第四章-数控检测装置课件.ppt

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1、2022-4-20组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。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，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给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。2022-4-20 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 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。高精度和高速实时测量。 2.分辨率 分辩率应适应机床精度

2、和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。 4.1.1 对位置检测装置的要求2022-4-20数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量；直接测量和间接测量； 测量方法测量方法 增量型和绝对型增量型和绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式和数字式；模拟式和数字式； 运动型式运动型式

3、 回转型和直线型；回转型和直线型； 信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、光电效应、光栅效应、电磁感应原理、 压电效应、压阻效应和磁阻效应等。压电效应、压阻效应和磁阻效应等。2022-4-20表41 数控机床检测装置分类分 类 增 量 式 绝 对 式 位移传感器 回转型脉冲编码器、自整角机 、旋转变压器、圆感应同步器 、光栅角度传感器 、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器 、绝对脉冲编码器 绝对值式光栅 、 三速圆感应同步器 、磁阻式多极旋转变压器 直线型直线应同步器 、光栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器 、绝对值磁尺、光电编码尺 、磁性编码器

4、速度传感器 交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器 、霍耳速度传感器 速度-角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、磁敏式速度传感器 电流传感器 霍耳电流传感器 2022-4-204.2 旋转变压器 54318762图图4 41 1 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1-1-转轴转轴 2-2-轴承轴承 3-3-机壳机壳 4-4-转子转子 5-5-定子定子 6-6-端盖端盖 7-7-电刷电刷 8-8-集电环集电环 定子、转子的冲片都是高磁导率的电工钢片，上面有均匀分布槽，槽中都置有正交、定子、转子的冲片都是高磁导率的电工钢片，上面有均匀分布槽，槽中都置有正交、互相垂直的两项绕组；转子电

5、信号的输入输出通过集电环和电刷实现，无刷的有两种常互相垂直的两项绕组；转子电信号的输入输出通过集电环和电刷实现，无刷的有两种常用结构：一是靠磁路结构的变化使得励磁磁通沿着转子磁转固定路径方向通过的；另一用结构：一是靠磁路结构的变化使得励磁磁通沿着转子磁转固定路径方向通过的；另一种是依靠变压器方式耦合，实现无接触、无刷的。种是依靠变压器方式耦合，实现无接触、无刷的。旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。2022-4-20n分类：有电刷集电环结构和无刷结构； 每一类又分为单对极元件（即转子转一周，电信号仅变化一个周期的元件）、多对极元件（或称多极元件）两种。n工作原理：电磁

6、感应。 4.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R42022-4-204.2.1 旋转变压器的结构和工作原理2022-4-20 E2= KV 1 cos = KV m sintcos =90 E 2 = 0 =0 E 2 = KV m SINt式中: E 2转子绕组感应电势； V1定子绕组励磁电压 V1=Vmsint； Vm电压信号幅值； 定、转子绕组轴线间夹角； K变压比（即绕组匝数比） 4.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm ms

7、insinttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 输出电压：在定子和转子两个绕组轴线相互平行时为最大感应电动势E2。2022-4-201.鉴相方式 Vs=VmsintVc=Vmcost E2= KV s cos- KV csin = KV m (sintcos- costsin) = KV m sin(t-) 4.2 2 旋转变压器的工作方式 VSVSVsVcE2 图图4.24.2 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角转子输出信号的相位角(t-)与转子与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。的偏转角之间有着严格的对应关系。202

8、2-4-202.鉴幅方式 Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sint E2 = KV s cos机- KV csin机 = KV m sint(sin电cos机- cos电sin机) = KV m sin(电-机) sint 4.2 2 旋转变压器的工作方式 VSVSVsVcE2 图图4.34.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感应电势（感应电势（E2）是以）是以为角频率、为角频率、以以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电为幅值的交变电压信号。若电气角压信号。若电气角电电已知，只要测出已知，只要测出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0

