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1、会计学1数控机床数控机床(sh kn j chun)数控机床数控机床(sh kn j chun)驱动系统与检测技术驱动系统与检测技术第一页，共56页。第1页/共56页第二页，共56页。6.1 开环步进驱动开环步进驱动(q dn)系统系统n n在步进式伺服系统中，步进电机作为执行元件，受驱动控制线路(xinl)的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合，具有一定的使用价值。第2页/共56页第三页，共5
2、6页。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。下面以三相反应式步进电机为例，说明步进电机的基本(jbn)工作原理 n n电机定子有电机定子有6 6极，每个极装有控制极，每个极装有控制(kngzh)(kngzh)绕组，绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的齿上面有绕组。通电时转子按齿上面有绕组。通电时转子按3030转过，使转子和转过，使转子和定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。第3页/共56页第四页，共56页。n n(1)(1)步进电机定子
3、绕组的通电状态每改变一次，它的转步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角 ；n n(2)(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；向将随之改变；n n(3)(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速的转速(zhun s)(zhun s)越高；越高；n n(4)(4)步进电机的步距角步进电机的步距角 与定子绕组的相数与定子绕组的相数mm、转子的、转子的齿数齿数z z、通电方式、通电方
4、式K K有关，可用下式表示：有关，可用下式表示：n n n n n n 式中，三相三拍时式中，三相三拍时K=1K=1；三相六拍时；三相六拍时K=2K=2。第4页/共56页第五页，共56页。如如前前图图所所示示的的步步进进电电机机，若若转转子子齿齿数数z z4040，以以三三相三拍通电时，步距角为相三拍通电时，步距角为 若若以以三三相相六六拍拍通通电电方方式式(fngsh)(fngsh)工工作作时时，步步距距角为角为第5页/共56页第六页，共56页。步进电机步进电机(dinj)的类型及结构的类型及结构 步进电机的结构形式(xngsh)很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按产生力矩的原理、输出
5、力矩的大小以及定子和转子的数量等方面来分类 第6页/共56页第七页，共56页。n n目前，我国使用的步进电机目前，我国使用的步进电机(dinj)(dinj)多为反应式步进电机多为反应式步进电机(dinj)(dinj)，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机应式步进电机(dinj)(dinj)的结构原理图的结构原理图单单定定子子(d d n ng gz z)径径向向分分相相式式三三相相步步进进电电机机结结构构原原理理图图 第7页/共56页第八页，共56页。n n 步进电机的主要特性步进电机的主要特性 n n步距角步进电机的步距角
6、是反映步进电机定子绕组的通电状态每改步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o3o0.5o3o度。度。通常，步进角越小，加工精度越高。通常，步进角越小，加工精度越高。n n空载启动频率空载启动频率 步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行丢步的正常运行(ynxng)(ynxng)所允许的最高频
7、率，称为启动频率或突跳所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。加而减小。第8页/共56页第九页，共56页。n n(3)连续运行的最高工作频率fmax 步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率fmax称为最高工作频率n n(4)最大静转矩Tmax 当步进
