、光电式码盘脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）20000脉冲r2，3，4，6，825000脉冲r5，1030000脉冲r3，6，12脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）2000脉冲r2，3，4，6，82500脉冲r5，103000脉冲r3，6，12数控机床常用编码器：根据丝杠螺距来选用。高分辨率的脉冲

7、编码器10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。安装：滚珠丝杠的导程SiM 脉冲当量减速齿轮的减速比脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信号处理电路光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源光敏元 件码盘及 狭缝转轴零位标志CA组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向。节距PAB9090如何进行位置和速度的测量?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。如何辨别转轴方向?根据A、B两相相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。如何提高分别率?后续电路

8、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）。思考1用光电脉冲编码器测某轴转速,2min测得17800个脉冲,已知编码器每转950个脉冲,则轴的转速是多少?码盘里圈，有一条狭缝 C，每转能产生1个脉冲，该脉冲信号又称“零点脉冲”，作为测量的起始基准。作用：被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号测量精度为能分辨的最小角度，分辨角360/狭缝 数 。 如 条 纹 数 为 1024 ， 则 360/1024 0.352。光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步提高分辨率。例如：配置2000脉冲r光电编码器的伺服电机直接驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，相

9、当于8000脉冲r的角度分辨率，对应工作台的直线分辨率由倍频前的0.004mm提高到0.001mm 。光 电 式 编 码 器 优 点 ： 没 有 接 触磨 损 ， 码 盘 寿 命长，允许转速高，最外圈每片宽度可做得很小，因而精度高。缺点：结构复杂，价格高，光源寿命短。通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：物 理光 栅（衍 射光栅 ）： 200 500 条/，栅距0.0020.005，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。计量光栅：25条/、50条/、100条/、250条/等，栅距0.0040.25，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。第三节光栅测量装置一、光栅

10、的种类按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。直线光栅玻璃透射光栅是在玻璃的表面上涂上一层均匀的感光材料或金属镀膜，用照相腐蚀等方法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：光 源 可采 用垂 直入 射， 光电 元件 可直 接接 受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；每毫米上线纹数多，一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。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的光栅线纹；常用的线纹数为4、10、25、40、50条/mm ，分辨率低。特点：标尺光栅的线

11、膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整比较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。二、光栅的结构与测量原理（以玻璃透射式直线光栅为例）光栅 的结构组成：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1m，行程大于1m时，需要将光栅接长。安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上）光栅读数头安装在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。常见结构按光路分：分光读数头、垂直入射读数头

12、、反射读数头作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。SPL2G2G1L1QG1G2PLtQL1G1G 2L2PQ尺身尺身安装孔扫描头（与移动部件固定）可移动电缆ab标尺光栅指示光栅d两者间隙0.05或0.1光栅的 基本测量原理两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角、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，在与两光栅线纹角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 。均匀刻线标尺光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动dw k = =莫尔条 纹特性：（1）光学放大作用标

13、尺光栅指示光栅dw/2d2sind2 cos tg2 22dw =放大比k为：1wd若d=0.01mm，0.01rad，则w1mm，k100dxtg=cosx2 = xw 2w22（2）均化误差作用莫尔条纹 大量光栅线纹形成 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度（3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例（同步性）光栅移动一栅距d 莫尔条纹移动一个间距w光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。在一个栅距d内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。硅光电池P1P2P3P4三、光栅测量系统差动放大器差动放大整形器整形器方向判别门电路控制回路正向脉冲可逆计数反向脉冲 器标尺光栅指示光栅聚光镜光

14、源器光栅移动，莫尔条纹亮暗交替变化，光强度分布近似余弦曲线，由光电元件变为同频率电压信号，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，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。一个光电元件只能计数,无法判断移动方向如何辩向？如何提高光栅检测装置的精度?增加线纹密度，但制造较困难，成本高。采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度。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。整形放大器H1AB反向脉冲 C（sin）差 动放大器（cos）差 动整形P1P2P3P4（

