第三章 数控机床的.ppt

1、1,第三章数控机床的检测装置31概述,一、对检测装置的要求 数控机床的检测装置也叫司服系统的检测、反馈元件，是数控机床的感知器官，来感知司服系统的速度和位移，并向控制系统发送反馈信号，形成闭环或半闭环司服系统。 对司服系统检测元件的要求是： 1.工作可靠 2.满足精度要求, 分辨率应达 0.110m, 3.使用维护方便; 4.成本低。,2,二、检测装置的分类,目前，数控机床上使用的检测元件种类很多。 （一）数字式测量和模拟式测量 1.数字式测量 2.模拟式测量 （二）增量式测量和绝对式测量 1.增量式测量 2.绝对式测量 （三）直接测量和间接测量 1.直接测量 2.间接测量,3,一、测速发电机

2、,一般将测速发电机装在司服电动机的轴上，测量电动机的转速。 测速发电机有交流和直流两种，基本原理是: 发电机发出的电压与电动机的转速成正比，将这一电压反馈给数控系统，与指令输入的值进行比较，从而控制电动机的转速。 测速发电机输出的是模拟量模拟式测量。,4,旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它即可以测角位移，又可以测角速度。由于它结构简单，工作可靠，精度又能满足一般要求，所以应用较广。旋转变压器在原理上与变压器相同，在结构上与发电机相似。它输出的是模拟量,二、旋转变压器,有定子和转子的变压器的初级绕组3放在定子上，次级绕组8固联在转子上，与转子一起转动。旋转变压器由此得名。,旋转变压器的工作原

3、理1,旋转变压器的工作原理2,初级绕组（定子）3上加励磁交流电，V1=Vmsint，则在次级绕组（转子）8上产生感应电动势V2=k1V1sin（k1为线圈的匝数比）， V2的幅值随角的正弦而变化。只要能把V2取出来，通过计算机，很容易把算出来。利用这个原理，可以检测司服电动机的角位移。,旋转变压器的工作原理3,现在的问题是，如何把V2这个信号取出来？ 首先想到了，用转子绕组的端点通过滑环和电刷把V2这个信号取出来。这就是有刷旋转变压器， 它结构简单，体积小，但是电刷与滑环容易磨损。寿命短，可靠性差。 所以要寻求一种新方法。,旋转变压器的工作原理4,转子绕组上的信号V2是交流信号,交流信号可以用

4、电磁感应以非接触方式获得感应信号，所以，又想到了变压器。,在转子上饶上同轴线圈5，与转子绕组8相连，定子上也绕上同轴线圈7，与转子线圈5同轴构成变压器，转子同轴线圈上的信号是V2，经电磁感应，在定子同轴线圈上产生感应信号V3=k3V2。这就构成了无刷变压器。它可靠，长寿，但笨重、成本高。,9,三、感应同步器,感应同步器分定尺和滑尺两部分,定尺安装在机床的固定部件上,滑尺安装在机床的运动部件上。工作时，滑尺绕组上通交流电，将在定尺的回路上产生感应电势，电势的幅值和相位随工作台的运动而变化，据此来测量工作台的位移，它和旋转变压器的工作原理基本相同，可以理解为移动变压器。 也是模拟式测量。,10,感

5、应同步器的工作原理,按滑尺两个（正弦、余弦）绕组上所加的励磁信号不同，感应同步器的测量方式分为鉴相式和鉴幅式测量。 无论是鉴相式还是鉴幅式测量，滑尺上的正弦绕组和余弦绕组都相差1/4节距。,11,感应同步器的鉴相方式,给滑尺的正弦绕组S和余弦绕组C分别施加幅值UM相同，频率相同，相位差900的交流电压。,它们将在定尺绕组上产生感应电动势,es和ec,12,感应同步器的鉴相方式2,滑尺相对定尺的相位.,根据叠加原理，可求出定尺上的感应电动势，,，p定（滑）尺绕组节距,可见在一个节距内，通过测量定尺感应电动势的相位角 ，即可测出滑尺相对定尺的位移 x,13,感应同步器的鉴幅方式,给滑尺的正弦绕组S

