數(shù)控機(jī)床常用檢測裝置

1、第第5章章 數(shù)控機(jī)床常用檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用檢測裝置 n5.1 檢測裝置簡介檢測裝置簡介n檢測元件的精度主要包括系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度和系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率兩項(xiàng)。n系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度是指在一定長度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測量積累誤差的最 大 值 ， 目 前 一 般 長 度 位 置 檢 測 精 度 均 已 達(dá) 到0.002mm/m以內(nèi)，回轉(zhuǎn)角測量精度達(dá)到10/360；n系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前長度位移的分辨率多數(shù)為1m，高精度系統(tǒng)分辨率可達(dá)0.1m，回轉(zhuǎn)分辨率為2。n不同類型數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的精度和使用速度要求是不同類型數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的精度和使用速度要求是不同的不同的。20

2、22-3-3015.1 檢測裝置簡介檢測裝置簡介n系統(tǒng)分辨率的提高，對加工精度有一定的影響，但也不宜過小，分辨率的選取通常和脈沖當(dāng)量的選取方法一樣，數(shù)值也相同，均按機(jī)床加工精度的1/31/10選取。n數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求有：數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求有：工作可靠，抗干擾性能強(qiáng)。使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境。滿足精度和速度的要求。易于實(shí)現(xiàn)高速的動態(tài)測量、處理的自動化。成本低。2022-3-3022022-3-3035.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器5.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖5-1 旋轉(zhuǎn)變壓器a） 有刷結(jié)構(gòu) b

3、） 無刷結(jié)構(gòu)5.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理2022-3-3045.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（1）2022-3-3055.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（2）2022-3-3065.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（3）2022-3-3075.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器5.3.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類n按結(jié)構(gòu)可分為直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器和圓形感應(yīng)同步器圓形感應(yīng)同步器兩種，直線式用于測量直線位移，而圓形感應(yīng)同步器用于檢測角位移。n直線式由定尺和滑尺兩部分組成；而圓形感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成。n感應(yīng)同步

4、器的這兩部分繞組相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的初級和次級線圈，它們都是利用交變磁場和互感原理工作的。2022-3-3085.3.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類2022-3-3095.3.2 感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理(1)n如圖5-8所示，滑尺上具有在空間上相差1/4節(jié)距的正弦繞組和余弦繞組，且定尺與滑尺節(jié)距相同。n當(dāng)滑尺勵磁繞組與定尺感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的作用，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而呈周期性地變化，感應(yīng)同步器就是利用這一特點(diǎn)來檢測滑尺相對定尺的位置的。2022-3-3010圖58 直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)5.3.2 感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器

5、的工作原理(2)2022-3-3011圖圖5-9 5-9 感應(yīng)同步器工作原理感應(yīng)同步器工作原理n當(dāng)定尺繞組與滑尺繞組之一相重合時，如圖5-9的A點(diǎn)，這時定尺輸出的感應(yīng)電壓最大；n當(dāng)滑尺繞組相對于定尺繞組平行移動時，感應(yīng)電壓逐漸減小，到達(dá)1/4節(jié)距的位置B時，由于各滑尺線圈磁場在定尺各線圈中產(chǎn)生的電壓方向相反，所以定尺線圈輸出電壓為零；n如果滑尺繼續(xù)向C點(diǎn)移動，則滑尺磁場在定尺中產(chǎn)生的電壓在負(fù)方向上逐漸增大，C點(diǎn)達(dá)到最大；n當(dāng)滑尺再向D點(diǎn)移動時，定尺電壓又逐漸變?yōu)榱恪當(dāng)移動一個節(jié)距，到達(dá)E點(diǎn)時，又與A點(diǎn)的情況相同。2022-3-30125.3.4 感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)感應(yīng)同步器

6、也有：鑒相測量系統(tǒng)和鑒幅測量系統(tǒng)鑒相測量系統(tǒng)和鑒幅測量系統(tǒng)。（1 1）鑒相測量系統(tǒng)）鑒相測量系統(tǒng)n給感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器滑尺滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和幅值相同，相位差為90的勵磁信號： 則滑尺二繞組在定尺定尺繞組中分別產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為： )sin(tKVEEumSCd)22sin(xtKVumd2022-3-30135.3.4 感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)（2）鑒幅測控系統(tǒng)）鑒幅測控系統(tǒng)n鑒幅工作方式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值變化來檢測位移的。在這種工作方式下，滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和相位相同，幅值不同正弦電壓，即 tVVtVVmcmssincossinsinsins

