机床数控技术与系统

1、书名：机床数控技术与系统 ISBN： 978-7-111-49014-2 作者：蒙斌 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件,4.1概述 4.2光电编码器 4.3光栅尺 4.4直线感应同步器 4.5旋转变压器 4.5磁尺,4.1.1位置检测元件的分类 4.1.2数控机床对位置检测装置的要求,4.1概述,返回章目录,4.1.1位置检测元件的分类,1.位置检测元件的分类 作用：检测工作台的位置和速度的实际值，并向数控装置或 伺服装置发送反馈信号，从而构成闭环控制。 （1）直接测量和间接测量 直接测量：直线位移的检测，构成全闭环控制。 常用的测量元件有：光栅尺和直线感应同步器。 间接测量：通过测量

2、电动机或丝杠旋转角度间接测量工作台 的直线位移，构成半闭环位置控制。 常用的测量元件有：光电编码器和旋转变压器。,继续,（2）增量式测量和绝对式测量 增量式测量装置只测量位移增量，即工作台每移动一个 基本长度单位，检测装置便发出一个检测信号，此信号通常 是脉冲形式。增量式检测装置均有零点标志，作为基准起 点。 数控机床采用增量式检测装置时，在每次接通电源后要 回参考点操作，以保证测量位置的正确。 绝对式测量是指被测的任一点位置都从一个固定的零点 算起，每一个测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形 式表示。 （3）数字式测量和模拟式测量 模拟式：测速发电机的输出电压与电动机的转速成正比。 数字

3、式：检测单位时间里光电编码器所发出的脉冲数。,4.1.1位置检测元件的分类,返回,数控机床对检测装置的要求主要有： （1）高可靠性和高抗干扰性； （2）满足精度和速度要求； （3）使用维护方便，适合机床运行环境； （4）成本低。对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测 要求不同可以采用不同的检测方式。,4.1.2数控机床对位置检测装置的要求,返回,4.2.1光电脉冲编码器的结构 4.2.2工作原理 4.2.3信号的输出及倍频处理 4.2.4光电编码器在数控机床中的应用,4.2光电编码器,返回章目录,光电脉冲编码器的结构如图4.1所示，由圆盘形主光栅和指示光栅、光源、光电接收元件、信号处理的印刷

4、电路板等组成。,4.2.1光电脉冲编码器的结构,继续,光电编码器结构示意图,一个固定的指示光栅，它是一小块扇形薄片，其上刻有三个狭缝。其中两个狭缝在同一圆周上相差l4节距(称为辨向狭缝)，另外一个狭缝叫做零位狭缝，主光栅转一周时，由此狭缝发出一个脉冲。在主光栅和指示光栅两边，与主光栅垂直的方向上固定安装有光源、光电接收元件。此外，还有用于信号处理的印刷电路板。光电脉冲编码器通过十字连接头与伺服电机相连，它的法兰盘固定在电机端面上，罩上防护罩，构成一个完整的检测装置。,在一个圆盘(一般为真空镀膜的玻璃圆盘)的圆周上刻有间距相等的细密线纹，分为透明和不透明部分，称为圆盘形主光栅。主光栅与转轴一起旋

5、转。 在一个圆盘(一般为真空镀膜的玻璃圆盘)的圆周上刻有间距相等的细密线纹，分为透明和不透明部分，称为圆盘形主光栅。主光栅与转轴一起旋转。在主光栅刻线的圆周位置，与主光栅平行地放置,4-光电码盘、 5-光源、 6-透镜、7-光栅板、8-光敏元件8,4.2.1光电脉冲编码器的结构,返回,电动机转圆光栅转光信号变化 电信号变化 方波信号 电动机转向的判别（指示光栅有两组条纹A和B） 正转：A信号超前B信号90。 反转：B信号超前A信号90。 利用A信号（或B信号）的脉冲数计算电动机的转角。 分辨率取决于圆光栅一圈的条纹数。 利用透光条纹C，每转产生一个零位脉冲信号。 在进给电机上所用的光电编码器，

