第六章数控机床的检测装置

1、第六章数控机床的检测装置位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+ + +- - -电机电机机械执行部件机械执行部件CNCCNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈半闭环伺服系统数控机床半闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+ + +- - -电机电机机械执行部件机械执行部件CNCCNC插补插补指令指令实际

2、实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈一、概一、概 述述 组成组成：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。 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。1、检测装置的作用、检测装置的作用 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分成部分n其作用是：其作用是：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。1）高

3、可靠性和高抗干扰性）高可靠性和高抗干扰性：n受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；2）能满足精度和速度的要求）能满足精度和速度的要求：n位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；n位置检测装置最高允许的检测速度应与数控机床的最高运行速度。3）使用维护方便）使用维护方便，适应机床工作环境适应机床工作环境；4）成本低）成本低。2、数控机床对位置检测装置的要求、数控机床对位置检测装置的要求n不同类型数控机床对检测装置的精度和不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的：适应的速度要求是不同的：n 对于大型机床以满足速度要求为主；对于大型机床以满足速度要

4、求为主；n 对中、小型机床和高精度机床以满足精对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。度要求为主。3、检测装置的分类、检测装置的分类（1）按检测信号的类型分）按检测信号的类型分 模拟式：被测量的量用连续变量来表示模拟式：被测量的量用连续变量来表示大多数的数控系统采用数字式的装置大多数的数控系统采用数字式的装置数字式：被测量的量以数字的形式来表示数字式：被测量的量以数字的形式来表示（2）按测量方式分类）按测量方式分类 间接测量：对机床的直线位移采用回转型间接测量：对机床的直线位移采用回转型 检测元件测量检测元件测量直接测量：对机床的直线位移采用直线型直接测量：对机床的直线位移采用直线型 检

5、测元件测量检测元件测量3、检测装置的分类、检测装置的分类（3）按测量获得的值来分类）按测量获得的值来分类 绝对式测量和增量式测量：绝对式测量和增量式测量： 增量式测量的持点是：只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置3、检测装置的分类、检测装置的分类数数字字式式 模模拟拟式式 增增量量式式 绝绝对对式式 增增量量式式 绝绝对对式式 回回转转式式 脉脉冲冲编编码码盘盘 圆光栅 绝对式脉冲编码盘 旋旋转转变变压压器器 圆感应同步器 圆磁尺 三速

6、圆感应同步器 直直线线式式 直直线线光光栅栅 激光干涉仪 多通道透射光栅 直直线线感感应应同同步步器器 磁尺 三速感应同步器 绝对磁尺 常用位置检测装置分类表二、旋转变压器二、旋转变压器1、旋转变压器结构、旋转变压器结构 旋转变压器在结构上和两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。励磁电压接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。 根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分有刷式和无刷式两种结构。有刷 无刷 1、转子绕组 2、定子绕组3、转子 4、整流子 5、电刷 6、接线柱结构示意图电气原理图2595旋转变压

7、器旋转变压器 2914旋转差动变压器旋转差动变压器2909旋转变压器旋转变压器(低频低频) 2532旋转变压器旋转变压器(高频高频) 2旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构保证了其定子和转子之间的磁通呈正（余）弦规律。定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。如图所示，其所产生的感应电动势的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。 感应电动势随着转子偏转的角度呈正（余）弦变化：2旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理设加在定子绕组设加在定子绕组S1S2的激磁电压为的激磁电压为 Vs= Vmsint转子绕组感应电动势为转

8、子绕组感应电动势为VB= KVs sin =KVm sinsintK：电磁耦合系数：电磁耦合系数 Vm：Vs的幅值的幅值：转子的转角：转子的转角2旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理3旋转变压器的应用旋转变压器的应用n为了克服磁通畸变，通常采用正余弦旋转变压器，其定子和转子绕组均由两个匝数相等且相互垂直的绕组构成。一个转子作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。n旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。式：鉴相方式和鉴幅方式。鉴相式工作方式 在该工作方式下，旋转变压器定子的两相正向绕组分别加上幅值相同，频率相同，而相位相差9

