第五章数控检测装置

1第五章数控检测装置5.1概述组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成。作用：闭环数控系统为反馈控制的随动系统，它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和定位精度主要取决于检测装置的精度。传感器能分辨出的最小测量值称为分辨率。分辨率不仅取决于传感器本身，也取决于测量线路。5.1.1检测装置的分类表5．1数控机床检测装置分类分类增量式绝对式位移传感器回转型——脉冲编码器、自整角机、旋转变压器、圆感应同步器、光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅多极旋转变压器、绝对脉冲编码器绝对值式光栅、三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器直线型——直线应同步器、光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪霍耳位置传感器三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器速度传感器交、直流测速发电机、数字脉编码式速度传感器、霍耳速度传感器速度—角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、磁敏式速度传感器电流传感器霍耳电流传感器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—直接测量和间接测量。按测量方法—增量型和绝对型。按检测信号的类型—模拟式和数字式。2根据运动型式—回转型和直线型。按信号转换的原理—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。5.1.2数控测量装置的性能指标及要求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。要满足高精度和高速实时测量要求。2.分辨率：分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。3.灵敏度：灵敏度高、一致。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。要求迟滞小。5.测量范围和量程：满足要求，留有余地。6.零漂与温漂：随时间、温度变化要小。其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。5.2旋转变压器旋转变压器是一种控制用的微电动机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号。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。定子绕组为变压器的一次侧，转子绕组为变压器的二次侧。励磁电压接到定子绕组上，其频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。旋转变压器结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，但测量精度较低，一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。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。分类：有电刷集电环结构和无刷结构。每一类又分为单对极元件、多对极元件（或称多极元件）。工作原理：旋转变压器的工作原理和普通变压器的基本相似，区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数；而旋转变压器的一次、二次绕组之间是随着转子的角位移发生相对位置变化的，因而其输出电压的大小也随之而变化。也就是说当定子绕组加上交流电压时，转子绕组输出电压的大小取决于定子3与转子两个绕组磁轴线在空间的相对位置。转子绕组电压的频率与定子绕组的相同，但幅值随转子与定子的相对角位移的正弦函数而变化。所以只要测出转子的输出电压的幅值，就可求出转子相对定子的角位移。当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，θ=0，不产生感应电压；当两磁轴平行时，θ=90°，感应电压最大；当两磁轴为任意角度时，感应电压为：U2=KU1sinθ=KUmsinωtsinθ式中：K——变压比(转子绕组与定子绕组的匝数比)，U1——励磁电压，Um——励磁电压的幅值，ω——励磁电压的角频率。5.2.2旋转变压器的应用旋转变压器的工作方式1.鉴相工作方式该方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的相位确定被测角位移θ，即给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位差为90°的励磁电压，这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压是叠加在一起的。因而转子中的感应电压为两个电压的代数和，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的转角。4Vs=VmsinωtVc=VmcosωtE2=KVmcosα-KVcsinα=KVm(sinωtcosα-cosωtsinα)=KVmsin(ωt-α)⑵鉴幅工作方式该方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的幅值确定被测角位移θ，即给定子的两个绕组分别通以同相、同频但幅值不同的交流励磁电压，转子输出电压的幅值随转子的偏转角θ而变化，测量出幅值即可求得转子转角值。Vs=Vmsinα电sinωtVc=Vmcosα电sinωtE2=KVmcosα机-KVcsinα机=KVmsinωt(sinα电cosα机-cos电sinα机=KVmsin(α电-α机)sinωt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，只要测出E2幅值(利用E2=0)，便可间接的求出机械角α机，从而得出被测角位移。(第一讲)5.3感应同步器(第二讲)感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角变为电信号，借以进行位置检测的反馈控制，在数控机床上使用极为普遍。按其用途可分为两大类：直线感应同步器和圆感应同步器。前者用于直线位移的测量，后者用于转角的测量。