數(shù)控技術(shù)-位置檢測(cè)裝置

1、1第五章 位置檢測(cè)裝置5.1 概述5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器5.3 感應(yīng)同步器5.4 光柵4.5 磁柵4.6 編碼器2 數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的要求主要有以下幾點(diǎn)： （1）要求有較高的可靠性和抗干擾能力 檢測(cè)裝置應(yīng)能抗各種電磁干擾，抗干擾能力要足夠強(qiáng)。 （2）滿足精度和速度的要求 隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，其精度和速度越來(lái)越高，因此，要求檢測(cè)裝置必須滿足數(shù)控機(jī)床的高精度和高速度的要求。其分辨率應(yīng)在0.00.0.01內(nèi)，測(cè)量精度應(yīng)滿足0.0020.02/m，運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)滿足020m/min。 5.1 5.1 概述概述3 （3）便于安裝和維護(hù) 檢測(cè)裝置安裝時(shí)要滿足一定的安裝精度要求，安裝精度要合理，考慮到影響，整個(gè)檢

2、測(cè)裝置要求有較好的防塵、防油污、防切屑等措施。 （4）成本低、壽命長(zhǎng) 不同類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率和速度有不同的要求，一般情況下，選擇檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 45.1.1 5.1.1 檢測(cè)裝置的分類(lèi)檢測(cè)裝置的分類(lèi) 在當(dāng)前常用的閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)裝置根據(jù)被測(cè)物理量分為位移、速度等類(lèi)型；按測(cè)量方法分為增量式和絕對(duì)值式兩種；根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型檢測(cè)裝置。數(shù)控機(jī)床常用的檢測(cè)裝置見(jiàn)表5-1。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置一般分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類(lèi)。直線型的位置檢測(cè)裝置用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)位移的直線位移量；旋轉(zhuǎn)型的位置檢測(cè)裝置用來(lái)檢測(cè)回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)

3、動(dòng)位移量。除了以上位置檢測(cè)裝置，伺服系統(tǒng)中往往還包括檢測(cè)速度元件，用以檢測(cè)和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。常用的測(cè)速元件是測(cè)速發(fā)電機(jī)。 5分類(lèi)增量式 絕對(duì)式 位移檢測(cè)裝置旋轉(zhuǎn)型 脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、光柵、磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對(duì)脈沖編碼器、絕對(duì)值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器 直線型 直線感應(yīng)同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀、霍爾傳感器 三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器 速度檢測(cè)裝置交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈沖編碼式速度傳感器、霍爾速度傳感器 速度-角度傳感器、數(shù)字電磁式傳感器、磁敏式速度傳感器 電流檢測(cè)裝置霍爾電流傳感器 表

4、5-1 數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置的分類(lèi) 65.1.25.1.2數(shù)控檢測(cè)裝置的性能指標(biāo)數(shù)控檢測(cè)裝置的性能指標(biāo) 檢測(cè)裝置放置在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。由于所測(cè)量的各種物理量不斷變化的，因此傳感器的測(cè)量輸出必須能準(zhǔn)確、快速地跟隨反應(yīng)這些被測(cè)量的變化。傳感器的性能指標(biāo)包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，主要如下： （1）精度 符合輸出量與輸入量之間的特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱(chēng)為精度，數(shù)控用傳感器要滿足高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。 （2）分辨力 分辨力是顯示裝置能夠有效辨別的最小示值差。要求其應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的提高，對(duì)提高系統(tǒng)其他性能指標(biāo)和運(yùn)行平穩(wěn)性都很重要。 7 （3）靈敏度 測(cè)量裝置響應(yīng)的變化除以相應(yīng)的激勵(lì)

5、的變化。實(shí)時(shí)測(cè)量裝置靈敏度要高，輸出、輸入關(guān)系中對(duì)應(yīng)的靈敏度要求一致。 （4）遲滯 對(duì)某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量和反行程的輸出量的不一致，稱(chēng)為遲滯。數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求遲滯要小。 （5）測(cè)量范圍 傳感器的測(cè)量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。 （6）零漂與溫漂 傳感器的漂移量是其重要性能標(biāo)志，它反映了隨時(shí)間和溫度的改變，傳感器測(cè)量精度的微小變化。 85.1.3 5.1.3 位置傳感器的測(cè)量方式位置傳感器的測(cè)量方式 由于工作條件和測(cè)量要求的不同，位置傳感器有不同的測(cè)量方式。5.1.3.1 直接測(cè)量和間接測(cè)量 位置傳感器按形狀可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式。用直線式位置傳感器測(cè)直線位移，用旋轉(zhuǎn)式

