第2章-數(shù)控檢測(cè)裝置.doc

精品文檔第二章 檢 測(cè) 裝 置我們這里講的檢測(cè)裝置是指用在數(shù)控機(jī)床上的位置檢測(cè)裝置。它們通常安裝在機(jī)床的工作臺(tái)或絲杠上，相當(dāng)于普通機(jī)床的刻度盤和人的眼睛，不斷地將工作臺(tái)的位移量檢測(cè)出來并反饋給控制系統(tǒng)。大量事實(shí)證明，對(duì)于設(shè)計(jì)完善的高精度數(shù)控機(jī)床，它的加工精度和定位精度將主要取決于檢測(cè)裝置。因此，精密檢測(cè)裝置是高精度數(shù)控機(jī)床的重要保證。一般來說，數(shù)控機(jī)床上使用的檢測(cè)裝置應(yīng)該滿足以下要求：(1) 工作可靠，抗干擾性強(qiáng)。(2) 能滿足精度和速度的要求。(3) 使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境。(4) 成本低。通常，檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度為，分辨率為能滿足機(jī)床工作臺(tái)以的速度移動(dòng)。表4-1是目前在數(shù)控機(jī)床上經(jīng)常使用的檢測(cè)裝置。本章就其中常用的幾種作以介紹。表4-1 位置檢測(cè)裝置分類數(shù) 字 式模擬式增量式絕對(duì)式增量式絕對(duì)式回轉(zhuǎn)行圓光柵編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器,圓感應(yīng)同步器,圓形磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器直線行長(zhǎng)光柵激光干涉儀編碼尺直線感應(yīng)同步器,磁柵,容柵絕對(duì)值式磁尺21 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測(cè)元件，按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線位移測(cè)量，后者用于角位移測(cè)量。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步器具有檢測(cè)精度比較高、抗干擾性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、成本低、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及各類機(jī)床數(shù)顯改造。本節(jié)僅以直線式感應(yīng)同步器為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行敘述。一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)感應(yīng)同步器的構(gòu)造見圖4-5，其定尺和滑尺基板是由與機(jī)床熱臌脹系數(shù)相近的鋼板做成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼以鋼箔，并利用照像腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。感應(yīng)同步器定尺和滑尺繞組的節(jié)距相等，均為，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)，工藝上要保證其節(jié)距的精度。一塊標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)度為250mm，節(jié)距為2mm，其絕對(duì)精度可達(dá)2.5，分辨率可達(dá)0.25。從圖4-5可以看出，如果把定尺繞組和滑尺繞組B對(duì)準(zhǔn)，那么滑尺繞組正好和定尺繞組相差1/4節(jié)距。也就是說，A繞組和B繞組在空間上相差1/4節(jié)距。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺尺座分別安裝在機(jī)床上兩個(gè)相對(duì)移動(dòng)的部件上（如工作臺(tái)和床身），當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，滑尺在定尺移動(dòng)?；吆投ǔ咭梅雷o(hù)罩罩住，以防止鐵屑、油污和切割液等東西落到器件上，從而影響正常工作。由于感應(yīng)同步器的檢測(cè)精度比較高，故對(duì)安裝有一定的要求，如在安裝時(shí)要保證定尺安裝面與機(jī)床導(dǎo)軌面的平行度要求，如這兩個(gè)面不平行，將引起定、滑尺之間的間隙變化，從而影響檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)精度。圖 4-5 同步感應(yīng)器構(gòu)造圖二、 工作原理及應(yīng)用1、感應(yīng)同步器的工作原理從圖4-5可以看出，滑尺的兩個(gè)繞組中的任一繞組通以交變激磁電壓時(shí)，由于電磁效應(yīng)，定尺繞組上必然產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的大小取決于滑尺相對(duì)于定尺的位置。圖4-6給出了滑尺繞組(滑尺)相對(duì)于定尺繞組(定尺)處于不同的位置時(shí)，定尺繞組中感應(yīng)電勢(shì)的變化情況。