《检测装置》PPT课件.ppt

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1、数控机床的检测装置,主要内容,概述 旋转变压器 感应同步器 光栅 编码器,一、概述,作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。分：位移、速度和电流三种类型。常用检测装置：旋转变压器 感应同步器 编码器 光栅,闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统精度决定。半闭环控制的数控机床：旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。

2、,一、概述,位置检测装置的精度：系统精度、分辨率系统精度：一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。一般：直线位移检测精度：0.0020.02m；回转角测量精度：10360系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。目前：直线位移分辨率：1m，高精度0.1m；回转分辨率：可达2。不同数控机床对检测装置精度、速度要求：大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。,一、概述,1、数控机床对检测装置的主要要求,1）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；5）易于实现高速的动态测量。,一、概述,2、

3、位置检测装置分类(位移传感器),一、概述,增量式与绝对式,1）增量式检测方式测量位移增量，移动1个测量单位发出1个测量信号。如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移至起点重新计数。,一、概述,2）绝对式测量方式被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。避免了增量式检测方式的缺陷，但结构较复杂。如：接触式码盘,一、概述,数字式与模拟式1）数字式测量方式以数字

4、形式表示被测量，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：（1）便于显示、处理；（2）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）；（3）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。,一、概述,2）模拟式测量方式用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压变化表示。特点：（1）直接对被测量进行检测；（2）在小量程内可以实现高精度测量；（3）可用于直接检测和间接检测。,一、概述,直接测量与间接测量1）直接测量 用直线式检测装置测直线位移，用旋转式检测装置测角位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。测量精度取决于

5、测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。,一、概述,2）间接测量若回转型位置检测装置测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈。对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制，缺点：检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。,一、概述,二、旋转变压器,一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机，用于半闭环控制的数控机床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件

6、要求低（特别是高温、高粉尘地方）、输出信号幅度大、抗干扰能力强。缺点：信号处理比较复杂。,二、旋转变压器,分类：,按有无电刷分：接触式和无接触式两种；按极对数分：单对极和多对极；按用途分：计算用和数据传输用；按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器、特殊函数旋转变压器,旋转变压器的结构,旋转变压器（同步分解器），与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。有刷旋转变压器：定子、转子上两相绕组轴线相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，通过电刷送到外面来。无刷旋转变压器：输出信号大、可靠性高、寿命长、不用维修。,二、旋

7、转变压器,数控机床用无刷旋转变压器，组成：分解器：左，结构与有刷旋转变压器基本相同。变压器：右，无电刷与滑环即可把信号传递出来,二、旋转变压器,二、旋转变压器,分解器定子线圈外接激磁电压，频率较高（400、500、1000、2000、5000Hz），尺寸减小，转子转动惯量小，适用加、减速比较大或精度高的齿轮、齿条组合的场合分解器转子线圈输出信号接变压器一次绕组 5，从变压器二次绕组（转子绕组）7 引出输出信号,单极对：定子和转子各有一对磁极。多极对：定子或转子极对数增加，使电气转角为机械转角的倍数，用于高精度绝对式检测。双极对：定子和转子各有两对相互垂直的磁极，检测精度较高，数控机床应用普遍。

8、,二、旋转变压器,旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起。单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比（通常为1:2、1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同。多极对：不用升速，与电机直接相联，精度更高。一极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器可构成“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测。,二、旋转变压器,旋转变压器的工作原理,互感原理，定子与转子间气隙磁通呈正余弦规律分布。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。,

9、二、旋转变压器,2k 1sinU2 nUm sint sin,二、旋转变压器,二、旋转变压器,以单极对旋转变压器为例,Um激磁电压幅值n绕组匝数比转子偏转角,定子绕组励磁电压,转子产生感应电势,二、旋转变压器,1鉴相工作方式定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差/2的交流激磁电压 U1sUmsint U1cUm（sint+/2）Umcost转子正转时，U1s、U1c在转子绕组中产生的感应电压叠加，得转子感应电压U2,二、旋转变压器,U2kUmsintsinkUmcostcos=kUmcos（t-）Um激磁电压幅值；k电磁耦合系数，k1；相位角，即：转子偏转角。转子反转时，U2kUmcos（t+