6、零位脉冲用于精确确 定机床的参考点。 在主轴电机上，零位脉冲用于主轴准停以及螺纹加工。,光电元件,放大、整形,4.2.2工作原理,返回,A,B,C,光电编码器正转时差动输出波形,A,B,四倍频信号,四倍频信号的波形,4.2.3信号的处理,继续,图4.3 第一种工作方式的电路和波形,这时可逆计数器进行加计数。当光电脉冲编码器反转时，B相信号超前A相信号，在d点窄脉冲出现时，因为c点是低电平，所以e点保持低电平；而f点输出窄脉冲，作为反向减计数脉冲。这时可逆计数器进行减计数。这样就实现了不同旋转方向时，数字脉冲由不同通道输出，图4.3 第一种工作方式的电路和波形 分别进入可逆计数器做进一步的误差处

7、理工作。,光电脉冲编码器的输出脉冲信号A、B、经过差分驱动传输进入CNC装置，仍为A相信号和B相信号，如图中所示。A、B信号经整形后，变成规整的方波。当光电脉冲编码器正转时，A相信号超前B相信号，经过单稳电路变成d点的窄脉冲，与B相反相后c点的信号进入“与”门，由e点输出正向计数脉冲，而f 点由于在窄脉冲出现时，b点的信号为低电平，所以f点也保持低电平。,继续,4.2.3信号的处理,这两个信号使由l、2“与非门”组成的“R-S”触发器置“0”，(此时，Q端输出“0”，代表正方向)，使3“与非门”输出正走计数脉冲。反走时，B脉冲超前A脉冲。B，A1和A，B1信号同样进入C，D门，但由于其信号相位

8、不同，使C，D门分别输出负脉冲和高电平，从而将“R-S”触发器置“1”(Q端输出“1”，代表负方向)、3门输出反走计数脉冲。不论正走、反走，与非门3都是计数脉冲输出门、“RS”触发器的Q端输出方向控制信号。,光电脉冲编码器的输出信号A，B，经差分驱动传输进入CNC装置，为A相信号和B相信号，该两相信号为本电路的输入脉冲。经整形和单稳后变成A1，B1窄脉冲。正走时，A脉冲超前B脉冲，B方波和A1窄脉冲进入C“与非门”，A方波和B1窄脉冲进入D“与非门”，则C和D分别输出高电平和负脉冲。,图4.4 第二种工作方式的电路和波形,4.2.3信号的处理,返回,（1）位移测量 在数控机床中编码器和伺服电动

9、机同轴连接 或连接在滚珠丝杠末端用于工作台和刀架的直线位移测量。 在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直 接测量回转工作台的角位移。 （2）主轴控制。当数控车床主轴安装有编码器后，则该主 轴具有C 轴插补功能，可实现主轴旋转与z 坐标轴进给的同 步控制；恒线速切削控制，即随着刀具的径向进给及切削直 径的逐渐减小或增大，通过提高或降低主轴转速，保持切削 线速度不变；主轴定向控制等。 （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。 （4）编码器应用于交流伺服电动机控制中，用于转子位置 检测；提供速度和位置反馈信号

10、。,4.2.4光电编码器在数控机床中的应用,返回,4.3.1计量光栅的种类 4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹产生原理 4.3.3莫尔条纹的特点及作用 4.3.4光栅尺的输出信号与测量电路 4.3.5光栅在数控机床中的应用,4.3光栅尺,返回章目录,1.直线光栅 （1）玻璃透射光栅 在玻璃表面刻上透明和不透明的间隔相等的线纹(即黑 白相间的线纹)，称为透射光栅。其制造工艺为在玻璃表面 加感光材料或金属镀膜上刻成光栅线纹，也可采用刻蜡、腐 蚀或涂黑工艺。 （2）金属反射光栅 在钢尺或不锈钢镜面上用照相腐蚀工艺制作线纹，或用 钻石刀刻制条纹，称作反射光栅。金属光栅的特点是；线膨 胀系数很容易做到与

11、机床的床身材料一致，可补偿热变形的 影响，接长比较方便，甚至可以用带钢做成整根的长光栅， 不易破碎。 2.圆光栅 圆光栅是在玻璃盘的外环端面上做成黑白相间的线纹， 线纹呈辐射状，线纹之间夹角相等，用于检测角位移。根据 使用要求不同，圆周上的线纹数也不同。,4.3.1计量光栅的种类,返回,1.透射光栅的结构 有一长一段两块光栅尺。长的称为标尺光栅，短的称为 指示光栅。 标尺光栅（主光栅）：常随运动部件移动，与行程等长。 指示光栅：固定在机床相应部件上。 =a+b（ 为栅距，a、b为不透光和透光宽度） 透射光栅主要由光源、光栅尺（即标尺光栅）、指示光 栅、光电元件及放大整形电路等组成。,4.3.2