8、电机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载(fzi)转矩，定子与转子就有一个角位移，称为失调角。使转子刚刚离开平衡位置的极限转矩值称为最大静转矩。静转矩越大，电动机所能承载的外加转矩也越大。第9页/共56页第十页，共56页。步进式伺服系统的工作步进式伺服系统的工作(gngzu)原理原理步进系统步进系统(xtng)原理框图原理框图第10页/共56页第十一页，共56页。1工作台位移量的控制(kngzh)进给脉冲数N定子绕组通电状态变化次数N步进电机转子的转角工作台位移量L2工作台进给速度的控制(kngzh)进给脉冲的频率f定子绕组通电状态的变化频率f步进电机转子的转速工作台进给速度v3工作台运
9、动方向的控制(kngzh)步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转或反转工作台的进给方向第11页/共56页第十二页，共56页。图图图图6-1 6-1 反应式步进电机反应式步进电机反应式步进电机反应式步进电机(dinj)(dinj)工作原理工作原理工作原理工作原理n n电机定子有电机定子有6 6极，每极，每个极装有控制绕组，个极装有控制绕组，每两个相对的极组每两个相对的极组成一相。转子是四成一相。转子是四个分布均匀的齿上个分布均匀的齿上面有绕组。通电时面有绕组。通电时转子按转子按3030转过，使转过，使转子和定子反复转子和定子反复(f(f nf)nf)循环对齐，循环对齐，使电机按一定的角使电机按一
10、定的角度转动。度转动。返回返回上页上页下页下页第12页/共56页第十三页，共56页。图图图图6-2 6-2 三相三相三相三相(sn xin(sn xin)六拍工作示意图六拍工作示意图六拍工作示意图六拍工作示意图n n三相电机按三相电机按U-UV-V-VW-U-UV-V-VW-W-WU-UW-WU-U或者或者U-UW-W-U-UW-W-WV-V-VU-UWV-V-VU-U的通电顺序的通电顺序这种方式工作时，定子这种方式工作时，定子三相绕组须经过六次切三相绕组须经过六次切换才能完成一个换才能完成一个(y(y )一个一个(y(y )循环，故称循环，故称为为“六拍六拍”而且在通电而且在通电时，有时是单
11、个绕组接时，有时是单个绕组接通，有时是两个绕组同通，有时是两个绕组同时接通，因此称为时接通，因此称为“三三相六拍相六拍”。返回返回上页上页下页下页第13页/共56页第十四页，共56页。图图6-5 转子磁钢产生转子磁钢产生(chnshng)的磁通回路的磁通回路返回返回上页上页下页下页第14页/共56页第十五页，共56页。图图图图6-6 混合式步进电动机剖面图混合式步进电动机剖面图混合式步进电动机剖面图混合式步进电动机剖面图n n图中，每相绕组绕在图中，每相绕组绕在8 8个定子磁极中的第个定子磁极中的第4 4个极上，按照个极上，按照U-V-U-U-V-U-V-UV-U时序通电，步进时序通电，步进电
12、动机就能沿逆时针电动机就能沿逆时针方向连续旋转方向连续旋转(xunzhu(xunzhu n)n)，反之，反之，电动机沿顺时针方向电动机沿顺时针方向旋转旋转(xunzhu(xunzhu n)n)。返回返回上页上页下页下页第15页/共56页第十六页，共56页。6.1 开环步进驱动开环步进驱动(q dn)系统系统n n三、步进电动机的开环控制n n步进电动机是采用脉冲控制方式工作的，只有(zhyu)按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能够实现转动，因此需要脉冲分配、脉冲产生和插补运算等功能。n n1.步进电动机的控制系统n n步进电机控制系统负责提供脉冲数量，提供脉冲频率，提供各相励磁线圈通电
13、顺序的变化。n n步进电机控制系统通过接口电路与驱动模块相连。接口电路必须具有以下功能。n n（1）电压隔离功能n n（2）信息传递功能n n（3）产生工作所需的控制信息n n（4）产生工作所需的不同频率返回返回上页上页下页下页第16页/共56页第十七页，共56页。6.1 开环步进驱动开环步进驱动(q dn)系统系统n n2.步进电动机的驱动电源设计n n步进电机驱动电源的主要作用是对控制系统发出的控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行。n n步进电动机的驱动电源多种多样，按供电(n din)方式来分，有单压供电(n din)和双压供电(n din)。n n（1）单电压