6、位置傳感器測(cè)角位移，則該測(cè)量方式稱(chēng)為直接測(cè)量。用直線式檢測(cè)裝置測(cè)量，可直接反映工作臺(tái)的實(shí)際位移量。但由于檢測(cè)裝置要和行程等長(zhǎng)，故其在大型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用中受到限制。 95.1.3.2 數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量 數(shù)字式測(cè)量是以量化后的數(shù)字形式表示被測(cè)量。得到的測(cè)量信號(hào)通常是電脈沖形式，它將脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)后以數(shù)字形式表示位移。 模擬式測(cè)量是以模擬量表示被測(cè)量，得到的測(cè)量信號(hào)是電壓或電流，電壓或電流的大小反映位移量的大小。由于模擬量需經(jīng)/轉(zhuǎn)換后才能被計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)接受，所以目前模擬式測(cè)量在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用很少。而數(shù)字式測(cè)量檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，且便于顯示和處理，所以目前應(yīng)用非常普遍。 105

7、.1.3.3 增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量 按照檢測(cè)裝置的編碼方式可分為增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量。增量式測(cè)量的特點(diǎn)是只測(cè)量位移增量，即工作臺(tái)每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單位，檢測(cè)裝置便發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)，此信號(hào)通常是脈沖形式。這樣，一個(gè)脈沖所代表的基本長(zhǎng)度單位就是分辨率，而通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到位移量。若增量式檢測(cè)系統(tǒng)分辨率為0.01，則工作臺(tái)每移動(dòng)0.01，檢測(cè)裝置便發(fā)出一個(gè)脈沖，送往微機(jī)數(shù)控裝置或計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)值為100時(shí)，表示工作臺(tái)移動(dòng)了1。這種檢測(cè)方法結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但是一旦計(jì)數(shù)有誤，后面的測(cè)量結(jié)果就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，再有就是在發(fā)生某種故障時(shí)，盡管故障已經(jīng)排除，但由于該測(cè)量沒(méi)有一個(gè)特定的標(biāo)志，所以不能找到原來(lái)

8、的正確位置。 11 絕對(duì)式測(cè)量的特點(diǎn)是：被測(cè)的任一點(diǎn)的位置都由一個(gè)固定的零點(diǎn)算起，每一被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，常以數(shù)據(jù)形式表示。這種測(cè)量裝置分辨率越小，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。 此外，對(duì)檢測(cè)裝置還要求工作可靠，抗干擾性強(qiáng)，使用維修方便，成本低等。下面就數(shù)控機(jī)床上常用檢測(cè)裝置作一介紹。 125.2 5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。旋轉(zhuǎn)變壓

9、器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便。輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。因此廣泛用于數(shù)控機(jī)床上。 135.2.1 5.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 14 旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證定子和轉(zhuǎn)子之間空氣隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此當(dāng)勵(lì)磁電壓回到定子繞組上時(shí)，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其輸出電壓大小取決于轉(zhuǎn)子的角度位置，即隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正弦變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸位置轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為 11sinsinsinmEnUnUt15式中： 變壓比； 定子的； 勵(lì)磁電壓的幅值。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁軸平行時(shí)，即等于90時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組

10、中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，即 1sinmEnUtn1UmU165.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有相互垂直的兩個(gè)繞組，如圖所示。當(dāng)激磁繞組用兩個(gè)相位相差90的電壓供電時(shí)，應(yīng)用疊加原理，在副邊的一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組中磁通為：而輸出電壓為 311sinsincoscosmmUnUtnUt1cos()mnUt12113cossin17正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 18 由此可知，當(dāng)把激磁信號(hào) 和 加于定子繞組時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組便可輸出感應(yīng)信號(hào) 。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度 ，那么感應(yīng)信號(hào) 和激磁信號(hào) 之間一定存在著相位差，這個(gè)相位差可通過(guò)鑒相器線路檢測(cè)出來(lái)，并表示成相

11、應(yīng)的電壓信號(hào)。這樣，通過(guò)該電壓信號(hào)的測(cè)量便可得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度 。但由于 是關(guān)于變量 的周期函數(shù)，故轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周， 值將周期性地變化一次。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不但要測(cè)出 大小，而且還要測(cè)出 的周期變化次數(shù)；或者將被測(cè)角位移 限制在180之內(nèi)，即每次測(cè)量過(guò)程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度小于半周期。 1sinmUUt2cosmUUt3U13U2U131cos()mUnUt13U3U3U1195.3 5.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器5.3.1 5.3.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型 感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式多極位置傳感元件，是由旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來(lái)，即相當(dāng)于一個(gè)展開(kāi)的旋轉(zhuǎn)變壓器。它的極對(duì)數(shù)一般取

