数控技术2014二 3

1、2021-12-131多媒体教学讲义(之二）2021-12-132一.对位置检测装置的要求：对位置检测装置的要求： 1）检测精度要求）检测精度要求：示值和实际位置值之差，数示值和实际位置值之差，数控机床一般要求检测精度控机床一般要求检测精度+/-0.02 +/-0.001mm /m （整个行程上）；（整个行程上）； 2）检测分辨率的要求：）检测分辨率的要求：最小检出位移量，数控最小检出位移量，数控机床一般要求检测分辨率为机床一般要求检测分辨率为0.01 0.0001mm； 3）运动速度的要求：）运动速度的要求：满足数控机床机械部件运满足数控机床机械部件运动速度的要求；动速度的要求；2021-1

2、2-133 4）温度和湿度的变化对精度影响小；）温度和湿度的变化对精度影响小； 5）抗电磁干扰能力强）抗电磁干扰能力强（有屏蔽措施，信号抗（有屏蔽措施，信号抗干扰能力强，信噪比大）；干扰能力强，信噪比大）； 6）成本低。）成本低。2021-12-134v二二.位置检测的分类位置检测的分类 1.数字式测量和模拟式测量数字式测量和模拟式测量 1）数字式测量）数字式测量 被测量以数字脉冲形式来表示，典型的被测量以数字脉冲形式来表示，典型的测量元件有光栅、脉冲编码器等。测量元件有光栅、脉冲编码器等。 数字式测量装置有如下一些特点：数字式测量装置有如下一些特点： -便于送到数控装置进行处理便于送到数控装

3、置进行处理 -测量装置简单，信号抗干扰能力强测量装置简单，信号抗干扰能力强 -测量精度主要取决于测量元件的制造精度测量精度主要取决于测量元件的制造精度 2021-12-1352）模拟式测量）模拟式测量 被测量用连续变量来表示，如电压、被测量用连续变量来表示，如电压、相位变化等。典型的模拟式测量装置有旋相位变化等。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器等。转变压器、感应同步器等。 模拟式测量装置有如下一些特点：模拟式测量装置有如下一些特点： -模拟式测量一般采用感应式测量原理，模拟式测量一般采用感应式测量原理， 对环对环 境要求较低。境要求较低。 -被测量可以直接送入伺服控制环节。被测量可

4、以直接送入伺服控制环节。2021-12-136v2.增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量v 1）增量式测量：）增量式测量：增量式测量只测相对值，以增量式测量只测相对值，以当前点为基准测量下一个点的位置，增量式测当前点为基准测量下一个点的位置，增量式测量不能记忆断电前的位置，测量元件上没有绝量不能记忆断电前的位置，测量元件上没有绝对位置点，每次送电后都要重新设立测量基准对位置点，每次送电后都要重新设立测量基准点。点。v2）绝对式测量：）绝对式测量： 绝对式测量时任意一点的测绝对式测量时任意一点的测量都以一个固定的点作为基准，能记忆断电前量都以一个固定的点作为基准，能记忆断电前的位置，绝对

5、式测量装置的结构比较复杂。的位置，绝对式测量装置的结构比较复杂。v目前在数控机床上大多采用增量式测量装置。目前在数控机床上大多采用增量式测量装置。v3.直接式测量和间接式测量直接式测量和间接式测量v 测量装置装在工作台上，测量精度高；测量装置装在工作台上，测量精度高；v 测量装置装在电机轴上，简单、成本低。测量装置装在电机轴上，简单、成本低。2021-12-137v三三.几种典型的位置检测装置几种典型的位置检测装置1.感应同步器感应同步器 1)感应同步器结构感应同步器结构 定尺、滑尺组成，滑尺和定尺上都制有绕组。平行安装，且保定尺、滑尺组成，滑尺和定尺上都制有绕组。平行安装，且保持一定的间隙持

6、一定的间隙0.020.25mm 。定尺一般安装在机床的床身或。定尺一般安装在机床的床身或立柱上保持不动，滑尺和机床的移动（转动）部件安装在一起。立柱上保持不动，滑尺和机床的移动（转动）部件安装在一起。usucuoab滑尺滑尺12345定尺定尺1.基体基体2.粘结剂粘结剂3.铜箔绕铜箔绕组组4.耐切削液涂层耐切削液涂层5.铝箔铝箔激磁绕组激磁绕组2021-12-138定定 尺尺绕组的相互位置绕组的相互位置A点B点C点D点E点结论：结论：1.如果激磁绕如果激磁绕组电压组电压U Um sint则感应绕组电则感应绕组电压压U0=k U cos 2）电磁感应原理）电磁感应原理U0=k U cos ABC

7、DE2.多个激磁信号多个激磁信号产生的感应电产生的感应电压可以线性叠压可以线性叠加加2021-12-139v3）感应同步器位移测量原理）感应同步器位移测量原理v单独给正弦绕组通以正弦交流电压信号单独给正弦绕组通以正弦交流电压信号 Us=Umsintv定尺上的感应电压为：定尺上的感应电压为：v U1=kUscos =kUmsintcos v单独给余弦绕组通以余弦交流电压信号单独给余弦绕组通以余弦交流电压信号Uc=U m costv则余弦绕组在定尺上的感应电压为：则余弦绕组在定尺上的感应电压为：U2=kUccos （+ /2）=kUmcostsin 2021-12-1310v k-电磁耦合系数电磁

