数控检测装置

第五章数控检测装置5.1概述数控系统为反馈控制的随动系统，该系统的输出量是机械位移、速度或加速度，利用这些量的反馈实现精确的位移、速度控制目的。数控系统的检测装置（即传感器）起着测量和反馈两个作用，它发出的信号传送给数控装置或专用控制器，构成闭环控制。从一定意义上看，数控机床的加工精度主要取决检测装置的精度。传感器能分辩出的昀小测量值称为分辩率。分辩率不仅取决于传感器本身，也取决于测量线路。因此，研制和选用性能优良的检测装置是非常重要的。5.1.1检测装置的分类数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。根据安装的位置及耦合方式，分为直接测量和间接测量两种；从测量方法来分，分为增量型和绝对型两种；从检测信号的类型分为模拟式和数字式两大类；根据运动型式分为回转型和直线型检测装置；按信号转换的原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等类检测装置。数控机床常用的检测装置见表5.1表5．1数控机床检测装置分类分类增量式绝对式脉冲编码器、自整角机多极旋转变压器回转型旋转变压器、圆感应同步器绝对脉冲编码器绝对值式光栅光栅角度传感器三速圆感应同步器位移传感器圆光栅、圆磁栅磁阻式多极旋转变压器直线应同步器三速感应同步器直线型光栅尺、磁栅尺绝对值磁尺、光电编码尺激光干涉仪霍耳位置传感器磁性编码器交、直流测速发电机速度—角度传感器（Tachsyn）速度传感器数字脉编码式速度传感器数字电磁、磁敏式速度传感器霍耳速度传感器电流传感器霍耳电流传感器5.1.2数控测量装置的性能指标及要求测量装置安放在伺服驱动系统中。测量装置所测量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、快速跟随反映这些被测量的变化。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，数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。2.分辩率分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辩率的提高，对提高系统性能指标、提高运行平稳性都很重要。高分辩率传感器已能满足亚微米和角秒级精度设备的要求。3.灵敏度实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。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。数控伺服系统的传感器要求迟滞小。5.测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。2006.零漂与温漂传感器的漂移量是其重要性能制标，它反映了随时间和温度的变化，传感器测量精度的微小变化。此外，对测量装置还要求工作可靠，抗干扰性强；使用维护方便；成本低等。下面就数控机床上常用检测装置作一介绍。5.2旋转变压器5.2.1旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。旋变分为有电刷、集电环结构和无刷结构两类。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）和多对极元件（或称多极元件）二种。早期旋变在模拟计算机上应用，现在旋转变压器主要用于伺服系统中，作为角度位置的产生和检测的元件。在高精度的双通道、双速系统中已广泛应用无刷多极旋转变压器（如磁阻式多极旋变）。旋转变压器是按照电磁感应原理工作的，有多种工作方式，这里主要介绍在数控伺服系统位置控制方式中的应用。旋转变压器由定子、转子、转轴、轴承、电刷、机壳等组成（见图5.1）。定子和转子的冲片都是由高磁导率的电工钢片组成，上面冲有均匀分布的槽。定、转子的齿槽中都置有正交、互相垂直的两相绕组。转子电信号的输入或输出是通过集电环和电刷实现的。即绕组的端点通过电刷集电环引出。无刷旋转变压器常用的有二种结构：一种是依靠磁路结构的变化使得励磁磁通沿着转子磁极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。