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数控技术,2010-8-30,数控机床讲课,第一讲第二讲第三讲第四讲数控机床的发展第五讲数控检测系统第六讲第七讲第八讲第九讲第十讲、第十一讲第十二讲第十三讲第十四讲第十五讲,第十六讲第十七讲第十八讲第十九讲第二十讲第二十一讲第二十二讲第二十三讲第二十四讲第二十五讲、第二十六讲第二十七讲第二十八讲第二十九讲第三十讲,数控技术的发展,第四讲,15机床数控技术的发展,数控机床综合应用了当代最新科技成果而发展起来的新型机械加工机床。40年来数控机床在品种、数量、加工范围与加工精度等方面有了惊人的发展，大规模集成电路和微型计算机的发展和完善，使数控系统的价格逐年下降而精度和可靠性却大大提高。数控机床不仅表现为数量迅速增长，而且在质量、性能和控制方式上也有明显改善。目前，数控机床正朝着以下几个方面发展。,1)数控技术的发展1数控技术的发展史从1952年世界上第一台数控铣床问世至今50多年中，随着微电子技术的不断发展，特别是计算机技术的发展，数控系统经历了从硬线数控到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机平台的数控共五代的发展。(1)1952年美国研制出第一代数控机床，其数控系统采用电子管、继电器、模拟电路组成，体积庞大，价格昂贵。,(2)1959年数控系统中开始广泛采用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。第二代数控系统体积缩小，成本有所下降。从1960年开始，其他一些工业国家如德国、日本等都陆续开发、生产并使用了数控机床。,(3)1965年出现了小规模集成电路，数控系统发展到第三代。第三代数控系统不仅体积小、功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降。1967年，英国首先把几台数控机床联结成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统(FMS)；之后，美国、日本也相继进行了开发和应用。以上这三代数控系统主要由电路的硬件和连线组成，称为硬线数控系统，具有很多硬件和连线特点，电路复杂，可靠性不高。装有这类数控系统的机床称为普通数控机床(NC)。,(4)随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，小型计算机开始取代专用数控计算机，使数控系统进入了以小型计算机化为特征的第四代，数控的许多功能由软件程序来实现。1970年，这种系统首次出现在美国芝加哥国际机床展览会上。,(5)1974年，以微处理器为核心的数控系统问世，标志着数控系统进入第五代。30多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速的发展和广泛的应用。第四、五代数控系统主要由计算机硬件和软件组成，通常称为计算机数控系统(CNC)；又由于其利用存储在存储器里的软件控制系统工作，因此也称为软件数控系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。,数控系统经过50多年的不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比越来越好。以FANUC为例，1991年开发成功的FS15系统与1971年开发的FS220系统相比，体积只有后者的1/10，加工精度提高了10倍，可靠性提高了30倍以上。新一代数控系统技术水平的提高，促进了数控机床性能的提高：数控机床的控制轴数已从单轴的点位控制、两轴联动发展到五轴以上的联动；许多数控机床具有自适应控制、自动检测、软件精度补偿、自动换刀、自动交换工件、动态加工图像显示、现场编程、机床故障自诊断等功能；某些机床还带有自动监控刀具破损、磨损、切削振动、主轴功率超载监控等装置。,2数控机床和数控系统的发展趋势1)高速化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速切削可以减小切削深度，有利于克服机床振动、降低传入零件的热量及减小热变形，从而提高加工精度，改善加工表面质量。新一代高速数控机床的车削和铣削的切削速度已达到50008000m/min以上，主轴转速在30000r/min以上(有的高达100000r/min)，数控机床能在极短时间内实现升速和降速，以保持很高的定位精度；工作台的移动速度，在分辨率为1m时，可达100m/min以上，在分辨率为0.1m时，可达240m/min以上；自动换刀时间在1秒以内，工作台交换时间在2.5秒以内，并且高速化的趋势有增无减。目前，数控系统采用更高位数、频率的处理器，以提高系统的运算速度；采用超大规模的集成电路和多微处理器机构，以提高系统的数据处理能力；采用直线电机直接驱动工作台的直线伺服进给方式，使其高速度和动态响应特性相当优越；为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴的一体化；主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式；目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。,2)高精度化数控系统带有高精度的位置检测装置，并通过在线自动补偿(实时补偿)技术来消除或减少热变形、力变形和刀具磨损的影响，使加工一致性的精度得到保证，进一步提高了定位精度。普通数控加工的尺寸精度通常可达5m，精密级加工中心的加工精度通常可达1m，最高的尺寸精度可达0.01m。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出新的要求。新材料、新零件的出现以及更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，是适应现代科技必由之路。