第六讲3.1 3.2感应同步器.ppt

第三章数控检测装置 一 检测装置的组成 作用及要求1 组成 检测元件 传感器 和信号处理装置 3 1概述 2 作用 实时测量执行部件的位移和速度信号 将信号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 3 要求在机床工作台移动范围内 能满足精度和速度的要求 二 检测装置的分类 一 被测物理量 位移 速度和电流 二 安装位置及耦合方式 直接测量和间接测量1 直接测量直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上 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 构成位置闭环控制 优点 准确性高 可靠性好缺点 测量装置要和工作台行程等长 在大型数控机床上受到一定限制 2 间接测量间接测量 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 测量方便 无长度限制 缺点 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 影响测量精度 例 位置传感器有直线式和旋转式两大类 若用直线式传感器测直线位移 用旋转式传感器测角位移 则该测量方式为直接测量 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值 再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移 则该测量方式为间接测量 间接测量示例 直接测量示例 光栅 三 测量方法 增量式测量 绝对式测量 增量式 只测量位移量 绝对式 对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起 每一个被测点都有一个相应的测量值 四 检测信号 数字式测量 模拟量测量数字式测量 被测的量以数字的形式来表示 测量信号为电脉冲 可以直接送入数控装置进行比较 处理 模拟式测量 模拟式测量是将被测量用连续变量来表示 如电压变化 相位变化等 数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量 如感应同步器的一个线距 2mm 内的信号相位变化等 五 运动形式 旋转型 直线型 六 信号转换的原理 光电效应 光栅效应 电磁感应 压电效应 压阻效应 磁阻效应等 直线型 用来检测运动部件的直线位移量旋转型 检测回转部件的转动位移量 三 位置检测装置 常见的位置检测装置 四 数控检测装置的性能指标及要求 检测装置 安放在伺服驱动系统中 所测物理量是不断变化的 传感器的测量输出必须能准确 快速的跟随反映这些被测量的变化传感器的性能指标 静态特性 动态特性主要如下 1 精度精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求2 分辨率分辨率 所能测量的最小位移量 应适应机床精度和伺服系统的要求 分辨率的提高 对提高系统性能指标 提高运行平稳性都很重要 3 灵敏度实时测量装置不但要灵敏度高 而且输出 输入关系中各点的灵敏度应该是一致的 4 迟滞迟滞 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不一致 数控系统的传感器要求迟滞小 5 测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求 并留有余地6 零漂与温漂零漂与温漂 反映了随时间和温度的改变 传感器测量精度的微小变化传感器的漂移量是其重要性能标志对检测装置还要求工作可靠 抗干扰性强 使用维护方便 成本低 3 2感应同步器 3 2 1感应同步器结构与类型感应同步器 20世纪60年代末发展起来的应用电磁感应定律把位移量转换成电量多极结构 在电与磁两方面均能对误差起补偿作用 所以具有很高的精度 感应同步器 结构类型 直线式和旋转式结构组成 固定和运动两大部分 直线式感应同步器 由定尺和滑尺组成 用于直线位移测量 旋转式感应同步器 由转子和定子组成 用于角位移测量 1 旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成 定子 转子 用不锈钢 硬铝合金等材料作基板 呈环形辐射状 定子和转子相对的一面都有导电绕组 绕组用铜箔构成 厚0 05mm 基板和绕组之间有绝缘层绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽层 铝箔或铝膜 转子绕组为连续绕组 定子上有两相正交绕组 sin绕组和cos绕组 做成分段式 两相绕组交差分布 相差90相位角 属于同一相的各相绕组用导线串联起来 2 直线感应同步器的结构 直线感应同步器是直线条形 由基板 绝缘层 绕组和屏蔽层组成 材料 采用与机床热膨胀系数相近的钢板或铸铁制成 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 保持一定间隙 定尺上是单向 均匀 连续的感应绕组定尺 滑尺绕组中相邻两有效导体间的距离分别为节距W2 W1 统称节距 用2 表示 常取2mm 节距代表测量周期绕组节距w2 w1 2 a1 b1 其中a1 b1分别为刀片宽度和间隙 滑尺的节距也可取w1 2w2 3 滑尺有两组绕组 一组为正弦绕组 另一为余弦绕组 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 