8、耦合系数v Um-最大瞬时电压最大瞬时电压v -滑尺相对于定尺绕组的空间相位角滑尺相对于定尺绕组的空间相位角v v如果同时给滑尺的的两个绕组供交流电压信号，且分如果同时给滑尺的的两个绕组供交流电压信号，且分别为：别为：v Us=U m sintv Uc=U m cost2021-12-1311v则定尺上的感应总电压则定尺上的感应总电压:vUo=u1+u2= kUm sint cos kUmcostsin v =k Umsin(t )2021-12-1312v 定尺绕组的交流电压信号和正弦激磁电压信号相定尺绕组的交流电压信号和正弦激磁电压信号相差一个相位角差一个相位角，测量一个采样周期内的相位角

9、变化量，测量一个采样周期内的相位角变化量，就可以确定滑尺相对定尺的相对位移就可以确定滑尺相对定尺的相对位移 。v设感应同步器的节距为设感应同步器的节距为2mm ，则滑尺直线位移，则滑尺直线位移x和和之之间的关系为：间的关系为：v /2=x/ 2v x= / v当一个采样周期检测到当一个采样周期检测到为为1.8，表明滑尺移，表明滑尺移v动了动了0.01mm。v 感应同步器是采用增量式测量方式，测量输出是相位感应同步器是采用增量式测量方式，测量输出是相位角角 ， 经过相位经过相位/电压变换成电压值，经电压变换成电压值，经A/D变换可以变换可以变换成数字量。变换成数字量。2021-12-1313v3

10、）感应同步器在位置控制中的工作方式）感应同步器在位置控制中的工作方式v 根据对滑尺绕组供电方式和对输出电压检测方式根据对滑尺绕组供电方式和对输出电压检测方式的不同，测量系统可分为鉴相和鉴幅两种工作方式：的不同，测量系统可分为鉴相和鉴幅两种工作方式：va.鉴相系统工作原理鉴相系统工作原理v鉴相测量系统中鉴相测量系统中:v 供给滑尺的信号供给滑尺的信号v Us=U m sintv Uc=U m costv 指令信号指令信号v UT=k sin(t 1)2021-12-1314uo激磁供电线路激磁供电线路脉冲相位变换脉冲相位变换数控装置数控装置放大器放大器伺服驱伺服驱动机构动机构 直流直流放大器放大

11、器鉴相器鉴相器基准信号基准信号sintUXUT 应用举例应用举例相位相位电压电压变换变换指令信号指令信号UT=k sin(t 1)反馈信号反馈信号U=k sin(t )差值信号差值信号 = (1 )不等于零，机床不等于零，机床移动。移动。cost2021-12-1315vb）鉴幅系统的工作原理）鉴幅系统的工作原理v加在滑尺上的激磁信号是频率相同但幅值不同的两个信加在滑尺上的激磁信号是频率相同但幅值不同的两个信号，幅值的大小，与要求工作台移动的指令值号，幅值的大小，与要求工作台移动的指令值 X成正、成正、余弦关系（位移余弦关系（位移 x 电角度电角度 1）即：）即：v US=Um sin 1 s

12、in tv Uc=Um cos 1 sin tv当正弦绕组单独供电时，当正弦绕组单独供电时，v定尺上的感应电压：定尺上的感应电压：v U1=kUm sin 1 sin t cos2021-12-1316v当余弦绕组单独供电时，当余弦绕组单独供电时，v定尺上的感应电压：定尺上的感应电压：v U2= kUm cos 1 sin t cos(+ /2)v =kUm cos 1 sin t sin v当正、余弦绕组同时供电时，根据叠加原理，定尺上总当正、余弦绕组同时供电时，根据叠加原理，定尺上总的感应电压：的感应电压：vUo= kUm sin 1 sin t coskUm cos 1 sin t si

13、n v = k Um sin( 1 ) sin t v由上式可知，定尺上感应电压的幅值是变化的，与指令由上式可知，定尺上感应电压的幅值是变化的，与指令给定的位移量给定的位移量x1( 1 )和工作台实际位移量和工作台实际位移量x()的差值的的差值的正弦值成正比。正弦值成正比。2021-12-1317uo伺服驱伺服驱动机构动机构检波放大检波放大相敏放大相敏放大 数模数模转换器转换器数控数控装置装置相位相位补偿补偿余弦正弦余弦正弦振荡器振荡器当定尺上的感应电压不等于零时，当定尺上的感应电压不等于零时， x x1该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台

14、移动，定尺上的感应电压同时送至相敏放大器，台移动，定尺上的感应电压同时送至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准信号进行比较，以控制工与来自相位补偿器的标准信号进行比较，以控制工作台移动的方向。当工作台移动使作台移动的方向。当工作台移动使 x= x1时，定尺上感应电压等于零工作台停止移动，时，定尺上感应电压等于零工作台停止移动， xucusuo2021-12-1318v4) 感应同步器的使用特点感应同步器的使用特点va)测量精度高：测量精度高：v 目前感应同步器的测量精度可达目前感应同步器的测量精度可达+/-0.001mm,重重复测量精度复测量精度0.0002mm，灵敏度（最小检出单位），灵敏度（