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尺。5.3.1感应同步器的结构和类型5感应同步器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。它的极对数可以做得很多，一般取360对极、720对极，最多的达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。1.圆感应同步器它由定子和转子组成。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°电相角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来。2.直线式感应同步器考虑到接长和安装，通常定尺绕组做成连续式单相绕组。滑尺上配置断续绕组，并且分为正弦励磁绕组和余弦励磁绕组，这两个绕组在空间上错开90°电相角。5.3.2感应同步器的工作原理当滑尺上励磁绕组和定尺上的绕组位置重合时，耦合磁通最大，感应电动势也最大。当继续平行移动滑尺时，感应电动势逐渐减小，当移动到1/4节距位置处，在感应绕组内的感应电动势为零。继续移动到半个节距处，可得到与初始位置极性相反的最大感应电动势。6在3/4节距处，感应电动势又变为零。移动到下一个节距时，又回到与初始位置完全相同的耦合状态，感应电动势最大。这样，感应电动势随滑尺相对于定尺的移动而呈周期性变化。5.3.3感应同步器的应用(1)鉴相型系统当在正弦绕组加励磁电压Us=Umsinωt，它在定尺绕组中产生的感应电动势为：Uos=KUscosθ=KUmsinωtcosθ式中K——耦合系数，θ——与位移X对应的角度，定、滑尺相对移动一个节距P=2τ，从0变到2π，即θ=2Xπ/P=πx/τ同理，在余弦绕组加励磁电压Uc=Umcosωt，它在定尺绕组中产生的感应电动势为：Uoc=KUccos（θ+π/2）=-KUmcosωtsinθ应用迭加原理，定尺上的感应电动势为：Uo=Uos+Uoc=KUmsin（ωt-θ）下张片子中上面这张图是鉴相检测系统方框图；下面这张图是脉冲——相位变换器方框图。72.鉴幅式系统鉴幅式伺服系统原理框图进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号比较器数模转换放大环节速度单元工作台测量及信号处理电路伺服电机进给指令8进入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。感应同步器的使用特点⑴精度高由于感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采用专门的工艺方法制作精确。再加上它的极对数多，定尺上的感应电压信号是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所以测量精度高。目前直线感应同步器的精度可达±0.001mm,重复精度0.0002mm,灵敏度0.00005m。直径为302mm的感应同步器的精度可达0.5″,重复精度0.1″，灵敏度0.05″。⑵可拼接成各种需要的长度根据测量长度的要求，采用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整，使拼接后总长度的精度保持（或略低于）单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式有两种：当定尺少于10块时，将各绕组串联连接，当多于10块时，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联，以不使定尺绕组阻抗过高为原则。⑶对环境的适应性强直线式感应同步器金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。感应同步9器为非接触式电磁耦合器件，可选耐温性能好的非导磁性材料作保护层，加强了其抗温防湿的能力，同时在绕组的每个周期内，任何时候都可以给出与绝对位置相对应的单值电压信号，不受环境干扰的影响。⑷使用寿命长由于感应同步器定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必须用钢带或折罩覆盖，以免切屑划伤滑尺与定尺的绕组。⑸注意安装间隙感应同步器安装时要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在（0.02～0.25）mm±0.05mm以内，滑尺在移动过程中，由于晃动所引起的间隙变化也必须控制在0.01mm之内。如果间隙过大，必将影响测量信号的灵敏度。5.4直线光栅光栅用于光谱分析和光波波长的测定，是测量数控机床工作台位移的光电检测元件。光栅分为物理光栅和计量光栅。物理光栅——刻线细密，用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅——比较而言刻线较粗，但栅距也较小，在0.004～0.25mm之间，测量的位置精度非常高，分辨率也很高，达0.1μm，主要用在数字检测系统。光栅传感器为动态测量元件，按运动方式分为长光栅和圆光栅：长光栅用来测量直线位移；圆光栅用来测量角度位移。根据光线在光栅中的运动路径分为透射光栅和反射光栅。一般光栅传感器都是做成增量式的，也可以做成绝对值式的。目前光栅传感器应用在高精度数控机床的伺服系统中，其精度仅次于激光式测量。在加工中心等高精度数控机床上应用较广。5.4.1长光栅检测装置的结构1．长光栅检测装置的结构光栅是由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光敏元件等构成。主光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固定部件上，两者10相对移动，相互平行，它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。主光栅和指示光栅的刻线错开一定的角度，以得到莫尔条纹。主光栅和指示光栅通称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃片或长条形金属镜面上光刻出均匀密集的线纹。光栅的线纹相互平行，线纹之间的距离称为栅距。对于圆光栅，这些线纹是圆心角相等的向心条纹。两条向心纹线之间的夹角称为栅距角。栅距和栅距角是光栅的重要参数。对于长光栅，金属反射光栅的线纹密度为25～50/mm；玻璃透射光栅为100～250/mm。对于圆光栅，一周内刻有10800条线纹（圆光栅直径为φ270mm，360进制）。图5.9光栅的结构图5.10光栅读数头1-防护垫2-光栅读