数控技术CNC数控检测装置PPT课件

第四章数控检测装置,第1节概述第2节旋转变压器第3节感应同步器第4节光栅第5节磁栅第6节光电脉冲编码器,第1节概述,在闭环或半闭环控制数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检测装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。,在闭环系统中，数控检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。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。,一、数控机床对检测装置的要求,位置检测装置是数控机床伺服系统中重要的组成部分，其作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成伺服系统的闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统可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。,数控机床对检测装置的要求主要有：（1）高可靠性和高抗干扰性，能长期保持精度；（2）能满足机床精度和速度的要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境；（4）成本低。,二、检测装置的分类,按工作条件和测量要求的不同，测量装置主要有三种分类方法。（1）增量式与绝对式；（2）数字式与模拟式；（3）直接测量与间接测量。,1、增量式与绝对式,（1）增量式检测方式增量式检测方式单纯测量位移增量，工作台移动一个测量单位即发出一个测量信号。优点：是检测装置比较简单，任何一个点均可作为测量起点。缺点：是移距靠测量信号计算后读出的，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；发生故障时不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，这时必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。,（2）绝对式检测方式绝对式检测方式中，被测量的任一点的位置都以一个固定的零点为基准，每一被测点都有一个相应的测量值。优点：避免了增量式检测方式的缺陷。缺点：结构较复杂。,.,9,2、数字式和模拟式,（1）数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字测量输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置（计算机）进行比较、处理。其典型的检测装置如光栅位移测量装置。数字式测量的特点是：1)被测量量化成脉冲个数，便于显示和处理；2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（有积累误差）；3)测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。,.,10,（2）模拟式测量是将被测量用连续的变量（如相位变化、电压幅值变化）来表示的。在数控机床上模拟式测量主要用于小量程的测量，例如感应同步器的一个线距（节距）内信号相位变化等。模拟式测量的特点是：1）直接测量被测量，无须变换；2）在小量程内可以实现高精度测量。如用旋转变压器、感应同步器等。,.,11,3、直接测量和间接测量（1）直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，测量直线位移量。常用光栅，感应同步器等检测装置。优点是：直接反映工作台的直线位移量。缺点是：检测装置要和行程等长，这对大型数控机床是一个很大的限制。,.,12,（2）间接测量间接测量是通过与工作台直线运动相关联的回转运动间接地测量工作台的直线位移。检测装置常用旋转变压器等。优点是：间接测量使用可靠方便，无长限制，缺点是：测量信号加入了直线转变为回转运动的传动链误差，从而影响测量精度。,.,13,感应同步器抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。,光栅抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。,磁栅抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题，有应用。,三常用检测元件及其特点,.,14,旋转变压器抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便，应用广泛。,脉冲编码盘工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件，但抗污染能力差，易损坏。,激光干涉仪精度很高，但抗震性、抗干扰能力差，价格较贵，应用较少。,.,15,第2节旋转变压器,一、结构和工作原理1.旋转变压器的结构旋转变压器，又称分解器。它是一种具有电动机结构的转角检测装置，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。,.,16,旋转变压器结构示意图1转子轴，2外壳，3分解器定子，4分解器定子绕组，5变压器一次线圈，6变压器转子，7分解器转子绕组，8分解器转子，9变压器二次线圈，10定子线轴,.,17,2、工作原理旋转变压器按照互感原理工作，当定子绕组上加上交变励磁电压，当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产生感应电势感应电压.,.,18,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）,.,19,二、旋转变压器的应用旋转变压器作为位置检测元件有两种使用方法：鉴相式工作方法鉴幅式工作方法。一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。,.,20,1、鉴相式工作方法在这种状态下，旋转变压器的定子两相绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90度的正弦交流电压，即：Vs=VmsintVc=Vmcost因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在转子绕组中感应电动势为：E2=KVscos+KVcsin=KVm(sintcos+costsin)=KVmsin(t-),.,21,由E2=KVmsin(t-)可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的角位移。,.,22,2、鉴幅式工作方法在这种状态下，旋转变压器的定子两相绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上相位相等、频率相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即：Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sint因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在转子绕组中感应电动势为：E2=KVmcos机-KVcsin机=KVmsint(sin电cos机-cos电sin机)=KVmsin(电-机)sint,.,23,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。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子励磁信号的电，使其跟踪机的变化，当E2=0时，说明此时电=机，便可间接的求出机械角机，从而得出被测角位移。,.,24,第3节感应同步器,一、结构和工作原理1、感应同步器的结构按结构可分为直线式（测量长度）和旋转式（测量角度）。直线式感应同步器类似于旋转变压器，相当于一个展开的多极旋转变压器。它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺安装于移动部件上，随工件台一起移动。两者平行放置，保持0.2-0.3mm的间隙。,.,25,.,26,标准的感应同步器定尺长250mm，尺上有单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100mm，尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦绕组，另一组叫余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相对齐时，余弦绕组与定尺相差0.5。,.,27,2、工作原理感应同步器与旋转变压器的工作原理相似，当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着位移的变化而变化，从而发出相应的位移电信号进行位置检测。,.,28,在滑尺的正弦绕组通以交流励磁电压，当滑尺相对定尺移动后，感应电压逐渐变小，在错开1/4节距的b点时，感应电压为零。