数控机床检测装置幻灯片.ppt

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1、数控机床检测装置第1页，共85页，编辑于2022年，星期六2.1 检测技术基础知识检测技术基础知识 2.1.1 2.1.1 检测系统的组成检测系统的组成检测系统一般由传感器、测量电路和显示记录装置等几个部分组成，它们分别完成信息的获取、转换、显示和处理等功能，如图2-1所示。第2页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-1 检测系统的组成 第3页，共85页，编辑于2022年，星期六传感器是把被测量转换为一种与之有确定对应关系的易于处理的物理量（通常为电量）的装置。它是检测系统最重要的环节，它的性能直接决定了整个检测系统的性能。在数控机床中有许多不同的物理量需要进行检测和控制，如位移、速度（包

2、括线速度和角速度）、位置、压力、温度等，而一般的控制系统只能够识别电量，所以必须通过传感器将各种非电量转换成电量才能够加以利用。传感器的类型很多，常用的有位置传感器、位移传感器、压力传感器和温度传感器等几种。第4页，共85页，编辑于2022年，星期六测量电路将传感器输出的信号转换成易于测量的电压或电流信号。传感器的输出信号形式多种多样而且一般都比较微弱，这就需要测量电路加以整理和放大，以满足显示记录装置的要求。另外，测量电路根据需要还要进行阻抗匹配、微积分运算和线性化补偿等工作。一般来说，不同的传感器根据其本身的特点需要配备不同的测量电路。显示记录装置的主要作用是帮助人们了解测量数值或变化的过

3、程，并根据需要进行长期的记录或对测量数据进行处理。常用的显示装置有模拟式、数字式和图像式几种，一般静态数据或变化比较缓慢的数据常用模拟式或数字式，而动态显示的数据则用图像形式显示效果较好。第5页，共85页，编辑于2022年，星期六2.1.2 测量的方法测量的方法 1 1 直接测量和间接测量直接测量和间接测量用事先标定好的测量仪表直接读取被测量结果的方法称为直接测量。例如,利用电压表测量电压或利用温度表测量温度等都属于直接测量。直接测量比较直观，同时具有方法简单、使用方便、响应迅速的优势，是工业检测中最常用的方法。间接测量一般在无法进行直接测量时采用，其方法是先对与被测量有确定函数关系的几个参量

4、进行测量，并将结果代入函数关系经过计算得到所需被测量的值。例如，测量电功率时，根据P=UI，分别对U和I进行直接测量，再计算出电功率P。间接测量方法比较复杂，花费时间也比较长。第6页，共85页，编辑于2022年，星期六2 2 偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量是指通过仪表指针相对于刻度初始点的位移来决定被测量的值的测量方法。在使用这种方法的测量仪表内没有标准量具，只有经过标准量具校准过的标尺。在测量时，利用仪表指针在标尺上的示值读出被测量的数值。这种方法广泛应用于工程测量中，其优点是测量简单、迅速，但精度一般不高。第7页，共85页，编辑于2022年，

5、星期六零位式测量是利用已知的标准去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测系统的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法，例如利用天平测量物体即是一个典型的零位式测量的例子。在零位式测量中，标准量具是测量系统的一部分，它提供一个可调节的标准量，被测量能够直接与标准量相比较，测量误差主要是标准量具本身的误差。另外，指零机构的灵敏度和准确度也会对测量结果产生一定的影响。因此，零位式测量可以获得比较高的测量精度。但这种方法测量过程比较复杂，花费时间也比较长。第8页，共85页，编辑于2022年，星期六微差式测量是将偏差式测量和零位式测量的优点综合起来的一种测量方法。其基本思路是将被测量的大部

