機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用-數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置

數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置5.1位置檢測裝置的作用與要求5.2位置檢測裝置的測量方式路5.3脈沖編碼器5.4光柵5.5磁柵5.6旋轉(zhuǎn)變壓器5.7感應(yīng)同步器習(xí)題與思考題

本章著重介紹光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器及磁柵等檢測裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作方式及安裝使用。通過學(xué)習(xí)掌握角位移和直線位移檢測裝置在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，應(yīng)能根據(jù)測量對象正確選擇不同的檢測裝置，并對每種檢測裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用有較深入的理解。

5.1位置檢測裝置的作用與要求

檢測裝置是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的主要作用是檢測位移和速度，閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要取決于檢測系統(tǒng)的精度。因此，精密檢測裝置是高精度數(shù)控機(jī)床的重要保證。

通常位置檢測裝置的精度指標(biāo)主要包括系統(tǒng)精度和系統(tǒng)分辨率。系統(tǒng)精度是指在某單位長度或角度內(nèi)的最大累積測量誤差。數(shù)控機(jī)床檢測裝置的系統(tǒng)分辨率一般為0.0001~

0.01mm/m，測量精度為±0.001~0.01mm/m。系統(tǒng)分辨率是指位置檢測裝置能夠正確檢測的最小位移量，目前直線位移的分辨率可達(dá)0.001mm，角位移的分辨率可達(dá)2″。通常檢測裝置能檢測到的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動部件的運(yùn)動速度為0~24m/min。不同類型數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的精度和適應(yīng)的速度要求是不同的，對大型機(jī)床以滿足速度要求為主。對中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足精度為主。

一般來說，數(shù)控機(jī)床上使用的檢測裝置應(yīng)滿足以下要求:

(1)準(zhǔn)確性好，滿足精度要求，工作可靠，能長期保持精度。

(2)滿足速度、精度和機(jī)床工作行程的要求。

(3)可靠性好，抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境的要求。

(4)使用、維護(hù)和安裝方便，成本低。

5.2位置檢測裝置的測量方式

對于不同類型的數(shù)控機(jī)床，因工作條件和檢測要求不同，可以采用以下不同的測量方式。

1.增量式和絕對式測量

增量式測量的特點是只測量位移增量，工作臺每移動一個測量單位，測量裝置就發(fā)出一個測量信號。其優(yōu)點是檢測裝置比較簡單，任何一個對中點都可以作為測量起點。典型

增量式測量裝置有光柵和增量式光電碼盤。

絕對式測量的特點是被測的任一點的位置都由一個固定的零點算起，每一測量點都有一對應(yīng)的測量值。典型絕對式測量裝置有接觸式編碼盤和絕對式光電碼盤。

2.數(shù)字式和模擬式測量

數(shù)字式測量以量化后的數(shù)字形式表示被測量。數(shù)字式測量的特點是測量裝置簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)且便于顯示處理。典型數(shù)字式測量裝置有光電碼盤、接角式碼盤、光柵等。

模擬式檢測將被測量用連續(xù)的變量來表示，如用電壓、相位的變化來表示。模擬式檢測裝置有測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁尺等。模擬式檢測的主要特點有:

(1)直接對被測量進(jìn)行檢測，無須量化。

(2)在小量程內(nèi)可實現(xiàn)高精度測量。

數(shù)控機(jī)床常見的位置檢測裝置如表5.1所示。

3.直接測量和間接測量

位置檢測裝置與被測對象存在著機(jī)械聯(lián)系，稱為直接測量。此時機(jī)床本身的變形、振動等因素會對測量產(chǎn)生一定的影響。典型直接測量方式有直線光柵、直線感應(yīng)同步器、磁

柵、激光干涉儀等。

間接檢測是指位置檢測裝置與被測對象是分離的，不存在著機(jī)械聯(lián)系。典型間接測量裝置有雙頻激光干涉儀、光柵等。

除了以上位置檢測裝置，伺服系統(tǒng)中往往還包括檢測速度的元件，用以檢測和調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。常用的測速元件是測速發(fā)動機(jī)。