12、透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理,莫尔条纹演示,2.莫尔条纹的产生,继续,4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理,指示光栅,标尺光栅,a,a,b,b,a,a,b,b,a,a,b,b,W,莫尔条纹的产生,继续,4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理,当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放 置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点 附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮 条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光 栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹 夹角的平分线相垂直。 由图4.16可知，在a线附近形成亮带，在b线附近形成

13、暗 带。两个亮带（或暗带）间的距离称为莫尔条纹的纹距W， 它与两光栅尺刻线的夹角有关有关。 莫尔条纹的纹距W与栅距 的近似关系为： 当工作台移动一个栅距时 ，莫尔条纹向上或向下移动一个 纹距W。,4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理,返回,1.起放大作用 例如：若=0.1mm，W=10mm,则放大倍数为： W/=1000。 2.莫尔条纹的移动与栅距成比例 通过光电元件感测移过的莫尔条纹数目，即可知道光栅移 动的栅距。 设标尺光栅不动，将指示光栅按逆时针方向转过角，则 当指示光栅左移时，莫尔条纹向下移动；反之，莫尔条纹向 上移动。 3.起平均误差作用,莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，

14、例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。,4.3.3莫尔条纹的特点及作用,返回,光栅测量系统由标尺光栅、光源、聚光透镜、指示光 栅、光敏元件和信号处理电路（光栅读数头）等组成。 （1）光栅读数头：将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉 冲信号。 （2）检测过程 光栅移动莫尔条纹移动光强信号电压信号放 大整形微分脉冲计数工作台移动距离 （3）辨向和细分 （4）光栅尺输出到数控 装置的信号,4.3.4光栅尺的输出信号与测量电路,1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路 图4.6 光

15、栅读数头,继续,图中由4块光电池发出的信号分别为a、b、c、d，相位彼此相差90。a、c信号相位差为180，送入差动放大器放大，得sin信号，将信号幅度进行放大。同理，b、d信号送入另一个差动放大器。得到cos信号。sin、cos信号经整形变成方波A和B，A、B信号经反向得C、D信号。A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A、B、C、D。即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0、90、180、270共4个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数。测量光栅的驱动电路各点波形，如图4.9所示。,4.3.4光栅尺的输出信号与测量电路,

16、返回,光栅在数控机床上主要用来测量工作台的直线位移， 当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅尺运动的 方向移动，并且光栅尺每移动一个栅距 ，莫尔条纹就准 确地移动一个纹距W，只要测量出莫尔条纹的数目，就可 以知道光栅尺移动了多少个栅距，而栅距是制造光栅尺时 确定的，因此工作台的移动距离就可以计算出来。如一光 栅尺栅距=0.01mm，测得由莫尔条纹产生的脉冲为1000 个，则安装有该光栅尺的工作台移动了0.01mm/条1000个 =10mm。 另外，当标尺光栅随工作台运动方向改变时，莫尔条 纹的移动方向也发生改变。标尺光栅右移（相当于指示光 栅左移）时，莫尔条纹向上移动；标尺光栅左移时（相当

17、 于指示光栅右移），莫尔条纹向下移动。通过莫尔条纹的 移动方向即可判断出工作台的移动方向。,4.3.5光栅在数控机床中的应用,返回,4.4.1感应同步器的分类 4.4.2直线感应同步器工作原理 4.4.3感应同步器的鉴幅与鉴相测量 4.4.4感应同步器的特点及应用,4.4直线感应同步器,返回章目录,1.旋转式感应同步器 旋转式感应同步器是由转子和定子组成，结构如图4.10 所示。 转子和定子都用硬铝合金或不锈钢合金做基板，呈环形 辐射状。转子和定子相对的一面均有导电绕组，绕组用铜箔 构成。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽层(材料为铝箔 或铝膜)。基板和绕组之间有绝缘层。转子绕组为连续绕组；