圖中A點(diǎn)表示滑尺繞組與定尺繞組重合，這時(shí)定尺繞組中的感應(yīng)電勢(shì)最大；如果滑尺相對(duì)于定尺從A點(diǎn)逐漸向左(或右)平行移動(dòng)，感應(yīng)電勢(shì)就隨之逐漸減小，在兩繞組剛好錯(cuò)開14節(jié)距的位置B點(diǎn)，感應(yīng)電勢(shì)減為零；若再繼續(xù)移動(dòng)，移到12節(jié)距的C點(diǎn)，感應(yīng)電勢(shì)相應(yīng)地變?yōu)榕cA位置相同，但極性相反，到達(dá)34節(jié)距的D點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)再一次變?yōu)榱?；其后，移?dòng)了一個(gè)節(jié)距到達(dá)E點(diǎn)，情況就又與A點(diǎn)相同了，相當(dāng)于又回到了A點(diǎn)。這樣，滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中，感應(yīng)同步器定尺繞組的感應(yīng)電勢(shì)近似于余弦函數(shù)變化了一個(gè)周期。若用數(shù)學(xué)公式描述，設(shè)是加在滑尺任一繞組上的激磁交變電壓 圖 4-6 感應(yīng)同步器的工作原理 （412）由上述及電磁學(xué)原理，定尺繞組上的感應(yīng)電勢(shì)為 （413）式中K耦合系數(shù)；反映的是定尺和滑尺的相對(duì)移動(dòng)的距離x，可用下式表示： =(22)x=()x （414）由式(4-14)和式(4-15)可知，感應(yīng)同步器的工作原理與兩極式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理一樣，只要測(cè)量出的值，便可求出角，進(jìn)而求得滑尺相對(duì)于定尺移動(dòng)的距離x。當(dāng)分別向滑尺上的兩繞組施加不同的激磁電壓時(shí)，如式(4-3)、(4-4)及式(4-6)、(4-7)所示的和，根據(jù)施加的激磁交變電壓信號(hào)的不同，感應(yīng)同步器也分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式，其原理與四極式旋轉(zhuǎn)變壓器完全相同，請(qǐng)參看4-1。2感應(yīng)同步器的應(yīng)用在感應(yīng)同步器的應(yīng)用過程中，除同樣會(huì)遇到旋轉(zhuǎn)變壓器在應(yīng)用過程中所遇到的角須限定在-,內(nèi)的問題或要求之外，直線式感應(yīng)同步器還常常會(huì)遇到有關(guān)接長(zhǎng)的問題。例如，當(dāng)感應(yīng)同步器用于檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的位移時(shí)，一般地，由于行程較長(zhǎng)，一塊感應(yīng)同步器常常難以滿足檢測(cè)長(zhǎng)度的要求，需要將兩塊或多塊感應(yīng)同步器的定尺拼接起來，即感應(yīng)同步器接長(zhǎng)。接長(zhǎng)的原理是：滑尺沿著定尺由一塊向另一塊移動(dòng)經(jīng)過接縫時(shí)，由感應(yīng)同步器定尺繞組輸出的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，它所表示的位移應(yīng)與用更高精度的位移檢測(cè)器(如激光干涉儀)所檢測(cè)出的位移相互之間要滿足一定的誤差要求，否則，應(yīng)重新調(diào)整接縫，直到滿足這種誤差要求時(shí)止。43 光柵在高精度的數(shù)控機(jī)床上，目前大量使用光柵作為反饋檢測(cè)元件。光柵與前面講的旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同，它不是依靠電磁學(xué)原理進(jìn)行工作的，不需要激磁電壓，而是利用光學(xué)原理進(jìn)行工作，因而不需要復(fù)雜的電子系統(tǒng)。常見的光柵從形狀上可分為圓光柵和長(zhǎng)光柵。圓光柵用于角位移的檢測(cè)，長(zhǎng)光柵用于直線位移的檢測(cè)。光柵的檢測(cè)精度較高，可達(dá)以上。一、 光柵的構(gòu)造光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測(cè)元件，它主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床的活動(dòng)部件上(如工作臺(tái)或絲杠)，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的固定部件上(如機(jī)床底座)，二者隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而相對(duì)移動(dòng)。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個(gè)指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動(dòng)。當(dāng)安裝光柵時(shí)，要嚴(yán)格保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。1光柵尺的構(gòu)造和種類光柵尺包括標(biāo)尺光柵和指示光柵，它是用真空鍍膜的方法光刻上均勻密集線紋的透明玻璃片或長(zhǎng)條形金屬鏡面。對(duì)于長(zhǎng)光柵，這些線紋相互平行，各線紋之間距離相等，我們稱此距離為柵距。對(duì)于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是決定光柵光學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。常見的長(zhǎng)光柵的線紋密度為25,50,100,125,250條mm。對(duì)于圓光柵，若直徑為70mm,一周內(nèi)刻線100-768條；若直徑為110mm，一周內(nèi)刻線達(dá)600-1024條，甚至更高。