15、最小检出单位）0.00005mm.可以满足高精度数控机床位置测量精度可以满足高精度数控机床位置测量精度的需要。的需要。vb）可拼接成各种需要的测量长度：）可拼接成各种需要的测量长度：v感应同步器一般做成感应同步器一般做成250mm的标准长度，需要时可以的标准长度，需要时可以数块拼接在一起。数块拼接在一起。vC)根据不同的使用场合制成直线感应同步器和园感应根据不同的使用场合制成直线感应同步器和园感应同步器。同步器。2021-12-1319vd）对环境的适应性强）对环境的适应性强 ：v 基尺材料与安装部件材料的热膨胀系数比较基尺材料与安装部件材料的热膨胀系数比较一致，受环境温度变化的影响比较小，电

16、磁一致，受环境温度变化的影响比较小，电磁感应原理进行工作，油污、切削液对其工作感应原理进行工作，油污、切削液对其工作影响比较小。影响比较小。ve)使用寿命长使用寿命长: v 定尺、滑尺为非接触，没有磨损定尺、滑尺为非接触，没有磨损2021-12-13203.2角度位置传感元件角度位置传感元件-旋转变压器位置检测装置旋转变压器位置检测装置 旋转变压器是一种角度测量元件，结构简单，动作旋转变压器是一种角度测量元件，结构简单，动作灵敏，输出信号幅度大，抗干扰性强，对环境无特殊要灵敏，输出信号幅度大，抗干扰性强，对环境无特殊要求，广泛应用于早期数控机床上。求，广泛应用于早期数控机床上。其输出，是随转子

17、转其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。性等。这些函数是最常见的，也是容易实现的这些函数是最常见的，也是容易实现的 。60年代年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。生和检测元件。 旋转变压器特点旋转变压器特点v作为角度位置传感元件，常用的有这样几种作为角度位置传感元件，常用的有这样几种:光学编光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。由于制作和精度码器、磁性编码器和旋转变压器。由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。光学编码的缘故，磁

18、性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用。早期的旋处理比较方便，因而得到了很好的应用。早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。贵的原因，应用受到了限制。 v和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点优点:无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力件的能力;可以运行在更高的转速下。可以运行在更高的转速下。(在输

19、出在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。而光学编码器，由于光电器件的频响一般在而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在以下，在12 bit时，速度只能达到时，速度只能达到3,000rpm);方方便的绝对值信号数据输出。便的绝对值信号数据输出。 2021-12-13221）结构组成）结构组成1）结构组成）结构组成v根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋转变压器中，变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋转变压器中，定、转子上都有绕组。转子绕组的电

20、信号，通过滑定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号，通过滑动接触，由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引动接触，由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠出。由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少，我们着重于介绍无刷旋转变压器压器应用的很少，我们着重于介绍无刷旋转变压器。 2021-12-13242）工作原理）工作原理 当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中产生感应电压，转子转动，转子绕组中转子绕组中产生感

21、应电压，转子转动，转子绕组中的感应电压大小和两绕组的磁轴夹角有关，例如：的感应电压大小和两绕组的磁轴夹角有关，例如：usu0=0t=90= t2021-12-1325 当定子绕组通以激磁电压：当定子绕组通以激磁电压： us= um sin t 转子绕组中产生感应电压为转子绕组中产生感应电压为u0 u0=kus sin =k um sin t sin K-电磁耦合系数电磁耦合系数v Um-最大瞬时电压最大瞬时电压v -转子绕组相对于定子绕组的空间相转子绕组相对于定子绕组的空间相位角位角v当转子连续转动时，转子绕组输出电压的幅当转子连续转动时，转子绕组输出电压的幅值变化符合正弦规律，值变化符合正弦

22、规律， 2021-12-1326v实际使用的旋转变压器的定子和转子都有两个相互实际使用的旋转变压器的定子和转子都有两个相互垂直的绕组，当定子绕组分别通以正弦和余弦激磁垂直的绕组，当定子绕组分别通以正弦和余弦激磁电压时，转子一个绕组（另一个绕组短接）的输出电压时，转子一个绕组（另一个绕组短接）的输出电压为：电压为：v u0=kumsin tsin + kumcos t cos v =kum cos( t )v通过测量通过测量角的大小就可以测量出转子转过的角度。角的大小就可以测量出转子转过的角度。2021-12-1327v3.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置 光栅是利用光的透射、衍射现象制光栅是

23、利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，用于角位移和直线成的光电检测元件，用于角位移和直线位移的检测。光栅也用来测量速度和加位移的检测。光栅也用来测量速度和加速度，光栅的检测精度高，常用于高精速度，光栅的检测精度高，常用于高精度数控机床上。度数控机床上。2021-12-1328 1）光栅的构造）光栅的构造（1）组成）组成 光栅主要由两部分组成，标尺光栅和光栅主要由两部分组成，标尺光栅和光栅读数头，光栅读数头包含光源、透镜、光栅读数头，光栅读数头包含光源、透镜、指示光栅和光电转换元件。指示光栅和光电转换元件。标尺光栅标尺光栅指示光栅光源透镜光电接收元件2021-12-1329（2）光栅的栅距）