9、0的正弦交流电压 3旋转变压器的应用旋转变压器的应用tUUtUUmcmscossin 根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中的感应电压为：3旋转变压器的应用旋转变压器的应用)sin()sincoscos(sinsincos2tnUttnUnUnUEmmcs由上式可见，旋转变压器转子绕组中的感应电压E2其相位严格随转子偏角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角，即可测得转子相对于定子的转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位置。 鉴幅式工作方式 在这种工作方式中，在旋转变压器定子的两相正向绕组分别加上频率相同，相位相同，

10、而幅值分别按正弦、余弦变化的交流电压。即3旋转变压器的应用旋转变压器的应用tUUtUUmcmssincossinsin电电根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中的感应电压为：tnUtnUnUnUEmmcssin)sin()sincoscos(sinsinsincos2机电机电机电机机在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修正定子励磁信号电（即励磁幅值），使其跟踪机的变化。若电气角已知，那么只要测出E2的幅值，便可以间接地求出机的值，即可以测出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为0时，说明电气角的大小就是被测角位移的大小。3旋转变压器的应用旋转变压器的应用三、感应同步器三、感应同步器n感应同

11、步器是一种电磁感应式的高精度位移检感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置。实际上它是多极旋转变压器的展开形测装置。实际上它是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器分旋转式和直线式两种。旋转式。感应同步器分旋转式和直线式两种。旋转式用于角度测量，直线式用于长度测量。两者式用于角度测量，直线式用于长度测量。两者的工作原理相同。的工作原理相同。n直线式感应同步器由定尺和滑尺组成（直线位直线式感应同步器由定尺和滑尺组成（直线位移测量）移测量）n旋转式感应同步器由定子和转子组成。（角位旋转式感应同步器由定子和转子组成。（角位移测量）移测量）1.感应同步器的结构感应同步器的结构组成：相当于一个多极旋

12、转变压器。由滑尺与定尺组组成：相当于一个多极旋转变压器。由滑尺与定尺组成。滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。成。滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。sin绕组cos 绕组Uc滑尺U01/4PUsP定尺直线式感应同步器结构图直线式感应同步器结构图n1基板基板 2 一绝缘层一绝缘层 3-绕组绕组 4-屏蔽层屏蔽层 (b) (c) 定尺与滑尺绕组定尺与滑尺绕组(a)定尺绕组定尺绕组 (b) W型滑尺绕组型滑尺绕组 （c） U型滑尺绕组型滑尺绕组1、结构特点结构特点两相绕组在空间相差两相绕组在空间相差1/4个节距个节距定尺和滑尺的节距相同，定尺和滑尺的节距相同，标准型的感应同步器的节距为：标准型

13、的感应同步器的节距为：2 =2mm定尺定尺滑尺滑尺：连续绕组：连续绕组正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 感应同步器是利用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位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。nA点表示滑尺绕组与定尺点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，定尺绕组中绕组重合，定尺绕组中的感应电势最大。的感应电势最大。nB点表示两绕组错开点表示两绕组错开1/4节距，感应电势减为零。节距，感应电势减为零。nC点表示两绕组错开点表示两绕组错开1/2节距，感应电势负的

14、最节距，感应电势负的最大。大。nD点表示两绕组错开点表示两绕组错开3/4节距，感应电势再次变节距，感应电势再次变为零。为零。滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。绕组的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。 设设VS是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压 ： VS=Vmsin t 定尺绕组上的感应电势为：定尺绕组上的感应电势为： VB=KVScos = KVmcos sin t 式中：式中： K-电磁耦合系数电磁耦合系数 Vm-V的幅值的幅值 -反映定尺和滑尺的相对移动的距离

15、反映定尺和滑尺的相对移动的距离xxx 22 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 四、光栅四、光栅1.1.光栅的结构光栅的结构 光栅是在一块长条型（圆形）光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的与不透光相间排列的光电器件光电器件。 栅线栅线光栅上的刻线，宽度光栅上的刻线，宽度a a 缝隙宽度缝隙宽度b b 栅距栅距w=a+bw=a+b（也称光栅常数）（也称光栅常数）四、光栅四、光栅2、光栅的种类、光栅的种类 按反射的原理分：按反射的原理分： 1）透视光栅）透视光栅 在玻璃的表

