第五章數(shù)控技術(shù)

第五章數(shù)控技術(shù)第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四1.

直接測量

直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。2.

間接測量

它是將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。5.1.1

直接測量和間接測量第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四1.

數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。

2.

模擬量測量

它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜。5.1.2數(shù)字式測量和模擬式測量第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

1.增量式測量

在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm就發(fā)出一個脈沖信號，其優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯誤。

2.絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。測量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。5.1.3增量式測量和絕對式測量第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四5.2光柵根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。5.2.1結(jié)構(gòu)第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四6工作原理當(dāng)指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一小角度放置時，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴格地說，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。5.2.2工作原理第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四莫爾條紋具有如下特點：（1）.放大作用用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖5-18所示則有(5-8)莫爾條紋寬度W與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。（2）.均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。θ標尺光柵W指示光柵（斜）P第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四（3）.莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例當(dāng)光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反（見圖5-18）。θ標尺光柵W指示光柵（斜）P標尺方向指示尺轉(zhuǎn)角θ方向莫爾條紋方向標尺方向指示尺轉(zhuǎn)角θ方向莫爾條紋方向第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-3光柵測量系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)如圖5-3所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅(qū)動線路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經(jīng)過聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，照射光柵尺。光電元件（常使用硅光電池）接受透過光柵尺光強信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。由于此信號比較微弱，在長距離傳遞時，很容易被各種干擾信號淹沒，造成傳遞失真，驅(qū)動線路的作用就是將電壓信號進行電壓和功率放大。除標尺光柵與工作臺一起移動外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動線路均裝在一個殼體內(nèi)，作成一個單獨部件固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉(zhuǎn)換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號變成電信號。第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一個條紋寬度，理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能達到最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波（見圖5-4）。硅光電池將近似正弦波的光強信號變?yōu)橥l率的電壓信號（見圖5-5），經(jīng)光柵位移—數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。光柵位移O圖5-4光柵的實際亮度變化光柵位移電壓O圖5-5光柵的輸出波形圖亮度5.2.3應(yīng)用（光柵位移－數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四采用一個光電元件即只開一個窗口觀察，只能計數(shù)，卻無法判斷移動方向。因為無論莫爾條紋上移或下移，從一固定位置看其明暗變化是相同的。為了確定運動方向，至少要放置兩個光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動時，莫爾條紋通過兩個光電元件的時間不同，所以兩個光電元件所獲得的電信號雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號的超前和滯后，可以確定標尺光柵移動方向。增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實際應(yīng)用中，既要提高測量精度，同時又能達到自動辨向的目的，通常采用倍頻或細分的方法來提高光柵的分辨精度，如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動了1/4柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四P1、P3信號是相位差180o的兩個信號，差動得正弦信號。同理，P2、P4信號送另一個差動放大器，得余弦信號。正余弦經(jīng)整形變成方波A和B，為使每隔1/4節(jié)距都有脈沖，把A、B各自反向一次得C、D信號，A、B、C、D信號再經(jīng)微分變成窄脈沖A′、B′、C′、D′，即在正走或反走時每個方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門電路把0o、90o、180o、270o四個位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的移動方向形成正向或反向脈沖。圖中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號相位彼此相差90o。正向運動時，用與門Y1~Y4及或門H1，得到A′B+AD′+C′D+B′C的四個輸出脈沖；反向運動時，用與門Y5~Y8及或門H2，得到BC′+CD′+A′D+AB′的四個輸出脈沖Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差動放大器

差動放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B

A

D

Ca)原理電路圖

sin

cos

A’

C’

B’

D’A’BC’DB’CBC’CD’A’DAB’AD’H2H1第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四其波形圖sincosABCDA′B′C′D′正向相加A′B+AD′+C′D+B′C反向相加BC′+CD′+A′D+AB′圖5-6四倍頻辨向電路波形第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四若光柵柵距0.01mm，則工作臺每移動0.0025mm，就會送出一個脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見，光柵檢測系統(tǒng)的分辨力不僅取決于光柵尺的柵距，還取決于鑒向倍頻的倍數(shù)。除四倍頻以外，還有十倍頻、二十倍頻等。第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四5.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。從產(chǎn)生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種，從精度和可靠性來看，光電式較好，數(shù)控機床上主要使用的是光電式脈沖編碼器。型號用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,現(xiàn)在有10萬p/r以上的產(chǎn)品。它可以用于角度檢測，也可用于速度檢測。通常它與電機做成一體，或安裝在非軸伸端。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四a)b)5.3.1絕對式編碼器絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。如圖所示為二進制碼盤。它在一個不導(dǎo)電基體上作成許多金屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中有剖面線部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示；其它部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。每一徑向，由若干同心圓組成的圖案代表了某一絕對計數(shù)值，第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四通常，我們把組成編碼的各圈稱為碼道，碼盤最里圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，經(jīng)電刷和電阻接電源負極。在接觸式碼盤的每個碼道上都裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接到電源正極（圖5-7b）。當(dāng)檢測對象帶動碼盤一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的相對位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會出現(xiàn)有電流通過或沒有電流通過兩種情況。若回路中的電阻上有電流通過，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無電流通過，為“0”。如果碼盤順時針轉(zhuǎn)動，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號輸出，圖示為4位二進制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進制碼，輸出為0000、0001、0010……1111。

