数控机床技术 第5章 位置检测装置

1、1第5章 位置检测装置位置检测装置5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 旋转变压器旋转变压器5.3 5.3 测速发电机测速发电机5.4 5.4 感应同步器感应同步器5.5 5.5 光电编码器光电编码器5.6 5.6 光栅尺光栅尺2本章教学重点、难点 本章教学重点本章教学重点: : 熟悉旋转变压器工作原理、感应同步器结构和熟悉旋转变压器工作原理、感应同步器结构和特点、理解感应同步器的基本工作方式、莫尔条纹特点、理解感应同步器的基本工作方式、莫尔条纹的原理的原理, ,光电编码器的工作原理。光电编码器的工作原理。 本章教学难点本章教学难点: : 旋转变压器的工作原理。旋转变压器的工作原理。35.1

2、 概述 位置检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有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，使着向消除偏差的偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。方向运动直至偏差等于零为止。位置检测装置位置检测装置45.1.1 位置检测装置的要求 1. 1. 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强保持精度，抗干扰能力强; ;

3、 2. 2. 在机床执行部件工作范围内，能满足精度在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度和速度的要求；进给速度202030m/min30m/min，转速高，转速高达达100000 r/min100000 r/min。 3. 3. 使用维护方便，适应机床工作环境；使用维护方便，适应机床工作环境； 4. 4. 成本低。成本低。55.1.2 位置测量装置的组成与作用（1 1）组成）组成 位置测量装置是由检测元件（传感器）位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。和信号处理装置组成的。位置检测装置位置检测装置65.1.2 位置测量装置的组成与作用 （2 2）作用）作用

4、 实时测量执行部件的位移和速度信号，并变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元，以实施闭环控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

5、置检测装置。须精心选择位置检测装置。75.2 旋转变压器 旋转变压器旋转变压器是一种基于电磁感应原理的角度是一种基于电磁感应原理的角度测量元件，在结构上与两相绕组式异步电动机相测量元件，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，激磁频率通常为子绕组上，激磁频率通常为400Hz400Hz 5000Hz5000Hz，转子，转子绕组产生的感生电压反映回转角的变化。其结构绕组产生的感生电压反映回转角的变化。其结构简单、动作灵敏，对环境无

6、特殊要求，维护方便，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。输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。 85.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 有刷式旋转变压器转子绕组通过滑环和电刷直接引出，有刷式旋转变压器转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以可靠性差，寿命也比较短触的，所以可靠性差，寿命也比较短有刷式旋转变压器结构有刷式旋转变压器结构95.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 无刷式旋转变压器结构示意图无刷式旋转变压器结构示意图 1-1-转轴转轴

7、 ; 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 105.2.1 旋转变压器的结构和工作原理工作原理：工作原理：当激磁电压当激磁电压u1=Umsint加到定子绕组时，加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，u2= ku cos = kUmsintcos 。转子绕组的角度； k变压比变压比, ,绕组匝数比。绕组匝数比。=90时 e2 = 0;=0 时 e2 = ku1。115.2.2 旋转变压器的

8、应用（1 1）鉴相方式鉴相方式 us=Umsint；uc=Umcost e2= kus cos- kucsin = kUm (sintcos- costsin) = kUm sin(t-) 转子输出信号的相位角转子输出信号的相位角( (t-) )与转子的偏转与转子的偏转角角之间有着严格的对应关系。之间有着严格的对应关系。 125.2.2 旋转变压器的应用（2 2）鉴幅方式鉴幅方式 us=Umsin电sint uc=Umcos电sint e2 = kus cos机- kucsin机 = = kUm sint(sin电cos机- cos电sin机) = kUm sin(电-机) sint 感应电动

9、势感应电动势e2 2是以是以为角频率、以为角频率、以Um sin(电-机)为幅为幅值的交变电压信号。若电气角值的交变电压信号。若电气角电电已知，只要测出已知，只要测出e2 2 幅值幅值( (利用利用e2 2 =0 =0) )，便可间接的求出机械角，便可间接的求出机械角机机，从而得出被测，从而得出被测角位移。角位移。 135.2.3 无刷旋转变压器无刷旋转变压器结构示意图无刷旋转变压器结构示意图1-1-转子轴转子轴;2-;2-分解器定子分解器定子; 3-; 3-分解器转子分解器转子; 4-; 4-分解器转子线圈分解器转子线圈; ;5-5-分解器定子线圈分解器定子线圈 ; 6- ; 6-变压器定子