6、和余弦绕组C分别施加频率相同，相位相同，但幅值不同的交流电压。,其中,其中电-电角度，由它给出励磁电压的幅值US和UC，,14,感应同步器的鉴幅方式2,US和UC相当于直角坐标分量， 电相当于极角， UM相当于极径。）由此可写出USi和UCi,以上是励磁电压，与之相对应的感应电动势为,其中机-滑尺正弦绕组相对于定尺的角位置，实际上就是前面鉴相方式中的 角。,则叠加后的感应电动势为，,15,感应同步器的鉴幅方式3,从上式可以看出，感应同步器在鉴幅方式下，定尺绕组上的感应电动势e取决于电 与机的差值。,用于测量时，如果初始位置为（电 =机）的输出电压e=0，当滑尺相对于定尺移动之后，有电 机， e

7、0。只要逐步改变电角度电 ，使e=0，则电 =机，此时电 的变化量就代表了机对应的位移，从而词的位移量。,用于控制时，电给出相应的机床所需位移量，而机对应于机床的实际位移量，当二者不等时，定尺绕组上的感应电动势e0。经相敏电路放大后，驱动司服系统使两者趋于相等。电 =机。,16,四、脉冲编码器,脉冲编码器有增量式和绝对式两种,一、增量式脉冲编码器,组成：光源、光电转换元件、圆光栅、整形放大电路等。,工作原理：在圆光栅上等分地制成透光狭缝，圆光栅转动时，光电池就把通过圆光栅射过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、放大后变成脉冲信号，通过计算脉冲数目，即可测出工作轴的转角，

8、通过计算脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。,17,一、增量式脉冲编码器,两个光电元件DA和DB的相位相差900，其产生的信号，经过整形，成为两列方波信号，根据先后顺序，可以判断圆光栅的正反转。若A超前，则正转，若B超前，则反转。,除此之外，光电脉冲编码器还每转由DC产生一个脉冲信号。数控车床车螺纹时，可将这种脉冲信号当作车刀进刀点和退刀点的信号使用（如跳大绳），以保证车削螺纹不乱扣。,增量式光电脉冲编码器测量精度不高，由积累误差，但由于它制造方便，线路简单，测量范围广等优点，在精度要求不高，或旧机床改造等场合，是一种经济实用的检测手段。,18,二、绝对式脉冲编码器1,1。二进制码盘 白的部分代

9、表0，黑的部分代表1，里环是高位，外环是低位。按二进制8421BCD规则编码。缺点，使用中会产生较大的读误。,19,二、绝对式脉冲编码器2,1。葛莱码盘 白的部分代表0，黑的部分代表1，里环是高位，外环是底为。不按8421BCD规则编码。图案的切换只用一位数（二进制），所以能把读误控制在一个单位之内，可靠性高。,20,五、光栅,在透明玻璃或金属镜面上，刻上平行、等距的密集线纹，就构成了透射光栅或反射光栅。透射光栅信号较强，信噪比好，装置简单，刻线密度大，但长度较短。反射光栅的热膨胀系数可以做到跟机床的一致，接长方便，容易安装调整，不易损坏。,测量时,光栅是成对使用的,长光栅叫标尺光栅,短光栅叫

10、指示光栅,分别固定在机床的静止和移动部件上。两光栅保持一定距离，平行放置，并使刻线相互倾斜一个小角度，由于光的衍射作用，就会产生明暗相间的干涉条纹，称为莫尔条纹。,21,图,当两光栅相对移动时，莫尔条纹也移动，但两者的移动方向垂直。光栅移动一条条纹时，莫尔条纹正好也移动一个条纹。因此通过测定莫尔条纹移动的数目，就可以测出光栅移动的距离。,22,五、光栅2,当光栅节距取0.01mm，刻线倾角=0.01rad= 时，则莫尔条纹的宽度W=10mm，其放大倍数为1000，可见莫尔条纹有放大作用。,由于莫尔条纹是由光栅的很多条纹刻线共同形成的，若=0.01,=0.01rad,则10mm长一条莫尔条纹就由1000条刻纹, 这样一来, 栅距之间的刻线不均匀误差就被平均化了。,23,六、磁尺,磁尺又叫磁栅,通过计算磁波数目来测量位置。其优点是精度高，复制简单，安装方便等。在油污、粉尘较多的场合使用有较好的稳定性。,24,磁头,磁栅磁测量是利用录音机原理，将