数控检测技术课件

第四章数控检测技术第四章数控检测技术1数控系统检测元件的分类1.常用的位置检测装置的分类：按检测量测量基准按被测位移量类型按与被测对象联系方式绝对式增量式直线式回转式接触式非接触式数控系统检测元件的分类1.常用的位置检测装置的分类：绝对式2

从检测的信号分

直线型回转型

从传感器输出信号分

模拟式

数字式数控系统检测元件的分类直线感应同步器、长光栅、长磁栅、激光干涉仪旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘旋转变压器、感应同步器从检测的信号分直线型回转型从传感器模拟式数字式数控系3

2位置检测元件的性能要求

可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强

满足精度、速度和测量范围的要求

使用维护方便，便于与CNC系统相联

成本↓，寿命↑2位置检测元件的性能要求41.结构

旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。

旋转变压器分解器定子变压器定子线轴变压器转子线轴变压器一次线圈变压器二次绕组分解器定子绕组分解器转子绕组转子轴分解器转子1.结构旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子5

2.工作原理

旋转变压器2.工作原理旋转变压器6

2.工作原理

旋转变压器鉴相工作方式E=给变压器的正、余弦绕组分别加上幅值相等、频率相同、相位不同的正余弦励磁电压2.工作原理旋转变压器鉴相工作方式E7鉴幅工作方式供给定子（或滑尺）的激磁信号是两组频率相同、相位相同，幅值不同

的交流电压。

鉴幅工作方式供给定子（或滑尺）的激磁信号是两组频率相同、相位8感应同步器（非接触模拟测量，电磁感应原理）

•（一）感应同步器分类与结构（二）直线型感应同步器（检测直线位移）

定尺（连续感应绕组）+滑尺分段励磁绕组：正弦+余弦）；定尺固定在机床的固定部件，滑尺固定在移动部件，二尺与导轨平行，二尺间隙0.15~0.35mm；感应同步器感应同步器（非接触模拟测量，电磁感应原理）感应同步器9标准型窄型带状三速（三重）式定尺滑尺1—耐切削液保护层2—基体3—平面绕阻4—绝缘粘结剂5—铝箔屏蔽层直线型感应同步器定尺滑尺1—耐切削液保护层2—基体3—10

圆型感应同步器（检测角位移）转子（连续绕组）+定子（分段绕组：正弦绕组+余弦绕组）定子转子2。标准型直线型感应同步器工作原理

电磁感应原理滑尺绕组加交变励磁电压u(t)→定尺绕组产生感应电压v(x,t)Ν（x,t)=eu(t)=u圆型感应同步器（检测角位移）定子转子2。标准型直线型感应同11数控检测元件直线型感应同步器工作原理定尺绕阻产生感应电势的原理图感应同步器产生感应电压的原理图直线型感应同步器绕阻原理图数控检测元件直线型感应同步器工作原理定尺绕阻产生感应电势12数控检测元件直线型感应同步器工作原理滑尺正弦绕组励磁us(t)

定尺感应滑尺余弦绕组励磁uc(t)

定尺感应x:定、滑尺绕组间在一个节距(τ=W)内的相对位移;

:对应x的相位角(滑尺相对定尺在空间的相位角）

=2x/

（三）感应同步器输出信号的处理方式1、鉴相方式根据定尺感应输出电压的相位角检测位移x；正、余弦绕组励磁电压同频、同幅、相位差90°；数控检测元件直线型感应同步器工作原理滑尺正弦绕组励磁us131.鉴相式检测方式：

供给定子(或滑尺)的激磁信号是频率相同、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压，

根据叠加原理，转子（或定尺）上的总感应电压为

通过鉴别转子（或定尺）感应输出电压的相位，即可计算出转子相对定子（或滑尺相对于定尺）旋转（或移动）的位移。感应同步器工作方式由测得的相位差(

=2x/

)求位移x：对于=W=2mm,若测得=1.8°，则x=0.01mm1.鉴相式检测方式：感应同步器工作方式由测得的相位差(=142.鉴幅式检测方式：

供给定子（或滑尺）的激磁信号是两组频率相同、相位相同，幅值不同的交流电压。

当转子相对于定子（或滑尺相对于定尺）旋转（或移动）一个角度（位移）时，则在转子（或定尺）绕组产生的总感应电压为

感应同步器工作方式由幅值求位移

初始位置

二尺相对移动

感应电压增量2.鉴幅式检测方式：感应同步器工作方式由幅值求位移初始位15数控系统检测元件（四）感应同步器的特点与使用1、精度高（输出电压使许多对极感应电压的平均值有均化误差作用）2、可用于长距离位移测量3、对环境的适应性较强4、使用寿命长，维护简单5、工艺性好，成本低数控系统检测元件（四）感应同步器的特点与使用16光栅（非接触模拟测量，光的透射、反射与干涉原理）•（一）光栅分类