7、incoscossinsintKVEtKVEmCmS)(sinsinsin)22sin(0 xxtKVtxKVEEummcsd022x2022-3-30145.4 光柵光柵 n光柵是利用光的反射、透射和干涉現(xiàn)象制成，有物理光柵物理光柵和計(jì)量光柵計(jì)量光柵。n物理光柵物理光柵兩刻線之間距離在0.002-0.005 mm之間，常用于光譜分析和光波波長的測定；n計(jì)量光柵計(jì)量光柵柵距在0.004-0.025mm之間，常用于高精度位移的檢測，是數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種檢測裝置5.4.1 計(jì)量光柵的種類計(jì)量光柵的種類n按照不同的分類方法，計(jì)量光柵可分為：直線光柵和圓形直線光柵和圓形光柵光柵；逶射光柵和反射光

8、柵逶射光柵和反射光柵；增量式光柵和絕對式光柵增量式光柵和絕對式光柵等。5.4.2 計(jì)量光柵的工作原理計(jì)量光柵的工作原理（1）2022-3-30155.4.2 計(jì)量光柵的工作原理計(jì)量光柵的工作原理（2）莫爾條紋有以下幾個重要特性：n1）平均效應(yīng)莫爾條紋是由大量的光柵線紋共同作用產(chǎn)生的，對光柵的線紋誤差有平均作用。從而可以在很大程度上消除光柵線紋的制造誤差。光柵越長，參加工作的線紋越多，這種平均效應(yīng)就越大。n2）對應(yīng)關(guān)系如圖5-11所示，當(dāng)光柵移動一個柵距d，摩爾條紋也相應(yīng)移動一個紋距W，其光強(qiáng)變化近似正弦波形；若移動方向相反，則摩爾條紋移動的方向也相反。n3）放大作用2022-3-30165.4

9、.2 計(jì)量光柵的工作原理計(jì)量光柵的工作原理（3）2022-3-30175.4.2 計(jì)量光柵的工作原理計(jì)量光柵的工作原理（4）（2）光電轉(zhuǎn)換）光電轉(zhuǎn)換n光柵檢測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)由光柵讀數(shù)頭完成。最基本的光柵讀數(shù)頭由光源、聚光鏡、指示尺光柵和硅光電池組成，如圖5-12 a所示。n為了便于說明其工作原理，以光閘莫爾光柵為例，說明當(dāng)光柵移動一個柵距時，其輸出波形和兩塊光柵相互位置變化的關(guān)系。2022-3-30185.4.2 計(jì)量光柵的工作原理計(jì)量光柵的工作原理（5）n當(dāng)兩塊光柵的刻線重合時，透光最多，光電池輸出的電壓信號最大；n當(dāng)光柵1向右移動半個柵距時，兩塊光柵的暗線紋將明線紋遮住，透光近似于0，光

10、電池輸出最??；n再移動半個柵距，則兩塊光柵的刻線又重合，光電池輸出又達(dá)到最大值。n這種光柵的遮光作用與光柵的移動距離成線性關(guān)系，所以光電池的光接收量也與光柵的移動距離成線性關(guān)系，即光電池的輸出電壓波形也近似于三角形。n但這是一種理想的狀態(tài)，只有在兩塊光柵的夾角為0，刻線質(zhì)量極好，而且刻線寬度均勻一致才能達(dá)到。2022-3-30195.4.2 計(jì)量光柵的工作原理計(jì)量光柵的工作原理（6）2022-3-30205.4.3 光柵的測量裝置光柵的測量裝置（2）光柵測量裝置原理光柵測量裝置原理n如前所述，光柵的移動形成了莫爾條紋，又經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號輸出。這樣的信號，只能用于計(jì)數(shù)，而不能辨別方向。n

11、實(shí)際應(yīng)用中，即要求有較高的檢測精度，又能辨別方向。為了達(dá)到這種要求，通常使用分頻電路實(shí)現(xiàn)。n下面介紹一種廣泛使用的四倍頻辨向電路工作原理。n所謂四倍頻，就是采用四個光電元件和四個狹縫，使其與莫爾條紋相重合的位置相差1/4柵距。這樣，相鄰兩個光電元件輸出的正弦信號相差90，經(jīng)過整形和邏輯處理后即可得到能夠辨別方向的四倍頻脈沖信號。2022-3-30215.4.3 光柵的測量裝置光柵的測量裝置2022-3-3022圖5-12 光柵信號四倍頻電路2022-3-30235.5 磁柵磁柵n磁柵是用電磁方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，可用作直線和角位移的測量。n磁柵與同步感應(yīng)器、光柵相比，測量精度略低

12、。n但具有復(fù)制簡單以及安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是在油污、粉塵較多的環(huán)境中應(yīng)用，具有較好的穩(wěn)定性。n因此，磁柵較廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測量機(jī)上。 2022-3-30245.5 磁柵磁柵n磁柵檢測裝置是將具有一定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，用來作測量基準(zhǔn)。n在檢測過程中，用拾磁磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相動于磁尺的位置送給伺服控制系統(tǒng)或數(shù)字顯示裝置。n磁柵檢測裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和檢測電路磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和檢測電路三部分組成。5.5.1 磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺n磁性標(biāo)尺常采用不導(dǎo)磁材料做基體，在上面鍍上一層1030 m厚的高