12、600、720對(duì)極，最多的可達(dá)2000對(duì)極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面均能對(duì)誤差起補(bǔ)償作用，所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵(lì)磁頻率一般取210kHz。 感應(yīng)同步器按其運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)式（圓形感應(yīng)同步器）和直線式兩種。兩者都包括固定和運(yùn)動(dòng)兩部分，對(duì)旋轉(zhuǎn)式分別稱(chēng)為定子和轉(zhuǎn)子；對(duì)直線式分別稱(chēng)為定尺和滑尺。前者測(cè)量角位移，后者測(cè)量直線位移。 205.3.1.1 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。定子、轉(zhuǎn)子都用不銹鋼、硬鋁合金等材料作基板，呈環(huán)形輻射狀。定子和轉(zhuǎn)子相對(duì)的一面均有導(dǎo)電繞組，繞組用銅箔構(gòu)成（厚0.05mm）?；搴屠@組之間有絕緣層。繞組表面還要加一層和繞組絕緣的屏蔽

13、層（材料為鋁箔或鋁膜）。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組（正弦繞組和余弦繞組），做成分段式，兩相繞組交差分布，相差成90相位角。屬于同一相的各相繞組用導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)（如圖5-2）。 21圖5.1 圓感應(yīng)同步器 1- 轉(zhuǎn)子基板：2-轉(zhuǎn)子繞組 3-定子繞組；4-定子基板；5-絕緣層；6-屏蔽層 圖5.2 圓形感應(yīng)同步器繞組圖 225.3.1.2 直線式感應(yīng)同步器 直線式感應(yīng)同步器是直線條形，它同樣由基板、絕緣層、定尺與滑尺繞組及屏蔽層組成。由于直線式感應(yīng)同步器一般都必須用在機(jī)床上，為使線膨脹系數(shù)一致，所以感應(yīng)同步器基板的材料用鋼板或鑄鐵。直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖5-3所示?？紤]到接長(zhǎng)和安裝

14、，通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組，滑尺繞組做成分段式的兩相正交繞組。見(jiàn)圖5-4。 232425 定尺比滑尺長(zhǎng)。定尺繞組中相鄰兩有效導(dǎo)體之間的距離稱(chēng)為極距，滑尺繞組相鄰兩有效導(dǎo)體之間的距離稱(chēng)為節(jié)距，一般都統(tǒng)稱(chēng)為節(jié)距，用2表示，常取為2mm，節(jié)距代表了測(cè)量周期。 直線式感應(yīng)同步器分為標(biāo)準(zhǔn)型、窄型、帶型、和三重型。三重型結(jié)構(gòu)是在一根標(biāo)尺上有粗、中、精三種繞組，以便構(gòu)成絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)。 26 三重感應(yīng)同步器如圖所示，定尺和滑尺均有粗、中、三重感應(yīng)同步器如圖所示，定尺和滑尺均有粗、中、細(xì)三套繞組。其中細(xì)尺和普通定尺、滑尺一樣，柵條都是和細(xì)三套繞組。其中細(xì)尺和普通定尺、滑尺一樣，柵條都是和位移方向垂直的，其

15、節(jié)距位移方向垂直的，其節(jié)距W Wx x=2mm=2mm?；叩拇?、中繞組的柵?；叩拇帧⒅欣@組的柵條與位移方向平行。定尺的粗、中繞組的柵條相對(duì)于位移傾條與位移方向平行。定尺的粗、中繞組的柵條相對(duì)于位移傾斜不同的角度：斜不同的角度： 定尺的中繞組柵條與位移方向夾角定尺的中繞組柵條與位移方向夾角 =1=1 8 8 4545 ； 粗繞組柵條與位移方向夾角粗繞組柵條與位移方向夾角 =1=1 4 4 。 細(xì)繞組用來(lái)確定細(xì)繞組用來(lái)確定1mm1mm內(nèi)的位置狀態(tài)內(nèi)的位置狀態(tài), ,分辨力一般為分辨力一般為0.1mm0.1mm； 中繞組節(jié)距中繞組節(jié)距W Wz z=100mm=100mm，用來(lái)確定，用來(lái)確定1-10