6、分作用先与已知标准量相互抵消，剩余部分再使用偏差法进行测量。在微差式测量中，总是先设法使差值很小，然后就可以选用具有较高灵敏度的偏差式仪表测量，这样即使偏差式仪表的精度不高，最终结果也能够达到较高的精度。微差式测量的优点是反应速度快，测量精度高，特别适合于在线控制参数的测量。第9页，共85页，编辑于2022年，星期六2.1.3 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 1.1.静态特性静态特性静态特性是指当输入量为常量或变化极为缓慢时系统的I/O特性，其主要指标有线性度、灵敏度、分辨力、稳定性、迟滞、重复性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。1)线性度线性度是用实测的I/O曲线与拟合直线之间最大偏差

7、和满量程输出的百分比来表示的。如图2-2所示。第10页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-2 线性度(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点拟合；(d)端点平移拟合 第11页，共85页，编辑于2022年，星期六2)灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统输出变化量和引起此变化的输入变化量的比值。可以表示为 或 第12页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-3 灵敏度定义 第13页，共85页，编辑于2022年，星期六如果系统的灵敏度为一个常数，则输出和输入之间有线性关系。一般希望灵敏度在整个测量范围内能够保持常数，这样既可以得到均匀的刻度，也便于测量结果的分析和处理。如果测量系统由多个

8、环节组成，各环节的灵敏度分别为S1、S2、S3，则整个系统灵敏度为 S=S1S2S3 一般来说，提高灵敏度可以得到较高的精度，但灵敏度越高，测量范围也越小，稳定性也越差。第14页，共85页，编辑于2022年，星期六3)分辨率分辨率是指仪表能够检测出被测量的最小变化的能力。输入量从任意值开始缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量的增量就是分辨率，它表明了检测仪表响应和分辨输入量最小变化的能力。一般来说，分辨率和灵敏度有关，灵敏度越高，分辨率就越好。第15页，共85页，编辑于2022年，星期六4)迟滞系统的加载曲线和卸载曲线不重合的程度叫做迟滞。迟滞可能是由仪表元件存在着能量吸收或传

9、动机构的摩擦或间隙等原因造成的。如图2-4所示。第16页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-4 迟滞特性 第17页，共85页，编辑于2022年，星期六5)测量范围和量程测量范围指正常工作条件下，检测仪表所能够测量的被测量值的范围。通常以测量范围的上、下限来表示。量程则是测量范围上、下限的代数差。如一温度计测量范围是-20100，则其量程为120。第18页，共85页，编辑于2022年，星期六2.2.动态特性动态特性在实际工作中，大多数被测量的都是动态信号，这时检测系统能否很好地追随输入量的变化就成为一个很重要的问题。随着自动化技术的发展和生产水平的提高，对于检测系统的响应速度提出了越来越高

10、的要求，即要求检测系统具有良好的动态特性。在实际工作中，检测系统的动态特性通常是用实验方法求得的。在研究检测系统动态特性时，为了便于比较和评价，经常采用输入量为单位阶跃输入或单位正弦输入，然后根据系统的响应来标定其动态特性。第19页，共85页，编辑于2022年，星期六在时域内，研究动态特性常用阶跃信号的瞬态响应来分析，其具体指标包括超调量、上升时间、响应时间等。在频域内，研究动态特性时，则采用正弦信号来分析系统的频率响应，包括幅频特性、相频特性等。对检测系统动态特性的理论研究，通常是先建立系统的数学模型，通过拉氏变换找出传递函数表达式，再根据输入条件得到系统的频率响应，并以此来描述系统的动态特

11、性。因此，我们可以方便地应用自动控制原理中的方法和结论。第20页，共85页，编辑于2022年，星期六2.2 光光 栅栅 传传 感感 器器 光栅是一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于测量工作台的位移常用于构成位置闭环伺服系统。常用的光栅有透射光栅和反射光栅两类。图2-5为光栅尺外观示意图，图2-6为光栅尺在车床上的安装示意图。第21页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-5 光栅尺外观示意图 第22页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-6 光栅尺在车床上的安装示意图 第23页，共85页，编辑于2022年，星期六 透射光栅是在透明的光学玻璃上刻制平行且等距的密集线纹，利用光的

