第六章_数控机床的检测装置.

第六章数控机床的检测装置主要内容:概述旋转变压器感应同步器光栅磁栅6.1概述1、作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动，其精度决定了加工精度。2、应用范围：半闭环控制的数控机床：旋转变压器、编码器，安装在电机或丝杠上，测量了电机或丝杠的角位移，也就间接地测量了工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅等测量装置，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。6.1概述3、位置检测装置的精度包括系统精度和分辨率系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。分辨率：位置检测系统能够测量的最小位移量。3、要求：受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗干扰能力强；在机床移动的范围内满足精度和速度要求；使用维护方便，适合机床运行环境；成本低；易于实现高速的动态测量。6.1概述主要内容6.1.2位置检测装置分类按被测量的几何量分：回转型（测角位移）和直线型（测线位移）；按检测信号的类型分：数字式和模拟式；按检测量的基准分：增量式和绝对式。不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可采用不同的检测方式。6.1概述主要内容概述数字式数字式模拟式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型增量式脉冲编码器圆光栅绝对式脉冲编码器旋转变压器圆感应同步器圆磁尺多极旋转变压器3速圆感应同步器直线型计量光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器磁尺3速直线感应同步器绝对值式磁尺移动一个测量单位就发出一个测量信号被测量的任一点的位置都以一个固定零点作基准6.1概述主要内容1．增量式与绝对式1）增量式检测方式增量式检测方式测量位移增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号。优点：检测装置较简单，任何一个对中点均可作为测量起点；轮廓控制常采用缺点：对测量信号计数后才能读出移距，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的正确位置，必须将工作台移至起点重新计数。6.1概述2）绝对式测量方式绝对式测量方式中，被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂。6.1概述2．数字式与模拟式1）数字式测量方式将被测量单位量化后以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理特点：（1）被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；（2）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）；（3）检测装置较简单，脉冲信号抗干扰能力强。6.1概述2）模拟式测量方式将被测量用连续的变量来表示，如用相位变化、电压变化来表示，主要用于小量程测量。主要特点：（1）直接对被测量进行检测，无需量化；（2）在小量程内可以实现高精度测量；（3）可用于直接检测和间接检测。6.1概述3．直接测量与间接测量1）直接测量对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直接检测。测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。但检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，这是一个很大的限制。6.1概述2）间接测量对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制，缺点：在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。6.2旋转变压器6.2.1旋转变压器的结构组成：定子、转子分类：有刷和无刷两种旋转式的小型交流电动机12356748转子轴承分解器转子变压器定子变压器二次绕组变压器转子线轴壳体分解器定子变压器一次绕组无刷旋转变压器：特点：输出信号大可靠性高寿命长不用维修6.2旋转变压器旋转变压器分：单极对、多极对。常用单极对旋转变压器和双极对旋转变压器。单极对：定子和转子上各有一对磁极。转子通常不直接与电机轴相联，经精密齿轮升速后再与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比，以保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同，升速比通常为1:2、1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等。多极对：增加定子或转子的极对数，使电气转角为机械转角的倍数，用于高精度绝对式检测系统。双极对：定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，其检测精度较高，在数控机床中应用普遍。6.2旋转变压器6.2.2旋转变压器的工作原理根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正／余弦规律。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6.2旋转变压器主要内容单极对旋转变压器：由变压器原理，设一次绕组匝数N1，二次绕组匝数N2，变压比n＝N1／N2，一次侧输入交变电压：tUUmsin1二次侧产生感应电势：sinsin12tnUnUUmU2—转子绕组感应电势U1—定子的激磁电压Um—激磁电压幅值θ—转子偏转角6.2旋转变压器coscos2tkUem主要内容正弦余弦旋转变压器的工作原理定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，定子上两个绕组分别为正弦绕组U1s、余弦绕组U1c，转子绕组的一个绕组输出电压为U2，另一个绕组接高阻抗，补偿转子对定子的电枢反应。正弦余弦45°θU1sU1cRU2转子定子sinsin1tkUem6.2旋转变压器旋转变压器的工作方式1．鉴相工作方式给定子的两个绕组通以同幅值、同频率，相位差π/2的交流激磁电压U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt转子正转时，U1s、U1c在转子绕组中产生感应电压，经叠加，得转子感应电压U26.2旋转变压器转子正转时的感应电压：U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ=kUmcos（ωt－θ）k—电磁耦合系数，k1；θ—相位角，转子偏转角。