燕山大学机械学院：《数控技术》课程电子教案（PPT教学课件）第五章 位置检测装置

返回课件首页 第五章位置检测装置 位置检测装置是数控机床的重要组成部分 在闭环、半闭环控制系统中,它的主要作用是 检测位移和速度,并发出反馈信号,构成闭环 或半闭环控制。 数控机床对位置检测装置的要求如下: (1)工作可靠,抗干扰能力强 (2)满足精度和速度的要求; (3)易于安装,维护方便,适应机床工作环境; (4)成本低 位置检测装置按工作条件和测量要求不同, 有下面几种分类方法:

第五章 位置检测装置 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。 在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是 检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环 或半闭环控制。 数控机床对位置检测装置的要求如下： （1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； （4） 成本低。 位置检测装置按工作条件和测量要求不同， 有下面几种分类方法： 返回课件首页

(-)直接测量和间接测量 1.直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上, 用来直接测量工作台的直线位移,作为全闭环伺服系 统的位置反馈信号,而构成位置闭环控制。其优点是 准确性高、可靠性好,缺点是测量装置要和工作台行 程等长,所以在大型数控机床上受到一定限制 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠 丝杠上,通过检测转动件的角位移来间接测量机床工 作台的直线位移,作为半闭环伺服系统的位置反馈用 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号 中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差, 从而影响了测量精度

（一） 直接测量和间接测量 1. 直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上， 用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系 统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是 准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行 程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠 丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工 作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号 中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差， 从而影响了测量精度

(二)数字式测量和模拟式测量 1.数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示,测量信 般为脉冲,可以直接把它送到数控装置进 行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。 2.模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示,如电压 变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对 来说比较复杂

（二）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信 号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进 行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。 2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压 变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对 来说比较复杂

(三)增量式测量和绝对式测量 1.增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式,增量 式测量只测相对位移量,如测量单位为0.001mm,则 每移动0001mm就发出一个脉冲信号,其优点是测量 装置较简单,任何一个对中点都可以作为测量的起点, 而移距是由测量信号计数累加所得,但一旦计数有误, 以后测量所得结果完全错误 2.绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由 固定的零点标起,每一个被测点都有一个相应的测量 值。测量装置的结构较增量式复杂,如编码盘中,对 应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显 然,分辨精度要求愈高,量程愈大,则所要求的二进 制位数也愈多,结构就愈复杂

（三） 增量式测量和绝对式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量 式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则 每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量 装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点， 而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误， 以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由 固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量 值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对 应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显 然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进 制位数也愈多，结构就愈复杂

第一节旋转变压器 结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置,由定 子和转子组成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本 相似,其中定子绕组作为变压器的一次侧,接 受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧, 通过电磁耦合得到感应电压,只是其输出电压 大小与转子位置有关 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转 角来间接测量工作台的位移。 旋转变压器分为单极和多极形式,先分析 下单极工作情况

第一节 旋转变压器 一、结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定 子和转子组成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本 相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接 受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧， 通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压 大小与转子位置有关。 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转 角来间接测量工作台的位移。 旋转变压器分为单极和多极形式，先分析 一下单极工作情况

转子各有一对磁极,假设加到定子绕组的励磁 电压为,则转子通过电磁耦合,产生感应电压 当转子转到使它的磁轴和定子绕组磁轴垂直时 转子绕组感应电压;当转子绕组的磁轴自垂直 位置转过一定角度时,转子绕组中产生的感应 电压为 V2=rising=kvm sin at sing 式中K变压比(即绕组匝数比); V—励磁信号的幅值: m O一励磁信号角频率; O—旋转变压器转角 当转子转过90,两磁轴平行,此时转子绕 组中感应电压最大,即 Vo=Ky sinat

如图5-1所示，单极型旋转变压器的定子和 转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁 电压为，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。 当转子转到使它的磁轴和定子绕组磁轴垂直时 转子绕组感应电压；当转子绕组的磁轴自垂直 位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应 电压为 式中 K—变压比（即绕组匝数比）； Vm—励磁信号的幅值； ω —励磁信号角频率； —旋转变压器转角。 当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕 组中感应电压最大，即 V2 = KV1 sin = KVm sintsin  V KVm sint 2 = 

Vi=V sino Vm sinat v,=v sina 图5-1旋转变压器工作原理

V Vm sint V1 =Vm sint 1 = V Vm sint 1 = 图5-1 旋转变压器工作原理

实际使用时通常采用多极形式,如正余弦 旋转变压器,其定子和转子均由两个匝数相等, 轴线相互垂直的绕组构成,如图5-2所示。一个 转子绕组接高阻抗作为补偿,另一个转子绕组 作为输出,应用叠加原理,其磁通为 Φ2=ΦSin6+Φ。cos日 转子输出电压则为 Vo=KW. Sine+ kv cose

实际使用时通常采用多极形式，如正余弦 旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等， 轴线相互垂直的绕组构成，如图5-2所示。一个 转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组 作为输出，应用叠加原理，其磁通为 转子输出电压则为 V2 = KVs sin + KVc cos 2 ＝s sin + c cos

定 0 ①①cos0 op sine 转 eA 图5-2正余弦旋转变压器工作原理

Vs 定子 Φc Vc Φs θ Φc Φc cosθ Φs sinθ 转子 θ θ Φs 图5-2 正余弦旋转变压器工作原理

、应用 旋转变压器作为位置检测装置,有两种典型工作方式 鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检 测位移量;鉴幅式是根据感应输岀电压的幅值来检测位移 量 鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差 90的交流励磁电压,即 V=v sin ot Vm cost 这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压,如图 5-2所示,根据线性叠加原理,转子中的感应电压应为这 两个电压的代数和: V=ky sine+ kv cose Ky sin ot sine+ kv. cos ot cose (5-1)=KVm coS(at-0)

二、应用 旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式， 鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检 测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移 量。 1 . 鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差 900的交流励磁电压，即 这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如图 5-2所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这 两个电压的代数和： (5-1) V2 = KVs sin + KVc cos cos( ) sin sin cos cos       = − = + KV t KV t KV t m m m V V t V V t c m s m   cos sin = =