14、驱动电源n n基本形式如图6-12n n（2）双电压驱动电源n n双电压驱动电源采用两套电源给电动机绕组供电(n din)，高电压的作用是使步进电机绕组电流迅速提高，使绕组电流建立时的上升沿变陡，低电压的作用是维持绕组电流。图6-13为高压定时控制驱动电源返回返回上页上页下页下页第17页/共56页第十八页，共56页。（3 3）调频调压驱动电源）调频调压驱动电源调频调压驱动电源的基本原理：当步进电机在低频运调频调压驱动电源的基本原理：当步进电机在低频运行时，供电电压降低，当运行高频段时，供电电压行时，供电电压降低，当运行高频段时，供电电压升高。即供电电压随着升高。即供电电压随着(su zhe)(
15、su zhe)步进电机转速增加步进电机转速增加而升高。这样，既解决了低频振荡问题，也保证了而升高。这样，既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩。高频运行时的输出转矩。(4)(4)细分驱动电源细分驱动电源 细分驱动电源的基本原理：在不改动电动机结构参细分驱动电源的基本原理：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角细分成若干个步的电源驱动数的情况下，使步距角细分成若干个步的电源驱动方式。这种驱动方式既能使步距角减小，而且能使方式。这种驱动方式既能使步距角减小，而且能使步进电动机运行平稳，提高想、匀速性，并能减弱步进电动机运行平稳，提高想、匀速性，并能减弱或者消除震荡或者消除震荡第18页
16、/共56页第十九页，共56页。图图图图6-12 6-12 晶体管单电压晶体管单电压晶体管单电压晶体管单电压(diny)(diny)驱动电源驱动电源驱动电源驱动电源n n其中其中UcpUcp是步进电机控制脉冲信号的是步进电机控制脉冲信号的通断。通断。n nWW是步进电机的一相绕组。是步进电机的一相绕组。n nVDVD是绪流二极管是绪流二极管n nC C为电容，用来提高为电容，用来提高(t go)(t go)绕组脉冲绕组脉冲电流的前沿。电流的前沿。返回返回上页上页下页下页第19页/共56页第二十页，共56页。图图6-13 高压定时控制驱动高压定时控制驱动(q dn)电源电源n nUgUg高压电源电
17、压高压电源电压n nUdUd低压电源电压低压电源电压n nVgVg高压控制晶体管高压控制晶体管n nVdVd低压控制晶体管低压控制晶体管n nVD1VD1绪流二极管绪流二极管n nVD2VD2阻断二极管阻断二极管n n采用高低压供电的驱动采用高低压供电的驱动电源，绕组电流电源，绕组电流(dinli)(dinli)的建立和消失比较快，的建立和消失比较快，从而改善了步进电机的从而改善了步进电机的高频性能。高频性能。返回返回上页上页下页下页第20页/共56页第二十一页，共56页。6.2 半闭环、闭环伺服驱动半闭环、闭环伺服驱动(q dn)系统系统n n一、直流（一、直流（DCDC）伺服电动机及其特性
18、）伺服电动机及其特性n n1.1.直流伺服电机的特性及选用直流伺服电机的特性及选用n n直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。磁动势正交，从而产生转矩。n n直流伺服电机特点：较高的响应速度、精度和频率，控制特性优良。直流伺服电机特点：较高的响应速度、精度和频率，控制特性优良。n n2020世纪世纪6060年代年代研制出小惯量直流伺服电机研制出小惯量直流伺服电机n n2020世纪世纪7070年代年代研制成功大惯量直流伺服电机，特点是：励磁便于调整，易研制成功大惯量直流伺服电机
19、，特点是：励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，成本低。于安排补偿绕组和换向极，成本低。n n其结构如图其结构如图6-156-15n n2.2.直流伺服电动机与驱动直流伺服电动机与驱动n n目前目前(mqin)(mqin)常用的有晶体管脉宽调制驱动和晶阀管直流调速驱动常用的有晶体管脉宽调制驱动和晶阀管直流调速驱动n n晶阀管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶阀管的触发延迟角来改变整流晶阀管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶阀管的触发延迟角来改变整流电压。电压。n n脉宽调制直流调速驱动原理图如脉宽调制直流调速驱动原理图如6-166-16返回返回上页上页下页下页第21页/共56页第二十二页，共
