数控技术课程 第5章 数控检测技术

第5章数控检测技术1/16/20235.1概

述

组成：位置等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。1/16/20235.1.1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。

1/16/2023表5．1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

1/16/2023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.测量范围和量程绝对和增量，其测量范围和量程不一样。

6.零漂与温漂测量零点的变化，以及测量零点随温度的变化。

其它：

可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。

5.1.2数控测量装置的性能指标及要求

1/16/20235.2旋转变压器

54318762

图5﹒1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

1/16/2023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

5.2.1旋转变压器的结构和工作原理

定子转子S1R1S2S3S4R2R3R41/16/2023

E2=KV

1cosα=KV

msinωtcosα

α=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）

5.2.1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°）

1/16/2023鉴相方式

Vs=VmsinωtVc=Vmcosωt

E2=KV

mcosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

5.22旋转变压器的应用

VSVSVsVcE2

图5.3

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。1/16/20232.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)sinωt

5.22旋转变压器的应用VSVSVsVcE2

图5.3

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。

1/16/20235.22旋转变压器的应用VSVS1/16/20235.4直线光栅

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1/16/20231.长光栅检测装置的结构

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）是重要参数

5.4.1长光栅检测装置的结构

图5.9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5.10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

1/16/20232.工作原理（以透射投影为例）摩尔条纹宽度W的理论公式

W-摩尔条纹宽度d-栅距莫尔条纹：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

5.4.1长光栅检测装置的结构

d放大2倍

Θ/2当d1=d2=d时，wwd2d2d1d2d1d1d2VSθ

d

WW

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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sin(θ/2)

=(d/2)/

W，W=(d/2)/

sin(θ/2)

θ很小可认为sin(θ/2)≈θ/2

故W=d/θ

例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100倍。（3）均化栅距误差作用莫尔条纹是由很多光栅条纹形成，莫尔条纹之间的距离相对光栅栅距是很大的，故光栅栅距误差影响不大。

5.4.1长光栅检测装置的结构

1/16/2023莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分：四倍频电路（还有多倍频电路）

5.4.2光栅位移-数字变换电路

abcd差动放大差动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲a)a)原理框图原理：摩尔条变成方波

摩尔条纹信号为正（余）弦信号，有四块光电池（相位彼此相差90º）接收，a、c信号相位差180º，送入差动（放大器防干扰、放大），得sin信号。同理由b、d信号得cos信号。经整形变成方波。

产生正走、反走脉冲经方向辨别电路，在正走时（反走）产生四个正走脉冲（四个反走脉冲）。

可逆计数器计数1/16/2023bdac差动放大插动放大(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A’BAD'C’DB’CBC'AB'A’DCD'b)c)b)逻辑电路图反向电路使方波反向，微分电路产生脉冲，Y1~Y8为“与门”，H1、H2为“或门”c)波形图：脉冲的产生在方波上升沿（上升沿微分）sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走：(H1)反走(H1)低电平Y1=A’BY2=AD’Y3=C’DY4=B’CY5=BC’Y6=AB’Y7=A’DY8=CD’(H2)低电平(H2)Sin超前90ºCos超前90º1/16/20235.5光电脉冲编码器

5.5.1脉冲编码器的分类与结构

作用：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。分类：脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。原理：光通过二个光栅线纹产生近似正余弦的脉冲信号A、B、Z，经整形放大变成方波。编码器是一种增量检测装置。参数：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；

共有3路脉冲A（如2500P/r）、B（如2500P/r）、Z（1P/r）1234567图5.14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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5.5.2光电脉冲编码器的工作原理ωt

节距PAB90°

90°

图5.15光电脉冲编码器的输出波形

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5.5.3光电脉冲编码器的应用

可逆计数B相信号单稳A相信号a+整形整形dbcef-&&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

a)逻辑电路图b)波型图①正走：a超前b1/4周期加计数

②反走：a超前b1/4周期减计数

低电平低电平1/16/2023

5.5.3光电脉冲编码器的应