,3)多功能化数控机床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，加工中心的出现打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工。现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，减少了在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。近年来，又相继出现了许多跨度更大的功能集中的超复合化数控机床。4)智能化随着人工智能在计算机领域中的应用，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，使新一代数控系统具有自动编程、模糊控制、前馈控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统，使自诊断和故障监控功能更加完善。,5)高柔性化数控机床在提高单机柔性化的同时，正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。柔性制造系统(FMS)是一种在批量生产下，高柔性和高自动化程度的制造系统，它综合了高效、高质量及高柔性的特点，解决了长期以来中小批量以及中大批量、多品种产品生产自动化的技术难题。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现了数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。,6)可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的指标。数控系统继续向高集成度方向发展，以减少元器件的数量来提高可靠性，同时使系统更加小型化、微型化；利用多CPU的优势，实现故障自动排除，增强可靠性。此外，数控机床也在朝着模块化、专门化、个性化方向发展。数控机床结构模块化，以适应数控机床多品种、小批量加工零件的特点；数控功能专门化，以使机床性能价格比显著提高；个性化也是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。,先进制造系统简介,1数字控制系统数字控制系统(DNC系统)是用一台计算机直接控制多台机床进行零件加工或装备的系统，又称群控系统，它在20世纪60年代末开始出现。在DNC系统中，基本保留了原来各数控机床的CNC系统，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现了分级控制管理。DNC系统具有如下特点：具有计算机集中处理和分时控制的能力；具有现场自动编程和对零件程序进行编辑和修改的能力，使编程与控制相结合，而且零件程序存储容量大；具有生产管理、作业调度、工况显示监控和刀具寿命管理的能力。,1)间接型DNC系统间接型DNC系统配有集中管理和控制的中央计算机，并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加有通信接口，如图1-8所示。各机床的数控装置依然承担着原来的控制功能，中央计算机配备的大容量外存储器中存放着每台数控机床所需的零件加工计划和加工程序，可适时调至计算机的内存中。计算机根据需要以中断方式向发出请求的某台数控机床的通信接口传送所需的加工程序。间接型DNC系统比较容易建立，由于机床的数控装置未简化，硬件成本较高。,2)直接型DNC系统在直接型DNC系统中，数控机床不再配备数控装置，只需配置一个简单的机床控制器(MachineControlUnit，MCU)，用于数据传输、驱动控制和手工操作，原来由数控装置完成的插补运算由中央计算机或接口电路完成，如图1-9所示。直接控制型DNC系统的数控机床，其控制功能主要由计算机软件执行，所以灵活性大，适应性强，可靠性也比较高，但是投资比较大。,2.柔性制造系统,柔性制造系统(FMS)是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统，它具有多台制造设备，由一个物料运输系统将所有设备连接起来，由计算机进行高度自动的多级管理与控制，对一定范围内的多品种、中小批量的零件进行制造。一个柔性制造系统的加工对象的品种为5300种，其中30种以下的居多。柔性制造系统中的多台设备不限于切削加工设备，可以是电加工、激光加工、热处理、冲压剪切等设备，也可以是上述多种设备的综合。组成设备的台数并无定论，一般认为由5台以上设备组成的系统才是FMS。由于物料运输系统可将所有设备连接起来，因此柔性制造系统可以进行没有固定加工顺序和无节拍的随机自动制造。FMS系统能够进行的功能有：作业调度、零件程序选择、工夹具管理、刀具破损或磨损检测、托盘交换、自动检测、诊断检查等。,FMS的构成框图,加工子系统,物流子系统,信息流子系统,一般认为FMS应由加工、物流、信息流三个子系统组成。,1)加工子系统加工系统可以由FMC(柔性制造单元)组成，但大多数由CNC机床按DNC控制方式构成，可以实现自动更换刀具和工件并自动进行加工。,2)物流子系统物流系统包括工件和刀具两个物流系统，还包括工件和夹具的输送、装卸以及仓储等装置。系统设有中央刀库，由工业机器人在中央刀库与各机床的刀库之间进行输送和更换刀具，工件和夹具的存储仓库多用立体仓库，由仓库计算机进行管理和控制；进行输送时大多使用有轨小车或无轨小车，小车的行车路线由电缆或光电引导。,3)信息流子系统信息流系统包括加工系统及其物流系统的自动控制、在线状态监控及其信号处理以及在线检测和处理等。柔性制造系统由于解决了零部件的存放、运输以及等待时间，生产效率大大提高；由于装夹、测量、工况监控、质量控制等功能的采用，使机床的利用率由单机的50%提高到80%，而且加工质量稳定。