《数控机床结构原理与应用第3版》-第３章

３.１旋转编码器旋转编码器是一种旋转式测量装置,通常安装在被测轴上,随被测轴一起转动,可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式,所以有增量式和绝对式两种类型。按其结构又可分为光电式、接触式和电磁感应式。３.１.１增量式光电编码器常用的增量式编码器是增量式光电编码器。增量式光电编码器也称光电盘,其原理如图３－１所示。增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电元器件(如光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。下一页返回３.１旋转编码器光电盘和光栏板用玻璃研磨抛光制成,玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬,然后用照相腐蚀法在光电盘的边缘上开间距相等的透光狭缝。在光栏板上制成两条狭缝,每条狭缝的后面对应安装一个光电管。当光电盘随被测轴一起转动时,每转过一个狭缝,光电管就会感受到一次光线的明暗变化,使光电管的电阻值改变,这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化,而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号,经过整形和放大等处理,变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目,即可测量旋转运动的角位移;通过计量脉冲的频率,即可测量旋转运动的转速。测量结果通过数字显示装置进行显示。上一页下一页返回３.１旋转编码器光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度,而这与光电码盘圆周的条纹数有关,即分辨角为实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹Ａ、

和Ｂ、,Ａ组与Ｂ组的条纹彼此错开１/４节距,两组条纹相对应的光电元件所产生的信号彼此相差９０°相位,用于辨向,其结构如图３－２所示,

输出波形如图３－３所示。当光电码盘正转时,Ａ信号超前Ｂ信号９０°;当光电码盘反转时,Ｂ信号超前Ａ信号９０°。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。上一页下一页返回３.１旋转编码器光电编码器的输出信号Ａ、和Ｂ、为差动信号。差动信号大大提高了传输的抗干扰能力。在数控系统中,常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率。此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹Ｃ,用于每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称一转信号或零标志脉冲,作为测量基准。其作用是输出被测轴的周向定位基准信号和被测轴的旋转圈数记数信号。同样,该脉冲也以差动形式Ｃ、输出。３.１.２绝对式旋转编码器绝对式旋转编码器,就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码,通过读取编码盘上的代码来测定角位移。上一页下一页返回３.１旋转编码器绝对式光电编码器的码盘采用绝对值编码。码盘按照其所有码制可以分为二进制码、循环码、十进制码和十六进制码等。１.接触式码盘图３－４所示为接触式四位二进制码盘示意图。在一个不导电基体上做成许多金属区使其导电,其中涂黑部分为导电区,用“１”表示,其他部分为绝缘区,用“０”表示。这样,在每一个径向上,都有“１”“０”组成的二进制代码。最里一圈是公用的,它和各码道所有导电部分连在一起,经电刷和电阻接电源正极。除公用圈以外,４位二进制码盘的４圈码道上也都装有电刷,电刷经电阻接地,电刷的布置如图３－４所示。上一页下一页返回３.１旋转编码器由于码盘与被测轴连在一起,而电刷位置是固定的,当码盘随被测轴一起转动时,电刷和码盘的位置发生相对变化,若电刷接触的是导电区,则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路,该回路中的电阻上有电流流过,为“１”;反之,若电刷接触的是绝缘区,则不能形成回路,电阻上无电流流过,为“０”。由此可根据电刷的位置得到由“１”和“０”组成的４位二进制码。若是ｎ位二进制码盘,就有ｎ圈码道,码盘的分辨角α为２.绝对式光电码盘上一页下一页返回３.１旋转编码器绝对式光电码盘与接触式码盘结构相似,只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区,而表示透光区和不透光区。编码盘的一侧安装光源,另一侧安装一排径向排列的光电元件,每个光电元件对准一条码道。当光源产生的光线经透镜变成一束平行光线照射在码盘上时,如果是透光区,通过透光区的光线被光电元件接收,并转换成电信号,输出为“１”;如果是不透光区,光线不能被光电元件接收,输出电信号为“０”。