13、磁性材料，形成均勻的磁膜。n再用錄磁磁頭在磁尺上記錄節(jié)距相等的周期性變化的磁信號，用于作為測量基準(zhǔn)，信號可為正弦波、方波等，節(jié)距通常為0.05、0.1、0.2m等。n最后磁尺表面涂上保護(hù)層，以防磁頭與磁尺頻繁接觸過程中的磁膜磨損。n磁性標(biāo)尺按形狀可分為：用于檢測直線位移的平面實(shí)體型磁尺、帶狀磁尺和同軸型線狀磁尺；用于檢測角位移的回轉(zhuǎn)型磁尺等，如圖5-13所示。2022-3-30255.5.1 磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺2022-3-3026a) 平面實(shí)體型磁尺 b) 帶狀磁尺 c) 同軸型線狀磁尺 d) 回轉(zhuǎn)型磁尺圖5-13 按磁性標(biāo)尺形狀分類的各種磁尺1-實(shí)體尺 2-尺座（屏蔽罩） 3-帶狀尺 4-尺

14、墊（泡沫塑料） 5-磁頭 6-線狀尺 7-磁尺 8-組合磁頭 9-尺座2022-3-30275.5.2 讀數(shù)磁頭讀數(shù)磁頭n讀數(shù)磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的器件。n它將反映位置變化的磁化信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號輸送給檢測電路。n根據(jù)機(jī)床數(shù)字控制系統(tǒng)的要求，為了在低速運(yùn)動和靜止時也能進(jìn)行位置檢測，必須采用一種磁通響應(yīng)型磁頭磁通響應(yīng)型磁頭，而不能采用普通錄音機(jī)上的速度響應(yīng)型磁頭普通錄音機(jī)上的速度響應(yīng)型磁頭。n磁通響應(yīng)型磁頭是一個帶有飽和鐵芯的二次諧波調(diào)制器，如圖5-14所示。 2022-3-30285.5.2 讀數(shù)磁頭讀數(shù)磁頭圖5-14 磁通響應(yīng)型磁頭5.5.3 磁柵的工作原理磁柵的工作原理（1）202

15、2-3-30292022-3-30305.5.3 磁柵的工作原理磁柵的工作原理圖515 雙磁頭配置原理圖2022-3-30315.6 脈沖編碼器脈沖編碼器 n脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，它把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器通常裝在被檢測的軸上，隨被測軸一起旋轉(zhuǎn)，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量式脈沖或絕對式代碼的形式。n脈沖編碼器根據(jù)輸出信號的方式不同，可分為絕對值式編絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器碼器和脈沖增量式編碼器；根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式不同，可分為接觸式、光電式和電磁式接觸式、光電式和電磁式三種。 2022-3-30325.6.1 絕對式脈沖編碼器絕對式脈沖編

16、碼器n可直接把檢測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，每一個角度均有其對應(yīng)的代碼，它把被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。n絕對式碼盤的編碼類型有二進(jìn)制編碼、二十進(jìn)制編碼、格雷碼等。圖5-16為4位二進(jìn)制接觸式絕對式碼盤。圖5-16 接觸式絕對式編碼器的碼盤a）絕對式碼盤結(jié)構(gòu) b）二進(jìn)制碼盤 c）格雷碼盤2022-3-30335.6.1 絕對式脈沖編碼器絕對式脈沖編碼器n將二進(jìn)制碼右移一位并將末位舍去，然后將其與原碼進(jìn)行將二進(jìn)制碼右移一位并將末位舍去，然后將其與原碼進(jìn)行不進(jìn)位加法，則會得到與之相對應(yīng)的雷格碼。不進(jìn)位加法，則會得到與之相對應(yīng)的雷格碼。n接觸式碼盤體積小，輸出功率大，但易磨損，

17、其使用壽命短，轉(zhuǎn)速也不能太高。n光電式碼盤光電式碼盤即是將接觸式碼盤的導(dǎo)電與不導(dǎo)電式區(qū)域用透明和不透明區(qū)域代替；n電磁式碼盤電磁式碼盤則是用有磁和無磁替換接觸式碼盤的導(dǎo)電和不導(dǎo)電區(qū)域。2022-3-30345.6.1 絕對式脈沖編碼器絕對式脈沖編碼器光電絕對值編碼器 2022-3-30355.6.2 脈沖增量式碼盤脈沖增量式碼盤（1 1）結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)n增量式脈沖編碼器最初就是一種光電盤，它由光源、聚光鏡、光源、聚光鏡、光電盤、分度狹縫、光電元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換線路及數(shù)字顯示裝置光電盤、分度狹縫、光電元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換線路及數(shù)字顯示裝置組成。n光電盤可以用玻璃研磨拋光制成。玻璃表面在真空中鍍一層不透明的鉻