5.3脈沖編碼器

脈沖編碼器也稱光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器。光電編碼器直接將被測角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字(脈沖)信號。這種測量方式?jīng)]有累積誤差。光電編碼器也可用來檢測轉(zhuǎn)速。光電編碼器按測量的坐標(biāo)系可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。

5.3.1增量式光電編碼器

增量式光電編碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。

增量式光電編碼器由光柵碼盤(光柵板)和光電檢測裝置組成。光柵板用玻璃研磨拋光制成，玻璃的表面在真空中鍍一層不透明的鉻，然后用照相腐蝕法，在光電盤的邊緣上開有間距相等的透光狹縫。在光欄板上制成兩條狹縫，每條狹縫的后面對應(yīng)安裝一個光電管。當(dāng)電動機(jī)(或工件軸)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，平行光透過光電盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光電管把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，通過整形、放大、分頻、計數(shù)、譯碼后由數(shù)顯裝置顯示，通過計算每秒鐘光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)(或工件軸)的轉(zhuǎn)速(或旋轉(zhuǎn)角度)。圖5.1增量式光電編碼器檢測裝置

光電編碼器的實物結(jié)構(gòu)及輸出波形如圖5.2所示。通過光欄板兩條狹縫的光信號A和B，相位角相差90°，通過光電管轉(zhuǎn)換并經(jīng)過信號的放大整形后，成為兩相方波信號。為了判斷光電盤轉(zhuǎn)動的方向，可采用圖5.2所示的邏輯控制圖。將光電池A、B信號放大整形后變成a、b兩組方波。a組分成兩路，一路直接微分產(chǎn)生脈沖d，另一組經(jīng)反相電路后再微分得到脈沖e。d、e兩路脈沖進(jìn)入門電路后分別輸出正轉(zhuǎn)脈沖f和反轉(zhuǎn)脈沖g，

b組方波作為門電路的控制信號，使光電盤正轉(zhuǎn)時Y1有脈沖輸出，反轉(zhuǎn)時Y2有脈沖輸出。將正轉(zhuǎn)脈沖和反轉(zhuǎn)脈沖送入可逆計數(shù)器，經(jīng)過數(shù)顯便知道轉(zhuǎn)角的大小和方向。圖5.2增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)及其輸出信號

此光電編碼器每次測量的角度值都是相對于上一次讀數(shù)的增量值，因而不能反映工作軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的絕對位置，所以稱為增量式光電編碼器。

5.3.2絕對式脈沖編碼器

絕對式脈沖編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼來測定角位移的。它是目前使用最廣泛的角位移檢測裝置。如圖5.

3所示，碼盤上有4條碼道(碼盤上的同心圓環(huán))。每條碼道以二進(jìn)制的規(guī)律分布，被加工成透明和不透明的亮暗區(qū)。圖5.34位二進(jìn)制編碼盤

編碼盤的一側(cè)安裝光源，另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管，每個光電管對準(zhǔn)一個碼道。當(dāng)平行光照射在碼盤上時，如果是亮區(qū)，通過亮區(qū)的光線被光電元件接收，并轉(zhuǎn)變成

電信號，輸出電信號為“1”;如果是暗區(qū)，輸出電信號為“0”。由內(nèi)向外讀取4位二進(jìn)制代碼。一個4位碼盤在360°范圍內(nèi)可編碼24=16個。輸出信號再經(jīng)過整形、放大、存儲及譯碼等電路進(jìn)行信號處理，輸出的二進(jìn)制代碼，即代表了碼盤軸的對應(yīng)位置，也即實現(xiàn)了角位移的絕對值測量。

