数控机床常用检测装置 PPT课件

不同类型数控机床对检测装置的精度和使用速度要求是 不同的。
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5.1 检测装置简介
系统分辨率的提高，对加工精度有一定的影响，但也 不宜过小，分辨率的选取通常和脉冲当量的选取方法 一样，数值也相同，均按机床加工精度的1/3~1/10选取。
数控机床对检测装置的主要要求有： ➢ 工作可靠，抗干扰性能强。 ➢ 使用维护方便，适应机床的工作环境。 ➢ 满足精度和速度的要求。 ➢ 易于实现高速的动态测量、处理的自动化。 ➢ 成本低。
光栅；逶射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅等。
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5.4.2 计量光栅的工作原理（1）
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5.4.2 计量光栅的工作原理（2）
莫尔条纹有以下几个重要特性：
1）平均效应
➢ 莫尔条纹是由大量的光栅线纹共同作用产生的，对光栅的 线纹误差有平均作用。从而可以在很大程度上消除光栅线 纹的制造误差。光栅越长，参加工作的线纹越多，这种平 均效应就越大。
当两块光栅的刻线重合时，透光最多，光电池输出的电压 信号最大；
当光栅1向右移动半个栅距时，两块光栅的暗线纹将明线纹 遮住，透光近似于0，光电池输出最小；
再移动半个栅距，则两块光栅的刻线又重合，光电池输出 又达到最大值。
这种光栅的遮光作用与光栅的移动距离成线性关系，所以 光电池的光接收量也与光栅的移动距离成线性关系，即光 电池的输出电压波形也近似于三角形。
(x0x)
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5.4 光栅
光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成，有物理光栅 和计量光栅。
物理光栅两刻线之间距离在0.002-0.005 mm之间，常用于 光谱分析和光波波长的测定；
计量光栅栅距在0.004-0.025mm之间，常用于高精度位移的 检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置
5.4.1 计量光栅的种类 按照不同的分类方法，计量光栅可分为：直线光栅和圆形
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5.4.3 光栅的测量装置
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图5-12 光栅信号四倍频电路
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5.5 磁栅
磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件，可 用作直线和角位移的测量。
磁栅与同步感应器、光栅相比，测量精度略低。 但具有复制简单以及安装方便等一系列优点，特别是在油
污、粉尘较多的环境中应用，具有较好的稳定性。 因此，磁栅较广泛地应用在数控机床、精密机床和各种测
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5.5.3 磁栅的工作原理
(n 1 ) 4
NN SS NN SS NN SS NN
Leabharlann BaidueA
eB
iA iB
图5–15 双磁头配置原理图
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5.6 脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转脉冲编码器，它把机械转角变成电 脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器通常装在 被检测的轴上，随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移 转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式。
期性地变化，感应同步器就是利用这一特点来检测滑尺相对
定尺的位置的。
2
2
E
正弦绕组
Es
定尺
滑尺
Ec
余弦绕组
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图5–8 直线感应同步器的结构
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5.3.2 感应同步器的工作原理(2)
当定尺绕组与滑尺绕组之一相重合时，如 图5-9的A点，这时定尺输出的感应电压最 大；
当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时， 感应电压逐渐减小，到达1/4节距的位置B 时，由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中 产生的电压方向相反，所以定尺线圈输出 电压为零；
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5.2.2 旋转变压器的应用（3）
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5.3 感应同步器
5.3.1 感应同步器的结构和种类 按结构可分为直线感应同步器和圆形感应同步器两种，
直线式用于测量直线位移，而圆形感应同步器用于检测 角位移。 直线式由定尺和滑尺两部分组成；而圆形感应同步器由 定子和转子组成。 感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和 次级线圈，它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。
