数控机床的检测装置

第二章数控机床的检测装置一、对检测装置的要求§2.1概述数控机床的检测装置也叫伺服系统的检测、反馈元件，是数控机床的感知器官，感知伺服系统的速度和位移，并向控制系统发送反馈信号，形成闭环或半闭环伺服系统。1.工作可靠；对伺服系统检测元件的要求是：2.满足精度要求,分辨率应达0.1∼10μm；3.使用维护方便；4.成本低。

二、检测装置的分类（一）数字式测量和模拟式测量1.数字式测量

（1）被测量转换为脉冲个数，便于显示和处理；（2）测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；（3）测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。数字量测量是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为电脉冲信号，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。其特点是：2.模拟式测量模拟式测量是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。其特点是：（1）直接测量被测的量，无需变换；（2）在小量程内实现较高的测量精度，技术上较成熟。如旋转变压器、同步感应器等。（二）增量式测量和绝对式测量1.增量式测量

在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号。2.绝对式测量增量式测量的优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可作为测量起点。（三）直接测量和间接测量1.直接测量

绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测量点都有一个相应的测量值。其测量装置的结构较增量式复杂。直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号。其缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.间接测量它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。§2.2感应同步器一、感应同步器的工作原理和分类它是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号，借以进行位置检测和反馈控制的，属模拟式测量。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，感应同步器的测量系统可分为鉴幅型和鉴相型两种。按结构形式可分为直线和圆感应同步器两种；分别用来测量直线和角位移；均由定子和动子组成。1.感应同步器的分类图2-1圆感应同步器定子转子定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.25~0.05mm间隙。

感应同步器两个单元绕组间的距离为节距。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有正、余弦两个组绕组。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。定尺滑尺正弦励磁绕组A余弦励磁绕组B2

图2-2直线感应同步器UCUSUd标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺图2-3滑尺在不同位置的感应电压bacde移动距离感应电压滑尺位置定尺感应电压滑尺移动一个节距，感应电压变化一个周期。2.感应同步器的工作原理工作时，滑尺绕组上通交流电，将在定尺的回路上产生感应电势，电势的幅值和相位随工作台的运动而变化，据此来测量工作台的位移。二、鉴相系统的工作原理

鉴相系统是通过检测感应电压的相位来测量位移的。定尺滑尺正弦励磁绕组A余弦励磁绕组B2

图2-2直线感应同步器UCUSUd给滑尺的正弦绕组A和余弦绕组B分别施加幅值Um相同，频率ω相同，相位差900的交流电压，即开始时，正弦激励绕组与定尺绕组重合，此时滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角=0。当滑尺移动时，两绕组不再重合，此时在定尺上的感应电压U'd为：同理，余弦激励绕组作用，定尺上的感应电压U"d为：式中：k—电磁偶合系数。

若感应同步器的节距为2，则滑尺移动的距离X与的关系式为：

由于感应同步器的磁路系统可视为线性，根据叠加原理，定尺上的感应总电压为：代入上式得：三、鉴幅型系统的工作原理在这种系统中，供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率和相位相同而幅值不同的交流电压，即它是通过检测感应电压的幅值来测量的。其中Usm、Ucm幅值分别为式中：

1—给定电气角。在正弦绕组单独作用下，定尺上的感应电压U'd为：在余弦绕组单独作用下，定尺上的感应电压U"d为：在正、余弦绕组共同作用下，定尺上的感应电压Ud为：由上式知，定尺上感应电压的幅值随指令给定的位移X1(

1)与工作台实际位移量X(

)的差值按正弦规律变化。四、感应同步器的特点与应用（一）特点

1.精度高它直接对机床的位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制，直线精度一般为0.002mm/250mm。

2.对环境的适应性强利用电磁感应原理，不怕油污和灰尘污染，不易受到干扰。

3.使用寿命长，安装维修简单。

4.可用于长距离位移测量，适合于大中型机床使用。5.工艺性好，成本低。（二）应用感应同步器有鉴相和鉴幅两种工作方式。基准信号鉴相器数控装置脉冲相位变换激磁供电线路直流放大器伺服驱动机构放大器反馈信号感应同步器机床±

xsintuT±

2U2UsUc图2-4鉴相系统测量的原理图指令信号参考信号误差信号相位角

1由数控装置发出。1.鉴相测量系统数控装置数模转换器相位补偿相敏放大伺服驱动机构感应同步器机床±

xU2UsUc图2-5鉴幅系统测量的原理图检波放大余弦正弦振荡器控制工作台的移动方向标准正弦信号控制移动位移2.鉴幅测量系统五、感应同步器安装使用的注意事项1.安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.25mm，倾斜度小于0.5º，装配面波纹度在0.01mm/250mm以内。2.由于感应同步器大都装在易被工作液和切屑浸入的地方，因此应加以保护。3.同步回路中的阻抗和激励电压不对称以及激励电流失真度不应超过2%。4.由于感应同步器感应电势低、阻抗低，所以应加强屏蔽以防止干扰。旋转变压器是一种的角度检测元件，其结构主要由定子和转子组成。定子通励磁电压，转子上得到电磁耦合感应电压，其输出电压大小与转子位置有关。由于旋转变压器结构简单，工作可靠，精度又能满足一般要求，所以应用较广。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。§2.3