10、变压器定子; 7-; 7-变压器转子变压器转子; ;8-8-变压器一次线圈变压器一次线圈 ; 9- ; 9-变压器二次线圈变压器二次线圈 145.3 测速发电机 测速发电机可以将机械转速转换为相应的电压测速发电机可以将机械转速转换为相应的电压信号，在自动控制系统中常用作测量转速的信号元信号，在自动控制系统中常用作测量转速的信号元件。按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流件。按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。测速发电机和交流测速发电机两大类。155.3.1 测速发电机的主要要求 1 1输出电压与速度保持严格的线性关系，且不随外输出电压与速度保持严格的线性

11、关系，且不随外界条件的改变而变化；界条件的改变而变化； 2 2剩余电压（转速为零时的电压）小；剩余电压（转速为零时的电压）小； 3 3输出电压对转速的变化反应灵敏，测速发电机输输出电压对转速的变化反应灵敏，测速发电机输出特性的斜率要大；出特性的斜率要大； 4 4惯性小、反应快、使用可靠。惯性小、反应快、使用可靠。165.3.2 直流测速发电机结构 直流测速发电机的结构与小型普通直流发电机的结构相直流测速发电机的结构与小型普通直流发电机的结构相同，按励磁方式的不同，直流测速发电机可分为励磁电磁式同，按励磁方式的不同，直流测速发电机可分为励磁电磁式和永磁式两种。和永磁式两种。 励磁电磁式直流测速发

12、电机的磁极由励磁绕组构成，由励磁电磁式直流测速发电机的磁极由励磁绕组构成，由于工作时励磁绕组发热会引起励磁绕组电阻的变化，从而引于工作时励磁绕组发热会引起励磁绕组电阻的变化，从而引起励磁电流的变化，会造成一定的测量误差。起励磁电流的变化，会造成一定的测量误差。 永磁式直流测速发电机的磁极由永久磁铁构成，结构简单，永磁式直流测速发电机的磁极由永久磁铁构成，结构简单，受温度变化引起的误差也小，应用广泛。受温度变化引起的误差也小，应用广泛。175.3.3 直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理图直流测速发电机的工作原理图 185.3.3 直流测速发电机的工作原理 直流测速发电机的工作原理图

13、如上图所示。若发电机内部直流测速发电机的工作原理图如上图所示。若发电机内部磁场恒定，当被测机械拖动发电机以转速磁场恒定，当被测机械拖动发电机以转速n n旋转，电刷两端产生旋转，电刷两端产生的空载感应电动势的空载感应电动势E0为：为：E0=Cen。其中。其中Ce e为电枢总导体数，为电枢总导体数，是一个常数。是一个常数。 当直流测速发电机空载运行时，空载感应电动势与转速成当直流测速发电机空载运行时，空载感应电动势与转速成正比，电动势的极性与转速的方向有关。由于空载时的输出电正比，电动势的极性与转速的方向有关。由于空载时的输出电压就是空载感应电动势，所以输出电压与转速成正比。压就是空载感应电动势，

14、所以输出电压与转速成正比。 如果接入负载电阻如果接入负载电阻R1，则负载电流会引起电枢电阻压降和，则负载电流会引起电枢电阻压降和电刷与换向器之间的接触压降。如不考虑电枢反应对磁场的影电刷与换向器之间的接触压降。如不考虑电枢反应对磁场的影响，则输出电压为响，则输出电压为U=E0-IaRa-U=Cen-RaU/R1-U式中，式中，Ra为电枢电阻；为电枢电阻；U为电刷与换向器之间的接触压降为电刷与换向器之间的接触压降 195.3.3 直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性205.4 感应同步器 感应同步器：感应同步器：是从旋转变压器发展而来的直是从旋转变压器发展而来

15、的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。它也是一种电磁感应式的高精度位移检测装置，它也是一种电磁感应式的高精度位移检测装置，分为分为旋转式旋转式和和直线式直线式两种，前者用于角度测量，两种，前者用于角度测量，后者用于长度测量。后者用于长度测量。 215.4.1 感应同步器的结构及工作原理 (1) (1)直线感应同步器直线感应同步器的结构的结构 滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。22 (1) (1)直线感应同步器直线感应同步器的结构的结构 P为绕组节距，为绕组节距， ud d为定尺感生电压，为定尺感生电

