數(shù)控技術(shù)課程 第5章 數(shù)控檢測(cè)技術(shù)

第5章數(shù)控檢測(cè)技術(shù)1/16/20235.1概

述

組成：位置等測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成的。作用：實(shí)時(shí)測(cè)量執(zhí)行部件的位移和速度信號(hào)，并變換成位置控制單元所要求的信號(hào)形式，將運(yùn)動(dòng)部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測(cè)裝置的精度決定的，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，必須精心選擇位置檢測(cè)裝置。1/16/20235.1.1檢測(cè)裝置的分類

數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置分為位移、速度和電流三種類型。

☆安裝的位置及耦合方式—直接測(cè)量和間接測(cè)量；

☆測(cè)量方法—增量型和絕對(duì)型;

☆檢測(cè)信號(hào)的類型—模擬式和數(shù)字式；

☆運(yùn)動(dòng)型式—回轉(zhuǎn)型和直線型；

☆信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理—光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。

1/16/2023表5．1數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置分類

分

類

增

量

式

絕

對(duì)

式

位移傳感器

回轉(zhuǎn)型——脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

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——直線應(yīng)同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器

速度—角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器

電流傳感器

霍耳電流傳感器

1/16/2023傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)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特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱作精度。高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.分辨率

分辯率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。

3.靈敏度靈敏度高、一致。

4.遲滯對(duì)某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。

5.測(cè)量范圍和量程絕對(duì)和增量，其測(cè)量范圍和量程不一樣。

6.零漂與溫漂測(cè)量零點(diǎn)的變化，以及測(cè)量零點(diǎn)隨溫度的變化。

其它：

可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。

5.1.2數(shù)控測(cè)量裝置的性能指標(biāo)及要求

1/16/20235.2旋轉(zhuǎn)變壓器

54318762

圖5﹒1旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

1/16/2023旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）簡(jiǎn)稱旋變，又稱作解算器或分解器。分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu)單對(duì)極元件、多對(duì)極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應(yīng)

5.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R41/16/2023

E2=KV

1cosα=KV

msinωtcosα

α=90°E

2=0α=0°E

2=KV

mSINωt式中:E2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)；

V1—定子繞組勵(lì)磁電壓

V1=Vmsinωt；

Vm—電壓信號(hào)幅值；α—定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；K—變壓比（即繞組匝數(shù)比）

5.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmSINωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

1/16/2023鑒相方式

Vs=VmsinωtVc=Vmcosωt

E2=KV

mcosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

5.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

VSVSVsVcE2

圖5.3

定子兩相繞組勵(lì)磁

轉(zhuǎn)子輸出信號(hào)的相位角(ωt-α)與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1/16/20232.鑒幅方式

Vs=Vmsinα電sinωtVc=Vmcosα電sinωt

E2=KV

mcosα機(jī)-KV

csinα機(jī)=KV

m

sinωt(sinα電cosα機(jī)-cos電sinα機(jī)=KV

m

sin(α電-α機(jī))sinωt

5.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用VSVSVsVcE2

圖5.3

定子兩相繞組勵(lì)磁

感應(yīng)電勢(shì)（E2）是以ω為角頻率、以Vmsin(α電-α機(jī))為幅值的交變電壓信號(hào)。若電氣角α電已知，只要測(cè)出E2

幅值(利用E2=0)，便可間接的求出機(jī)械角α機(jī)，從而得出被測(cè)角位移。

1/16/20235.22旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用VSVS1/16/20235.4直線光柵

光柵的分類：物理光柵和計(jì)量光柵光柵的運(yùn)動(dòng)方式：長(zhǎng)光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵1/16/20231.長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵和指示光柵柵距和柵距角（兩個(gè)光柵錯(cuò)開的角度）是重要參數(shù)

5.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

圖5.9光柵的結(jié)構(gòu)

