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1、第5章 数控机床的位置传感器件传感器件是将一种物理量转换为另一种物理量传感器件是将一种物理量转换为另一种物理量的装置。在数控机床中，出于以下一些目的而的装置。在数控机床中，出于以下一些目的而使用各种不同工作原理的传感器件，包括：使用各种不同工作原理的传感器件，包括：检测工作台位置测量主轴转速测量刀尖温度检测轴的传输功率(力矩测量)测量油或切削液的流量测量液压系统的压力15.1 数控机床位置传感器件的类型数控机床的位置传感器件用于将位移量转换成电信号数控机床的位置传感器件用于将位移量转换成电信号输出。这些输出信号一般比较弱，要由信号处理单元输出。这些输出信号一般比较弱，要由信号处理单元对其进行进
2、一步变换和放大，成为较强的、并且利于对其进行进一步变换和放大，成为较强的、并且利于输入数控机床控制单元输入数控机床控制单元(数控系统数控系统)的信号。输入数控的信号。输入数控机床控制单元的信号一般是电流或电脉冲信号，在闭机床控制单元的信号一般是电流或电脉冲信号，在闭环系统中，这些信号作为反馈信号与参考输入信号相环系统中，这些信号作为反馈信号与参考输入信号相减，就得到闭环控制的偏差信号。减，就得到闭环控制的偏差信号。1.直线位移传感器直线位移传感器2.角位移传感器角位移传感器3.模拟或数字位移传感器模拟或数字位移传感器4.绝对、半绝对或增量位移传感器绝对、半绝对或增量位移传感器25.2 光栅位移
3、检测装置早在早在19世纪，光栅的衍射效应就被人们用来进世纪，光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长的测定等工作，但是将行光谱分析和光波波长的测定等工作，但是将光栅实际用作长度计量和数控机床的位置传感光栅实际用作长度计量和数控机床的位置传感器件还是近四、五十年的事。到器件还是近四、五十年的事。到20世纪世纪70年代年代以后，由于微电子技术的飞速发展和日臻成熟，以后，由于微电子技术的飞速发展和日臻成熟，应用在工业计量领域的光栅不断完善，并在数应用在工业计量领域的光栅不断完善，并在数控机床上获得了广泛的应用。控机床上获得了广泛的应用。35.2.1 光栅位移检测装置的组成光栅位移传感器基于莫
4、尔条纹和光电效应将位光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，通过适当的结构设计，移信号转变为电信号，通过适当的结构设计，可以制成直线光栅和圆光栅，分别用于测量直可以制成直线光栅和圆光栅，分别用于测量直线位移和角位移。作为一个独立的、完整的测线位移和角位移。作为一个独立的、完整的测量装置，按其功能光栅位移检测装置包括以下量装置，按其功能光栅位移检测装置包括以下三大部分。三大部分。(1)光栅传感器(2)光栅倍频器(3)光栅数显表 45.2.2 光栅传感器的结构和工作原理 1.光栅传感器的结构光栅传感器由主光栅和光栅读数头构成，其中光栅读数由光源、指示光栅及光学系统、光电元件等组
5、成。图5.3和图5.4给出了两种光栅传感器的内部结构，主要元件如下。2.莫尔条纹的形成及其特点(1)莫尔条纹的形成(2)莫尔条纹的特点 莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系。莫尔条纹的间距对光栅栅距有放大作用。(3)莫尔条纹测量位移的原理 55.2.3 光栅传感器的信号处理技术光栅传感器实现了位移量由非电量光栅传感器实现了位移量由非电量到电量的转换，但为了辨别位移的到电量的转换，但为了辨别位移的方向，提高测量精度，以及实现数方向，提高测量精度，以及实现数字显示等要求，必须把传感器的输字显示等要求，必须把传感器的输出信号送入数显表做进一步处理。出信号送入数显表做进一步
6、处理。1.辨向原理由于位移量是有方向性的，因此希望当物体正向移动时，将得到的脉冲数累加；反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数。为了实现这一设想，在相距1/4B的位置上设置两个光栅元件1和2。2.细分技术所谓细分技术，就是在莫尔条纹变化一周期时，不只是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以提高分辨率。65.3 脉冲发生器5.3.1 概述脉冲发生器又称角度数字编码器或码盘，具有精度高、结构紧凑、工作可靠等优点，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件。脉冲发生器有两种类型：增量式和绝对式。增量式脉冲发生器需要一个计数系统和一个辨向系统：旋转的码盘通过敏感元件给出一系