16、0mm1-100mm內(nèi)的位置狀態(tài)內(nèi)的位置狀態(tài); ; 粗繞組節(jié)距粗繞組節(jié)距W Wc c=4000mm =4000mm ，用來(lái)確定，用來(lái)確定100-4000mm100-4000mm內(nèi)的位置內(nèi)的位置狀態(tài)。狀態(tài)。 這三套繞組構(gòu)成一套這三套繞組構(gòu)成一套4000mm4000mm范圍內(nèi)的絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。范圍內(nèi)的絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。27285.3.2 5.3.2 感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理5.3.2.1 感應(yīng)同步器的工作原理 以直線式感應(yīng)同步器為例，感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，如圖5-5所示。定尺和滑尺平行安裝，且保持一定間隙。定尺表面制有連續(xù)平面繞組，滑尺上制有兩組分段繞組，分別稱(chēng)為正弦

17、繞組和余弦繞組，這兩段繞組相對(duì)于定尺繞組在空間錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，節(jié)距用2表示。工作時(shí)，當(dāng)在滑尺兩個(gè)繞組中的任一繞組加上激勵(lì)電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中會(huì)感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量，可以精確地測(cè)量出位移量。 2930 圖5-6所示為滑尺在不同位置時(shí)定尺上的感應(yīng)電壓。在點(diǎn)時(shí)，定尺與滑尺繞組重合，這時(shí)感應(yīng)電壓最大；當(dāng)滑尺相對(duì)于定尺平行移動(dòng)后，感應(yīng)電壓逐漸減小，在錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距的 點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電壓為零；再繼續(xù)移至1/2節(jié)距的 點(diǎn)時(shí)，得到的電壓值與 點(diǎn)相同。這樣，滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中，感應(yīng)電壓變化了一個(gè)余弦波形。由此可見(jiàn)，在勵(lì)磁繞組中加上一定的交變勵(lì)磁電壓，感應(yīng)繞組中會(huì)感應(yīng)出

18、相同頻率的感應(yīng)電壓，其幅值大小隨著滑尺移動(dòng)作余弦規(guī)律變化?；咭苿?dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電壓變化一個(gè)周期。感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電壓的變化進(jìn)行位置檢測(cè)的。 abca31325.3.2.2 感應(yīng)同步器的檢測(cè)電路 感應(yīng)同步器作為位置測(cè)量裝置在數(shù)控機(jī)床上有兩種工作方式：鑒相式和鑒幅式。 （1）相位（鑒相式）工作方式 在此工作方式下，給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通2以同頻、同幅但相位相差 的交流勵(lì)磁電壓，即sinsin(2)cossmcmmuUtuUtUt33 由于兩繞組在定尺繞組的感應(yīng)電壓滯后滑尺的勵(lì)磁電壓90電角度，再考慮兩尺間位置變化的機(jī)械角，則兩繞組在定尺上的感應(yīng)電壓分別為 勵(lì)磁信號(hào)將在空間產(chǎn)生一個(gè)

19、頻率移動(dòng)的行波。磁場(chǎng)切割定尺導(dǎo)片，并在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)隨著定尺與滑尺位置的不同而產(chǎn)生超前或滯后的相位差。 cossintkUEmssincos tkUEmc34 疊加后為 式中 k電磁耦合系數(shù)； 勵(lì)磁電壓幅值； 2節(jié)距； x滑尺相對(duì)定尺位移； 相位角。 mU)sin(tkUEEEmcsd22x35 由上式可知，定尺的感應(yīng)電壓與滑尺的位移X有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量定尺感應(yīng)電壓的相位 ，即可測(cè)量出滑尺相對(duì)于定尺的位移X。例如，定尺感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與滑尺勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的相位角 =180，在節(jié)距2=2mm的情況下，表明滑尺移動(dòng)了0.1mm。 36（2）幅值（鑒幅式）工作方式 在這種工作方式下，給

20、滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通上相位、頻率相同，但幅值不同的勵(lì)磁電壓，并根據(jù)定尺上感應(yīng)電壓的幅值變化來(lái)測(cè)定滑尺和定尺之間的相對(duì)位移量：tUumssinsin0tUumcsincos037 正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)： 當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，定尺上的感應(yīng)電壓Ud隨滑尺移動(dòng)距離x（相應(yīng)的位移角）而變化。設(shè)滑尺正弦繞組和定尺繞組重合時(shí)x=0（即 =0），當(dāng)滑尺從x=0開(kāi)始移動(dòng)，則在定尺上的感應(yīng)電壓為： 0sinsin0smcuUtutkUumdsincossin038 余弦繞組單獨(dú)供電時(shí)： 若滑尺從x=0開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，則在定尺上的感應(yīng)電壓為： 當(dāng)正弦和余弦同時(shí)供電時(shí)，根據(jù)疊加原理，有： 0cossin0cmsuUtu