由于光電元件安裝誤差的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩段碼交替過程中，就會有一些光電元件越過分界線，而另一些尚未越過，于是便會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。如圖5.3中，當(dāng)碼盤順時針方向旋轉(zhuǎn)時，由位置“0111”變?yōu)椤?000”時，這4位數(shù)同時都有變化，可能將數(shù)碼誤讀成為16種代碼中的任意一種(與光電元件偏離位置有關(guān))，如讀成“1111”、“1011”、“1101”等，這種誤差稱為非單值性誤差。為了消除這種誤差，絕對式脈沖編碼器的碼盤大多采用循環(huán)碼盤(或格雷碼盤)，如圖5.4所示。

格雷碼參見表5.2。格雷盤數(shù)碼的特點是任意相鄰的兩個代碼之間只改變一位二進(jìn)制數(shù)，這樣，即使制作和安裝不很準(zhǔn)確，也只能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個，產(chǎn)生的誤差最多不超過“1”。所以，這種編碼是消除非單值性誤差的有效方法。圖5.44位二進(jìn)制格雷碼盤

絕對式脈沖編碼器可以直接讀出角位移的絕對值，這樣，數(shù)控機(jī)床開機(jī)后不必回零。這種測量方法沒有累積誤差，電源切斷后位置信號不會丟失，允許的最高轉(zhuǎn)速較高。

碼盤的分辨率與碼道數(shù)n的多少有關(guān)，其分辨率α為

4位二進(jìn)制碼盤能分辨的最小角度為

碼道的數(shù)目越多，能分辨的最小角度越小。目前，碼盤碼道可做到18條，能分辨的最小角度為．

圖5.5為CHA型高性能增量式編碼器的外形尺寸圖。圖5.5CHA型編碼器的外形及安裝尺寸

5.3.3脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

(1)位移測量。由于增量式脈沖編碼器每轉(zhuǎn)過一個分辨角，對應(yīng)一個脈沖信號，因此，根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動比及滾珠絲杠螺距即可得出移動部件的直線位移量。如某帶脈沖編碼器的伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)(傳動比1∶1)，脈沖編碼器為1200脈沖/r，絲杠螺距為6mm，在數(shù)控系統(tǒng)位置控制中斷時間內(nèi)計數(shù)1200個脈沖，則在該時間段里，工作臺移動距離為6mm。

(2)螺紋加工控制。為便于數(shù)控機(jī)床加工螺紋，在其主軸上安裝脈沖編碼器，脈沖編碼器通常與主軸直聯(lián)(傳動比1∶1)。為保證切削螺紋的螺距準(zhǔn)確，要求主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)工作臺移動一個導(dǎo)程，必須有固定的起刀點和退刀點。安裝在主軸上的脈沖編碼器在切削螺紋時就可解決主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制，保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具準(zhǔn)確地移動一個導(dǎo)程。此外，螺紋加工要經(jīng)過幾次切削才能完成，每次重復(fù)切削時，開始進(jìn)刀的位置必須相同。為了保證重復(fù)切削不亂牙，數(shù)控系統(tǒng)在接收到脈沖編碼器中的一轉(zhuǎn)脈沖后，才開始螺紋切削的計算。

5.4光柵

光柵主要有物理光柵和計量光柵兩大類。物理光柵的測量精度非常高(柵距為0.002~0.005mm)，通常用于光譜分析和光波波長測定等。計量光柵相對而言，刻度線粗一些，柵距大一些(柵距為0.004~0.25mm)，通常用于檢測直線位移和角位移等。在高精度數(shù)控機(jī)床上，目前大量使用計量光柵作為位置檢測裝置。計量光柵位置檢測裝置的構(gòu)成如圖5.6所示。圖5.6計量光柵位置檢測裝置的構(gòu)成

5.4.1光柵的工作原理

1.光柵的構(gòu)造

光柵由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光源、透鏡、光電元件及檢測電路等組成，如圖5.6所示。