12、透射现象形成光栅；反射光栅一般用不透明的金属材料，如不锈钢板或铝板上刻制平行且等距的密集线纹，利用光的全反射或漫反射形成光栅。下面以透射光栅为例介绍其工作特点与原理。光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成，如图2-7所示。光栅副是光栅传感器的主要部分，它主要由主光栅和指示光栅组成，当两者之间发生相对位移时，由它们所形成的莫尔条纹产生明暗交替的变化，利用光电元件接收这个变化，将其转换成电脉冲信号，并用数字显示，即可测得光栅副间的相对位移。第24页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-7 光栅传感器结构 第25页，共85页，编辑于2022年，星期六透射光栅上许多均匀条纹形成了规则排列的

13、明暗线条，刻线宽度为a，刻线间隙的宽度为b，W=a+b称为光栅的栅距（或光栅常数）。一般取a=b或ab=1.10.9，而W一般用刻线密度表示，常用的刻线密度有每毫米25、50、100、500、1000、2500线等，指示光栅的光栅常数一般与主光栅相同。第26页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-8 光栅及其莫尔条纹 第27页，共85页，编辑于2022年，星期六将光栅副相对叠合在一起并使两者的刻线保持一个很小的夹角，在接近于与栅线垂直的方向上就会出现明暗相间的条纹即莫尔条纹,如图2-8所示。莫尔条纹的宽度BH与栅距W和夹角有关，即 第28页，共85页，编辑于2022年，星期六光栅的莫尔条

14、纹具有如下特点：(1)起放大作用。(2)莫尔条纹的光强度变化接近正弦变化，可以采用倍频技术将信号进一步细分，从而提高测量精度。(3)具有平均效应。第29页，共85页，编辑于2022年，星期六在实际应用中，多数被测位移都不是单向的，而利用单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能判别移动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时得到正向的脉冲并将其累加，而将反向运动时得到的反向脉冲相减，则可以得到正确的结果。能完成这种辨向任务并能识别正、反方向脉冲的电路就是辨向电路。为了判别光栅的移动方向，在相距BH/4的位置上放置两个光电元件1、2，以得到两个相差90的正弦信号

15、，然后将其送到辨向电路中。电路原理框图如图2-9 所示。第30页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-9 光栅辨向电路原理框图 第31页，共85页，编辑于2022年，星期六辨向电路输出的信号送入可逆计数器进行累加，读取计算机计得的数值即可算出位移值。利用光栅进行测量，每对莫尔条纹计得一个数，对应的位移即为一个栅距。随着对测量精度要求的提高，希望能够提高分辨率。而栅距太小的光栅不但制造困难，而且使用很不经济。对此，在过程测量中普遍采取的方法是在选择合适的光栅常数的前提下，利用细分电路来得到所需的最小读数值。所谓细分，就是在莫尔条纹变化一个周期时，不止输出一个脉冲，而是输出多个脉冲，通过减小脉

16、冲当量来提高分辨率。第32页，共85页，编辑于2022年，星期六2.3 旋旋 转转 编编 码码 器器 2.3.1 2.3.1 增量式旋转编码器增量式旋转编码器常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，如图2-10所示。第33页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-10 增量式光电编码器结构示意图 第34页，共85页，编辑于2022年，星期六光电编码器由带聚光镜的发光二极管(LED)、光栏板、光电码盘、光敏元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜，然后在上面制成圆周等距的透光与不透光相间的条纹，光栏板上具有和光电码盘上相同的透光条纹。码盘也可由不锈钢

17、薄片制成。当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接受。光敏元件将光信号转换成电脉冲信号。光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周的条纹数有关，即分辨角为 第35页，共85页，编辑于2022年，星期六若条纹数为1024，则分辨角=3601024=0.352。实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹A、A和B、B，A组与B组的条纹彼此错开14节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位，用于辨向。当光电码盘正转时，A信号超前B信号90，当光电码盘反转时，B信号超前A信号90，数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。第36页，共