21、tkUumdsinsincos0 )sin(sin0 tkUuuumddd395.3.3 感應(yīng)同步器的典型應(yīng)用5.3.3.1 感應(yīng)同步器的使用特點(diǎn) 由于感應(yīng)同步器優(yōu)點(diǎn)較多，所以廣泛用于位置檢測(cè)。 （1）精度高 感應(yīng)同步器是直接對(duì)機(jī)床位移進(jìn)行測(cè)量，中間不經(jīng)過(guò)任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，測(cè)量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專(zhuān)門(mén)的工藝方法制作精確。40 由于感應(yīng)同步器極對(duì)數(shù)多，定尺上的感應(yīng)電壓信號(hào)是多周期的平均效應(yīng)，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測(cè)量精度較高。目前直線感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.001 mm，重復(fù)精度0.0002mm,靈敏度0.00005mm。直徑302mm的感應(yīng)同步器的

22、精度可達(dá)0.5,重復(fù)精度0.1,靈敏度0.05。41 （2）拼接成各種需要的長(zhǎng)度 根據(jù)測(cè)量的需要，可采用多塊定尺接長(zhǎng)，相鄰定尺間隔也可調(diào)整，使拼接后總長(zhǎng)度的精度保持（或略低于）單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式如圖所示，當(dāng)定尺少于10塊時(shí)，將各繞組串聯(lián)連接如圖5-7（a）所示，當(dāng)多于10塊時(shí)，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)如圖5-7（b）所示，以不使定尺繞組阻抗過(guò)高為原則。 4243 （3）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 直線式感應(yīng)同步器金屬基尺與安裝部件的材料（鋼或鑄鐵）的膨脹系數(shù)相近，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測(cè)量精度。感應(yīng)同步器為非接觸式電磁耦合器件，可選耐溫性能

23、好的非導(dǎo)磁性材料作保護(hù)層，加強(qiáng)了其抗溫防濕能力，同時(shí)在繞組的每個(gè)周期內(nèi)，任何時(shí)候都可給出與絕對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，不受環(huán)境干擾的影響。 44 （4）使用壽命長(zhǎng) 由于感應(yīng)同步器定尺與滑尺之間不直接接觸,因而沒(méi)有磨損，所以壽命長(zhǎng)。但是感應(yīng)同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。 （5）注意安裝間隙 感應(yīng)同步器安裝時(shí)要注意定尺和滑尺之間的間隙，一般在（0.020.25）0.05mm以內(nèi)，滑尺移動(dòng)過(guò)程中，由于晃動(dòng)所引起的間隙變化 也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如間隙過(guò)大，必將影響測(cè)量信號(hào)的靈敏度。 455.3.3.2 鑒相測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用 數(shù)控

24、機(jī)床閉環(huán)位置控制系統(tǒng)采用鑒相式系統(tǒng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖5-8所示。指令信號(hào)由插補(bǔ)器給出，經(jīng)脈沖-相位變換器變成相位信號(hào)1輸入鑒相器，同時(shí)反映實(shí)際位移的相位角2也送入鑒相器，二者相等時(shí)，說(shuō)明滑尺實(shí)際位置與指令給定位置一致；否則輸出相位差，并將它轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，使部件做相應(yīng)的位移，直至到達(dá)指定的位置。4647485.2.3.3 鑒幅測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用 鑒幅式系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖5-9所示。 49 當(dāng)工作臺(tái)位移值未達(dá)到指令要求值時(shí)，即xx1( ),定尺上感應(yīng)電壓U20。該電壓經(jīng)檢波放大控制伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)至x=x1 ( )時(shí),定