10、）转子输出电压的相位角t+和间有对应关系，检测出t+，可得，得被测轴角位移。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位t作为基准相位，与t+比较，确定大小。,二、旋转变压器,2鉴幅工作方式 定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值分别按正弦、余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsinasint U1c=Umcosa sint 给定电气角时，交流激磁电压的幅值分别为 UsmUmsin UcmUmcos,二、旋转变压器,转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint转子反转时，同理有：U2kUmcos（）s

11、intU2的幅值分别为:kUmcos（）、kUmcos（）幅值随转子偏转角变化。测量出幅值可测出。,二、旋转变压器,由角位移如何计算直线位移?旋转变压器安装在丝杠上，当角0 360变化时，表示丝杠上的螺母走1个导程，间接测量了丝杠的直线位移（导程）大小。加一台绝对位置计数器检测工作台的绝对位置，累计所走的导程数，折算成位移总长度。转子每转1周，转子的输出电压不止一次通过零点，需加相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。,旋转变压器的应用,二、旋转变压器,三、感应同步器,感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，模拟式测量，二者工作原理相同。种类：直线式、旋转式（圆盘式）。直线式：定尺、滑尺，测

12、直线位移，全闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，半闭环伺服系统。工作原理与直线式相同，不同的是定子（相当于定尺）、转子（相当于滑尺）及绕组形状不同，结构上分：圆形、扇形。,感应同步器的结构与种类,三、感应同步器,（固定在床身上）,（安装在移动部件上）,平行，间隙为0.250.05mm,三、感应同步器,w22（a2+b2）,w12（a1+b1）,一般w1w2或w12/3 w2,三、感应同步器,（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距）,三、感应同步器,标准感应同步器定尺250mm，滑尺100mm，节距2mm直线式感应同步器有：标准式：精度最高、使用最广；窄式：定尺、

13、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工；带式：定尺可至3m以上，不需接长，定尺随床身热变形而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低；3重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。,三、感应同步器,结构：,转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段式、两相正交（相差90电角度）sin绕组、cos绕组,三、感应同步器,感应同步器的安装,定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入保持定尺和滑尺平行、间隙约025005mm，其它安装要求视具体产品说明而定。保证定尺和滑尺在全工作长度上正常耦合，减少测量误差。,三、感

14、应同步器,直线感应同步器标准定尺长度为250mm，测量范围增加时，将定尺接长。根据具体使用情况，按一定步骤和要求拼接定尺 定尺全部接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，超差处进行重新调整，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏差。,三、感应同步器,感应同步器工作原理,三、感应同步器,滑尺与定尺发生相对位移时，即：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，感应绕组中感应电压随位移的变化而变化。,三、感应同步器,感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系,当滑尺移动距离 2t，V2 变化 2p,当移动 x时，对应感应电压以余弦函数变化 q角度。设滑尺上一相绕组的激磁电压 则定尺

15、绕组感应电压为 K耦合系数；激磁电压的幅值；激磁电压的角频率；与位移对应的角度。,三、感应同步器,1.鉴相工作方式 滑尺正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位差900的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上总感应电压为 鉴别定尺感应输出电压的相位t+，可测，可测定尺和滑尺间的相对位移x。,三、感应同步器,例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压间的相位差为3.60，表明滑尺移动了多少mm？(0.02mm),2mm,三、感应同步器,相移位移转换系数：例：设节距2=2，则 若脉冲当量2m/脉冲，则相移位移系数为,三、感应同步器,滑尺正、余弦绕组的励磁电压频率同、相位同，但幅值不同。,2.鉴幅工作方式

16、,定尺绕组产生的总感应电压为,三、感应同步器,若电气角已知，测出V2幅值kVmsin（）便能求出角。实际测量时，不断调整，使kVmsin（）=0。的变化量代表了对应的位移量变化，测得机械位移。,四、光栅,通常，光栅按用途分两大类：物理光栅（衍射光栅）：200500条/，栅距0.0020.005，利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长测定。计量光栅：25条/、50条/、100条/、250条/等，栅距0.0040.25，利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。用于闭环控制系统，可测位移和转角。读数速率高（0 数十万次/每秒），适用动态测量。,光栅的种类按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长