再继续移到1/2节距的c点时得到的电压值与a点位置相同，但极性相反。随后感应电压在3/4节距位置d点时又变为零，在移动一个节距到e点时，电压幅值与a点位置相同。,感应同步器工作原理图,.,29,这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。,.,30,二、感应同步器的应用根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可以分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。1、鉴相方式在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同，但相位相差90度的交流电压：Vs=VmsintVc=Vmcost,.,31,两相励磁电压会在空间产生一个以为频率移动的行波。磁场切割定尺，并在其中感应出电势，感应电动势为：Eo=KVscos-KVcsin=KVm(sintcos-costsin)=KVmsin(t-)在一个节距内，与滑尺移动距离一一对应，通过测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑尺的位移。,.,32,2、鉴幅方式在这种状态下，感应同步器的滑尺两相绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上相位相等、频率相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即：Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sint因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在定子绕组中感应电动势为：Eo=KVmcos机-KVcsin机=KVmsint(sin电cos机-cos电sin机)=KVmsin(电-机)sint,.,33,感应电势（Eo）是以为角频率、以Vmsin(电-机)为幅值的交变电压信号。在实际应用中，根据定尺误差电压的大小，不断修改滑尺励磁信号的电，使其跟踪机的变化，当Eo=0时，说明此时电=机，便可间接的求出机械角机，从而得出被位移。,.,34,三、感应同步器的特点：1、精度高。感应同步器同步器直接对机床位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制；定尺上感应电压信号为多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响，达到较高测量精度。2、工作可靠，抗干扰能力强。绕组各个周期内单值电压信号可以仅与绝对位置相对应，不受干扰；平面阻抗很低，受外界电场的影响较小。3、安装维修简单，使用寿命长。定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单；使用防护罩可以防止切屑进入定尺、滑尺之间划伤导片，不受灰尘、油雾影响。4、测量距离长。可利用拼接方法，增大测量尺寸，适合大、中型机床使用。5、工艺性好、成本低，便于成批生产。,.,35,第4节光栅,光栅是一种常用的非接触式测量装置，具有精度高、响应速度快等优点。按照形状可分为圆光栅和长光栅，圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅还可以分为透射光栅和反射光栅。光栅的制作精度可通过激光技术达到微米级，通过细分电路可以做到0.1m以上分辨率。,.,36,一、光栅的结构和工作原理1、光栅的结构光栅由标尺光栅和光栅读数头两部构成。,光栅检测装置基本结构示意图1光源，2透镜，3指示光栅，4光电元件，5驱动电路，6标尺光栅,.,37,标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台或丝杠），光栅读数头安装在机床固定部件上，光栅读数头中安装有指示光栅。执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号。（1）光栅尺包括标尺光栅和指示光栅.根据制造方法和光学原理不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅.,.,38,透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。其特点是:光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已经细分到0.005mm从而减轻了电子线路的负担。,.,39,(2)光栅读数头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。读数头垂直入射，由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。标尺光栅穿过光栅读数头，保证与指示光栅有准确的相互位置关系。,.,40,2、光栅的工作原理当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹成小角度放置时，将造成两光栅尺上线纹相互交叉。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，其他部分为明亮条纹，称为“莫尔条纹”。莫尔条纹与两光栅线纹夹角的平分线相互垂直。莫尔条纹如下图所示：,.,41,莫尔条纹,W,.,42,W、之间的关系,BC=ABsin(/2),其中BC=/2，AB=W/2，,因此W=/sin(/2),由于很小，单位为rad时，,Sin(/2),故W/,.,43,摩尔条纹的作用,放大作用,误差均化作用,.,44,摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，光栅横向移动一个节距，摩尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹明-暗-明变化一个周期，这为光电元件的安装与信号检测提供了良好的条件。,利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。,c.测量位移,.,45,二、光栅位移-数字变换电路下图所示为光栅测量系统组成示意图光栅移动时，产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或逆时针方向的反向脉冲，输入可逆计数器。位移数字变换电路也叫光栅测量电路或四倍频细分电路。,.,46,图中a、b、c、d为四块硅光电池，产生的信号在相位上彼此相差90度；a、b是相位彼此相差180度的两信号，送入差分放大电路，得到正弦信号。同理c、d相位，放大后得到余弦信号。正弦、余弦信号经整形变成方波A和B，A和B信号经过反相得到C和D信号，A、B、C、D经过微分变成窄脉冲A、B、C、D。,.,47,由与门电路把0、90、180、270四个相位上产生的窄脉冲相加后，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，就可测量出光栅的实际位移。除为四倍频电路外，还有10倍频、20倍频等。,.,48,第5节磁尺（磁栅）,磁尺又称为磁栅，是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，作为测量基准。测量时，读取磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，再通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置中。,磁尺按基本形状分为,.,49,一、磁尺的结构和工作原理1、磁尺的结构磁尺由磁性标尺、磁头和检测电路组成。,磁尺位置检测装置,.,50,（1）磁性标尺磁性标尺采用不导磁材料作基体，在上面镀上一层1030m厚的高导磁材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05mm、0.1mm、0.2mm、1mm等；最后在磁尺表面涂上一层12m厚的保护层。（2）磁头磁头是一种磁电转换器，用来把磁心上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。可分为动态磁头（用于录音机）和静态磁头（用于测量位移）。,.,51,2、磁尺工作原理磁尺用的是静态磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。对应的磁开关通断各两次。在输出线圈中输出的感应电动势为：,.,52,式中：Usc输出线圈中的感应电动势Um输出电动势幅值磁性标尺节距x磁头对磁性标尺的位移量输出线圈感应电势的频率,由上式可见，磁头输出信号的幅值是位移x的函数，只要测出USC过0次数，就可知道x的大小。,.,53,.,54,为辨别方向，通常采用间距为（m+1/4）的两组磁头）（m=1,2），并使两组磁头的励磁电流相位相差45o,这样两组磁头输出电势信号相位相差90o。,.,55,二、磁栅的应用根据检测方法的不同，磁栅应用也可分为幅值检测和相位检测两种，通常采用相位检测。取磁尺上某N极点为起点，若磁头I离开该N极点的距离为x，则I、II磁头上拾磁绕组输出感应电势分别为：,.,56,Usc1移相/2，后得到,