25、尺上感應(yīng)電壓U2 =0。誤差信號(hào)消失，工作臺(tái)停止移動(dòng)。定尺上感應(yīng)電壓同時(shí)輸出至相敏放大器，與來(lái)至相位補(bǔ)償器的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行比較，以控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向。 0050 鑒幅式系統(tǒng)的另一種型式為脈寬調(diào)制型系統(tǒng)，同樣是根據(jù)定尺上感應(yīng)電壓的幅值變化來(lái)測(cè)定滑尺和定尺之間的相對(duì)位移量。但是供給滑尺的正、余弦繞組的勵(lì)磁信號(hào)不是正弦電壓，而是方波脈沖。這樣便于用開(kāi)關(guān)線路實(shí)現(xiàn)，使線路簡(jiǎn)化，性能穩(wěn)定。 設(shè) 和 分別為提供給感應(yīng)同步器滑尺的勵(lì)磁信號(hào),如圖5-9b所示方波。若同時(shí)將 和 的方波信號(hào)分別加到滑尺的正弦、余弦繞組上作為勵(lì)磁，則在定尺上將產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓。 cusucusu51 利用性能良好的低通濾波器去

26、掉高次諧波，得到含有基波成分的感應(yīng)電壓。它將定尺和滑尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移角與勵(lì)磁脈沖角度聯(lián)系起來(lái)，調(diào)整勵(lì)磁脈沖的寬度，相當(dāng)于改變鑒幅式測(cè)量系統(tǒng)中激磁電壓中的相位角，以跟蹤工作臺(tái)位移值。脈寬調(diào)制型系統(tǒng)保留了鑒幅式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了某些缺點(diǎn)。它用固體組件組成數(shù)字電路來(lái)代替函數(shù)發(fā)生器，體積小、易于產(chǎn)生，系統(tǒng)應(yīng)用比較靈活，如要提高分辨率，只要加幾位計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)。因此這樣系統(tǒng)很有發(fā)展前途。 525.4 5.4 光柵光柵 光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵，物理光柵刻線細(xì)密，用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定。計(jì)量光柵，比較而言刻線較粗，但柵距也較小，在0.0040.25mm之間，主要用在數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)。光柵傳感器為動(dòng)態(tài)檢

27、測(cè)元件，按運(yùn)動(dòng)方式分為長(zhǎng)光柵和圓光柵，長(zhǎng)光柵用來(lái)測(cè)量直線位移；圓光柵用來(lái)測(cè)量角度位移。根據(jù)光線在光柵中的運(yùn)動(dòng)路徑分為透射光柵和反射光柵。一般光柵傳感器都是做成增量式的，也可以做成絕對(duì)值式的。目前光柵傳感器應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測(cè)量。 535.4.1 5.4.1 光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置（直線光柵傳感器）是由標(biāo)尺光柵、指示光柵和光柵讀數(shù)頭等組成。標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動(dòng)部件上（如工作臺(tái)上），光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上。當(dāng)光柵主讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對(duì)移動(dòng)。標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙要嚴(yán)格

28、保證（0.050.1mm）。圖5-10給出了光柵檢測(cè)裝置的安裝結(jié)構(gòu)。 5432411.標(biāo)尺光柵 2.指示光柵3.光電元件 4.光源圖圖5-10 5-10 光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)55 標(biāo)尺光柵和指示光柵通稱(chēng)為光柵尺，它們是在真空鍍膜的玻璃片上或長(zhǎng)條形金屬鏡面上光刻出均勻密集的線紋。光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離叫做柵距。對(duì)于圓光柵，這些線紋是圓心角相等的向心條紋。兩條向心條紋線之間的夾角叫做柵距角。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)光柵，金屬反射光柵的線條紋密度為每毫米有2550個(gè)條紋；玻璃透射光柵為每毫米100250個(gè)條紋。對(duì)于圓光柵，一周內(nèi)刻有10800條線紋；（圓光柵直徑為270mm,

29、360進(jìn)制）。 56575.4.2 光柵傳感器工作原理 以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度 ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱(chēng)為“莫爾條紋”（圖5-12）。嚴(yán)格地說(shuō)，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱(chēng)為莫爾條紋的寬度，以B表示。莫爾條紋具有以下特征： 585960 （1）莫爾條紋的變化規(guī)律 兩片光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對(duì)位移的柵距

30、數(shù)同步。 （2）放大作用 在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線角 之間有下列關(guān)系： 2sin2WB 61 式中： 的單位為rad, B的單位為mm。由于 角很小，sin ,則： 若 W=0.01mm, =0.01,則由上式可得 B=1，即把光柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。 （3）均化誤差作用 誤差莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。 /WB 625.4.3 分辨率的提高 為了提高分辨率，在光柵測(cè)量系統(tǒng)中常采用四倍頻的方案

