数控检测技术概述

1、 数控检测技术数控检测技术3/8/2022 组成：组成：位置等测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装位置等测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。置组成的。 作用：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。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闭环数控机床的加工

2、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。系统时，必须精心选择位置检测装置。3/8/2022数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量； 测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式； 运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型； 信号转换的原理信号

3、转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、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压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。3/8/2022分分 类类 增增 量量 式式 绝绝 对对 式式 位移位移传感器传感器 回转型回转型脉冲编码器、脉冲编码器、自整角机自整角机 、旋转变压器、圆感旋转变压器、圆感应同步器应同步器 、光栅角度传感器光栅角度传感器 、圆光栅、圆磁栅圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器 、绝绝对脉冲编码器对脉冲编码器 绝对值式光绝对值式光栅栅 、 三速圆感应同步器三速圆感应同步器 、磁阻式多极旋转变压器磁阻式多极旋转变压器 直线型直线型直线应同步器直线

4、应同步器 、光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪激光干涉仪 霍耳位置传感器霍耳位置传感器 三速感应同步器三速感应同步器 、绝绝对值磁尺、光电编码尺对值磁尺、光电编码尺 、磁性编码器磁性编码器 速度速度传感器传感器 交、直流测速发电机交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器 、霍霍耳速度传感器耳速度传感器 速度速度角度传感器角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、）、数字电磁、磁敏式速度传感器磁敏式速度传感器 电流电流传感器传感器 霍耳电流传感器霍耳电流传感器 3/8/2022 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。传感器的性能指标应包括静态特性和

5、动态特性，主要如下。 1. 1.精度精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程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。称作精度。高精度和高速实时测量。 2.2.分辨率分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.3.灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度高、高、一致。一致。 4.4.迟滞迟滞 对某一对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。致，称为迟滞。迟滞小。 5.5.测量范围和量程测量范围和量程 绝对和增量，其测量范围和量

6、程绝对和增量，其测量范围和量程 不一样。不一样。 6.6.零漂与温漂零漂与温漂 测量零点的变化，以及测量零点随温度的变化。测量零点的变化，以及测量零点随温度的变化。 其它：其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。 3/8/202254318762 图图5 51 1 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1-1-转轴转轴 2- 2-轴承轴承 3- 3-机壳机壳 4- 4-转子铁心转子铁心 5- 5-定子铁心定子铁心 6-6-端盖端盖 7- 7-电刷电刷 8- 8-集电环集电环 3/8/2022旋转变压器（旋转变压器（ResolverResolve

7、r）简称旋变，又称作解算器或分解器。）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）单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应工作原理：电磁感应 定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R43/8/2022 E E2 2= KV= KV 1 1 cos = KV cos = KV m sintcos m sintcos =90=90 E E 2 = 02 = 0 =0=0 E E 2 = 2 = KVKV m SINm SINt t式中式中: : E E 2 2转子转

8、子绕组绕组感应电势；感应电势； V V1 1定子定子绕组励绕组励磁电压磁电压 V V1 1=V=Vm msinsintt； V Vm m电压信号幅值；电压信号幅值； 定、转子定、转子绕组轴线间夹角；绕组轴线间夹角； KK变压比变压比 （即绕组匝数比）（即绕组匝数比） V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 3/8/20221.1.鉴相方式鉴相方式 V Vs s=Vmsin=VmsinttV Vc c=Vmcos=Vmcostt E

9、 E2 2= KV= KV m m cos- KV cos- KV c csinsin = KV = KV m m ( (sinsintcos- tcos- coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) VSVSVsVcE2 图图5.35.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角转子输出信号的相位角(t-)与转子与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。的偏转角之间有着严格的对应关系。3/8/20222.2.鉴幅方式鉴幅方式 V Vs s=Vmsin=Vmsin电电sinsinttV Vc c=Vmcos=Vmcos电电s sin

10、intt E E2 2 = KV= KV m m cos cos机机- KV- KV c csinsin机机 = KV = KV m m sinsintt( (sinsin电电coscos机机- - coscos电电sinsin机机 = = KVKV m m sinsin( (电电-机机) ) sinsintt VSVSVsVcE2 图图5.35.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感应电势（感应电势（E2）是以）是以为角频率、为角频率、以以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电为幅值的交变电压信号。若电气角压信号。若电气角电电已知，只要测出已知，只要测出E2

11、幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可间接的求出，便可间接的求出机械角机械角机机 ，从而得出被测角位移。，从而得出被测角位移。 3/8/2022VSVS3/8/2022光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅3/8/20221.1.长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 主要结构为标尺光栅和指示光栅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）是重要参数栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）是重要参数图图5.9 5.9 光栅

12、的结构光栅的结构 1- 1-防护垫防护垫 2- 2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4- 4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅 图图5.10 5.10 光栅读数头光栅读数头 1- 1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 3/8/20222.2.工作原理工作原理（以透射投影为例）（以透射投影为例） 摩尔条纹宽度摩尔条纹宽度W的理论公式的理论公式 W - - 摩尔条纹宽度摩尔条纹宽度 d - d - 栅距栅距 莫尔条纹：莫尔条纹：严格来说：横向莫尔条纹排列的严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是与两片

13、光栅线纹夹角的平方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直分线相垂直 d d 放大放大2 2倍倍/2/2 当当d d1 1= =d d2 2= =d d 时，时，ddCOSdCOSSINdW2sin212122wwd2d2d1d2d1d1d2VSd dW WW W3/8/2022 莫尔条纹的特征：莫尔条纹的特征：（1 1）莫尔条纹的变化规律）莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔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的变化规律近似