7、列脉冲；在计数中对每个基数进行加或减，从而记录了旋转的方向和角位移。绝对式脉冲发生器不需要基数，它在任意位置都能给出一个对应于固定点的数字码输出。脉冲发生器的敏感元件可以是非接触式的(如光电式和电磁式)，也可以是接触式的。75.3.2 增量式脉冲发生器增量式脉冲发生器的结构最为简单，增量式脉冲发生器的结构最为简单，应用也很广泛。直接使用增量式角应用也很广泛。直接使用增量式角度脉冲发生器进行测量，其转换精度脉冲发生器进行测量，其转换精度并不高；通常可采用电子细分来度并不高；通常可采用电子细分来提高它的分辨率。提高它的分辨率。增量式脉冲发生器的结构简图如图增量式脉冲发生器的结构简图如图5.9所示。
8、所示。在一个码盘的边缘上开有相等角度在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙的缝隙(或小孔或小孔)，在码盘两边分别，在码盘两边分别安装光源及光敏元件，当码盘随工安装光源及光敏元件，当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化，经整就产生一次光线的明暗变化，经整形放大，便可得到一定幅值和功率形放大，便可得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，其脉冲数就等的电脉冲输出信号，其脉冲数就等于转过的缝隙于转过的缝隙(或小孔或小孔)数。如果将数。如果将上述脉冲信号送到计数器中计数，上述脉冲信号送到计数器中计数，从测得的脉冲数就能知道码盘转过从测得的脉冲数就能知道码
9、盘转过的角度。的角度。85.3.3 绝对脉冲发生器1.接触式码盘接触式码盘的特点是敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检出码盘的位置。接触式脉冲发生器的码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆，码道的数目根据分辨率来决定。同心圆的径向距离就是码道宽。2.光电式和电磁式脉冲发生器光电式脉冲发生器是目前用得较多的一种非接触绝对脉冲发生器，码盘由透明区和不透明区按一定编码规律构成。3.绝对式脉冲发生器的选用绝对式脉冲发生器的分辨率取决于码道的多少，目前已能生产出有21条码道的脉冲发生器，其绝对位置分辨率优于1.3，对于光电脉冲发生器还可使用电子细分技术，获得23条码道，分辨率达0.15。95.4 感应同
10、步器感应同步器可测量直线位移和角位移，并能转感应同步器可测量直线位移和角位移，并能转换成数字显示。根据测量对象的不同，它可以换成数字显示。根据测量对象的不同，它可以分为直线感应同步器和圆感应同步器。感应同分为直线感应同步器和圆感应同步器。感应同步器对环境要求低，抗干扰能力强，维护简单，步器对环境要求低，抗干扰能力强，维护简单，寿命较长，售价低廉，同时具有一定精度，所寿命较长，售价低廉，同时具有一定精度，所以应用较广。以应用较广。105.4.1 感应同步器的结构、分类和选用1.感应同步器的结构直线感应同步器的绕组结构如图5.12所示。2.感应同步器的分类根据不同的运行方式、精度要求、测量范围以及
11、安装条件等，直线式感应同步器可有标准型、窄型、带型以及三重型等不同的尺寸、形状和种类。115.4.2 感应同步器的工作原理和信号处理方式1.工作原理各种感应同步器的基本工作原理是一样的，都是基于电磁感应现象。当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，将产生同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦合，感应出同频率的交变电动势(图5.13)。图5.14中表示了感应电动势与绕组位置的关系。2.感应同步器的信号处理根据工作要求和精度的不同，感应同步器的信号处理有鉴相型、鉴幅型、幅/相型等方式。125.4.3 感应同步器数字位置测量系统感应同步器作为测量元件，可以用感应同步器作为测量元件，可以用鉴相或鉴幅
12、方式将直线位移或角位鉴相或鉴幅方式将直线位移或角位移转换为电模拟量，若再对该模拟移转换为电模拟量，若再对该模拟量进行测定或处理，以数字信号的量进行测定或处理，以数字信号的形式输出测量结果，就可以构成完形式输出测量结果，就可以构成完整的数字位置测量系统。该系统的整的数字位置测量系统。该系统的功能部件有感应同步器、放大器、功能部件有感应同步器、放大器、逻辑控制电路和函数电压发生器，逻辑控制电路和函数电压发生器，此外还有显示计数器、电源以及振此外还有显示计数器、电源以及振荡器等辅助部件。荡器等辅助部件。图图5.15是采用鉴幅工作原理的增量是采用鉴幅工作原理的增量型数字位置测量系统的框图。型数字位置测
13、量系统的框图。显示计数器所计脉冲数和显示值即显示计数器所计脉冲数和显示值即为输入的位移增量，故这种系统称为输入的位移增量，故这种系统称为增量型测量系统。当上述系统中为增量型测量系统。当上述系统中的位模变换器为感应同步器时，便的位模变换器为感应同步器时，便构成了感应同步器的数字测量系统，构成了感应同步器的数字测量系统，其原理框图如图其原理框图如图5.16所示。所示。135.5 其他位置检测元件5.5.1 旋转变压器1.旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理旋转变压器常用于数控机床中角位移的检测，具有结构简单、牢固，对工作环境要求不高，信号输出幅度大，以及抗干扰能力强等优点。但普通的旋转变压器测