20、56页。图图6-15 直流伺服电机直流伺服电机返回返回上页上页下页下页第22页/共56页第二十三页，共56页。6.2 半闭环、闭环伺服驱动半闭环、闭环伺服驱动(q dn)系统系统n n二、交流(AC)伺服电机及其特性n n其基本原理是检测SM型（如图6-18）和IM型的气隙磁场的大小和方向，用电力电子交换器代替整流子和电刷，并通过(tnggu)与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩。n n交流电机矢量控制的原理n n交流伺服系统的工作原理：n n插补器发出的脉冲经位置控制回路发出速度指令，比较器中与检测器来的信号相与之后，经放大器送出转矩指令M，至矢量
21、处理电路。另一方面，检测器的输出信号也被送到矢量处理电路中的转交回转电路，将电动机的回转位置r变化，经放大冰与电动机回路的电流检测信号比较之后，经脉宽调制电路放大后，控制三相桥式晶体管电路，使交流伺服电机按规定的转速旋转，并输出所需转矩值。返回返回上页上页下页下页第23页/共56页第二十四页，共56页。6-18 同步同步(tngb)（SM)型伺服电动机控制框图型伺服电动机控制框图返回返回上页上页下页下页第24页/共56页第二十五页，共56页。6.3 主轴主轴(zhzhu)驱动系统与变驱动系统与变频器频器n n一、数控机床对主轴驱动的要求一、数控机床对主轴驱动的要求n n数控机床的主轴驱动和进给
22、驱动有很大的差别。早数控机床的主轴驱动和进给驱动有很大的差别。早期的数控机床上多采用期的数控机床上多采用(c(c iyng)iyng)直流主轴驱动系统，直流主轴驱动系统，随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，交随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，交流驱动系统开始使用。目前，交流主轴驱动已经达流驱动系统开始使用。目前，交流主轴驱动已经达到直流驱动系统的水平。到直流驱动系统的水平。n n二、交流主轴驱动二、交流主轴驱动n n1.1.交流主轴驱动特点：交流伺服电机有隆型异步电交流主轴驱动特点：交流伺服电机有隆型异步电机和永磁式同步异步电机，通常采用机和永磁式同步异步电机，通常采用(c(c
23、iyng)iyng)异步异步电动机进行矢量控制，其结构有三相绕组定子和有电动机进行矢量控制，其结构有三相绕组定子和有笼条的转子组成。笼条的转子组成。n n2.2.交流主轴电机的性能交流主轴电机的性能;在基本速度以下为恒转矩在基本速度以下为恒转矩区域，基本速度以上为恒功率区域。区域，基本速度以上为恒功率区域。n n3.3.新型主轴电机结构新型主轴电机结构n n（1 1）输出转换型交流主轴电动机输出转换型交流主轴电动机n n（2 2）液体冷却主轴电动机（图液体冷却主轴电动机（图6-246-24）n n（3 3）内装式主轴电动机（图内装式主轴电动机（图6-256-25）n n（4 4）交流主轴电动机
24、控制单元（图交流主轴电动机控制单元（图6-266-26，图，图6-276-27）返回返回上页上页下页下页第25页/共56页第二十六页，共56页。图图图图6-24 6-24 液体液体液体液体(yt(yt)冷却主轴电动机冷却主轴电动机冷却主轴电动机冷却主轴电动机返回返回上页上页下页下页第26页/共56页第二十七页，共56页。图图6-25 内装式主轴内装式主轴(zhzhu)电动机电动机返回返回上页上页下页下页第27页/共56页第二十八页，共56页。交流交流(jioli)主轴电动机控制主轴电动机控制单元单元返回返回上页上页下页下页第28页/共56页第二十九页，共56页。6.3 主轴主轴(zhzhu)驱
25、动系统与变驱动系统与变频器频器n n三、变频器三、变频器n n（一）（一）变频器的分类与特点变频器的分类与特点n n变频器的基本分类变频器的基本分类n n交交-交变频器与交交变频器与交-直直-交变频器的结构对比（图交变频器的结构对比（图6-286-28）n n交交-直直-交电压型变频器的主电路结构形式。（图交电压型变频器的主电路结构形式。（图2-292-29）n n交交-直直-交电流型变频器的主电路结构形式。（交电流型变频器的主电路结构形式。（6-306-30）n n数控机床中常用的变频器数控机床中常用的变频器n n（二）（二）脉宽调制型变频器（脉宽调制型变频器（PWMPWM）（图）（图3-3