標(biāo)尺光柵和指示光柵也可分別稱為長光柵和短光柵，它們的線紋密度相等。長光柵安裝在機(jī)床的固定部件上(如機(jī)床床身)，其長度選定為機(jī)床工作臺的全行程。短光柵則安裝在機(jī)床的運(yùn)動部件上(如工作臺)，當(dāng)工作臺移動時，指示光柵與標(biāo)尺光柵產(chǎn)生相對移動。在實際應(yīng)用中，總是把光源、指示光柵和光敏元件等組合在一起，稱為讀數(shù)頭。因此，光柵位置檢測裝置可以看成由讀數(shù)頭和標(biāo)尺光柵兩部分組成。

2.直線透射光柵的工作原理

計量光柵是利用兩塊光柵疊合產(chǎn)生的莫爾條紋原理來工作的。如圖5.7所示，將標(biāo)尺光柵和指示光柵重疊在一起，為防止擦傷，兩塊光柵之間應(yīng)有很小的運(yùn)動空隙(0.01~0.1mm)，并使兩光柵的線紋相對轉(zhuǎn)過一個很小的夾角θ。當(dāng)

光線平行照射光柵時，從圖中可以看出，兩塊光柵疊合的結(jié)果產(chǎn)生了與柵線方向垂直的由透光與不透光部分組成的橫向“莫爾干涉條紋”(明暗交替、間隔相等的粗條紋)，簡稱莫爾條紋，兩條明帶b-b或兩條暗帶a-a之間的距離稱為莫爾條紋的間距B。

當(dāng)指示光柵沿x方向移動一個柵距W時，莫爾條紋便沿y方向移動一個條紋寬度B。莫爾條紋的移動可以采用光電器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將黑白(或明暗)相同的莫爾條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后轉(zhuǎn)換成正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示，從而得到運(yùn)動部件的準(zhǔn)確位移量。

若光柵的柵距為W，兩光柵線紋的夾角為θ，則它們之間存在以下幾何關(guān)系:

因為θ很小，所以則:

莫爾條紋具有如下特點:

(1)起放大作用。若取柵距W=0.01mm的線紋，人的肉眼是無法分辨的，再取θ=0.001rad時，莫爾條紋的間距B=10mm，這就清晰可見了。這說明，無需復(fù)雜的光學(xué)系

統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大1000倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個重要特點。

(2)起均化誤差作用。莫爾條紋是由若干條光柵線紋形成的，若光電元件接收長度為10mm，當(dāng)W=0.01mm時，則10mm長的一根莫爾條紋就是由1000條線紋組成的，因

此，制造上的缺陷，例如間斷地少了幾條線，只會影響千分之幾的光電效果。所以，用莫爾條紋測量長度時，決定其精度的不是一兩條線紋，而是一組線紋的平均效應(yīng)。

在移動過程中，經(jīng)過光柵的光線，其光強(qiáng)呈正弦波形變化。莫爾條紋移動通過光電元件轉(zhuǎn)換成檢測的電信號。

3.光柵的辨向

實際應(yīng)用中，用一個光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。辨向，需要有π/2相位差兩個莫爾條紋信號。如圖5.8所示，相距1/4條紋間距位置上安放兩個光電元件，兩個相位差π/2電信號u01和u02，整形后為兩個方波信號u01'和u02'。光柵正向移動時，u01超前u0290°，反向移動時，

u02超前u0190°，故通過電路辨相即可確定光柵運(yùn)動方向。圖5.8光柵的辨向

4.細(xì)分技術(shù)

隨著數(shù)控系統(tǒng)對測量精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿足要求。此時常常采取適當(dāng)措施對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。所謂細(xì)分就是莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減少脈沖當(dāng)量。如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，則可使測量精度提高n倍，而每個脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。細(xì)分后計數(shù)脈沖頻率提高了n倍，也稱n倍頻。通常用有兩

種細(xì)分方法:

(1)直接細(xì)分。相差1/4莫爾條紋間距位置上安放兩個光電元件，可到兩個相位差90°電信號，用反相器反相后就到四個依次相差90°的交流信號。同樣，兩莫爾條紋間放置四個依次相距1/4條紋間距光電元件，也可獲四個相位差90°的交流信號，實現(xiàn)四倍頻細(xì)分。