使用柔性制造系统的行业主要集中在汽车、飞机、机床、拖拉机以及某些家用电器行业。由于FMS的加工对象、生产规模以及系统物流与功能的不同，其总体结构形式的差异很大。,对FMS，计算机系统一般分为三级，第一级为主计算机，又称为管理计算机。管理计算机根据调度作业命令或根据现场反馈信号（如故障、报警信号）运行。作业调度软件”，实现各种工况的作业调度计划并对下一级计算机发出相应的控制指令；第二级为过程控制计算机，包括计算机群控（DNC）、刀具管理计算机和工件管理计算机，其作用是接受主计算机的指令；根据指令对下属设备实施具体管理；第三级由各设备的控制计算机构成实现具体的程序动作。,图1-10托盘交换式FMC示意图,1.5数控技术的发展趋势,国产数控机床进入成熟期,可供1500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，领域之广，可与美、日、德、意并驾齐驱。五轴联动数控机床-CIMT2003展出了18台数控五轴联动机床。数控超重型机床如，16米的数控立式车床已生产5台。加工中心-近年发展较快，约有40家生产，今年将有两家产量超过千台，3家产量超过500台。数控车床产量世界第一。今年将有两家产量超过3000台，2-3家产量超过2000台。但主要为低挡经济型。数控齿轮加工机床-是我国机床产品强项之一。,机床是装备制造业的装备制造业。数控机床是实现装备制造业现代化的基础装备，关乎到国家竞争力高低。五轴（及以上）联动数控机床，一直被西方列入对我禁运的战略物资。八十年代轰动全球的东芝事件即由此引发，美国考克斯反华报告则把我国进口五轴数控机床列为盗窃美国军事机密。,思考与练习,1数控机床的基本组成有哪些?2数控机床加工的特点有哪些?3按系统特点分类。数控机床可分为哪些类型，各有何特点?4什么叫半闭环伺服系统?5数控机床的坐标系是如何规定的?6什么是数控机床的坐标联动，联动的种类有哪些?7敖控机床的坐标系各个轴的正方向是如何确定的?8数控编程的基本步骤有哪些?9数控机床数值计算中的基点、节点是什么含义?10数控技术的未来发展趋势是什么?,第四讲到此结束同学们，再见。,机床的检测系统,第五讲,机床的检测系统,2010-9-13,1。数控检测系统在数控机床中的地位。从下图可以看出，数控检测系统是数控技术中的一个重要环节。要实现自动化的高精度的机加工，没有检测系统是无法完成加工的。数控机床检测元件的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。,21数控检测系统概述传感器有信息检测与将检测到的信号转换为电信号两大功能。关于传感器的作用，以图2-1所示的数控车床为例进行说明。（1）工作状态，在检测车刀位置的同时，用光传感器进行监视。（2）刀尖的形状对工作尺寸、表面精度等影响最大，用安装在车刀上的振动传感器检测车刀的磨钝程度，用振动的状态来监视。（3）车床所用的润滑油，液压系统的油量，是能源的一部分，这种油量通过液面传感器进行监视。,这些传感器的信息，是作为电信号或电信号元来输出的。这一电信号元可用传感器检测出来，若要使它符合控制机械等对象的要求，需如图2-2所示的那样，将信号调理成更为合适的形状。这一处理也称为“信号加工”，属于传感器使用技术的一部分。,对于位置精度要求不高的数控设备，开环系统即可满足要求当位置精度要求较高时，均应采用闭环系统。位置闭环控制系统采用一个或多个位置检测装置测出工作机构的实际位置，并将实际位置输入计算机和预先给定的理想位置相比较，得到一个差值，根据差值，计算机向伺服系统发出相应的控制指令。伺服电动机带动工作机构向理想位置趋近，直到差值为零时，工作机构停止动作。显而易见，位置检测元件是闭环控制系统中的重要组成元件。,数控机床检测元件的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。数控机床对检测元件的主要要求是：（1）寿命长，可靠性要高，抗干扰能力强。（2）满足精度和速度要求。（3）使用维护方便，适合机床运行环境。（4）成本低。（5）便于与电子计算机连接。数控机床全部采用电传感器性质位置检测元件，即能将被测对象的位置变化量转换成电信号经数字化处理后再送入计算机。,位置检测装置的分类,1.按输出信号的形式分类：,数字式:,模拟式:,将被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲。,将被测量以连续变化的物理量来表示（电压相位/电压幅值变化）,2.测量基点的类型分类:,增量式：,绝对式：,只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。,测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。,3.按位置检测元件的运动形式分类：,回转型:,直线型:,测量直线位移,测量角位移,常用位置检测装置分类表,2.2检测元件介绍,2。2。1.脉冲编码器2。2。2.旋转变压器2。2。3.光栅2。2。4.测速发电机2。2。5.感应同步器2。2。6.,2。2。1.脉冲编码器,旋转编码器又称之为脉冲编码器，也有叫码盘。脉冲编码器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。脉冲编码器是将发光二极管和光电三极管组合而成的。由于其输出为数字信号，因此不仅可以很容易地测得转速，而且也可以容易地测得旋转角位移（位置信息），适用于速度控制和位置控制同时进行的场合。编码器通过检测脉冲信号来检测角度或转速，在数控机床上属间接测量，它通常与驱动电动机同轴安装，驱动电动机可以通过齿轮箱或同步齿形带驱动丝杠，也可以直接驱动丝杠。编码器随着电动机旋转时，可以连续发出脉冲信号，例如电动机每转一圈，脉冲编码器可发出2000个均匀的方波信号，数控系统通过对该信号的接收、处理、计数即可得到电动机的旋转角度，从而算出当前工作台的位置。目前，编码器每转可发出数百至数万个方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。