24、光栅的栅距 光栅尺相邻两线纹的距离称为栅距光栅尺相邻两线纹的距离称为栅距 线纹密度是栅距的另一种表达，是光栅的基本线纹密度是栅距的另一种表达，是光栅的基本 技术参数；技术参数； 对于直光栅，常见的线纹密度为对于直光栅，常见的线纹密度为4、10、25、40、50、100、200、250线线/毫米；毫米； 对于圆光栅，用一周的刻线数表达栅距大小，对于圆光栅，用一周的刻线数表达栅距大小，一般刻线数和直径有关，例如：直径一般刻线数和直径有关，例如：直径70毫米的圆光毫米的圆光栅，一周内刻线数目为栅，一周内刻线数目为100768条。条。同一个光栅元件，标尺光栅和指示光栅的线纹密度一同一个光栅元件，标尺光

25、栅和指示光栅的线纹密度一般做成相同的。般做成相同的。2021-12-1330v（3）安装）安装 标尺光栅和指示光栅分别安装在机床的移动标尺光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件和固定部件上，两者相互平行，它们之间保部件和固定部件上，两者相互平行，它们之间保持持0.050.1毫米的间隙。毫米的间隙。 2021-12-1331 2)光栅的分类光栅的分类 根据制造方法和光学原理的不同，光栅分为根据制造方法和光学原理的不同，光栅分为透射光栅和反射光栅。透射光栅和反射光栅。 （1）透射光栅）透射光栅 透射光栅是采用光学玻璃制成，在玻璃表透射光栅是采用光学玻璃制成，在玻璃表面上涂以感光材料，并刻上光栅线纹

26、。透射光栅面上涂以感光材料，并刻上光栅线纹。透射光栅的特点：的特点： a.光源采用垂直入射光，光电元件直接接受光源采用垂直入射光，光电元件直接接受光照，信号幅值比较大，信噪比好。光照，信号幅值比较大，信噪比好。 2021-12-1332 b.光栅读数头结构简单。光栅读数头结构简单。 c.光栅线纹密度比较大，可达光栅线纹密度比较大，可达200线线/毫米。毫米。电子线路简单。电子线路简单。 d.玻璃易破碎，热胀系数与机床金属部件不玻璃易破碎，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。一致，影响测量精度。2021-12-1333(2)反射光栅反射光栅 反射光栅用不锈钢带经照相腐蚀或直接反射光栅用不

27、锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成。反射光栅的特点：刻线制成。反射光栅的特点： a. 光栅和机床金属部件的线膨胀系数光栅和机床金属部件的线膨胀系数 一致，温度的变化对测量精度影响小。一致，温度的变化对测量精度影响小。 b. 光栅可以长达数米光栅可以长达数米. c. 线纹密度一般不大于线纹密度一般不大于50线线/毫米。毫米。 光栅还可以按形状分为：光栅还可以按形状分为： 园光栅：角位移检测园光栅：角位移检测 直线光栅：直线位移的检测直线光栅：直线位移的检测2021-12-13343)莫尔条纹的形成及特性莫尔条纹的形成及特性 指示光栅与标尺光栅错开指示光栅与标尺光栅错开角重叠放置时，形成明角重叠放置时

28、，形成明暗相间的条纹。光栅尺相对左右移动时，明暗相间的暗相间的条纹。光栅尺相对左右移动时，明暗相间的条纹上下移动，称作莫尔条纹，宽度称作节距条纹上下移动，称作莫尔条纹，宽度称作节距w。 光照射在移动的莫尔条纹上，透过莫尔条纹的光光照射在移动的莫尔条纹上，透过莫尔条纹的光强按正弦规律变化。强按正弦规律变化。 （在交叉点附近黑线重叠，减少了档光面积，光源照射时，透过的光（在交叉点附近黑线重叠，减少了档光面积，光源照射时，透过的光较多，可以接收到较大的光强信号；离交叉点远的地方，两光栅不透明黑较多，可以接收到较大的光强信号；离交叉点远的地方，两光栅不透明黑线重叠部分减少，档光效应增强，透过的光较少，

29、可以接收到较小的光强线重叠部分减少，档光效应增强，透过的光较少，可以接收到较小的光强信号）信号）；2021-12-1335W 节距节距 栅距栅距标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅2021-12-1336（1）莫尔条纹的移动特性）莫尔条纹的移动特性 莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成1：1的的比例关系，当标尺光栅相对于指示光栅向左或者比例关系，当标尺光栅相对于指示光栅向左或者向右移动一个栅距向右移动一个栅距 ，摩尔条纹也相应的向上，摩尔条纹也相应的向上或者向下移动一个节距或者向下移动一个节距w。2021-12-1337（2）莫尔条纹的信号放大特性）莫尔条纹的信号放大特

30、性 w= /sin 该关系式表示信号的放大作用。该关系式表示信号的放大作用。 实际使用的光栅，实际使用的光栅， 角都很小（小于角都很小（小于0.2度），度），在此条件下，莫尔条纹的节距在此条件下，莫尔条纹的节距w和栅距和栅距有如下有如下近似关系：近似关系： w= /sin / 例：例： 一个线纹密度一个线纹密度100的光栅，的光栅， =0.01mm,调整调整角使其等于角使其等于0.001弧度，莫尔条纹的节距弧度，莫尔条纹的节距w= 10mm。不需要复杂的光学系统，便将光栅的栅。不需要复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了距放大了1000倍。倍。2021-12-1338（3）莫尔条纹的平均效应特性

