数控技术数控检测装置资料学习教案.pptx

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1、数控技术数控检测数控技术数控检测(jin c)装置资料装置资料第一页，共40页。主要(zhyo)内容2.1 2.1 概述概述(i(i sh)sh)组成：检测元件（传感器）、信号处理装组成：检测元件（传感器）、信号处理装置。置。作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，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，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，构成构成(guchng)(guchng)伺服系统闭环或半闭环控制。伺服系统闭环或半闭环控制。半闭环控制的数控机床：半闭环控制的数控机床：旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，测

2、量电机或丝杠的角位移间接测量工作上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台直线位移。台直线位移。闭环控制系统的数控机床：闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。和导轨上，直接测量工作台的直线位移。半闭环、闭环数控机床的加工精度在很大程半闭环、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。度上是由位置检测装置的精度决定的。2第1页/共39页第二页，共40页。位置检测装置的精度：系统精度和分辨率位置检测装置的精度：系统精度和分辨率系系统统精精度度：一一定定长长度度或或转转角角范范围围内内

3、测测量量累累积积误误差差的的最大值。一般：最大值。一般：直线位移检测精度：直线位移检测精度：0.0020.0020.020.02m m；回转角测量精度：回转角测量精度：1010360360系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。目前目前(mqin)(mqin)：直线位移分辨率：直线位移分辨率：1m1m，高精度，高精度0.1m0.1m；回转分辨率：可达回转分辨率：可达22。2.1 2.1 概述概述(i(i sh)sh)3第2页/共39页第三页，共40页。主要(zhyo)内容2.1 2.1 概述概述(i(i sh)sh)数控系统中的检测装置按检测

4、的物理量不同，分位数控系统中的检测装置按检测的物理量不同，分位移、速度和电流三种类型移、速度和电流三种类型(lixng)(lixng)。位移检测装置分类：位移检测装置分类：安装位置安装位置 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(lixng)(lixng)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；4第3页/共39页第四页，共40页。主要(zhyo)内容6.1 6.1 概述概述(i sh)(i sh)数字式数字式 模拟式模拟式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对

5、式 回回转转型型 增量式脉冲增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲绝对式脉冲编码器编码器 旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 多极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 直直线线型型 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 多通道透射多通道透射光栅光栅 直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺 3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 位移位移(wiy)检测装检测装置分类置分类5第4页/共39页第五页，共40页。主要(zhyo)内容数控机床对检测数控机床对检测(jin c)(jin c)装置装置的主要要求的主要要求 1）受温、湿度影响小

6、，工作可靠，抗干扰能力强；）受温、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用）使用(shyng)维护方便，适合机床运行环境；维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；）成本低；5）易于实现高速的动态测量。）易于实现高速的动态测量。2.1 2.1 概述概述6第5页/共39页第六页，共40页。主要(zhyo)内容2.2 2.2 旋转旋转(xunzhun)(xunzhun)变压器变压器 是是一一种种输输出出电电压压与与角角位位移移量量成成连连续续函函数数关关系系的的感感应应式式微微电电机机，数数控控机机床床上上常常见见的的

7、角角位位移移测测量量装装置置，广广泛泛用用于于半半闭闭环环控制的数控机床。控制的数控机床。优优点点：结结构构简简单单、动动作作灵灵敏敏、工工作作可可靠靠、对对环环境境条条件件要要求求低低（特特别别是是高高温温、高高粉粉尘尘的的地地方方）、输输出出信信号号幅幅度度大大和和抗抗干干扰扰能力强等特点能力强等特点(tdin)。缺点：信号处理比较复杂。缺点：信号处理比较复杂。旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。轴或丝杠转角的测量。旋转变压器旋转变压器7第6页/共39页第七页，共40页。主要(zhyo)内容2.2 旋转旋转

8、(xunzhun)变压变压器器分解器分解器变压器变压器数数控控机机床床主主要要使使用用无无刷刷旋旋转转(xunzhun)(xunzhun)变变压压器器，无无刷刷旋旋转转(xunzhun)(xunzhun)变变压压器器具具有有输输出出信信号号大大、可可靠靠性性高高、寿寿命命长长及及不不用维修等优点。用维修等优点。转轴转轴机壳机壳 分解器定子分解器定子变压器定子变压器定子变压器变压器一次线圈一次线圈变压变压器器转子转子变压器二次线圈变压器二次线圈分解器转子分解器转子2.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 8第7页/共39页第八页，共40页。主要(zhyo)内容6.2.2 旋转变压器的工作旋转变

9、压器的工作(gngzu)原理原理 原理：电磁感应，当定原理：电磁感应，当定子加上一定频率的激磁子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，电压时，通过电磁耦合，转子转子(zhun z)(zhun z)绕组产绕组产生感应电势，其输出电生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和压的大小取决于定子和转子转子(zhun z)(zhun z)两个绕两个绕组轴线在空间的相对位组轴线在空间的相对位置。置。6.2 旋转变压器旋转变压器U U1 1R RUm激磁电压幅值激磁电压幅值 n绕组匝数比绕组匝数比 转子偏转角转子偏转角9第8页/共39页第九页，共40页。主要(zhyo)内容U2 nUm sint sin6.

