數(shù)控檢測(cè)裝置(成教)課件

第2章數(shù)控檢測(cè)裝置11/22/2022第2章數(shù)控檢測(cè)裝置10/11/20222.1概

述

組成：位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成的。作用：實(shí)時(shí)測(cè)量執(zhí)行部件的位移和速度信號(hào)，并變換成位置控制單元所要求的信號(hào)形式，將運(yùn)動(dòng)部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測(cè)裝置的精度決定的，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，必須精心選擇位置檢測(cè)裝置。11/22/20222.1概述組成：位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，主要如下。

1.精度

符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱作精度。高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量。2.分辨率

分辯率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。3.靈敏度靈敏度高、一致。4.遲滯對(duì)某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。5.測(cè)量范圍和量程6.零漂與溫漂其它：可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。

2.1.1對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求

11/22/2022傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，主要如下。22.1.2檢測(cè)裝置的分類

數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置分為位移、速度和電流三種類型。

☆安裝的位置及耦合方式—直接測(cè)量和間接測(cè)量；

☆測(cè)量方法—增量型和絕對(duì)型;

☆檢測(cè)信號(hào)的類型—模擬式和數(shù)字式；

☆運(yùn)動(dòng)型式—回轉(zhuǎn)型和直線型；

☆信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理—光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。

11/22/20222.1.2檢測(cè)裝置的分類數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置分為位移、表2．1數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置分類

分

類

增

量

式

絕

對(duì)

式

位移傳感器

回轉(zhuǎn)型——脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對(duì)脈沖編碼器

絕對(duì)值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器

直線型——直線應(yīng)同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器

速度—角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器

電流傳感器

霍耳電流傳感器

11/22/2022表2．1數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置分類分類增量式2.2旋轉(zhuǎn)變壓器

54318762

圖2﹒1旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

11/22/20222.2旋轉(zhuǎn)變壓器5431876210/11/202旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）簡(jiǎn)稱旋變，又稱作解算器或分解器。分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無(wú)刷結(jié)構(gòu)單對(duì)極元件、多對(duì)極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應(yīng)

2.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R411/22/2022旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）簡(jiǎn)稱旋變，又稱作解算器或分解器

E2=KV

1cosα=KV

msinωtcosαα=90°E

2=0α=0°E

2=KV

mSINωt式中:E2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)；

V1—定子繞組勵(lì)磁電壓

V1=Vmsinωt；

Vm—電壓信號(hào)幅值；α—定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；K—變壓比（即繞組匝數(shù)比）

2.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmSINωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

11/22/2022E2=KV1cosα=KVmsinωtcos鑒相方式

Vs=VmsinωtVc=Vmcosωt

E2=KV

mcosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

2.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

VSVSVsVcE2

圖2.2

定子兩相繞組勵(lì)磁

轉(zhuǎn)子輸出信號(hào)的相位角(ωt-α)與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。11/22/2022鑒相方式2.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用VSVSVsVc2.鑒幅方式

Vs=Vmsinα電sinωtVc=Vmcosα電sinωt

E2=KV

mcosα機(jī)-KV

csinα機(jī)=KV

m

sinωt(sinα電cosα機(jī)-cos電sinα機(jī)=KV

m

sin(α電-α機(jī))sinωt2.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用VSVSVsVcE2

圖2.3

定子兩相繞組勵(lì)磁

感應(yīng)電勢(shì)（E2）是以ω為角頻率、以Vmsin(α電-α機(jī))為幅值的交變電壓信號(hào)。若電氣角α電已知，只要測(cè)出E2

幅值(利用E2=0)，便可間接的求出機(jī)械角α機(jī)，從而得出被測(cè)角位移。

11/22/20222.鑒幅方式2.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用VSVSVs2.3感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺11/22/20222.3感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)sincos節(jié)距2τ（

