第四章数控机床位置的检测元件

第四章数控机床位置的检测元件4.1概述4.2数字编码器（脉冲编码器）4.3感应同步器4.4旋转变压器4.5光栅4.6磁尺装置目录1．位置检测装置的分类i）按测量方式分数字式测量（将被测量以数字形式来表示）测量信号=电脉冲=数控装置（处理、比较）位置如：光栅检测装置模拟式测量（将被测量用连续变量来表示）如：旋转变压器，感应同步器等章目录上一页下一页4.1概述ii)按是否有固定起点分：章目录上一页下一页绝对式测量：由固定零点起测量位移，事故停机不受影响，但结构较复杂（旋转编码器等）。感应同步器、磁尺、光栅等；优点：装置简单；缺点：一旦出现事故停机，不易找到正确位置。增量式测量（轮廓控制的机床采用）iii)按是否需要转换分：章目录上一页下一页直接测量：直接测量出工作台的位置如光栅、感应同步器、不适用于大型机床.间接测量：通过测量角位移，间接得出执行件的直线位移，存在转换误差，但测量方便。2.对位置检测装置的要求i）适应范围应广，抗干扰力强；ii）使用维护方便；iii)能满足速度和精度的要求；iv）成本低。编码器直接装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，发出相应的电脉冲。章目录上一页下一页4．2数字编码器（脉冲编码器）相对式编码盘（增量式编码盘）缺点：机床若因事故停机后，不能再找到事故前的正确位置（少用）绝对式编码盘：无上述缺点，但结构较复杂数字编码盘绝对式编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的，如二进制编码盘，盘中空白透光部分表示为“0”，涂黑不透光部分表示为“1”。如图章目录返回222120222120二进制编码器葛莱编码器章目录上一页下一页绝对值式编码盘二进制编码盘严格按照001，010，011，100……等设计光盘，缺点：图案转移点不明确，容易产生误读。葛莱编码盘每相邻十进制数之间只有一位二进制码不同，能把误读控制在一位数之内，可靠性高。如图1.工作原理利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号，达到位置检测和反馈控制。章目录上一页下一页4．3感应同步器点击放大章目录返回感应同步器的组成：感应同步器由定尺和滑尺组成，定尺，滑尺用钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有铜箔，并利用照相腐蚀将铜箔制成印刷线路绕组。定尺固定在床身上，滑尺固定在工作台上，工作时随工作台移动，定、滑尺彼此平行安装，滑尺上设有一个正弦激磁线圈A和余弦线圈B，其位置相差1/4节距（节距为2τ）,当在滑尺上加上一定频率的交流电压后，定尺上将会感应出相同频率的感应电压；滑尺处在不同位置上，定尺上所感应电压的大小会不相同，当滑尺移动一个节距，感应电压也会变化一个余弦波形。感应同步器就是利用感应电压的变化来进行位置检测的。章目录上一页下一页2．感应同步器的分类：感应同步器（按结构形式分）i）圆感应同步器（用于测量角位移）ii）直线感应同步器（用于测量直线位移）a）标准式：精度高，用于要求较高的机床；b）窄长式：定尺的宽度为标准尺的1/2，用于安装位置窄小机床上；c）带式：运用于普通机床数控化改造，结构简单。按滑尺供电方式及对输出电压检测方式感应同步器又分：鉴相型测量系统:通过检测感应电压的相位来测量位移；鉴幅式测量系统:通过检测感应电压的幅值来测量位移。章目录上一页下一页如图章目录返回3．鉴相型系统供给该系统滑尺上两绕组（正、余弦绕组）上的激磁信号是幅值和频率相同，但相位相差90º的交流电压，根据定尺上感应电压的相位来测定滑尺和定尺之间的相对位移量。滑尺上供给正弦绕组的电压为US=USMSinωt滑尺上供给余弦绕组的电压为UC=UCMCosωt当滑尺在定尺上移动时正弦绕组在定尺上的感应电压为U2′=KUSMSinωtCosθ；余弦绕组在定尺上的感应电压为U2″=-KUCMCosωtSinθ。章目录上一页下一页式中，K为电磁耦合系数，UM为最大瞬时电压UM=UCM=USM，θ为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。