第四章-数控检测装置PPT课件

14 04 2020 1 第四章数控检测装置 14 04 2020 2 4 1概述 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 14 04 2020 3 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6 零漂与温漂其它 可靠 抗干扰性强 使用维护方便 成本低等 4 1 1对位置检测装置的要求 14 04 2020 4 4 1 2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 14 04 2020 5 表4 1数控机床检测装置分类 14 04 2020 6 4 2旋转变压器 5 4 3 图4 1旋转变压器结构示意1 转轴2 轴承3 机壳4 转子5 定子6 端盖7 电刷8 集电环定子 转子的冲片都是高磁导率的电工钢片 上面有均匀分布槽 槽中都置有正交 互相垂直的两项绕组 转子电信号的输入输出通过集电环和电刷实现 无刷的有两种常用结构 一是靠磁路结构的变化使得励磁磁通沿着转子磁转固定路径方向通过的 另一种是依靠变压器方式耦合 实现无接触 无刷的 旋转变压器 Resolver 简称旋变 又称作解算器或分解器 14 04 2020 7 分类 有电刷集电环结构和无刷结构 每一类又分为单对极元件 即转子转一周 电信号仅变化一个周期的元件 多对极元件 或称多极元件 两种 工作原理 电磁感应 4 2 1旋转变压器的结构和工作原理 14 04 2020 8 4 2 1旋转变压器的结构和工作原理 14 04 2020 9 E2 KV1cos KVmsin tcos 90 E2 0 0 E2 KVmSIN t式中 E2 转子绕组感应电势 V1 定子绕组励磁电压V1 Vmsin t Vm 电压信号幅值 定 转子绕组轴线间夹角 K 变压比 即绕组匝数比 4 2 1旋转变压器的结构和工作原理 输出电压 在定子和转子两个绕组轴线相互平行时为最大感应电动势E2 14 04 2020 10 1 鉴相方式Vs Vmsin tVc Vmcos tE2 KVscos KVcsin KVm sin tcos cos tsin KVmsin t 4 22旋转变压器的工作方式 VS VS Vs 转子输出信号的相位角 t 与转子的偏转角之间有着严格的对应关系 14 04 2020 11 2 鉴幅方式Vs Vmsin 电sin tVc Vmcos 电sin tE2 KVscos 机 KVcsin 机 KVmsin t sin 电cos 机 cos电sin 机 KVmsin 电 机 sin t 4 22旋转变压器的工作方式 VS VS Vs Vc E2 图4 3定子两相绕组励磁 感应电势 E2 是以 为角频率 以Vmsin 电 机 为幅值的交变电压信号 若电气角 电已知 只要测出E2幅值 利用E2 0 便可间接的求出机械角 机 从而得出被测角位移 14 04 2020 12 按运动方式分为 1 感应同步器分类 4 3感应同步器 14 04 2020 13 4 3感应同步器 2 感应同步器结构 直线式 sin cos 节距2 2mm 节距 0 5mm 滑尺 定尺 14 04 2020 14 包括定尺和滑尺 用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T 一般为2mm 的方齿形线圈 定尺绕组是连续的 滑尺上分布两个励磁绕组 分别称为正弦绕组和余弦绕组 当正弦绕组与定尺绕组相位相同时 余弦绕组与定尺绕组错开1 4节距 滑尺和定尺相对平行安装 其间保持一定间隙 0 05 0 2mm 14 04 2020 15 3 感应同步器的工作原理感应同步器是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 直线式 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组 定尺上的绕组是感应绕组 14 04 2020 16 3 感应同步器的工作原理 直线式 在滑尺的绕组中 施加频率为f 一般为2 10kHz 的交变电流时 定尺绕组感应出频率为f的感应电动势 感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关 设正弦绕组供电电压为Us 余弦绕组供电电压为Uc 移动距离为x 节距为T 则正弦绕组单独供电时 在定尺上感应电势为 14 04 2020 17 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 由于感应同步器的磁路系统可视为线性 可进行线性叠加 所以定尺上总的感应电势为 14 04 2020 18 式中 K 定尺与滑尺之间的耦合系数 定尺与滑尺相对位移的角度表示量 电角度 T 节距 表示直线感应同步器的周期 标准式直线感应同步器的节距为2mm 利用感应电压的变化可以求得位移X 从而进行位置检测 14 04 2020 19 sin cos 节距2 2mm 节距 0 5mm 滑尺 定尺 解释如图 感应同步器的工作原理 Us Uc Uo 14 04 2020 20 感应同步器的信号处理原理 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uos KUScos 1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uoc KUccos 1 2 KUcsin 1 14 04 2020 21 滑尺正 余旋绕组上同时加激磁电压Us Uc时 感应同步器的磁路可是为线性的 根据叠加原理 则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 感应同步器的信号处理原理 14 04 2020 22 滑尺与定尺相对位移量x的求取 2 2 x 1 x 1 结论 相对位移量x与相位角 1呈线性关系 只要能测出相位角 1 就可求得位移量x 感应同步器的信号处理原理 14 04 2020 23 4 感应同步器的测量方法根据滑尺正 余旋绕组上激磁电压Us Uc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方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法 14 04 2020 24 a 鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中 激磁电压是频率 幅值相同 相位差为 2的交变电压 US Umsin tUC Umcos t则 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin tcos 1 KUmcos tsin 1 KUmsin t 1 结论 只要能测出Uo与US相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 14 04 2020 25 b 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中 激磁电压是频率 相位相同 幅值不同的交变电压 US Umsin 2sin tUC Umcos 2sin t 2 x2 x2是指令位移值 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin 2cos 1sin t KUmcos 2sin tsin 1 KUmsin 2 1 sin t结论 只要能测出Uo与UC相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 14 04 2020 26 几点说明 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2 2mm 