伺服系统中的常用检测装置

5伺服系统中的常用检测装置5.1概述组成：位置测量装置是由检测元件和信号处理装置组成的作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反响到位置控制单元，以实施闭环控制。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，须精心选择位置检测装置。8/26/20241检测系统的根本特性8/26/20242〔3〕线性度是用实测的I/O曲线与拟合直线之间最大偏差和满量程输出的百分比来表示的。〔4〕灵敏度是指传感器或检测系统输出的变化量和引起此变化的输入变化量的比值。〔5〕迟滞系统的加载和卸载曲线不重合的程度叫做迟滞。8/26/20243对于大型机床以满足速度要求为主对于中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。系统分辨率的提高，对加工精度有一定的影响，但也不宜过小分辨率的选取通常和脉冲当量的选取方法一样，数值也相同，均按机床加工精度的1/3-1/10选取。机床进给伺服系统所用的检测部件主要有:旋转变压器和脉冲编码器两种，在全闭环时用作位置检测的还有光栅等。8/26/202448/26/202455.1.1对位移检测装置的要求

〔1〕除了对电磁感应有较强的抗干扰能力外，还要求不怕油、水的污染，也要求检测元件被环境温度影响较小。〔2〕在机床执行部件移动范围内，满足精度和速度响应时间要求直线位移检测装置的分辨率一般在之间，其测量精度可达。〔3〕使用维护方便，使用机床工作环境。由于机床在实际加工中有铁屑和切削液的存在，所以检测元件在拖板上安装时也必须有一定的防护罩。〔4〕本钱低8/26/20246对转角测量装置的分辨率在2″时其测量精度可达±10″/360°。〔5〕对所检测位移信号处理方便指从检测元件中取出的与位移有关的电信号，通过有关电路进行放大、整形、细分、记数等信号处理。一般来说，数字式测量装置的信号处理较方便，而模拟式测量装置的信号处理就较复杂。〔6〕使用经济。本钱低、寿命长。8/26/202475.1.2分类分

类

增

量

式

绝

对

式

位移传感器

回转型--脉冲编码器、自整角机、旋转变压器、圆感应同步器、光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅

多极旋转变压器、绝对脉冲编码器

绝对值式光栅、三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器

直线型--直线感应同步器、光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪

霍耳位置传感器

三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器

速度传感器测速发电机、数字脉编码式速度传感器、霍耳速度传感器

角度传感器、数字电磁、磁敏式速度传感器

电流传感器

霍耳电流传感器

8/26/202481〕按照测量手段将其分为直接测量和间接测量〔1〕直接测量用实现标定好的测量仪表直接读取被测量结果的方法。〔2〕间接测量一般在无法进行直接测量时采用，其方法是先对与被测量有确定函数关系的几个参数进行测量，并将结果代入函数关系经过计算得到所需被测量的值。2〕偏差式测量、零位式测量和微差式测量8/26/202495.2旋转变压器旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器,它由定子和转子组成其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。

8/26/202410分类方法:(1)假设按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；(2)假设按极对数来分，可分为单对极和多对极；(3)假设按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；(4)假设按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。8/26/2024115.2.1旋转变压器的结构和工作原理8/26/202412工作原理定子绕组和转子绕组之间产生感应电压。一般定子绕组通激磁电压，转子绕组的感应信号作为输出，有：E2=KEMsinwt旋转变压器在结构上保证其定子和转子之间气隙内磁通分布符合正弦规律，当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势，其工作原理如下图。8/26/202413旋转变压器工作原理8/26/202414旋转变压器原理说明设加到定子绕组的激磁电压为U1=UMsinwt，通过电磁耦合，转子绕组将产生感应电动式为E2。(1)当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴相互垂直时，转子绕组的感应电动势E2=0；(2)当转子绕组的磁轴自垂直位置转过90°时，此时转子绕组的感应电压为最大E2=KUMsinwt。(3)当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角θ时，定子磁通在转子绕组平面的投影，那么转子绕组因定子磁通变化而产生的感应电动势为：8/26/202415正余弦旋转变压器8/26/2024165.2.2工作方式于四极旋转变压器，可以得到两种工作方法：鉴相工作法和鉴幅工作法1〕鉴相工作法如果定子的两相正交绕组，分别通以频率和幅值都相等，而相位差为90的激磁交流电压，即转子绕组产生感应电动势为定子两相磁通所产生的感应电动势之和，即8/26/202417转子绕组输出电压信号与定子输入电压信号的相位差，与转子的偏角相等。通过检测这个相位差值，就可以测量出与转子轴相连的机械轴的转角。8/26/2024182〕鉴幅工作法定子两相正交绕组分别通以频率和相位都相等，而幅值分别与电气角α的正弦和余弦成正比的激磁交流电压，即此时转子绕组产生感应电动势8/26/2024198/26/2024208/26/2024215.3感应同步器

