第六章数控机床检测装置

第6章数控机床检测装置6.1数控机床检测装置分类与特点6.2常用检测装置的工作原理及应用6.1数控机床检测装置分类与特点数控机床检测装置是对数控机床执行件的实际位置进行测量，不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给数控系统的装置。位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。而实际反馈位置的采集，则是由位置检测装置来完成的。6.1.1检测装置的分类(1)模拟式与数字式1）数字式测量方式是将被测量量化为数字形式表示，它的特点是：a．被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理；b．测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；c．检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。2）模拟式测量方式是将被测量用连续的变量来表示。a．直接对被测量进行检测，无需量化；b.在小量程内可以实现高精度测量；c.可用于直接检测和间接检测。(2)增量式与绝对式1）增量式测量方式只测量位移增量，移动一个测量单位既能发出一个测量信号。检测装置比较简单，能做到高精度。2）绝对式测量方式被测量的任一点都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。结构较为复杂。（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检测，称为直接测量。直接测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动装置的直接影响，但检测装置要与行程等长，这对大型数控铣床来说，是一个很大的限制。2）间接测量对机床直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。间接测量精度取决于检测装置和机床传动链两者的精度，但间接测量无长度限制。6.1.2数控检测装置的性能指标及要求检测装置所测的各种物理量是不断变化的，因此传感器的测量输出必须能准确、快速地跟随反映这些被测量的变化。①精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。②分辨率位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。③灵敏度④迟滞正行程的输出量与反行程的输出量不一致⑤测量范围和量程⑥零漂与温漂6.2常用检测元件的工作原理及应用6.2.1旋转变压器旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于结构简单，工作可靠，对环境要求低，信号输出幅度大、抗干扰能力强，因此，被广泛应用在半闭环控制的数控铣床上。(1)旋转变压器的结构旋转变压器可分为有刷式和无刷式，如图6-1所示。它的结构与绕线式异步电动机相似,其定子和转子铁芯由高导磁的铁镍软磁合金或硅铜薄板冲成的带槽芯片叠成，槽中嵌有线圈。定子线圈为变压器的原边，转子线圈为变压器的副边，激磁电压接到原边。（a）有刷式旋转变压器结构1—接线柱；2—转子绕组；3—定子绕组；4—转子；5—整流子；6—电刷。无刷旋转变压器由两部分组成，即左边的分解器和右边的变压器。变压器原边绕组固定在与转子连接一体的线轴上，可与转子一起旋转。分解器的转子绕组输出信号接到变压器的原边，而输出从变压器副边引出，如图6-1(b)所示。无刷旋转变压器没有电刷和滑环，和有刷变压器相比，可靠性好，寿命长，更适合于数控铣床。（b）无刷式旋转变压器结构1—分解器定子线圈；2—分解器转子线圈；3—转子轴；4—分解器转子；5—分解器定子；6—变压器定子；7—变压器转子；8—变压器一次线圈；9—变压器二次线圈。(2)工作原理旋转变压器实际是一种旋转式小型交流发电机，由定子和转子组成。如图6-1所示，其定子绕组可视为变压器原边，转子绕组可视为变压器副边，当将一定频率的激磁电压U1=Umsinωt加到定子绕组时，通过电磁耦合，可在转子绕组内产生感应电压E2，当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，θ＝0，不产生感应电动势，感应电压E2为零；当两磁轴平行时，θ＝90°，感应电压幅值最大，即：E2＝nUmsinωt感应电压按两磁轴夹角的余弦规律变化。图6-1旋转变压器工作原理(a)线圈位置图(b)波形图实际应用的旋转变压器中，其定子和转子绕组中各有相互垂直的两个绕组，两个激磁电压的相位差为90°，故称为正弦余弦旋转变压器，其工作原理如图6-2所示。应用迭加原理，一个转子绕组(另一绕组短接)的输出电压u应为：n——变压比；V1、V2——激磁电压；θ——转子绕组的转角；Vm、ω——激磁电压的幅值和角频率。显然，只要测量出转子绕组中感应电压相位，便可得到转子相对定子的位置、即转角的大小。)cos(coscossinsincossin21tnVtnVtnVnVnVummm图6-2正弦余弦旋转变压器的工作原理(3)应用在数控机床中，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，表示丝杠上的螺母移动了一个螺距，由此可间接的测量出工作台的移动距离大小。测量工作台的整个行程全长时，可加一个计数器，累计行走的螺距数，即可折算成位移总长度。旋转变压器结构简单、抗干扰能力强，因此广泛用于一般精度的数控机床中。6.2.2感应同步器感应同步器可理解为多极旋转变压器的展开形式。它利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀的气隙，相对平行移动时其互感随位置的变化而变化，是一种高精度的检测装置。其工作原理与旋转变压器相似，按结构可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用以测量工作机构的直线位移；旋转式由定子和转子组成，用以角位移的测量。(1)结构特点直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，其结构如图6-3所示。定尺和滑尺的基板由与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有钢箔，利用照像腐蚀的办法做成图示的印刷线路绕组。定尺：一个单向均匀的连续绕组；滑尺：两个绕组，为正弦绕组和余弦绕组。一块标准型感应同步器定尺长度为250mm，节距为2mm，其绝对精度可达2.5μm，分辨率为0.25μm。