26、13-31）n n特点：特点：n n主电路只有一个可控的功率环节，结构简化主电路只有一个可控的功率环节，结构简化n n整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器电压无关。整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器电压无关。n n调频调压在同一环节中实现，变频器的动态响应加快。调频调压在同一环节中实现，变频器的动态响应加快。n n通过对通过对PWMPWM控制方式的控制，能有效控制方式的控制，能有效(y(y uxio)uxio)抑制和消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交抑制和消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。流电压波形。n n 返回返回上页上页下页下页第29页/共56页第三十
27、页，共56页。图图图图6-28 6-28 两种类型两种类型两种类型两种类型(lixng)(lixng)的变频器的变频器的变频器的变频器返回返回上页上页下页下页第30页/共56页第三十一页，共56页。图图图图2-29 2-29 交交交交-直直直直-交电压交电压交电压交电压(diny)(diny)型变频器的主电路结构形式型变频器的主电路结构形式型变频器的主电路结构形式型变频器的主电路结构形式返回返回上页上页下页下页第31页/共56页第三十二页，共56页。图图图图2-30 2-30 交交交交-直直直直-交电压交电压交电压交电压(diny)(diny)型变频器的结构形式型变频器的结构形式型变频器的结构
28、形式型变频器的结构形式返回返回上页上页下页下页第32页/共56页第三十三页，共56页。图图图图3-31 PWM3-31 PWM交交交交-直直直直-交变频器示意图交变频器示意图返回返回上页上页下页下页第33页/共56页第三十四页，共56页。6.3 主轴驱动主轴驱动(q dn)系统与变系统与变频器频器n n（三）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器n nSPWM变频器属于交-直-交静止变频装置，它现将50Hz交流电经整流变压器变到所需的电压后，经二极管不控整流和电容滤波(lb)，形成恒定直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波，即可拖动三
29、相异步电动机运转。n nSPWM变频器工作原理n n1.SPWM波形和等效正弦波（图6-32）n n2.产生SPWM波形的原理（图6-33）n n3.SPWM变频器的主电路（图6-34）n n4.用单片微机实现的SPWM控制（6-35）返回返回上页上页下页下页第34页/共56页第三十五页，共56页。图图图图6-32 SPWM6-32 SPWM波形波形波形波形(b xn(b xn)和等效正弦波和等效正弦波和等效正弦波和等效正弦波返回返回上页上页下页下页第35页/共56页第三十六页，共56页。图图图图6-33 6-33 三相三相三相三相(sn xin(sn xin)SPWM)SPWM控制电路原理框
30、图控制电路原理框图控制电路原理框图控制电路原理框图返回返回上页上页下页下页第36页/共56页第三十七页，共56页。图图图图6-34 SPWM6-34 SPWM变频器主电路原理变频器主电路原理变频器主电路原理变频器主电路原理(yunl(yunl)与与与与电动机线电压波形电动机线电压波形电动机线电压波形电动机线电压波形返回返回上页上页下页下页第37页/共56页第三十八页，共56页。图图图图6-35 6-35 单片微机控制单片微机控制单片微机控制单片微机控制(kngzh)(kngzh)的的的的SPWMSPWM原理图原理图原理图原理图n nV/V/变换器变换器-电压频电压频率转换器，将率转换器，将CN
31、CCNC的速度给定直流电的速度给定直流电压变成相应的频率压变成相应的频率脉冲信号。脉冲信号。n n计数分频器及地址计数分频器及地址译码译码-一个计数值为一个计数值为0-3590-359的计数器。的计数器。n n基准基准(jzh(jzh n)n)正弦波正弦波的形成的形成-基准基准(jzh(jzh n)n)正弦波有三路正弦波有三路EPROMEPROM与与D/AD/A变换变换器组成。器组成。返回返回上页上页下页下页第38页/共56页第三十九页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n数控机床对位置检测元件的主要要求n n1）工作可靠，抗干扰能力强n n2）满足精度和