感应同步器也是一种电磁式检测传感器，按其结构可分为：直线感应同步器和圆形感应同步器两种。直线式由定尺和滑尺两局部组成；而圆形感应同步器由定子和转子组成。感应同步器的这两局部绕组相当于旋转变压器的初级和次级线圈，它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。为了辨向和细分，在滑尺上制作两个彼此相差τ/2的绕组，这两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组。8/26/2024228/26/202423感应同步器作为检测元件有如下的优点：(1)精度高因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度能做得较高。直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度(2)测量长度不受限制当测量长度大于250mm时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。在行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量，大多数采用直线式感应同步器来实现。8/26/202424(3)对环境的适应性较强因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，因此当温度变化时，还能获得较高的重复精度感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺面防护要求低，而且可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层，加强感应同步器的抗温、防湿能力。(4)维护简单、寿命长感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦、磨损，使用寿命很长，不怕灰尘、油污及冲击振动。同时由于是电磁耦合器件，所以不需要光源、光电元件，不存在元件老化及光学系统故障等问题。(5)抗干扰能力强、工艺性好、本钱低，便于复制和成批生产。8/26/202425标准感应同步器的外形尺寸8/26/202426圆型感应同步器的绕组

8/26/2024275.3.1感应同步器的工作原理直线感应同步器的结构8/26/202428感应同步器工作原理8/26/202429当滑尺的两个绕组中的任一绕组中通过激磁交变电压时：1〕当定尺绕组与滑尺绕组之一相重合时A点，这时定尺输出的感应电压最大；2〕当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时，感应电压逐渐减小，到达1/4节距的位置B时，由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中产生的电压方向相反，所以定尺线圈输出电压为零；3〕如果滑尺继续向C点移动，那么滑尺磁场在定尺中产生的电压在负方向上逐渐增大，C点到达最大；4〕当滑尺再向D点移动时，定尺电压又逐渐变为零。5〕当移动一个节距，到达E点时，又与A点的情况相同。8/26/2024305.3.2感应同步器测量系统感应同步器也有：鉴相测量系统和鉴幅测量系统。1〕鉴相测量系统给感应同步器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同，相位差为90°的励磁信号：那么滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：8/26/202431鉴相型感应同步器用于位置控制时，指令信号由数控装置(插补器)发出，经脉冲-相位变换器变成相位信号输入鉴相器，同时把反响实际位移量的反响相位角，也反响到鉴相器进行比较，当两者相位一致时，表示实际位置和给定的指令位置一致;当不一致时时鉴相器输出相位差，并将它变换成模拟电压，经放大后驱动伺服系统，使部件作相应的位移，直至到达相位的位置，停止运动。8/26/202432感应同步器鉴相测量系统8/26/2024332〕鉴幅测控系统鉴幅工作方式是根据感应输出电压的幅值变化来检测位移的。在这种工作方式下，滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压，即8/26/2024348/26/2024355.3.3感应同步器安装使用本卷须知〔1〕感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.25mm，倾斜度小于0.5°，装配面波纹度在0.01mm/250mm以内。滑尺移动时，晃动间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm。〔2〕感应同步器必须加以防护，否那么切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路，使装置发生误动作及损坏。〔3〕同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真超过2%，将对测精度产生很大的影响，因此在调整系统时，应加以注意。〔4〕由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以应加强屏蔽以防止干扰。8/26/2024365.4光栅光栅是利用光的反射、透射和干预现象制成，有物理光栅和计量光栅。物理光栅两刻线之间距离在0.002-0.005mm之间，常用于光谱分析和光波波长的测定；计量光栅栅距在之间，常用于高精度位移的检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置5.4.1计量光栅的种类按照不同的分类方法，计量光栅可分为：直线光栅和圆形光栅；逶射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅等。1〕直线光栅〔1〕玻璃透射光栅〔2〕金属光栅2〕圆光栅8/26/2024378/26/2024388/26/2024398/26/2024408/26/2024411〕长光栅检测装置的结构

