第十一讲 感应同步器

传感器及检测技术传感器及检测技术传感器及检测技术传感器及检测技术湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器主要内容数控检测装置概述数控检测装置概述数控检测装置概述数控检测装置概述1111感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器2222①①①①结构和类型结构和类型结构和类型结构和类型②②②②工作原理及检测电路工作原理及检测电路工作原理及检测电路工作原理及检测电路③③③③应用应用应用应用一、检测装置的组成、作用及要求1111、组成：检测元件（传感器）和信号处理装置2222、作用：�实时测量执行部件的位移和速度信号，�将信号变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件实时位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。3333、要求在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求6.1数控检测装置概述（一）被测物理量：位移、速度和电流（二）安装位置及耦合方式：直接测量和间接测量1. 直接测量直接测量：将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成位置闭环控制。�优点：准确性高、可靠性好�缺点：测量装置要和工作台行程等长，在大型数控机床上受到一定限制。二、检测装置的分类2.间接测量间接测量：将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。�优点：测量方便、无长度限制。�缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，影响测量精度。例：位置传感器有直线式和旋转式两大类。�若用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。�若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。间接测量示例间接测量示例间接测量示例间接测量示例工作台丝杠编码器步进电机直接测量示例直接测量示例直接测量示例直接测量示例光栅（三）测量方法：增量式测量、绝对式测量增量式：只测量位移量。绝对式：对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。（四）检测信号：数字式测量、模拟量测量数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。测量信号为电脉冲，可以直接送入数控装置进行比较、处理。模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm2mm2mm2mm）内的信号相位变化等。（五）运动形式：旋转型、直线型（六）信号转换的原理：光电效应、光栅效应、电磁感应、压电效应、压阻效应、磁阻效应等直线型：用来检测运动部件的直线位移量旋转型：检测回转部件的转动位移量三、位置检测装置常见的位置检测装置常见的位置检测装置常见的位置检测装置常见的位置检测装置位置检测装置直线型旋转型感应同步器光栅磁尺旋转变压器脉冲编码器类型增量式绝对式回转型脉冲编码器旋转变压器圆感应同步器圆光栅圆磁栅多速旋转变压器绝对脉冲编码器三速圆感应同步器直线型直线感应同步器计量光栅磁尺激光干涉仪三速感应同步器绝对值式磁尺四、数控检测装置的性能指标及要求检测装置：安放在伺服驱动系统中。所测物理量是不断变化的，传感器的测量输出必须能准确、快速的跟随反映这些被测量的变化传感器的性能指标：静态特性、动态特性主要如下：1.1.1.1.精度精度：符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求2.2.2.2.分辨率分辨率：所能测量的最小位移量。应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的提高，对提高系统性能指标、提高运行平稳性都很重要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不一致。数控系统的传感器要求迟滞小5.5.5.5.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6.6.6.6.零漂与温漂零漂与温漂：反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化传感器的漂移量是其重要性能标志对检测装置还要求工作可靠，抗干扰性强，使用维护方便，成本低QuestionQuestionQuestionQuestion：1111、数控检测装置的组成及作用是什么？、数控检测装置的组成及作用是什么？、数控检测装置的组成及作用是什么？、数控检测装置的组成及作用是什么？2222、常见的位置检测装置有哪几种类型？、常见的位置检测装置有哪几种类型？、常见的位置检测装置有哪几种类型？、常见的位置检测装置有哪几种类型？3333、数控检测装置的性能指标及要求有哪些？、数控检测装置的性能指标及要求有哪些？、数控检测装置的性能指标及要求有哪些？、数控检测装置的性能指标及要求有哪些？6.26.26.26.2感应同步器6.2.16.2.16.2.16.2.1感应同步器结构与类型感应同步器结构与类型感应同步器结构与类型感应同步器结构与类型�感应同步器::::�20202020世纪60606060年代末发展起来的�应用电磁感应定律把位移量转换成电量�多极结构，在电与磁两方面均能对误差起补偿作用，所以具有很高的精度。利用两个平面形印制绕组的互感随位置不同而变化的原理工作。激磁电压频率一般是1111～20kHz20kHz20kHz20kHz。感应同步器�结构类型：直线式和旋转式�结构组成::::固定和运动两大部分�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。1111．旋转式感应同步器．旋转式感应同步器．旋转式感应同步器．旋转式感应同步器�由定子和转子两部分组成。定子、转子：用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。