16、压，us s 、uc c为激磁电压为激磁电压 5.4.1 感应同步器的结构及工作原理235.4.1 感应同步器的结构及工作原理 (2)(2)直线感应同步器的工作原理直线感应同步器的工作原理 向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应，在定尺上感生出感应电压，当滑尺与定尺之间产生应，在定尺上感生出感应电压，当滑尺与定尺之间产生相对位移时，定尺上的感应电压随位移的变化而变化。相对位移时，定尺上的感应电压随位移的变化而变化。 245.4.1 感应同步器的结构

17、及工作原理 (3) (3)一个节距内感应电势的变化一个节距内感应电势的变化 255.4.2 感应同步器的应用 (1) (1)感应同步器的鉴相测量系统感应同步器的鉴相测量系统鉴相测量系统鉴相测量系统 265.4.2 感应同步器的应用 设滑尺绕组节距为设滑尺绕组节距为P，则滑尺移动，则滑尺移动x时，有时，有 xPPx2,2)sin(sincoscossinsincoscossinmmmcs0mcmstkUtkUtkUkukuutUutUu275.4.2 感应同步器的应用 (2) (2)感应同步器的鉴幅工作方式感应同步器的鉴幅工作方式 鉴幅系统的结构框图鉴幅系统的结构框图285.4.2 感应同步器的

18、应用 (2) (2)感应同步器鉴幅工作的原理感应同步器鉴幅工作的原理 u=Umsin电sint， uc=Umcos电sint uo = kus cos机-kucsin机 = kUm sint(sin电cos机- cos电sin机) = kU m sin(电-机) sint 如果调整电，使uo = 0， 则:电-机=0， 即:电=机295.4.3 感应同步器的优点1.1.精度高；精度高；2.2.工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；3.3.无接触摩擦，不怕灰尘油污；无接触摩擦，不怕灰尘油污；4.4.维修简单，寿命长；维修简单，寿命长；5.5.测量距离长；测量距离长；6.6.制造工艺性好

19、、成本低、便于成批生产。制造工艺性好、成本低、便于成批生产。305.5 光电脉冲编码器 脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器种。从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其它两种。数控机床主要使用光电式脉冲编码优于其它两种。数控机床主要使用光电式脉冲编码器。器。 光电式脉冲编码器是一种光学式位置检测元件光电式脉冲编码器是一种光学式位置检测元件, ,编码盘直接装在转轴上，能把机械转角变成电脉冲编码盘直接装在转轴上，能把机械转角变成电脉冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。信号，是数控机床上使用很广泛

20、的位置检测装置。同时也用于速度检测。同时也用于速度检测。 光电脉冲编码器又可分为光电脉冲编码器又可分为增量式增量式和和绝对式绝对式两种。两种。 315.5.1 增量式光电编码器 光电式增量脉冲编码器光电式增量脉冲编码器结构示意图结构示意图1-1-电路板电路板 ;2- ;2-圆光栅圆光栅 ; 3- ; 3-指示光栅指示光栅 ; 4- ; 4-轴轴; ;5-5-光敏元件光敏元件; 6-; 6-光源光源 ; 7- ; 7-连接法兰连接法兰 32325.5.1 增量式光电编码器 当当圆光栅圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。此部分，形成明暗相间的

21、条纹。此光信号光信号经光电元经光电元件转化为交替变化的件转化为交替变化的电信号电信号，输出两组相位相差，输出两组相位相差9090近似于正弦的电流信号近似于正弦的电流信号A和和B B，经放大和整形，经放大和整形后变成方波。后变成方波。 此外，还有一个此外，还有一个Z相脉冲信号，编码器每转相脉冲信号，编码器每转一周，该信号只产生一个脉冲。一周，该信号只产生一个脉冲。Z脉冲信号主要脉冲信号主要用来产生机床的基准点，用于机床各坐标轴的准用来产生机床的基准点，用于机床各坐标轴的准确回零操作。确回零操作。 335.5.1 增量式光电编码器 脉冲编码器的输出波形脉冲编码器的输出波形 345.5.2 增量式光

22、电编码器工作原理增量式光电解码器工作原理图增量式光电解码器工作原理图355.5.2 增量式光电编码器工作原理 在实际应用中可以用四组子光栅，同时用于上下两组条纹在实际应用中可以用四组子光栅，同时用于上下两组条纹上以提高电细分的精度。但是正如图所示周期光栅的焦点能量上以提高电细分的精度。但是正如图所示周期光栅的焦点能量并不是真正的余弦曲线，所以如果采用如图所示的调制子光栅并不是真正的余弦曲线，所以如果采用如图所示的调制子光栅其焦点能量才是真正的余弦曲线，则细分后的分辨率精度就会其焦点能量才是真正的余弦曲线，则细分后的分辨率精度就会更为准确。另外应用调制平行光源的方法，使用两个面积不同更为准确。另