根据叠加原理，得知定尺上感应的总电压为：U2=U2′+U2″=KUMSin（ωt–θ）当感应同步器的节距为2τ时，滑尺直线位移量X和θ角的关系为：θ=2πX/2τ=πx/τ=（π/τ）•X于是便知道了滑尺位移量X与感应电压相位角θ之间的对应关系。4．鉴幅型系统此系统供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率和相位相同而幅值不同的交流电压，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。章目录上一页下一页加在滑尺上正、余弦绕组上激磁电压的幅值的大小应分别与要求工作台移动的指令值X1（与位移相应的电角度为θ1）成正、余弦关系。US=UMSinθ1SinωtUC=UMCosθ1Sinωt当正弦绕组单独供电时：UC=0，US=UMSinθ1Sinωt滑尺移动时，在定尺上感应电压为：U2′=KUMSinθ1SinωtCosθ同理，余弦绕组单独供电时，在定尺上感应电压为：U2″=-KUMCosθ1SinωtSinθ章目录上一页下一页当正、余弦绕组同时供电时，根据叠加原理，定尺上感应电压为：U2=KUMSinωtSin（θ1-θ）上式反映出：定尺上感应电压的幅值随指令给定的位移量X1（θ1）与工作台实际位移量是X（θ）的差值的正弦规律变化。5.有关说明1）感应同步器测量精度高（直接测量）：精度±0.001mm重复精度0.0002mm直线式灵敏度0.00005mm精度0.5″重复精度0.1″圆感应式灵敏度0.05″章目录上一页下一页2）拼接方便：根据测量长度的需要，可任意接长，接长后测量精度基本不变；3）对环境适应性强，抗温防湿性能好；4）使用寿命长，定滑尺不接触，无磨损；5）安装时，应注意控制定、滑尺间的间隙，一般在（0.02～0.25）±0.05以内。章目录上一页下一页旋转变压器既是一种变压器，它有原边和副边，也是一种交流电动机，它有定子（原边）和转子（副边）。1．工作原理：通过测量旋转变压器副边（转子绕组）中感应电压的幅值或相位，测量转子转动的角度。当激磁电压V1加到定子绕组（原边）时，通过电磁耦合，转子线圈（副边）将产生感应电压，但因转子轴线与定子轴线的夹角不同，而产生的感应电压是变化的。V2=KV1Sinθ=KVmSinωtSinθV2——副边感应电压；K——电磁耦合系数；V1——定子的励磁电压V1=VmSinωt；θ——转子线圈磁轴与定子线圈磁轴的夹角。章目录上一页下一页4．4旋转变压器2.多极旋转变压器（细分解算器）为了提高旋转变压器的测量精度，可采用多极旋转变压器，其误差可控制在3.5″以内。原理：通过增加定子（或转子）的极对数，使电气转角为机械转角的倍数，其提高精度的倍数，等于定子（或转子）的极对数。见P61、P62这种变压器无电刷与滑环接触，寿命长，能变速运行，成本低，工作可靠，高电平为0.5-1.5V，广泛用于数控机床。旋转变压器测量系统也分为鉴相型和鉴幅型两种，其原理与感应同步器相似。章目录上一页下一页图3-12章目录返回1．工作原理光栅由标尺光栅和指示光栅等所组成。标尺光栅（长光栅）装在机床的移动部件上，指示光栅（短光栅）装在机床的固定部件上，两者平行间距0.05-0.1mm。设：①标尺光栅与指示光栅的栅距相等,均为ω；②指示光栅相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度θ。则，两块光栅刻线相交，当通过聚光镜的灯光射到光栅上，就会产生明暗交替的横向莫尔条纹，其节距为Wc；若标尺光栅沿指示光栅左右匀速移动一个栅距ω，则明暗条纹就会上下移动一个节距Wc。章目录上一页下一页4．5光栅由于θ角很小，所以Wc=ω/Sinθ≈ω/θ（mm）,所以节距Wc比栅距ω放大了1/θ倍。若ω=0.01mm，θ=0.001弧度，则Wc=10mm，放大了1000倍，这就是光栅的放大作用。章目录上一页下一页点击放大章目录返回2．纵向和斜向莫尔条纹及圆弧莫尔条纹。a）若线纹相互平行，即交角θ=0，栅距分别为ω1，ω2两块标尺（光栅）叠置，便可形成与线纹平行的莫尔条纹，称为“纵向莫尔条纹”。