转子反转时的感应电压：U2＝kUmcos（ωt＋θ）（ωt＋θ）～θ严格对应关系，检测出（ωt＋θ），可得θ，可得被测轴的角位移。6.2旋转变压器2．鉴幅工作方式定子正、余弦绕组分别通同频率、同相位，但幅值分别为Usm和Ucm的交流激磁电压U1s＝UsmsinωtU1c=Ucmsinωt当给定电气角为α时，交流激磁电压的幅值分别为Usm＝UmsinαUcm＝Umcosα6.2旋转变压器转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为：U2＝kUmsinαsinωtsinθ＋kUmcosαsinωtcosθ＝kUmcos（α－θ）sinωt转子反转时，同理有：U2＝kUmcos（α＋θ）sinωtU2的幅值为:kUmcos（α－θ）、kUmcos（α＋θ）可见，U2的幅值随转子的偏转角θ变化，测量出幅值即可求得偏转角θ，6.2旋转变压器主要内容6.2.3旋转变压器的应用测量旋转变压器二次绕组的感应电动势U2的幅值或相位的变化，可知转子偏转角θ的变化。如果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当θ角从0°变化到360°时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。6.2旋转变压器当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相联，转子转动一周，仅相当于工作台1个丝杠导程的直线位移，不能反映全行程，因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。另外，在转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的极数不同而不止一次地通过零点，必须在线路中加相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。6.2旋转变压器•此外，还可以用3个旋转变压器按1:1、10:1和100:1的比例相互配合串接，组成精、中、粗3级旋转变压器测量装置。如果转子以半周期直接与丝杠耦合（即“精”同步），结果使丝杠位移10mm，则“中”测旋转变压器工作范围为100mm，“粗”测旋转变压器的工作范围为1000mm。•为了使机床工作台按指令值到达一定位置，需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”转换到“中”再转换到“精”，最终的位置检测精度由“精”旋转变压器决定。6.2旋转变压器主要内容6.2.4磁阻式多极旋转变压器简介普通旋转变压器：精度为角分级，应用：精度要求不高或大型机床的粗测和中测。近年广泛采用磁阻式多极旋转变压器：无电刷、滑环特点：工作可靠、抗冲击能力强，连续高速运行、寿命长，成本低，输出信号电平高（0.5～1.5V，最高可达4V），测量精度不如感应同步器和光栅，但高于普通旋转变压器，误差不超过3.5角秒，所以在数控机床上的应用很有前途。应用：高精度及各种控制式电气变速双通道系统，提高数控机床定位精度。6.2旋转变压器转子每转过一个转子齿距，气隙磁导变化一个周期；当转子转过一周时，气隙磁导变化的周期数等于转子齿数。气隙磁导变化，输出绕组感应电势变化。zzzzzzzzz通过测输出电压幅值的变化得转子的转角。6.3感应同步器6.3.1感应同步器的结构与种类1、分类：直线式：由定尺、滑尺组成，测直线位移，用于全闭环伺服系统。旋转式：由定子、转子组成，测量角位移，用于半闭环伺服系统。6.3感应同步器1．直线感应同步器38引线(a)(b)(c)122′122′1′1′W2片宽a2间隔b2l1W1a1b1b1l1W1/2a1定尺绕组节距w2＝2（a2+b2），W2＝2τ＝2mm滑尺正余弦绕组成W或U形。错开1／4w2（电角度π/2）。节距w1＝2(a1+b1)取w1＝w2或w1＝2/3w2正弦绕组余弦绕组)21()412(21nnl6.3感应同步器定尺和滑尺的基体常用厚度为10mm、与床身材料热膨胀系数相近的钢板或铸铁，以减小与机床的温度误差。平面绕组为铜箔，常用厚度为0.05mm或0.07mm的纯铜箔，用绝缘粘结剂将铜箔热压粘结在基体上，经精密照相腐蚀工艺制成所需印刷绕组形式。定尺绕组表面涂一层耐切削液的清漆涂层作为保护层，防止切削液的飞溅。滑尺绕组表面贴一层带塑料薄膜的绝缘铝箔，防止因静电感应产生附加容性电势。6.3感应同步器直线式感应同步器有标准式、窄式、带式和3重（速）式等。标准式：精度最高、使用最广；窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，电磁感应强度减低，比标准式精度低，适用精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难于加工的情况；带式：定尺最长可至3m以上，不需接长，可简化安装，定尺随床身热变形而变形，但定尺较长，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，特别适用大型机床。6.3感应同步器2．圆感应同步器定子、转子采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用厚0.05mm的铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还加有一层与绕组绝缘的屏蔽层，材料为铝箔或铝膜。6.3感应同步器转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段式、两相正交（相差90°电角度）sin绕组、cos绕组sincos6.3感应同步器6.3.2感应同步器的安装定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入安装时必须保持定尺和滑尺平行、两平面间的间隙约为0．25±0．05mm，其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。6.3感应同步器6.3.3感应同步器工作原理定尺：单向均匀感应绕组，绕组节距2τ，相当绕组空间分布的一个周期2π滑尺：有两组激磁绕组，为正、余弦激磁绕组，节距与定尺相同，相互错开1/4节距，当正弦绕组和定尺对准时，余弦绕组和定尺相差τ/2的距离，相当于π/2电角度。正弦绕组余弦绕组滑尺定尺2ττ/2UdUsUc6.3感应同步器1/41/23/41节距定尺a点b点c点d点e点滑尺的位置电磁耦合度感应电动势abcde滑尺绕组通以交流激磁电压时，由电磁感应在定尺上感应出感应电压，滑尺与定尺间产生相对位移时，电磁耦合的变化使定尺上感应电压随