旋转变压器一、基本概念图2-6旋转变压器照片图2-6旋转变压器的工作原理图定子U1φ1φ2U2φ2U2φ2U2转子φ2U2二、工作原理U1=UmsinωtU2=kU1sinθ=Umsinωtsinθ式中：k—电磁耦合系数；U1—定子的激励电压；U2—转子的感应电压；Um—定子的最大瞬时电压。φ2U2

定子转子U1图2-7旋转变压器的结构原理图该种旋转变压器，在转子绕组连接负载后，所通过的电流产生的交变磁通将使定子和转子将气隙中的合成磁通畸变，影响测试精度。为此采用正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组均由两个扎数相等，且相互垂直的绕组构成。如图2-8所示，一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出。

U1U3U2转子定子

1

2R

2cos

1sin图2-8正余、弦旋转变压器原理图三、应用旋转变压器作为位置检测装置，有鉴相式和鉴幅式两种典型工作方式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。1.鉴相工作方式给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如图2-8所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：假如，转子逆向转动，可得由上述分析可知，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。

2.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别为U1m和U2m的交流激磁电压，则有当给定电气角为时，交流激磁电压幅值为别为当转子正转时，则转子上的叠加电压为同理，如果转子逆向转动，可得

由上述分析计算可知，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从00到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。§2.4脉冲编码器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，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。图2-9脉冲编码器的照片一、增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。1.基本概念光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中

—脉冲当量（mm/脉冲）；

S—滚珠丝杠的导程（mm）；

i—减速齿轮的减速比；

M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。增量式光电编码器的工作原理图如图2-9所示。①②③④⑤⑥

数字显示

信号处理电路

光电盘

指示光栅

光电元件

聚光镜

光源

图2-9光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图2-9）。2.光电式脉冲编码器的组成

光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。指示光栅也用玻璃材料研磨抛光制成，上刻有相差1/4节距的两个窄缝，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，可以求出速度。3.工作原理(a)(b)(c)图2-10增量式编码器的工作原理光源光电盘光电元件两个光电元件DA和DB的相位相差900，其产生的信号，经过整形，成为两列方波信号，根据先后顺序，可以判断圆光栅的正反转。若A超前，则正转，若B超前，则反转。光电脉冲编码器还每转由DC产生一个脉冲信号。数控车床车螺纹时，可将这种脉冲信号当作车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证车削螺纹不乱扣。增量式编码器的缺点是易受噪声或干扰的影响。但由于它具有制造方便，线路简单，测量范围广等优点，在精度要求不高，或旧机床改造等场合可得到应用。绝对式编码器可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以光电式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。

二、绝对式脉冲编码器

1.二进制码盘

白的部分代表0，黑的部分代表1，里环是高位，外环是低位，按二进制8421BCD规则编码。图2-11二进制编码盘23222120000000010010001101000101011001111000111111101101110010111010100123222120图2-12二进制编码盘工作原理图当检测对象带动码盘一起转动时，光电元件和码盘的相对位置发生变化，从内到外四个感光元件将会出现有光照或无光照两种情况。有光照时该感光元件设为“0”；反之，为“1”。如果码盘逆时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出为：0000、0001、0010……1111。反之，为：1111、1110、1101……0000。由上述分析可知，四位二进制编码盘的分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。2葛莱编码盘葛莱编码盘的结构原理图如图2-13所示。白的部分代表0，黑的部分代表1，里环是高位，外环是低位。不按8421BCD规则编码。图案的切换只用一位数（二进制），所以能把读误控制在一个单位之内，可靠性高。图2-13葛莱编码盘0000000100110010011010001001101110101110111111011100010001010111103267589111014151312423222120输出二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。例如，二进制码1101（13）对应的葛莱码为1011（11），其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）

三、编码盘的特点根据结构，编码盘可分为接触式、电磁式和光电式。

1.接触式编码盘其优点是简单，体积小，输出信号强，不需放大；缺点是存在电刷的磨损问题，故寿命短，转速不能太高，而且精度受到最高位分段宽度的限制。如要求位数更多的话，可用两个编码盘构成组合码盘，如用两个6位编码盘组合起来，一个做粗测，一个做精测，精盘转一转，粗盘最低位刚好移过一个，这样就相当于得到了与12位相当的码盘。

2.