32、速度的要求n n3）零点灵敏度高n n4）使用维修方便(fngbin)，适应机床的工作环境n n5）成本低n n一、光栅n n高精度的位置检测元件，精度可达几个微米。n n1.光栅的分类n n2.光栅的构造与组成（图6-37）n n3.光栅的基本工作原理n n4.光栅的辩向和细分返回返回上页上页下页下页第39页/共56页第四十页，共56页。图图3-37 光栅光栅(gungshn)位置检测位置检测装置组成装置组成n n光栅由光源、长光栅、短光栅、光电元件、光栅由光源、长光栅、短光栅、光电元件、透镜及驱动电路组成。长光栅固定透镜及驱动电路组成。长光栅固定(gdng)(gdng)在机床固定在机床固定
33、(gdng)(gdng)部件上，长度相当于工部件上，长度相当于工作台移动的全行程，又称为标尺光栅。短光作台移动的全行程，又称为标尺光栅。短光栅安装在机床的运动部件上。栅安装在机床的运动部件上。返回返回上页上页下页下页第40页/共56页第四十一页，共56页。莫尔条纹莫尔条纹(tio wn)和光栅读数头和光栅读数头n n读数头光源一般由白炽灯发出辐射光线，经过读数头光源一般由白炽灯发出辐射光线，经过(jnggu)(jnggu)透镜后变成为平行光束，透镜后变成为平行光束，照射光栅尺。光电元件是一种将光强信号转变成电信号的光电转换元件。照射光栅尺。光电元件是一种将光强信号转变成电信号的光电转换元件。返
34、回返回上页上页下页下页第41页/共56页第四十二页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n3.3.光栅的基本工作原理光栅的基本工作原理n n如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度。如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度。,这样两块光栅的刻度相交这样两块光栅的刻度相交,则在相交处出现黑色条纹则在相交处出现黑色条纹,称为莫称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等,即栅距即栅距 相等相等,而产而产生生(ch(ch nshng)nshng)的莫尔条纹的方向和光栅刻线的方向大致垂直的莫尔条纹的方向和光栅刻线的方向大
35、致垂直,其几何关系如图其几何关系如图6-386-38所示。当所示。当 很很 小时小时,条纹的节距条纹的节距WW为为n n这表明莫尔条纹的节距是光栅距的这表明莫尔条纹的节距是光栅距的1/1/倍倍,当标尺光栅移动时当标尺光栅移动时,莫尔条纹就沿垂直于光莫尔条纹就沿垂直于光 栅移动的方向移动栅移动的方向移动.当光栅移动一个当光栅移动一个栅距栅距 时时,莫尔条纹就相应地移动一个节距莫尔条纹就相应地移动一个节距w,w,也就是说两者一也就是说两者一一对应一对应.所以所以,只要读出移过莫尔条纹的数目只要读出移过莫尔条纹的数目,就可以知道光栅就可以知道光栅移过移过 了多少个栅距了多少个栅距,而栅距在制造光栅时
36、是已知的而栅距在制造光栅时是已知的,光栅的移光栅的移动距离就可以通过电气系统动距离就可以通过电气系统 自动地测量出来自动地测量出来.返回返回上页上页下页下页第42页/共56页第四十三页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n4.4.光栅的辩向和细分光栅的辩向和细分n n为了提高光栅的分辨率，必须增加其刻线的密度，常采用电子为了提高光栅的分辨率，必须增加其刻线的密度，常采用电子(dinz(dinz)和机械细分的方法，提高光栅的分辨率，提高测量精度。和机械细分的方法，提高光栅的分辨率，提高测量精度。电子电子(dinz(dinz)细分又称为倍频细分，常用的是四倍频
37、。图细分又称为倍频细分，常用的是四倍频。图6-396-39是是一个利用光栅读数头实现四倍频的方法。一个利用光栅读数头实现四倍频的方法。返回返回上页上页下页下页第43页/共56页第四十四页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn j chun)的检测技术的检测技术n n二、旋转变压器n n旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它结构简单，工作可靠，对环境条件要求低，信号输出幅值大，抗干扰性强，因此，被广泛的用在数控机床上。n n1.旋转变压器的结构n n旋转变压器分为定子(dngz)和转子两大部分，定子(dngz)绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式，根据引出