1、物理光栅与计量光栅

2、玻璃透射光栅与金属反射光栅

3、直线光栅与圆光栅

光栅•（二）透射直线光栅结构

长光栅（标尺光栅）：等距线纹，明暗相间，

短光栅（指示光栅）：栅距同长光栅，与长光栅夹微小角度光栅（非接触模拟测量，光的透射、反射与干涉原理）光栅•（二）17ω摩尔条纹光栅位置检测装置

标尺光栅指示光栅光栅节距摩尔条纹节距作用：放大作用误差均化作用测量位移θW光栅倾角ω摩尔条纹光栅位置检测装置标尺光栅指示光栅光栅节距摩尔条纹18W、ω、θ之间的关系

光栅位置检测装置

BC=ABsin(θ/2)其中BC=ω/2，AB=W/2，因此W=ω/sin(θ/2)由于θ很小，θ单位为rad时，Sin(θ/2)≈θ故W≈ω/θω光栅节距θWW、ω、θ之间的关系

光栅位置检测装置BC=ABsin19令k=W/ω=1/θ,则k为放大比。如ω=0.01mm，取θ=0.002rad=0.11o则W=5mm,K=500,即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量。摩尔条纹的作用放大作用误差均化作用摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的节距误差得到平均化。

光栅位置检测装置令k=W/ω=1/θ,则k为放大比。摩尔条纹的作用放大20数控系统检测元件光栅

莫尔条纹特点莫尔条纹移动量与移动方向：光栅移动每一个栅距W，莫尔条纹则移动一个节距B，其移动方向与光栅移动方向和转向有关；指示光栅相对标尺光栅的转角方向标尺光栅移动方向莫尔条纹移动方向顺时针方向转角右上左下逆时针方向转角右下左上数控系统检测元件光栅莫尔条纹特点指示光栅相对标尺光21数控检测技术课件22数控检测技术课件23直线光栅检测辨向工作原理B中S1和S2相距W/4的缝隙，光栅移动时，莫尔条纹通过两个缝隙的时间不同，所以光电元件所获得的电信号波形相同，但相位差900。哪个信号的超前由标尺光栅G2确定直线光栅检测辨向工作原理B中S1和S2相距W/4的缝隙，光24数控系统检测元件鉴向与4倍频电路

光栅位移—数字变换处理P172光栅位移→莫尔条纹移动→光电转换器→正弦电信号→放大、整形、微分→电脉冲信号一个脉冲代表一个珊距的距离数控系统检测元件鉴向与4倍频电路光栅位移—数字变换处理25（四）计量光栅的特点（1）精度高。直线位移0.5~3μm（300mm范围内），分辨率可达0.1μm；角位移可达精度0.15”，分辨率可达0.1”（2）可用于大量程测量（3）可实现动态测量易于实现测量及数据处理的自动化（4）具有较强的抗干扰能力（5）怕振动和怕油污（6）高精度光栅制作成本高数控系统检测元件（四）计量光栅的特点数控系统检测元件26脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲，是数控机床上使用最广的检测装置。脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘光电式接触式电磁感应式光电式接触式电磁感应式脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转27

增量式脉冲编码器脉冲编码器结构图指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于记数和辩向。增量式脉冲编码器脉冲编码器结构图指示光栅有两组线纹A和B，28上一页

脉冲编码器工作原理光源接通，圆光栅旋转，光线透过两个光栅的A,B两组线纹，每转过一个光栅节距，便在光电元件上形成明—暗—明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，连续旋转便得到A和B两路正弦电压信号脉冲编码的输出信号如右图所示：放大、整形后得到所示的方波信号A和B，如光栅盘正转时A相超前90o，反转时B相超前90o。另外还产生一转脉冲Z，Z为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标原点的信号，车削螺纹时作为刀点的信号。上一页脉冲编码器工作原理光源接通，圆光栅旋转，光线透过两个29

脉冲编码器

是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。特点电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序单上标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。绝对式脉冲编码盘

脉冲编码器是一种绝对角度位置检测装置，它的位30•绝对式脉冲编码器（接触式测量）

结构数控系统检测元件---脉冲编码器工作原理：绝对式编码盘，每个角度位置对应一个编码码道的圈数是二进制的位数高位在内，低位在外N个码道，圆周均分为2n•绝对式脉冲编码器（接触式测量）数控系统检测元件---脉冲31

脉冲编码器绝对式脉冲编码盘脉冲编码器绝对式脉冲编码盘32

码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着色的码道为“0”，内环码道为数码的高位。A图为二进制数码，B图为葛莱循环码在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。脉冲编码器绝对式脉冲编码盘码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的33

脉冲编码器图中二进制的数码1100的位置就是从0位算起的第12个角度绝对坐标位置，换算成角度是（360/16）x12=270的位置（编码盘分为16个区段）。绝对式脉冲编码盘

脉冲编码器图中二进制的数码1100的位置就是从0位算起的第34

纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增