(2)電路細(xì)分。電路細(xì)分有很多種方法，圖5.9所示是一種最基本的二倍頻細(xì)分電路。圖5.9脈沖邊沿檢測器組成的二倍頻電路

5.4.2光柵的分類

光柵主要用于檢測直線位移和角位移。檢測直線位移的稱為直線光柵，檢測角位移的稱為圓光柵。

1.直線光柵

直線光柵主要有玻璃透射光柵和金屬反射光柵兩種。

玻璃透射光柵是在透明的光學(xué)玻璃表面制成感光涂層或金屬鍍膜，經(jīng)過涂敷、蝕刻等工藝制成間隔相等的透明與不透明線紋，所以稱為透射光柵，如圖5.6所示。

常用的玻璃透射光柵的線紋密度為25條/mm、50條/mm、100條/mm、250條/mm。

它的主要特點是:

(1)光源可以垂直射入，光電元件可以直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單。

(2)刻線密度較大，再經(jīng)過電路細(xì)分，可達(dá)到微米級的分辨率。

金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上，經(jīng)過腐蝕或直接刻劃等工藝制成光柵線紋，所以稱為反射光柵。

2.圓光柵

圓光柵(SignumRESM)也叫角度編碼器，用于測量角位移。它是在玻璃或不銹鋼圓盤的圓環(huán)端面上，制成黑白相間的條紋，條紋呈輻射狀，相互間的夾角相等。圖5.10所示為英國雷尼紹公司生產(chǎn)的一種新型圓光柵。它是在一個不銹鋼圓環(huán)的柱面上直接刻劃20μm的柵線。INTRAC光學(xué)零位具備雙向重復(fù)的性能，工作速度達(dá)3600r/min，環(huán)境溫度可達(dá)85℃，能適合大多數(shù)精度要求的應(yīng)用場合，具有專利的錐面安裝方式使得安裝簡單，并可進(jìn)行誤差補(bǔ)償。圖5.10圓光柵

5.4.3光柵的主要特點

光柵的主要特點如下:

(1)具有很高的檢測精度。直線光柵的精度可達(dá)3μm，分辨率可達(dá)0.1Pμm;圓光柵的精度可達(dá)0.15″，分辨率可達(dá)0.1″。

(2)響應(yīng)速度較快，可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)檢測及數(shù)據(jù)處理的自動化。

(3)對使用環(huán)境要求較高，怕油污、灰塵及振動。

(4)由于標(biāo)尺光柵一般比較長，安裝、維護(hù)困難，成本較高。

(5)當(dāng)光柵柵距小于0.01mm(即每毫米刻線數(shù)大于100線對)，比如W=0.005mm(即200線對/mm)時，就不能再利用幾何光學(xué)的遮光透光效應(yīng)來解釋莫爾條紋，此時必須

考慮光柵的衍射效應(yīng)(相當(dāng)于多縫衍射)。

下面以JENIX系列光柵數(shù)顯裝置為例介紹其安裝結(jié)構(gòu)。JENIX光柵數(shù)顯裝置由光柵尺和數(shù)字顯示器組成。表5.3列出了其主要技術(shù)參數(shù)。光柵尺包括主尺與分度尺，主尺固

定在導(dǎo)軌上，分度尺(即掃描頭)安裝在移動部件上。光柵主尺要求對導(dǎo)軌安裝面的平行度允差為0.3mm，掃描頭安裝面對導(dǎo)軌的平行度應(yīng)控制在0.01mm內(nèi)。

