数控机床常用检测装置分析优秀PPT.ppt

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1、第第5章章 数控机床常用检测装置数控机床常用检测装置 n5.1 检测装置简介检测装置简介n检测元件的精度主要包括系统精度和系统辨别率两项。检测元件的精度主要包括系统精度和系统辨别率两项。n系系统统精精度度是是指指在在确确定定长长度度或或转转角角范范围围内内测测量量积积累累误误差差的的最最大大值值，目目前前一一般般长长度度位位置置检检测测精精度度均均已已达达到到0.002mm/m以内，回转角测量精度达到以内，回转角测量精度达到10/360；n系系统统辨辨别别率率是是测测量量元元件件所所能能正正确确检检测测的的最最小小位位移移量量，目目前前长长度度位位移移的的辨辨别别率率多多数数为为1m，高高精精

2、度度系系统统辨辨别别率率可可达达0.1m，回转辨别率为，回转辨别率为2。n不不同同类类型型数数控控机机床床对对检检测测装装置置的的精精度度和和运运用用速速度度要要求求是是不不同的。同的。2022/11/215.1 检测装置简介检测装置简介n系统辨别率的提高，对加工精度有确定的影响，但也不宜过小，辨别率的选取通常和脉冲当量的选取方法一样，数值也相同，均按机床加工精度的1/31/10选取。n数控机床对检测装置的主要要求有：n工作牢靠，抗干扰性能强。n运用维护便利，适应机床的工作环境。n满足精度和速度的要求。n易于实现高速的动态测量、处理的自动化。n成本低。2022/11/222022/11/235

3、.2 旋转变压器旋转变压器5.2.1 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（1）旋转变压器的结构）旋转变压器的结构图5-1 旋转变压器a）有刷结构 b）无刷结构5.2.1 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2022/11/245.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用（1）2022/11/255.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用（2）2022/11/265.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用（3）2022/11/275.3 感应同步器感应同步器5.3.1 感感应应同步器的同步器的结结构和种构和种类类n按结构可分为直线感应同步器直线感应同步器和圆

4、形感应同步器圆形感应同步器两种，直线式用于测量直线位移，而圆形感应同步器用于检测角位移。n直线式由定尺和滑尺两部分组成；而圆形感应同步器由定子和转子组成。n感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和次级线圈，它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。2022/11/285.3.1 感应同步器的结构和种类感应同步器的结构和种类2022/11/295.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理(1)n如图5-8所示，滑尺上具有在空间上相差1/4节距的正弦绕组和余弦绕组，且定尺与滑尺节距相同。n当滑尺励磁绕组与定尺感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的作用，感应绕组中的感应电压随位移的变更

5、而呈周期性地变更，感应同步器就是利用这一特点来检测滑尺相对定尺的位置的。2022/11/210图58 直线感应同步器的结构5.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理(2)2022/11/211图图5-9 5-9 感应同步器工作原理感应同步器工作原理n当定尺绕组与滑尺绕组之一相重合时，如图5-9的A点，这时定尺输出的感应电压最大；n当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时，感应电压渐渐减小，到达1/4节距的位置B时，由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中产生的电压方向相反，所以定尺线圈输出电压为零；n假如滑尺接着向C点移动，则滑尺磁场在定尺中产生的电压在负方向上渐渐增大，C点达到最大；n当滑尺再向

6、D点移动时，定尺电压又渐渐变为零。n当移动一个节距，到达E点时，又与A点的状况相同。2022/11/2125.3.4 感应同步器测量系统感应同步器测量系统感应同步器也有：鉴相测量系统和鉴幅测量系统鉴相测量系统和鉴幅测量系统。（1 1）鉴相测量系统）鉴相测量系统n给感应同步器感应同步器滑尺滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同，相位差为90的励磁信号：则滑尺二绕组在定尺定尺绕组中分别产生的感应电动势为：2022/11/2135.3.4 感应同步器测量系统感应同步器测量系统（2）鉴幅测控系统）鉴幅测控系统鉴鉴幅幅工工作作方方式式是是依依据据感感应应输输出出电电压压的的幅幅值值变变更更来来检检测

7、测位位移移的的。在在这这种种工工作作方方式式下下，滑滑尺尺的的两两个个正正余余弦弦绕绕组组分分别别供供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压，即以频率和相位相同，幅值不同正弦电压，即 2022/11/2145.4 光栅光栅 n光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成，有物理光栅和计量光栅。n物理光栅两刻线之间距离在0.002-0.005 mm之间，常用于光谱分析和光波波长的测定；n计量光栅栅距在0.004-0.025mm之间，常用于高精度位移的检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置n5.4.1 计量光栅的种类n依据不同的分类方法，计量光栅可分为：直线光栅和圆形光栅；逶射光栅和反射光栅；增量式光栅和