18、定子由sin绕组和cos绕组构成，做成分段式，两相绕组交差 分布，相差90相位角。属于同一相的各相绕组用导线串联起 来，如图4.11所示。,4.4.1感应同步器的分类,返回,2.直线式感应同步器 直线式感应同步器是直线条形，它由基板、绝缘层、绕 组及屏蔽层组成，如图4.12所示。 由于直线式感应同步器一般都用在机床上，感应同步器 基板的材料采用钢板或铸铁。考虑到接线和安装，通常定尺 绕组做成连续式单相绕组，滑尺绕组做成分段式的两相正交 绕组，如图4.13所示。,4.4.1感应同步器的分类,继续,定尺：连续绕组，节距 W2 =a2+b2，其中a2为导电片宽，b2为 片间间隔。 滑尺：分段绕组，分

19、正弦绕组和余弦绕组两部分，绕组可做 成W型或U型。两绕组的节距都为W1 =a1+b1，其中a1为导电 片宽，b1为片间间隔。两者在空间错开1/4定尺节距（电角度 错开90）。 直线感应同步器的基体通常采用厚度为10mm的铜板或铸 铁制成，以减小机床的温度误差。平面绕组为铜箔，通常采 用厚度为0.05mm或0.07mm的紫铜箔，用绝缘粘结剂热压黏 结在集体上，再利用刻蚀方法制成所需的绕组。 标准感应同步器的定尺长为250mm,节距为2mm。,4.4.1感应同步器的分类,返回,尺固定在床身上，滑尺安装在机床的移动部件上。当 励磁的滑尺移动时，在定尺上产生感应电压，通过对感应电 压测量，可以精确地测

20、量出直线位移量。,W,W,定尺,滑尺,正弦绕组A,余弦绕组B,US,UC,图4.14 感应同步器的结构,e,4.4.2 直线式感应同步器的工作原理,继续,定尺,滑 尺 的 位 置,感应电动势,A点,B点,C点,D点,E点,1节距,图4.15 感应同步器工作时感应电压的变化,感应 电动势,移动距离,工作时，在滑尺的绕组上加一定频率的交流电压后，根据电磁感应原理，在定尺上将感应出相同频率的感应电动势。 图4.15所示为滑尺在不同位置时定尺上感应电动势的变化。 由此过程可见，在励磁绕组中加上一定的励磁电压，定尺绕组中将产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺的移动呈正弦规律变化。 滑尺移动一个节距

21、，感应电动势变化一个周期。,A,B,C,D,E,若励磁U=Umsint,则在定尺上产生的感应电动势为： UO=kUmsintcos 其中，Um励磁电压幅值； 励磁电压角频率；滑尺相对于定尺在空间的相位角； k比例常数。 在一个节距W内，位移x与的关系为：,4.4.2 直线式感应同步器的工作原理,返回,1.鉴相方式 即根据感应输出电动势的相位检测位移量。 滑尺上正、余弦绕组A、B的励磁电压为： Us=Umsint, Uc= Umcost 正、余弦绕组在定尺上的感应电势分别为： es= kUscos=kUmsintcos ec= k Uccos（+ ）= kUmcostcos（+ ） = -kUm

22、 costsin 根据叠加原理，定尺上的总输出感应电势为： UO=es+ec=kUmsin（t-）,4.4.3典型测量方式,继续,2.鉴幅方式 即根据感应输出电动势的振幅变化检测位移量。 Us=Umsin电sint, Uc =Umcos电sint 产生的感应电动势分别为： es=kUscos=kUm sin电sintcos ec=k Uccos（+ ）=kUmcos电sintcos（+ ) = kUmcos 电sintsin 总输出感应电动势为: UO= es+ ec=kUmsin(电)sint =,4.4.3典型测量方式,返回,1.感应同步器的特点 2.感应同步器在数控机床上的安装和使用注意

23、事项 （1）感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面的间 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，晃动的间隙及平行度误 差的变化小于0.1mm。 （2）感应同步器大多装在容易被切屑及切屑液浸入的地方 ，所以必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使定尺和滑 尺绕组刮伤或短路，使装置发生无动作及损坏。 （3）电路中的阻抗和励磁电压不对称以及励磁电流失真度 超过2%，将对检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。,（1）精度高； （2）可用于长距离位移测量；