18、85页，编辑于2022年，星期六光电编码器的输出信号A、A和B、B为差动信号。差动信号大大提高了传输的抗干扰能力。在数控系统中，常对上述信号进行倍频处理，以进一步提高分辨力。例如，配置2000脉冲/r光电编码器的伺服电动机直接驱动8 mm螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，相当于8000脉冲/r的角度分辨力，对应工作台的直线分辨力由倍频前的0.004 mm提高到0.001 mm。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称一转信号或零标志脉冲，作为测量基准。同样，该脉冲也以差动形式、C输出。第37页，共85页，编辑于2022年，星期六2.3.2 2.3.2 绝对

19、式旋转编码器绝对式旋转编码器1.1.接触式码盘接触式码盘图2-11 为接触式码盘示意图。图2-11(b)为4位BCD码盘,它在一个不导电基体上做成许多金属区使其导电，其中涂黑部分为导电区，用“1”表示，其他部分为绝缘区，用“0”表示。这样，在每一个径向上，都有由“1”、“0”组成的二进制代码，最里一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。除公用圈以外，4位BCD码盘的4圈码道上也都装有电刷，电刷经电阻接地，电刷布置如图2-11(a)所示。第38页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-11 接触式码盘(a)结构简图;(b)4位BCD码盘;(c)4位格雷码盘 第3

20、9页，共85页，编辑于2022年，星期六由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固定的，因此当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电区域，则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，电阻上无电流流过，为“0”。由此可根据电刷的位置得到由“1”、“0”组成的4位BCD码。通过图2-11(b)可看出电刷位置与输出代码的对应关系。码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均为2n等分，即共有2n个数据来分别表示其不同位置。第

21、40页，共85页，编辑于2022年，星期六显然，位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。图2-11(c)为4位格雷码盘，其特点是任何两个相邻数码间只有一位是变化的，可消除非单值性误差。第41页，共85页，编辑于2022年，星期六2.绝对式光电码盘绝对式光电码盘 绝对式光电码盘与接触式码盘结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示透光区或不透光区。其中，黑的区域指不透光区，用“0”表示；白的区域指透光区，用“1”表示。如此，在任意角度都有“1”、“0”组成的二进制代码。另外，在每一码道上都有一组光电元件，这样，不论码盘转到哪一角度位置，与之对应的各光电元件接收到光的输出为

22、“1”电平，没有接收到光的输出为“0”电平，由此组成n位二进制编码。图212为8码道光电码盘示意图，表2-1为HEIDENHAIN公司绝对式旋转编码器部分数据。第42页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-12 绝对式光电码盘(1/4圆)第43页，共85页，编辑于2022年，星期六表表2-1 绝对式旋转编码器数据绝对式旋转编码器数据 第44页，共85页，编辑于2022年，星期六2.3.3 2.3.3 编码器在数控机床中的应用编码器在数控机床中的应用1.1.位移测量位移测量编码器在数控机床中用于工作台或刀架的直线位移测量有两种安装方式：一是和伺服电动机同轴连接在一起(称为内装式编码器)，伺

23、服电动机再和滚珠丝杠连接，编码器在进给传动链的前端，如图2-13(a)所示；二是编码器连接在滚珠丝杠末端(称为外装式编码器)，如图2-13(b)所示。由于后者包含的进给传动链误差比前者多，因此，在半闭环伺服系统中，后者的位置控制精度比前者高。由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量。如某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直联(传动比11)，光电编码器1024脉冲/r，丝杠螺距8 mm，在数控系统位置控制中断时间内计数1024脉冲，则在该时间段里，工作台移动的距离为1/1024 r/脉冲8 mm/r1024脉冲

24、=8 mm。第45页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-13 编码器的安装方式(a)内装式；(b)外装式 第46页，共85页，编辑于2022年，星期六2.2.主轴控制主轴控制当数控车床主轴安装有编码器后，则该主轴具有C轴插补功能。主轴编码器的安装部位如图2-13(序号2)所示。1)主轴旋转与坐标轴进给的同步控制在螺纹加工中，为了保证切削螺纹的螺距，必须有固定的起刀点和退刀点。安装在主轴上的光电脉冲编码器在切削螺纹时主要解决两个问题：(1)首先,通过对编码器输出脉冲的计数，保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个螺距(导程)。第47页，共85页，编辑于2022年，星期六(2)其次,一般的螺纹加

