数控检测装置(成教)课件

第2章数控检测装置11/22/2022第2章数控检测装置10/11/20222.1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，将运动部件现实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。11/22/20222.1概述组成：位置测量装置是由检测元件（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.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。

2.1.1对位置检测装置的要求

11/22/2022传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。22.1.2检测装置的分类

数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。

☆安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；

☆测量方法—增量型和绝对型;

☆检测信号的类型—模拟式和数字式；

☆运动型式—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。

11/22/20222.1.2检测装置的分类数控系统中的检测装置分为位移、表2．1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

11/22/2022表2．1数控机床检测装置分类分类增量式2.2旋转变压器

54318762

图2﹒1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

11/22/20222.2旋转变压器5431876210/11/202旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷、集电环结构和无刷结构单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应

2.2.1旋转变压器的结构和工作原理

定子转子S1R1S2S3S4R2R3R411/22/2022旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器

E2=KV

1cosα=KV

msinωtcosαα=90°E

2=0α=0°E

2=KV

mSINωt式中:E2—转子绕组感应电势；

V1—定子绕组励磁电压

V1=Vmsinωt；

Vm—电压信号幅值；α—定、转子绕组轴线间夹角；K—变压比（即绕组匝数比）

2.2.1旋转变压器的结构和工作原理

V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmSINωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

11/22/2022E2=KV1cosα=KVmsinωtcos鉴相方式

Vs=VmsinωtVc=Vmcosωt

E2=KV

mcosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

2.22旋转变压器的应用

VSVSVsVcE2

图2.2

定子两相绕组励磁

转子输出信号的相位角(ωt-α)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。11/22/2022鉴相方式2.22旋转变压器的应用VSVSVsVc2.鉴幅方式

Vs=Vmsinα电sinωtVc=Vmcosα电sinωt

E2=KV

mcosα机-KV

csinα机=KV

m

sinωt(sinα电cosα机-cos电sinα机=KV

m

sin(α电-α机)sinωt2.22旋转变压器的应用VSVSVsVcE2

图2.3

定子两相绕组励磁

感应电势（E2）是以ω为角频率、以Vmsin(α电-α机)为幅值的交变电压信号。若电气角α电已知，只要测出E2

幅值(利用E2=0)，便可间接的求出机械角α机，从而得出被测角位移。

11/22/20222.鉴幅方式2.22旋转变压器的应用VSVSVs2.3感应同步器1.感应同步器结构sincos节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺11/22/20222.3感应同步器1.感应同步器结构sincos节距2τ（

包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。11/22/2022包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺2.感应同步器的工作原理在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为11/22/20222.感应同步器的工作原理10/11/2022余弦绕组单独供电所产生的感应电势为

由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为11/22/2022余弦绕组单独供电所产生的感应电势为由于感应同步器的磁路系统式中：K——定尺与滑尺之间的耦合系数；——定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）T——节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。11/22/2022式中：T——节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直3.测量方法根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。11/22/20223.测量方法10/11/2022(1)鉴相式工作法滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压，设则

从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：

11/22/2022(1)鉴相式工作法则从上式可以看出，只要测得相角，就2.鉴幅工作法在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。11/22/20222.鉴幅工作法则：由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的2.4光栅

光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅11/22/20222.4光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅10/11/21.长光栅检测装置的结构

2.4.1长光栅检测装置的结构

图2.9光栅的结构

1-防护垫2-光栅读数头

3-标尺光栅

4-防护罩

VS312431245标尺光栅图2.10光栅读数头1-光源

2-准直镜3-指示光栅

4-光敏元件5-驱动线路

主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）11/22/20221.长光栅检测装置的结构2.4.1长光栅检测装置的结构2.工作原理（以透射投影为例）摩尔条文宽度B的理论公式莫尔条纹：

2.4.1长光栅检测装置的结构

d放大2倍

VSθ

d

WW

Θ严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直11/22/20222.工作原理（以透射投影为例）摩尔条文宽

莫尔条纹的特征：（1）莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。（2）放大作用

莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线夹角θ之间关系：由图可知W=dsinθ

又θ很小可认为sinθ≈θ

故W=d/θ

例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100（3）均化栅距误差作用

2.4.1长光栅检测装置的结构

11/22/2022莫尔条纹的特征：2.4.1长光栅检测装置的结构10

莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分

2.4.2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ABCDA’C’B’D’Y1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走反走11/22/2022莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分2.2.5磁栅

1.磁栅式位移传感器的结构2.原理3.测量方式11/22/20222.5磁栅1.磁栅式位移传感器的结构2.原理3.测量方1.磁栅式位移传感器的结构

1—磁性膜2—基体3—磁尺4—磁头5—铁芯6—励磁绕组7—拾磁绕组11/22/20221.磁栅式位移传感器的结构1—磁性膜2—基体3—磁尺2.原理：在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：U0——输出电压系数；——磁尺上磁化信号的节距；χ——磁头相对磁尺的位移；ω——励磁电压的角频率。

式中：

在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向11/22/20222.原理：U0——输出电压系数；式中：在实际应用中，需要采3.测量方式(1)鉴幅测量方式如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为π/2的两组信号两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。11/22/20223.测量方式两组磁头相对于磁尺每移动一个节距（2）.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电压为则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置χ变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。

在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为11/22/2022（2）.鉴相测量方式则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头2.6光电脉冲编码器

2.6.1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、2500P/r和3000P