数控技术--数控检测装置

1、第2章 数控检测装置,主要内容,概述 旋转变压器 感应同步器 光栅 磁栅 编码器,1,主要内容,2.1 概述,组成：检测元件（传感器）、信号处理装置。 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，构成伺服系统闭环或半闭环控制。 半闭环控制的数控机床： 旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台直线位移。 闭环控制系统的数控机床： 感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。 半闭环、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。,2,位置检测装置的精度：系统精度和分辨率 系统精

2、度：一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。一般： 直线位移检测精度：0.0020.02m； 回转角测量精度：10360 系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。 目前： 直线位移分辨率：1m，高精度0.1m； 回转分辨率：可达2。,2.1 概述,3,主要内容,2.1 概述,数控系统中的检测装置按检测的物理量不同，分位移、速度和电流三种类型。 位移检测装置分类： 安装位置 直接测量和间接测量； 测量方法 增量型和绝对型; 检测信号的类型 模拟式和数字式； 运动型式 回转型和直线型；,4,主要内容,6.1 概述,位移检测装置分类,5,主要内容,数控机床对检测装置的主要要求,1）受温、湿度

3、影响小，工作可靠，抗干扰能力强； 2）在机床移动范围内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； 5）易于实现高速的动态测量。,2.1 概述,6,主要内容,2.2 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，数控机床上常见的角位移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机床。 优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点。 缺点：信号处理比较复杂。,旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。,旋转变压器,7,主要内容,2.2 旋转变压器,分解器,变压

4、器,数控机床主要使用无刷旋转变压器，无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。,转轴,机壳,分解器定子,变压器定子,变压器 一次线圈,变压器 转子,变压器二次线圈,分解器转子,2.2.1旋转变压器的结构,8,主要内容,6.2.2 旋转变压器的工作原理,原理：电磁感应，当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，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。,6.2 旋转变压器,Um激磁电压幅值 n绕组匝数比 转子偏转角,9,主要内容,U2 nUm sint sin,6.2 旋转变压器,10,主要内容,6.2 旋转变压器,11,主要内

5、容,6.2 旋转变压器,使用较广泛的为正余弦旋转变压器： 定子有两个绕组正、余弦绕组,k电磁耦合系数，k1； 相位角，即：转子偏转角。,12,主要内容,2.2 旋转变压器,定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但相位差/2的交流激磁电压 U1sUmsint U1cUmsin（t+/2）Umcost 当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应电压U2为,1鉴相工作方式,U2kUmsintsinkUmcostcos kUmcos（t-）,13,主要内容,2.2 旋转变压器,当转子反转时，同理，转子的感应电压U2为 ： U2k Umcos（t+）,旋转变压器转

6、子绕组中的感应电压与定子绕组中的励磁电压同频率，但是相位不同，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。,14,主要内容,2鉴幅工作方式,2.2 旋转变压器,定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsinsint U1c= Umcos sint,转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）

7、sint,15,主要内容,2.2 旋转变压器,转子反转时，同理有转子感应电压U2为： U2kUmcos（） sint 转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出幅值可测出 转角。,16,2.3 感应同步器,感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 根据用途和结构特点分：直线式、旋转式。 直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。 旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。,直线式感应同步器有： 标准式：精度最高、使用最广； 窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工； 带式：定尺可至3m以上，不需

8、接长，定尺随床身热变形而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低； 3重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。,17,2.3.1 感应同步器的结构,2.3 感应同步器,（固定在床身上）,（安装在移动部件上）,平行，间隙为0.2 0.3mm,直线感应同步器结构：,18,2.3 感应同步器,当正弦绕组与定尺绕组对齐时， 余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。,“节距” 2是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距2mm。,19,2.3.3 感应同步器工作原理,2.3 感应同步器,滑尺、定尺发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组的感应电压随位

9、移的变化而变化。,20,2.3 感应同步器,感应电压幅值与相对位置关系,21,当滑尺移动距离为 2，滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角变化 2；当移动 x 时，则相位角变化 角度。,2.3 感应同步器,可得,设 表示滑尺上一相绕组的激磁电压，则定尺绕组感应电压为,22,给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。,2.3 感应同步器,1.鉴相工作方式,23,给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率、相位相同，但幅值不同。,2.鉴幅工作方式,则在定尺绕组产生的总感应

10、电压为,2.3 感应同步器,若电气角已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应的角度。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零，则= ，从而求得对应的位移量x，就可测得机械位移。,24,2.4 光栅,通常意义上讲，光栅按用途分，有两大类： 物理光栅（衍射光栅）：200500条/，栅距0.0020.005，主要是利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测定。 计量光栅：25条/、50条/、100条/、250条/等，栅距0.0040.25，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。,按形状：长光栅（直线光栅）：检测线位移 圆光栅：测量角位移 直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅

11、。,2.4.1 光栅的种类,25,（以玻璃透射式直线光栅为例） 光栅的结构 组成：标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程 大于1m时，需要将光栅接长。 安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台 上或丝杠上）；光栅读数头安装在机床固定部件上 （如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。,2.4 光栅,2.4.2光栅的结构与测量原理,26,光栅的结构与测量原理,光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。,作用：将光信号转换成电脉冲信号。,27,28,光栅的结构与测量原理,莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直,光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个节距,

12、29,光栅的结构与测量原理,光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者形成反时针方向的反向脉冲，通过可逆计数器接受。,30,2.4.2光栅位移-数字变换电路,31,2.4.2光栅位移-数字变换电路,32,2.4.2 光栅位移-数字变换电路,2.6 编码器,编码器（码盘）:旋转式测量元件，装在被测 轴上，随之一起转动，将被测轴的角位移转换成增量脉冲或绝对值式代码。 使用的计数制：二进制、二进制循环码（格雷 码）等 输出信号的形式：绝对值式、脉冲增量式 内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。,33,两种安装方式： 编码器和伺服电机同轴联接；

13、联接在滚珠丝杠末端；,2.6 编码器,34,2.6 编码器,安装：,35,2.6.1 光电式编码器,常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器。 把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检测。,2.6 编码器,36,高分辨率的脉冲编码器,10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。,数控机床常用编码器：根据丝杠螺距来选用。,2.6 编码器,37,2.6 编码器,A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辨向，称为辩向狭缝。另外，还有一个零位狭缝，产生Z相脉冲。,38,2.6 编码器,正走时，A脉冲超前B脉冲，D门