8、确定式光栅等。5.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（1）2022/11/2155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（2）莫尔条纹有以下几个重要特性：1）平均效应莫尔条纹是由大量的光栅线纹共同作用产生的，对光栅的线纹误差有平均作用。从而可以在很大程度上消退光栅线纹的制造误差。光栅越长，参与工作的线纹越多，这种平均效应就越大。2）对应关系如图5-11所示，当光栅移动一个栅距d，摩尔条纹也相应移动一个纹距W，其光强变更近似正弦波形；若移动方向相反，则摩尔条纹移动的方向也相反。3）放大作用2022/11/2165.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（3）2022/11

9、/2175.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（4）（2）光电转换）光电转换光栅检测系统的光电转换转由光栅检测系统的光电转换转由光栅读数头完成。最基本的光栅读数头完成。最基本的光栅读数头由光源、聚光镜、光栅读数头由光源、聚光镜、指示尺光栅和硅光电池组成，指示尺光栅和硅光电池组成，如图如图5-12 a所示。所示。为了便于说明其工作原理，以为了便于说明其工作原理，以光闸莫尔光栅为例，说明当光闸莫尔光栅为例，说明当光栅移动一个栅距时，其输光栅移动一个栅距时，其输出波形和两块光栅相互位置出波形和两块光栅相互位置变更的关系。变更的关系。2022/11/2185.4.2 计量光栅的工作原理计量光

10、栅的工作原理（5）n当两块光栅的刻线重合时，透光最多，光电池输出的电压信号最大；n当光栅1向右移动半个栅距时，两块光栅的暗线纹将明线纹遮住，透光近似于0，光电池输出最小；n再移动半个栅距，则两块光栅的刻线又重合，光电池输出又达到最大值。n这种光栅的遮光作用与光栅的移动距离成线性关系，所以光电池的光接收量也与光栅的移动距离成线性关系，即光电池的输出电压波形也近似于三角形。n但这是一种志向的状态，只有在两块光栅的夹角为0，刻线质量极好，而且刻线宽度匀整一样才能达到。2022/11/2195.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（6）2022/11/2205.4.3 光栅的测量装置光栅的测量

11、装置（2）光栅测量装置原理）光栅测量装置原理如如前前所所述述，光光栅栅的的移移动动形形成成了了莫莫尔尔条条纹纹，又又经经光光电电转转换换成成正正弦弦电电压压信信号号输输出出。这这样样的的信信号号，只只能能用用于于计计数数，而而不不能能辨辨别方向。别方向。实实际际应应用用中中，即即要要求求有有较较高高的的检检测测精精度度，又又能能辨辨别别方方向向。为为了达到这种要求，通常运用分频电路实现。了达到这种要求，通常运用分频电路实现。下面介绍一种广泛运用的四倍频辨向电路工作原理。下面介绍一种广泛运用的四倍频辨向电路工作原理。所所谓谓四四倍倍频频，就就是是接接受受四四个个光光电电元元件件和和四四个个狭狭缝

12、缝，使使其其与与莫莫尔尔条条纹纹相相重重合合的的位位置置相相差差1/4栅栅距距。这这样样，相相邻邻两两个个光光电电元元件件输输出出的的正正弦弦信信号号相相差差90，经经过过整整形形和和逻逻辑辑处处理理后后即即可可得得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。2022/11/2215.4.3 光栅的测量装置光栅的测量装置2022/11/222图5-12 光栅信号四倍频电路2022/11/2235.5 磁栅磁栅n磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件，可用作直线和角位移的测量。n磁栅与同步感应器、光栅相比，测量精度略低。n但具有复制简洁以及安装便利等一系列优点，特殊是

13、在油污、粉尘较多的环境中应用，具有较好的稳定性。n因此，磁栅较广泛地应用在数控机床、精密机床和各种测量机上。2022/11/2245.5 磁栅磁栅n磁栅检测装置是将具有确定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来作测量基准。n在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相动于磁尺的位置送给伺服限制系统或数字显示装置。n磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三部分组成。5.5.1 磁性标尺磁性标尺n磁性标尺常接受不导磁材料做基体，在上面镀上一层1030 m厚的高磁性材料，形成匀整的磁膜。n再用录磁磁头在磁尺上记录节距相等的周期性变更的磁信号

14、，用于作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05、0.1、0.2m等。n最终磁尺表面涂上爱护层，以防磁头与磁尺频繁接触过程中的磁膜磨损。n磁性标尺按形态可分为：用于检测直线位移的平面实体型磁尺、带状磁尺和同轴型线状磁尺；用于检测角位移的回转型磁尺等，如图5-13所示。2022/11/2255.5.1 磁性标尺磁性标尺2022/11/226a)平面实体型磁尺 b)带状磁尺 c)同轴型线状磁尺 d)回转型磁尺图5-13 按磁性标尺形态分类的各种磁尺1-实体尺 2-尺座（屏蔽罩）3-带状尺 4-尺垫（泡沫塑料）5-磁头 6-线状尺 7-磁尺 8-组合磁头 9-尺座2022/11/227