如此,在任意角度都有“１”和“０”组成的二进制代码与之对应。输出的二进制代码即代表了转轴的对应位置,即实现了角位移的绝对值测量。上一页下一页返回３.１旋转编码器绝对式光电编码器的码盘大多采用循环码盘(也称格雷码盘),格雷码盘如图３－５所示。格雷码的特点是任意相邻的两个代码之间只改变一位二进制数,这样即使码盘制作和光电元器件安装不是很准确,也只能读成相邻两个数中的一个,产生的误差最多不超过“１”,可消除非单值性误差。图３－５所示为一个四位格雷码盘。通过与图３－４比较,其不同之处在于:它的各码道并不同时改变,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,把误差控制在最小单位内。上一页下一页返回３.１旋转编码器将二进制码转换成格雷码的法则是:将二进制码与其本身右移一位后,舍去末位的数码,做不进位加法,得出的结果即为格雷码(循环码)。３.１.３编码器在数控机床中的应用１.位移测量编码器在数控机床中用于工作台或刀架的直线位移测量时有两种安装方式:一是和伺服电动机同轴连接在一起,伺服电动机再和滚珠丝杠连接,编码器在进给传动链的前端,

如图３－６(ａ)所示;二是编码器连接在滚珠丝杠末端,如图３－６(ｂ)所示。上一页下一页返回３.１旋转编码器由于后者包含的进给传动链误差比前者多,因此在半闭环伺服系统中,后者的位置控制精度比前者高。由于增量式光电编码器每转过一个分辨角对应一个脉冲信号,因此,根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量。２.螺纹加工控制在螺纹加工中,为了保证切削螺纹的螺距,必须有固定的起刀点和退刀点。安装在主轴上的光电编码器就可解决主轴旋转与坐标轴进给的同步控制,保证主轴每转一周,刀具准确移动一个螺距(或导程)。上一页下一页返回３.１旋转编码器另外,一般螺纹加工要经过几次切削才能完成,为保证重复切削不乱牙,每次重复切削时,开始进刀的位置必须相同,数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲后才开始螺纹切削的计算。３.测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比,因此,光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。上一页返回３.２光栅光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。物理光栅刻线细密(栅距０.００２~０.００５ｍｍ),精度非常高,用于光谱分析和光波波长测定等。计量光栅相对而言刻线粗一些,栅距大一些(０.００４~０.２５ｍｍ),通常用于检测直线位移和角位移等。检测直线位移的称为直线光栅,检测角度位移的称为圆光栅;根据光电元件感光方式不同,可将光栅分为玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图３－７和图３－８所示。玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜,经过涂敷、蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线纹,线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距。下一页返回３.２光栅常用的线纹密度为２５条/ｍｍ、５０条/ｍｍ、１００条/ｍｍ、２５０条/ｍｍ,条数越多,光栅的分辨率越高。金属反射式光栅是在钢尺或不锈钢带的镜面上经过腐蚀或直接刻划等工艺制成光栅线纹,常用的线纹密度为４条/ｍｍ、１０条/ｍｍ、２５条/ｍｍ、４０条/ｍｍ、５０条/ｍｍ。圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上,制成透光与不透光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等。３.２.１直线透射式光栅下面以直线透射式光栅为例来介绍光栅的组成和工作原理。上一页下一页返回３.２光栅１.组成由标尺光栅和光栅读数头两部分组成,光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等,如图３－９所示。标尺光栅和指示光栅也称为长光栅和短光栅,它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上(如机床床身),其长度应等于工作台的全行程;短光栅长度较短,随光栅读数头安装在机床的移动部件上(如工作台)。２.工作原理上一页下一页返回３.２光栅在测量时,长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起,并保持０.０１~０.１ｍｍ的间隙,指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度θ(弧度)。当光线平行照射光栅时,由于光的透射和衍射效应,在与两光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的方向上,会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹———莫尔条纹,

