第2章数控检测装置成教PPT讲稿.ppt

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1、第2章数控检测装置成教2022/9/19第1页，共32页，编辑于2022年，星期一2.1 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的。作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。2022/9/19第2页，共32页，编辑于2022年，星期一 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.

2、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。高精度和高速实时测量。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。迟滞小。5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。2.1.1 对位置检测装置的要求 2022/9/19第3页，共32页，编辑于2022年，星期一2.1.2 检测装置的分类 数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式

3、直接测量和间接测量；直接测量和间接测量；测量方法测量方法 增量型和绝对型增量型和绝对型;检测信号的类型检测信号的类型 模拟式和数字式；模拟式和数字式；运动型式运动型式 回转型和直线型；回转型和直线型；信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、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。压电效应、压阻效应和磁阻效应等。2022/9/19第4页，共32页，编辑于2022年，星期一表表2 21 1 数控机床检测装置分类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

4、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 2022/9/19第5页，共32页，编辑于2022年，星期一2.2 旋转变压器 54318762 图图21 21 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1-1-转轴转轴 2-2-轴承轴承 3-3-机壳机壳 4-4-转子铁心转子

5、铁心 5-5-定子铁心定子铁心 6-6-端盖端盖 7-7-电刷电刷 8-8-集电环集电环 2022/9/19第6页，共32页，编辑于2022年，星期一n旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。n分类：有电刷、集电环结构和无刷结构 单对极元件、多对极元件（或称多极元件）n工作原理：电磁感应 2.2.1 2.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R42022/9/19第7页，共32页，编辑于2022年，星期一 E2=KV 1 cos=KV m sintcos =90 E 2=0 =0 E 2=

6、KV m SINt式中:E 2转子绕组感应电势；V1定子绕组励磁电压 V1=Vmsint；Vm电压信号幅值；定、转子绕组轴线间夹角；K变压比 （即绕组匝数比）2.2.1 2.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 V1=Vmsint V1 V1 E E 2 2=0 0（=90 90）E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2=KVKVm msinsintt（=00）2022/9/19第8页，共32页，编辑于2022年，星期一鉴相方式 Vs=VmsintVc=Vmcost E2=KV m cos-KV csin =KV m(sintcos-

7、costsin)=KV m sin(t-)2.2 2 2.2 2 旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图2.22.2 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转转子子输输出出信信号号的的相相位位角角(t-)与与转转子子的的偏偏转角之间有着严格的对应关系。转角之间有着严格的对应关系。2022/9/19第9页，共32页，编辑于2022年，星期一2.鉴幅方式 Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sint E2=KV m cos机-KV csin机 =KV m sint(sin电cos机-cos电sin机 =KV m sin(电-机)sint 2.2 2 2.2 2 旋转变压器的应用旋转变压器

8、的应用 VSVSVsVcE2 图图2.32.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感感应应电电势势（E2）是是以以为为角角频频率率、以以V Vm m sin(sin(电电 -机机 )为为幅幅值值的的交交变变电电压压信信号号。若若电电气气角角电电已已知知，只只要要测测出出E2 幅幅值值(利利用用E E2 2=0)0)，便便可可间间接接的的求求出出机机械械角角机机 ，从从而而得得出出被被测角位移。测角位移。2022/9/19第10页，共32页，编辑于2022年，星期一2.3 感应同步器n1.感应同步器结构感应同步器结构 sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节

9、距（0.5mm0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺2022/9/19第11页，共32页，编辑于2022年，星期一n 包包括括定定尺尺和和滑滑尺尺，用用制制造造印印刷刷线线路路板板的的腐腐蚀蚀方方法法在在定定尺尺和和滑滑尺尺上上制制成成节节距距T(一一般般为为2mm)的的方方齿齿形形线线圈圈。定定尺尺绕绕组组是是连连续续的的，滑滑尺尺上上分分布布着着两两个个励励磁磁绕绕组组，分分别别称称为为正正弦弦绕绕组组和和余余弦弦绕绕组组。当当正

10、正弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组相相位位相相同同时时，余余弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组错错开开1/4节节距距。滑滑尺尺和和定定尺尺相相对平行安装，其间保持一定间隙（对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。）。2022/9/19第12页，共32页，编辑于2022年，星期一n2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理n 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对