包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬?duì)平行安裝，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。11/22/2022包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺2.感應(yīng)同步器的工作原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為2~10kHz）的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為11/22/20222.感應(yīng)同步器的工作原理10/11/2022余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)為11/22/2022余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)式中：K——定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；——定尺與滑尺相對(duì)位移的角度表示量（電角度）T——節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。11/22/2022式中：T——節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直3.測(cè)量方法根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。11/22/20223.測(cè)量方法10/11/2022(1)鑒相式工作法滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè)則

從上式可以看出，只要測(cè)得相角，就可以知道滑尺的相對(duì)位移x：

11/22/2022(1)鑒相式工作法則從上式可以看出，只要測(cè)得相角，就2.鑒幅工作法在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個(gè)交流電壓：則：由上式知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨著滑尺的移動(dòng)作正弦變化。因此，可以通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)測(cè)得定尺和滑尺之間的相對(duì)位移。11/22/20222.鑒幅工作法則：由上式知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨著滑尺的2.4光柵

光柵的分類：物理光柵和計(jì)量光柵光柵的運(yùn)動(dòng)方式：長(zhǎng)光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵11/22/20222.4光柵光柵的分類：物理光柵和計(jì)量光柵10/11/21.長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

2.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

圖2.9光柵的結(jié)構(gòu)

1-防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭

3-標(biāo)尺光柵

4-防護(hù)罩

VS312431245標(biāo)尺光柵圖2.10光柵讀數(shù)頭1-光源

2-準(zhǔn)直鏡3-指示光柵

4-光敏元件5-驅(qū)動(dòng)線路

主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵和指示光柵柵距和柵距角（兩個(gè)光柵錯(cuò)開的角度）11/22/20221.長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)2.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)2.工作原理（以透射投影為例）摩爾條文寬度B的理論公式莫爾條紋：

2.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

d放大2倍

VSθ

d

WW

Θ嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：橫向莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直11/22/20222.工作原理（以透射投影為例）摩爾條文寬

莫爾條紋的特征：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對(duì)移過(guò)的柵距數(shù)同步。（2）放大作用

莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線夾角θ之間關(guān)系：由圖可知W=dsinθ

又θ很小可認(rèn)為sinθ≈θ

故W=d/θ

例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100（3）均化柵距誤差作用

2.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

11/22/2022莫爾條紋的特征：2.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)10

莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分

2.4.2光柵位移-數(shù)字變換電路

abcd插動(dòng)放大插動(dòng)放大整形整形方向辨別門電路可逆計(jì)數(shù)正脈沖反脈沖abcd插動(dòng)放大插動(dòng)放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDA’C’B’D’Y1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走反走11/22/2022莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分2.2.5磁柵

1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)2.原理3.測(cè)量方式11/22/20222.5磁柵1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)2.原理3.測(cè)量方1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

1—磁性膜2—基體3—磁尺4—磁頭5—鐵芯6—?jiǎng)?lì)磁繞組7—拾磁繞組11/22/20221.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)1—磁性膜2—基體3—磁尺2.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個(gè)繞組，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為拾磁繞組，將高頻勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組時(shí)，當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：U0——輸出電壓系數(shù)；——磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距；χ——磁頭相對(duì)磁尺的位移；ω——?jiǎng)?lì)磁電壓的角頻率。

式中：

在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來(lái)辨別移動(dòng)的方向11/22/20222.原理：U0——輸出電壓系數(shù)；式中：在實(shí)際應(yīng)用中，需要采3.測(cè)量方式(1)鑒幅測(cè)量方式如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號(hào)兩組磁頭相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測(cè)。這種方法的檢測(cè)線路比較簡(jiǎn)單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。11/22/20223.測(cè)量方式兩組磁頭相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距（2）.鑒相測(cè)量方式將一組磁頭的勵(lì)磁信號(hào)移相90°，則得到輸出電壓為則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對(duì)位置χ變化而變。讀出輸出信號(hào)的相位，就可確定磁頭的位置。

在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為11/22/2022（2）.鑒相測(cè)量方式則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭2.6光電脈沖編碼器

2.6.1脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測(cè)和速度檢測(cè)裝置。脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置，它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分。2000P/r、2500P/r和3000P