如图３－１０所示。两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距Ｂ,若光栅的栅距为Ｗ,则上一页下一页返回３.２光栅因为θ很小,所以则由此可见,莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。莫尔条纹具有以下特点。１)起放大作用２)起均化误差作用３)莫尔条纹的变化规律上一页下一页返回３.２光栅长短两光栅相对移动一个栅距Ｗ,莫尔条纹就移动一个条纹间距Ｂ,即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数,就知道光栅移动了多少栅距,从而也就知道了运动部件的准确位移量。３.光栅的辨向与信号处理在移动过程中,经过光栅的光线,其光强呈正(余)弦函数变化,反映莫尔条纹移动的光信号由光电元件接收转换成近似正(余)弦函数的电压信号,然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后,即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。上一页下一页返回３.２光栅为了既能计数,又能判别工作台移动的方向,如图３－８所示的光栅用了４个光电元件,每个光电元件相距１/４栅距(Ｗ/４)。当指示光栅相对标尺光栅移动时,莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样,光电元件的电信号虽然波形一样,但相位相差１/４周期。根据各光电元件输出信号的相位关系,就可确定指示光栅移动的方向。为了提高光栅的分辨率和测量精度,不能光靠增大栅线的密度来实现,可采用莫尔条纹的电子细分技术来实现。光栅检测系统的分辨率与栅距Ｗ和细分倍数ｎ有关,分辨率为Ｗ/ｎ。３.２.２光栅的特点光栅的主要特点如下:上一页下一页返回３.２光栅(１)有很高的检测精度。随着激光技术的发展,光栅制作技术得到很大提高。现在光栅的精度可达微米级,再经细分电路可以达到０.１μｍ,甚至更高的分辨率。(２)响应速度较快,可实现动态测量,易于实现检测及数据处理的自动化控制。(３)对使用环境要求高,怕油污、灰尘及振动。(４)由于标尺光栅一般较长,故安装、维护困难,成本高。上一页返回３.３磁尺磁尺又称为磁栅,该装置是将一定波长的方波或正弦波信号用记录磁头记录在磁性材料制成的磁性标尺上,作为测量基准。在测量时,拾取磁头相对磁性标尺移动,并将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号,再送到检测电路中,把拾取磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转换成控制信号送到数控装置。磁栅安装调整方便,对使用环境要求较低,对周围电磁场的抗干扰能力较强,在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性。磁尺分为直磁尺(用于直线位移测量)和圆磁尺(用于测量角位移)两种。下一页返回３.３磁尺磁尺的工作原理与普通磁带的录磁和拾磁的原理是相同的。用录磁磁头将等节距周期变化的电信号记录到磁性标尺上,用它作为测量位移量的基准尺。图３－１１所示为磁尺位置检测原理图,磁尺测量装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。１.磁性标尺上一页下一页返回３.３磁尺磁性标尺常采用不导磁材料做基体,在上面镀一层１０~３０μｍ厚的高导磁性材料,形成均匀磁膜;再用录磁机在磁性标尺上录上节距相等且周期变化的磁化信号,磁化信号的节距入一般有０.０５ｍｍ、０.１０ｍｍ、０.２０ｍｍ及１ｍｍ等几种,磁化信号有方波、正弦、余弦及三角波等;最后在磁尺表面还要涂上一层１~２μｍ厚的保护层,以防止磁头与磁尺频繁接触而引起的磁膜磨损。２.拾磁磁头拾磁磁头的功能是将磁化信号检测出来,并将其转化为电信号送到检测电路。上一页下一页返回３.３磁尺数控机床要求在低速运动甚至静止时也能检测出磁性标尺上的磁信号,所以不能使用一般录音机用的磁头。录音机磁头是速度响应型磁头,它只有在磁头和磁带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号。数控机床上使用的磁头是磁通响应型磁头。１)磁通响应型磁头图３－１２所示为磁通响应型磁头的构造原理图。磁通响应型磁头有两组绕组,绕在横臂上的绕组是励磁绕组,绕在竖杆上的绕组是输出绕组。横臂铁芯为可饱和材料铁芯,当励磁绕组输入励磁电流ｉ＝Ｉｏｓｉｎｗｏｔ,ｉ瞬时值增大到某一值时,磁头横臂铁芯材料饱和,磁阻很大,阻断磁尺与磁头构成的磁路;当ｉ变小时,磁阻变小,磁尺与磁头又构成磁路。