11、位置有关。n 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距为，节距为T，则正弦绕组单独供电时，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为在定尺上感应电势为2022/9/19第13页，共32页，编辑于2022年，星期一n余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为所以定

12、尺上总的感应电势为所以定尺上总的感应电势为所以定尺上总的感应电势为2022/9/19第14页，共32页，编辑于2022年，星期一式中式中：K定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为器的节距为2mm。利用感应电压的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检，从而进行位置检测。测。2022/9/19第15页，共32页，编辑于2022年，星期一n3.测量方法测量方法n 根据对滑

13、尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。2022/9/19第16页，共32页，编辑于2022年，星期一n(1)鉴相式工作法鉴相式工作法n 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差但相位相差90o的两个电压，设的两个电压，设则则 从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位从上式可以看出，只要测得相角，就可以知

14、道滑尺的相对位从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移移移移x x：2022/9/19第17页，共32页，编辑于2022年，星期一2.鉴幅工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：则：则：则：由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。滑尺之间的相对位移。2022/9/19第18页，共32页，编辑于2022年，星期一2.4 光栅 光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的分类

15、：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅2022/9/19第19页，共32页，编辑于2022年，星期一1.长光栅检测装置的结构 2.4.1 2.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 图图2.9 2.9 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅 图图2.10 2.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件

16、光敏元件 5-驱动线路驱动线路 主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）2022/9/19第20页，共32页，编辑于2022年，星期一2.工作原理（以透射投影为例）摩尔条文宽度B的理论公式 莫尔条纹：2.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 d d 放大放大2 2倍倍 VS d d W WW W 严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直2022/9/19第21页，共32页，编辑于2022年，星期一 莫尔条纹的特征：（1）莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律

17、近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。（2）放大作用 莫尔条纹宽度 W 和光栅栅距 d、栅线夹角之间关系：由图可知 W=d sin 又很小可认为 sin 故 W=d/例如 d=0.01,=0.01rad,得W=1mm,放大100（3）均化栅距误差作用 2.4.1 2.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 2022/9/19第22页，共32页，编辑于2022年，星期一 莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分 2.4.2 2.4.2 光栅位移光栅位移-数字变换电路数字变换电路 abcd插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲abcd插动

18、放大插动放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走2022/9/19第23页，共32页，编辑于2022年，星期一2.5 2.5 磁栅磁栅 1.磁栅式位移传感器的结构2.原理3.测量方式2022/9/19第24页，共32页，编辑于2022年，星期一1.磁栅式位移传感器的结构 1磁性膜磁性膜 2 2基体基体 3 3磁尺磁尺 4磁头 5 5铁芯铁芯 6励磁绕励磁绕组组 7 7拾磁绕组拾磁绕组2022/9/19第25页，共32页，编辑于2022年，星期一2.原理：在

19、用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：U0输出电压系数；输出电压系数；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。式中：式中：式中：式中：在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向2022/9/19第26页，共32页，编辑于2022年，星期一3.测量方式(1)鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号 两组磁头相对于磁尺

20、每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。2022/9/19第27页，共32页，编辑于2022年，星期一（2）.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压UU的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置置置置 变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。变化而变。读出输出信号

21、的相位，就可确定磁头的位置。变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为2022/9/19第28页，共32页，编辑于2022年，星期一2.6 光电脉冲编码器 2.6.1 2.6.1 脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器的分类与结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等；1234567图2.14

22、 光电脉冲编码器的结构1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板 2022/9/19第29页，共32页，编辑于2022年，星期一 2.6.2 2.6.2 光电脉冲编码器的工作原理光电脉冲编码器的工作原理 t 节距节距PAB90 90 图2.15光电脉冲编码器的输出波形 2022/9/19第30页，共32页，编辑于2022年，星期一 2.6.3 2.6.3 光光电电脉冲脉冲编码编码器的器的应应用用 A相信号a+B相信号整形整形dbcef-可逆计数&单稳反向abcdefabcdef应用一：适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲 2022/9/19第31页，共32页，编辑于2022年，星期一 2.6.3 2.6.3 光光电电脉冲脉冲编码编码器的器的应应用用 应用二：适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。A1CQA相脉冲B相脉冲整形整形单稳单稳B1D S R12Q3脉冲方向计数有方向端的可逆计数器ABA1B1CD13高电平“1”低电平“0”高电平“1”高电平“1”ABA1B1CD132022/9/19第32页，共32页，编辑于2022年，星期一