10、2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器10第9页/共39页第十页，共40页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器11第10页/共39页第十一页，共40页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器 1c 1s 1ccos 1ssin 使用较广泛的为正余弦旋转变压器：使用较广泛的为正余弦旋转变压器：定子定子(dngz)有两个绕组有两个绕组正、余弦绕组正、余弦绕组 k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k1；相位角，即：转子偏转角。相位角，即：转子偏转角。12第11页/共39页第十二页，共40页。主要(zhyo)内容2.2 旋转旋转(xunzhun

11、)变压变压器器定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率(pnl)(pnl)，但相位差，但相位差/2/2的交流激磁电压的交流激磁电压 U1s U1sUmsintUmsint U1c U1cUmsinUmsin（t+/2t+/2）UmcostUmcost当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应电压应电压经叠加，得到转子的感应电压U2U2为为 1鉴相工作方式鉴相工作方式U2kUmsintsinkUmcostcos kUmcos（t-）13第12页/共39页第十三页，共40页

12、。主要(zhyo)内容2.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器当转子反转时，同理，转子的感应当转子反转时，同理，转子的感应(gnyng)(gnyng)电压电压U2U2为为 ：U2 U2k Umcosk Umcos（t+t+）旋转变压器转子绕组中的感应电压与定子绕组中的励旋转变压器转子绕组中的感应电压与定子绕组中的励磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏角角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角，即可测得，即可测得转子相对于定子的转角位置。转子相对于定子的转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流

13、电压相位作在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位置。转子转角的位置。14第13页/共39页第十四页，共40页。主要(zhyo)内容2 2鉴幅工作鉴幅工作(gngzu)(gngzu)方式方式2.2 旋转旋转(xunzhun)变压器变压器定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相同、幅值分定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsin sint U1c=Umcos sint 转子正转时转子正

14、转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2为：为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint15第14页/共39页第十五页，共40页。主要(zhyo)内容2.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器转子反转时，同理有转子感应电压转子反转时，同理有转子感应电压U2U2为：为：U2 U2kUmcoskUmcos（）sint sint转转子子感感应应电电压压的的幅幅值值随随转转子子的的偏偏转转角角而而变变化化。测测量量(cling)(cling)出幅值可测出出幅值可测出 转角。转角。16第15页/共39页第十六页，共40页。2.3 感

15、应同步器感应同步器感感应应同同步步器器原原理理同同旋旋转转(xunzhun)变变压压器器，其其输输出出电电压压随随被被测直线位移或角位移而改变。测直线位移或角位移而改变。根据用途和结构特点分：直线式、旋转根据用途和结构特点分：直线式、旋转(xunzhun)式。式。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋旋转转(xunzhun)式式：定定子子、转转子子，测测角角位位移移，用用于于半半闭闭环环伺伺服系统。服系统。直线式感应同步器有：直线式感应同步器有：标准式：精度最高、使用最广；标准式：精度最高、使用最广；窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小

16、，比标准式精度低，精度较低、机床上安窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工；装位置窄小且安装面难于加工；带式：定尺可至带式：定尺可至3m3m以上以上(yshng)(yshng)，不需接长，定尺随床身热变形而变形，刚，不需接长，定尺随床身热变形而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低；性稍差，总测量精度比标准式低；3 3重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。17第16页/共39页第十七页，共40页。2.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构(jigu)2.3 感应同步器

17、感应同步器（固定（固定(gdng)在床身在床身上）上）（安装（安装(nzhung)在移动部件在移动部件上）上）平行，间隙为平行，间隙为0.2 0.2 0.30.3mm直线感应同步器结构：直线感应同步器结构：18第17页/共39页第十八页，共40页。2.3 感应同步器感应同步器当正弦绕组当正弦绕组(roz)(roz)与定尺绕组与定尺绕组(roz)(roz)对齐时，对齐时，余弦绕组余弦绕组(roz)(roz)与与定尺绕组定尺绕组(roz)(roz)相相差差1/41/4节距。节距。“节距节距”2 是衡量是衡量(hng ling)感应同步器精度的主要参数。感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长