同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同。2光柵讀數(shù)頭圖4-7是光柵讀數(shù)頭的構(gòu)成圖，它由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。讀數(shù)頭的光源一般采用白熾燈泡。白熾燈泡發(fā)出的輻射光線，經(jīng)過透鏡后變成平行光束，照射在光柵尺上。光敏元件是一種將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件，它接收透過光柵尺的光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號(hào)。由于光敏元件產(chǎn)生的電壓信號(hào)一般比較微弱，在長(zhǎng)距離傳遞時(shí)很容易被各種干擾信號(hào)所淹沒、覆蓋，造成傳送失真。為了保證光敏元件輸出的信號(hào)在傳送中不失真，應(yīng)首先將該電壓信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大，然后再進(jìn)行傳送。驅(qū)動(dòng)線路就是實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏元件輸出信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的線路。圖 4-7 光柵讀鏡頭根據(jù)不同的要求，讀數(shù)頭內(nèi)常安裝2個(gè)或4個(gè)光敏元件。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式，除圖4-7的垂直入射式之外，按光路分，常見的還有分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭等。圖4-8(a)、(b)、(c)分別給出了它們的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中Q表示光源，L表示透鏡，G表示光柵尺，P表示光敏元件，表示棱鏡。圖4-8 光柵讀鏡頭結(jié)構(gòu)原理圖（a）分光讀數(shù)頭 （b）反射讀數(shù)頭（c） 鏡像讀數(shù)頭二、工作原理常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。圖4-9是其工作原理圖。當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個(gè)區(qū)域透過光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：(1) 當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，透過莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。(2) 若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為W=dsin （415）當(dāng)角很小時(shí)，取sin，上式可近似寫成W=d （416）若取d=0.01mm,=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明，無需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個(gè)重要特點(diǎn)。(3) 由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對(duì)光柵個(gè)別線紋之間的柵距誤差具有平均效應(yīng)，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。(4) 莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d，莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直，且當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。圖4-9 光柵工作原理根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假如我們?cè)谀獱枟l紋移動(dòng)的方向上開4個(gè)觀察窗口A，B，C，D，且使這4個(gè)窗口兩兩相距14莫爾條紋寬度，即W4。由上述討論可知，當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋隨之移動(dòng)，從4個(gè)觀察窗口A，B，C，D可以得到4個(gè)在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向)14周期(即2)的近似于余弦函數(shù)的光強(qiáng)度變化過程，用表示，見圖4-9(c)。若采用光敏元件來檢測(cè)，光敏元件把透過觀察窗口的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，設(shè)為。根據(jù)這4個(gè)電壓信號(hào)，可以檢測(cè)出光柵尺的相對(duì)移動(dòng)。1位移大小的檢測(cè)由于莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)是相對(duì)應(yīng)的，故通過檢測(cè)這4個(gè)電壓信號(hào)的變化情況，便可相應(yīng)地檢測(cè)出兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)。