供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压，即
Vs Vm sin sin t Vc Vm cos sin t
ES KVm sin sin t cos EC KVm cos sin t sin
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2 2
x0
ud Es Ec
KVm
sin(
2 2
x) sin t
KVm
sin t sin
实际应用中，即要求有较高的检测精度，又能辨别方向。 为了达到这种要求，通常使用分频电路实现。
下面介绍一种广泛使用的四倍频辨向电路工作原理。
所谓四倍频，就是采用四个光电元件和四个狭缝，使其与 莫尔条纹相重合的位置相差1/4栅距。这样，相邻两个光电 元件输出的正弦信号相差90°，经过整形和逻辑处理后即 可得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。
光栅检测系统的光电转换转 由光栅读数头完成。最基本 的光栅读数头由光源、聚光 镜、指示尺光栅和硅光电池 组成，如图5-12 a所示。
为了便于说明其工作原理， 以光闸莫尔光栅为例，说明 当光栅移动一个栅距时，其 输出波形和两块光栅相互位 置变化的关系。
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5.4.2 计量光栅的工作原理（5）
（1）结构及其特点
增量式脉冲编码器最初就是一种光电盘，它由光源、聚光镜、 光电盘、分度狭缝、光电元件、模数转换线路及数字显示装置 组成。
光电盘可以用玻璃研磨抛光制成。玻璃表面在真空中镀一层不 透明的铬，然后用照像腐蚀法在上面制成狭缝作透光用。狭缝 的数量可以为几百条或几千条。
也可以用精制的金属圆盘，在圆周上开出一定数量的等分槽缝， 或在一定半径的圆周上钻出一定数量的孔，使圆盘形成相等数 量的透明或不透明的区域。
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5.5.2 读数磁头
b
0
a
NN
磁性标尺 SS
x 非导磁性材料 NN
相当于速度 响应型磁头
输出信号
e
E0
sin
2
sin t
可饱和铁芯
I0 sin 2 t 激磁电流
拾磁绕组 激磁绕组
图5-14 磁通响应型磁头
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5.5.3 磁栅的工作原理（1）
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第5章 数控机床常用检测装置
5.1 检测装置简介 检测元件的精度主要包括系统精度和系统分辨率两项。
系统精度是指在一定长度或转角范围内测量积累误差的 最大值，目前一般长度位置检测精度均已达到 ±0.002mm/m以内，回转角测量精度达到±10″/360°；
系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量，目 前长度位移的分辨率多数为1μm，高精度系统分辨率可达 0.1μm，回转分辨率为2″。
脉冲编码器根据输出信号的方式不同，可分为绝对值式编 码器和脉冲增量式编码器；根据内部结构和检测方式不同， 可分为接触式、光电式和电磁式三种。
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5.6.1 绝对式脉冲编码器
可直接把检测转角用数字代码表示出来，每一个角度均有其对 应的代码，它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没 有积累误差。
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5.2 旋转变压器
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 （1）旋转变压器的结构
图5-1 旋转变压器 a） 有刷结构 b） 无刷结构
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5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
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5.2.2 旋转变压器的应用（1）
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5.2.2 旋转变压器的应用（2）
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5.3.1 感应同步器的结构和种类
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5.3.2 感应同步器的工作原理(1)
如图5-8所示，滑尺上具有在空间上相差1/4节距的正弦绕组 和余弦绕组，且定尺与滑尺节距相同。
当滑尺励磁绕组与定尺感应绕组间发生相对位移时，由于电
磁耦合的作用，感应绕组中的感应电压随位移的变化而呈周
量机上。
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5.5 磁栅
磁栅检测装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头 记录在磁性标尺的磁膜上，用来作测量基准。
在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号 转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相动于磁尺的 位置送给伺服控制系统或数字显示装置。
磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三部分 组成。
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绝对式码盘的编码类型有二进制编码、二－十进制编码、格雷 码等。图5-16为4位二进制接触式绝对式码盘。
图5-16 接触式绝对式编码器的码盘
a）绝对式码盘结构 b）二进制码盘 c）格雷码盘
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5.6.1 绝对式脉冲编码器
将二进制码右移一位并将末位舍去，然后将其与原码进行 不进位加法，则会得到与之相对应的雷格码。
但这是一种理想的状态，只有在两块光栅的夹角为0，刻线 质量极好，而且刻线宽度均匀一致才能达到。
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5.4.2 计量光栅的工作原理（6）
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5.4.3 光栅的测量装置
（2）光栅测量装置原理
如前所述，光栅的移动形成了莫尔条纹，又经光电转换成 正弦电压信号输出。这样的信号，只能用于计数，而不能 辨别方向。
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5.5.2 读数磁头
读数磁头是进行磁电转换的器件。 它将反映位置变化的磁化信号检测出来，并转换成电信号
输送给检测电路。 根据机床数字控制系统的要求，为了在低速运动和静止时
也能进行位置检测，必须采用一种磁通响应型磁头，而不 能采用普通录音机上的速度响应型磁头。 磁通响应型磁头是一个带有饱和铁芯的二次谐波调制器， 如图5-14所示。
2）对应关系
➢ 如图5-11所示，当光栅移动一个栅距d，摩尔条纹也相应移 动一个纹距W，其光强变化近似正弦波形；若移动方向相 反，则摩尔条纹移动的方向也相反。
3）放大作用
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5.4.2 计量光栅的工作原理（3）
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5.4.2 计量光栅的工作原理（4）
（2）光电转换
接触式码盘体积小，输出功率大，但易磨损，其使用寿命 短，转速也不能太高。
光电式码盘即是将接触式码盘的导电与不导电式区域用透 明和不透明区域代替；
电磁式码盘则是用有磁和无磁替换接触式码盘的导电和不 导电区域。
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5.6.1 绝对式脉冲编码器
光电绝对值编码器
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5.6.2 脉冲增量式码盘
如果滑尺继续向C点移动，则滑尺磁场在 定尺中产生的电压在负方向上逐渐增大， C点达到最大；
当滑尺再向D点移动时，定尺电压又逐渐 变为零。
当移动一个节距，到达E点时，又与A点的 情况20相20/同8/1。
图5-9 感应同步器工作原理
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5.3.4 感应同步器测量系统
感应同步器也有：鉴相测量系统和鉴幅测量系统。 （1）鉴相测量系统 给感应同步器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值
磁性标尺按形状可分为：用于检测直线位移的平面实体型 磁尺、带状磁尺和同轴型线状磁尺；用于检测角位移的回 转型磁尺等，如图5-13所示。
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5.5.1 磁性标尺
a) 平面实体型磁尺 b) 带状磁尺 c) 同轴型线状磁尺 d) 回转型磁尺 图5-13 按磁性标尺形状分类的各种磁尺
1-实体尺 2-尺座（屏蔽罩） 3-带状尺 4-尺垫（泡沫塑料） 5-磁头 6-线状尺 7-磁尺 8-组合磁头 9-尺座
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5.5.1 磁性标尺
磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10~30 μm厚的高磁性材料，形成均匀的磁膜。
再用录磁磁头在磁尺上记录节距相等的周期性变化的磁信 号，用于作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距 通常为0.05、0.1、0.2μm等。
最后磁尺表面涂上保护层，以防磁头与磁尺频繁接触过程 中的磁膜磨损。
相同，相位差为90°的励磁信号：
则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：
ud EC ES KVm sin(t )
ud
KVm sin(t
x
2
2 )
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5.3.4 感应同步器测量系统
（2）鉴幅测控系统
鉴幅工作方式是根据感应输出电压的幅值变化来检测位 移的。在这种工作方式下，滑尺的两个正余弦绕组分别
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5.6.2 脉冲增量式码盘
（2）增量式脉冲编码器工 作原理
光电盘装在回转轴上，当 光电盘随工作轴一起转动 时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化。 经过光敏元件变成一次电 信号的明暗变化，对它进 行整形、放大和微分处理 后，得到脉冲输出信号。 脉冲数就等于转过的缝隙 数。