b）斜向莫尔条纹：若将构成纵向莫尔条纹的两块光栅相对转过θ角，就形成斜向莫尔条纹（兼有纵、横向性质）（P69）c）圆光栅圆弧莫尔条纹：两块光栅刻以等距的过圆心的径向刻线，使其径向光栅叠置，保持一个很小的偏心e，便形成圆莫尔条纹。（P70）章目录上一页下一页图3-29图3-30章目录返回章目录返回3．位移→光→电变换器（光栅读数头）位移→光→电变换器是光栅位置信号的检测装置，由光源，指示光栅，光学系统及光电元件组成，形式较多：有反射读数头、镜像读数头、分光读数头、垂直入射读数头等。（略）4．光栅的辨向为了确定直线光栅的运动方向，需要用到二个光电元件S1和S2，S2和S1安装距离为（1/4）Wc，通过S1和S2的光束分别由两个光电元件来接受，当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间相差1/4个周期，当标尺光栅Gs向右移动时，（P72图3-36（C））莫尔条纹向上移动，隙缝S2的输出信号超前1/4周期；若Gs左移，S1输出超前1/4周期，便可以判别光栅移动的方向。章目录上一页下一页直线磁尺——测直线位移磁尺（测量标准）圆型磁尺——测角位移磁尺检测装置磁头（磁→电信号）检测电路制作简单，安装方便，对环境要求不高，抗干扰力强，性能稳定，常作为精密机床，数控机床及各种测量机用。直线磁尺：（带状磁尺、平面实体磁尺、线状磁尺）用于不同场合；1．磁尺圆磁尺：（有盘形和鼓形等）章目录上一页下一页4．6磁尺装置在基体（非导磁材料：铜、不锈钢、玻璃）表面涂敷一层10～20μm硬磁材料，表面录制磁信号，在最外面涂一层耐磨塑料。2．磁头（磁→电转换器）作用：磁信号→电信号→检测电路。（反映空间位置）组成：①铁芯②两个激磁线圈（两个产生磁通方向相反）③两个拾磁线圈（串联）将高频励磁电流通入励磁绕组时，在磁头上产生磁通φ，当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通进入磁头铁芯，并被高频励磁电流产生的磁通φ所调制。章目录上一页下一页如图章目录返回拾磁线圈中感应电压U为：U=U0Sin（2πχ/λ）SinωtU0——感应电压系数；λ——磁尺磁化信号的节距；χ——磁头相对磁尺的位移；ω——励磁电流角频率。辨向：为了辨别磁头在磁尺上移动方向，通常采用装2个磁头并使两个磁头之间的距离为（m±1/4）λ，若向两个磁头分别供给i1和i2的励磁电流，则在两磁头上产生的输出电压分别是：U1=U0Sin（2πχ/λ）SinωtU2=U0Cos（2πχ/λ）Sinωt章目录上一页下一页如图章目录返回如图U1和U2的相位相差90º，然后根据两磁头输出的信号超前还是滞后，确定磁头移动方向。3．检测线路P65章目录上一页下一页鉴幅型系统（不常采用）鉴相型系统：精度较高，分辨可达1μm，使用较多。章目录上一页下一页点击放大输出电压：U=U0Sin[（2πχ/λ）+ωt]上式反映位移与合成电压之间的关系（同感应同步器）章目录返回第五章数控机床的进给伺服系统5.1概述5.2伺服驱动装置5.3典型进给伺服系统介绍5.4伺服系统的分析5.5进给伺服系统的特性对加工精度的影响目录1）进给伺服系统的作用：接收数控系统的位移指令，经伺服驱动系统和机械传动机构，驱动工作台或主轴头架等执行部作快进或工进。2）组成：进给伺服系统由伺服驱动装置，伺服电路，机械传动机构和执行部件组成。3）分类：（按执行机构的伺服系统类型分）a)开环控制系统一般采用步进电机伺服系统，由步进电机驱动执行部件，每一脉冲信号通过步进电机产生一定位移（没有反馈测量系统）。章目录上一页下一页1.概述如图章目录返回机床工作台控制系统步进电机b）半闭环控制系统用检测丝杠或伺服马达的回转角，间接测出机床的位移，经反馈送回控制系统与控制值比较，用差值进行控制。此系统有反馈系统，测量元件装在丝杠或伺服马达端部两种。半闭环回路没有包括丝杠，螺母副及工作台，精度不高，但稳定性好。章目录上一页下一页如图半闭环控制系统章目录返回机床工作台反馈信号数控装置伺服马达位置检测器机床工作台数控装置伺服马达位置检测器c）闭环进给系统章目录上一页下一页数控装置伺服马达工作台其工作原理与半闭环相同，但测量位置