31、）莫尔条纹的平均效应特性 莫尔条纹是由若干线纹综合作用形成的，莫尔条纹是由若干线纹综合作用形成的，个别线纹的栅距误差被平均化了，在很大程个别线纹的栅距误差被平均化了，在很大程度上消除了短周期误差的影响，因此莫尔条度上消除了短周期误差的影响，因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。2021-12-1339 (4)其它类型莫尔条纹的特性其它类型莫尔条纹的特性 具有上述运动规律的条纹称作横向莫尔条具有上述运动规律的条纹称作横向莫尔条纹。除此之外还有纵向莫尔条纹，斜向莫尔条纹。除此之外还有纵向莫尔条纹，斜向莫尔条纹、以及圆弧型莫尔条纹。纹、以及圆弧型莫

32、尔条纹。2021-12-1340 （a）纵向莫尔条纹）纵向莫尔条纹 两块栅距分别为两块栅距分别为1,2平行叠置平行叠置，就会形就会形成与线纹平行的莫尔条纹，称作纵向莫尔条纹。成与线纹平行的莫尔条纹，称作纵向莫尔条纹。纵向莫尔条纹的节距和栅距之间有如下关系：纵向莫尔条纹的节距和栅距之间有如下关系：21221/2wW2021-12-1341v（b）斜线莫尔条纹）斜线莫尔条纹v 如果将构成纵向莫尔条纹的两块光栅相对如果将构成纵向莫尔条纹的两块光栅相对转过一个角度，所形成的莫尔条纹兼有纵向和转过一个角度，所形成的莫尔条纹兼有纵向和横向莫尔条纹的性质，称之为斜向莫尔条纹横向莫尔条纹的性质，称之为斜向莫尔

33、条纹。v（c）圆弧形莫尔条纹）圆弧形莫尔条纹v园光栅形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。园光栅形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。2021-12-13424）光栅的测量原理）光栅的测量原理（1）位移测量）位移测量 当指示光栅相对于标尺光栅左右移动时，莫尔当指示光栅相对于标尺光栅左右移动时，莫尔条纹上下移动，每当光栅移动一个栅距条纹上下移动，每当光栅移动一个栅距 ，莫尔条，莫尔条纹就移动一个节距纹就移动一个节距W W，透过光栅的光强呈近似于正弦，透过光栅的光强呈近似于正弦规律变化，用光电元件接受光强信号，就得到近似规律变化，用光电元件接受光强信号，就得到近似正弦规律变化的电流（电压）信号。将正弦电压

34、信正弦规律变化的电流（电压）信号。将正弦电压信号进行放大、整形、微分处理，就得到数字脉冲信号进行放大、整形、微分处理，就得到数字脉冲信号，用计数器记录脉冲数，就可以测得机床的位移。号，用计数器记录脉冲数，就可以测得机床的位移。 2021-12-1343v（2）位移方向的检测位移方向的检测 采用一个光电元件所得到的光栅信号只采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数。能计数。 为了确定运动方向，需要两个光电元件为了确定运动方向，需要两个光电元件P1P1和和P2P2。两个光电元件在安装空间上要相差。两个光电元件在安装空间上要相差w/4w/4，光栅移动时，两个光电元件输出波形相同的电光栅移动时，两个光

35、电元件输出波形相同的电信号，但是它们相位相差信号，但是它们相位相差1/41/4周期。周期。 如果如果P1P1相位超前相位超前P2P2，表示光栅向一个方向，表示光栅向一个方向移动，移动，P2P2相位超前相位超前P1P1，光栅就是向另一个方向，光栅就是向另一个方向移动。移动。2021-12-1344W1/4wp1p22021-12-1345（3）鉴相倍频电路（提高光栅精度）鉴相倍频电路（提高光栅精度） 为了提高光栅检测装置的精度，可为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻线密度达线密度达200/mm以上的细线光栅制造困以上的细线光栅制造困难

36、，成本较高。难，成本较高。采用四个光电元件和采用四个光电元件和4个个细缝，每隔细缝，每隔1/4光栅节距产生一个脉冲，光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可以提高四倍分辨精度可以提高四倍。倍频的方法可。倍频的方法可以提高光栅的分辨率。鉴相电路可以辨以提高光栅的分辨率。鉴相电路可以辨别光栅运动的方向，下面是一个四倍频别光栅运动的方向，下面是一个四倍频鉴相电路，光栅线密度鉴相电路，光栅线密度50线线/mm，2021-12-1346 四个光敏元件分别相差四分之一节距安装四个光敏元件分别相差四分之一节距安装。反反向向反反向向微微分分微微分分微微分分微微分分y1y2y3y4y5y6y7y8BACDABCD+y1

37、y2y3y42021-12-1347v 光栅正向运动一个删距，通过光栅正向运动一个删距，通过y1,y2,y3,y4四个与门输出四个脉冲这样就相当于将光栅的分四个与门输出四个脉冲这样就相当于将光栅的分辨率提高了四倍，此外还可以采用八倍频、十倍辨率提高了四倍，此外还可以采用八倍频、十倍频、二十倍频及其它倍频线路。频、二十倍频及其它倍频线路。2021-12-1348v3.4激光干涉位置检测装置激光干涉位置检测装置v1.激光的物理性能激光的物理性能v1）高度的单色性）高度的单色性 v氦氖激光的谱线宽度氦氖激光的谱线宽度10-6nm, 可以看成是单一可以看成是单一波长（单色）的光波长（单色）的光(普通光

