第四章-首页制造科学与工程学院

西南科技大学品牌课程数控技术基础主讲教师：马有良联系邮箱：[e-mail]西南科技大学品牌课程第一节概述第二节旋转变压器及测速发电机第三节感应同步器第四节光栅第五节磁栅第六节其它位置检测元件第四章位置检测装置西南科技大学品牌课程第一节概述随着电子技术的发展，数控(NC)系统有了较大的发展，经历了从硬件数控(NC)到计算机数控的阶段。硬件数控系统由固定的功能逻辑电路组成，其适应能力即柔性较差。计算机数控系统的核心是计算机，它由计算机控制系统和伺服驱动系统等部分组成。对计算机数控系统通过修改软件，就可达到不同的控制要求，且硬件功能模块化易于扩展，因此具有较高的柔性。若西南科技大学品牌课程位置检测元件的要求：位置检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，起作用是检测长度、角度、位移，并发出反馈信号，构成闭环（半闭环）控制。位置检测元件的主要作用是检测位移量并将测量的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。实践表明，闭环伺服系统的定位精度和加工精度主要由位置检测元件决定。一般要求测量系统的分辨率或脉冲当量比加工精度高出一个数量级。西南科技大学品牌课程数控机床对位置检测元件的要求如下：1.受温度，湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强；2.在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求；3.维护方便，适机床工作环境；4.成本低；5.易于实现高速的动态测量，处理和自动化。西南科技大学品牌课程位置检测元件的分类：（1）直接测量和间接测量（2）增量式测量和绝对式测量（3）接触式测量和非接触式测量（4）数字式测量和模拟式测量西南科技大学品牌课程第二节旋转变压器及测速发电机1、旋转变压器的结构与特点：旋转变压器又叫同步分解器，它结构简单，对使用环境要求不高，维护方便，信号输出幅值大，抗干扰性强，工作可靠。但是测量精度稍低，一般用于普通精度的测量机构中。旋转变压器是一种控制用的小型交流电机，定子为变压器的原边，转子为变压器的付边，分为有刷和无刷两种。西南科技大学品牌课程2、基本工作原理设加于定子线组的交流激励电压为式中Vm——激励电压副值；ω——激励电压角频率。tVVmsintVVmsin1西南科技大学品牌课程该电压产生一个按正弦规律变化的脉冲磁场，通过电磁偶合，在转子绕组中产生感应电势式中K—电磁偶合系数；θ—转子的转角。当转子转到与定子磁轴平行时（即θ=90），转子中感应电势E最大，这时：当转子线组的磁轴与定子绕组垂直时（即θ=0），转子绕组感应电势为零。tVKEmsinsin1tVKEmsin1西南科技大学品牌课程3、应用情况它在相位伺服系统中可作为相位检测器，此时它可以安装在丝杠上或者和直流电机组装在一起检测转角。旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。西南科技大学品牌课程4、测速发电机测速发电机是一种小型发电机，是一种应用广泛的模拟式测速装置，它将轴上的机械角转速变换为电信号输出。直流测速发电机励磁方式一般为他励，从输出特性可以看出在励磁恒定下，输出电压与机械角转速之间保持着线性关系。直流测速发电机的缺点：（1）电刷与换向器接触电阻是变数，且产生接触压降，造成输出特性一段死区。（2）有纹波。（3）易产生火花，干扰控制线路。西南科技大学品牌课程第三节感应同步器1、结构感应同步器按其结构可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器，它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺（转子）是连续绕组，滑尺（定子）上的绕组是分段绕组，也是正、余弦绕组。定尺安在机床床身上，滑尺则安装在移动部件上，随工作台一起移动，它们之间错开1/4节距（齿距），一个节距为2电角度，节距P=2mm，这样它们错开电角度，安装时重叠，两者平行放置，均匀气隙（0.2－0.3mm）。定尺滑尺余弦绕组正弦绕组VsVcV2西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程2、工作原理利用电磁感应原理，用感应电势的变化来进行位置检测的。有鉴相式、和鉴幅式。鉴相式用定尺的感应电压的相移,来测量滑尺的直线位移X的正比关系。tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm根据叠加原理，定尺上的总感应电压为:西南科技大学品牌课程鉴幅式用定尺的感应电压的幅值来测量滑尺的直线位移X的正比关系。tVVtVVmcmssincossinsinsinsincoscossinsin2tKVtKVVmm则在定尺绕组产生的总感应电压为tKVmsinsin＝以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值.西南科技大学品牌课程3、感应同步器的特点（1）测量精度高（2）工作可靠，抗干扰性强（3）测量长度不受限制根据长度需要任意拼接成250mm（标准定尺长度）的倍数。（4）对环境适应性强；（5）使用寿命长，维护方便；（6）工艺性好，便于复制和成批生产；（7）应注意励磁电压对称性和失真度对精度的影响。西南科技大学品牌课程第四节光栅光栅是利用光的透射、衍射现象进行工作的光学元件。