每變化一個(gè)周期，即莫爾條紋每變化一個(gè)周期，表明兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)了一個(gè)柵距的距離；若兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)不到一個(gè)柵距，因是余弦函數(shù)，故根據(jù)之值也可以計(jì)算出其相對(duì)移動(dòng)的距離。2位移方向的檢測(cè)在圖4-9(a)中，若標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，指示光柵沿正方向移動(dòng)，這時(shí)，莫爾條紋相應(yīng)地沿向下的方向移動(dòng)，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)度變化過程和及輸出的相應(yīng)的電壓信號(hào)和如圖4-10(a)所示，在這種情況下，滯后的相位為2；反之，若標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，指示光柵沿負(fù)方向移動(dòng)，這時(shí)，莫爾條紋則相應(yīng)地沿向上的方向移動(dòng)，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)度變化過程和及輸出的相應(yīng)的電壓信號(hào)和如圖4-10(b)所示，在這種情況下，超前的相位為2。因此，根據(jù)和兩信號(hào)相互間的超前和滯后關(guān)系，便可確定出兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)方向。圖 4-10 光柵的位移檢測(cè)原理圖圖 4-11 光柵信息處理線路框圖3速度的檢測(cè)兩光柵尺的相對(duì)移動(dòng)速度決定著莫爾條紋的移動(dòng)速度，即決定著透過觀察窗口的光強(qiáng)度的頻率，因此，通過檢測(cè)的變化頻率就可以推斷出兩光柵尺的相對(duì)移動(dòng)速度。三、 光柵信息處理及應(yīng)用如前所述，當(dāng)兩光柵尺有相對(duì)位移時(shí)，光柵讀數(shù)頭中的光敏元件根據(jù)透過莫爾條紋的光強(qiáng)度變化，將兩光柵尺的相對(duì)位移即工作臺(tái)的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成了四路兩兩相差2的電壓信號(hào)，這四路電壓信號(hào)的變化頻率代表了兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的速度；它們每變化一個(gè)周期，表示兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)了一個(gè)柵距；四路信號(hào)的超前滯后關(guān)系反映了兩光柵尺的相對(duì)移動(dòng)方向。但在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要將兩光柵尺的相對(duì)位移表達(dá)成易于辨識(shí)和應(yīng)用的數(shù)字脈沖量，因此，光柵讀數(shù)頭輸出的四路電壓信號(hào)還必須經(jīng)過進(jìn)一步的信息處理，轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字脈沖形式。圖4-11給出了一種用于光柵信息處理的線路框圖。它由三個(gè)部分組成，即放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)和鑒向倍頻線路。1、放大與整形放大與整形環(huán)節(jié)與一般系統(tǒng)中采用的原理及結(jié)構(gòu)無多大差別，主要是用以求得電壓與功率的圖4-11光柵信息處理線路框圖放大以及波形的規(guī)整。這里的放大環(huán)節(jié)主要采用的是差動(dòng)放大器，以抑制各種共模干擾信號(hào)的影響及矯正因光柵尺和光柵讀數(shù)頭的機(jī)械誤差造成的光柵讀數(shù)頭輸出信號(hào)的相位誤差，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)后，(其初相位分別對(duì)應(yīng)于圖4-11中的0，2，和32)四路電壓信號(hào)變成兩路，一路其初相位和頻率同一樣，一路同一樣，分別記為和 (對(duì)應(yīng)于圖4-11中放大環(huán)節(jié)輸出的0和2)。整形環(huán)節(jié)采用的是電壓比較器，其作用是將和轉(zhuǎn)換成同頻率同相位的兩路方波信號(hào)A和B(分別對(duì)應(yīng)于圖4-11中的sin和cos)，見圖4-12。電壓比較器可選用LM311。圖 4-12 整形環(huán)節(jié)信號(hào)輸入輸出關(guān)系2鑒向倍頻顧名思義，鑒向倍頻線路的功能有兩個(gè)：一是鑒別方向，即根據(jù)整形環(huán)節(jié)輸出的兩路方波信號(hào)A和B的相位關(guān)系確定出工作臺(tái)的移動(dòng)方向；二是將A和B兩路信號(hào)進(jìn)行脈沖倍頻，即將圖4-13鑒向倍頻線路框圖一個(gè)周期內(nèi)的一個(gè)脈沖(方波)變?yōu)樗膫€(gè)脈沖，這四個(gè)脈沖兩兩相距14周期。因一個(gè)周期內(nèi)的一個(gè)脈沖表示工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)柵距，這一個(gè)周期內(nèi)的四個(gè)脈沖中的每一個(gè)則表示了工作臺(tái)移動(dòng)了14柵距，這樣就提高了光柵測(cè)量裝置的分辨率。圖4-13是鑒向倍頻線路的框圖，圖中實(shí)現(xiàn)四倍頻的線路如圖4-14所示，其波形圖見圖4-15。