感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量 使其能方便地采用现代的数字处理技术 14 04 2020 27 6 感应同步器的特点及使用注意事项 特点精度高 平均自补偿特性 对环境适应能力强 抗湿 温度 热变形影响的能力强 维护简单 寿命长 非接触测量 无磨损 精度保持性好 14 04 2020 28 测量距离长 通过接长可满足大行程测量的要求 串联方式n 10 串并联方式n 10 14 04 2020 29 使用注意事项在安装方面 保证安装精度 安装面的精度 定尺与滑尺的相对位置精度 接缝的调整精度 加装防护装置 避免切屑 油污 灰尘的影响 在电气方面 要保证激磁电压波形的对称性和保真性 对鉴相系统 激磁电压的幅值 频率相等 相位差900对鉴幅系统 对Umsin 2 Umcos 2调制的精确性当失真度大于2 时 将严重影响测量精度 14 04 2020 30 4 4光栅 光栅的分类 物理光栅和计量光栅计量光栅按运动方式分为 长 直线 光栅和圆光栅计量光栅按光线的走向分为 透射光栅和反射光栅 14 04 2020 31 1 长光栅检测装置的结构 4 4 1长光栅检测装置的结构 图4 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 标尺光栅 图4 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 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 14 04 2020 32 2 工作原理 以透射投影为例 摩尔条文宽度B的理论公式莫尔条纹 4 4 1长光栅检测装置的结构 d放大2倍 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 14 04 2020 33 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 之间关系 由图可知W dsin 又 很小可认为sin 故W d 例如d 0 01 0 01rad 得W 1mm 放大100倍 3 均化栅距误差作用栅距之间的相邻刻度不均匀误差由于有成百上千条光栅条纹的组成而被平均化 4 4 1长光栅检测装置的结构 14 04 2020 34 莫尔条纹的细分技术 光学细分 机械细分和电子细分 4 4 2光栅位移 数字变换电路 14 04 2020 35 4 5磁栅 1 磁栅式位移传感器的结构 2 原理 3 测量方式 14 04 2020 36 4 5磁栅 磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件 用它作直线和角度位移量测量 具有精度高 复制简单以及安装调整方便等一系列优点 在油污 粉尘较多的工作条件下使用有较好的稳定性 因此可在数控机床 精密机床和各种测量机上应用 磁栅检测装置由磁性标尺 拾磁磁头和检测电路组成 14 04 2020 37 1 磁栅式位移传感器的结构 1 磁性膜2 基体3 磁尺4 磁头5 铁芯6 励磁绕组7 拾磁绕组 14 04 2020 38 检测直线位移 用于精度要求较高场合 因其制造长度有限 目前应用较少 磁尺的分类 按形状 检测直线位移 用于量程较大 安装面不易安排的场合 检测角位移 用于精度要求较高场合 因其制造长度有限 目前应用较少 检测直线位移 抗干扰能力强 用于小型或结构紧凑的测量装置中 14 04 2020 39 2 原理 磁栅测量装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上 用来作为测量基准 在测量时 拾磁磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号 然后再送到检测电路中去 把磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输入给数控机床 14 04 2020 40 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组 一个为励磁绕组 另一个为拾磁绕组 将高频励磁电流通入励磁绕组时 当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为 U0 输出电压系数 磁尺上磁化信号的节距 磁头相对磁尺的位移 励磁电压的角频率 式中 在实际应用中 需要采用双磁头结构来辨别移动的方向 14 04 2020 41 3 测量方式 1 鉴幅测量方式如前所述 磁头有两组信号输出 将高频载波滤掉后则得到相位差为 2的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正 余 弦信号 经信号处理后可进行位置检测 这种方法的检测线路比较简单 但分辨率受到录磁节距 的限制 若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路 所以不常采用 14 04 2020 42 2 鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90 则得到输出电压为 则合成输出电压U的幅值恒定 而相位随磁头与磁尺的相对位置 变化而变 读出输出信号的相位 就可确定磁头的位置 在求和电路中相加 则得到磁头总输出电压为 14 04 2020 43 4 6光电脉冲编码器4 6 1脉冲编码器的分类与结构 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 脉冲编码器分为 光电式 接触式和电磁感应式 脉冲编码器是一种增量检测装置 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 1 2 3 4 5 6 7 图4 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 14 04 2020 44 4 6 1脉冲编码器的分类与结构 脉冲编码器又称码盘 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 光电码盘在数控机床上应用较多 而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件 另外 它还可分为绝对式和增量式两种 1 2 3 4 5 6 7 图4 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 14 04 2020 45 4 6 2光电脉冲编码器的工作原理 t 图4 15光电脉冲编码器的输出波形 14 04 2020 46 增量脉冲编码器 结构及工作原理 4 6 2光电脉冲编码器的工作原理 14 04 2020 47 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 4 6 2光电脉冲编码器的工作原理 14 04 2020 48 输出信号的作用及其处理 A B两相的作用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 四倍频电路实现 4 6 2光电脉冲编码器的工作原理 14 04 2020 49 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 4 6 2光电脉冲编码器的工作原理 14 04 2020 50 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 4 6 2光电脉冲编码器的工作原理 14 04 2020 51 4 6 3光电脉冲编码器的应用 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 14 04 2020 52 4 6 3光电脉冲编码器的应用 应用二 适应有计数控制端和方向控制端的计