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。

∑==n

i 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