1111

1

2

3

4

5

7

8

9

10

11

12

13

14

0000

6

0

0001

0010

0011

0100

0101

0110

1110

1101

1100

1011

1010

1001

0111

1000

15

絕緣體

導(dǎo)電體

電刷

R

20

21

22

23

E

第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四由圖5-11可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，分辨角θ＝360o/2n，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進制位數(shù)增多。目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進制，光電式碼盤可以做到18位二進制。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-8四位二進制碼盤非單值性誤差用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準，會使得個別電刷錯位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖5-12，當(dāng)電刷由位置0111向1000過渡時，可能會出現(xiàn)從8（1000）到15（1111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-13為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時改變，任何兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。二進制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進制數(shù)碼作不進位加法，結(jié)果即為葛萊碼。圖5-9葛萊碼盤例如，二進制碼1101對應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過程如下：1101（二進制碼）1101（不進位相加，舍去末位）1011（葛萊碼）第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四5.3.2增量式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應(yīng)機床工作臺移動的距離可用下式計算：式中δ—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。i1個脈沖（θ）-----------------------------------------δmmM個脈沖(360o，1轉(zhuǎn))—M/i個脈沖（1/i轉(zhuǎn)）----S×1/imm推導(dǎo)：第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（如圖）。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四電流AB節(jié)距ωtA1B1900圖5-15脈沖編碼器輸出波形為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖5-15所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。設(shè)A相比B相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-12為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號A,,B，經(jīng)過差分驅(qū)動和差分接收進入CNC裝置，再經(jīng)過整形放大電路變成二個方波系列A1,B1。將A1和它的反向信號ā1微分（上升沿微分）后得到和脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖。B1路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時（A超前B），由Y2門輸出加計數(shù)脈沖，此時Y1門輸出為低電平（圖5-16）；反走時（B超前A），由Y1門輸出減計數(shù)脈沖，此時Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分圖5-12辨向環(huán)節(jié)框圖加計數(shù)減計數(shù)計數(shù)器第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-12辨向環(huán)節(jié)波形圖第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（圖5-13）的工作原理放大環(huán)節(jié)

指令信號

比較器

伺服電機

反饋信號

工作臺

圖5-13數(shù)字比較伺服系統(tǒng)第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四5.4旋轉(zhuǎn)變壓器5.4.1結(jié)構(gòu)與工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器是輸出電壓信號與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的控制微電機,旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過測量電動機或被測軸的轉(zhuǎn)角來間接測量工作臺的位移。旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四如圖5-14所示，單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，假設(shè)加到定子繞組的勵磁電壓為，則轉(zhuǎn)子通過電磁耦合，產(chǎn)生感應(yīng)電壓。圖5-14旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四式中K—變壓比（即繞組匝數(shù)比）；

Vm—勵磁信號的幅值；

ω—勵磁信號角頻率；

θ—旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為兩磁軸平行，此時轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓最大，即第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子輸出電壓則為如圖所示。一個轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補償，另一個轉(zhuǎn)子繞組作為輸出，應(yīng)用疊加原理，其磁通為圖5-15正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理Us定子Uc轉(zhuǎn)子θ第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四5.4.2應(yīng)用兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。1.鑒相工作方式給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，電壓的代數(shù)和：(5-2)

第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四由式(5-2)和(5-3)可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，這樣，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。

(5-3)

假如，轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2.鑒幅工作方式給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即式中α—激磁繞組中的電氣角。

