數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第5章-數(shù)控機(jī)床位置傳感器件

1、第五章 數(shù)控機(jī)床位置傳感器件,5.1 概述 位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。 數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求如下： （1）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)； （2）滿(mǎn)足精度和速度的要求； （3） 易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境； （4）成本低。 位置檢測(cè)裝置按工作條件和測(cè)量要求不同，有下面幾種分類(lèi)方法：,返回課件首頁(yè),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(lèi)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(lèi)型 模擬式和數(shù)字式； 運(yùn)動(dòng)型式 回轉(zhuǎn)型和直線(xiàn)型； 信

2、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。,5.1 概述,（一） 直接測(cè)量和間接測(cè)量 1. 直接測(cè)量(直線(xiàn)位移傳感器） 直接測(cè)量是將直線(xiàn)位移傳感器安裝在移動(dòng)部件（工作臺(tái)）上，用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)的直線(xiàn)位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。 其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。 2. 間接測(cè)量（角位移傳感器） 它是將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置（角位移傳感器）安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線(xiàn)位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。 優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便、

3、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。,（二）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量1. 數(shù)字式測(cè)量（數(shù)字位移傳感器） 它是將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。2. 模擬量測(cè)量（模擬位移傳感器） 它是將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。它對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。,（三） 增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量1. 增量式測(cè)量 在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)相對(duì)位移量，如測(cè)量單位為0.001mm，則每移動(dòng)0.001mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是

4、測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。 2. 絕對(duì)式測(cè)量 絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤(pán)中，對(duì)應(yīng)于碼盤(pán)的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)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(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。,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(chēng)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。

5、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(chēng)為遲滯。遲滯小。 5.測(cè)量范圍和量程： 其它:可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。,5.1 概述,5.2 光柵,一、結(jié)構(gòu) 光柵種類(lèi)較多。根據(jù)光線(xiàn)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(cè)精度可達(dá)1m以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線(xiàn)光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線(xiàn)光柵用于檢測(cè)直線(xiàn)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(xiàn)光柵。 直線(xiàn)光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱(chēng)為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床移

6、動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線(xiàn)紋的透明玻璃片，線(xiàn)紋密度為25、50、100、250條/mm等。線(xiàn)紋之間距離相等，該間距稱(chēng)為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。,1.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(kāi)的角度）,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,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(xiàn)路,二、工作原理 當(dāng)指示光柵上的線(xiàn)紋與標(biāo)尺光柵上的線(xiàn)紋成一小角度放置時(shí)，兩光柵尺上線(xiàn)紋互

7、相交叉。在光源的照射下，標(biāo)尺光柵與指示光柵交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線(xiàn)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(chēng)為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線(xiàn)紋幾乎成垂直方向排列。嚴(yán)格地說(shuō)，是與兩片光柵線(xiàn)紋夾角的平分線(xiàn)相垂直。莫爾條紋具有如下特點(diǎn)： 1. 放大作用 用B（mm）表示莫爾條紋的寬度，W(mm)表示柵距，(rad)為光柵線(xiàn)紋之間的夾角，如圖5-18所示則有 (5-8) 莫爾條紋寬度B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(xiàn)共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線(xiàn)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

8、距之間不均勻造成的誤差。 3. 莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例 當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋也剛好移動(dòng)了一個(gè)條紋寬度B。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反（見(jiàn)圖5-18）。,若標(biāo)尺光柵不動(dòng)，將指示光柵轉(zhuǎn)一很小的角度，兩者移動(dòng)方向及光柵夾角關(guān)系如表5-1所示。因莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向垂直，可用檢測(cè)垂直方向?qū)挻蟮哪獱枟l紋代替光柵水平方向移動(dòng)的微小距離。 表5-1莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向及光柵夾角的關(guān)系,W,標(biāo)尺光柵,圖5-18 莫爾條紋,圖5-19 光柵測(cè)量系統(tǒng),光柵測(cè)量

9、系統(tǒng)如圖5-19所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)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(guò)光柵尺光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。由于此信號(hào)比較微弱，在長(zhǎng)距離傳遞時(shí)，很容易被各種干擾信號(hào)淹沒(méi)，造成傳遞失真，驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的作用就是將電壓信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大。除標(biāo)尺光柵與工作臺(tái)一起移動(dòng)外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路均裝在一個(gè)殼體內(nèi)，作成一個(gè)單獨(dú)部件固定在機(jī)床上，這個(gè)部件稱(chēng)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(hào)變成電信號(hào)。,三、光柵傳感器的信號(hào)處理（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）

10、 當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，假定我們開(kāi)辟一個(gè)小窗口來(lái)觀察莫爾條紋的變化情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)周期，理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見(jiàn)圖5-20）。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)（見(jiàn)圖5-21），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(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。,O,亮度 電壓,圖5-20 光柵的實(shí)際亮度變化 圖5-21 光柵的輸出波形圖,光柵位移 O 光柵位移,硅光電池輸出電壓u為：,采用一個(gè)光

