位置检测装置

第4章 数控检测装置4.1数控检测装置的概述检测元件是闭环、半闭环伺服系统的重要组成部分。

在闭环数控系统中，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，从而控制驱动元件准确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。

因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。

为此，对位置检测装置提出如下要求：(1)高可靠性和高抗干扰性；(2)满足精度和速度要求；(3)使用、维护方便，适合机床的运行环境；(4)成本低，寿命长。

对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用不同的检测方式。

∑==ni i Z Z 1总4.1.1对位置检测装置的要求在数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检测装置的反馈值进行比较，以此来控制工作台运动的。

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，直到偏差为零为止。

为了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。

现在检测元件与系统的最高水平是：被检测部件的最高移动速度至240m/min 时，其检测位移的分辨率(能检测的最小位移量)可达1μm ，相当于24m/min 时可达0.1μm 。

最高分辨率可达0.01μm 。

因此，研制和选用性能优越的检测装置是很重要的。

。

‘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；(5)易于实现高速的动态测量。

4.1.2检测装置的分类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，位置检测装置分类如表4—1所示。

表4—l 位置检测装置分类数控机床伺服系统中采用的位置检测装置基本分为直线型和旋转型两大类。

直线型位置检测装置主要用来检测运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置主要用来检测回转部件的转动位移量。

常用的位置检测装置如图4—1所示。

图4—1 常用的位置检测装置除以上位置检测装置以外，伺服系统中往往还包括检测速度的元件，用以检测和调节电机的转速。

常用的测速元件是测速发动机。

4.2旋转变压器旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。

旋转变压器的结构和两相绕线式异步电动机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。

定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。

它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。

定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。

转子绕组有两种不同的引出方式。

根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。

有刷式旋转变压器，如图4—2所示，它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。

而无刷式旋转变压器却避免了上述缺陷，在此仅介绍无刷式旋转变压器。

图4—2有刷式旋转变压器l-转子绕组；2-钉子绕组；3-转子；4-整流子；5-电刷；6-接线柱1、旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器又称为分解器，是一种控制用的微型旋转式的交流电动机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。

在结构上与两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。

图4—3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、1000 Hz、5000 Hz。

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，抗干扰性强，工作可靠。

由于旋转变压器上述特点，可完全替代光电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、矿山、油田、水利、化工、轻工和建筑等领域的角度、位置检测系统中。

图4—3 无刷旋转变压器的结构图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-分解器转子绕组旋转变压器是根据互感原理工作的。

它保证了定子与转子之间空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(为交变电压，频率为2～4 kHz)时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，如图4—4所示。

图4—4 两级旋转变压器的工作原理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臼角。

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。

感应电动势随着转子偏转的角度呈正(余)弦变化，故有U2=KU1cosθ=KU m sinwtcoaθ式中：U2为转子绕组感应电势；U1为定子的励磁电压；U m为定子励磁电压的幅值；θ为两绕组轴线之间的夹角；K为变压比，即两个绕组匝数比N1／N2。

2、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：鉴相型应用和鉴幅型应用。

一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子中各有互相垂直的两个绕组，如图4—5所示。

图4—5 四级旋转变压器(1)鉴相型应用在这种状态下，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。

的正弦交流电压，如图4—3所示，即U s=U m sinwtU c=U m coswt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 s sinθ+U c cosθ上式可变换为U2=KU m sinwt²sinθ+KU m coswt²cosθ=KU m cos(wt－θ) 测量转子绕组输出电压的相位角咿，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)鉴幅型应用在这种应用中，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U s =U m sinθsinwtU c=U m cosθsinwt励磁电压频率为2～4 kHz。

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U m sinθ和U m cosθ有关，即U2=KU m sin(θ－θm)sinwt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西与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。

当中垂直于转子绕组线圈平面时，即θm =±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KU m sin(θ－θm)为零时，说明臼角的大小就是被测角位移θm的大小。

4.3感应同步器感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。

直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。

前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。

它们的工作原理都与旋转变压器相似。

感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床数显改造。

本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行介绍。

1、感应同步器的结构和工作原理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4—6所示。

标准的感应同步器定尺长250mm，是单向、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4—6中A所示，一组叫余弦励磁绕组，如图4—6中B所示。

定尺和滑尺绕组的节距相同，用τ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，以保护尺面。

在滑尺的绕组上面用绝缘的黏接剂粘贴一层铝箔，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问的直线位移。

图4—6感应同步器的结构示意图A-正弦励磁绕组；B-余弦励磁绕组图4—7感应同步器的工作原理图感应同步器的工作原理图如图4—7所示，它说明了定尺感应电压与定、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点位置时，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的位置时，感应电压又变为零。

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臼的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。

2、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。