9、)0)，便可间接的求出，便可间接的求出机械角机械角机机 ，从而得出被测角位移。，从而得出被测角位移。 2022-4-20按运动方式分为：增量式绝对式圆感应同步器带型窄长型标准型增量式绝对式直线感应同步器1.感应同步器分类感应同步器分类4.3 感应同步器2022-4-204.3 感应同步器n2.感应同步器结构（直线式）感应同步器结构（直线式）4l2022-4-20n包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距在定尺和滑尺上制成节距T(一般为一般为2mm)的方齿的方齿形线圈。形线圈。n定尺绕组是连续的，滑尺上分布两个励磁绕组，定尺绕组是

10、连续的，滑尺上分布两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。节距。n滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。）。2022-4-20n3.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理n感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。n直线式：直线式：感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。

11、2022-4-20n3.感应同步器的工作原理（直线式）感应同步器的工作原理（直线式）n 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。尺的相对位置有关。n 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距为，节距为T，则正弦绕组单独，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为供电时，在定尺上感应电势为cos360cos2

12、ssKUTxKUUo2022-4-20n余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU2022-4-20式中式中 ： K定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数； 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）TxTx2360)(oT节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为线感应同步器的节距为2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置，从而进行位置检

13、测。检测。2022-4-204lUsUcUo2022-4-20滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucsin12022-4-20滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角2022-4-20 滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取： 2:

14、 2= x : 1 x = 1 结论：结论：相对位移量 x 与 相位角1 呈线性关系，只要能测出相位角1 ，就可求得位移量 x 。2022-4-20n4.感应同步器的测量方法感应同步器的测量方法n根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同式的不同，以及对输出电压检测方式的不同n感应同步器的测量方式有感应同步器的测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工两种工作法。作法。2022-4-20 在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为 /2的交变电压： US = Um sint UC = Um cost 则：

15、 Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sint cos1K Um cost sin1 = K Um sin（t 1） 结论：结论：只要能测出Uo与US相位差1 ，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。2022-4-20 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压： US = Um sin2sint UC = Um cos2sint 2= x 2 （ x 2是指令位移值） Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1 = K Um sin（21）sint

16、 结论：结论：只要能测出Uo与UC相位差1 ，就可求得滑尺与定尺 相 对位移量 x 。2022-4-20感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便 地采用现代的数字处理技术2022-4-20q 特点精度高：平均自补偿特性；对环境适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好2022-4-20测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。串联方式 n 10串并联方式 n 102022-4-20q 使用注意事项 在安装方面：保证安装精度

17、（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响） 在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。 对鉴相系统： 激磁电压的幅值、频率相等；相位差900 对鉴幅系统： 对Um sin2、Um cos2调制的精确性 当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。2022-4-204.4 光栅 光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅计量光栅按运动方式分为：长（直线）光栅和圆光栅计量光栅按运动方式分为：长（直线）光栅和圆光栅计量光栅按计量光栅按光线的走向光线的走向分为分为：透射光栅和反射光栅：透射光栅和反射光栅2022-4-201.

18、长光栅检测装置的结构 4.4.1 长光栅检测装置的结构 图图4.9 4.9 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅 图图4.10 4.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）2022-4-202.工作原理（以透射投影为例） 摩尔条文宽度B的理论公式 莫尔条纹： 4.4.1 长光栅检测装置的结构 d d 放大放大2 2

19、倍倍VSd dW WW W严格来说： 横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直2022-4-20 莫尔条纹的特征：（1）莫尔条纹的变化规律：两片两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，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。 （2）放大作用 莫尔条纹宽度 W 和光栅栅距 d、栅线夹角之间关系： 由图可知 W=d sin 又很小可认为 sin 故 W=d/ 例如 d = 0.01, = 0.01rad, 得W =1mm, 放大100倍（3）均化栅距误差作用 栅距之间的相邻刻度不均匀误差由于有成百上千条光栅条纹

20、的组成而被平均化。 4.4.1 长光栅检测装置的结构 2022-4-20 莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分 4.4.2 光栅位移-数字变换电路 abcd插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲abcd插动放大插动放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走2022-4-204.5 4.5 磁栅磁栅 1.磁栅式位移传感器的结构2.原理3.测量方式2022-4-204.5 磁栅磁栅n磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检磁栅是用