11、電元件即只開(kāi)一個(gè)窗口觀察，只能計(jì)數(shù)，卻無(wú)法判斷移動(dòng)方向。因?yàn)闊o(wú)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(yùn)動(dòng)方向，至少要放置兩個(gè)光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過(guò)兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以?xún)蓚€(gè)光電元件所獲得的電信號(hào)雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號(hào)的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向。 增加線(xiàn)紋密度，能提高光柵檢測(cè)裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測(cè)量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來(lái)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(gè)光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)

12、脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)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。,圖5-22中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號(hào)相位彼此相差90o。P1、P3信號(hào)是相位差180o的兩個(gè)信號(hào)，接差動(dòng)放大器放大，得正弦信號(hào)。同理，P2、P4信號(hào)接另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到余弦信號(hào)。正弦和余弦信號(hào)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(hào)，A、B、C、D信號(hào)再經(jīng)微分變成窄脈沖A、B、C、D，即在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門(mén)電路把0o、90o、180o、270o四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái)，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向或反向脈沖

13、。正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門(mén)Y1Y4及或門(mén)H1，得到AB+AD+CD+BC的四個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門(mén)Y5Y8及或門(mén)H2，得到BC+ CD+AD+ AB的四個(gè)輸出脈沖，其波形見(jiàn)圖5-22b。,a) 原理電路圖,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,正向 相加AB+AD+CD+BC 反向 相加BC+CD+AD+AB,正向 相加AB+AD+CD+BC 反向 相加BC+CD+AD+AB b) 波形圖 圖5-22 四倍頻辨向電路,sin,cos,A,B,C,D,A,B,C,D,若光柵柵距0.01mm，則工作臺(tái)每移動(dòng)0.0025mm，就會(huì)送出一個(gè)脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見(jiàn)，光柵

14、檢測(cè)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。,返回課件首頁(yè),返回本章首頁(yè),光柵傳感器的安裝注意事項(xiàng),光柵傳感器的安裝方便多樣化：主光柵安裝動(dòng)板（工作臺(tái)）上或讀數(shù)頭安裝在動(dòng)板上均可。 注意事項(xiàng)： （1）讀書(shū)頭輸出插頭與數(shù)顯表插拔時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源； （2）光柵傳感器安裝好后應(yīng)盡可能外加保護(hù)罩，清理濺落的切屑和油液； （3）嚴(yán)禁劇烈振動(dòng)和摔打光柵傳感器； （4）定期檢查各個(gè)安裝聯(lián)結(jié)螺釘是否松動(dòng)； （5）防止污染光柵尺面 （6）傳感器安裝遠(yuǎn)離濁源、熱源 （7）每隔一年用乙醇、乙醚混合液洗擦尺面 （8）嚴(yán)禁自行拆開(kāi)光柵 （9）安裝完后，一定要在機(jī)床導(dǎo)

15、軌上裝限位裝置，防止工作臺(tái)移動(dòng)超過(guò)光柵尺長(zhǎng)度破壞讀數(shù)頭。,5.3 脈沖發(fā)生器 (編碼器),脈沖編碼器又稱(chēng)為角度數(shù)字編碼器或者碼盤(pán)，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類(lèi)。 一、絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。絕對(duì)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(duì)編碼器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。,a) b) 5-11 四位二進(jìn)制編碼盤(pán),如圖5-11a所示為二進(jìn)制碼盤(pán)。它在一

16、個(gè)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(xiàn)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(duì)計(jì)數(shù)值，通常，我們把組成編碼的各圈稱(chēng)為碼道，碼盤(pán)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(fù)極。在接觸式碼盤(pán)的每個(gè)碼道上都裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接到電源正極（圖5-11b）。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象帶動(dòng)碼盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷和碼盤(pán)的相對(duì)位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會(huì)出現(xiàn)有電流通過(guò)或沒(méi)有電流通過(guò)兩種情況。若回路中的電阻上有電流通過(guò)，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無(wú)電流通過(guò)，為“0”。如果碼盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，就可依次得到按規(guī)定

17、編碼的數(shù)字信號(hào)輸出，圖示為4位二進(jìn)制碼盤(pán)，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進(jìn)制碼，輸出為0000、0001、00101111。,由圖5-11可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二進(jìn)制碼盤(pán)，就有n圈碼道，分辨角360o/2n，碼盤(pán)位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增多。目前接觸式碼盤(pán)一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤(pán)可以做到18位二進(jìn)制。 用二進(jìn)制代碼做的碼盤(pán)，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。,圖5-13為葛萊碼盤(pán)，其各碼道的數(shù)碼不同時(shí)改變