25、工要经过几次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了保证重复切削不乱牙，数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲后才开始螺纹切削的计算。第48页，共85页，编辑于2022年，星期六2)恒线速切削控制车床和磨床进行端面或锥形面切削时，为了使加工表面粗糙度Ra保持一定的数值，要求刀具与工件接触点的线速度为恒值。随着刀具的径向进给及切削直径的逐渐减小或增大，应不断提高或降低主轴转速，保持切削速度v为常值，即 式中,v为切削速度；D为工件切削直径；n为主轴转速。工件切削直径D随刀具进给不断变化，由位置检测装置，如光电编码器检测获得。上述数据经软件处理后即得主轴转速n，转换成速度控制信号

26、后至主轴驱动装置。第49页，共85页，编辑于2022年，星期六3)主轴定向控制通过安装在主轴或主轴电动机上的编码器，实现加工中心换刀或精镗孔退刀时的主轴定向准停控制。第50页，共85页，编辑于2022年，星期六3.3.测速测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。数字测速方法有：M法测速、T法测速和M/T法测速。1)M法测速根据在一定的时间间隔Tc内，编码器所产生的脉冲数来确定速度，这种方法称为M法测速，如图2-14(a)所示。第51页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-14 数字测速(a)M法测速；(b)T法测速；(c)

27、M/T法测速 第52页，共85页，编辑于2022年，星期六若编码器每转产生N个脉冲，在Tc时间内有m1个脉冲产生，则转速(r/min)为 第53页，共85页，编辑于2022年，星期六2)T法测速用编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间来确定被测速度的方法称为T法测速，如图214(b)所示。用已知确定的频率fc作为时钟，填充两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为 第54页，共85页，编辑于2022年，星期六3)M/T法测速上述两种测速方法的综合即为M/T法测速，如图2-14(c)所示。其中，T为Tc(M法测速)之后再输出的第一个脉冲为止的检测时间。设T时间内编码器产生m1个脉冲，时

28、钟fc的脉冲数为m2，则转速为 利用光电编码器的脉冲信号进行速度反馈时，脉冲信号需经过频率电压转换器(F/V)转换成正比于频率的电压信号。第55页，共85页，编辑于2022年，星期六4.4.在交流伺服电动机中的应用在交流伺服电动机中的应用数控机床进给驱动用的交流伺服电动机为三相交流永磁同步电动机。交流伺服电动机中的光电编码器有三个作用：检测电动机转子磁极相对于定子绕组的角度位置，从而使控制电路发出相应的对称三相信号，驱动电路根据这样的三相信号去驱动定子三相绕组，使电动机运转；通过频率电压(FV)转换电路，提供速度反馈信号；检测角位移，提供位置反馈信号，实现位置伺服控制。第56页，共85页，编辑

29、于2022年，星期六5.零标志脉冲用于回参考点控制零标志脉冲用于回参考点控制 数控机床采用增量式的位置检测装置时，数控机床在接通电源后要做回参考点的操作。这是因为机床断电后，系统就失去了对各坐标轴位置的记忆，所以在接通电源后，必须让各坐标轴回到机床某一固定点上，这一固定点就是机床坐标系的原点或零点，也称机床参考点。使机床回到这一固定点的操作称回参考点或回零操作。参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有相当大的关系。图2-15所示为一卧式加工中心机床参考点相对机床工作台中心位置的示意图，图2-16所示为回参考点的实现方式。第57页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-15 卧式加工中心机

30、床参考点第58页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-16 回参考点的实现方式(a)挡块位置；(b)回参考点控制 第59页，共85页，编辑于2022年，星期六当采用回参考点方式时，数控机床坐标轴先以快速v1向参考点方向运动;在挡块碰到行程开关(又称减速开关或参考点开关)后，坐标轴再以慢速v2趋近参考点;在编码器产生零标志信号(一转脉冲信号)后，坐标轴再移动一段距离而停止于参考点。运动速度v1、v2和移动距离由机床数据来设定。第60页，共85页，编辑于2022年，星期六2.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器 2.4.1 2.4.1 旋转变压器旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位

