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文档简介
第五章伺服系统检测元件综述(数控机床检测装置的类型与要求及位置检测装置的分类)一、旋转变压器二、感应同步器三、光栅测量装置四、磁尺五、脉冲编码器位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈综述
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。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈综述位置检测元件的性能要求可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强满足精度、速度和测量范围的要求使用维护方便,便于与CNC系统相联成本↓,寿命↑位置检测装置的分类按检测元件输出信号类型:数字式、模拟式、脉冲式按检测量测量基准:绝对式、增量式按被测位移量类型:直线式、回转式按与被测对象联系方式:接触式、非接触式常用的传感器:旋转变压器,感应同步器,光栅,光电盘和编码盘回转型:脉冲编码器,旋转变压器,圆感应同步器,圆光栅,磁栅,多速旋转变压器,绝对脉冲编码器,三速感应同步器直线型:直线感应同步器,计量光栅,磁尺,激光干涉仪,三速感应同步器,绝对值式磁尺。综述分
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
一、旋转变压器1、工作原理2、工作方式1、工作原理旋转变压器根据互感原理,在定子绕组上加交流励磁电压时,通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为:式中:k为定子与转子绕组的匝数比;Um:最大瞬时电压θ
:两绕组轴线间夹角。机床中常用正余弦旋转变压器2、工作方式1)旋转变压器的信号处理方式有两种:鉴相型工作方式和鉴幅型工作方式。
2)鉴相型工作方式:当给定子两绕组分别通以同幅,同频但相位相差90度的交流励磁电压,即
它们在转子的绕组中产生感应电压,并叠加得:
测量转子绕组输出电压的相位角θ即可测得转子相对于定子的转角位置。2、工作方式3)鉴幅型工作方式:当给定子两绕组分别通以同频同相位但幅值不同的交流励磁电压,即
它们在转子的绕组中产生感应电压,并叠加得:
由上式中可以看出,电压的幅值随转子的偏转角的变化而变化,测量幅值即可求出θ。α为电相角,通过不断修改电相角,使其跟踪θ的变化。二、感应同步器1、感应同步器的结构:感应同步器按结构可分为直线式和旋转式两种。直线式主要包括定尺和滑尺两部分组成,定尺上为连续绕组,滑尺上为分段绕组。相当于一个展开的多极旋转变压器。WW/42、感应同步器的工作原理当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时,产生同频率的交变磁通,感应绕组与这个交变磁通耦合,感应出同频率的交变电动势。3、信号处理根据精度和工作要求不同,主要有鉴相型工作方式和鉴幅型工作方式鉴相型:根据被测对象的信号相位角来鉴别位移量鉴幅型:根据被测对象的信号振幅来鉴别信号位移量(1)鉴相型使滑尺上余弦和正弦绕组的配置错开1/4定尺节距的距离,而且使两个绕组的励磁电压同频等幅,彼此相差90度电相角,则励磁信号分别为:相应的感应电动势分别为:应用叠加原理,定尺上感应电动势为:式中θ为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。如两尺相对位移为x,绕组节距为W,则相位角θ为:(2)鉴幅型如滑尺上正余弦绕组分别能以同频同相但幅值不等的交流励磁电压:应用叠加原理,定尺上感应电动势为:故定尺的感应电压的大小为:当Δθ很小时,定尺上的感应电压可近似表示为:tkUumdwqcosD=精度高。长距离测量;对环境适应性较强使用寿命长,维护简单工艺性好,成本低三、光栅测量装置1、分类2、光栅的结构3、莫尔条纹的形成4、光栅测量系统
1、分类2、光栅的结构光栅由光源,透镜,光栅副和光电接收元件构成。光源:钨丝灯泡;发光二极管;光栅副:由栅距相等的主光栅和指示光栅组成;光电接收元件:把莫尔条纹的明暗变化转换为电量输出。
3、莫尔条纹的形成亮带暗带W栅距安装角θB节距3、莫尔条纹的形成特点:(一)莫尔条纹的移动量,移动方向与光栅尺的位移量,位移方向具有对应关系,且关系是固定的。(二)莫尔条纹的间距对光栅距有放大作用例:如W=0.02mm,θ=0.1度=0.001745rad则:B=11.4592mm(三)莫尔条纹测位移的原理当两光栅相对移动一个栅距W时,莫尔条纹移动一个条纹间距B,莫尔条纹明暗的变化转换为输出电压的变化,近似为一正弦曲线,得位移量x=NWN:条纹数WBW4、光栅测量系统光栅测量的基本电路
4、光栅测量系统鉴向倍频电路
莫尔条纹特点莫尔条纹移动量与移动方向:光栅移动每一个栅距W,莫尔条纹则移动一个节距B,其移动方向与光栅移动方向和转向有关;指示光栅相对标尺光栅的转角方向标尺光栅移动方向莫尔条纹移动方向顺时针方向转角
右
上
左
下逆时针方向转角
右
下
左
上均化误差作用:使栅距W的误差对莫尔条纹影响极小;五、脉冲编码器(二)增量式光电脉冲编码器(光电码盘,光电脉冲发生器)结构(p173)组成:光源、聚光镜、光电码盘、光栏板、光电元件等;光电码盘:圆周均布一系列透光狭缝,可转动;光栏板:两条相距3/4节距的透光狭缝,每条后面有一个光电元件
•
编码器分类
按码盘读取方式:光电式、接触式、电磁式
按测量基准:增量式、绝对式增量式光电脉冲编码器
工作原理检测角位移和角速度:光电码盘转动→每转过一条狭缝→光电元件→正弦电信号→放大、整形→电脉冲信号→脉冲个数和频率→角位移和角速度;
方向辨别:光栏板两条狭缝输出相位差位90°的A相和B相信号,若A相超前B相,则正转,反之为反转;每转过一条狭缝只反映相对上次的角度增量;光电式码盘编码器
信号处理电路:整形,放大,分频,计数,译码等
分辨角:
分辨率=提高分辨率的方法
1、提高光电盘圆周的等分狭缝的密度2、增加光电盘的发讯通道接触式码盘
分辨角度a=分辨率=3600
2n12n绝对式编码器的特点(1)可以直接读出角度坐标的绝对值。(2)没有积累误差。(3)电源切除后位置信号不会丢失(4)允许的最高旋转速度较高。(5)为提高精度和分辨率,必须增加码道数,使构造变得复杂,价格也较贵。
磁栅:是一种精度较高的位置检测装置。它由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。下一页上一页
磁尺位置检测装置返回磁栅磁性标尺:
磁尺按基本形状分为平面实体形
磁尺一般长度为600mm带状
磁尺基体厚0.2mm,宽70mm线状
磁尺长度小于1.5m,套装在磁头内圆形磁尺做成磁盘状,检测角位移
表面录有相等节距(一般为0.05,0.1,0.2,1mm)周期变化的磁信号。返回下一页上一页磁尺磁栅下一页上一页返回磁头是进行磁—电转换的变换器,它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电路中去。
磁头返回下一页上一页工作原理
两个磁头I、II的励磁电流,由分频、
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