這種倍頻線路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)與時(shí)鐘CP同步，應(yīng)用比較方便，工作也十分可靠。在該四倍頻線路中，時(shí)鐘脈沖信號(hào)的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方波信號(hào)A和B的頻率以減少倍頻后的相移誤差。此外，從圖4-15也可以看出，真正實(shí)現(xiàn)四倍頻，和還需要“或”起來，這將由鑒向線路來完成。圖 4-13 鑒相倍頻線路框圖圖4-14 四倍頻線路邏輯圖圖4-14 四倍頻線路波形圖圖4-16是鑒向線路圖，它實(shí)際上是由一個(gè)雙“四選一”線路所組成。雙“四選一”線路有專用的集成電路。如74LS153，其真值表見表4-2。圖 4-16 鑒向線路圖 數(shù) 據(jù) 選 則 輸 出 ENB ENA y 0 0 y=C0 0 1 y=C1 1 0 y=C2 1 1 y=C3 表4-2 雙“四選一”線路真值表如果我們用1y表示正向脈沖輸出端，2y表示反向脈沖輸出端，根據(jù)雙“四選一”線路的真值表，可以得到1y和2y的表達(dá)式： （417） （418）由上式可畫出方波A滯后于B(即工作臺(tái)正向移動(dòng))和A超前于B(即工作臺(tái)反向移動(dòng))時(shí)波形圖如圖4-17所示。由圖中可以看出：工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)，在1y端輸出了一系列代表移動(dòng)距離的數(shù)字脈沖，而2y端為低電平；反過來，工作臺(tái)反向移動(dòng)時(shí)，1y端輸出的是低電平，而2y端輸出了一系列代表移動(dòng)距離的數(shù)字脈沖。因此，只要1y端有脈沖，就表示了工作臺(tái)正向移動(dòng)，若2y端有脈沖，則表示工作臺(tái)反向移動(dòng)。 圖 4-17 鑒向線路波形圖（a）工作臺(tái)正向移動(dòng)（b）工作臺(tái)反向移動(dòng)2-5 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且其精度能滿足一般的檢測(cè)要求，因此被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上。一、 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和兩相繞線式異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子和轉(zhuǎn)子的鐵心由鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖成的槽狀心片疊成。它們的繞組分別嵌入各自的槽狀鐵心內(nèi)。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。圖2-1是有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它的轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。 圖2-1 有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器圖2-2 無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器圖2-2是無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它分為兩大部分，即旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器。附加變壓器的原、副邊鐵心及其線圈均成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號(hào)，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號(hào)，通過電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊線圈間接地送出去。這種結(jié)構(gòu)避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質(zhì)量、成本均有所增加。常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，四極繞組則有兩對(duì)磁極，主要用于高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。二、 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)一周)之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。圖2-3為兩極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理圖。圖中Z為阻抗。設(shè)加在定子繞組S1S2的激磁電壓為 （2-1）圖 2-3 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)電磁學(xué)原理，轉(zhuǎn)子繞組B1B2中的感應(yīng)電勢(shì)則為 （2-2）式中K：旋轉(zhuǎn)變壓器的變化；Vm：Vs的幅值：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)，=0。如果轉(zhuǎn)子安裝在機(jī)床絲杠上，定子安裝在機(jī)床底座上，則角代表的是絲杠轉(zhuǎn)過的角度，它間接反映了機(jī)床工作臺(tái)的位移。