17、光栅检测线位移，圆光栅测量角位移直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。,四、光栅,长光栅,圆光栅,长光栅（1）玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：1）光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；2）一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。,四、光栅,（2）金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条/mm，分辨率低。特点：1）标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致

18、；2）标尺光栅的安装和调整较方便；3）安装面积较小；4）易于接长或制成整根的钢带长光栅；5）不易碰碎。,四、光栅,圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。一般有3种形式：（1）六十进制，（2）十进制，（3）二进制，,四、光栅,光栅的结构与测量原理（以玻璃透射式直线光栅为例）1光栅的结构组成：标尺光栅（长光栅）、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度1m，行程大于1m时需要接长安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠）光栅读数头安装在机床固定部件上（如机床底座）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。,四、光栅,光栅的结构与测量原理,

19、光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。常见结构按光路分：分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。,四、光栅,四、光栅,不透光条纹宽度（缝隙宽度）a，透光宽度（刻线宽度）b，通常a=b，栅距da+b。,四、光栅,2光栅的基本测量原理安装时保证两光栅尺沿线纹方向保持一个很小夹角、刻划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm）在光源照射下，在与的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔条纹（横向莫尔条纹），两条亮（暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度 w。,四、光栅,四、光栅,莫尔条纹特性：（1）光学放大作用,放大比k为：,若d=0.

20、01mm，0.01rad，则w1mm，k100,四、光栅,（2）实现平均误差作用莫尔条纹 大量光栅线纹干涉 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,（3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例光栅移动1个栅距d 莫尔条纹移动1个间距w光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与角分线方向垂直。检测莫尔条纹移动位移来测量光栅移动的微小距离。在1个栅距d内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。,四、光栅,光栅测量系统,标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗带到亮带，光强度分布近似余弦曲线，光电元件变为同频率电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个

21、脉冲，代表移动了一个栅距，对脉冲计数可得工作台的移动距离,四、光栅,四、光栅,增加线纹密度，但制造较困难，成本高。采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度。在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。,一个光电元件,只能计数,无法判断移动方向,如何辩向？如何提高光栅检测装置的精度?,鉴向倍频电路作用:辨向、细分，提高光栅的分辨率莫尔条纹原1个脉冲信号：0、90、180、270都有脉冲输出，一个周期内送出4个脉冲。分辨率提高4倍。分辨率取决于光栅栅距 d 和鉴向倍频的倍数 n，即：分辨率d/n。例：光栅

22、线纹密度50条/mm（栅距20m），经4倍频处理后，线纹密度提高到200条/mm，工作台每移动5m送出一个脉冲，即分辨率为5m，提高4倍。,四、光栅,五、编码器,旋转式测量元件，装在被测轴上；二进制、二进制循环码（格雷码）、余三码和二一十进制码等编码器；输出信号的形式：绝对值式编码器、脉冲增量式编码器；内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。,安装方式1、和伺服电机同轴联接，编码器在进给传动链前端；安装方便。2、连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比前者多，位置控制精度较高；,五、编码器,接触式编码器一种绝对值式的检测装置，直接把被测转角用数字代码表示出来，每一个角度位置均有唯一对应的代码。

23、即使断电或切断电源，也能读出转动角度。,五、编码器,4位二进制码盘,高位在内，低位在外。n位二进制码盘，n圈码道，圆周均分2n份，即有2n个数据表示不同位置，分辨角360/2n。n 越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前n=814位,五、编码器,采用组合码盘，一个为粗计码盘，一个为精计码盘。精计码盘转1圈，粗计码盘转1格。,若电刷位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测读数可能会是任意的数字例：电刷由位置（0111）向位置（1000）过渡时，可能出现815之间的任一十进制数。这种误差称为非单值误差。消除误差：采用循环码（雷格码）。,五、编码器,五、编码器,格雷码盘：各码道的数码不同时改变

24、，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。,接触式绝对值编码器优点：结构简单、体积小、输出信号强。缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受外圈（最低位）码道宽度限制。使用范围有限。,五、编码器,光电式编码器,常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，一种旋转式脉冲发生器把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检测。,五、编码器,高分辨率的脉冲编码器,现已有每转发出10万乃至几百万个脉冲的编码器，内部应用了微处理器。,数控机床常用编码器:根据丝杠螺距来选用。,五、编

