兰州交通大学：《数控技术及编程》课程教学资源（教案讲义）15.doc_大学文库

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程二、讲稿第五章数控检测装置第一节概述对位置检测装置的要求在闭环与半闭环伺服控制系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动。位置检测装置是CNC系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向者消除偏差的方向运动，直到偏差为零。为提高数控机床的加工精度，必须提迪度合装痘系统的结度，不何的数拉机床时利量元作和测量系统的能度委束、允许的保 3.使用维护方便，适应机床工作环境： 4.成本低。检测装置的分类不同类型的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求。一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。按工作条件和测量要求的不同，测量方式亦有不同的划分方法，如表5.1所示。 5. 装置分类位按检测方式分类编码盘按检测装置编码方式分类电码按检测信号的类型分类拟式量十旋转变器，感应同步器，磁栅 ,直接测量和间接测量。测量传感器按形状可以分成直线型和回转型。若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标即直线型传感器测量直线位移，回转型传感器测量角位移，则该测量方式为直接测量若回转型行感器测量的角位移只是中间量田它丹推算与之对世工作台直线位移，那么该测量方式为间接置和机床传动链两者的精按测量装不测量量式测的特是只测是位移抗式测量的特点是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每一测量点都有一对应的测量值。 3.数字式测量和模拟式测量所谓数字式是指将机械位移转变为数字脉冲的测量装置，而模拟式是将机械位移量转变为电压幅值或相位的测量装置。数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。数字式测量的特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示处理。模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化相位变化米衣示数控机测元件的种类很多在数字式位置检测装置中采用较多的有光电编码器、光等用和磷转变压。年机在长哭由其些国家仍有较多的应用。数三武的传因而应用在新控机床上除位罗拾别外不右速度拾测其目的是精确地控制转速。转速检测装置常用测速发电动机、回转式脉冲发生器。本章主要介绍各种常用的位置检测元件的结构和工作原理，以及其应用的有关情况。兰州交通大学机电工程学院 2

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿第五章数控检测装置第一节概述一、对位置检测装置的要求在闭环与半闭环伺服控制系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动。位置检测装置是 CNC 系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度。不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。数控机床对位置检测装置的要求如下： 1．受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强； 2．在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求； 3．使用维护方便，适应机床工作环境； 4．成本低。二、检测装置的分类不同类型的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求。一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。按工作条件和测量要求的不同，测量方式亦有不同的划分方法，如表 5.1 所示。表 5.1 位置检测装置分类位置检测装置按检测方式分类直接测量光栅，感应同步器，编码盘间接测量编码盘，旋转变压器按检测装置编码方式分类增量式测量光栅，增量式光电码盘绝对式测量接触式码盘，绝对式光电码盘按检测信号的类型分类数字式测量光栅，光电码盘，接触式码盘模拟式测量旋转变压器，感应同步器，磁栅 1．直接测量和间接测量。测量传感器按形状可以分成直线型和回转型。若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标，即直线型传感器测量直线位移，回转型传感器测量角位移，则该测量方式为直接测量。若回转型传感器测量的角位移只是中间量，由它再推算出与之对应的工作台直线位移，那么该测量方式为间接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动链两者的精度。 2．增量式测量和绝对式测量。按测量装置编码的方式可以分成增量式测量和绝对式测量。增量式测量的特点是只测量位移增量，即工作台每移动一个测量单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。绝对式测量的特点是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每一测量点都有一对应的测量值。 3．数字式测量和模拟式测量。所谓数字式是指将机械位移转变为数字脉冲的测量装置，而模拟式是将机械位移量转变为电压幅值或相位的测量装置。数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。数字式测量的特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示处理。模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、相位变化来表示。数控机床检测元件的种类很多，在数字式位置检测装置中，采用较多的有光电编码器、光栅等。在模拟式位置检测装置中，多采用感应同步器、旋转变压器和磁尺等。随着计算机在工业控制领域的广泛应用，目前感应同步器、旋转变压器和磁尺在国内已很少使用，许多公司已不再经营此类产品。然而旋转变压器由于其抗振、抗干扰性好，在欧美一些国家仍有较多的应用。数字式的传感器使用方便可靠(如光电编码器和光栅等)，因而应用最为广泛。在数控机床上除位置检测外，还有速度检测，其目的是精确地控制转速。转速检测装置常用测速发电动机、回转式脉冲发生器。本章主要介绍各种常用的位置检测元件的结构和工作原理，以及其应用的有关情况