18、，任何兩個(gè)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(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為葛萊碼。 例如，二進(jìn)制碼1101對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過(guò)程如下 1101 （二進(jìn)制碼） 110(1)（不進(jìn)位相加，舍去末位） 1011 （葛萊碼）,二、增量式脈沖編碼器（發(fā)生器） 增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來(lái)講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號(hào)是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來(lái)區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬(wàn)個(gè)脈沖的脈沖編碼器。

19、脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外，還可以用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)。 光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過(guò)減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的距離可用下式計(jì)算：,式中 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）。,圖5-14 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖,增量式脈沖發(fā)生器,增量式脈沖發(fā)生器也可以用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，但最高允許測(cè)量轉(zhuǎn)速受脈沖發(fā)生器單次脈沖寬度的限制，可用下式計(jì)算：,5.5 其它位置檢測(cè)元件,一、旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置，由定子和

20、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，其中定子繞組接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓，其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)變壓器通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。 旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式。,5.5 其它位置檢測(cè)元件,一、旋轉(zhuǎn)變壓器 信號(hào)處理方式與感應(yīng)同步器類(lèi)似，也分為鑒幅型和鑒相型。 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固； 對(duì)工作環(huán)境要求不高； 信號(hào)輸出幅度大 抗干擾能力強(qiáng) 缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低,5.5 其它位置檢測(cè)元件,二、磁柵 磁柵是測(cè)量直線(xiàn)位移的一種數(shù)字式傳感器，加工工藝比較簡(jiǎn)單，需要時(shí)還可以將原來(lái)的磁化信號(hào)抹去，重新錄制，或安裝在機(jī)場(chǎng)上后再錄制磁化信

21、號(hào)，提高測(cè)量精度。 磁柵由磁尺、磁頭和檢測(cè)電路組成。 影響磁柵傳感器性能因素。（P-113）,5.4 感應(yīng)同步器,直線(xiàn)感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開(kāi)的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5-3所示，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)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(zhǎng)尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放置，保持0.250.05mm間隙。 感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)250mm，滑尺長(zhǎng)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

22、正弦繞組，另一為余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距。,V2 定尺 滑尺 正弦繞組 Vs Vc 余弦繞組 圖5-3 直線(xiàn)感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),感應(yīng)同步器,一.結(jié)構(gòu),當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時(shí)，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(duì)位置。當(dāng)只給滑尺上正弦繞組加勵(lì)磁電壓時(shí)，定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對(duì)位置關(guān)系如圖5-4所示。如果滑尺處于A位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對(duì)應(yīng)重合，定尺繞組線(xiàn)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(duì)定尺做平行移動(dòng)，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(diǎn)位置，

23、與定尺繞組剛好錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距時(shí)，感應(yīng)電壓為零。再移動(dòng)至1/2節(jié)距處，即圖中C點(diǎn)位置時(shí)，定尺線(xiàn)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(diǎn)位置時(shí)，感應(yīng)電壓又變?yōu)榱悖?dāng)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距位置如圖中E點(diǎn)，又恢復(fù)到初始狀態(tài)，與A點(diǎn)相同。顯然，在定尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中，感應(yīng)電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個(gè)周期，如圖5-4中ABCDE。,圖5-4 感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對(duì)位置關(guān)系,若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了，當(dāng)滑尺移動(dòng)距離為x時(shí)，則對(duì)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 (5-5) 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

24、耦合系數(shù)； 激磁電壓的幅值； 激磁電壓的角頻率； 與位移對(duì)應(yīng)的角度。,感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個(gè)周期性的余弦曲線(xiàn)。在一個(gè)周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對(duì)應(yīng)兩個(gè)位移點(diǎn)，如圖5-4中M、N兩點(diǎn)。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯(cuò)開(kāi)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(lì)磁電壓，也能得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對(duì)位移的關(guān)系曲線(xiàn)，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(shí)勵(lì)磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對(duì)應(yīng)的唯一確定的位移。 二、應(yīng)用 感應(yīng)同步器作為位置測(cè)量裝置安裝在數(shù)控機(jī)床上，它也有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。,1. 鑒相型系統(tǒng) 供給滑尺的正、余

25、弦繞組的激磁信號(hào)是頻率、幅值相同，相位相差900的交流勵(lì)磁電壓 根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為 (5-6) 通過(guò)鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測(cè)量定尺和滑尺之間的相對(duì)位移。例如定尺感應(yīng)輸出電壓與滑尺勵(lì)磁電壓之間的相位差為3.60，等節(jié)距的情況下，表明滑尺移動(dòng)了0.02mm。,滑尺 定尺 機(jī)床 Vs Vc +x -x 圖5-5 感應(yīng)同步器鑒相測(cè)量系統(tǒng)框圖,2. 鑒幅式系統(tǒng) 供給滑尺上正、余弦繞組的勵(lì)磁電壓的頻率相同、相位相同但幅值不同。 式中 給定的電相角。 則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為 (5-7) 式中 與位移對(duì)應(yīng)的角度。,鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號(hào)與指令