數(shù)控技術課程 第5章 數(shù)控檢測技術

第5章數(shù)控檢測技術1/16/20235.1概

述

組成：位置等測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。1/16/20235.1.1檢測裝置的分類

數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。

☆安裝的位置及耦合方式—直接測量和間接測量；

☆測量方法—增量型和絕對型;

☆檢測信號的類型—模擬式和數(shù)字式；

☆運動型式—回轉型和直線型；

☆信號轉換的原理—光電效應、光柵效應、電磁感應原理、壓電效應、壓阻效應和磁阻效應等。

1/16/2023表5．1數(shù)控機床檢測裝置分類

分

類

增

量

式

絕

對

式

位移傳感器

回轉型——脈沖編碼器、自整角機、旋轉變壓器、圓感應同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

多極旋轉變壓器、絕對脈沖編碼器

絕對值式光柵、三速圓感應同步器、磁阻式多極旋轉變壓器

直線型——直線應同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應同步器、絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測速發(fā)電機、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

1/16/2023傳感器的性能指標應包括靜態(tài)特性和動態(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)關系的準確程度稱作精度。高精度和高速實時測量。

2.分辨率

分辯率應適應機床精度和伺服系統(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.測量范圍和量程絕對和增量，其測量范圍和量程不一樣。

6.零漂與溫漂測量零點的變化，以及測量零點隨溫度的變化。

其它：

可靠，抗干擾性強、使用維護方便、成本低等。

5.1.2數(shù)控測量裝置的性能指標及要求

1/16/20235.2旋轉變壓器

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圖5﹒1旋轉變壓器結構示意

1-轉軸2-軸承3-機殼4-轉子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

1/16/2023旋轉變壓器（Resolver）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。分類：有電刷、集電環(huán)結構和無刷結構單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應

5.2.1旋轉變壓器的結構和工作原理

定子轉子S1R1S2S3S4R2R3R41/16/2023

E2=KV

1cosα=KV

msinωtcosα

α=90°E

2=0α=0°E

2=KV

mSINωt式中:E2—轉子繞組感應電勢；

V1—定子繞組勵磁電壓

V1=Vmsinωt；

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

5.2.1旋轉變壓器的結構和工作原理

V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmSINωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

1/16/2023鑒相方式

Vs=VmsinωtVc=Vmcosωt

E2=KV

mcosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

5.22旋轉變壓器的應用

VSVSVsVcE2

圖5.3

定子兩相繞組勵磁

轉子輸出信號的相位角(ωt-α)與轉子的偏轉角之間有著嚴格的對應關系。1/16/20232.鑒幅方式

Vs=Vmsinα電sinωtVc=Vmcosα電sinωt

E2=KV

mcosα機-KV

csinα機=KV

m

sinωt(sinα電cosα機-cos電sinα機=KV

m

sin(α電-α機)sinωt

5.22旋轉變壓器的應用VSVSVsVcE2

圖5.3

定子兩相繞組勵磁

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

幅值(利用E2=0)，便可間接的求出機械角α機，從而得出被測角位移。

1/16/20235.22旋轉變壓器的應用VSVS1/16/20235.4直線光柵

光柵的分類：物理光柵和計量光柵光柵的運動方式：長光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵1/16/20231.長光柵檢測裝置的結構

主要結構為標尺光柵和指示光柵柵距和柵距角（兩個光柵錯開的角度）是重要參數(shù)

5.4.1長光柵檢測裝置的結構

圖5.9光柵的結構

1-防護墊2-光柵讀數(shù)頭

3-標尺光柵

4-防護罩

VS312431245標尺光柵圖5.10光柵讀數(shù)頭1-光源

2-準直鏡3-指示光柵

4-光敏元件5-驅動線路

1/16/20232.工作原理（以透射投影為例）摩爾條紋寬度W的理論公式

W-摩爾條紋寬度d-柵距莫爾條紋：嚴格來說：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

5.4.1長光柵檢測裝置的結構

d放大2倍

Θ/2當d1=d2=d時，wwd2d2d1d2d1d1d2VSθ

d

WW

1/16/2023

莫爾條紋的特征：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。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)與兩光柵相對移過的柵距數(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之間關系：由圖可知sin(θ/2)

=(d/2)/

W，W=(d/2)/

sin(θ/2)

θ很小可認為sin(θ/2)≈θ/2

故W=d/θ

例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100倍。（3）均化柵距誤差作用莫爾條紋是由很多光柵條紋形成，莫爾條紋之間的距離相對光柵柵距是很大的，故光柵柵距誤差影響不大。

5.4.1長光柵檢測裝置的結構

1/16/2023莫爾條紋的細分技術：光學細分、機械細分和電子細分：四倍頻電路（還有多倍頻電路）

5.4.2光柵位移-數(shù)字變換電路

abcd差動放大差動放大整形整形方向辨別門電路可逆計數(shù)正脈沖反脈沖a)a)原理框圖原理：摩爾條變成方波

摩爾條紋信號為正（余）弦信號，有四塊光電池（相位彼此相差90o）接收，a、c信號相位差180o，送入差動（放大器防干擾、放大），得sin信號。同理由b、d信號得cos信號。經整形變成方波。

產生正走、反走脈沖經方向辨別電路，在正走時（反走）產生四個正走脈沖（四個反走脈沖）。

可逆計數(shù)器計數(shù)1/16/2023bdac差動放大插動放大(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A’BAD'C’DB’CBC'AB'A’DCD'b)c)b)邏輯電路圖反向電路使方波反向，微分電路產生脈沖，Y1~Y8為“與門”，H1、H2為“或門”c)波形圖：脈沖的產生在方波上升沿（上升沿微分）sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走：(H1)反走(H1)低電平Y1=A’BY2=AD’Y3=C’DY4=B’CY5=BC’Y6=AB’Y7=A’DY8=CD’(H2)低電平(H2)Sin超前90oCos超前90o1/16/20235.5光電脈沖編碼器

5.5.1脈沖編碼器的分類與結構

作用：脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，能把機械轉角變成電脈沖可作為位置檢測和速度檢測裝置。分類：脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應式。原理：光通過二個光柵線紋產生近似正余弦的脈沖信號A、B、Z，經整形放大變成方波。編碼器是一種增量檢測裝置。參數(shù)：它的型號是由每轉發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。2000P/r、2500P/r和3000P/r等；

共有3路脈沖A（如2500P/r）、B（如2500P/r）、Z（1P/r）1234567圖5.14光電脈沖編碼器的結構1-光源2-圓光柵3-指示光柵4-光電池組5-機械部件6-護罩7-印刷電路板

1/16/2023

5.5.2光電脈沖編碼器的工作原理ωt

節(jié)距PAB90°

90°

圖5.15光電脈沖編碼器的輸出波形

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5.5.3光電脈沖編碼器的應用

可逆計數(shù)B相信號單穩(wěn)A相信號a+整形整形dbcef-&&反向abcdefabcdef應用一：適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖

a)邏輯電路圖b)波型圖①正走：a超前b1/4周期加計數(shù)

②反走：a超前b1/4周期減計數(shù)

低電平低電平1/16/2023

5.5.3光電脈沖編碼器的應