数控机床检测装置.pptx

一 开环系统、半闭环系统、闭环系统1 开环系统步距角：对应每一个指令脉冲，步进电机转过的角度。脉冲当量：对应每一个指令脉冲工作台移动的距离。那么，工作台相对刀具移动距离=脉冲当量*指令脉冲数具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，没有位置测量装置，开环系统的加工精度不高。第第2页页/共共52页页第1页/共52页一 开环系统、半闭环系统、闭环系统2 半闭环系统半闭环系统的检测装置安装到驱动装置(常用伺服电机)或丝杠的尾部。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。伺服电机到工作台之间传动装置这块的误差没有得到补偿，因此半闭环系统的精度不如闭环系统的高。它的优点是结构简单，造价低，安装、调试与维修都很方便，精度也较高。第第3页页/共共52页页第2页/共52页一 开环系统、半闭环系统、闭环系统3 闭环系统闭环系统的检测装置安装到带动刀具或工件移动的部件上，如支撑导轨和移动导轨上，它直接检测的是刀具相对于工件移动的距离，因此它的加工精度较高。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。第第4页页/共共52页页第3页/共52页二 数控机床对检测装置的要求(1)满足数控机床的精度和速度要求 从精度上讲某些数控机床的定位精度已达到0.0015mm300m一般数控机床精度要求在 0.0020.01mmm之间测量系统的分辨率在0.0010.0001mm之间从速度上讲进给速度已从1030mmin提高到60120mmin主轴转速也达到10000rmin，有些高达100000r/min因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。第第5页页/共共52页页第4页/共52页二 数控机床对检测装置的要求(2)工作可靠 有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对测量结果的影响要小。(3)便于安装和维护 测量装置有一定的安装精度要求，安装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。第第6页页/共共52页页第5页/共52页三 检测装置的常用类型分分类类光电式光电式电磁式电磁式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式回回转转式式光电编码器光电编码器 圆光栅圆光栅编码盘编码盘旋转变压器旋转变压器 圆盘感应同步器圆盘感应同步器多极旋转变压器多极旋转变压器 三速圆感应同步器三速圆感应同步器直直线线式式计量光栅计量光栅编码尺编码尺多通道透射光栅多通道透射光栅直线感应同步器直线感应同步器三速感应同步器三速感应同步器表表4-1 常用测量装置类型常用测量装置类型第第7页页/共共52页页第6页/共52页三 检测装置的常用类型（1）增量式原理：被测物体每移动一个测量单位，测量装置发出一个脉冲信号，对脉冲计数并处理就可得到一个位移的增量值。任何一个对中点都可作为测量的起点。优点：检测装置结构简单，能做到较高精度缺点：u由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向u一旦计数有误，此后结果全错u若发生故障(如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置第第8页页/共共52页页第7页/共52页三 检测装置的常用类型（2）绝对式原理：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优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高第第9页页/共共52页页第8页/共52页第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘第第10页页/共共52页页第9页/共52页一 增量式编码器1 2 3 4 57 6第第11页页/共共52页页第10页/共52页一 增量式光电编码器1 工作原理 增量式光电编码器工作原理图增量式光电编码器工作原理图第第12页页/共共52页页第11页/共52页一 增量式光电编码器图图6-3 光电输出波形和信号处理线路的方块图光电输出波形和信号处理线路的方块图第第13页页/共共52页页第12页/共52页一 增量式光电编码器2 位置和转速测量（1）位置测量第第14页页/共共52页页第13页/共52页增量式编码器转角测量电路原理图第第15页页/共共52页页第14页/共52页一 增量式光电编码器（2）转速测量脉冲频率法：在给定时间t内，对编码器的脉冲进行计数，得一数值N1，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，则转速 n=（N1/N）*（60/t）r/min第第16页页/共共52页页第15页/共52页一 增量式光电编码器脉冲周期法：在编码器一个脉冲间隔内，对通过的标准时钟脉冲进行计数，得一数值N2，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，T为标准时钟脉冲周期，则转速 n=60/（2 N2N T）r/min第第17页页/共共52页页第16页/共52页二 编码盘测量装置码盘角分辨率=360/2nC4C3C2C1二进制码盘葛莱码盘第第18页页/共共52页页第17页/共52页二 编码盘测量装置工作原理：黑的部分为导电部分表示1，白的部分为绝缘部分表示0，四个码道都装有电刷，最里一圈是公共极。由于四个码道产生四位二进制数，码盘每转一周产生00001111十六个二进制数，编码代表实际角位移，知道了编码就知道了角位移。