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〕长光栅检测装置的结构图光栅的结构

1-防护垫2-光栅读数头

3-标尺光栅

4-防护罩

VS312431245标尺光栅图光栅读数头1-光源

2-准直镜3-指示光栅

4-光敏元件5-驱动线路

8/26/2024422〕工作原理〔以透射投影为例〕摩尔条文宽度B的理论公式莫尔条纹：严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直长光栅检测装置的结构

VSθ

d

WW

Θ8/26/202443莫尔条纹的特征：〔1〕莫尔条纹的变化规律：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。由于光的衍射与干预作用，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过的栅距数同步。〔2〕放大作用莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线夹角θ之间关系：由图可知:W=d/sinθ又θ很小可认为:sinθ≈θ故:W=d/θ例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100〔3〕均化栅距误差作用长光栅检测装置的结构8/26/202444玻璃透射光栅的特点是：①光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；②每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。(2)金属反射光栅在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作光栅或用钻石刀直接刻划制作光栅条纹。金属反射光栅的特点是：①标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；②标尺光栅的安装和调整比较方便；③安装面积较小；④易于接长或制成整根的钢带长光栅；⑤不易碰碎。目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、508/26/202445

2．圆光栅在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周内线纹数也不相同。圆光栅——般有3种形式：(1)六十进制，如10800，21600，32400，64800等；(2)十进制，如i000，2500，5000等；(3)二进制，如512，1024，2048等。8/26/202446〔a〕结构图〔b〕输出波形透射直线式光栅原理图8/26/2024478/26/202448为了区分运动方向，需要配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出的电信号彼此在相位上差90度，假设以其中的一个为参考信号，那么另一个信号将超前或滞后参考信号90度，由此来确定运动方向。辨向的另一种方法，将指示光栅的线纹局部分成两相，每一局部的栅距和长光栅的栅距完全一致。当两相的指示〔短〕光栅线纹彼此错开1/4栅距，再配置两相物镜和光电元件，使输出的电信号彼此在相位上差90度，采用参考信号法即可辨向。在光栅位移的数字转换系统中，还有八倍频、十倍频、二十倍频等。例如，刻线密度为100线/mm的光栅尺，其最小读数为0.1微米，可用于精密机床的测量。8/26/202449计量光栅的特点：1〕精度高。测量直线位移，精度可以到达0.5-3微米〔300mm范围内〕，分辨率可以到达0.1微米；测角位移，精度可以到达0.15秒，分辨率可以到达0.1秒，甚至更高。2〕可以实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。3〕具有较强的抗干扰能力。4〕怕振动和怕油污。5〕高精度光栅尺制作本钱高。8/26/2024505.6脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转脉冲编码器，它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器通常装在被检测的轴上，随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式。脉冲编码器根据输出信号的方式不同，可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器；根据内部结构和检测方式不同，可分为接触式、光电式和电磁式三种。