38、源的波长普通光源的波长380760nm,谱谱线的宽度为线的宽度为380nm)。v2）方向性）方向性 v激光经过光学系统处理以后，基本上可以看作激光经过光学系统处理以后，基本上可以看作是一束平行光是一束平行光。v3）高度的相干性）高度的相干性v同方向、同频率传播的光具有叠加性同方向、同频率传播的光具有叠加性2021-12-1349v 激光器激光器M1M2S1S2分光镜分光镜当当S1-S2=N ； 为为波长，波长，N为零或正整为零或正整数，两束光相位相同，数，两束光相位相同，光电接收元件接收到光电接收元件接收到最大的光强信号最大的光强信号相干光相干光光电接收元件光电接收元件2.激光干涉法激光干涉法

39、测距原理测距原理当：当：S1-S2=N + /2两束光相位相差两束光相位相差180度，度，光电接收元件接收到最光电接收元件接收到最的光强信号为零。的光强信号为零。2021-12-1350v 如果如果M2连续的移动，从反光镜连续的移动，从反光镜M1和和M2回来的光的回来的光的相位差周期性的变化。光电接收元件就接收到周期性变相位差周期性的变化。光电接收元件就接收到周期性变化的光强信号，并输出周期性变化的电流（电压）信号，化的光强信号，并输出周期性变化的电流（电压）信号，放大、整形、微分以后获得一序列的尖脉冲。通过计数放大、整形、微分以后获得一序列的尖脉冲。通过计数就知道就知道M2移动的距离。移动的

40、距离。2021-12-1351v3.激光测距的分辨率激光测距的分辨率v由于激光的波长极短，单色性好，即波长值准确，利由于激光的波长极短，单色性好，即波长值准确，利用波长值测距可以达到较高的分辨率，至少为用波长值测距可以达到较高的分辨率，至少为/2 ，例如，氦氖激光的波长为例如，氦氖激光的波长为0.6328微米，分辨率为微米，分辨率为0.3164微米。微米。v4.激光测距的应用激光测距的应用v激光测距可以用来给数控机床、三坐标测量机进行标激光测距可以用来给数控机床、三坐标测量机进行标定，也可以用来检验光栅、磁栅、感应同步器的精度。定，也可以用来检验光栅、磁栅、感应同步器的精度。2021-12-1

41、352v3.5.脉冲编码器脉冲编码器 脉冲编码器也是一种光学位置检测元件；脉冲编码脉冲编码器也是一种光学位置检测元件；脉冲编码器响应速度快，测量精度高，制作成本低，结构紧凑，器响应速度快，测量精度高，制作成本低，结构紧凑，目前广泛应用在数控机床上进行位置和速度检测；目前广泛应用在数控机床上进行位置和速度检测； 根据测量的基准位置不同，脉冲编码器分为：根据测量的基准位置不同，脉冲编码器分为： 增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器 绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器 根据编码的方式不同，绝对式脉冲编码器又分根据编码的方式不同，绝对式脉冲编码器又分为：为： 格莱码脉冲编码器格莱码脉冲编码器 二进制脉冲编码

42、器二进制脉冲编码器 1 1）增量式编码器）增量式编码器2021-12-1353 透光窄缝圆盘透光窄缝圆盘光源光源放大放大器器DcBcAcA相相B相相C相相结构及工作原理图结构及工作原理图2021-12-1354a.a.位置检测：位置检测： A A或或B B信号是正弦波信号，将正弦波信号进行信号是正弦波信号，将正弦波信号进行整形、微分和倍频，获得一序列和转过角度相对整形、微分和倍频，获得一序列和转过角度相对应的尖脉冲，对尖脉冲进行计数应的尖脉冲，对尖脉冲进行计数. .，就能够测量，就能够测量出编码器转过的角度。出编码器转过的角度。b.b.方向检测：方向检测： A A、B B信号是具有信号是具有9

43、090度相位差的正弦波信号，度相位差的正弦波信号，设设A A相导前相导前B B相为正方向旋转，那么相为正方向旋转，那么B B相导前相导前A A相就相就是负方向旋转。是负方向旋转。2021-12-1355c.c.基准脉冲的作用：基准脉冲的作用： C C相产生的脉冲为基准脉冲，在数控车床上相产生的脉冲为基准脉冲，在数控车床上切削螺纹时，基准脉冲是作为车刀进刀和退刀的切削螺纹时，基准脉冲是作为车刀进刀和退刀的信号使用，以保证切削螺纹不会乱扣。该信号也信号使用，以保证切削螺纹不会乱扣。该信号也可用于高速旋转转速计数或者用于机床主轴准停可用于高速旋转转速计数或者用于机床主轴准停信号。信号。d.d.速度检