图图6-7 接触式码盘结构及工作原理接触式码盘结构及工作原理第第19页页/共共52页页第18页/共52页第三节 光栅测量装置按光路分反射光栅和透射光栅反射光栅：u优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合u缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过多，常用的有4、10、25、40、50线/mm透射光栅：u优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大，信噪比好，光电转换器结构简单，如线性密度200线/mmu缺点：玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度，测量长度在2m以内 第第20页页/共共52页页第19页/共52页第三节 光栅测量装置按其结构形式分为长光栅和圆光栅长光栅：测量直线位移 圆光栅：测量角位移按线纹密度分粗光栅和细光栅第第21页页/共共52页页第20页/共52页一 光栅测量的工作原理光栅测量光栅测量1-标尺光栅标尺光栅 2-指示光栅指示光栅3-光电接收器光电接收器 4-光源光源莫尔条纹示意图莫尔条纹示意图 W P/第第22页页/共共52页页第21页/共52页第第23页页/共共52页页第22页/共52页二 光栅测量装置的数字变换线路图图6-10 光栅测量系统简图光栅测量系统简图第第24页页/共共52页页第23页/共52页二 光栅测量装置的数字变换线路 原理框图原理框图 波形图波形图 图图6-11 光栅信号光栅信号4倍频电路倍频电路第第25页页/共共52页页第24页/共52页三 读数头把光源、光栅、光电元件组合在一起，称为读数头按光路分为分光式、直射式、反射式 图图6-12 读数头读数头a）分光式）分光式 b）直射式）直射式 c）反光式）反光式第第26页页/共共52页页第25页/共52页四 等倍透镜系统两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。图图6-13 等倍透镜系统等倍透镜系统第第27页页/共共52页页第26页/共52页第四节 磁尺测量装置磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。第第28页页/共共52页页第27页/共52页一 工作原理磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层很薄的磁膜(导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻度，磁化信号的节距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等第第29页页/共共52页页第28页/共52页二 磁头1 读取磁头磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机图图4-15 速度响应型磁头速度响应型磁头第第30页页/共共52页页第29页/共52页二 磁头磁通响应型磁头：根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。图图4-15 磁通响应型磁头磁通响应型磁头 第第31页页/共共52页页第30页/共52页二 磁头励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小，磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期变化，输出绕组输出电压信号为E0输出电压幅值，磁化节距，0激磁频率的2倍频，x位移第第32页页/共共52页页第31页/共52页二 磁头2 多间隙磁通响应型磁头 用一个磁通响应型磁头读取磁栅的磁化信号，输出信号往往很微弱，且由于磁膜的非线性，往往难以实现。可将几个磁头串联起来组成多间隙响应型磁头，以提高输出信号幅度，提高测量分辨率及准确性。第第33页页/共共52页页第32页/共52页三 检测电路鉴幅型检测电路 两组磁头通以同频、同相、同幅值的励磁电流，由于两组磁头的安装位置相差(n+l4)(n为正整数)，因此检波整形后的方波相差90。图图4-17 鉴幅检测电路鉴幅检测电路第第34页页/共共52页页第33页/共52页三 检测电路鉴相型检测电路 两磁头的安装距离相差(n+l4)。两组磁头通以同频、等幅但相位相差4的励磁交流电。两组磁头的输出电压为 e1、e2在求和的线路中相加得第第35页页/共共52页页第34页/共52页第第36页页/共共52页页第35页/共52页三 鉴相检测电路在鉴相电路中，把它和基本方波的相位相比较，若相位不同，则在两方波的上升沿之间插入频率为2MHz的脉冲。两波相位相差越大，插入脉冲越多，两波相位差为零，无插入脉冲，这样就可检测位移量的值。第第37页页/共共52页页第36页/共52页第第38页页/共共52页页第37页/共52页第第39页页/共共52页页第38页/共52页第第40页页/共共52页页第39页/共52页第第41页页/共共52页页第40页/共52页第五节 旋转变压器测量装置第第42页页/共共52页页第41页/共52页一 旋转变压器的结构定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。其特点是结构简单，体积小；缺点是可靠性差，寿命短。第第43页页/共共52页页第42页/共52页一 旋转变压器的结构定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组是通过附加变压器二次绕组间接送出去的。其特点是提高了可靠性及使用寿命。但体积、重量、成本均有增加。第第44页页/共共52页页第43页/共52页二 旋转变压器的组成及工作原理普通变压器的工作原理是在一次绕组加上输入电压，则在二次绕组上输出电压为(n2/n1)U1。旋转变压器原理与之类似，只不过二次侧绕组是旋转的，则其输出电压就会随其转角的变化而变化，因而输出电压的大小是随着转角的变化而变化的。第第45页页/共共52页页第44页/共52页二 旋转变压器的组成及工作原理通常使用正余弦旋转变压器，其定子和转子各有相互垂直的两个绕组。定子绕组接受励磁电压，励磁频率400、500、1000、3000、5000Hz。在两个定子绕组分别施加EA和EB，其中一个转子绕组短接，由于电磁感应，转子中感应电压 E=k EA sin+k EB cos k为旋转变压器电压之比。图图6-19 旋转变压器旋转变压器第第46页页/共共52页页第45页/共52页三 相位工作方式两个定子绕组通以同频、同幅但相位相差/2的交流电压，即则转子绕组上的感应电压为转子输出电压的相位角和转子的转角有严格的对应关系。转子输出电压的相位角和转子的转角有严格的对应关系。第第47页页/共共52页页第46页/共52页四 幅值工作方式两个定子绕组通以同频、同相位但幅值不同的交流电压，即 幅值分别为um cos0和-um sin0则转子绕组上的感应电压为可见转子输出电压的幅值随转子的转角而变化。可见转子输出电压的幅值随转子的转角而变化。第第48页页/共共52页页第47页/共52页第六节 感应同步器测量装置第第49页页/共共52页页第48页/共52页 工作原理及组成感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。图图6-22 直线感应同步器直线感应同步器第第50页页/共共52页页第49页/共52页工作原理及组成定尺感应电压与定尺、滑尺之间相对位置关系第第51页页/共共52页页第50页/共52页第第52页页/共共52页页第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页