第四章 数控检测装置

2013-8-22
4.1.2 检测装置的分类
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。 ☆安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；
☆测量方法—
☆检测信号的类型— ☆运动型式— ☆信号转换的原理—
增量型和绝对型;
模拟式和数字式； 回转型和直线型； 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、 压电效应、压阻效应和磁阻效应等。

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3.感应同步器的工作原理
感应同步器是利用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，借以进行位移量 的检测。 直线式：感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组， 定尺上的绕组是感应绕组。

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3.感应同步器的工作原理（直线式）
感应同步器的工作原理
Uo
定尺
l 4
节距2τ （2mm）
基板(钢、铜) 绝缘粘胶 铜箔 耐切削液涂层 铝箔
节距τ （0.5mm）
Us
Uc
sin
cos
滑尺
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感应同步器的信号处理原理
滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕
组上的感应电压为：
Uos=KUScosθ1 滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕
在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为 2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率 为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定 尺的相对位置有关。 设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压 为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独 供电时，在定尺上感应电势为

' KUs cos x 360 o KUs cos U2
根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方 式的不同，以及对输出电压检测方式的不同 感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工 作法。

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a.鉴相型系统的工作原理
在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位 差为 π /2的交变电压： US = Um sinωt UC = Um cosωt 则： Uo =Uos+ Uos=KUScosθ1－K Ucsinθ1 = K Um sinωt cosθ1－K Um cosωt sinθ1 = K Um sin（ωt －θ1） 结论：只要能测出Uo与US相位差θ1 ，就可求得滑尺与定尺 相对位移量 x 。
式中 ： K——定尺与滑尺之间的耦合系数； ——定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）
x )360 o 2x ( T T T——节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直
线感应同步器的节距为2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置 检测。

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解释如图：
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4.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
V1=Vmsinωt V1 V1
输出电压： 在定子和转 子两个绕组 轴线相互平 行时为最大 感应电动势 E2。
E 2=0（α = 90°）
E 2=KVmsinω tcosα
1
E 2= KVmsinω t（α = 0°）
E2= KV
cos α = KV m sinω tcos α α =90° E2 = 0 α =0° E 2 = KV m SINω t
式中: E 2—转子绕组感应电势；
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V1—定子绕组励磁电压 V1=Vmsinω t； Vm—电压信号幅值； α —定、转子绕组轴线间夹角； K—变压比（即绕组匝数比）
4.2 2 旋转变压器的工作方式
1.鉴相方式
Vs=Vmsinω t Vc=Vmcosω t E2= KV s cosα - KV csinα V = KV m (sinω tcosα - cosω tsinα ) = KV m sin(ω t-α )
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4.3 感应同步器
1.感应同步器分类
按运动方式分为：
绝对式 直线感应同步器 标准型 增量式 窄长型 带型 绝对式 圆感应同步器 增量式
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第 四 章 数控检测装置
2013-8检测元件（传感器）和信号处
理装置组成的。 作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成 位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置 反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半 闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检 测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统， 尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测 装置。
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4.1.1 对位置检测装置的要求
传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。 2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。
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b.鉴幅型系统的工作原理
在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不 同的交变电压： US = Um sinθ2sinωt UC = Um cosθ2sinωt θ2= π x 2 ／τ（ x 2是指令位移值） Uo = Uos+ Uos=KUScosθ1－K Ucsinθ1 = K Um sinθ2 cosθ1sinωt －K Um cosθ2sinωtsinθ1 = K Um sin（θ2－θ1）sinωt 结论：只要能测出Uo与UC相位差θ1 ，就可求得滑尺与定 尺相 对位移量 x 。
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表4．1
分类
数控机床检测装置分类
绝 对 式
增 量 式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、绝 自整角机 、旋转变压器、圆感 对脉冲编码器 绝对值式光 应同步器 、光栅角度传感器 、 栅 、 三速圆感应同步器 、 位移 圆光栅、圆磁栅 磁阻式多极旋转变压器 传感器 直线型——直线应同步器 三速感应同步器 、绝 、光栅尺、磁栅尺 、激光干涉 对值磁尺、光电编码尺 、 仪 霍耳位置传感器 磁性编码器 交、直流测速发电机 、 速度-角度传感器（ 速度 数字脉编码式速度传感器 、霍 Tachsyn）、数字电磁、磁 传感器 耳速度传感器 敏式速度传感器
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5. 几点说明
– –
感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm） 感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压 的细分精度。
–
现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能 方便 地采用现代的数字处理技术
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6.感应同步器的特点及使用注意事项
特点
–
精度高：平均自补偿特性；
组上的感应电压为：
Uoc=KUccos（θ1+π/2） =－K Ucsinθ1
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感应同步器的信号处理原理
滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器
的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的 定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScosθ1－K Ucsinθ1 K— 电磁感应系数
在安装方面：

加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）
在电气方面：
要保证激磁电压波形的对称性和保真性。
对鉴相系统： 激磁电压的幅值、频率相等；相位差900 对鉴幅系统： 对Um sinθ2、Um cosθ2调制的精确性
当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。
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4.4 光栅
= KV m sinω t(sinα 电cosα 机- cos电sinα = KV m sin(α 电-α 机) sinω t
Vs
Vc
E2
图4.3 定子两相绕组励磁
感应电势（ E2 ）是以ω 为角频率、 以 Vm sin(α 电 -α 机 )为幅值的交变电 压信号。若电气角α 电已知，只要测出 E2 幅值(利用 E2 =0)，便可间接的求出 机械角α 机 ，从而得出被测角位移。
光栅的分类：物理光栅和计量光栅 计量光栅按运动方式分为：长（直线）光栅和圆光栅 计量光栅按光线的走向分为：透射光栅和反射光栅
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4.4.1 长光栅检测装置的结构
1.长光栅检测装置的结构
2 标尺光栅
3
4
V
S
1 图4.9 光栅的结构 1-防护垫 4-防护罩 2-光栅读数头 3-标尺光栅
1
θ1 —定尺绕组上的感应电压的相位角
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感应同步器的信号处理原理
滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取：
∵ ∴ 2τ: 2π= x : θ1 x = τθ1 ／π
结论：相对位移量 x 与 相位角θ1 呈线性关系，只
要能测出相位角θ1 ，就可求得位移量 x 。
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4.感应同步器的测量方法
–
–
对环境适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；
维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好
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–
测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。
…… 串联方式 n< 10
……
…… 串并联方式 n≥ 10
……
……
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使用注意事项
保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度 、接缝的调整精度）