第三章数控机床的位置检测装置(新)

第三章数控机床的位置检测装置第一节数控机床中位置检测装置所起的作用与要求第二节数控机床位置检测装置的分类第三节位置检测装置的主要性能指标第四节常用位置检测装置的结构和工作原理3.1位置检测装置的作用与要求位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在第二章中我们知道：在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。第三章数控机床的位置检测装置第三章数控机床的位置检测装置3.1位置检测装置的作用与要求1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。第三章数控机床的位置检测装置3.2位置检测装置的分类数控机床的位置检测装置类型很多，按检测信号的类型可分为数字式和模拟式；按检测量的基准可分为增量式和绝对式；按测量值的性质可分为直接测量和间接测量。对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，应采用不同的检测方式。1）按输出信号的形式分类：数字式:模拟式:将被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲。将被测量以连续变化的物理量来表示（电压相位/电压幅值变化）脉冲编码器、光栅等测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等第三章数控机床的位置检测装置3.2位置检测装置的分类2）按测量基点的类型分类:增量式：绝对式：只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、激光干涉仪等绝对式脉冲编码器、三速式绝对编码器（或称多圈式绝对编码器）等。第三章数控机床的位置检测装置3.2位置检测装置的分类2）按位置检测元件的运动形式分类：回转型:直线型:测量直线位移测量角位移第三章数控机床的位置检测装置3.2位置检测装置的分类3）按位置检测元件的安装位置分类间接测量:直接测量:间接测量是将位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电机轴上，测量其角位移，经过转换以后才能得到执行部件的直线位移。直接测量是将位置检测装置安装在执行部件（即末端件）上，直接测量执行部件末端件的直线位移或角位移。第三章数控机床的位置检测装置3.3位置检测装置的主要性能指标1）精度检测精度是指检测装置在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。直线位移检测精度通常在±0.002～0.02mm/m、角位移检测精度在±0.4″～1″/360°。2）分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1／3～1／10选取（也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度）。直线位移分辨率一般为1μm，高精度系统分辨率可达0.001μm、角位移分辨率可达0.01″/360°第三章数控机床的位置检测装置3.3位置检测装置的主要性能指标3）灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。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。6）零漂与温漂零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。第三章数控机床的位置检测装置3.4常用位置检测装置的结构和工作原理3.4.1旋转变压器第三章数控机床的位置检测装置3.4常用位置检测装置的结构和工作原理3.4.1旋转变压器旋转变压器又称同步分解器，是利用变压器原理实现角位移测量的检测装置。它属于模拟式测量装置，具有输出信号幅值大、抗干扰能力强、结构简单、动作灵敏、性能可靠等特点，同时，对环境条件要求不高，广泛用于半闭环进给伺服驱动系统中。但其信号处理比较复杂。它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号，可用于角位移测量。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。励磁电压接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。第三章数控机床的位置检测装置3.4.1旋转变压器1.分类根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分有刷式和无刷式。有刷式旋转变压器的特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以可靠性差，寿命短。无刷旋转变压器无电刷和滑环，其输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点，因此得到广泛应用。旋转变压器根据变压器的磁极对数不同可分为单极式和多极式。单极式旋转变压器的定子与转子上仅一对磁极，多极式旋转变压定子与转子上有多对磁极，与单极式相比增加了电气转角与机械转角的倍数，用于高精度绝对式检测系统。在数控机床上应用较多的是双极式旋转变压器。第三章数控机床的位置检测装置3.4.1旋转变压器2.旋转变压器的工作原理根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势。输出感应电功势大小与转子位置有关，就是通过测量被测轴的转角来间接测量工作台的位移。第三章数控机床的位置检测装置3.4.1旋转变压器2.旋转变压器的工作原理因此，旋转变压器转子绕组输出电压的幅值是严格地按转子偏转角θ的正弦规律变化的，由此可知，只要测量出旋转变压器转子绕组输出电压的幅值，就能测量出转子偏转角θ。旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。3.4.1旋转变压器旋转变压器可以通过输出电压的相位或输出电压的幅值来反映所测位移量的大小，因此其工作方法有鉴相型方式和鉴幅型方式两种。1）鉴相型方式在旋转变压器的两个定子绕组中，分别通入同幅、同频，但相位差π/2的交流励磁电压U1s和U1c，即：当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的输出电压U2：式中K——电磁耦合系数，k1；θ——输出电压的相位角（即转子的偏转角）。当转子反转时，同样可以得到输出电压U2：由此可见，转子输出电压的相位角ωt+θ和θ间有对应关系。检测出ωt+θ，便能得到θ值（即被测轴角位移）。实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的相位ωt作为基准相位，与转子输出电压U2的相位ωt+θ比较，从而确定θ大小。3.4.1旋转变压器2）鉴幅型方式在旋转变压器的两个定子绕组中，分别通入同相、同频，但幅值分别按正弦和余弦变化的励磁电压U1s和U1c，即:式中：α——励磁电压的相位角。当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的输出电压U2：当转子反转时，输出电压U2：由此可见，若电气角α已知，测出输出电压的幅值kUmcos（α－θ）便能求出θ角（即被测轴的角位移）。实际测量时，不断的修改定子励磁电压的幅值（等效于修改α角），使它跟踪θ变化，使kUmcos（α－θ）=0。当α=θ，转子的感应电压最大。通过计算定子励磁电压的幅值计算出相位角α，从而得出θ的大小。问题由角位移如何计算直线位移？第三章数控机床的位置检测装置3.4.2感应同步器感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感应同步器的测量精度可达1.5μm，测量分辨率可0.05μm，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器的分度装置等。第三章数控机床的位置检测装置3.4.2感应同步器第三章数控机床的位置检测装置3.4.2感应同步器1.直线型感应同步器的结构直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，下图是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.2～0.3mm间隙。标准的感应同步器定尺250mm，尺上有一组感应绕组；滑尺长100mm，感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长度比定尺长，怎样解决呢？第三章数控机床的位置检测装置3.4.2感应同步器1.直线型感应同步器的结构尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组Us，一组为余弦励磁绕组Uc。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2mm，用τ表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差1／4节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组在空间位置上相差1／4节距，即π/2相位角。W可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。图定尺绕组感应电动势产生原理显然在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。若励磁电压u＝Umsinωt则定尺绕组产生的感应电势ee＝kUmcosθcosωt式中Um—励磁电压幅值(V)；ω—励磁电压角频率(rad/s)；k—比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关；θ—滑尺相对定尺在空间的相位角。在一个节距W内，位移x与θ的关系应为θ＝2πx/W感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。例：感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°，节距W=2mm，由θ=2πx/W，则X=0.01mm感应同步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工作方式：鉴相式和鉴幅式。鉴相式：在该工作方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通上幅值、频率相同，而相位角相差π/2的交流电压：Us=UmsinωtUc=Umcosωt激磁信号将在空间产生一个以ω为频率移动的电磁波。磁场切割定尺导线，并在其中感应出电动势，该电动势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差θ。根据滑尺在定尺上的感应电压关系，分别在定尺绕组上得到感应电势为：es＝kUmcosθcosωtec＝－kUmcos(θ＋π/2)sinωt＝kUmsinθsinωt根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为e＝es＋ec＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt＝kUmcos(ωt－θ)＝kUmcos(ωt－2πx/W)根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。鉴幅方式：根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即us＝Umsinθdsinωtuc＝Umcosθdsinωt式中θd—励磁电压的给定相位角分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为：es＝kUmsinθdcosθcosωtec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosθdsinθcosωt根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为e＝es＋ec＝kUm(sinθdcosθ－cosθdsinθ)cos