掃描頭安裝后，應(yīng)使掃描頭與主尺的間距保持測量全長的值在(1.5±0.3)mm之內(nèi)。當(dāng)導(dǎo)軌直線誤差較大時，應(yīng)對光柵尺進(jìn)行長度校正。校正的方法是，首先將掃描頭輸出接頭與數(shù)字顯示器相連，把掃描頭移至測量起點，將激光干涉儀置于工作臺上并將其清零，然后將掃描頭全程移動，轉(zhuǎn)動校正螺釘，使其在任意位置上數(shù)字顯示器上讀數(shù)與激光干涉儀上讀數(shù)相符。圖5.11為光柵尺與掃描頭安裝結(jié)構(gòu)圖，圖(a)為光柵尺在車床上的安裝結(jié)構(gòu)圖，圖(b)為掃描頭安裝結(jié)構(gòu)圖。光柵尺外形及在車床上的安裝示意圖如圖5.12所示。圖5.11光柵尺與掃描頭安裝結(jié)構(gòu)圖圖5.12光柵尺外形及其在車床上的安裝結(jié)構(gòu)圖

5.5磁柵

磁柵(又稱磁尺)也是一種電磁監(jiān)測裝置。它利用磁記錄原理，將一定波長的矩形波或正弦波由信號用磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測量基準(zhǔn)。檢測時，磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過檢測電路將磁頭相對于磁性標(biāo)尺的位置或位移量用數(shù)字顯示出來或轉(zhuǎn)化為控制信號輸入數(shù)控機(jī)床。

磁柵傳感器由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測電路三部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖5.13所示。磁性標(biāo)尺是在不導(dǎo)磁材料(如玻璃、銅或其他合成材料)的基體上，采用涂敷、化學(xué)沉淀或電鍍等方法覆蓋上一層均勻的磁性薄膜，并錄上間距相等、極性正負(fù)交錯的磁信號柵條制成的。圖5.13磁柵的結(jié)構(gòu)原理

磁化信號的周期稱為節(jié)距，有0.05mm、0.1mm、0.2mm、1mm等幾種。按磁性標(biāo)尺基體形狀的不同，磁性標(biāo)尺可分為用于直線測量的平面實體性磁尺、帶狀或同軸線裝標(biāo)尺、用于角度位移測量的回轉(zhuǎn)型磁性標(biāo)尺。

磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器，磁頭將反映位置變化的磁性信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號送給檢測電路。

在進(jìn)行位置檢測時，為了在低速甚至靜止時也能得到位置信號，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭(又叫磁調(diào)制式磁頭)。磁通響應(yīng)型磁頭由鐵芯、勵磁繞組W1、輸出繞組組成。磁通響應(yīng)型磁頭的結(jié)構(gòu)及其輸出波形如圖5.14所示。圖5.14磁通響應(yīng)型磁頭的結(jié)構(gòu)及其輸出波形

磁通響應(yīng)型磁頭有兩組繞組，即繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上的勵磁繞組W1

和繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上的輸出繞組W2。當(dāng)對W1

施加勵磁電流ia

=i0sinωt時，在ia

的瞬時值大于某一個數(shù)值以后，橫臂的鐵芯材料飽和，這時磁阻很大，磁路被阻斷，磁性標(biāo)尺的磁通不能通過磁頭閉合，輸出線圈W1

與φ0

串聯(lián)。當(dāng)ia

的瞬時值小于某一個數(shù)值時，所感生的磁通也隨之降低，兩根橫臂中的磁阻相應(yīng)減小，磁路開路。輸出線圈W2

與φ0

串聯(lián)。勵磁線圈的作用相當(dāng)于磁開關(guān)，勵磁電流在一個周期內(nèi)兩次過零，兩次出現(xiàn)峰值，相應(yīng)磁開關(guān)通斷各兩次。