1-防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭

3-標(biāo)尺光柵

4-防護(hù)罩

VS312431245標(biāo)尺光柵圖5.10光柵讀數(shù)頭1-光源

2-準(zhǔn)直鏡3-指示光柵

4-光敏元件5-驅(qū)動(dòng)線路

1/16/20232.工作原理（以透射投影為例）摩爾條紋寬度W的理論公式

W-摩爾條紋寬度d-柵距莫爾條紋：嚴(yán)格來說：橫向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

5.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

d放大2倍

Θ/2當(dāng)d1=d2=d時(shí)，wwd2d2d1d2d1d1d2VSθ

d

WW

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莫爾條紋的特征：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對(duì)移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋間距。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)與兩光柵相對(duì)移過的柵距數(shù)同步。（2）放大作用

莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線夾角θ之間關(guān)系：由圖可知sin(θ/2)

=(d/2)/

W，W=(d/2)/

sin(θ/2)

θ很小可認(rèn)為sin(θ/2)≈θ/2

故W=d/θ

例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100倍。（3）均化柵距誤差作用莫爾條紋是由很多光柵條紋形成，莫爾條紋之間的距離相對(duì)光柵柵距是很大的，故光柵柵距誤差影響不大。

5.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

1/16/2023莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分：四倍頻電路（還有多倍頻電路）

5.4.2光柵位移-數(shù)字變換電路

abcd差動(dòng)放大差動(dòng)放大整形整形方向辨別門電路可逆計(jì)數(shù)正脈沖反脈沖a)a)原理框圖原理：摩爾條變成方波

摩爾條紋信號(hào)為正（余）弦信號(hào)，有四塊光電池（相位彼此相差90o）接收，a、c信號(hào)相位差180o，送入差動(dòng)（放大器防干擾、放大），得sin信號(hào)。同理由b、d信號(hào)得cos信號(hào)。經(jīng)整形變成方波。

產(chǎn)生正走、反走脈沖經(jīng)方向辨別電路，在正走時(shí)（反走）產(chǎn)生四個(gè)正走脈沖（四個(gè)反走脈沖）。

可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1/16/2023bdac差動(dòng)放大插動(dòng)放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDA’C’B’D’Y1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖A’BAD'C’DB’CBC'AB'A’DCD'b)c)b)邏輯電路圖反向電路使方波反向，微分電路產(chǎn)生脈沖，Y1~Y8為“與門”，H1、H2為“或門”c)波形圖：脈沖的產(chǎn)生在方波上升沿（上升沿微分）sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走：(H1)反走(H1)低電平Y(jié)1=A’BY2=AD’Y3=C’DY4=B’CY5=BC’Y6=AB’Y7=A’DY8=CD’(H2)低電平(H2)Sin超前90oCos超前90o1/16/20235.5光電脈沖編碼器

5.5.1脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)

作用：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)角變成電脈沖可作為位置檢測(cè)和速度檢測(cè)裝置。分類：脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。原理：光通過二個(gè)光柵線紋產(chǎn)生近似正余弦的脈沖信號(hào)A、B、Z，經(jīng)整形放大變成方波。編碼器是一種增量檢測(cè)裝置。參數(shù)：它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。2000P/r、2500P/r和3000P/r等；

共有3路脈沖A（如2500P/r）、B（如2500P/r）、Z（1P/r）1234567圖5.14光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1-光源2-圓光柵3-指示光柵4-光電池組5-機(jī)械部件6-護(hù)罩7-印刷電路板

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5.5.2光電脈沖編碼器的工作原理ωt

節(jié)距PAB90°

90°

圖5.15光電脈沖編碼器的輸出波形

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5.5.3光電脈沖編碼器的應(yīng)用

可逆計(jì)數(shù)B相信號(hào)單穩(wěn)A相信號(hào)a+整形整形dbcef-&&反向abcdefabcdef應(yīng)用一：適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖

a)邏輯電路圖b)波型圖①正走：a超前b1/4周期加計(jì)數(shù)

②反走：a超前b1/4周期減計(jì)數(shù)

低電平低電平1/16/2023

5.5.3光電脈沖編碼器的應(yīng)