44、测：速度检测： A A、B B相信号经频率电压变换后，得到与相信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成比例的电压信号，它就是速度反馈信转轴转速成比例的电压信号，它就是速度反馈信号。号。 2021-12-13562 2）绝对值式编码器）绝对值式编码器 绝对值式编码器可以记录机床断电前的位置，绝对绝对值式编码器可以记录机床断电前的位置，绝对值式编码器是通过编码盘上值式编码器是通过编码盘上的图案来表示位置的，绝对的图案来表示位置的，绝对值编码器可以记忆机械位置，值编码器可以记忆机械位置，一般多用在刀库一般多用在刀库和刀架上。和刀架上。0122220123401234葛莱编码器二进制编码器2021-12

45、-1357v 通用绝对式编码器 编码范围编码范围 输出位数输出位数 分辨率分辨率 测角误差测角误差03608位360/282003609位360/2915036010位360/21010036011位360/2115本章综合练习本章综合练习1.直线感应同步器的结构组成。2.感应同步器的输入信号和输出信号之间的关系，其中哪一个变量是和被测位移有对应关系，该参数可以通过什么电路检出。3.滑尺上的两个绕组在空间上为什么要错开 节距。4.在鉴相伺服进给系统中，比较指令信号和定尺输出信号，比较输出的结果表示的是什么，某工作周期的指令位移为0.05mm,换算成电角度1是多少，如标准激磁信号为：U=U m

46、sin t，写出对应的指令电压信号UT。5. 光栅的结构组成。6. 莫尔条纹的特性。7.光栅的位移测量原理。8. 光栅的辨向原理。9.脉冲编码器的种类、特点以及它们各自在数控机床上的应用示例。2021-12-13582021-12-1359第五章第五章 进给伺服系统进给伺服系统v一一. .概述概述 1. 1. 进给伺服系统的功用：进给伺服系统的功用： 接收数控装置发出的进给速度和位移指令信号，接收数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服电路做一定的转换和放大后，驱动伺服电机转由伺服电路做一定的转换和放大后，驱动伺服电机转动，在经机械传动机构驱动机床的工作台、主轴头架动，在经机械传动机构驱动

47、机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速移动。等执行部件实现工作进给和快速移动。 2.2.进给伺服系统的组成：进给伺服系统的组成： 伺服信号放大变换电路伺服信号放大变换电路 伺服驱动电机伺服驱动电机 机械传动机构机械传动机构 执行部件执行部件 2021-12-1360v3.3.进给伺服系统的性能要求：进给伺服系统的性能要求： v-调速范围宽，一般调速范围应大于调速范围宽，一般调速范围应大于1 1：1000010000，在整个调速范围内，输出运动有良好的稳定性，特在整个调速范围内，输出运动有良好的稳定性，特别是低速稳定性。别是低速稳定性。为适应不同的加工条件，例如加工用刀具、被加工材料

48、及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。 -输出位移要有足够的精度，即实际位移与指令输出位移要有足够的精度，即实际位移与指令位移的差值要小。位移的差值要小。2021-12-1361v -负载特性要硬，当负载变化时，输出速度负载特性要硬，当负载变化时，输出速度应变化较小。低速运动和加工时，应有足够的负应变化较小。低速运动和加工时，应有足够的负载能力。载能力。 -动态响应快，即达到最大稳态速度的响应时动态响应快，即达到最大稳态速度的响应时间在间在0.10.10.20.2秒以内。此外还要求静态、动态误秒以内。此外还要求静态、动态误差小，反

49、向死区小，能频繁启、停和正反运动。差小，反向死区小，能频繁启、停和正反运动。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，要求过渡过程时间要短，一般在要求过渡过程时间要短，一般在200 ms200 ms以内，甚以内，甚至有时需要小于几十毫秒至有时需要小于几十毫秒. .-低速大转矩低速大转矩根据数控机床的加工特点，大都是在低速进根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低

50、速时进给驱动要有大的转矩行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。这要求使动力源尽量靠近机床的执行机输出。这要求使动力源尽量靠近机床的执行机构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚性增加，传动精度提高。性增加，传动精度提高。 -成本低，寿命长，维护方便。成本低，寿命长，维护方便。2021-12-1363二、伺服执行电机二、伺服执行电机 1.步进电机步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的一种机电步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的一种机电式数模转换器。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，它式数模转换器。其转子的转角与输入的电脉冲数

51、成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的顺序所决定的。顺序所决定的。步进电机步进电机v2.1步进电机的结构步进电机的结构步进电机步进电机2021-12-1366 2.22.2步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机工作原理示意图。步进电机工作原理示意图。2021-12-1367v实际使用的电机在定子和转子上做有极齿。实际使用的电机在定子和转子上做有极齿。v当某相定子绕组通以激磁电流以后，便能吸当某相定子绕组通以激磁电流以后，便能吸引转子，使转子电极上的极齿与定子的极齿引转子，使转子电极上的极齿与定子的极齿对齐，这个对

52、齐的过程就使电机转过了一个对齐，这个对齐的过程就使电机转过了一个角度，这个角度叫角度，这个角度叫步距角步距角。v要保证电机连续的转动，极齿保持一定的相要保证电机连续的转动，极齿保持一定的相位关系。位关系。v三相步进电机的工作方式工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍的工作过程三相单三拍的工作过程v若按ABC通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋动，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30， 即步距角为30。如果步进电机定子磁极通电相序按ACB进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思