16、面制成透明与不透明间隔在玻璃的表面制成透明与不透明间隔相等的线纹。相等的线纹。其特点为：其特点为：光源可垂直入射，信号幅度大，读数头光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构结构 较简单；较简单；每毫米上的线纹数多。每毫米上的线纹数多。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。2）反射光栅）反射光栅n在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹。在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹。n其特点为：其特点为： 长光栅的热胀系数容易做成与机体材料一致；长光栅的热胀系数容易做成与机体材料一致； 长光栅的安装和调整比较方便；长光栅的安装和调整比较方便； 安装面积较小

17、；安装面积较小； 易于接长；易于接长； 不易碰碎；不易碰碎； 形成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。形成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。按形状分：按形状分： 圆光栅：测量角位移圆光栅：测量角位移长光栅：测量直线位移长光栅：测量直线位移长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量刻线相互平行；用于测量长度或线位移长度或线位移构成：主光栅构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅动光栅长度长度 - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、5

18、0、100、125线线/mm ) 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移度或角位移wab放大(a) 长光栅(b) 圆光栅放大wab圆光栅分类：圆光栅分类：根据根据栅线刻划的方向栅线刻划的方向，圆光栅分三种：，圆光栅分三种： 径向光栅径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅环形光栅: 一簇等间距同心圆组成一簇等间距同心圆组成.(a) 径向光栅(b)

19、切向光栅(c) 环形光栅 执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通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数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号信号光源光源透镜透镜标尺光栅Gs标尺光栅Gs指示光栅Gi指示光栅Gi光电元件光电元件驱动电路驱动电路驱动驱动电路电路（2）光栅位置检测装置的结构）光栅位置检测装置的结构光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构透射光栅透射光栅（2）光栅位置检测装置的结构）光栅位置检测装置的结构光栅系统的精度主要取决于光栅的制造精度，光栅系统的精度主要

20、取决于光栅的制造精度，即光栅任意两点间的误差即光栅任意两点间的误差累积误差。累积误差。 硅光电池等元件硅光电池等元件指示光栅指示光栅标尺光栅（长光栅）标尺光栅（长光栅）聚光镜聚光镜光源光源莫尔条纹莫尔条纹n1).莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其特征n 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角小的夹角时时, 光源照射光栅尺，由于挡光光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带相交处形成暗带，而在而在刻线彼此错开处形成亮带刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅。在与光栅线纹大致垂直的方向上线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间

21、产生出亮暗相间的条纹的条纹, 这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹”。莫尔条纹莫尔条纹演示演示 摩尔条纹摩尔条纹 标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅光栅节距光栅节距摩尔条纹节距摩尔条纹节距 作用：作用： 放大作用放大作用误差均化作用误差均化作用 测量位移测量位移W光栅倾角光栅倾角vW、之间的关系之间的关系 BC=ABsin(/2)其中其中 BC=/2 ， AB=W/2 ，因此因此 W=/sin(/2)由于由于很小，很小，单位为单位为rad时，时，Sin(/2) 故故 W / 令令k= W/ = 1/,k= W/ = 1/,则则k k为放大比。为放大比。如如=0.01mm=0.01mm，取，

22、取=0.002 rad = 0.11=0.002 rad = 0.11o o 则则W=5mm, W=5mm, K=500, K=500, 即放大即放大500500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有节距却有5mm5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量。摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用1.放大作用放大作用 （2）平均效应）平均效应n起平均误差的作用起平均误差的作用n莫尔条纹是由许多根线纹组成的。如：光栅为莫尔条纹是由许多根线纹组成的。如：光栅为100线线/mm一条一条10mm长的莫尔条纹由：长的莫尔条纹由：100线线/mm10mm=