31、置检测传感器，可用于角位移测量。在结构上与绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上，励磁频率通常为400 Hz、500Hz、1000 Hz及5000 Hz，转子绕组输出了感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。第61页，共85页，编辑于2022年，星期六1.1.工作原理工作原理实际应用的旋转变压器为正、余弦旋转变压器，其定子和转子各有互相垂直的两个绕组，如图2-17所示为正、余弦旋转变压器原理图。其中，定子上的两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组，励磁电压用u1s和u1c表示;转子绕组中一个绕组为输出电压u2，另一

32、个绕组接高阻抗作为补偿；为转子偏转角。定子绕组通入不同的励磁电压，可得到两种工作方式。第62页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-17 正、余弦旋转变压器原理图 第63页，共85页，编辑于2022年，星期六1)相位工作方式给定子的正、余弦绕组分别通以同幅、同频，但相位差/2的交流励磁电压，即 第64页，共85页，编辑于2022年，星期六 当转子正转时这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加为 u2=kUm cos(t-)(2-1)式中,Um为励磁电压幅值；k为电磁耦合系数，k1；为相位角(转子偏转角)。同理，当转子反转时，可得 u2=kUm cos(t+)(2-2)第65页，共8

33、5页，编辑于2022年，星期六2)幅值工作方式给定子的正、余弦绕组分别通以同频率、同相位，但幅值不同的交流励磁电压，即 u1s=usmsint；u1c=ucmsint usm、ucm分别为励磁电压的幅值，其数值为 usm=Um sin;ucm=Um cos 式中,为给定电气角。第66页，共85页，编辑于2022年，星期六当转子正转时，u1s、u1c经叠加，在转子上的感应电压u2为 u=kUm cos(-)sint 同理，转子反转时，可得 u=kUm cos()sint 式(2-3)和式(2-4)中，kUmcos(-)、kUmcos(+)为感应电压的幅值。由式(2-3)和式(2-4)可以看出，转

34、子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得偏转角，从而获得被测轴的角位移。第67页，共85页，编辑于2022年，星期六2.2.旋转变压器的结构旋转变压器的结构从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷和无刷两种类型。在有些结构中,转子绕组的端点通过电刷和滑环引出。无刷旋转变压器的结构如图2-18所示。第68页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-18 无刷旋转变压器的结构 第69页，共85页，编辑于2022年，星期六无刷旋转变压器由两部分组成：一部分称为分解器，由旋转变压器的定子和转子组成；另一部分称为变压器，用它取代电刷和滑环，其一次绕组与分解器的转子轴固定在一起，

35、与转子轴一起旋转，分解器中的转子输出信号接在变压器的一次绕组上，变压器的二次绕组与分解器中的定子一样固定在旋转变压器的壳体上。工作时，分解器的定子绕组外加励磁电压，转子绕组即耦合出与偏转角相关的感应电压，此信号接在变压器的一次绕组上，经耦合由变压器的二次绕组输出。第70页，共85页，编辑于2022年，星期六无刷旋转变压器一般为多极旋转变压器。所谓多极旋转变压器就是增加定子或转子的极对数，使电气转角为机械转角的倍数，用来代替单极旋转变压器，不需要升速齿轮，从而提高了定位精度。另外,还可用3个旋转变压器按11、101和1001的比例相互配合串接，组成精、中、粗三级旋转变压器测量装置。若精测的丝杠位