由式(2-2)可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)VB為以角速度隨時(shí)間t變化的交變電壓信號(hào)。其幅值隨轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)角位移以正弦函數(shù)變化。因此，只要測(cè)量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，即角的大小。以上是兩極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到使用的方便性和檢測(cè)精度等因素，常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器。這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器可分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式。1鑒相式工作方式鑒相式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的相位來確定被測(cè)位移大小的檢測(cè)方式。如圖2-4所示，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個(gè)匝數(shù)相等互相垂直的繞組組成。圖中S1S2為定子主繞組，K1K2為定子輔助繞組。當(dāng)S1S2和K1K2中通以交變激磁電壓時(shí) （2-3） （2-4）根據(jù)線性疊加原理，可在轉(zhuǎn)子繞組B1B2中得到感應(yīng)電勢(shì)VB，其值為激磁電壓VS和VK在B1B2中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)VBS和VBK之和，即 （2-5） 圖 2-4 旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理由式(2-4)和(2-5)可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)VB與定子繞組中的激磁電壓同頻率，但相位不同，其差值為。而角正是被測(cè)位移，故通過比較感應(yīng)電勢(shì)VB與定子激磁電壓信號(hào)VK的相位，便可求出。在圖2-4中，轉(zhuǎn)子繞組A1A2接一高阻抗，它不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量輸出，主要起平衡磁場(chǎng)的作用，目的是為了提高測(cè)量精度。2鑒幅式工作方式鑒幅式工作方式是通過對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)幅值的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)的。其工作原理如下：參看圖2-4，設(shè)定子主繞組S1S2和輔助繞組K1K2分別輸入交變激磁電壓 （2-6） （2-7）式中和分別為激磁電壓VS和VK的幅值。角可以改變，稱其為旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角。根據(jù)線性疊加原理，得出轉(zhuǎn)子繞組B1B2中的感應(yīng)電勢(shì)VB如下： （2-8） 由式(2-8)可以看出，感應(yīng)電勢(shì)VB是幅值為的交變電壓信號(hào)，我們只要逐漸改變值，使VB的幅值等于零，這時(shí)，因 （2-9）故可得 ： （2-10）值就是被測(cè)角位移的大小。由于是我們通過對(duì)它的逐漸改變，實(shí)現(xiàn)使VB幅值等于零的，其值自然是應(yīng)該知道的。三、 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒相式工作方式中，感應(yīng)信號(hào)VB和激磁信號(hào)VK之間的相位差角，可通過專用的鑒相器線路檢測(cè)出來并表示成相應(yīng)的電壓信號(hào)，設(shè)為，通過測(cè)量該電壓信號(hào)，便可間接地求得值。但由于VB是關(guān)于的周期性函數(shù)，是通過比較VB和VK之值獲得的，因而它也是關(guān)于的周期性函數(shù)，即 (n=1,2,3,) （2-9）故在實(shí)際應(yīng)用中，不但要測(cè)出的大小，而且還要測(cè)出的周期性變化次數(shù)n，或者將被測(cè)角位移角限制在之內(nèi)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒幅式工作方式中，VB的幅值設(shè)為VBM，由式(2-8)可知 （2-10）它也是關(guān)于的周期性函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，同樣需要將角限制在之內(nèi)。在這種情況下，若規(guī)定和限制角只能在-,內(nèi)取值，利用式(2-10)，便可唯一地確定出之值。否則，如=3/2()，這時(shí)，=3/2和=-/2都可使VBM=0，從而使角不能唯一地確定，造成檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤。由上述知，無論是旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒相式工作方式，還是鑒幅式工作方式，都需要將被測(cè)角位移角限定在之內(nèi)，只要在之內(nèi)，就能夠被正確地檢測(cè)出來。