,编码器检测方式的特点是：,（1）检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。（2）由于光电变换器性能的提高，可得到较快的响应速度。（3）由于照相腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，母盘制作后，复制很方便，且成本低。（4）抗污染能力差，容易损坏。分类：按码盘的读取方式可分为：光电式、接触式电磁式。就精度与可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其他两种。数控机床上使用光电式脉冲编码器。按照编码的方式，可分为增量式和绝对值式两种。,数控机床上最常用的脉冲编码器见表2-1,1。绝对值式编码器,绝对值式编码器结构如图2-3所示，该编码器是将动光栅盘按分辨率的位数划分成一系列同心圆，并将各同心圆的圆周按2、4、8、16的方式进行等分（构成编码盘），在此类传感器中都会配有与同心圆数相等的发光二极管及光敏二极管，其输出为脉冲式编码信号。无论编码盘是否转动，它都会并行输出动光栅盘当前角度所对应的绝对位置的编码信号。这类编码器都具有与分辨率位数相等的数字输出信号线。在绝对式旋转编码器中，电源电压为DC1026V、分辨率最高可达2048脉冲/圈（11位编码）；在增量式旋转编码器中。电源电压为DC530V、分辨率最高可达109000脉冲/圈。,绝对值式编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值。特别是在定位控制应用中，绝对值式编码器减轻了电子接收设备的计算任务，从而省去了复杂的和昂贵的输入装置。而且，当机器合上电源或电源故障后再接通电源时，不需要回到位置参考点，就可利用当前的位置值。在功能上，单圈绝对值式编码器把轴细分成规定数量的测量步，最大的分辨率为13位，这就意味着最多可区分8192个位置（213）。多圈绝对值式编码器不仅能在一圈内测量角位移，而且能利用多步齿轮测量圈数。多圈的圈数为12位，也就是说最大4096圈可以被识别，总的分辨率可达到25位或者33554432个测量步数。并行绝对值式旋转编码器传输位置值到估算电子装置通过几根电缆并行传送。,1。1工作原理,编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。图2-4所示为四码道接触式二进制编码盘结构及工作原理图，图中黑的部分为导电部分表示为“1”，白的部分为绝缘部分表示为“0”.四个码道都装有电刷，最里一圈是公共极，由于四个码道产生四位二进制数，码盘每转一周产生00001111十六个二进制数，因此将码盘圆周分成十六等份。当码盘旋转时，四个电刷依次输出十六个二进制编码00001111，编码代表实际角位移，码盘分辨率与码道多少有关，为：,1.2为什么要采用格雷编码盘?,二进制编码器主要缺点是码盘盘上的图案变化较大，在使用中容易产生较多的误读。经改进后的结构如图2-4（b）所示的格雷编码盘，它的特点是每相邻十进制效之间只有一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数（二进制的位）进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。,例如，当电刷由位置0111向位置1000过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8到15之间的任一个十进制数。为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘(格雷码盘),1。3绝对式脉冲编码器的特点增量式编码器有可能发生由于噪声或其他外界干扰产生的计数错误；因停电、刀具破损而停机；事故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对值式编码器可以克服这些缺点。绝对式脉冲编码器的特点有：（1）角度坐标值可从绝对编码盘中直接读出。（2）不会有累积近程中的误计数。（3）允许的最高旋转速度较高。（4）编码器本身具有机械式存储功能，即使因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。（5）其缺点是为提高精度和分辨率，必须增加码道数；而且当进给转数大于一转时，需作特别处理。组成多级检测装置就必须用减速齿轮将以上的编码器连接起来，使其结构复杂、成本高。,1.4绝对编码器举例:,四位编码盘，其分辨角360/2422.5。如用n位编码盘，即分辨角360/2n，所以n越大，分辨角度就越小，精确度也就越高。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，而光电式码盘可做到18位二进制。,第五讲到此结束。下一讲：增量脉冲编码器,增量式脉冲编码器,2010-9-13,第六讲,信号处理装置,2。增量式脉冲编码器,增量式旋转编码器的结构如图2-5所示。当动光栅盘与固定接收光栅板之间有光透过时，两处栅缝可产生1/4间距的相位差，通过两相输出可以判定旋转的正、反方向。为了使动光栅盘在转动一周时能发出一个归零信号，动光栅盘上还刻有零点栅缝，通过它可以检测机器的原点并对检测电路的计数来检测轴的旋转角度，因此它能对旋转量作无限制地计数，这是此类传感器的一个显著特点。,2.1增量式光电脉冲编码器工作原理,增量式光电脉冲编码器亦称光电码盘、光电脉冲发生器等。轴的每圈转动，增量式编码器提供一定数量的脉冲。周期性测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来确定移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出脉冲之间相差为90o，能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号，因此可用来实现双向的定位控制。