38、方式的不同可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种。图6-42为无刷式旋转变压器。返回返回上页上页下页下页第44页/共56页第四十五页，共56页。图图图图6-42 6-42 无刷式旋转无刷式旋转无刷式旋转无刷式旋转(xunzhu(xunzhu n)n)变压器结构示意图变压器结构示意图变压器结构示意图变压器结构示意图n n它由旋转它由旋转(xunzhu(xunzhu n)n)变压器本体和附加变变压器本体和附加变压器组成。附加变压压器组成。附加变压器的一、二测铁心圈器的一、二测铁心圈均做成环形，分别固均做成环形，分别固定在定子和转子上，定在定子和转子上，在径向留有一定的间在径向留有一定的间隙，旋转隙，
39、旋转(xunzhu(xunzhu n)n)变压器本体的转子绕变压器本体的转子绕组和附加变压器的二组和附加变压器的二次侧线圈连在一起，次侧线圈连在一起，旋转旋转(xunzhu(xunzhu n)n)变压变压器转子在定子中回转，器转子在定子中回转，转子上的电信号通过转子上的电信号通过电磁耦合，经附加变电磁耦合，经附加变压器的一次侧线圈间压器的一次侧线圈间接的输出。接的输出。返回返回上页上页下页下页第45页/共56页第四十六页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n2.2.旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理n n旋转变压器定子绕组通励磁电压时，产生旋转变压器
40、定子绕组通励磁电压时，产生(ch(ch nshng)nshng)感应电动势。感应电动势。n n设钉子绕组的励磁电压为设钉子绕组的励磁电压为n numum励磁电压的幅值励磁电压的幅值n n励磁电压的角频率励磁电压的角频率n n另外励磁电压产生另外励磁电压产生(ch(ch nshng)nshng)一个脉动磁场，依时间一个脉动磁场，依时间按正弦规律变化，在空间上方向是固定的。按正弦规律变化，在空间上方向是固定的。n n-定子和转子之间的夹角定子和转子之间的夹角n nnn电压比电压比返回返回上页上页下页下页第46页/共56页第四十七页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn j chun)的检
41、测技术的检测技术n n三、光电盘和编码三、光电盘和编码(bin(bin mm)盘盘n n1.1.光电盘光电盘n n光电盘是一种最简单的光光电盘是一种最简单的光电式转交测量元件。如图电式转交测量元件。如图6-446-44所示。所示。n n光电盘装在回转轴上，轴光电盘装在回转轴上，轴的另一端装有传动齿轮或的另一端装有传动齿轮或连轴器，使光电盘连轴器，使光电盘 和被测和被测对象以相同速度回转。对象以相同速度回转。返回返回上页上页下页下页第47页/共56页第四十八页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn j chun)的检测技术的检测技术n n2.2.编码盘编码盘n n编码盘是把被编码盘是把
42、被测转角直接转测转角直接转化成相应代码化成相应代码的检测元件的检测元件(yunjin)(yunjin)。编。编码盘有光电式、码盘有光电式、接触式和电磁接触式和电磁式三种。目前式三种。目前应用比较多的应用比较多的是光电式编码是光电式编码盘，如图盘，如图6-456-45。返回返回上页上页下页下页第48页/共56页第四十九页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n四、磁尺四、磁尺n n磁尺是用电磁信号来计量磁波数目的监测磁尺是用电磁信号来计量磁波数目的监测(jin c)(jin c)方法，方法，可用于长度和角度的位移测量。磁尺有平面型、圆轴型和可用于长度和角度的位