15、5.5.2 读数磁头读数磁头n读数磁头是进行磁电转换的器件。n它将反映位置变更的磁化信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。n依据机床数字限制系统的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必需接受一种磁通响应型磁头，而不能接受一般录音机上的速度响应型磁头。n磁通响应型磁头是一个带有饱和铁芯的二次谐波调制器，如图5-14所示。2022/11/2285.5.2 读数磁头读数磁头图5-14 磁通响应型磁头5.5.3 磁栅的工作原理磁栅的工作原理（1）2022/11/2292022/11/2305.5.3 磁栅的工作原理磁栅的工作原理图515 双磁头配置原理图2022/11/2315.6 脉

16、冲编码器脉冲编码器 n脉冲编码器是一种旋转脉冲编码器，它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器通常装在被检测的轴上，随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或确定式代码的形式。n脉冲编码器依据输出信号的方式不同，可分为确定值式编码器和脉冲增量式编码器；依据内部结构和检测方式不同，可分为接触式、光电式和电磁式三种。2022/11/2325.6.1 确定式脉冲编码器确定式脉冲编码器n可干脆把检测转角用数字代码表示出来，每一个角度均有其对应的代码，它把被测转角转换成相应的代码指示确定位置，没有积累误差。n确定式码盘的编码类型有二进制编码、二十进制编码、格雷码等。图5-

17、16为4位二进制接触式确定式码盘。图5-16 接触式确定式编码器的码盘a）确定式码盘结构 b）二进制码盘 c）格雷码盘2022/11/2335.6.1 确定式脉冲编码器确定式脉冲编码器n将二进制码右移一位并将末位舍去，然后将其与原码进行将二进制码右移一位并将末位舍去，然后将其与原码进行不进位加法，则会得到与之相对应的雷格码。不进位加法，则会得到与之相对应的雷格码。n接触式码盘体积小，输出功率大，但易磨损，其运用寿命接触式码盘体积小，输出功率大，但易磨损，其运用寿命短，转速也不能太高。短，转速也不能太高。n光电式码盘即是将接触式码盘的导电与不导电式区域用透光电式码盘即是将接触式码盘的导电与不导电

18、式区域用透亮和不透亮区域代替；亮和不透亮区域代替；n电磁式码盘则是用有磁和无磁替换接触式码盘的导电和不电磁式码盘则是用有磁和无磁替换接触式码盘的导电和不导电区域。导电区域。2022/11/2345.6.1 确定式脉冲编码器确定式脉冲编码器光电确定值编码器 2022/11/2355.6.2 脉冲增量式码盘脉冲增量式码盘（1 1）结构及其特点）结构及其特点增量式脉冲编码器最初就是一种光电盘，它由光源、聚光镜、光增量式脉冲编码器最初就是一种光电盘，它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、模数转换线路及数字显示装置组电盘、分度狭缝、光电元件、模数转换线路及数字显示装置组成。成。光电盘可以用玻璃研

19、磨抛光制成。玻璃表面在真空中镀一层不透光电盘可以用玻璃研磨抛光制成。玻璃表面在真空中镀一层不透亮的铬，然后用照像腐蚀法在上面制成狭缝作透光用。狭缝的亮的铬，然后用照像腐蚀法在上面制成狭缝作透光用。狭缝的数量可以为几百条或几千条。数量可以为几百条或几千条。也可以用精制的金属圆盘，在圆周上开出确定数量的等分槽缝，也可以用精制的金属圆盘，在圆周上开出确定数量的等分槽缝，或在确定半径的圆周上钻出确定数量的孔，使圆盘形成相等数或在确定半径的圆周上钻出确定数量的孔，使圆盘形成相等数量的透亮或不透亮的区域。量的透亮或不透亮的区域。2022/11/2365.6.2 脉冲增量式码盘脉冲增量式码盘n（2）增量式脉冲编码器工）增量式脉冲编码器工作原理作原理n光电盘装在回转轴上，当光电盘装在回转轴上，当光电盘随工作轴一起转动光电盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变更。生一次光线的明暗变更。经过光敏元件变成一次电经过光敏元件变成一次电信号的明暗变更，对它进信号的明暗变更，对它进行整形、放大和微分处理行整形、放大和微分处理后，得到脉冲输出信号。后，得到脉冲输出信号。脉冲数就等于转过的缝隙脉冲数就等于转过的缝隙数。数。