数控检测装置第6章

数控技术2019年12月29日星期日数控技术1第6章数控机床的检测装置安徽科技学院机电与车辆工程学院数控技术2019年12月29日星期日数控技术2主要内容：6.1概述6.2旋转变压器6.3感应同步器6.4光栅6.5编码器6.6磁栅数控技术2019年12月29日星期日数控技术3•6.1.1对位置检测装置的要求一、组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。二、作用：数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检测装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。它是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分。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，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。6.1概述数控技术2019年12月29日星期日数控技术4三、数控机床对位置检测装置的要求•(1)受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强；•(2)在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求；•(3)使用维护方便，适应机床工作环境；•(4)成本低；•（5）易于实现高速的动态测量。6.1概述数控技术2019年12月29日星期日数控技术5•主要技术指标：可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度等•分辨率：位移检测系统能够测量的最小位移量•分辨率选择：测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级•检测系统的选择：大型机床：速度响应要高中小型和高精度机床：以满足精度要求为主6.1概述数控技术2019年12月29日星期日数控技术6直接测量它是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好。缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。间接测量它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。（1）直接式测量和间接式测量(检测方式）6.1.2检测装置的分类6.1概述数控技术2019年12月29日星期日数控技术7增量式测量在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。绝对式测量绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。(2)增量式测量和绝对式测量(编码方式）6.1概述数控技术2019年12月29日星期日数控技术8数字式测量它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。模拟量测量它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。(3)数字式测量和模拟式测量（检测信号的类型）6.1概述数控技术2019年12月29日星期日数控技术96.2旋转变压器6.2.1旋转变压器的结构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动机，是一种角位移测量装置，通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移，由定子和转子组成。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。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。数控技术2019年12月29日星期日数控技术106.2旋转变压器6.2.1旋转变压器的结构优点：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的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。数控技术2019年12月29日星期日数控技术11旋转变压器的结构图6.2旋转变压器数控技术2019年12月29日星期日数控技术126.2旋转变压器6.2.2旋转变压器的工作原理旋转变压器根据互感原理工作，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。单极对旋转变压器的工作原理：定子转子数控技术2019年12月29日星期日数控技术13根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。2sinmUKVt6.2旋转变压器数控技术2019年12月29日星期日数控技术146.2旋转变压器数控技术2019年12月29日星期日数控技术15定子激磁电压和转子感应电动势的变化波形图6.2旋转变压器数控技术2019年12月29日星期日数控技术16使用较广泛的为正余弦（双极对）旋转变压器6.2旋转变压器数控技术2019年12月29日星期日数控技术176.2.3旋转变压器的工作方式鉴相工作方式鉴幅工作方式一、鉴相工作方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的正弦交流电压：6.2旋转变压器θ)Cos(KUtCosθCosKUtSinSinKUCosθUSinθUUtCosUUSinUUmmMcs2mcmstt当转子正转时：数控技术2019年12月29日星期日数控技术18转子输出电压的相位角和θ间有严格对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得θ，也就可得到被测轴的角位移。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定θ的大小。6.2旋转变压器θ)Cos(KUUm2t当转子反转时，同理可得：数控技术2019年12月29日星期日数控技术19二、鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：sinsmUVtcosmUcVtwtKUtmsin)cos(tCosθSinCosKUtSinSinSinKUCosUSinUUtSinCosUUSinSinUUmmcs2mcmsu6.2旋转变压器当转子正转时：当转子反转时，同理可得：转子感应电压的幅值随转子的偏转角θ而变化。测量出幅值可测出转角。tKUUmsin)sin(2数控技术2019年12月29日星期日数控技术20角位移如何计算直线位移？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，就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。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。6.2旋转变压器6.2.4旋转变压器的工作方式数控技术2019年12月29日星期日数控技术21感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。按其结构特点一般分为：直线式感应同步器：由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量，闭环伺服系统。旋转式感应同步器：由转子和定子组成，用于角位移测量，半闭环伺服系统。6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术226.3感应同步器直线式感应同步器6.3.1感应同步器结构数控技术2019年12月29日星期日数控技术236.3感应同步器直线式感应同步器的定尺绕组和滑尺绕组的结构示意图连续绕组分段绕组：正弦绕组SSˊ余弦绕组CCˊ导电片宽片间间隙节距数控技术2019年12月29日星期日数控技术246.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术25标准的直线式感应同步器定尺长250mm，感应绕组；滑尺长100mm，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（感应同步器两个单元绕组之间的距离）为2τ=2mm。“节距”是衡量感应同步器精度的主要参数。6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术266.3.2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必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为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。直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范围增加时，将定尺接长。定尺全部接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，使总长度上的累积误差≤单块定尺的最大偏差。6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术276.3.3工作原理滑尺与定尺间产生相对位移，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术286.3感应同步器定尺绕组产生感应电压原理图数控技术2019年12月29日星期日数控技术29当滑尺移动距离为2τ，Ｖ2变化为2π，当移动X时，则对应感应电压以余弦函数变化θ角度。可得：226.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术30θ)Sin(KVtSinθCos-KVtCosSinKVVm21m2m1tVVVV6.3感应同步器6.3.4感应同步器的应用cosmUcVt一、鉴相工作方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的交流电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：12cossinsincosmmVKVtVKVttCosVUSinVUmcmst22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。数控技术2019年12月29日星期日数控技术31例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.6°，表明滑尺移动了多少mm？6.3感应同步器223.6°2mm数控技术2019年12月29日星期日数控技术32将称为相移—位移转换系数。例如：设节距，则：6.3感应同步器mmx/1801mm22um2如脉冲当量/脉冲，那么其相移系数为p脉冲脉冲/36.0/180002.0p数控技术2019年12月29日星期日数控技术33鉴相系统结构框图6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术34二、鉴幅工作方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：若电气角α已知，只要测出U2幅值，便能求出与位移对应的角度θ。实际测量时，不断调整α，让幅值为零。α的变化量则代表θ对应的位移量，就可测得机械位移x。6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术35鉴幅系统结构框图2.3感应同步器数控装置比较器D/A转换器伺服放大器伺服驱动机构鉴幅器电压频率转换器励磁电路数控技术2019年12月29日星期日数控技术366.3.5感应同步器的特点1.精度高；2.测量范围大；3.环境适应性强，工作可靠；4.维护简单、寿命长，安装方便；5.成本低，工艺性好。6.3感应同步器数控技术2019年12月29日星期日数控技术376.4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）：200～500条/㎜，栅距0.002～0.005㎜，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/