8/26/2024515.6.1绝对式脉冲编码器可直接把检测转角用数字代码表示出来，每一个角度均有其对应的代码，它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积累误差。8/26/202452在一个不导电的基体上，用同心圆形码道和周向等分扇区进行分割。图中涂黑的局部为导电区；没涂黑的局部为不导电区。这样在每个扇区，都可由一四位二进制数表示。最里面一圈是公共区，它和各码道所有导电局部连接在一起，经电刷和电阻接到电源的正极。除公共区外，4位二进制码盘的四圈码道上装有电刷，电刷经由电阻接地。由于码盘与被检测轴连接在一起，而电刷位置是固定的，那么当码盘随被测轴一起旋转时，电刷和码盘的位置发生相对变化。假设电刷接触的是导电区，那么经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，此回路中的电阻上有电流流过；反之，如果电刷接触的是绝缘区，那么不能形成导电回路，电阻中没有电流流过。8/26/202453码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。显然，数位n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。假设要求的测量精度越高，码盘的道数就越多，即提高二进制的位数。目前常用光电式编码盘的道数为8-14。假设要求更高精度的码盘，那么采用组合码盘，即一个粗计码盘，一个精计码盘，精计码盘转一圈，粗计码盘依次转一格,结构却比较复杂。对码盘制作和电刷安装的要求十分严格。特别是二进制码盘，会产生非单值性误差。假设电刷恰好位于两位码的中间，或电刷接触不良，那么电刷的检测读数可能会是任意的数字。为了消除这种误差一般采用循环码，即雷格码。8/26/202454采用雷格码的4位码盘与图二进制码盘比照可以看出，其任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小的范围内。雷格码码盘在使用过程中，需要将其转换成二进制后，再进行位置计算。将二进制码右移一位并将末位舍去，然后将其与原码进行不进位加法，那么会得到与之相对应的雷格码。接触式码盘体积小，输出功率大，但易磨损，其使用寿命短，转速也不能太高。光电式码盘即是将接触式码盘的导电与不导电式区域用透明和不透明区域代替；电磁式码盘那么是用有磁和无磁替换接触式码盘的导电和不导电区域。8/26/202455光电绝对值编码器8/26/2024565.6.2脉冲增量式码盘

〔1〕结构及其特点增量式脉冲编码器最初就是一种光电盘，它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、模数转换线路及数字显示装置组成。光电盘可以用玻璃研磨抛光制成。玻璃外表在真空中镀一层不透明的铬，然后用照像腐蚀法在上面制成狭缝作透光用。狭缝的数量可以为几百条或几千条。也可以用精制的金属圆盘，在圆周上开出一定数量的等分槽缝，或在一定半径的圆周上钻出一定数量的孔，使圆盘形成相等数量的透明或不透明的区域。8/26/202457〔2〕增量式脉冲编码器工作原理光电盘装在回转轴上，当光电盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化。经过光敏元件变成一次电信号的明暗变化，对它进行整形、放大和微分处理后，得到脉冲输出信号。脉冲数就等于转过的缝隙数。8/26/202458为了区分旋转方向，需采用两套光电转换装置，使他们的相对位置能保证两者产生的电信号在相位上相差90度。通过整形，成为两个方波信号，光电编码器的输出波形如图。根据A和B的先后顺序，即可判断光电盘的正反转。假设A相超前于B相，对应转轴正转；假设B相超前于A相就对应于轴反转。假设以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成代表正向位移或反向位移的脉冲序列。除此之外，光电脉冲编码器每转一转还输出一个零位脉冲的信号，这个信号可用作加工螺纹时的同步信号。8/26/2024598/26/2024608/26/2024615.7磁栅磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件，可用作直线和角位移的测量。磁栅与同步感应器、光栅相比，测量精度略低。但具有复制简单以及安装方便等一系列优点，特别是在油污、粉尘较多的环境中应用，具有较好的稳定性。因此，磁栅较广泛地应用在数控机床、精密机床和各种测量机上。8/26/202462磁栅检测装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来作测量基准。在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相动于磁尺的位置送给伺服控制系统或数字显示装置。磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三局部组成。8/26/202463磁性标尺

磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10－30微米厚的高磁