另外，三通道增量式旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。,信号处理装置,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。,2.1增量式光电脉冲编码器工作原理2,输出信号的作用及其处理:,码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号,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）。,信号处理装置,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。,信号处理装置,双通道编码器输出脉冲之间相差为90o，能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号，因此可用来实现双向的定位控制。三通道增量式旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。,2.2增量编码器的辨别转动方向,光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射来的忽明忽暗的光信号（近似于正弦信号）转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计量脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率即可测出工作轴的转速。如果将其输出的脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。从光栏板上两条狭缝中检测的信号A和B是具有90。相位差的两个正弦波，这组信号经放大器放大与整形，输出波形如图2-7所示。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。1)若A相超前于B相，对应电动机正转；2)若B相超前A相，对应电动机反转。3)若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。,2.3增量编码器采用四倍频以提高分辨率,从信号A和信号B的上升沿和下降沿均取一个脉冲，则每转所检测的脉冲数为原来的四倍，称为四倍频。例如，选用配置2000pr光电编码器的电动机直接驱动8mm螺距的丝杠，经数控装置四倍频处理，可达8000pr的角度分辨率，对应工作台0.001mm的分辨率。四倍频信号的获取波形如图2-8所示，每一个上升沿和下降沿都产生一个脉冲。,再说一次应用:当利用脉冲编码器的输出信号进行速度反馈时，可经过频率一电压转换器（FV）变成正比于频率的电压信号，作为速度反馈，供给模拟式伺服驱动装置。对于数字式伺服驱动装置则可直接进行数字测速。,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：伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为n线/转：,65,光电编码器需解决的两个问题：1、正反向辨别2、掉电位置记忆,为了测量出转向，光澜板的两个窄缝距离比编码器两个窄缝之间的距离小1/4节距，使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。如果将其输出的脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。增量式光电编码器可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移量和直线位移量。,66,2.4增量编码器的应用举例,Z相产生的脉冲叫基准脉冲，也叫零点脉冲。在数控车床主轴末端通常就使用增量式光栅编码器，来检测主轴的位置，以保证切削螺纹时不会乱扣。例如：JCJK6146型数控车床主轴编码器就采用增量式光栅编码器LF-90BM-CO5D；MJ-520数控车床主轴编码器采用的是Y615-720型增量式圆光栅编码器。此外，增量式光栅编码器也可以用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。,编码器的应用,在数控机床上光电脉冲编码器常用于数字比较的伺服系统中作为位置检测装置。将检测信号反馈给数控装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有两种方式：1)是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；2)是适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。,241转速测量,编码器与电动机轴相连，每转一转，便发出一定数量的脉冲，数字控制系统通过计数器对脉冲的频率和周期进行测量，便可算出转速值。,242转向判别,编码器的输出有A、B两组互差90的方波脉冲（见图12-2），用以判别旋转方向；正转时，位置角A增大，在脉冲B前沿出现时，A=1，转速值为正；反转时，位置角A减小，在脉冲B前沿出现时，A=0，转速为负。,如图2-9-1所示，通过给出该方式的电路图，图2-9-2给出了波形图，简要介绍其工作过程。脉冲编码器的输出信号A、A、B、B经差分、微分、与非门C和D，由RS触发器（由1、2与非门组成）输出方向信号，正走时为“0”，反走时为“l”。由与非门3输出计数脉冲。,如图2-9-2所示，正走时，A脉冲超前B脉冲，D门在A信号控制下，将B脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输出，为负脉冲。该脉冲经与非门3变为正向计数脉冲输出。