事實(shí)上，對(duì)于被測(cè)角位移大于或小于-的情況，如用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角的情況，盡管總的機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角可能很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出限定的范圍，但卻是機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)過的若干次小角度i之和，即 （2-11）而i很小，在數(shù)控機(jī)床上一般不超過3，符合-i的要求，旋轉(zhuǎn)變壓器及其信號(hào)處理線路可以及時(shí)地將它們一一檢測(cè)出來，并將結(jié)果輸出。因此，這種檢測(cè)方式屬于動(dòng)態(tài)跟隨檢測(cè)和增量式檢測(cè)。2-6 磁 柵磁柵是一種利用電磁特性和錄磁原理對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)的裝置。它一般分為磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭以及檢測(cè)電路三部分。在磁性標(biāo)尺上，有用錄磁磁頭錄制的具有一定波長(zhǎng)的方波或正弦波信號(hào)。檢測(cè)時(shí)，拾磁磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的方波或正弦波電磁信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)此電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的檢測(cè)。磁柵按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為直線式和角位移式，分別用于長(zhǎng)度和角度的檢測(cè)。磁柵具有精度高、復(fù)制簡(jiǎn)單以及安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在油污、灰塵較多的工作環(huán)境使用時(shí)，仍具有較高的穩(wěn)定性。磁柵作為檢測(cè)元件可用在數(shù)控機(jī)床和其他測(cè)量機(jī)上。一、磁性標(biāo)尺和拾磁磁頭1、磁性標(biāo)尺一般由非導(dǎo)磁材磁性標(biāo)尺(簡(jiǎn)稱磁尺)可分為兩部分，即磁性標(biāo)尺基體和磁性膜。磁性標(biāo)尺的基體料(如玻璃、銅、鋁或其他合金材料)制成。磁性膜是化學(xué)涂敷、化學(xué)沉積或電鍍?cè)诖判詷?biāo)尺基體上的一層厚1020um的磁性材料，該磁性材料均勻分布在磁性標(biāo)尺的基體上，且成膜狀，故稱磁性膜。磁性膜上有用錄磁方法錄制的波長(zhǎng)為的磁波。對(duì)于長(zhǎng)磁性標(biāo)尺來說，其磁性膜上的磁波波長(zhǎng)一般取0.005，0.01，0.20，1mm等幾種；對(duì)于圓磁性標(biāo)尺，為了等分圓周，錄制的磁波波長(zhǎng)不一定是整數(shù)值。在實(shí)際應(yīng)用中，為防止磁頭對(duì)磁性膜的磨損，一般在磁性膜上均勻地涂上一層厚12um的耐磨塑料保護(hù)層，以提高磁性標(biāo)尺的壽命。按磁性標(biāo)尺基體的形狀，磁柵可分為實(shí)體式磁柵、帶狀磁柵、線狀磁柵和回轉(zhuǎn)形磁柵。前三種磁柵用于直線位移測(cè)量，后一種用于角位移測(cè)量。各種磁尺結(jié)構(gòu)形狀見圖2-18所示。（a）實(shí)體式磁尺（b）帶狀磁尺（c）線狀磁尺（d）回轉(zhuǎn)形磁尺圖 2-18 各種磁尺結(jié)構(gòu)示意圖2、拾磁磁頭拾磁磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的器件，它將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。磁柵的拾磁磁頭與一般錄音機(jī)上使用的單間隙速度響應(yīng)式磁頭不同，它不僅能在磁頭與磁性標(biāo)尺之間有一定相對(duì)速度時(shí)拾取信號(hào)，而且也能在它們相對(duì)靜止時(shí)拾取信號(hào)。這種磁頭叫做磁通響應(yīng)式磁頭，其結(jié)構(gòu)如圖2-19所示，它的一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是在它的磁路中設(shè)有“可飽和鐵心”，并在鐵心的可飽和段上繞有兩個(gè)可產(chǎn)生不同磁通方向的激磁繞組N2和N3。圖 2-19 磁通響應(yīng)式磁頭二、 拾磁原理圖2-20是磁通響應(yīng)式磁頭中可飽和鐵心的磁化曲線，H是施加于可飽和鐵心的外磁場(chǎng)強(qiáng)度，B是可飽和鐵心內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度HHM時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與H成正比，即B=H, 是磁導(dǎo)率。當(dāng)HHM時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定于BM值，不再隨H的增加而提高，達(dá)到磁飽和狀態(tài)。圖 2-20 可飽和鐵心磁化曲線施加于可飽和鐵心的外磁場(chǎng)強(qiáng)度可分為兩部分。一是激磁電流I流過繞組N2和N3時(shí)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)強(qiáng)度H2和H3，設(shè)激磁電流為 （2-19）則磁場(chǎng)強(qiáng)度為 （2-20） （2-21）式中n2和n3分別為繞組N2和N3單位長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)。