25、码器,五、编码器,滚珠丝杠的导程,脉冲当量,减速齿轮的减速比,脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）,光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信号处理电路,码盘及狭缝,转轴,光敏元件,光栏板及辨向用的A组、B组狭缝,光源,零位标志C,五、编码器,A组与B组狭缝彼此错开1/4节距，对应的光敏元件产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。根据脉冲数目可得被测轴的角位移；根据脉冲频率可得被测轴的转速；根据A、B两相相位超前滞后关系可得被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。,五、编码器,五、编码器,码盘里圈，有一条狭缝 C，每转能产生1个脉冲，该脉冲信号又称

26、“零点脉冲”，作为测量的起始基准。作用：被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号,五、编码器,分辨角360/狭缝数。如条纹数为1024，则360/10240.352。光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步提高分辨力。例如：配置2000脉冲r光电编码器的伺服电机直接驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，相当于8000脉冲r的角度分辨力，对应工作台的直线分辨力由倍频前的0.004mm提高到0.001mrn。,五、编码器,光电式编码器优点：没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，最外圈每片宽度可做得很小，因而精度高。缺点：结构复杂，价格高，光源寿命短。目前，有一种混合式绝对

27、值脉冲编码器：最外圈是高密度的增量制条纹，中间有四个码道组成绝对值式四位循环码，圆盘最里面有发一转信号的狭缝。工作原理是粗、中、精三级计数，码盘转的转数由“一转脉冲”的计数表示,五、编码器,电磁式编码器（磁性编码器）,输出的信号形式是数字脉冲信号。优点：抗环境干扰能力强、响应速度快、寿命长、结构简单、价格低廉等用得最多的类型：磁敏电阻式、励磁环式磁敏电阻式磁性编码器又分：强磁金属磁敏电阻式、半导体磁敏电阻式。励磁环式磁性编码器又称磁栅或磁尺，电磁式编码器可分为增量式、绝对值式。,五、编码器,编码器在数控机床中的应用 1位移测量（进给系统）在数控回转工作台回转轴末端安装编码器，可测量回转工作台角

28、位移。数控回转工作台与直线轴联动时，可加工空间曲线。在交流电机变频控制中，与电动机同轴联接的编码器可检测转子磁极相对定子绕组的角度位置，用于变频控制。,五、编码器,2主轴控制（1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制螺纹加工中，1）对编码器输出脉冲计数，保证主轴每转1周，刀具准确移动1个螺距（导程）2）一般的螺纹加工要经过几次切削完成，每次重复切削，进刀位置必须相同。为保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到光电编码器中的1转脉冲（零点脉冲）后，才开始螺纹切削的计算。,五、编码器,(2)主轴定向准停控制加工中心换刀时，为使机械手对准刀柄，主轴需停在固定的径向位置在固定切削循环中（如精镗孔）要求刀具停在某

29、一径向位置才能退出这要求主轴能准确地停在某一固定位置上，这就是主轴定向准停功能。,编码器的输出为当前刀具号,五、编码器,（3）恒线速切削控制车床、磨床进行端面或锥面切削时，为保证Ra保持一定值，要求刀具与工件接触点的线速度为恒值。随着刀具径向进给及切削直径的逐渐减小或增大，应不断提高或降低主轴转速，保持V2Dn为常值 V：切削线速度；D：工件切削直径，随刀具进给不断变化 n：主轴转速。D 由光电编码器获得。经软件处理后得n，转换成速度信号至主轴驱动装置。,五、编码器,3测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，可代替测速发电机的模拟测速，成为数字测速装置。,五、编码器,4零标志脉冲用于回参考点控制采用增量式的位置检测装置时，数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有相当大的关系。在回参考点方式时，数控机床坐标轴先以快速向参考点方向运动，当碰到减速挡块后，坐标轴再以慢速趋近，当编码器产生零标志信号后，坐标轴再移动一设定距离而停止于参考点。,在进给坐标轴中，还应用一种手摇脉冲发生器，一般每转产生1000个脉冲，脉冲当量为1m，输出信号波幅为5V。作用：慢速对刀和手动调整机床。,五、编码器,