D门输出的负脉冲同时又将触发器置为“0”状态，Q端输出“0”，作为正走方向控制信号。反走时，B脉冲超前A脉冲。这时，由C门输出反走时的负计数脉冲，该负脉冲也由3门反向输出作为反走时计数脉冲。不论正走、反走，与非门3都为计数脉冲输出门。反走时，C门输出的负脉冲使触发器置“1”，作为反走时方向控制信号。,倍频电路,把一组脉冲前后沿微分，再通过或门合成，可获得2倍频脉冲，把2组都微分再经或门综合得4倍频，如图12-3所示。每转脉冲数越多，测量精度越高，编码器制造越麻烦，因此在控制器的编码器输入端通常都接有倍频电路，以减少每转脉冲数以获取较高的频率，倍频倍数为1、2或4任选。,同学们，第6讲到此结束。下一讲是另一种常用的检测元件-光栅传感器,光栅,第七讲,光栅是用于检测沿光栅尺运动的物体速度或移动距离的传感器。它以发光二极管为光源。通过在光栅尺上按固定间隔排列的栅缝断续地将光照射到对面的光敏二极管上，再通过对光敏二极管接收的脉冲信号进行计数，来检测物体的移动距离。有的光栅尺的分辨率可以达到08nm。,用光栅尺检测物体的运动速度时，常采用增量方式，通过在固定时间内对光敏二极管接收的脉冲进行计数来测量物体运动的速度。在图2-10所示的光栅尺中，通过在固定栅板上配置两个能产生14间距相位差的栅缝，可以得到两相脉冲输出信号，通过对其相位差的检测，还能判断物体的移动方向。,3.光栅,光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射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1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。光栅尺的结构直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,78,检测的工作原理：工作原理：,如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为摩尔条纹。,79,检测的工作原理：工作原理：,当两光栅尺沿与刻线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动，当光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个节距。这样只要通过光电元件检测出莫尔条纹移动的数目和方向，就可以知道光栅移过了多少个栅距和移动的方向。,若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。,光栅测量系统：,光栅测量系统如图所示。由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。,81,光栅检测的工作原理：,1直线透射光栅的组成光栅位置检测装置由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电接收元件等组成，如图2-14所示。长光栅安装在机床固定部件上，长度相当于工作台移动的全行程，短光栅则固定在机床移动部件上。长、短光栅保持一定间隙（005-01rnm）重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小角度。光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，是一个单独的部件。图2-14中的标尺光栅不属于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证与指示光栅有准确的相互位置关系。光栅读数头还有分光读数头、垂直入射读数头和镜像读数头等几种。,2莫尔条纹的产生和特点若光源以平行光照射光栅时，由于挡光效应和光的衍射，在与线纹垂直方向，更确切地说，在两块光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上，出现了明暗交替、问隔相等的粗大条纹，称谓“莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹，如图2-15所示。图2-16所示为两种不同的莫尔条纹(横向和圆形莫尔条纹),横向莫尔条纹有以下特点：1.放大作用用B（mm）表示莫尔条纹的宽度，W(mm)表示栅距，为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有莫尔条纹宽度B与角成反比，越小，放大倍数越大。例:,若W=0.01mm，通过减小角，将莫尔条纹的节距调成l0mm时，其放大倍数相当于1000倍（1：BW）。因此，不需要经过复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了1000倍，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。,2.平均效应莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米100线的光栅，l0mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成。因而对个别栅线的间距误差（或缺陷）就平均化了，这在很大程度上消除了短周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。,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W时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度B。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。,莫尔条纹的移动规律。