华科大2011数控技术-- 第6章 位置检测装置

第6章位置检测装置6.1概述6.2旋转变压器6.3感应同步器6.4脉冲编码器6.5光栅测量装置6.6速度传感器6.7位置传感器返回课件首页图6-1CNC系统的组成6.1.1检测概述：位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。6.1概述6.1概述图6-2富士通CNC系统原理图数控机床对位置检测装置的要求工作可靠，抗干扰能力强；满足精度和速度的要求；易于安装，维护方便，适应机床工作环境；成本低。6.1.2检测元件的作用与分类位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：直接测量和间接测量直接测量间接测量数字式测量和模拟式测量数字式测量模拟量测量增量式测量和绝对式测量增量式测量绝对式测量位移检测装置的分类测角测长位移检测装置数字式增量式光电盘圆光栅数码盘绝对式—模拟式增量式同步分解器圆感应同步器磁盘绝对式多极同步分解器同步分解器组件三重式圆感应同步器长光栅多通道透射光栅直线感应同步器磁尺数字式增量式绝对式模拟式增量式绝对式多重式直线感应同步器———本章重点、难点和知识拓展本章重点：用于检测机床运动部件位置、速度的各种检测装置及其工作原理。注意：知识拓展：数控机床常用的位置检测装置有光栅、编码器、感应同步器、旋转变压器及磁栅等。从测量的方式看有直接测量和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测量及数字式测量和模拟式测量。本章难点：每种检测装置使用场合和安装方式。返回第6章目录6.2旋转变压器6.2.1旋转变压器的结构和工作原理6.2.2旋转变压器的应用旋转变压器（又称同步分解器)6.2.1旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器（又称同步分解器)是一种旋转式的小型交流电机，它由定子和转子组成。图6-3所示的是一种无刷旋转变压器的结构图，左边为分解器，右边为变压器。旋转变压器是根据互感原理工作的。图6-3无刷旋转变压器的结构图1—电机轴；2—外壳；3—分解器定子；4—变压器定子绕组；5—变压器转子绕组；6—变压器转子；7—变压器定子；8—分解器转子；9—分解器定子绕组；10—分解器转子绕组旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。是根据互感原理工作的。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。注意：旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置θ角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。式中：K-变压比，即两个绕组匝数比W1/W2；U1-定子的激磁电压；Vm-定子的最大瞬时电压；ω—励磁信号角频率；θ—旋转变压器转角。输出：U2=KU1sinθ=KVmsinωt·sinθ(6-1a)输入：U1=Vmsinωt？？？U2=KVmsinωt(6-1b)图6-4旋转变压器的工作原理图6.2.2旋转变压器的应用实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图6-5所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为：转子输出电压则为：cossin2cs＝cossin2csKVKVV应用旋转变压器作位置检测元件，有两种方法：鉴相型和鉴幅型应用。ΦcΦsΦccosθΦsθθΦssinθΦc图6-5正余弦旋转变压器工作原理正余弦旋转变压器（1）鉴相型应用在此状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90°的正弦交流电压(如图6-5所示)，Us=Vmsinωt（6-2）Uc=Vmcosωt(6-3)这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中(另一绕组短接)感应电动势为U2=Ussinθ+Uccosθ即U2=KVmsinωt·sinθ+KVmcosωt·cosθ=KVmcos(ωt-θ)测量转子绕组输出电压的相位角θ，即可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位移。(2)鉴幅型应用这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即Us=Vmsinθsinωt(6-4)Uc=Vmcosθsinωt(6-5)激磁电压频率为2～4kHz。定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势U2，其大小与转子和定子的相对位置即θm有关，并与激磁的幅值Vmsinθ和Vmcosθ有关，即U2=KVmsin(θ-θm)sinωt(6-6)若θm=θ，则U2=0。从物理概念上理解，θm=θ表示定子绕组合成磁通Φ由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当Φ垂直于转子绕组线圈平面时，即θm=θ±90°时，转子绕组中感应电动势最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子激磁信号的θ(即激磁幅值)，使其跟踪θm的变化。当感应电动势U2的幅值KVmsin(θ-θm)为零时，说明θ角的大小就是被测角位移θm的大小。如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从00到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。(2)鉴幅型应用注意：小结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。旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器是根据互感原理工作的。返回第6章目录6.3感应同步器6.3.1感应同步器的结构6.3.2感应同步器的工作原理6.3.3感应同步器的特点6.3.4感应同步器的应用6.3.1感应同步器的结构感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。图6-6感应同步器的结构图直线感应同步器直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图6-6所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.25-0.05mm间隙。图6-6感应同步器的结构图直线感应同步器感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。图6-6感应同步器的结构图直线感应同步器结构V2定尺滑尺正弦绕组VsVc余弦绕组直线感应同步器结构6.3.2感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理与旋转变压器基本上相同，使用时，在滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相对位置，如图6-7所示。图6-7感应同步器的工作原理图（1）鉴相方式给绕组S和C分别通以幅值相同、频率相同但相位相差90°的交流电压，即Us=Vmsinωt(6-7)Uc=Vmcosωt(6-8)•分别在定尺的绕组上产生感应电压为V1=KVmcosθsinωt(6-9)V2=-KVmsinθcosωt(610)则在定尺绕组上产生合成电压为V=V1+V2V=KVmcosθsinωt-KVmsinθcosωt=KVmsin(ωt-θ)(6-11)若感应同步器的节距为2τ，则滑尺直线位移量x与θ之间的关系为θ=2πx2τ=πxτ(612)可见，在一个节距内θ与x是一一对应的。通过测量定尺感应电压的相位θ，即可测量出定尺相对滑尺的位移x。图6-8鉴相系统的结构框图（2）鉴幅方式则感应到定尺绕组电势为V=-KVmsin(θm-θ)sinωt(6-15a)若θm=θ，则V=0。•给滑尺的正弦绕组S和余弦绕组C分别通以频率相同、相位相同但幅值不同且能由指令角位移θ调节的交流电压，即Us=Vmsinθsinωt(6-13)Uc=Vmcosθsinωt(6-14)图6-9鉴幅系统的结构框图感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系定尺滑A尺B241位C221置D243E2EAV2MN正弦绕组余弦绕组θBDCOP感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系可得设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为式中K—耦合系数；—激磁电压的幅值；ω—激磁电压的角频率；—与位移对应的角度。22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos2mV感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如关系图中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处，配置了余弦绕组。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(图中OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。假定激磁电压的θ与定尺、滑尺的实际相位角θm不一致时，设θm=θ+α，则V=-KVmsinαsinωt(615b)当α很小时，上式可近似表示为V=-(KVmsinωt)α(615c)由上式可知，定尺上感应电势与α成正比，即V随指令给定的位移量x(θ)与工作台实际位移量x1(θm)的差值Δx(α)成正比变化。因此通过测量V的幅值，就可以测定位移量Δx的大小。当工作台位移值未达到指令要求值时，即x1≠x(θm≠θ)时，定尺上感应电压V≠0。该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当工作台移动至x1=x(θm=θ)时，定尺上感应电压V=0，误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压V同时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制工作台的运动方向。注意：6.3.3感应同步器的特点(1)精度高感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。(2)测量长度不受限制当测量长度大于250mm时，可以采用多块尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。(3)对环境的适应性强直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似，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。(4)维护简单、寿命长定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。由于感应同步器具有一系列的优点，所以广泛用于位移检测。感应同步器安装时，要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在(0.25±0.05)mm范围内。间隙变化也必须控制在0.01