�定子和转子相对的一面都有导电绕组，绕组用铜箔构成（厚0.05mm0.05mm0.05mm0.05mm）�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（铝箔或铝膜）�转子绕组为连续绕组；�定子上有两相正交绕组（sinsinsinsin绕组和coscoscoscos绕组），做成分段式，两相绕组交差分布，相差90909090相位角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来。2222、直线感应同步器的结构、直线感应同步器的结构、直线感应同步器的结构、直线感应同步器的结构直线感应同步器是直线条形，由基板、绝缘层、绕组和屏蔽层组成。材料：采用与机床热膨胀系数相近的钢板或铸铁制成�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，保持一定间隙。�定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组�定尺、滑尺绕组中相邻两有效导体间的距离分别为节距W2W2W2W2、W1W1W1W1，统称节距，用2222τ表示，常取2mm2mm2mm2mm，节距代表测量周期�绕组节距w2=w1=2(a1+b1),w2=w1=2(a1+b1),w2=w1=2(a1+b1),w2=w1=2(a1+b1),其中a1,b1a1,b1a1,b1a1,b1分别为刀片宽度和间隙，滑尺的节距也可取w1=2ww1=2ww1=2ww1=2w2222/3/3/3/3�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1/41/41/41/4节距。�11111111’’’’为正弦绕组，22222222’’’’为余弦绕组，定尺与滑尺之间的间隙为0.3mm0.3mm0.3mm0.3mm左右。�定尺比滑尺长，其中被全部滑尺绕组所覆盖的尺寸有效导体数称为直线感应同步器的极数。结构组成节距：绕组在长度方向的分布周期滑尺与定尺相对移动时，定尺绕组上的感应电动势与两尺的相对位移成正比正弦绕组余弦绕组根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装条件等，条件等，条件等，条件等，直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、形状和种类。形状和种类。形状和种类。形状和种类。直线感应同步器可分为标准型和窄型两种。窄型直直线感应同步器可分为标准型和窄型两种。窄型直直线感应同步器可分为标准型和窄型两种。窄型直直线感应同步器可分为标准型和窄型两种。窄型直线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是宽线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是宽线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是宽线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是宽度较窄。标准型直线感应同步器精度高，应用广，每根度较窄。标准型直线感应同步器精度高，应用广，每根度较窄。标准型直线感应同步器精度高，应用广，每根度较窄。标准型直线感应同步器精度高，应用广，每根定尺长定尺长定尺长定尺长250mm250mm250mm250mm。如果测量长度超过。如果测量长度超过。如果测量长度超过。如果测量长度超过175mm175mm175mm175mm时，可将几根定时，可将几根定时，可将几根定时，可将几根定尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安装平整，否则极易损坏。装平整，否则极易损坏。装平整，否则极易损坏。装平整，否则极易损坏。6.2.26.2.26.2.26.2.2感应同步器工作原理及测量电路感应同步器工作原理及测量电路感应同步器工作原理及测量电路感应同步器工作原理及测量电路1、感应同步器的工作原理�利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。�滑尺上的绕组：励磁绕组�定尺上的绕组：感应绕组。�滑尺两段感应绕组相对于定尺绕组在空间错开1/41/41/41/4节距�定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上�滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。感应电动势移动距离UUUU0000UUUUSSSSUUUUCCCC定尺滑尺2ττ/2正弦绕组A余弦绕组B�在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。�滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。直线式感应同步器的原理示意图直线式感应同步器的原理示意图直线式感应同步器的原理示意图直线式感应同步器的原理示意图�a点:定尺与滑尺绕组重合，这时感应电压最大；�当滑尺相对于定尺平行移动后，感应电压逐渐减小，在错开1/4节距时，移到图中b点位置，感应电压为零。�再移动至1/2节距处，即图中c点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。�再移至3/4节距，即图中d点位置时，感应电压又变为零，�当移动一个节距位置(e点)，又恢复到初始状态，与a点相同。�在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中abcdeabcdeabcdeabcde。�感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的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。�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)OP)OP)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。总结：感应同步