14、正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过过的栅距数同步。的栅距数同步。 （2 2）放大作用）放大作用 莫尔条纹莫尔条纹宽度宽度 W W 和和光栅栅距光栅栅距 d d、栅线夹角栅线夹角之间之间关系：关系： 由图可知由图可知 sin sin ( (/ /2 2 ) ) = = ( (d/d/2)2)/ / W W， W W = = ( (d/d/2)2)/ / sinsin( (/ /2 2 ) ) 很小可认为很小可认为 sin sin ( (/ /2 2 ) ) / /2 2 故故 W=d/ W=d/ 例如例如 d = d = 0.01, 0.01, = 0.01rad, = 0.01rad,

15、 得得W W =1mm, =1mm, 放大放大100100倍。倍。（3 3）均化）均化栅距栅距误差作用误差作用 莫尔条纹是由很多光栅条纹形成，莫尔条莫尔条纹是由很多光栅条纹形成，莫尔条纹之间的距离相对光栅栅距是很大的，故光栅栅距误差影响不纹之间的距离相对光栅栅距是很大的，故光栅栅距误差影响不大。大。3/8/2022莫尔条纹的细分技术：莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和光学细分、机械细分和电子细分：四倍频电子细分：四倍频 电路电路（还有多倍频电路）（还有多倍频电路） abcd差动放大差动放大差动放大差动放大整形整形整形整形方向方向辨别辨别门门电路电路可逆可逆计数计数正脉冲正脉冲反脉冲反脉冲

16、a)a)原理框图原理框图原理：原理：摩尔条变成方波摩尔条变成方波 摩尔条纹信号为正（余）弦信号，有四块光电池（相位彼此相摩尔条纹信号为正（余）弦信号，有四块光电池（相位彼此相 差差9090 ）接收，）接收，a a、c c信号相位差信号相位差180180 ，送入差动（放大器防干扰、，送入差动（放大器防干扰、 放大），得放大），得sinsin信号。同理由信号。同理由b b、d d信号得信号得coscos信号。经整形变成信号。经整形变成 方波。方波。 产生正走、反走脉冲产生正走、反走脉冲 经方向辨别电路，在经方向辨别电路，在正走时（反走）产生四个正走脉冲（四个正走时（反走）产生四个正走脉冲（四个 反

17、走脉冲）。反走脉冲）。 可逆计数器计数可逆计数器计数3/8/2022bdac差动放大差动放大插动放大插动放大(sin)(cos)整形整形整形整形反向反向反向反向微分微分微分微分微分微分微分微分AB C DACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲正向脉冲反向脉冲反向脉冲ABADCDBCBCABADCDb)c)b)逻辑电路图逻辑电路图反向电路使方波反向，微分电路产生反向电路使方波反向，微分电路产生脉冲，脉冲，Y1Y8为为“ 与门与门”，H1 、H2为为“或门或门” c)波形图：脉冲的产生在方波上升沿波形图：脉冲的产生在方波上升沿 （上升沿微分）（上升沿微分）sincosABCDAB

18、CD相加相加ABCD相加相加正走：正走：(H1)反走反走 (H1) 低电平低电平Y1=ABY2=ADY3=CDY4=BCY5=BCY6=ABY7=ADY8=CD(H2) 低电平低电平(H2)Sin超前超前90Cos超前超前903/8/2022作用：作用：脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生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。可作为位置检测和速度检测装置。分类：分类：脉冲编码器分为：脉冲编码器分为：光电式、接触式光电式、接触式 和电磁感应式。和电磁感应式。原理：原理：光通过二个光栅线纹产生近似正余光通过二个光栅线纹产生近似

19、正余 弦的脉冲信号弦的脉冲信号A A、B B、Z Z，经整形放，经整形放 大变成方波。编码器是一种增量检大变成方波。编码器是一种增量检 测装置。测装置。参数：参数：它的型号是由每转发出的脉冲数来它的型号是由每转发出的脉冲数来 区分。区分。2000P/r2000P/r、2500 P/r2500 P/r和和 3000 P/r 3000 P/r等；等； 共有共有3 3路脉冲路脉冲A A（如（如2500 P/r2500 P/r）、）、 B B（如（如2500 P/r2500 P/r）、）、Z Z（1 P/r1 P/r）1234567图图5. 14 5. 14 光电脉冲编码器的结构光电脉冲编码器的结构1

20、-1-光源光源 2-圆光栅圆光栅 3-指示光栅指示光栅 4-光光电池组电池组 5-机械部件机械部件 6-护罩护罩 7-印刷印刷电路板电路板 3/8/2022 t 节距节距PAB90 90 图图5.155.15光电脉冲编码器的输出波形光电脉冲编码器的输出波形 3/8/2022 可逆可逆计数计数B相信号相信号单稳单稳A相信号相信号a+整整形形整形整形dbcef-&反向反向abcdefabcdef应用一：应用一：适 应 带 加 减适 应 带 加 减计 数 要 求 的计 数 要 求 的可逆计可逆计数器，数器，形 成 加 计 数形 成 加 计 数脉 冲 和 减 计脉 冲 和 减 计数脉冲数脉冲 a) 逻辑电路图逻辑电路图b) 波型图波型图 正走：正走：a 超前超前b1/4周期加计数周期加计数 反走：反走：a 超前超前b1/4周期减计数周期减计数 低电平低电平低电平低电平3/8/2022 应用二：应用二：适 应 有 计 数适 应 有 计 数控 制 端 和 方控 制 端 和 方向 控 制 端