图5﹒1旋转变压器结构示意1-转轴2-轴承3-机壳4-转子铁心5-定子铁心6-端盖7-电刷8-集电环12345687旋转变压器一般都采用一种叫做正弦绕组的特殊绕组形式。这种结构保证了定子和转子之间气隙磁通呈正（余）弦规律分布。当定子绕组加上励磁电压（交变电压，频率为2-4KHz），通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势。在单极情况下，如图5．2所示。其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时感应电势昀大，两者垂直时，感应电势为零。感应电势随着转子偏转的角度呈正（余）弦规律变化，即α：αωαcoscoscos12tKVKVEm==（5.1）α=90°E2=0α=0°E2=KVmSINωt式中E2—转子绕组感应电势；V1—定子绕组励磁电压V1=Vmsinωt；Vm—电压信号幅值；α—定、转子绕组轴线间夹角；K—变压比（即绕组匝数比）201V1=VmsinωtV1V1αE2=0（α=90°）E2=KVmcosωtcosαE2=KVmsinωt（α=0°）图5.2旋转变压器的工作原理5.22旋转变压器的应用旋转变压器可以组成用作角度数据测量传输和读出的控制方式、随动控制方式和位置控制方式。数控系统中旋变作为位置检测与反馈元件，工作在位置控制的相位、幅值工作方式。1.鉴相方式在鉴相工作状态下，旋转变压器定子的两相正交绕组（正弦绕组s、余弦绕组c）分别加上幅值相等、频率相同，而相位相差90º的正弦交变电压（见图5.3），即VtVmSωsin=（5．2）VtVmCωcos=（5．3）通过电磁感应，在转子绕组中产生感应电势。转子中的一相绕组作为工作绕组，另一相绕组用来补偿电枢反应。根据线性叠加原理，在转子工作绕组中产生的感应电势为VSαVcE2图5.3定子两相绕组励磁αωsincos2CSKVtKVE−=()()αωαωαω−=−=tKVttKVmmsinsincoscossin（5．4）式中α—定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角；ω—激磁角频率。由上式可见，旋转变压器感应电势E2与定子绕组中的激磁电压为相同频率、相同幅值，但相位不同，其差值为α。若测量转子工作绕组输出电压的相位角α，即可得到转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组激磁交流电压的相位作为基准相位，转子绕组感应输出电压相位与此进行比较，来确定转子转角的位置。2.鉴幅工作方式在这种鉴幅工作方式中，定子的两相绕组加的是相位相同、频率相同、而幅值分别按正弦、余弦变化的交变电压。即202VtVmSωαsinsin电=（5.5）VtVmCωαsincos电=（5.6）式中，电αsinmV、电αcosmV分别为定子两相激磁绕组交变电压信号的幅值，在转子中感应出的电势为机机ααsincos2CSKVKVE−=)sincoscos(sincos机电机电ααααω−=tKVmtKVmωααsin)sin(机电−=（5.7）式中机α—机械角，同5.4式中的α意义相同；电α—电气角，激磁交变电压信号的相位角；Vmsinα电、Vmcosα电—分别为定子两个绕组的幅值。由上式可看出转子感应电势不但与转子和定子的相对位置(α机)有关，还与激磁交变电压信号的幅值有关。感应电势（E2）是以ω为角频率、以Vmsin(α电-α机)为幅值的交变电压信号。若电气角α电已知，那么只要测出E2幅值，便可间接的求出机械角α机，从而得出被测角位移。实际应用中，利用幅值为零（既感应电势等于零）的特殊情况进行测量。由感应电势的幅值表达式知道，幅值为零，也就是α电-α机=0。当α电-α机=±90º时，转子绕组感应电势昀大。鉴幅测量的具体过程是：不断的调整定子激磁信号的电气角α电，使转子感应电势E2为零（即感应信号的幅值为零），跟踪α机的变化，当E2等于零时，说明电气角和机械角相等，这样一来，用α电代替了对α机的测量。α电通过具体电子线路测得。5．3感应同步器5.3.1感应同步器的结构和类型感应同步器（Inductosyn）是一种电磁感应式多极位置传感元件，由旋转变压器演变而来。它的极对数可以做的很多，一般取360、720对极，昀多的达2000对极。