31、。即在一個(gè)莫爾條紋的節(jié)距內(nèi)安裝4個(gè)光電元件，每相鄰的兩個(gè)元件之間相距均為1/4節(jié)距。這樣，莫爾條紋每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，光電元件將產(chǎn)生4個(gè)相差1/4周期的信號(hào)。例如，如果光柵的柵距為0.01mm，四倍頻后每個(gè)脈沖相當(dāng)于0.0025mm的間距。635.5 5.5 磁柵磁柵 磁尺（磁柵）是一種高精度的位置檢測(cè)裝置，可用于長(zhǎng)度和角度的測(cè)量，具有精度高、安裝調(diào)試方便，以及對(duì)使用條件要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)。在油污、粉塵較多的工作環(huán)境下使用穩(wěn)定性較好。5.5.1 5.5.1 磁尺測(cè)量裝置的組成和工作原理磁尺測(cè)量裝置的組成和工作原理 5.5.1.1 磁尺的組成 6465 磁尺是由磁性標(biāo)尺、讀取磁頭和檢測(cè)電路組成，其

32、結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。它是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號(hào)錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測(cè)量基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再送到檢測(cè)電路中去，把磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來(lái)，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。 66 磁頭是進(jìn)行磁-電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映位置的磁化信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，磁尺上采用的磁頭與普通錄音機(jī)上的磁頭不同。普通錄音機(jī)上采用的是速度響應(yīng)型磁頭，只有在磁頭和磁帶之間有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，才能檢測(cè)出磁化信號(hào)，這種磁頭只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。而磁尺上

33、采用的是磁通響應(yīng)型磁頭。該種磁頭結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。 67圖5-14 磁頭的結(jié)構(gòu) 68 磁頭有兩組繞組，分別為繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上的勵(lì)磁繞組和繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上的拾磁繞組（輸出繞組）。當(dāng)對(duì)勵(lì)磁繞組施加勵(lì)磁電流 時(shí)，若 的瞬時(shí)值大于某一數(shù)值，橫桿上的鐵芯材料飽和，這時(shí)磁阻很大，磁路被阻斷，磁性標(biāo)尺的磁通 不能通過(guò)磁頭閉合，輸出線圈不與 交鏈；如果的 的瞬時(shí)值小于某一數(shù)值， 所產(chǎn)生的磁通也隨之降低，兩橫桿中的磁阻也降低到很小，磁通開(kāi)路， 與輸出線圈交鏈。由此可見(jiàn)，勵(lì)磁線圈的作用相當(dāng)于磁開(kāi)關(guān)。0sinaiitai00ai ai0695.5.1.3 磁尺的工作原理 勵(lì)磁電流在一個(gè)周

34、期內(nèi)兩次過(guò)零，兩次出現(xiàn)峰值。相應(yīng)的磁開(kāi)關(guān)通斷兩次。磁路在由通到斷的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中交鏈磁通量由 變化到0；磁路在由斷到通的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中交鏈磁通量由0變化到 。 由磁性標(biāo)尺中的磁信號(hào)決定，因此，輸出線圈中輸出的是一個(gè)調(diào)幅信號(hào)： 0002cos()sinSCmxUUt70式中： 輸出線圈中的輸出感應(yīng)電勢(shì)； 輸出電勢(shì)峰值； 磁性標(biāo)尺節(jié)距； x選定某一N極作為位移零點(diǎn)，x為磁頭對(duì)磁性標(biāo) 尺的位移量； 輸出線圈感應(yīng)電勢(shì)的頻率，它比勵(lì)磁電流的頻率高一倍。 SCUmU71 由式前式可見(jiàn)，磁頭輸出信號(hào)的幅值是位移x的函數(shù)，只要測(cè)出 過(guò)0的次數(shù)，就可以知道x的大小。 使用單個(gè)磁頭輸出信號(hào)弱，而且對(duì)磁性標(biāo)

35、尺上磁化信號(hào)的節(jié)距和波形要求也較高。所以實(shí)際上，總是將幾十個(gè)磁頭以一定的方式串聯(lián)，構(gòu)成多間隙磁頭使用。 為了辨別磁頭的移動(dòng)方向，通常采用間距為（m+1/4）的兩組磁頭（m=1,2,3,）, 這樣兩組的磁頭輸出電勢(shì)信號(hào)的相位相差90。 SCU72如果第一組磁頭的輸出信號(hào)是：則第二組磁頭的輸出信號(hào)必然是 和 是相位相差90的兩列脈沖。至于哪個(gè)超前，則取決于磁尺的移動(dòng)方向。根據(jù)兩個(gè)磁頭的超前和滯后，可確定其移動(dòng)方向。 12cos()sinSCmxUUt22sin()sinSCmxUUt1SCU2SCU735.5.2 5.5.2 多間隙磁通響應(yīng)型磁頭多間隙磁通響應(yīng)型磁頭 如果用一個(gè)磁通響應(yīng)型頭讀取磁尺