另一外磁場(chǎng)強(qiáng)度是磁尺上的磁信號(hào)H1對(duì)可飽和鐵心的作用，如圖2-19所示，設(shè) H1為： （2-22）式中H0：磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅；：磁波H1的波長(zhǎng)；x：磁頭相對(duì)于磁尺的位移。當(dāng)磁頭位于圖示的a點(diǎn)時(shí)，H0=0。磁通響應(yīng)式磁頭的制作，通過適當(dāng)?shù)剡x擇磁頭的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸來實(shí)現(xiàn)。圖 2-21 可飽和鐵心工作曲線當(dāng)H1=0時(shí)，保證H2和H3的共同作用，使可飽和鐵心處于臨界飽和狀態(tài)。這時(shí)，根據(jù)磁路定律，可飽和鐵心內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 （2-23）式中W是一個(gè)與磁頭磁阻有關(guān)的系數(shù)。在可飽和鐵心處于臨界飽和狀態(tài)時(shí)，B1的工作點(diǎn)位于圖2-21所示的0點(diǎn)，即原點(diǎn)。在這種情況下，B1在磁頭的N1段產(chǎn)生的交變磁通 （2-24）式中S為N1段的橫截面積。交變磁通使線圈N1產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E，E用下式表示： （2-25）若設(shè)e是E的二次諧波，顯然，對(duì)于上述這種情況e=0 （2-26）當(dāng)磁頭偏離磁尺上的a點(diǎn)向右移動(dòng)時(shí)，若，它的作用使可飽和鐵心上各段的外磁場(chǎng)強(qiáng)度有的加強(qiáng)，有的減弱。設(shè)AB段因H10而加強(qiáng)，即AB段除外磁場(chǎng)強(qiáng)度H2和H3共同作用外又疊加了一個(gè)正的直流分量H1。H1的作用，使AB段磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的工作點(diǎn)上移(至f點(diǎn)，見圖2-21)，從而導(dǎo)致AB段鐵心內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2由臨界飽和狀態(tài)變?yōu)榭娠柡蜖顟B(tài)，出現(xiàn)磁飽和，使B2的正弦波波頂被削掉。在這種情況下，B2在磁頭的N1段產(chǎn)生的交變磁通 (2-27)它使線圈N1產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E，用傅里葉級(jí)數(shù)將E展開，出現(xiàn)多級(jí)偶次諧波，其中二次諧波為 (2-28)式中E0為系數(shù)。很顯然，式(2-26)是式(2-28)在x=/2, ，3/2，2，條件下的特殊情況。綜合上述兩種情況，通過設(shè)置選頻濾波線路對(duì)拾磁繞組N1中的感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行調(diào)制，即只選取拾磁繞組N1中感應(yīng)電勢(shì)的二次諧波e，這時(shí)，從式(2-26)及式(2-28)可以看出，根據(jù)這兩個(gè)式子，由調(diào)制后得到的感應(yīng)電勢(shì)的二次諧波e，便可確定出拾磁磁頭和磁尺的相對(duì)位移，且信號(hào)e與拾磁磁頭和磁尺的相對(duì)移動(dòng)的速度無關(guān)，而只與兩者的相對(duì)位移大小相關(guān)。三、 磁柵的工作原理在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了提高拾磁繞組中感應(yīng)電勢(shì)的幅值，常將空間上相距的幾個(gè)磁頭的線圈串聯(lián)起來，作為一組拾磁磁頭。磁柵作為測(cè)量元件，根據(jù)對(duì)磁頭上拾磁繞組中感應(yīng)電勢(shì)的不同處理方法，可做成鑒相式工作狀態(tài)和振幅式工作狀態(tài)兩種。無論哪一種工作狀態(tài)，都必須設(shè)置兩個(gè)或兩組間距為(n1/4)的拾磁磁頭，如圖2-22所示，n是任意整數(shù)。圖 2-22 雙磁頭配置原理圖1鑒相式工作狀態(tài)對(duì)圖2-22所示的兩組磁頭A和B的激磁繞組分別通以同頻率、同相位、同幅值的激磁電流 （2-29）取磁尺上的某N點(diǎn)為起點(diǎn)，若A磁頭離開起點(diǎn)的距離為x，則A和B磁頭上拾磁繞組輸出的感應(yīng)電勢(shì)二次諧波為 （2-30） （2-31）式中I0：激磁電流幅值；E0：磁頭輸出的感應(yīng)電勢(shì)二次諧波幅值；：激磁電流頻率的二倍值。把A磁頭輸出的感應(yīng)電勢(shì)中的移相，則得到 （2-32）將和相加，于是有（2-33）通過鑒別e和之間的相位差(2/)x，便可檢測(cè)出磁頭相對(duì)于磁尺的位移x。鑒別e和之間的相位差，與鑒相式旋轉(zhuǎn)變壓器及鑒相式感應(yīng)同步器的原理和方法一致，它們的信號(hào)處理和應(yīng)用方式也一樣，請(qǐng)參見鑒相式旋轉(zhuǎn)變壓器的信息處理及應(yīng)用。2、振幅式工作方式同鑒相式工作狀態(tài)一樣，對(duì)兩組拾磁磁頭A，B的激磁繞組通以同頻率、同相位、同幅值的激磁電流，即從兩磁頭繞組輸出感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的二次諧波為 （2-34）這是磁頭給出的原始信息。如果我們用檢波器將和中的高頻載波濾掉，便可得到相位差為的兩路交變電壓信號(hào)，即 （2-35） （2-36）與光柵測(cè)量元件的信息處理方式一樣，首先，對(duì)和進(jìn)行放大、整形，將和轉(zhuǎn)換成兩路相差1