18、标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm，节距，节距2mm。19第18页/共39页第十九页，共40页。2.3.3 感应同步器工作感应同步器工作(gngzu)原理原理 2.3 感应同步器感应同步器滑尺、定尺发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使滑尺、定尺发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组感应绕组(roz)的感应电压随位移的变化而变化。的感应电压随位移的变化而变化。20第19页/共39页第二十页，共40页。2.3 感应同步器感应同步器感应电压幅值与相对位置(wi zhi)关系21第20页/共39页第二十一页，共40页。当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2，滑尺绕组相对于

19、定尺绕组的空间相位角，滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角变化变化(binhu)2(binhu)2；当移动；当移动 x x 时，则相位角变化时，则相位角变化(binhu)(binhu)角度。角度。2.3 感应同步器感应同步器可得可得设设 表示滑尺上一相绕组的激磁表示滑尺上一相绕组的激磁(jc)电压，电压，则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为22第21页/共39页第二十二页，共40页。给给滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组的的激激磁磁信信号号是是频频率率、幅幅值值相相同同，相相位位(xingwi)(xingwi)相差相差900900的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压

20、为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通通过过鉴鉴别别定定尺尺感感应应输输出出电电压压的的相相位位(xingwi)(xingwi)，即即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。可测量定尺和滑尺之间的相对位移。2.3 感应同步器感应同步器1.鉴相工作鉴相工作(gngzu)方式方式23第22页/共39页第二十三页，共40页。给滑尺上正、余弦绕组的励磁(l c)电压的频率、相位相同，但幅值不同。2.鉴幅工作鉴幅工作(gngzu)方式方式则在定尺绕组产生则在定尺绕组产生(chnshng)的总感应电压为的总感应电压为2.3 感应同步器感应同步器若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移

21、对应的角度幅值，便能求出与位移对应的角度。实际测量时，不断调整实际测量时，不断调整，让幅值为零，则，让幅值为零，则=，从而求得，从而求得对应的位移量对应的位移量x，就可测得机械位移。，就可测得机械位移。24第23页/共39页第二十四页，共40页。2.4 2.4 光栅光栅(gungsh(gungshn)n)通常意义上讲，光栅按用途分，有两大类：通常意义上讲，光栅按用途分，有两大类：物物理理光光栅栅（衍衍射射光光栅栅）：200200500500条条/，栅栅距距0.0020.0020.0050.005，主主要要是是利利用用光光的的衍衍射射原原理理，用用于于光光谱谱分分析析和光波波长和光波波长(bch

22、ng)(bchng)的测定。的测定。计计量量光光栅栅：2525条条/、5050条条/、100100条条/、250250条条/等等，栅栅距距0.0040.0040.250.25，主主要要是是利利用用光光的的透透射射和和反反射射现象，用于数控机床闭环检测系统。现象，用于数控机床闭环检测系统。按形状：长光栅按形状：长光栅(gungshn)(gungshn)（直线光栅（直线光栅(gungshn)(gungshn)）：）：检测线位移检测线位移 圆光栅圆光栅(gungshn)(gungshn)：测量角位移：测量角位移直线光栅直线光栅(gungshn)(gungshn)按制作原理：玻璃透射光栅按制作原理：玻

23、璃透射光栅(gungshn)(gungshn)、金属反射光栅、金属反射光栅(gungshn)(gungshn)。2.4.1 光栅的种类光栅的种类25第24页/共39页第二十五页，共40页。（以玻璃透射式直线光栅为例）光栅的结构组成：标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程 大于1m时，需要将光栅接长。安装(nzhung)：标尺光栅一般安装(nzhung)在机床活动部件上（如工作台 上或丝杠上）；光栅读数头安装(nzhung)在机床固定部件上 （如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。2.4 2.4 光栅光栅(gungshn(gungshn)2.4.2光栅的结构与测量

24、光栅的结构与测量(cling)原理原理26第25页/共39页第二十六页，共40页。光栅光栅(gungshn)(gungshn)的结构与的结构与测量原理测量原理光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件(yunjin)(yunjin)、驱动线路。驱动线路。作用作用(zuyng)(zuyng)：将光信号转换成电脉冲信号。：将光信号转换成电脉冲信号。27第26页/共39页第二十七页，共40页。均匀刻线均匀刻线标尺标尺光栅光栅指示指示光栅光栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动p28光栅的结构与测量光栅的结构与测量(cling)(c

25、ling)原理原理第27页/共39页第二十八页，共40页。莫尔条纹移动莫尔条纹移动(ydng)(ydng)方向与光栅方向与光栅移动移动(ydng)(ydng)方向垂方向垂直直 光栅移动光栅移动(ydng)(ydng)一个栅距，莫尔条一个栅距，莫尔条纹移动纹移动(ydng)(ydng)一一个节距个节距29光栅的结构与测量光栅的结构与测量(cling)(cling)原理原理第28页/共39页第二十九页，共40页。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针数字变换电路形成顺时针(shzhn)(shzhn)方向的正向脉