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例，当光栅向左或向右移动一个栅距W，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距B。莫尔条纹的移动还具有以下规律：若标尺光栅不动，将指示光栅逆时针方向转一很小的角度（设为+）后并使标尺光栅向右移动，则莫尔条纹便向下移动；反之当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹向上移动。若将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度（设为-）后，当标尺光栅向右移动时，莫尔条纹向上移动；反之标尺光栅向左移动，莫尔条纹向下移动。,直线光栅的辨向,1.光栅的辨向1采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，但不能辨识运动的方向，为了确定运动方向，至少要有两个光电元件，如图2-17（b）所示。安装两个相距W4的隙缝S1和S2。通过S1和S2的光束分别为两个光电元件所接受，当光栅移动时，莫尔条纹通过两个缝隙的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差900。至于哪个超前，则决定于标尺光栅Gs的移动方向如图2-17（c）所示，当标尺光栅G5向右移动时，莫尔条纹向上移动，隙缝s的输出信号波形超前14周期；若G向左移动时，莫尔条纹向下移动，隙缝s-的输出信号超前14周期。根据两缝隙输出信号的超前或滞后，可以确定标尺光栅G移动的方向。,2光栅的测量系统,光栅测量系统如图2-18（a）所示，由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成，信号处理电路又包括放大、整形和鉴相倍频。假定开辟了一个小窗口来观察莫尔条纹变化规律，会发现当指示光栅沿标尺光栅连续移动时，莫尔条纹光强变化规律近似正弦曲线（波形），而实际上这个观测窗口的任务是由一个光敏元件来完成的。通常，光栅测量中的光敏元件常使用硅光电池，它的作用是将近似正弦的光强信号变为同频率的电信号（波形）。但由于硅光电池产生的电信号较弱，所以经差动放大器放大到幅值足够大（16V左右）的同频正弦波（波形），再经整形器变为方波（波形）,由此可以看出，每产生一个方波，就表示光栅移动了一个栅距。最后通过鉴相倍频电路中的微分电路变为一个窄脉冲（波形）。这样，这变成了由脉冲来表示栅距，而通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。,当然鉴相倍频电路的作用不仅于此，它还起到辨别方向和细分的作用。,234提高分辨率的措施,为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻线密度达200条rllm以上的细光栅刻线制造比较困难，成本较高。因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，如图2-19所示，采用四倍频方案。光栅刻线密度为50条mm，采用4个光电元件和4个隙缝，每隔l4光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。,当指示光栅与标尺光栅相对移动时，硅光电池接受到正弦波电流信号这些信号送至差动放大器，再经过整形，使之成为两路正弦及余弦方波。然后经微分电路获得脉冲，由于脉冲是在方波的上升沿产生，为了使0。、90。、180。、270。的位置上都得到脉冲，所以必须把正弦和余弦方波分别各自反相一次，然后再微分这样可得到4个脉冲。为了辨别正向和反向运动可用一些与门把四个方波+sin，一sin，+COS及一COS（即A、B、C、D）和四个脉冲进行逻辑组合。当正向运动时，通过与门Y。Y及或门Hl得到AB+AD+CD+BC四个脉冲输出，当反向运动时通过与门Y。Y。及或门H2得到BC+AB+AD+CD四个脉冲输出。其波形如图2-19（b）所示，这样虽然光橱橱距为002mm，但四倍频后，每一脉冲都相当于5pm即分辨精度提高了四倍。此外，也可采用八倍频、十倍频、二十倍频及其他倍频线路。,圆光栅,圆光栅工作原理与直线光栅的工作原理相同,测速发电机及旋转变压器,第八讲,95,1）分类：线速度型角速度型2）常用的速度传感器：测速发电机脉冲编码器,4.测速发电机,结构与工作原理：由定子和转子组成,1）直流测速发电机,97,特点：输出电压与转速严格成线形关系；输出电势与转速比的斜率大。,2）交流测速发电机,U2的有效值E2为：,结构与工作原理：由定子和转子组成,5.旋转变压器,一、结构旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。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。,旋转变压器属于电磁式测量传感器，其输出电压随被测角位移或直线位移的变化而变化，从其测量方式来讲，属于模拟式测量。旋转变压器常用于数控机床中角位移的检测。具有结构简单、牢固，对工作环境要求不高，信号输出幅度大，以及抗干扰能力强等优点。但普通的旋转变压器测量精度较低，为角分数量级，在应用上受到一定限制。一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。使用中常通过增速齿轮和被测轴连接，以便提高检测精度，但其成本较高。,二、旋转变压器的工作原理,旋转变压器是一种角度测量元件，在结构上与两相绕线式异步小型交流电动机相似，由定子和转子组成。旋转变压器是根据电磁互感原理工作的，它在结构设计与制造上保证了定子与转子之间空气间隙内磁通分布呈正弦规律。其中定子绕组作为变压器的一次侧，为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400Hz、500Hz、3000Hz及5000Hz。