光电编码盘其优点是无接触磨损，寿命长，允许转速高，可实现的精度高。缺点式结构复杂，价格高，光源寿命短。

3.电磁式编码盘其优点是是无接触的编码码盘，具有寿命长，允许的转速高，精度可达到很高。10月13日

§2.5光栅检测装置光栅是利用光的透射、干涉现象制成的光电检测元件，可以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。一、光栅的结构光栅可分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1μm以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。反射光栅是采用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成。透射光栅是采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅条纹而成。图2-13直线光栅的照片图2-14光栅构成的原理图栅距(P)国内机床上一般采用100、200线/mm直线光栅通常由长、短两块配套使用，长的称为标尺光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅，装在机床固定部件上。测量时它们相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的间隙。光源聚光镜标尺光栅(装在移动部件上)指示光栅(装在固定部件上)光电元件(把光信号转变为电脉冲信号)P1P2P3P4图2-15光栅检测装置的原理图二、工作原理光栅测量时,标尺和指示两光栅保持0.05~0.1mm的间隙，并使刻线相互倾斜一个小角度θ，由于光的衍射作用，就会产生明暗相间的干涉条纹，称为莫尔条纹。当两光栅相对移动时，莫尔条纹也移动，但两者的移动方向垂直。光栅移动一栅距P时，莫尔条纹移动一个节距W。因此通过测定莫尔条纹移动的数目，可以测出光栅移动的距离。P

W图2-16莫尔条纹指示光栅标尺光栅

PW莫尔条纹的特点：

1.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，

(rad)为光栅线纹之间的夹角，则有

若光栅节距P取0.01mm，刻线倾角θ=0.001rad

时，则莫尔条纹的宽度W=10mm，其放大倍数为1000，可见莫尔条纹有放大作用。2.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。

3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹移动一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。

三、光栅测量装置的位移－数字转换系统P1

P2

P3

P4

指示光栅

标尺光栅硅光电池

聚光镜

光源

图2-17光栅测量系统

P1、P2、P3、P4产生的信号相位彼此相差90o。P1、P3信号是相位差180o的两个信号，接差动放大器放大，得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得到余弦信号。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差动放大器

差动放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B方波

A方波

D

C正弦信号余弦信号B′A′C′D′图2-18四倍频辨向电路正向脉冲反向脉冲为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号正向：A'B+AD'+C'D+B'C反向：BC'+CD'+A'D+AB'正弦余弦ABCD正向反向A′B′C′D′图2-18波形图

A、B、C、D信号经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′正弦和余弦信号经整形变成方波A和B在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。正向：A'B+AD'+C'D+B'C反向：BC'+CD'+A'D+AB'二、光栅检测的特点（1）由于光栅的刻线可制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此栅距误差对测量精度误差影响较小;也可采用倍频的方法来提高分辨精度，所以测量精度高。（2）在检测过程中，标尺光栅和指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度保持性好。（3）光栅刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾角都要求保持不变，故制造调试比较困难，对工作环境要求高。§2.3磁尺位置检测装置

磁尺又叫磁栅,是一种采用计算磁波数目来测量位置的元件。其优点是精度高，复制简单，安装方便等。在油污、粉尘较多的场合使用有较好的稳定性。一、组成和原理

该装置由磁性尺、读取磁头和检测电路组成。图2-19磁尺位置检测的框图将磁信号转变为电信号记录磁头转化的一定节距的磁化信号图2-19磁尺的照片

磁性标尺是在非导磁材料上用涂敷、化学沉积或电镀上一层10~20μm厚的硬磁材料，并在他们表面上录制相等节距周期变化的磁信号，有平面实体型磁尺、带状磁尺、线状磁尺、圆型磁尺。二、磁性标尺框架磁头带状磁尺磁尺磁头磁头磁盘/4(a)带状磁尺(b)线状磁尺(c)圆型磁尺图2-20常用的磁尺三、磁头

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。图2-21磁头的结构原理图磁性膜输出信号U拾磁绕组激磁绕组激磁电源磁头铁芯基体磁尺

0X

U—拾磁线圈的感应电压；U0—感应电压系数；

—磁尺变化信号节距；x—磁头相对磁尺的位移；

—激磁电流的角频率。为了辨别磁头在磁标尺上的移动方向，常采用两组磁头。A磁头B磁头图2-22双磁头测量的原理图i1i2U2U1磁尺使用单个磁头的输出信号很小，实际使用中，将几十个磁头都以相同的间距λm/2配置，相邻两磁头的输出绕组反向串接。因此输出信号为各磁头输出的叠加。多间隙磁头具有高精度、高分辨率、输出电压大等优点。磁尺磁头U(a)(b)输出电压Un=3

m/2O

m/2图2-23多间隙磁头测量的原理图

四、磁栅测量电路的工作方式磁尺检测是模拟测量，必须和检测电路配合才能检测，检测方法有鉴相式和鉴幅式两种。1.鉴相式测量检测电路振荡器2MC分频器

400低通滤波器功放功放90º移向器限幅放大整形可逆计数器检相内插电路求和电路带通滤波器SSNNSSS