26、冲或者形方向的正向脉冲或者形成反时针成反时针(shzhn)(shzhn)方向的反向脉冲，通过可逆计数器接受。方向的反向脉冲，通过可逆计数器接受。302.4.2光栅光栅(gungshn)位移位移-数数字变换电路字变换电路第29页/共39页第三十页，共40页。312.4.2光栅光栅(gungshn)位移位移-数数字变换电路字变换电路第30页/共39页第三十一页，共40页。322.4.2 光栅位移光栅位移(wiy)-数字变换电数字变换电路路第31页/共39页第三十二页，共40页。2.6 2.6 编码器编码器编编 码码 器器（码码 盘盘）:旋旋 转转 式式 测测 量量 元元 件件，装装 在在 被被 测

27、测 轴轴上上，随随之之一一起起转转动动，将将被被测测轴轴的的角角位位移移转转换换成成增增量量脉冲或绝对值式代码。脉冲或绝对值式代码。使使用用(shyng)(shyng)的的计计数数制制：二二进进制制、二二进进制制循循环环码码（格雷（格雷 码）等码）等输出信号的形式：绝对值式、脉冲增量式输出信号的形式：绝对值式、脉冲增量式内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。33第32页/共39页第三十三页，共40页。两种安装方式：两种安装方式：编码器和伺服电编码器和伺服电机同轴联接；机同轴联接；联接在滚珠联接在滚珠(gnzh)(gnzh)丝杠末丝杠末端；端；工

28、作台工作台丝杠丝杠编码器编码器电机电机2.6 2.6 编码器编码器34第33页/共39页第三十四页，共40页。2.6 2.6 编码器编码器安装安装(nzhung)：35第34页/共39页第三十五页，共40页。2.6.1 光电式编码器光电式编码器 常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，是一种旋转光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器。式脉冲发生器。把机械转角把机械转角(zhunjio)(zhunjio)变成电脉冲，是数控机床常变成电脉冲，是数控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检测

29、。用的角位移检测元件，也可用于角速度检测。2.6 2.6 编码器编码器36第35页/共39页第三十六页，共40页。高分辨率的脉冲高分辨率的脉冲(michng)(michng)编码器编码器脉冲编码器20000脉冲脉冲r25000脉冲脉冲r30000脉冲脉冲r10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部器装置内部(nib)应用了微处理器。应用了微处理器。脉冲编码器2000脉冲脉冲r2500脉冲脉冲r3000脉冲脉冲r数控机床常用编码器：根据数控机床常用编码器：根据(gnj)丝杠螺距来选用。丝杠螺距来选用。2.6 2.6 编码器编码器37

30、第36页/共39页第三十七页，共40页。2.6 2.6 编码器编码器A A组与组与B B组两组狭缝，彼此错开组两组狭缝，彼此错开1/41/4节距，两组狭缝相对应的光敏元节距，两组狭缝相对应的光敏元件产生的信号件产生的信号(xnho)A(xnho)A、B B彼此相差彼此相差9090 相位，用于辨向，称为相位，用于辨向，称为辩向狭缝。另外，还有一个零位狭缝，产生辩向狭缝。另外，还有一个零位狭缝，产生Z Z相脉冲。相脉冲。38第37页/共39页第三十八页，共40页。2.6 2.6 编码器编码器正走时，正走时，A A脉冲超前脉冲超前B B脉冲，脉冲，D D门在门在A A信号控制下，将信号控制下，将B

31、B脉冲上升沿微脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输出，为负分作为计数脉冲反向输出，为负脉冲。该脉冲经与非门脉冲。该脉冲经与非门3 3变为正向变为正向计数脉冲输出。计数脉冲输出。D D门输出的负脉冲门输出的负脉冲同时同时(tngsh)(tngsh)又将触发器置为又将触发器置为“0”“0”状态，状态，Q Q端输出端输出“0”“0”，作为，作为正走方向控制信号。正走方向控制信号。反走时，反走时，B B脉冲超前脉冲超前A A脉冲。这脉冲。这时，由时，由C C门输出反走时的负计数脉门输出反走时的负计数脉冲，该负脉冲也由冲，该负脉冲也由3 3门反问输出作门反问输出作为反走时计数脉冲。不论正走、为反走时计数脉冲。不论正走、反走，与非门反走，与非门3 3都为计数脉冲输出都为计数脉冲输出门。反走时，门。反走时，C C门输出的负脉冲使门输出的负脉冲使触发器置触发器置“1”“1”，作为反走时方向，作为反走时方向控制信号。控制信号。39第38页/共39页第三十九页，共40页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第39页/共39页第四十页，共40页。