23、1000条光栅线纹组成，条光栅线纹组成，光栅上线纹的间距误差就平均化。光栅上线纹的间距误差就平均化。（3）莫尔条纹的移动规律与栅距之间）莫尔条纹的移动规律与栅距之间的移动成比例的移动成比例n当光栅向左、右移动一个栅距当光栅向左、右移动一个栅距，莫尔条纹，莫尔条纹也相应地向上、下移动一个也相应地向上、下移动一个WC。n莫尔条纹的移动有如下规律：莫尔条纹的移动有如下规律： 若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转一若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转一个小角度（个小角度（+），然后向左移动，则莫尔），然后向左移动，则莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅向右移条纹向上移动；反之，当指示光栅向右移动，条纹向下移

24、动。如果将指示光栅按顺动，条纹向下移动。如果将指示光栅按顺时针方向转过一个小角度时针方向转过一个小角度(-)，则情况与上，则情况与上述相反述相反 。当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹的当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹的亮度也变化了一个周期。亮度也变化了一个周期。光电接收元件光电接收元件E光的强度光的强度x位移位移光栅的辨向光栅的辨向n采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，但采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，但不能辨识运动方向，为了确定运动方向，至少要有不能辨识运动方向，为了确定运动方向，至少要有两个光电元件。如图所示。两个光电元件。如图所示。标尺光栅狭缝S透镜光电管指示光栅W/4WS1S

25、2两个光电元件位置间隔两个光电元件位置间隔1/4个摩尔条纹个摩尔条纹间距。产生的光电强度相差间距。产生的光电强度相差900通过判断通过判断S1和和S2的超前或滞后来确定移的超前或滞后来确定移动的方向。动的方向。ExS1S2S24）提高光栅分辨精度的措施）提高光栅分辨精度的措施n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，但刻线密度达到200线/毫米以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高。因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨率。下面我们看一下一个四倍频的电子线路，通过它可以使光栅的分辨率提高4倍。光栅测量系统图光栅测量系统图（3）光栅位移）光栅位移数字变换电路数字变换电路n为了

26、提高光栅检测装置的精度，可以提高刻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。但刻线密度达线精度和增加刻线密度。但刻线密度达200线线/mm以上的细光栅刻线制造较困难，成本以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高。因此，通常采用倍频的方法来提高光也高。因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，见图栅的分辨精度，见图6-26采用四倍频方案采用四倍频方案 。光电元件由四块光电池组成，产生的信号，光电元件由四块光电池组成，产生的信号，相位相差相位相差90度。该电路还将模拟位移转化为度。该电路还将模拟位移转化为数字量。数字量。 n设光栅刻线的密度为：设光栅刻线的密度为：50线线/mm，

27、采用，采用4个个光电元件和光电元件和4个隙缝，每隔个隙缝，每隔1/4光栅节距产生光栅节距产生一个脉冲。虽然光栅栅距为一个脉冲。虽然光栅栅距为0.02mm，但，但4倍倍频后，每一脉冲都相当于频后，每一脉冲都相当于5m，即分辨精度提，即分辨精度提高高4倍。此外，还采用倍。此外，还采用8、10、20倍频及其它倍频及其它倍频线路。倍频线路。 五、脉冲编码器五、脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它将转角位移脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它将转角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式，是一种常转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式，是一种常用的角位移传感器。用的角位移传感器。 绝对值式编码

28、器绝对值式编码器增量式编码器增量式编码器按编码的方式分按编码的方式分1、增量式编码器、增量式编码器n增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在圆盘的周围上分成等距的透光和不透光部圆盘的周围上分成等距的透光和不透光部分相间的辐射状线纹，该圆盘与工作轴一分相间的辐射状线纹，该圆盘与工作轴一起旋转。起旋转。结构及工作原理 信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4信号处理装置abz节距AABBZZm+/4AAa 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路： 其中， 是 的取反信号。 AA 、ZZBB、ZBA 、ZBA、q 输出信号的作用及其处理n A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。nZ相的作用 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。AB90OZ码盘转一圈n在应用时，从脉冲编码器输出的在应用时，从脉冲编码器输出的