23、外应用调制平行光源的方法，使用两个面积不同的面光源也可以使焦点能量成为正确的余弦函数。通过应用不的面光源也可以使焦点能量成为正确的余弦函数。通过应用不同分辨率的增量光栅的组合，可以获得不同频率的正弦和余弦同分辨率的增量光栅的组合，可以获得不同频率的正弦和余弦的值，这样就可制成精度非常高的绝对编码器。一般这种高精的值，这样就可制成精度非常高的绝对编码器。一般这种高精度的编码器总有多个码道，它们是直流参考码以及三至十五位度的编码器总有多个码道，它们是直流参考码以及三至十五位的正余弦码。的正余弦码。36应用方式一：输出加计数脉冲P+和减计数脉冲P- 电路图电路图 波形波形 37应用方式二：输出方向控

24、制信号DIR和计数脉冲P 电路图及波形图电路图及波形图 385.6 光栅尺 在高精度数控机床和数显系统中，常使用光在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅尺作为位置检测装置。栅尺作为位置检测装置。 光栅尺是利用光学中的莫尔条纹和光电转换光栅尺是利用光学中的莫尔条纹和光电转换原理进行位移测量的。属于数字式传感器。原理进行位移测量的。属于数字式传感器。 计量光栅可分为计量光栅可分为圆光栅圆光栅和和长光栅长光栅两种。圆光两种。圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于检测直线位移。栅用于测量转角位移，长光栅用于检测直线位移。根据光线在光栅中是反射还是透射，又可分为透根据光线在光栅中是反射还是透射，又可分为透

25、射光栅和反射光栅。射光栅和反射光栅。 395.6.1 光栅尺的结构 光栅读数头结构示意图光栅读数头结构示意图1 1- -光源光源; ; 2 2- -透镜透镜; ; 3 3- -指示光栅指示光栅 ; ; 4 4- -光电元件光电元件 ; ; 5 5- -驱动驱动线路线路 405.6.2 光栅检测的工作原理 若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度 ，两块，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光透镜呈平行光线光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光透镜呈平行光线垂直照射在标

26、尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为横横向莫尔条纹向莫尔条纹。 415.6.2 光栅检测的工作原理 （1 1）用平行光束照射光栅时，）用平行光束照射光栅时，莫尔条纹莫尔条纹由亮带由亮带到暗带，再由暗带到亮带，透过的光强度分布近似到暗带，再由暗带到亮带，透过的光强度分布近似于余弦函数。于余弦函数。 （2 2）起）起放大放大作用。作用。 例如：例如：P =0.01mm；=0.01rad， 则则 W P/ =1mm。 W 表示莫尔条纹表示莫尔条纹宽宽 度，度，P

27、 表示栅距。表示栅距。 把栅距转换成了把栅距转换成了放大放大100100倍倍的莫尔条纹宽度。的莫尔条纹宽度。 425.6.2 光栅检测的工作原理 （3 3）起到）起到平均误差平均误差作用。莫尔条纹是由若干光栅线纹干作用。莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成，例如涉形成，例如100100线线/mm/mm的光栅，的光栅，10mm10mm宽的莫尔条纹就由宽的莫尔条纹就由1000010000条线纹组成，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，减小条线纹组成，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，减小了栅距不均匀造成的误差。了栅距不均匀造成的误差。 （4 4）莫尔条纹的莫尔条纹的移动移动与栅距之间的移动成比例。莫

28、尔条与栅距之间的移动成比例。莫尔条纹移动纹移动方向方向与光栅移动方向垂直。这样测量光栅水平方向移与光栅移动方向垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。替。435.6.3 光栅尺测量系统的组成 445.6.3 光栅尺测量系统的组成 通常，光栅测量中的光敏元件使用硅光电池，它的作通常，光栅测量中的光敏元件使用硅光电池，它的作用是将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号。上图用是将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号。上图中放置了中放置了4 4个光敏元件，相邻距离个光敏元件，相邻距离1/41/4莫尔条纹节距。因此莫尔条纹节距。因此4 4个光敏元件输出