24、（3）对环境的适应性强； （4）使用寿命长、维护简单； （5）工艺性好，成本低。,4.4.4感应同步器的特点及应用,返回,4.5旋转变压器,4.5.1结构 4.5.2工作原理 4.5.3典型工作方式 4.5.4旋转变压器在数控机床中的应用,返回章目录,从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷 和无刷两种类型。在有刷结构中，转子绕组的端点通过电刷 和滑环引出。目前数控机床常用的是无刷旋转变压器，其结 构如图4.16 所示。,4.5.1结构,返回,旋转变压器一般都采用一种叫做正弦绕组的特殊绕组形式，这种结 构保证了定子和转子之间气隙磁通呈正(余)弦规律分布。当定子绕组加 励磁电压(交变电压

25、，频率为24kHZ)，通过电磁耦合，转子绕组产生 感应电势。在单极情况下，其工作原理如图4.17所示。其输出电压的大 小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时感应 电势最大，两者垂直时，感应电势为零。感应电势随着转子偏转的角度 呈正(余)弦规律变化，即 E2=KU1cos=KUmsintcos 当=90时，E2=0 当=0时，E2=KUmsint 式中E2转子绕组感应电动势 U1定子绕组励磁电压， U1= Umsint Um电压信号幅值 定、转子绕组轴线间夹角 K变压比（绕组匝数比）,4.5.2工作原理,返回,1.鉴相工作方式 在鉴相工作状态下，旋转变压器定子的两相正交绕组（

26、正弦绕组s,余弦绕组 c）分别加上幅值相等、频率相同，而相位相差90的正弦交变电压，即 Us=Umsint Uc=Umcost 通过电磁感应，在转子绕组中产生感应电动势。转子中的一相绕组作为工 作绕组，另一相绕组用来补偿电枢反应。根据线性叠加原理，在转子工作绕组 中产生的感应电势为： E2=KUscos-KUcsin =KUm(sintcos- costsin) =KUmsin(t-) 式中：定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角 激磁角频率 由式（4-9）可见，旋转变压器感应电动势E2与定子绕组中的激磁电压为相 同频率、相同幅值，但相位不同，其差值为。若测量转子工作绕组输出电压 的相位角

27、，即可得到转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用中，把定 子正弦绕组交变激励电压的相位作为基准相位，转子绕组感应输出电压相位与 此进行比较，确定转子转角的位置。,4.5.3 旋转变压器的典型工作方式,继续,2.鉴幅工作方式 在鉴幅工作方式中，定子两相绕组加的是相位相同、频率相同，而幅值分 别按正弦、余弦变化的交变电压。即 US=Umsin电sint Uc=Umcos电sint 式中，Umsin电，Umcos电分别为定子绕组交变激磁电压信号的幅值。在转 子中感应出的电势为 E2=KUscos机-KUcsin机 =KUmsint（sin电cos机- cos电sin机) =KUmsin(电-机)

28、sint 式中：机机械角。同式（4-9）中的含义相同； 电电气角，交变激磁电压信号的相位角。 由式（4-10）可看出转子感应电势不但与转子和转子的相对位置（机）有 关，还与激励交变电压信号的幅值有关。感应电势（E2）是以为角频率、以 sin(电-机)为幅值的交变电压信号。若电气角电已知，那么只要测出E2幅 值，便可间接求出机械角机，从而得出被测角位移。实际应用中，利用幅值 为零（即感应电动势等于零）的特殊情况进行测量。由感应电势的幅值表达式 知道，幅值为零，也就是电-机=0。当电-机=90时，转子绕组感应 电势最大。,4.5.3 旋转变压器的典型工作方式,返回,数控机床中用无刷旋转变压器一般为

29、多级旋转变压器。 所谓多级旋转变压器就是增加定子或转子的磁极对数，使电 气转角为机械转角的倍数，用来代替单级旋转变压器，不需 要升速齿轮，从而提高了定位精度。另外还可用三个旋转变 压器按1:1、10:1 和100:1 的比例相互配合串联，组成精、 中、粗三级旋转变压器测量装置。若精测的丝杠位移为 10mm，则中测范围为100mm，粗测为1000mm。为了使机 床工作台按指令值到达规定位置，须用电气转换电路在实际 值不断接近指令值的过程中，使旋转变压器从“粗”到“中”再 到“精”，最后的位置精度由精旋转变压器来决定。,4.5.4旋转变压器在数控机床中的应用,返回,4.6磁尺,4.6.1磁尺的结构