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1μm以上。光栅作为位置检测元件，具有精度高，响应速度快等优点，是一种非接触式测量。直线透射光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。西南科技大学品牌课程1、光栅的种类和特点透射光栅反射光栅透射光栅的特点光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接接受，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器结构简单，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可以做到微米级的分辨率。但其长度做的太长。金属反射光栅的特点金属反射光栅的线膨胀系数很容易做到与机床用的普通钢或铸铁一致，接长方便。西南科技大学品牌课程2、光栅工作原理莫尔条纹：如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度θ，由于光的衍射作用，就会产生明暗交替的干涉条纹。西南科技大学品牌课程光栅测量系统西南科技大学品牌课程莫尔条纹有以下特点：a)信息变换当标尺光栅对应于指示光栅沿着与刻线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹也移动，若光栅移动一个栅距t，莫尔条纹正好移动一个宽度T。若光栅向相反方向移动，条纹也向相反方向移动。b)放大作用莫尔条纹间距T与光栅栅距t及光栅间的夹角θ有如下关系：2sin2tT由于θ很小，上式近似为：tT西南科技大学品牌课程这表明莫尔条纹的间距可以通过角θ的改变来调整。如t=0.01mm，通过减小θ，使T=10mm，则其放大倍数为1000倍。可见利用光的干涉现象，很容易就能把光栅的栅距放大1000倍。c)平均误差效应莫尔条纹是由大量刻线共同形成的,对光栅的刻划的误差有平均作用,因此能在很大程度上消除节距之间所固有的相邻误差的影响。3、细分电路电子细分电路又称倍频电路，常用的是四倍频。采用4个光电元件和4个狭缝，使之每间隔T/4间距产生一个脉冲，分辨率可提高4倍。西南科技大学品牌课程第五节磁栅磁栅是用电磁方法，计算磁波数目的一种位置检测元件。用它作直线和角度位移量的测量，具有高精度，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有较好的稳定性。磁栅位置检测装置是由磁尺、读取磁头和检测电路组成。它利用磁录音原理，将一定波长的矩形波或正玄波的电信号用录磁磁头将磁尺记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准尺。检测时用拾磁磁头将磁尺上的磁信号读出，并通过检测电路将位移量用数字显示出来或转化为控制信号输送给数控机床。西南科技大学品牌课程一、激光检测元件激光位移检测，具有精度高、无接触测量的特点，适用于长行程、高精度的位移检测场合。但其抗环境干扰能力较差，采取措施后，在数控机床及适应控制方面具有广阔应用前景。1、激光的特点a.高单色性b.高方向性c.高亮度d.高相干性第六节其它位置检测元件西南科技大学品牌课程激光器用于精密测量中的激光器通常采用氦氖气体激光管。在细玻管中封入氦氖混合气体，与细玻管相垂直的地方设置有反射率很高的反射镜。被封入玻管的氦氖气体由于受到高频振荡器发出的能量激发或直流放电而发光，在两反射镜构成的谐振腔中引起振荡，沿着轴向发射出相应频率的激光束。2、激光检测原理激光位置检测装置通常由激光管、稳频器、光学干涉部分、光电接收元件、计数器和数字显示器等组成。如图所示西南科技大学品牌课程光电计数器激光发生器MM2M1机床身工作台可动反射镜半透反射镜光束1光束2西南科技大学品牌课程激光管发出的激光射到干涉仪的半反射镜后，被分成两束光。光束2经半反射镜反射到固定在机床床身上的全反射镜，又被反射回来透过半透镜射到光电计数器上。光束1透过半透反射镜射到装在工作台上的可动反射镜，再反射回半透反射镜，也被反射到光电计数器上。由于这两束光的路径不同，有光程差)(212MMMMs西南科技大学品牌课程当光程差ΔS等于激光波长λ的整数倍时，则两束光在光电计数器处相互加强并出现亮点；如果光程差ΔS=N·λ+λ/2,则亮束光相互抵消，在光电计数器处出现暗点。因此，每当工作台移动半个激光波长时，光电计数器将收到一个脉冲信号，根据计数器所计脉冲数n即可测出工作台的位移L=1/2·n·λ。西南科技大学品牌课程二、光电盘（光电脉冲发生器）光电盘是一种光电式转角测量元件。光电盘可由玻璃或金属圆盘制成，在其圆周上均匀分成相等的透明和不透明部分。当光电盘与工作轴一起转动时，盘后放置的光电元件周期性地受到光照，产生近似的正弦波形，经过放大整行后形成脉冲通过门电路送到计数器，根据脉冲的数目或频率可测出工作轴的转角及转速。西南科技大学品牌课程增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。iMS＝式中—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。西南科技大学品牌课程西南科技大学品牌课程三、主轴位置编码器主轴位置编码器一般与数控机床主轴直接相连，或通过变速齿轮再与主轴相连。它的工作原理和脉冲编码器相同。主轴位置编码器有以下两个用途：a.用作主轴准停信号b.用作数控机床车削螺纹时的进刀点和退刀点。主编：……撰稿教师：……（以姓氏为序）制作：……责任编辑：……电子编辑：……