上一页下一页返回３.３磁尺可见,励磁绕组的作用相当于磁开关,这样,即使磁头不动,只要有周期变化的励磁电流存在,输出绕组的磁路中磁通量产生周期变化,输出绕组就会有电压信号输出,电压值为励磁电流ｉ在一个周期内两次过零,两次出现峰值,因此磁头输出线圈的感应电压ｅ的变化频率ｗ是励磁电流频率ｗｏ的２倍,磁头的输出ｅ随磁头相对于磁性标尺的位移量ｘ的变化而变化,因而,通过测量输出电压而测出磁栅的位移量。上一页下一页返回３.３磁尺２)多间隙磁通响应型磁头单个磁头输出信号电压很小,一般为几毫伏至几十毫伏,而且对磁性标尺磁化信号的节距的波形要求很高。为提高输出电压,实际上是将几个磁头反串联组成多间隙磁通响应型磁头,使输出部电压为各个磁头输出电压的叠加。多间隙磁通响应型磁头如图３－１３所示。多磁头串联使用既提高了分辨率及准确性,同时对磁化信号节距的误差有平均作用。为了判别磁头的运动方向,可使用两组磁性标尺信号,根据输出信号超前或滞后,便可判别磁头移动方向。上一页下一页返回３.３磁尺３.检测电路磁尺检测电路由磁头励磁电路,读取信号的放大、滤波及辨向电路,显示控制电路等部分组成。磁尺检测方法有相位式和幅值式两种,相位方式检测较多。上一页返回３.４感应同步器感应同步器是一种电磁式位置检测元件,按结构分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成,旋转式由转子和定子组成。前者用于直线位移测量,后者用于角位移测量,它们的工作原理与旋转变压器相似。感应同步器一般由１０００~１００００Ｈｚ,几伏到几十伏的交流电压励磁,输出电压一般不超过几毫伏。３.４.１感应同步器的工作原理以直线式感应同步器为例,感应同步器由定尺和滑尺组成,其结构如图３－１４所示。下一页返回３.４感应同步器定尺和滑尺的基板是由与机床的热膨胀系数相近的钢板制成的,钢板上用绝缘黏结剂贴以铜箔,并用照相腐蚀法制成如图３－１５所示的印制绕组,在定尺上是一个连续平面矩形绕组,滑尺上分布正弦绕组和余弦绕组两个,它们相对于定尺绕组在空间错开１/４的节距(节距为２τ),定尺和滑尺绕组节距相等。定尺和滑尺平行安装,且保持一定间隙。定尺固定在床身上,滑尺则安装在机床的移动部件上。工作时,当在滑尺两个绕组中的任一绕组上加激励电压时,由于电磁感应,在定尺绕组中感应出相同频率的感应电压,通过对电压的测量,可以精确地测量出位移量。上一页下一页返回３.４感应同步器图３－１６所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。若在滑尺的正弦绕组中通以交流励磁电压,则在ａ点时,定尺与滑尺绕组重合,这时感应电压最大;当滑尺相对于定尺平行移动后,感应电压逐渐减小,在错开１/４节距的ｂ点时,感应电压为零;再继续移至１/２节距的ｃ点时,得到的电压值与点相同,但极性相反;在３/４节距时达到ｄ点,又变为零;再移动１/４节距到ｅ点,电压幅值与点ａ相同。这样,滑尺在移动一个节距的过程中,感应电压变化了一个余弦波形。上一页下一页返回３.４感应同步器由此可见,在励磁绕组中加上一定的交变电压,感应绕组就会感应出相同频率的感应电压,其幅值大小随滑尺移动做余弦规律变化。同理,若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压,则在定尺上感应出的电压按负的正弦规律变化。滑尺移动一个节距,感应电压变化一个周期。感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的。３.４.２感应同步器的应用感应同步器在数控机床有鉴相式和鉴幅式两种工作方式。１.鉴相式上一页下一页返回３.４感应同步器在此方式下,给滑尺的正弦和余弦绕组分别通上幅值、频率相同,而相位差９０°的交流电压为励磁信号将在空间产生一个以ｗ为频率移动的电磁波,分别在定尺绕组上得到感应电动电动势为根据叠加原理求出感应电动势为上一页下一页返回３.４感应同步器设感应同步器的节距为２τ,则测量滑尺直线位移量ｘ和相位差θ之间的关系式为２.鉴幅式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通上相位、频率相同,但幅值不同的交流电压,并根据定尺上感应电压的幅值变化来测定滑尺和定尺之间的相对位移量。加在滑尺正、余弦绕组上的励磁电压的幅值的大小,应分别与要求工作台移动的ｘ１(与位移相应的电角度为θ１)成正余弦关系,即上一页下一页返回３.４感应同步器则设滑尺正弦绕组与定尺绕组重合时ｘ＝０(即ｘ＝０),若滑尺从ｘ＝０开始移动,当正、余弦同时供电时,根据叠加原理,则在定尺上的感应电压为当Δθ很小时,Ｕｏ可近似表示为上一页返回３.５旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器,是一种控制用的微电机,在结构上与二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,其频率通常为４００Ｈｚ、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ及５０００Ｈｚ