第四章数控检测装置

第四章数控检测装置1/15/20234.1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。1/15/2023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。

4.1.1对位置检测装置的要求

1/15/20234.1.2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。

1/15/2023表4．1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

1/15/20234.2旋转变压器

54318762图4﹒1旋转变压器结构示意

1-转轴2-轴承3-机壳4-转子5-定子6-端盖7-电刷8-集电环

定子、转子的冲片都是高磁导率的电工钢片，上面有均匀分布槽，槽中都置有正交、互相垂直的两项绕组；转子电信号的输入输出通过集电环和电刷实现，无刷的有两种常用结构：一是靠磁路结构的变化使得励磁磁通沿着转子磁转固定路径方向通过的；另一种是依靠变压器方式耦合，实现无接触、无刷的。旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。1/15/2023分类：有电刷集电环结构和无刷结构；每一类又分为单对极元件（即转子转一周，电信号仅变化一个周期的元件）、多对极元件（或称多极元件）两种。工作原理：电磁感应。

4.2.1旋转变压器的结构和工作原理

定子转子S1R1S2S3S4R2R3R41/15/20234.2.1旋转变压器的结构和工作原理

1/15/2023

E2=KV

1

cosα=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）

4.2.1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°）

输出电压：在定子和转子两个绕组轴线相互平行时为最大感应电动势E2。1/15/20231.鉴相方式

Vs=VmsinωtVc=Vmcosωt

E2=KV

s

cosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

4.22旋转变压器的工作方式

VSVSVsVcE2

图4.2

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。1/15/20232.鉴幅方式

Vs=Vmsinα电sinωtVc=Vmcosα电sinωt

E2=KV

s

cosα机-KV

csinα机

=KV

m

sinωt(sinα电cosα机-cos电sinα机)=KV

m

sin(α电-α机)sinωt

4.22旋转变压器的工作方式

VSVSVsVcE2

图4.3

定子两相绕组励磁

感应电势（E2）是以ω为角频率、以Vm

sin(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。

1/15/2023按运动方式分为：1.感应同步器分类4.3感应同步器1/15/20234.3感应同步器2.感应同步器结构（直线式）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1/15/2023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）。1/15/20233.感应同步器的工作原理感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。直线式：感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。1/15/20233.感应同步器的工作原理（直线式）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1/15/2023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1/15/2023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。1/15/2023sincos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)滑尺定尺解释如图：感应同步器的工作原理UsUcUo1/15/2023感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：

Uos=KUScosθ1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：

Uoc=KUccos（θ1+π/2）

=－KUcsinθ11/15/2023滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：

Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1K—电磁感应系数

θ1—定尺绕组上的感应电压的相位角感应同步器的信号处理原理1/15/2023滑尺与定尺相对位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ1∴x=τθ1

／π结论：相对位移量x与相位角θ1呈线性关系，只要能测出相位角θ1，就可求得位移量x。

感应同步器的信号处理原理1/15/20234.感应同步器的测量方法根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc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。1/15/2023a.鉴相型系统的工作原理

在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为π/2的交变电压：

US=UmsinωtUC=Umcosωt则：Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωt

sinθ1

=KUmsin（ωt－θ1）结论：只要能测出Uo与US相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。1/15/2023b.鉴幅型系统的工作原理在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：

US=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωt

θ2=πx2

／τ（x2是指令位移值）

Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinθ2cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt结论：只要能测出Uo与UC相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。1/15/2023几点说明感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术1/15/20236.感应同步器的特点及使用注意事项

特点精度高：平均自补偿特性；对环境适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好1/15/2023测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。…………………………串联方式n<10串并联方式n≥101/15/2023使用注意事项

在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。对鉴相系统：激磁电压的幅值、频率相等；相位差900对鉴幅系统：对Umsinθ2、Umcosθ2调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。1/15/20234.4光栅

光栅的分类：物理光栅和计量光栅计量光栅按运动方式分为：长（直线）光栅和圆光栅计量光栅按光线的走向分为：透射光栅和反射光栅1/15/20231.长光栅检测装置的结构

4.4.1长光栅检测装置的结构

图4.9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4.10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）1/15/20232.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：

4.4.1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1/15/2023

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倍（3）均化栅距误差作用

栅距之间的相邻刻度不均匀误差由于有成百上千条光栅条纹的组成而被平均化。

4.4.1长光栅检测装置的结构

1/15/2023

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1/15/20234.5磁栅

1.磁栅式位移传感器的结构2.原理3.测量方式1/15/20234.5磁栅磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件。用它作直线和角度位移量测量，具有精度高、复制简单以及安装调整方便等一系列优点，在油污、粉尘较多的工作条件下使用有较好的稳定性。因此可在数控机床、精密机床和各种测量机上应用。磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。1/15/20231.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1/15/2023检测直线位移：用于精度要求较高场合，因其制造长度有限，目前应用较少。磁尺的分类（按形状）：检测直线位移：用于量程较大，安装面不易安排的场合。检测角位移：用于精度要求较高场合，因其制造长度有限，目前应用较少。检测直线位移：抗干扰能力强，用于小型或结构紧凑的测量装置中。1/15/20232.原理：磁栅测量装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来作为测量基准。在测量时，拾磁磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，然后再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输入给数控机床。1/15/2023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1/15/20233.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。1/15/2023（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1/15/20234.6光电脉冲编码器

4.6.1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/r等；1234567图4.14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

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4.6.1脉冲编码器的分类与结构

脉冲编码器又称码盘，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。光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。1234567图4.14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

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4.6.2光电脉冲编码器的工作原理ωt

节距PAB90°

90°

图4.15光电脉冲编码器的输出波形

1/15/2023增量脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τm+τ/4

4.6.2光电脉冲编码器的工作原理1/15/2023

光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄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：

其中，是的取反信号。AB90°Z……码盘转一圈

4.6.2光电脉冲编码器的工作原理1/15/2023

输出信号的作用及其处理

A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。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）。ABCP90O

4.6.2光电脉冲编码器的工作原理1/15/2023

Z相的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的作用后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z……码盘转一圈

4.6.2光电脉冲编码器的工作原理1/15/2023增量式码盘的规格及分辨率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10万线

/转都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：

4.6.2光电脉冲编码器的工作原理1/15/2023

4.6.3光电脉冲编码器的应用

A相信号a+B相信号整形整形dbcef-可逆计数&&单稳反向abcdefabcdef应用一：适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲

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4.6.3光电脉冲编码器的应用

应用二：适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。

A1CQA相脉冲B相脉冲整形整形单稳单稳B1D

S

R12Q3脉冲方向计数有方向端的可逆计数器ABA1B1CD13高电平“1”低电平“0”高电平“1”高电平“1”ABA1B1CD131/15/20234.7绝对值编码器是一种直接编码、绝对测量的检测装置通过读取绝对编码盘、编码尺（码盘）的代码（或图案）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。1/15/20234.7绝对