如图6-4所示，定尺和滑尺平行安装，如果把滑尺绕组A与定尺绕组对准，则滑尺绕组B和定尺绕组相差1/4节距。即绕组A和绕组B在空间上相差1/4节距。图6-3直线式感应同步器的结构1-基板，2-绝缘层，3-绕组，4-屏蔽层图6-4直线型感应同步器1—正弦激磁绕组；2—余弦激磁绕组(2)工作原理当滑尺的两个绕组中的任一绕组通入激磁交变电压时，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生感应电势。感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。表6-2所示为滑尺绕组相对于定尺绕组处于不同位置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。滑尺移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势以余弦函数变化了一个周期。感应同步器就是利用这个感应电压的变化进行位置检测的。安装：感应同步器的定尺通过定尺尺座装于机床的固定件上（如床身）；滑尺通过滑尺尺座固定在机床的运动部件上（如工作台），相对于定尺移动。表6-2感应同步器工作原理感应电压定尺定尺绕组中感应电势滑尺的位移A点―重合最大B点―错开1/4节距零C点―错开1/2节距最大，极性与A点相反D点―错开3/4节距零E点―错开1节距与A点相同，最大电磁耦合度移动距离感应电压表6-2感应同步器工作原理2τ:2π=x:θθ=xπ/τ1)鉴相测量若供给滑尺的正弦绕组和余弦绕组的励磁电压的幅值和频率完全相同，但相位相差90°，则它们在定尺上分别产生的感应电压可表示为：u2s、u2c—正、余弦绕组分别在定尺绕组中所产生的感应电压；us、uc—正、余弦绕组的励磁电压；Um、ω—两绕组励磁电压的幅值和角频率；θ—正弦绕组同定尺绕组的相位角；χ—滑尺相对定尺的位移；τ——绕组的二分之一节距；k——耦合系数。cossincos2tkUkuumsssincos)2cos(2tkUkuumccxx22定尺上的感应电压u可表示为：θ=xπ/τ显然，可通过鉴别感应电压的相位来确定滑尺与定尺间的相对位移。)sin(22tkUuuumcs与鉴相测量方式不同，此时供给滑尺正、余弦绕组的激磁电压us、uc的频率与相位相同，但幅值不同，分别为：χ1——指令位移，θ1——与指令位移相对应的相位角。则定尺上的感应电压u可表示为：如果设：,当Δθ(或Δx)很小时,则有：由此可见,定尺的感应电压的幅值与指令位移同实际位移之差成正比。tUumscossin1tUumcsincos111122xx)sin(sin1tkUumxxx)(11xsin)sin(1xtkUumsin(3)感应同步器主要特点①测量精度高感应同步器系直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度限制。②测量长度不受限制可拼接成各种需要的长度。③对环境的适应性强直线式感应同步器金属基板与安装部件（床身）的材料(钢或铸铁)的热膨胀系数相近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。④维护简便，使用寿命长由于感应同步器定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所以寿命长；⑤注意安装间隙感应同步器安装时要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在(0.02-0.25)mm以内。6.2.3光栅测量装置原理：光栅是利用光的透射、衍射现象形成莫尔条纹而制成的光电检测装置。类型：常见的有长光栅和圆光栅两大类，分别用于直线位移和转角位移测量。光栅的检测精度较高，一般可达1μm以上。光栅测量是一种非接触式测量。6.2.3.1光栅的构造光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床活动部件(如工作台或丝杠)上，光栅读数头安装在机床的固定部件(如机床底座)上，两者由于工作台的移动而相对移动。(1)光栅尺组成：标尺光栅和指示光栅，统称光栅尺，是由真空镀膜方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃板或长条形金属镜面。栅距：对于长光栅，这些线纹相互平行、距离相等，该间距被称为栅距。一般线纹密度为每毫米25、50、100、125、250条栅距角：对于圆光栅，这些线纹是圆心角相等的向心条纹。如果直径为70mm，一周内的刻线100～768条；如果直径为110mm，一周内的刻线600～1024条。对于同一光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。(2)光栅读数头机床上常用的垂直入射式光栅读数头，如图6-6所示，其主要由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。6.2.3.2工作原理标尺光栅和指示光栅的栅面相互平行、栅距完全相等，但两栅面的线纹有一个很小的夹角θ，使两组线发生交叉，如图6-8所示。当平行光线透过光栅后，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。图6-6垂直入射式光栅读数头结构图6-8光栅工作原理图(1)莫尔条纹具有的性质①莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数。②放大作用若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为当θ角很小时，取sinθ≈θ，上式可近似写成若取d＝0.01mm，θ＝0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。sindWdW③均化误差作用莫尔条纹是由若干光栅条纹共同干涉形成。例如每毫米100线的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。④莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的移动相对应当光栅尺相对移动一个栅距d时，莫尔条纹便相应准确地移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直；当两光栅尺往相反的方向移动时，莫尔条纹的移动方向也随之改变。6.2.3.3光栅检测装置的特点(1)测量精度高。一般长光栅的测量精度可达1μm以上。(2)精度保持性好。由于两光栅尺之间不直接接触