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 3 第二节旋转变压器一、旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器是一种旋转式的小型交流电动机，它由定子和转子组成。如图 5.1 所示是一种无刷旋转变压器的结构，左边为分解器，右边为变压器。变压器的作用是将分解器转子绕组上的感应电动势传输出来，这样就省掉了电刷和滑环。分解器定子绕组为旋转变压器的原边，分解器转子绕组为旋转变压器的副边，励磁电压接到原边，励磁频率通常为 400Hz、500Hz、1000Hz、5000Hz。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号的幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，为数控机床经常使用的位移检测元件之一。 1-电动机轴；2-外壳；3-分解器定子；4-变压器定子绕组；5-变压器转子绕组； 6-变压器转子；7-变压器定子；8-分解器转子；9-分解器定子绕组；10-分解器转子绕组图 5.1 旋转变压器结构图旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正(余)弦规律。当定子绕组上加交流励磁电压（交变电压，频率为 2~4kHz）时，通过互感在转子绕组产生感应电动势，如图 5.2 所示。其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置θ角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。图 5.2 两级旋转变压器工作原理感应电势随着转子偏转的角度呈正（余）弦变化，故有 U2= K U1 cosθ=KUmsinωt cosθ 式中，U2——转子绕组感应电势 U1——定子的励磁电压 Um——定子励磁电压的幅值 θ——两绕组轴线之间的夹角 K——变压比，即两个绕组匝数比 N1/N2 二、旋转变压器的应用使用旋转变压器作位置检测元件有两种方法：鉴相型和鉴幅型。一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，如图 5.3 所示

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程图5.3四级旋转变压器在态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90度的正弦交流电压，如图5.3所示，即 U=Ucosot 因为此两相励磁电压会产生旋转磁场，所以在转子绕组中（另一绕组短接）感应电动势为 U2-U,sin 0+Ue cos0 上式可变换为测量转子绕组输出电压的相位角日，便可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对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，来确定转子转角的位移。 2.鉴幅型在这种应用中，定子两相绕组的励磁电压为颜率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即 U.=Uasin 0 sin t Ue=Umcos sin 告月即合成在中有失感电动势大小与转于和定于的相对 U=KU sin(g)nar 如果0m-0,则U=0 从物理意义上理解，0=0表示定子绕组合成磁通①与转子的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当中垂直转子绕组线圈平面，即0一0士90°时，转子绕组中感应电动势最大。实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子励磁信号的？（即励磁幅值），使其跟踪0的化。当感应电动势U的幅值KU sin(0一0m)为零时，说明0角的大小就是被测角位移0m的统中男为提通旋转变压器多极式旋转变压器，精加定子( 为机械转角的倍数，从而提高测量精度。第三节感应同步器和来的，也是一种电磁式的检测传感器，按其结构可分为直线。这里若重介绍直线式感应同步器。直式成应同步器用于直线构相当于一个展开的多极旋转变压器。它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动。两者平行放置，保持0.2-0.3mm的间隙，如图54所示兰州交通大学机电工程学院 4

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 4 图 5.3 四级旋转变压器 1．鉴相型在这种状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组 S 和余弦绕组 C 中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差 90 度的正弦交流电压，如图 5.3 所示，即 Us=Umsinωt Uc=Umcosωt 因为此两相励磁电压会产生旋转磁场，所以在转子绕组中（另一绕组短接）感应电动势为 U2= Us sinθ+ Uc cosθ 上式可变换为 U2= KUmsinωtsinθ+ KUm cosωt cosθ= KUm cos（ωt-θ）测量转子绕组输出电压的相位角θ，便可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对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，来确定转子转角的位移。 2．鉴幅型在这种应用中，定子两相绕组的励磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即 Us=Umsinθsinωt Uc=Umcosθsin ωt 励磁电压频率为 2~4kHz。定子励磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势 U2，其大小与转子和定子的相对位置θm 有关，并与励磁的幅值 Umsinθ和 Umcosθ有关，即 U2= KUm sin（θ－θm）sin ωt 如果θm=θ，则 U2=0。从物理意义上理解，θm=θ表示定子绕组合成磁通Ф与转子的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当Ф垂直转子绕组线圈平面，即θm=θ±90°时，转子绕组中感应电动势最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子励磁信号的θ（即励磁幅值），使其跟踪θm 的变化。当感应电动势 U2 的幅值 KUm sin（θ－θm）为零时，说明θ角的大小就是被测角位移θm 的大小。另外，普通旋转变压器测量精度较低，一般用于精度要求不高或大型数控机床的粗测或中测系统中。为提高精度，近年来常采用多极式旋转变压器，即增加定子（转子）的极对数，使电气转角为机械转角的倍数，从而提高测量精度。第三节感应同步器一、感应同步器的结构和工作原理感应同步器是从旋转变压器发展而来的，也是一种电磁式的检测传感器，按其结构可分为直线式和旋转式两种。这里着重介绍直线式感应同步器。直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器。它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动。两者平行放置，保持 0.2~0.3mm 的间隙，如图 5.4 所示