Umsinα,Umcosα

為定子兩繞組激磁信號的幅值則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為(5-3)第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四同理，如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得(5-4)由式(5-3)和(5-4)可見，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機床的滾珠絲杠上，當(dāng)角從00到3600時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導(dǎo)程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長度。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是將兩種不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器合為一體的組合電機，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周中，副端輸出周期數(shù)不同的兩種正旋波電壓信號，構(gòu)成粗、精雙通道系統(tǒng)。主要用于高精度同步隨動系統(tǒng)和軸角編碼系統(tǒng)作為角度傳感元件。第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四5.5感應(yīng)同步器5.5.1結(jié)構(gòu)與工作原理感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。

以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5-16所示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0.25~0.05mm間隙。圖5-16直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)U2定尺滑尺余弦繞組正弦繞組USUc第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四感應(yīng)同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標準感應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節(jié)距為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距。U2定尺滑尺余弦繞組正弦繞組USUc2τ第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取決于滑尺和定尺的相對位置。當(dāng)只給滑尺上正弦繞組加勵磁電壓時，定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對位置關(guān)系如圖所示。

定

尺

滑A

尺Bt241

位Ct221

置Dt243

Et2

E

A

V2

M

N

正弦繞組

余弦繞組

鑮

B

D

C

O

P

第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四定

尺

滑A尺Bt241位Ct221置Dt243

Et2

如果滑尺處于A位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對應(yīng)重合，定尺繞組線圈中穿入的磁通最多，則定尺上的感應(yīng)電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移動，穿入定尺的磁通逐漸減少，感應(yīng)電壓逐漸減小。當(dāng)滑尺移到圖中B點位置，與定尺繞組剛好錯開1/4節(jié)距時，感應(yīng)電壓為零。再移動至1/2節(jié)距處，即圖中C點位置時，定尺線圈中穿出的磁通最多，感應(yīng)電壓最大，但極性相反。再移至3/4節(jié)距，即圖中D點位置時，感應(yīng)電壓又變?yōu)榱?，?dāng)移動一個節(jié)距位置如圖中E點，又恢復(fù)到初始狀態(tài)，與A點相同。顯然，在定尺移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個周期，如圖5-17中ABCDE。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

若設(shè)定尺繞組節(jié)距為2τ，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了，當(dāng)滑尺移動距離為時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系可得設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓則定尺繞組感應(yīng)電壓為

式中K—耦合系數(shù)；

Vm—激磁電壓的幅值；

ω—激磁電壓的角頻率；

θ—與位移對應(yīng)的角度。Vmcosθ為感應(yīng)電壓的幅值第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對應(yīng)兩個位移點，如圖5-4中M、N兩點。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯開1/4節(jié)距處，配置了余弦繞組。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系(圖5-4中OP)。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對應(yīng)的唯一確定的位移。

