数控技术检测PPT课件

.,1,位置检测装置1概述,位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；（3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；成本低。位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：,.,2,1.1.1检测装置的分类,1、按测量对象不同分类,位移检测装置:脉冲编码器、光栅,速度检测装置：测速发电机,2、按安装位置不同分类,直接测量:将检测装置安装在执行部件上,间接测量:将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上,.,3,1.直接测量直接测量是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，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，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。,.,4,3、按测量方法不同分类,增量式测量,绝对式测量,绝对式测量：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。,特点：装置的结构较为复杂,增量式测量：只测量位移量。测量单位为0.01mm每移动0.01mm发出一个脉冲信号。,.,5,优点：装置简单，任何一个点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。,.,6,4、按检测信号不同分类,数字式测量,模拟式测量,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。,特点：直接测量被测的量，无需变换；在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。,.,7,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，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。,特点：被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。,.,8,1.1.2常用典型位置检测装置,一、旋转变压器（角位移检测元件）,旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400H、500H、1000H、3000H、5000H，,特点：其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。,.,9,旋转变压器,.,10,旋转变压器,.,11,旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷、集电环结构和无刷结构单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应,1.旋转变压器的结构和工作原理,.,12,E2=KV1cos=KVmsintcos=90E2=0=0E2=KVmSINt式中:E2转子绕组感应电势；V1定子绕组励磁电压V1=Vmsint；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）,1.旋转变压器的结构和工作原理,.,13,鉴相方式Vs=VmsintVc=VmcostE2=KVmcos-KVcsin=KVm(sintcos-costsin)=KVmsin(t-),2旋转变压器的应用,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。,.,14,2.鉴幅方式Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sintE2=KVmcos机-KVcsin机=KVmsint(sin电cos机-cos电sin机=KVmsin(电-机)sint,2旋转变压器的应用,VS,VS,Vs,Vc,E2,图5.3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。,.,15,二、感应同步器非接触电磁式测量元件，测角位移或直线位移,1、分类：,直线型感应同步器测量直线位移,旋转型感应同步器测量角位移,2、结构：,直线型,旋转型,定尺安装在机床床身上,滑尺安装在移动部件上,转子,定子,.,16,感应同步器,.,17,2、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。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。定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。,.,18,定尺定尺上制有单向均匀感应绕组，一般为250mm,滑尺长100mm，绕有两个励磁绕组,.,19,定尺绕组产生感应电动势原理图,.,20,3、感应同步器的信号处理原理鉴幅型：通过检测感应电动势的幅值测量位移。鉴相型：通过检测感应电动势的相位测量位移。,.,21,1）鉴相方式：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：es=KUsCos=KUmSintCos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：ec=KUccos（+/2）=KUmSinCost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：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,.,22,1）鉴相方式：滑尺与定尺相对位移量x的求取：W:2=x:x=W2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。,.,23,2）鉴幅型在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：Us=Umsin1sintUc=Umcos1sint1=x2（x2是指令位移值）则定尺绕组上总输出的感应电动势为e=Us+Uc=KUscos1KUcsin1=KUmsin（1）sint结论：只要能测出Us与Uc相位差1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。,.,24,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用途：长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。,.,25,感应同步器的优点是：具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。,.,26,三、光电编码器,1、简介：光电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。,.,27,编码器,.,28,转轴,码盘及狭缝,光敏元件,批示光栅及辨向用的A、B狭缝,光源,AB,C,零位标志,2、工作原理,.,29,光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辩向。,工作原理,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）。,.,30,码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。C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,C,.,31,利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。,在伺服电机中的应用,.,32,刀库选刀控制中的应用,角编码器的输出为当前刀具号,.,33,教案18,1光栅的结构光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环位置控制。光栅分类为：,透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的条纹。条纹之间的距离称为栅距。光栅检测装置主要由光源、聚光镜、标尺光栅、指示光栅和光敏元件。,四光栅,.,34,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）,图5.9光栅的结构1-防护垫2-光栅读数头3-标尺光栅4-防护罩,VS,3,1,2,4,3,1,2,4,5,标尺光栅,图5.10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,.,35,教案18,2、光栅的工作原理,光栅检测装置的组成,.,36,36,工作原理,当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,莫尔条纹,.,37,教案18,3、光栅的效应,4、莫尔条纹的特点,1）放大性,横向效应纵向效应斜向效应直线效应弧线效应,.,38,(1)放大作用当两光栅尺线纹之间的夹角很小时,莫尔条纹节距和栅距之间的关系为：表明：莫尔条纹节距P可通过改变的大小来实现，又由于很小，所以PW，即莫尔条纹具有放大作用。利用光栅这种放大作用，就可以进行微位移检测：当光栅向左或向右移动一个栅距时，莫尔条纹也向上或向下准确地移动一个节距P，根据这种对应关系，只要测量莫尔条纹移过的距离，就可以测出光栅移过的微小距离。,.,39,教案18,2）平均效应莫尔条纹是由若干条线纹共同形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响。,3）移动规律光栅相对移动一个W，莫尔条纹移动一个B，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化。,4、莫尔条纹的特点,1）放大性,.,40,教案18,5、光栅在数控机床中的应用,1.工作台移动位移的检测BW，可计算出位移x。2.工作台移动速度的检测根据光强的变化频率可推断出两光栅尺的相对位移速度。3.工作台移动方向的检测测量通过A与B的莫尔条纹相位超前滞后关系，可判断出移动方向。,.,41,教案18,6、光栅产品简介,b.敞开式光栅尺,a.封闭式光栅尺,c.长度计,.,42,光栅在数控车床上的安装位置,.,43,三、光栅,光栅在数控镗铣床上的安装位置,.,44,五、磁栅,磁栅又称磁尺，是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置。,组成：,磁性标尺、磁头和检测电路,利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。,.,45,磁尺测量装置的组成和工作原理：磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