磁路由通到斷的時間內(nèi)，輸出線圈中交鏈的磁通量由φ0

降到零;磁路由斷到通的時間內(nèi)，輸出線圈中交鏈的磁通量由零增加到φ0

，因此輸出線圈中有感生電動勢E出現(xiàn)，并且感生電動勢的頻率比勵磁電流高一倍。在勵磁電流頻率ω0

已經(jīng)確定的情況下，其峰值取決于φ0

，也即取決于磁性標(biāo)尺在該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此輸出線圈中輸出的是一個調(diào)幅信號。磁柵的檢測方法有鑒幅法和鑒相法兩種，在數(shù)控機(jī)床中通常使用鑒相法。設(shè)磁柵工作于鑒相法，將兩組磁頭的輸出信號相加，得到磁柵總的輸出，計算出調(diào)制信號θ，根據(jù)調(diào)制信號，得到對應(yīng)的位移x的大小。

5.6旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量裝置，它是一種小型交流電動機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號幅度大，抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。

5.6.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上和兩相線繞式異步電動機(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。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引

出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)。

圖5.15(a)是有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它的轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)為機(jī)械滑動接觸，所以可靠性差，壽命也較短。

圖5.15(b)是無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它沒有電刷和滑環(huán)，由兩大部分組成:即旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器。附加變壓器的原、副邊鐵芯及其線圈均為環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞組與附加變壓器的原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊線圈間接地送出去。這種結(jié)構(gòu)避免了有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器中電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了可靠性和使用壽命，但其體積、質(zhì)量和成本均有所增加。圖5.15旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

5.6.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它的結(jié)構(gòu)保證了其定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通呈正(余)弦規(guī)律。定子繞組加上勵磁電壓，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖5.16所示，其所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。二者平行時，磁通幾乎全部穿過轉(zhuǎn)子繞組的橫截面，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大;

二者垂直時，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為零。感應(yīng)電動勢隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正(余)弦變化:圖5.16旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

式中:E2

———轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢;

U1

———定子的勵磁電壓;

Um———定子繞組的最大瞬時電壓;

θ

———兩繞組之間的夾角;

n

———電磁耦合系數(shù)變壓比。

5.6.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置，有兩種工作方式:鑒相式工作方式和鑒幅式工作方式。

1.鑒相式工作方式

在鑒相式工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正向繞組(正弦繞組S和余弦繞組C)分別加上幅值相同、頻率相同而相位相差90°的正弦交流電壓，見圖5.17。圖5.17旋轉(zhuǎn)變壓器定子兩相激磁繞組

兩相繞組的電壓分別為

這兩相勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組接負(fù)載時，其繞組中會有正弦感應(yīng)電流通過，從而會造成定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙中合成磁通畸變。為了克服該缺點，

轉(zhuǎn)子繞組通常采用兩相正向繞組，二者相互垂直。其中一相繞組作為輸出信號，另一相繞組接高阻抗作為補(bǔ)償。根據(jù)線性疊加原理，在轉(zhuǎn)子上工作繞組中的感應(yīng)電壓為

式中:θ———定子正弦繞組軸線與轉(zhuǎn)子工作繞組軸線之間的夾角;

ω———勵磁角頻率。

由式(5－3)可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓E2與定子繞組中的勵磁電壓同頻率，但是相位不同，其相位嚴(yán)格隨轉(zhuǎn)子偏角θ而變化。測量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角

θ，即可測得轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角位置。在實際應(yīng)用中，把定子正弦繞組勵磁的交流電壓相位作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓相位作比較，進(jìn)而來確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的位置。

2.鑒幅式工作方式

在鑒幅式工作方式中，在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正向繞組(正弦繞組S和余弦繞組C)分別加上頻率相同、相位相同而幅值分別按正弦、余弦變化的交流電壓，即

式中:Um

sinθ電、Umcosθ電

———定子二繞組勵磁信號的幅值。定子勵磁電壓在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出的電勢不但與轉(zhuǎn)子和定子的相對位置有關(guān)，還與勵磁的幅值有關(guān)。

由式(5－5)可知，感應(yīng)電壓E2

是以ω為角頻率的交變信號，其幅值為Umsin(θ機(jī)

-θ電

)。若電氣角θ電已知，那么只要測出E2

的幅值，便可以間接地求出θ機(jī)的值，即可以測出被測角位移的大小。當(dāng)感應(yīng)電壓的幅值為0時，說明電氣角的大小就是被測角位移的大小。旋轉(zhuǎn)變壓器在鑒幅工作方式時，不斷調(diào)整θ電