转子绕组作为变压器的二次侧，是变压器的副边。当定子绕组加上交流励磁电压时，通过电磁耦合在转子绕组中产生的感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置，两者平行时互感最大，二次侧的感应电动势也最大；两者垂直时互感的电感量为零，感应电动势也为零。旋转变压器分为单极和多极。为了便于对旋转变压器工作原理的理解。先讨论一下单极工作情况。,U1,U1,U1,定子,转子,U2,U2,U2,1,=00,=1,=900,如图所示，定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压为，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即,旋转变压器在结构上保证了转子绕组中的感应电压随转子的转角以正弦规律变化。当转子绕组中接以负载时，其绕组中便有正弦感应电流通过，该电流所产生的交变磁通将使定子和转子间的气隙中的合成磁通畸变，从而使转子绕组中输出电压也发生畸变。为了克服上述缺点，通常采用正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组均由两个匝数相等且相互垂直的绕组构成，如图2-2l所示。,一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。若将定子中的一个绕组短接而另一个绕组通以单相交流电压u1=kUmsint，则在转子的两个绕组中得到的输出感应电压分别为(2-5)由于两个绕组中的感应电压恰恰是关于转子转角的正弦和余弦的函数，所以我们称之为正弦余弦旋转变压器。,三、旋转变压器工作方式,以正弦余弦旋转变压器为例若把转子的一个绕组短接，而定子的两个绕组分别通以励磁电压，应用叠加原理，可得到两种典型的工作方式。（1）鉴相工作方式。给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位相差/2的交流励磁电压，即（2）鉴幅工作方式。给定子的两个绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的：交流励磁电压，即其幅值分别为正、余弦函数,1）鉴相工作方式,给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位相差丌2的交流励磁电压，即(2-6)这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，并叠加在一起，因而转子中的感应电压应为这两个电压的代数和:(2-7)同理，假如转子逆向转动，可得(2-8)由式（2-7）、式（2-8）可以看出，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，我们只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴连接在一起的，故被测轴的角位移也就测得了。,2）鉴幅工作方式。,给定子的两个绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的：交流励磁电压，即(2-9)(2-10)其幅值分别为正、余弦函数(2-11)(2-12)则定子上的叠加感应电压为(2-13)同理，如果转子逆向转动。可得(2-14)由式（2-13）、式（2-14）可以看出：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。,在实际应用中，应根据转子误差电压的大小不断修改励磁信号中角（即励磁幅值），使其跟踪的变化。普通旋转变压器精度较低，为了提高精度，近来在数控系统中广泛采用磁阻式多极旋转变压器（又称细分解算器），简称多极旋转变压器，其误差不超过35”。这种旋转变压器是无接触式磁阻可变的耦合变压器。在多极旋转变压器中，定子（或转子）的极对数根据精度要求而不等，增加定子（或转子）的极对数。使电气转角为机械转角的倍数，从而可提高精度，其比值即为定子（或转子）的极对数。,108,位置检测元件分为接触式和接近式两种。接触式位置检测元件必须与被测物接触才能产生信号。如微动开关、行程开关等，而接近式无需直接接触，检测元件与被测物之间通过光电、电磁或超声波等获得信号，如电磁式接近开关。接触式可靠性高、寿命有限，用于限位;接近式无磨损、寿命长。,6、位置检测元件,感应同步器,本书中的-P60,第九讲,感应同步器是由旋转变压器演变而来的，它是利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙（0.25mm0.05mm），相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式，两者的工作原理基本上相同。感应同步器按被测量分两种：测量直线位移的称为直线型感应同步器；测量角位移的称为圆型感应同步器。圆型感应同步器由转子和定子组成。,直线型感应同步器由定尺和滑尺组成；,图2-22所示为直线型感应同步器结构示意图。,圆型感应同步器由转子和定子组成。,1）直线式感应同步器的结构：,节距2（2mm）,定尺,Sin,cos,滑尺,节距(0.5mm),感应绕组,正弦励磁绕组,余弦励磁绕组,滑尺,图2-23所示为直线型感应同步器的定尺和滑尺的绕组结构示意图。定尺为连续绕组，节距为式中，a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W=2mm。滑尺上为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，绕组可做成W形或U形。两者在空间错开14定尺节距（电角度错开90o）。两绕组的节距都为:,式中，a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1=W2或者