由于多极结构，在电与磁两方面对误差都起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同步器的励磁频率一般取2—10kHz。感应同步器按运动方式分为旋转式（圆型感应同步器）和直线式两钟。前者用来传感和测量角度位移信号，后者是传感和测量直线位移信号。在结构上，两者都包括固定和运动两大部分，对旋转式分别称为定子和转子；对直线式分别称为定尺和滑子。1.旋转式感应同步器旋转式感应同步器的的结构如图5.4所示。定子、转子都用不锈1sincos43526a)b)图5.4圆感应同步器图5.5圆感应同步器绕组图1-转子基板2-转子绕阻3-定子绕阻a)定子绕阻（分）段式4-定子基板5-绝缘层6-屏蔽层b)转子绕阻（连续式）钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形幅射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用203铜箔构成（厚0.05mm）。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽层（材料为铝箔或铝膜）。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组（sin绕组和cos绕组），做成分段式，两相绕组交差分布，相差90°电角度。属于同一相的各相绕组用导线串联起来。2.直线式感应同步器直线式感应同步器是直线条形，它同样由基板、绝缘层、绕组及屏蔽层组成。由于直线式感应同步器一般都用在机床上，为使线膨胀系数一致，所以感应同步器基板的材料采用钢板或铸铁。直线式感应同步器的结构如图5.6所示。考虑到接长和安装，通常定尺绕组做成连续式的单相绕组，滑尺绕组做成分段式的两相正交绕组，见图5.7。234定尺滑尺1图5.6直线式感应同步器1－基板2－绝缘3－绕组4－屏蔽层W2a2b2l1W1a1b1Scs′c′a）b）图5.7定尺与滑尺绕组a)定尺绕组b)滑尺绕组ss′为正弦绕组cc′为余弦绕组，定尺与滑尺之间的气隙为0.3mm左右。定尺比滑尺长，其中被全部滑尺绕组所覆盖的定尺有效导体数N称为直线感应同步器的极数。定尺绕组中相邻两有效导体之间的距离称为极距W2，滑尺绕组相邻两有效导体之间的距离为节距W1，一般都通称为节距，用2τ表示，常取为2mm，节距代表了测量周期。绕组节距W2=W1=2（a1+b1），其中a1、b1分别为导片宽度和间隙，滑尺、定的节距也可取W1=2W2/3。正弦与余弦两绕组的中心距l1为l1=（n/2+1/4）W204式中n—任意正整数。直线式感应同步器分为标致型、窄型、带型和三重型。三重型结构是在一根尺上有粗、中、精三种绕组，以便构成绝对坐标系统。5.3.2感应同步器的工作原理如图5.8所示，当滑尺两个绕组中的任一绕组通以励磁交变电压时，由于电磁感应，在205VtKVKVmSωθθοcoscoscos==tVVmS（5.9）式中K为耦合系数。ωsin=tVVmCωcos=V0W0π/2π3π/22π1/4W电势定尺VSVC滑尺01/4W1/2W3/4WW距离Sin绕组cos绕组a)b)图5.8直线感应同步器的工作原理图a)定尺、滑尺绕组原理图b)定尺绕组产生感应电势原理图定尺绕组中会产生感应电势。该感应电势的频率与励磁信号频率相同，大小与定尺、滑尺的相对位置有关。当滑尺绕组与定尺绕组完全重合时，定尺绕组感应电势为正向昀大，如图5.8a）中所示位置；如果滑尺相对定尺从重合处逐渐向右（或左）平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好处于1/4节距的位置时，感应电势为零；滑尺向右移动到1/2节距位置时，感应电势为负向昀大；当到达3/4节距位置时，感应电势又正为向昀大。这时，滑尺移动了一个距节（W=2τ），感应电势变化了一个周期（2π），呈余弦函数，如图5.8b）所示。当设滑尺移动距离为x，则感应电势将以余弦函数变化相位角θ。由比例关系τπθ22x=可得τπθx=（5.8）令VS表示滑尺上一相绕组的励磁电压tVVmSωsin=式中V为V的幅值，则定尺绕组感应电势V为mSο5.3.3感应同步器的应用根据滑尺上两相绕组通入的励磁信号不同，感应同步器也有鉴相式和鉴幅式两种工作方式。采用不同的励磁方式，可对感应输出信号采取不同的处理方式。1.