15、sin）A反相（cos）B反相DA微分C微分CB微分D微分Y1 AB&Y2 AD&Y3&CDY4 BC&Y5 BC&Y6 AB&Y7&ADY8 CD&（sin）正向反向BCD相加（cos）1正向脉冲BCDAH21D相加A正向时上升沿微分反向时上升沿微分鉴向倍频电路作用:辨向、细分，提高光栅的分辨力莫尔条纹原1个脉冲信号：0、90、180、270都有脉冲输出，一个周期内送出4个脉冲。分辨力提高4倍。分辨率取决于光栅栅距 d 和鉴向倍频的倍数 n，即：分辨率d/n。例：光栅线纹密度50条/mm（栅距20m），经4倍频处理后，线纹密度提高到200条/mm，工作台每移动5m送出一个脉冲，即分辨力为5m

16、，提高4倍。用光栅测量位移,光栅发出22500脉冲,测得距离为112.5mm,光栅的分辨率是多少?机床上一、旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机，数控主要内容 常见的角位移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机床。优点：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）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点。缺点：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，实现电机轴或丝杠转角的测量。第四节旋转变压器和感应同步器旋转变压器的分类按有无电刷分：接触式和无接触式两种；主要内容按极对数分：单对极和多对极；按输出电压与转子转角间的函数关系分

17、：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等。机壳 3主要内容67轴承2转轴 1转子铁心4 5定子铁心端盖电刷8集电环旋转变压器有刷结构示意1、旋转变压器的结构旋转变压器的结构主要内容由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面。123主要内容56748分解器变压器数控机床主要使用无刷旋转变压器，无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。主要内容 2.旋转变压器的工作原理原理：电磁感应，当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子

18、绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。U1ZU1 =Um sintUmsin sin t21= nUsin = nU=020U 1=U msint主要内容1U 1=U msint156U 1=U msint1定子转子20=902U2 nUm sint sinCNCU1 = U m sin t主要内容U 2 = nU 1 = nU m sin t sin Um激磁电压幅值n绕组匝数比转子偏转角ttU 1 = U m sin tU 1主要内容激磁U 2输出U 2 = KU m sin t sin 主要内容45U 1sU 1cRU 2转子定子U 2 = kU

19、1s sin + kU1c cos1c1s1ccos1ssin 使用较广泛的为正余弦旋转变压器1鉴相工作方式给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位主要内容U1sUmsintU1cUm（sint+/2）Umcost当转子正转时，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U2为U 2 = kU1s sin + kU1c cosU2kUmsintsinkUmcostcos）主当转子反转时，同样可得到U2kUmcos（t+）转子输出电压的相位角和间有严格对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就可得到被测轴的角位移。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的

20、相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定的大小。2鉴幅工作方式主要内容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U1sUmsinsintU1c = Umcos sint转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为：主 容kUmcos（）sint转子反转时，同理有：U2kUmcos（） sint转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出幅值可测出 转角。3、旋转变压器的应用主将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当角从0变化 到 360时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。要检测工作台的

21、绝对位置，需加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。二、 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位移或角位移而改变。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。（固定在床身上）（安装在移动部件上）1. 感应同步器的结构平行，间隙为0.250.05mmw22（a2+b2）w12（a1+b1）一般w1w2或w12/3 w2（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。）“节距”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250mm，滑尺长

22、100mm，节距为2mm。圆感应同步器结构：转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段式、两相正交（相差90电角度）sin绕组、cos绕组2. 感应同步器的安装定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入必 须 保持 定尺 和滑 尺平行 、两 平面的 间隙约 为025005mm，其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范围增加时，将定尺接长。定尺全部接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏差。正弦绕组余弦绕组定尺滑

23、尺2/2UdUsUc3 .感应同步器工作原理滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系ABCD = =当滑尺移动距离为 2，V2 变化 2,当移动 x时，则对应感应电压以余弦函数变化角度。2x2=x2x2可得设 Vs = Vm sin t 表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为 V2 = KVs cos = KVm cos sintV 2 = KV m m cos t cos +sin t cos + KV2xx= KV m sin( t )2 1.鉴相工作方式供给滑尺的正、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。VVscmm t tsincos= V= V2 = = = 2 =例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，表明滑尺移动了多少mm？xx22mm3.60将 称为相移位移转换系数。x例：设节距2=2，则 ox 1若