36、移为10 mm，则中测范围为100 mm，粗测为1000 mm。为了使机床工作台按指令值到达规定位置，须用电气转换电路在实际值不断接近指令值的过程中，使旋转变压器从“粗”到“中”再到“精”，最后的位置精度由精旋转变压器来决定。第71页，共85页，编辑于2022年，星期六2.4.2 2.4.2 感应同步器感应同步器感应同步器也是一种电磁式的位置检测传感器，用于直线位移的测量。主要部件包括定尺和滑尺，图2-19所示为感应同步器结构示意图。第72页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-19 感应同步器结构示意图(a)外观及安装形式;(b)绕组 第73页，共85页，编辑于2022年，星期六定尺和

37、滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.20.3 mm间隙。标准的感应同步器定尺250 mm，尺上是单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100 mm，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组us,一组为余弦励磁绕组uc。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2 mm，用表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差1/4节距。由于定尺绕组是均匀的，故滑尺上的两个绕组在空间位置上相差1/4节距，即/2相位角。第74页，共85页，编辑于2022年，星期六1.1.相位工作方式相位工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同，但相

38、位差/2的励磁电压，即 当滑尺移动X距离时，定尺绕组中的感应电压为（2-5)第75页，共85页，编辑于2022年，星期六式中,k为电磁耦合系数；Um为励磁电压幅值；为节距；X为滑尺移动距离；为电气相位角。从式(2-5)可以看出，定尺的感应电压与滑尺的位移量有严格的对应关系，通过测量定尺感应电压的相位，即可测得滑尺的位移量。第76页，共85页，编辑于2022年，星期六2.2.幅值工作方式幅值工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同，频率相同，但幅值不同的励磁电压，即 us=usmsint;uc=ucmsint 其中，usm、ucm幅值分别为 Usmmsin 1;uc=ucmsint 式

39、中,1为电气给定角。第77页，共85页，编辑于2022年，星期六当滑尺移动时，定尺上的感应电压为 当很小时，定尺上的感应电压可近似表示为 又因为 第78页，共85页，编辑于2022年，星期六则 式中,X为滑尺位移增量。第79页，共85页，编辑于2022年，星期六2.5 磁磁 栅栅 2.5.1 2.5.1 磁性标尺磁性标尺 磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层1030 m厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜。再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等。节距通常为0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm，最后在磁尺表面还要涂上一层12m厚的保护层

40、，以防磁头与磁尺频繁接触而引起的磁膜磨损。磁性标尺按基体形状有带状磁尺、线状磁尺和圆形磁尺，如图2-20所示。第80页，共85页，编辑于2022年，星期六图 2-20 磁性标尺(a)带状磁尺;(b)线状磁尺;(c)圆形磁尺 第81页，共85页，编辑于2022年，星期六 带状磁尺的特点是，带状磁尺固定在用低碳钢做的屏蔽壳体内，并以一定的预紧力绷紧在框架或支架中，框架固定在机床上，使带状磁尺同机床一起胀缩，从而减少温度对测量精度的影响。线状磁尺的特点是，线状磁尺套在磁头中间，与磁头同轴，两者之间保持很小的间隙，由于磁尺包围在磁头中间，对周围电磁起到了屏蔽作用，因此抗干扰能力强，输出信号大。圆形磁尺

41、的特点是，磁尺做成圆形磁盘或磁鼓形状，磁头和带状磁尺的磁头相同，圆形磁尺主要用来检测角位移。第82页，共85页，编辑于2022年，星期六2.5.2 2.5.2 拾磁磁头拾磁磁头 拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给测量电路。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能够进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。它由铁心、两个串联的激磁绕组和两个串联的拾磁绕组组成，如图221所示为磁通响应型磁头及双磁头辨向示意图。第83页，共85页，编辑于2022年，星期六图2-21 磁通响应型磁头及双磁头辨向 第84页，共85页，编辑于2022年，星期六 2-8 增量式光电编码器或光栅尺输出的“六脉冲”信号指什么?方向判别是怎样实现的?2-9 旋转变压器和感应同步器各由哪些部件组成?判别相位工作方式和幅值工作方式的依据是什么?2-10 磁栅由哪些部件组成?被测位移量与感应电压的关系是怎样的?方向判别是怎样实现的?第85页，共85页，编辑于2022年，星期六