36、上的磁化信號(hào)，輸出信號(hào)往往很微弱，為了提高輸出信號(hào)的幅值，同時(shí)降低對(duì)錄制的磁化信號(hào)正弦波形和節(jié)距誤差的要求，在實(shí)際使用時(shí)，常將幾個(gè)到幾十個(gè)的磁頭以一定的方式聯(lián)系起來(lái)，組成多間隙磁頭。如圖5-15所示。多間隙磁頭中的每一個(gè)磁頭都以相同的間距 配置，相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接。因此，輸出信號(hào)為各磁頭輸出信號(hào)的疊加。多間隙磁頭具有高精度、高分辨率、輸出電壓大等優(yōu)點(diǎn)。輸出電壓與磁頭數(shù)成正比。/2m74圖5-15 多間隙磁頭 755.5.3 5.5.3 檢測(cè)電路檢測(cè)電路 磁尺檢測(cè)是模擬測(cè)量，必須和檢測(cè)電路配合才能檢測(cè)。檢測(cè)線路包括勵(lì)磁電路，讀取信號(hào)的濾波、放大、整形、倍頻、細(xì)分、數(shù)字化和計(jì)數(shù)等線路。根

37、據(jù)檢測(cè)方法不同，檢測(cè)電路分為鑒幅型和鑒相型兩種。 765.5.3.1 鑒幅型系統(tǒng)工作原理 如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為/2的兩組信號(hào)，即 檢測(cè)電路方框圖如圖5-16所示。磁頭H1、H2相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測(cè)。這種方法的線路比較簡(jiǎn)單，但分辨率受到錄磁節(jié)距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的倍頻電路，所以不常采用。 122cos()2sin()SCmSCmxUUxUU77 圖5-16 磁尺鑒幅型檢測(cè)線路框圖 783.6.3.2 鑒相型系統(tǒng)工作原理 采用相位檢測(cè)的精度右可以大大高于錄磁節(jié)距，并可以通過(guò)提高插補(bǔ)脈沖

38、頻率以提高系統(tǒng)的分辨率，可達(dá)1m。一組磁頭的勵(lì)磁信號(hào)移相90則得到輸出電壓為 在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為 122cos()sin2sin()cosSCmSCmxUUtxUUt2sin()mxUUt79 由上式可知，合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭和磁尺的相對(duì)位置x變化而變化。其輸出信號(hào)與旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器讀取繞組中的信號(hào)相似，所以其檢測(cè)電路也相同。從圖5-17看出，振蕩器送出的信號(hào)經(jīng)分頻器，低通濾波器得到波形較好的正弦波信號(hào)。一路經(jīng)90移相后功率放大送到磁頭的勵(lì)磁繞組，另一路經(jīng)功率放大送至磁頭的勵(lì)磁繞組。將兩磁頭的輸出信號(hào)送入求和電路相加，并經(jīng)帶通濾波器、限幅、放大整形

39、得到與位置量有關(guān)的信號(hào)，送入檢相內(nèi)插電路中進(jìn)行內(nèi)插細(xì)分，得到分辨率為預(yù)先設(shè)定單位的計(jì)數(shù)信號(hào)。計(jì)數(shù)信號(hào)送入可逆計(jì)數(shù)器，即可進(jìn)行數(shù)字控制和數(shù)字顯示。 80圖5-17磁尺鑒相型檢測(cè)線路框圖 815.6 5.6 編碼器編碼器5.6.1 5.6.1 脈沖編碼器的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)脈沖編碼器的分類(lèi)和結(jié)構(gòu) 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置檢測(cè)裝置。經(jīng)過(guò)變換電路也可用于速度檢測(cè)，同時(shí)作為速度檢測(cè)裝置；脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。從精度和可靠性方面來(lái)看，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式脈沖編碼器。常用的脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置，它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分。 82 數(shù)控機(jī)床上常用的脈沖編碼器有：2000P/r、2500P/r和3000P/r等；在高速、高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器，如20000P/r；25000P/r和30000P/