11 为正弦绕组 22 为余弦绕组 定尺与滑尺之间的间隙为0 3mm左右 定尺比滑尺长 其中被全部滑尺绕组所覆盖的尺寸有效导体数称为直线感应同步器的极数 3 2 2感应同步器的工作原理1 感应同步器的工作原理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 滑尺上的绕组 励磁绕组定尺上的绕组 感应绕组 滑尺两段感应绕组相对于定尺绕组在空间错开1 4节距定尺固定在床身上 滑尺则安装在机床的移动部件上滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时 由于电磁感应 在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压 通过对感应电压的测量 可以精确地测量出位移量 在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压 定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势 其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化 滑尺移动一个节距 感应电动势变化一个周期 a点 定尺与滑尺绕组重合 这时感应电压最大 当滑尺相对于定尺平行移动后 感应电压逐渐减小 在错开1 4节距时 移到图中b点位置 感应电压为零 再移动至1 2节距处 即图中c点位置时 定尺线圈中穿出的磁通最多 感应电压最大 但极性相反 再移至3 4节距 即图中d点位置时 感应电压又变为零 当移动一个节距位置 e点 又恢复到初始状态 与a点相同 在滑尺移动一个节距的过程中 感应电压近似于余弦函数变化了一个周期 如图中abcde 感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的 感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线 在一个周期内 感应电压的某一幅值对应两个位移点 如图中M N两点 为确定唯一位移 在滑尺上与正弦绕组错开1 4节距处 配置了余弦绕组 若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压 也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线 它们之间为正弦函数关系 图中OP 若滑尺上的正 余弦绕组同时励磁 就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移 感应同步器的工作原理 电磁耦合原理 工作时 在滑尺上的绕组上通励磁电压 由于电磁耦合作用 在定尺绕组上产生感应电压 当滑尺和定尺之间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化 定尺上感应绕组中的感应电压也发生变化 感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系 通过测量定尺绕组中的感应电压 借以进行位移量的检测 2 感应同步器的检测电路两种工作方式 鉴相式和鉴幅式鉴相式 通过检测感应电动势的相位测量位移 鉴幅式 通过检测感应电动势的幅值测量位移 1 鉴相式 在这种工作方式下 给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通上幅值 频率相同而相位差为900的交流电压 Us Umsin tUc Umcos t 励磁信号将在空间产生一个以 频率移动的行波 磁场切割定尺导片 并在其中感应出电动势 该电动势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差 滑尺正弦绕组上加励磁电压Us后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Es KUsCos KUmSin tCos 滑尺余弦绕组上加励磁电压Uc后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Ec KUcCos 2 KUmSin Cos t 滑尺正 余弦绕组上同时加励磁电压Us Uc时 感应同步器的磁路是线性的 根据叠加原理 则定尺绕组上的总感应电压为 E Es Ec KUmSin t K 电磁感应系数 定尺绕组上的感应电压的相位角 滑尺与定尺相对位移量x的求取 结论 相对位移量x与相位角 呈线性关系 只要能测出相位角 就可求得位移量x 例 定尺感应电动势与滑尺励磁电动势之间的相位角 180 在节距 mm的情况下 滑尺移动 滑尺移动了 mm 2 鉴幅式在鉴幅型系统中 激磁电压是频率 相位相同 幅值不同 分别与位移相位角 1成正余弦关系 的交变电压 Us Um in 1 in tUc Um os 1 in t正弦绕组单独供电时Us Um in 1 in tUc 0当滑尺移动时 定尺上的感应电压U0随滑尺移动距离x 相应的位移角 而变化 设滑尺正弦绕组与定尺绕组重合时x 0 即 0 若滑尺从x 0开始移动 则在定尺上的感应电压为U 0 KUm in 1 in t os 余弦绕组单独供电时Us 0Uc kUmcos 1 in t若滑尺从x 0开始移动 则在定尺上的感应电压为U 0 KUmcos 1 in tSin 当正弦与余弦同时供电时 根据叠加原理 则定尺绕组上总输出的感应电动势为E U 0 U 0 KUs os