E

A

V2

M

N

正弦繞組

余弦繞組

B

D

C

O

P

第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四1.鑒相型系統(tǒng)供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相位相差900的交流勵磁電壓根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為通過鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位移。例如定尺感應(yīng)輸出電壓與滑尺勵磁電壓之間的相位差為3.60，當(dāng)節(jié)距的情況下，表明滑尺移動了0.02mm。(5-7)有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。5.5.2應(yīng)用第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四放大濾波基準信號發(fā)生器脈沖調(diào)相器鑒相器放大器激磁供電線路伺服電機速度控制單元滑尺定尺機床VsVc-x+x圖5-18感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖基準信號發(fā)生器輸出一系列一定頻率的基準脈沖信號（載波信號），為伺服系統(tǒng)提供一個相位比較基準。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四脈沖調(diào)相器的作用是將來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化的信號。圖5-19為其原理組成框圖，在脈沖調(diào)相器中，由基準信號發(fā)生器產(chǎn)生的基準脈沖信號分成兩路，一路直接輸入分頻器1，它為1/N分頻的二進制計數(shù)器，稱為基準分頻通道。為適應(yīng)感應(yīng)同步器滑尺的兩勵磁繞組供電的要求，該通道輸出兩路幅值相等、頻率相同、相位相差900的脈沖信號，經(jīng)激磁供電線路變成正、余弦信號給滑尺正弦、余弦繞組勵磁。另一路先經(jīng)過脈沖加減器，再進入分頻器2，該分頻器也為1/N分頻二進制計數(shù)器，稱為調(diào)相分頻通道。調(diào)相分頻通道的任務(wù)是將指令脈沖信號調(diào)制成與基準脈沖有一定關(guān)系的輸出脈沖信號，其相位差大小和極性與指令脈沖有關(guān)。上述兩個分頻器均為1/N分頻，即當(dāng)輸入N個計數(shù)脈沖后產(chǎn)生一個溢出脈沖。分配器1（1/N）（基準分頻通道）分配器2（1/N）（調(diào)相分頻通道）脈沖加減器基準信號發(fā)生器激磁信號指令信號+x-x5-19脈沖調(diào)相器原理框圖第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四為說明指令移相情況，設(shè)兩個分頻器均由四個二進制計數(shù)觸發(fā)器C0~C3組成，每輸入16個脈沖產(chǎn)生一個溢出脈沖信號。對應(yīng)無指令脈沖和有指令脈沖兩種情況，可用圖5-20和圖5-21兩個波形圖來描述C0C1C2C3F圖5-7無指令脈沖時序波形圖第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-21所示，有一正向指令脈沖通過脈沖加減器，使得輸入到調(diào)相分頻通道的脈沖個數(shù)增加一個，結(jié)果該分頻器產(chǎn)生溢出脈沖的時刻提前產(chǎn)生。因此，在指令脈沖作用下，調(diào)相分頻通道輸出脈沖與基準脈沖有一個相位差Δθ1，且Δθ1＝θ1－θ0，θ0為基準信號發(fā)生器的基準相位；θ1為指令信號相位；θ1的大小取決于指令脈沖數(shù)，其隨時間變化的快慢取決于指令脈沖頻率，而其相對于θ0的超前與滯后，則取決于指令脈沖進給方向。圖5-21有指令脈沖時序波形FC1C2C0C3F1分頻器2輸出分頻器1輸出Δθ1第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)用同一脈沖源的輸出時鐘脈沖去觸發(fā)容量相同的兩個分頻器1和2時（見圖5-7），結(jié)果在兩個分頻器最后一級的輸出是頻率大大降低的兩個同頻率信號。假設(shè)時鐘脈沖頻率為F，當(dāng)分頻器的容量為N，即N個時鐘脈沖使分頻器的輸出變化一個周期，則分頻器輸出端的脈沖頻率f為：f=F/N（N為最大計數(shù)容量，n為觸發(fā)器個數(shù)）。如果在時鐘脈沖觸發(fā)兩個分頻器的過程中，通過脈沖加減器加入一個指令脈沖，分頻器2的最后一級輸出提前翻轉(zhuǎn)，從而相對于分頻器1產(chǎn)生了一個正的相移Δθ1（見圖5-21）。脈沖調(diào)相器每接受一個脈沖便產(chǎn)生一個指令相位增量Δθ1，Δθ1應(yīng)符合下式或第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四如果感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm，

脈沖當(dāng)量選定為δ=0.001mm，

一個脈沖對應(yīng)的相移角Δθ1為數(shù)控裝置每發(fā)一個進給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器變?yōu)槌盎鶞市盘栆粋€0.180相移角的信號，即Δθ1=θ1-θ0=0.180。此時因工作臺未動，反饋信號相對于基準信號的相位差Δθ2=θ2-θ0=0（θ2為定尺繞組上作為反饋信號所取的感應(yīng)電壓U2的相位）。鑒相器將δ＝Δθ1－Δθ2=0.180的相位差檢測出來，經(jīng)放大后控制伺服電動機帶動工作臺移動。隨著工作臺的移動，θ2逐漸增大，相位差δ逐漸減少，直至δ＝0。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四鑒相式伺服系統(tǒng)利用相位比較原理進行工作。當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺沿一個方向位移時，產(chǎn)生一列進給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器的調(diào)相分頻通道轉(zhuǎn)化為相位變化信號Δθ1′，它作為指令信號送入鑒相器；測量裝置及信號處理電路的作用是將工作臺的位移量檢測出來，并表達成與基準信號之間的相位差Δθ2′，也被送入鑒相器。這兩路信號都用它們與基準信號之間的相位差表示，且同頻率、同周期。因此，它們兩者之間的相位差為δ′＝Δθ1′－Δθ2′。鑒相器的作用就是鑒別出這兩個信號的相位差，并以與此相位差信號成正比的電壓信號輸出。如果相位差不為零，說明工作臺實際移動的距離不等于指令信號要求工作臺移動的距離，鑒相器檢測出的相位差，經(jīng)放大后，送入速度控制單元，驅(qū)動電機帶動工作臺向減少誤差的方向移動。若相位差為零，則表示感應(yīng)同步器的實際位置與給定指令位置相同，鑒相器輸出電壓為零，工作臺停止移動。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2.鑒幅式系統(tǒng)供給滑尺上正、余弦繞組的勵磁電壓的頻率相同、相位相同但幅值不同。