，讓感應(yīng)電壓的幅值為0，從而用θ電代替對θ機(jī)的測量，

θ電可通過具體電子線路測得。

5.7感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式的高精度位移檢測裝置。實際上它是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。感應(yīng)同步器分旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種，旋轉(zhuǎn)式用于角度測量，直線式用于長度測量，兩者的工作原理相同。

5.7.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和特點

直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺與滑尺之間有均勻的氣隙，在定尺表面制有連續(xù)平面繞組，繞組節(jié)距為P?；弑砻嬷朴袃啥畏侄卫@組，正弦繞組和余弦繞組。它們相對于定尺繞組在空間錯開1/4節(jié)距(即1/4P)，定子和滑尺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.18所示。

定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床床身材料熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成。經(jīng)精密的照相腐蝕工藝制成印刷繞組，再在尺子的表面上涂一層保護(hù)層?；叩谋砻嬗袝r還貼上一層帶絕

緣的鋁箔，以防靜電感應(yīng)。圖5.18定尺和滑尺繞組結(jié)構(gòu)示意圖

感應(yīng)同步器的特點如下:

(1)精度高。感應(yīng)同步器直接對機(jī)床工作臺的位移進(jìn)行測量，其測量精度只受本身精度限制。另外，定尺的節(jié)距誤差有平均補(bǔ)償作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以達(dá)到±0.001mm，重復(fù)精度可達(dá)0.002mm。

(2)工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)。在感應(yīng)同步器繞組的每個周期內(nèi)，測量信號與絕對位置有一一對應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾的影響。

(3)維護(hù)簡單，壽命長。定尺和滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡單，使用時需要加防護(hù)罩，以防止切屑進(jìn)入定尺和滑尺之間劃傷導(dǎo)片，還要防止灰塵、油霧的影響。

(4)測量距離長?？梢愿鶕?jù)測量長度需要，將多塊定尺拼接成所需要的長度，就可測量長距離位移，機(jī)床移動基本上不受限制，適合于大、中型數(shù)控機(jī)床。

(5)成本低，易于生產(chǎn)。

(6)與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號比較微弱，需要一個放大倍數(shù)很高的前置放大器。

5.7.2感應(yīng)同步器的工作原理

感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器基本一致。使用時，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，其幅值和相位取決于定尺和滑尺的相對位置。如圖5.19的所示為滑尺在不同的位置時定尺上的感應(yīng)電壓。當(dāng)定尺與滑尺重合時(如圖中的a點)，感應(yīng)電壓最大;當(dāng)滑尺相對于定尺平行移動后，其感應(yīng)電壓逐漸變小，在錯開1/4節(jié)距的b點，感應(yīng)電壓為零;依次類推，在1/2節(jié)距的c點，感應(yīng)電壓幅值與a點相同，極性相反;在3/4節(jié)距的d點又變?yōu)榱?當(dāng)移動到一個節(jié)距的e點時，電壓幅值與a點相同。

這樣，滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓變化了一個余弦波形?；呙恳苿右粋€節(jié)距，感應(yīng)電壓就變化一個周期。

按照供給滑尺兩個正交繞組勵磁信號的不同，感應(yīng)同步器的測量方式分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式。圖5.19感應(yīng)同步器的工作原理

1.鑒相式工作方式

在鑒相式工作方式下，給滑尺的sin繞組和cos繞組分別通以幅值相等、頻率相同、相位相差90°的交流電壓:

勵磁信號將在空間產(chǎn)生一個以ω為頻率移動的行波。磁場切割定尺導(dǎo)片，并產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電勢隨著定尺與滑尺相對位置的不同而產(chǎn)生超前或滯后的相位差θ。根據(jù)線性疊加原理，在定尺上工作繞組中的感應(yīng)電壓為