14、量精度较低，为角分数量级，使用范围受到一定限制。一般用于精度要求不高或大型机床的较低精度及中等精度的测量系统。旋转变压器是根据互感原理工作的，见图5.17。2.信号处理方式信号处理方式旋转变压器构成角位移测量系统时，其信号处理方式与感应同步器类似，也分为鉴幅型和鉴相型两种。145.5.2 磁栅磁栅是测量直线位移的一种数字式磁栅是测量直线位移的一种数字式传感器，加工工艺比较简单，需要传感器，加工工艺比较简单，需要时还可将原来的磁化信号抹去，重时还可将原来的磁化信号抹去，重新录制，或安装在机床上后再录制新录制，或安装在机床上后再录制磁化信号。这对消除安装误差和机磁化信号。这对消除安装误差和机床本身
15、的几何误差，以及提高测量床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。目前可以做精度都是十分有利的。目前可以做到系统精度到系统精度0.01mm，分辨率，分辨率5m。磁栅传感器由磁尺、磁头和检测电磁栅传感器由磁尺、磁头和检测电路组成，如图路组成，如图5.18所示。所示。相邻两磁头的输出绕组反向串接，相邻两磁头的输出绕组反向串接，这样得到的总输出是每个磁头输出这样得到的总输出是每个磁头输出信号的叠加。这样不但增大了输出信号的叠加。这样不但增大了输出信号的强度，提高了信噪比，同时信号的强度，提高了信噪比，同时也降低了对节距和波形的精度要求，也降低了对节距和波形的精度要求，因为多个磁头串联使用有误
16、差平均因为多个磁头串联使用有误差平均作用。这种磁头的原理如图作用。这种磁头的原理如图5.20所所示。示。155.5.2 磁栅磁栅检测电路包括：磁头励磁电路，读取信号磁栅检测电路包括：磁头励磁电路，读取信号的放大、滤波、辨向、细分、显示及控制电路的放大、滤波、辨向、细分、显示及控制电路等几个部分。根据检测方法不同，也有幅值测等几个部分。根据检测方法不同，也有幅值测量和相位测量之分，以相位测量应用较多。量和相位测量之分，以相位测量应用较多。影响磁栅传感器性能的因素主要有以下几个方影响磁栅传感器性能的因素主要有以下几个方面。面。磁尺磁性涂层的均匀程度和磁信号录制的均匀性；磁头和磁心的剩磁效应；对外磁
17、场干扰的敏感性；磁尺上磁信号的尺寸误差和磁头的间距误差；励磁绕组的影响。165.6 习 题(1)名词解释：名词解释：光栅数显表莫尔条纹电子细分光栅读数头脉冲发生器辨向接触式码盘循环码(2)莫尔条纹有何特点？莫尔条纹有何特点？(3)简述莫尔条纹测量位移的工作原理。简述莫尔条纹测量位移的工作原理。(4)光栅传感器在数控机床的实际应用中有哪些优点和缺点？光栅传感器在数控机床的实际应用中有哪些优点和缺点？(5)使用使用2048线线/转的脉冲发生器测量电动机转速，若脉冲发生器最高转速转的脉冲发生器测量电动机转速，若脉冲发生器最高转速允许的机械转速为允许的机械转速为5000r/min，求其脉冲宽度是多少？
18、，求其脉冲宽度是多少？(6)为提高绝对式脉冲发生器的精度，降低制作要求，常采用哪几种方法为提高绝对式脉冲发生器的精度，降低制作要求，常采用哪几种方法？加以简要说明。？加以简要说明。(7)简述感应同步器的工作原理。简述感应同步器的工作原理。(8)叙述感应同步器的鉴相型和鉴幅型的信号处理方式的原理。叙述感应同步器的鉴相型和鉴幅型的信号处理方式的原理。(9)感应同步器接长时应注意哪些问题？感应同步器接长时应注意哪些问题？(10)感应同步器数字测量系统由哪几部分组成？简述其工作原理。感应同步器数字测量系统由哪几部分组成？简述其工作原理。175.6 习 题(11)接触式码盘的码道数为接触式码盘的码道数为
19、18，那么测量每周的分辨角度，那么测量每周的分辨角度是多少？是多少？(12)简述磁栅的组成和工作原理。简述磁栅的组成和工作原理。(13)磁栅传感器中为什么采用静态磁头？其结构如何？磁栅传感器中为什么采用静态磁头？其结构如何？(14)磁栅传感器多间隙磁头的作用是什么？简述其工作原磁栅传感器多间隙磁头的作用是什么？简述其工作原理。理。(15)举例说明何谓增量式数字传感器？何谓绝对式数字传举例说明何谓增量式数字传感器？何谓绝对式数字传感器？感器？(16)增量式脉冲发生器与绝对式脉冲发生器是测量什么机增量式脉冲发生器与绝对式脉冲发生器是测量什么机械量的？各有什么优缺点？械量的？各有什么优缺点？(17)试比较圆光栅与增量式脉冲发生器有什么异同？试比较圆光栅与增量式脉冲发生器有什么异同？(18)在绝对式脉冲发生器中码盘采用循环码盘，为什么可在绝对式脉冲发生器中码盘采用循环码盘，为什么可以在一定程度上降低制作要求，减少出错的概率？以在一定程度上降低制作要求，减少出错的概率？(19)数字位置测量系统的主要性能指标有哪些？其含义是数字位置测量系统的主要性能指标有哪些？其含义是什么？什么？(20)结合旋转变压器的典型性能指标和工作原理，分析其结合旋转变压器的典型性能指标和工作原理，分析其优缺点及使用场合。优缺点及使用场合。18