21、电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件。测元件。n用它作直线和角度位移量测量，具有精度高、用它作直线和角度位移量测量，具有精度高、复制简单以及安装调整方便等一系列优点，在复制简单以及安装调整方便等一系列优点，在油污、粉尘较多的工作条件下使用有较好的稳油污、粉尘较多的工作条件下使用有较好的稳定性。因此可在数控机床、精密机床和各种测定性。因此可在数控机床、精密机床和各种测量机上应用。量机上应用。n磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。路组成。2022-4-201.磁栅式位移传感器的结构 NNSSS7NN1SNN200abx输出信号励磁电源654SS

22、32022-4-20检测直线位移：用于精度要求较高场合，因其制造长度有限，目前应用较少。磁尺的分类（按形状）：磁尺的分类（按形状）：检测直线位移：用于量程较大，安装面不易安排的场合。检测角位移：用于精度要求较高场合，因其制造长度有限，目前应用较少。检测直线位移：抗干扰能力强，用于小型或结构紧凑的测量装置中。2022-4-202.原理：n磁栅测量装置是将具有一定节距的磁化磁栅测量装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来作为测量基准。上，用来作为测量基准。n在测量时，拾磁磁头将磁性标尺上的磁在测量时，拾磁磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为

23、电信号，然后再送到检测化信号转化为电信号，然后再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输入给数控机床。制信号输入给数控机床。2022-4-20w 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：txUUsin2sin0 2022-4-203.测量方式(1)鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号xUU2sin01xUU2cos02 两组磁头相对

24、于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。 2022-4-20（2）.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为txUUcos2sin01txUUsin2cos02txUU2sin0 在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为2022-4-204.6 光电脉冲编码器 4.6.1 脉冲编码器的分类与结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。脉冲编码

25、器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等；1234567图4. 14 光电脉冲编码器的结构1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板 2022-4-20 4.6.1 脉冲编码器的分类与结构 1234567图4. 14 光电脉冲编码器的结构1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板 2022-4-20 4.6.2 光电脉冲编码器的工作原理 t 节距节距PAB90 90 图4.15光电脉冲编码器的输出波形 2022-4-20 结构及工作原

26、理 信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4 4.6.2 光电脉冲编码器的工作原理 2022-4-20 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路： 其中， 是 的取反信号。AB90Z码盘转一圈AA 、ZZBB、ZBA、ZBA、 4.6.2 光电脉冲编码器的工作原理 2022-4-20 A、B两相的作用 根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移； 根据脉冲的频率可得被测轴的转速； 根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方

27、向。 后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。ABCP90O 4.6.2 光电脉冲编码器的工作原理 2022-4-20 Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号被测轴的旋转圈数记数信号 的作用后续电路可利用A、 两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z码盘转一圈ZBA、A 4.6.2 光电脉冲编码器的工作原理 2022-4-20 规格 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数； 现在市场上提供的规格从 36线线/ 转转 到 10万线万线 /转转 都有； 选择：伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角） 设增量式码盘的规格为 n 线/转

28、：n360 4.6.2 光电脉冲编码器的工作原理 2022-4-20 4.6.3 光电脉冲编码器的应用 A相信号a+B相信号整形整形dbcef-可逆计数&单稳反向abcdefabcdef应用一：适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲 2022-4-20 4.6.3 光电脉冲编码器的应用 应用二：适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。 A1CQA相脉冲B相脉冲整形整形单稳单稳B1D S R12Q3脉冲方向计数有方向端的可逆计数器ABA1B1CD13高电平“1”低电平“0”高电平“1”高电平“1”ABA1B1CD132022-4-20n是一

29、种直接编码、绝对测量的检测装置n通过读取绝对编码盘、编码尺（码盘）的代码（或图案）信号指示绝对位置n电源切除后，位置信息不丢失，也没有积累差。2022-4-20q 结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。232221202022-4-20q 绝对编码盘的编码方式及特点 二进制编码： 特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。 误差分析： 11111000232221202022-4-20 格雷码（循环码、葛莱码） 特点：任何两个编码之间只有一位是变

30、化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。232221202022-4-20 格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不 进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。 例题： 将二进制码0101转换成对应的格雷码： （雷格码）（右移一位并舍去末位（二进制码）011101001012022-4-20 规格绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；现在市场上提供从 4道道 到 18道道 都有；选择：伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角） 设绝对式码盘的规格 n 道： n23602022-4-20非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。