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程 A弦励磁绕组余改励酸绕组标准的感应同步器定尺长250mm,尺上有单向、均匀、连续的感应绕组：滑尺长1OOmm,尺上右两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，如图5.4中A所示，一组叫余弦励磁绕组，如图5.4中B 所示。定尺和滑尺绕组的节距相同，用2：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，故表示滑尺上的两个绕组在空间位置上相差14节距，即2相位角和尺的基板采用与机床床身材料的张系数相的低碳上面有用光学用绝在作原理时，由于电磁合的变化，成应组中的成应电感应同步器和旋转变压器品用议个样进测量的所不园的是，旋转容李转子间的转位移器是滑尺和定尺间的直线位移。门门日日口 P■■ 数 4口Π 合距离图55 感应同步器工作原理交有图说明定R感岗压与定重流体的关泰则在定子绕组中若向滑尺上的正弦绕组通以了旋转磁场。这时于图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。随若滑尺相对定尺做平行移动」成应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中B点位置，即与定尺绕组刚好错开4节距时，感应电压为零。再继续移至1/2节距处，即图中C点位置时，为最大的负值电压（即感应电压的幅值与A点相同但极性相反)。再移至34节距，即图中D点位置时，感应电压又为零。当移动到一个节距位置即图中E点，又恢复初始状态，即与A点情况相同。显然，在定尺和滑尺的相对移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移0的关系曲正弦函数关系。根据励慰绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。鉴相工作方式即将正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但相位相差2的交流励磁电压：鉴幅工作方式则是将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的交流兰州交通大学机电工程学院 5

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 5 A-正弦励磁绕组；B-余弦励磁绕组图 5.4 感应同步器结构示意图标准的感应同步器定尺长 250mm，尺上有单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长 100mm，尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，如图 5.4 中 A 所示，一组叫余弦励磁绕组，如图 5.4 中 B 所示。定尺和滑尺绕组的节距相同，用 2τ 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，故表示滑尺上的两个绕组在空间位置上相差 1/4 节距，即 π/2 相位角。定尺和滑尺的基板采用与机床床身材料的热膨胀系数相近的低碳钢，上面有用光学腐蚀方法制成的铜箔锯齿形的印刷电路绕组，铜箔与基板之间有一层极薄的绝缘层。在定尺的铜绕组上面涂一层耐腐蚀的绝缘层，以保持尺面。在滑尺的绕组上面用绝缘的粘接剂粘贴一层铝箔，以防静电感应。感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。所不同的是，旋转变压器是定子、转子间的旋转位移，而感应同步器是滑尺和定尺间的直线位移。图 5.5 感应同步器工作原理图 5.5 说明了定尺感应电压与定尺、滑尺绕组的相对位置的关系。若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压，则在定子绕组中产生励磁电流，因而绕组周围产生了旋转磁场。这时，如果滑尺处于图中 A 点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中 B 点位置，即与定尺绕组刚好错开 1/4 节距时，感应电压为零。再继续移至 1/2 节距处，即图中 C 点位置时，为最大的负值电压（即感应电压的幅值与 A 点相同但极性相反）。再移至 3/4 节距，即图中 D 点位置时，感应电压又为零。当移动到一个节距位置即图中 E 点，又恢复初始状态，即与 A 点情况相同。显然，在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移θ的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。二、感应同步器的应用根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。鉴相工作方式即将正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但相位相差 π/2 的交流励磁电压；鉴幅工作方式则是将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的交流

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 6 励磁电压。 1.鉴相方式在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位相差 90 度的交流电压 Us=Umsinωt Uc=Umcosωt 励磁信号将在空间产生一个以ω为频率移动的行波。磁场切割定尺导片，并在其中感应出电势，该电势随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差θ。按照叠加原理可以直接求出感应电势 U0= KUmsinωt cosθ－KUm cosωt sinθ=KUmsin（ωt－θ）在一个节距内，θ与滑尺移动距离是一一对应的，通过测量定尺感应电势相位θ，便可测出定尺相对滑尺的位移。 2.鉴幅方式在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压 Us=Umsinα1 sinωt Uc=Umcosα1 sinωt 式中的α1 相当于前式中的θ。此时，如果滑尺相对定尺移动一个距离 d，其对应的相移为α2，那么在定尺上的感应电势为 U0= KUmsinα1 sinωt cosα2－KUm cosα1 sinωt sinα2=KUm sinωt sin（α1－α2）由上式可知，若电气角α1 已知，则只要测出 U0 的幅值 KUm sin（α1－α2），便可间接地求出α 2。感应同步器位置检测装置具有以下特点： (1)感应同步器直接对机床进行位移检测，无中间环节影响，所以精度高。直线式感应同步器的检测精度可以达到±0.001mm，灵敏度 0.05μm，旋转式感应同步器旋转精度达 0.5 秒，敏度达 0.05 秒； (2)其绕组在每个周期内的任何时间都可以给出尽与绝对位置相对应的单值电压信号，不受干扰的影响，所以工作可靠，抗干扰能力强； (3)定尺与滑尺之间无接触磨损，安装简单，维修方便，寿命长； (4)通过拼接方法，可以增大测量距离的长度，适合在大中型数控机床上使用。成本低，工艺性好