53、。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。 v还有一种通电方式称为三相六拍通电方式，即按照AABBBCCCA相序通电，工作原理如图4-3所示。如果相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，极吸引2、4齿，转子逆时旋转15。随后A相断电，只有B相通电，转子又逆时旋转15，2、4齿与B相磁极对齐。如果继续按BCCCAA的相序通电，步进电机就沿逆时针方向，以15的步距角一步一步移动。这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作比较平稳。2021-12-1373定子定子转子

54、转子A相相B相相C相相1/3齿距齿距2/3齿距齿距l电机极齿之间的相位关系图电机极齿之间的相位关系图2021-12-1374A相相B相相C相相定子定子转子转子转子转动方向转子转动方向定子定子转子转子A相相B相相C相相电机工作时的相位图2021-12-1375A相相B相相C相相定子定子转子转子2021-12-1376定子定子转子转子A相相B相相C相相按着按着A、B、C、A的顺序通电的话，电机沿着顺的顺序通电的话，电机沿着顺时针方向转动，每次转过时针方向转动，每次转过1/3齿距的角度。齿距的角度。2021-12-1377定子定子转子转子转子转动方向转子转动方向A相相B相相C相相改变通电顺序，电机朝

55、另一个方向转动。改变通电顺序，电机朝另一个方向转动。定子定子转子转子A相相B相相C相相1/3齿距齿距2/3齿距齿距2021-12-13782.22.2步距角计算步距角计算a. a. 步距角和电机结构的关系步距角和电机结构的关系 步距角的大小和定子绕组相数步距角的大小和定子绕组相数m m和转子和转子的齿数的齿数z z有关，它们之间的关系如下：有关，它们之间的关系如下： a=360a=360/mz/mz如果上面的电机转子的极齿数是如果上面的电机转子的极齿数是4040的话，电的话，电机的步距角是机的步距角是3 3。2021-12-1379b.b.步距角和机床运动的最小移动单位（脉冲当量）步距角和机床

56、运动的最小移动单位（脉冲当量） i-齿轮减速比 t-滚珠丝杠的导程360. .t i360. .t i360. .t i2021-12-1380c. c. 提高机床运动分辨率的措施提高机床运动分辨率的措施1) 1) 减小丝杠的导程减小丝杠的导程2 2）增大齿轮的减速比）增大齿轮的减速比3 3）采用双拍通电）采用双拍通电 定子定子转子转子转子转动方向转子转动方向A相相B相相C相相1/6齿距齿距3/6齿距齿距定子定子转子转子A相相2021-12-1381 转子在转子在A A、B B相磁极的共同作用下，转过一个相磁极的共同作用下，转过一个1/61/6的齿的齿距角度，一般情况下，步距角的公式可以表达为

57、：距角度，一般情况下，步距角的公式可以表达为： a=360a=360/mzk/mzk 单拍通电时，单拍通电时，k=1k=1。通电相序为：通电相序为：A A B B C - AC - A双拍通电时，双拍通电时，k=2k=2。通电相序为：。通电相序为： A A AB AB B B BC BC C C CA - A CA - A上例电机双拍通电时的步距角为：上例电机双拍通电时的步距角为： a=360a=360/2/23 340401.51.5反应式步进电机工作方式反应式步进电机工作方式相数 循环拍数 通 电 规 律 单三拍 ABCA 双三拍 ABBCCAAB 三相 六拍 AABBBCCCAA 单四拍

58、 ABCDA 双四拍 ABBCCDDAAB AABBBCCCDDDAA 四相 八拍 ABABCBCBCDCDCDADADABAB 单五拍 ABCDEA 双五拍 ABBCCDDEEAAB AABBBCCCDDDEEEAA 五相 十拍 ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 单六拍 ABCDEFA 双六拍 ABBCCDDEEFFAAB 三六拍 ABCBCDCDEDEFEFAFABABC 六相 十二拍 ABABCBCBCDCDCDEDEDEFEFEFAFAFABAB 2021-12-1383v2.32.3步进电机的种类步进电机的种类v根据转子有无绕组分类：根据转子有无绕组分类：va.

59、a.反应式步进电机：反应式步进电机：v转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力距实现步转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力距实现步进运行。进运行。vb.b.激磁式步进电机激磁式步进电机: :v定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁铁）定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁铁）2021-12-1384根据磁极的布置方式：根据磁极的布置方式： a.a.径向分相式步进电机径向分相式步进电机 2021-12-1385b.b.轴相分相式步进电机轴相分相式步进电机图示为图示为5 5相电机，定子、转子均有相同个齿，彼此相电机，定子、转子均有相同个齿，彼此错开错开1/51/5齿距。齿距。2021-12-138

60、6c.c.径向和轴向分相相结合径向和轴向分相相结合 结构上采用径向和轴向分相相结合的方式，输结构上采用径向和轴向分相相结合的方式，输出转距大，径向尺寸小，惯性小，散热好。出转距大，径向尺寸小，惯性小，散热好。 2021-12-1387v2.42.4步进电机的使用特性步进电机的使用特性v1)1)步距误差步距误差v电机变换一次通电状态，实际转角和理论转角之间的差电机变换一次通电状态，实际转角和理论转角之间的差值称作值称作步距误差步距误差。v功率步进电机的步距误差一般为功率步进电机的步距误差一般为+/-20+/-20+/-25+/-25。v 步距误差直接影响执行部件的定位精度，步距误差步距误差直接影