43、移测量。磁尺有平面型、圆轴型和回转型三种类型。回转型三种类型。n n（一）结构（一）结构返回返回上页上页下页下页第49页/共56页第五十页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n（二）磁尺的工作原理（二）磁尺的工作原理n n 磁尺作为检测磁尺作为检测(ji(ji n c)n c)元件，根元件，根据对磁头上拾磁绕组中感应电动势的据对磁头上拾磁绕组中感应电动势的不同处理方法，可做成鉴相式工作状不同处理方法，可做成鉴相式工作状态和鉴幅式工作状态两种。无论哪一态和鉴幅式工作状态两种。无论哪一种工作状态都必须设置两个或者两组种工作状态都必须设置两个或者两组间隙为间隙为
44、n n 的拾磁磁头。的拾磁磁头。返回返回上页上页下页下页第50页/共56页第五十一页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn j chun)的检测技术的检测技术n n五、感应同步器n n感应同步器是一种电磁式高精度位置检测元件，按其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种。前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。感应同步器的具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便(fngbin)、成本低、受环境温度和湿度影响小、工艺性能好等优点。广泛应用于数控车床。返回返回上页上页下页下页第51页/共56页第五十二页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn j chun)的检测技术的检测
45、技术n n1.1.结构结构n n无论是直线式还是旋转式，它们的制造方法都是相同的，以直线感应无论是直线式还是旋转式，它们的制造方法都是相同的，以直线感应同步器为例，如图同步器为例，如图6-506-50所示，由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺均用绝所示，由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺均用绝缘粘合剂将铜箔粘合在基板上。用和制造印刷缘粘合剂将铜箔粘合在基板上。用和制造印刷(ynshu)(ynshu)电路板相同的腐电路板相同的腐蚀方法，制成节距一般为蚀方法，制成节距一般为2mm2mm的方齿形绕组。的方齿形绕组。返回返回上页上页下页下页第52页/共56页第五十三页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn
46、 j chun)的检测技术的检测技术n n2.安装n n 感应同步器的定尺和滑尺通过尺座分别(fnbi)安装在机床的两个相对运动的部件（如工作台和床身）上，当工作台移动时，滑尺在定尺上移动，滑尺和定尺要用防护罩罩住，防止铁屑等污物落到上边影响正常工作。由于感应同步器的测量精度很高，故安装精度也要求很高。特别是定尺安装面应与导轨平行，否则会使定尺和滑尺之间发生间隙变化，影响测量精度。返回返回上页上页下页下页第53页/共56页第五十四页，共56页。6.4 数控机床的检测数控机床的检测(jin c)技术技术n n3.3.工作原理工作原理n n 感应同步器的绕组感应同步器的绕组(roz(roz)分布如
47、图分布如图6-6-5151所示。滑尺上分布着两个励磁绕组所示。滑尺上分布着两个励磁绕组(roz(roz)，分别称为正弦绕组，分别称为正弦绕组(roz(roz)和余和余弦绕组弦绕组(roz(roz)。n n 它们在空间上相差它们在空间上相差1/41/4节距，每个节节距，每个节距相当与绕组距相当与绕组(roz(roz)的分布周期，一般的分布周期，一般为为2mm2mm，用，用2 2 表示。表示。返回返回上页上页下页下页第54页/共56页第五十五页，共56页。6.4 数控机床数控机床(sh kn j chun)的检测技术的检测技术 图图6-526-52所示为滑尺绕组相对于定所示为滑尺绕组相对于定尺绕组处于不同位置时，定尺尺绕组处于不同位置时，定尺绕组中感应电动势的变化情况。绕组中感应电动势的变化情况。A A点表示滑尺绕组与定子绕组点表示滑尺绕组与定子绕组重合重合(chngh)(chngh)，这是定子绕组，这是定子绕组中的电动势最大。如果滑尺相中的电动势最大。如果滑尺相对于定尺从对于定尺从A A点逐渐向右平行点逐渐向右平行移动，感应电动势就逐渐减小，移动，感应电动势就逐渐减小，在两绕组错开正好在两绕组错开正好1/41/4节距的节距的B B点感应电动势为点感应电动势为0 0。返回返回上页上页第55页/共56页第五十六页，共56页。