机床数控技术第6章数控反馈测量元件

1、机床数控技术,目 录,本章知识要点 1.位置检测装置的要求和分类； 2.编码器的分类、工作原理及应用； 3.旋转变压器的结构和工作原理； 4.感应同步器的结构、分类、工作原理及使用特点； 5.光栅的分类、结构、工作原理及使用特点； 6.磁栅的结构及工作原理。,数控系统的位置控制是将插补计算的指令位置与实际反馈位置比较，用其差值去控制进给电机。 位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。其作用是检测位移和速度，并发出反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环和半闭环控制，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。,1工作可靠，抗干扰能力强； 2满足测量精度、检测速度和测量范围的要求； 3易于实现高速的动态测量和处理，利于实现自动化； 4易于安装，使用维护方便； 5成本低。,数控机床对检测装置的主要要求有如下几个方面：,表6-1 位置检测装置分类,1、按测量对象不同分类,位移检测装置:脉冲编码器、光栅,速度检测装置：测速发电机,2、按安装位置不同分类,直接测量:将检测装置安装在执行部件上,间接测量:将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上,(1)直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上

2、，直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，在大型数控机床上受到一定限制。 (2) 间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,位置检测装置分类,3、按测量方法不同分类,增量式测量,绝对式测量,绝对式测量：对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。,特点：装置的结构较为复杂,增量式测量：只测量相对位移量。移动一个测量单位就发出一个测量信号。,位置检测装置分类,优点： 装置简单，任何一个点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。 缺点： 在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。,4、按检测信号不同分类,数字式测量,模拟式测量,模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续

3、变量来表示。 如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。,特点： 直接测量被测的量，无需变换； 在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。,位置检测装置分类,数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。 测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。,特点： 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理； 测量精度取决于测量单位，和量程基本无关； 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。,编码器又称码盘，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据编码器的编码方式可分为绝对式编码器和脉冲增量式编码器；根据内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种。,绝对式编码器是一种直接编码的检测元件，它通过读取码盘上的图案来表示轴的绝对位置，没有累积误差，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有表示该位置的唯一对应的代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。 绝对式编码器按照结构原理可以分为接触式、光电式

4、和电磁式三类。,如图所示，绝对式编码器由唯一对应的代码表示轴所处的角度位置，代码可以是二进制也可以是其他的形式。,n位编码盘，分辨角,当码道为十八条 =0.0014,目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。,用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用格雷码盘。,特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。,格雷码（循环码、葛莱码） 特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。,格雷码,二进制码,格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不 进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。 例题： 将二进制码0101转换成对应的格雷码：,接触式绝对值编码器优点是简单、体积小、输出信号强。缺点是电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精

5、度受外圈（最低位）码道宽度限制，因此使用范围有限。,增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把被测轴的机械角变成脉冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检测元件，此外它也作为速度检测元件用于转速检测。增量式编码器也分为接触式、光电式和电磁式三类。 从精度和可靠性来看，光电式优于其他两种。它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万乃至几百万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。,1光源；2透镜；3光栏板；4光电码盘；5光电元件；6参考标记 增量式光电脉冲编码器结构原理示意图,码盘与工作轴连在一起 ，码盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过码盘和光栏板射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可测出转角；记录脉冲的频率，就可测出转轴速度；测量A组与B组信号相位的超前或滞后确定被测轴的旋转方向。,为了判断旋转方向，光栏板的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图所示，A、B信号

6、为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。,设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。,光电增量式编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，而且最外圈每片宽度可做得很小，因而精度高。缺点是结构复杂，价格高，光源寿命短。,1位移测量； 根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的线位移。 如某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直联（传动比1:1），光电编码器1024脉冲/转，丝杠螺距8mm，在数控系统伺服中断时间内计脉冲1024个脉冲，则在该段时间内，工作台移动的距离为,2主轴控制； 主运动（主轴控制）中采用主轴位置脉冲编码器，成为具有位置控制功能的主轴控制系统，或者叫“C”轴控制。 主轴位置脉冲编码器的作用主要有 1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制； 螺纹加工 2）主轴定向准停控制； 加工中心换刀 3）恒线速切削控制。 车床和磨床进行端面或锥形面切削 3转速测量； 频率或周期 4零点脉冲信号用于回参考点控制。,旋转变压器是一种数控机床上常见的角度测量装置，它具有结构简单、动作灵敏、工作可

7、靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点，其缺点是信号处理比较复杂。虽然如此，旋转变压器还是被广泛地应用于半闭环控制的数控机床上。,1转子轴； 2壳体；3分解器定子； 4变压器定子； 5变压器一次线圈；6变压器转子线轴； 7变压器二次线圈；8分解器转子。 旋转变压器结构示意图,旋转变压器是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz、3000Hz、5000Hz等。,旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组接受励磁电压。转子绕组通过电磁耦合得到感应电压，其输出电压大小与转子位置有关。 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。,如下页原理图所示，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。 （1）当转子转到使它的磁轴和定子绕组磁轴垂直时转子绕组感应电压为0； （2）当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定

8、角度时，转子绕组中产生的感应电压为 式中 K电磁耦合系数； Um励磁信号的幅值； 励磁信号角频率； 旋转变压器转角。 （3）当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即,旋转变压器工作原理,n-变压比,当定子绕组通入不同的励磁电压时，可得到两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。,1鉴相工作方式,定子绕组通激磁电压 U1s =Um sint U1c =Um sin(t+/2)=Um cost 转子绕组感应电压 U2=k U1s sin+k U1c cos =kUm cos(t - ) 当转子反转时 U2 =kUm cos(t + ),鉴相工作方式 转子感应电压和励磁电压的关系为：,可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得转子的偏转角，也就可得到被测轴的角位移。因此称旋转变压器的这种工作状态为相位工作状态。实际应用时，将其输出信号引出，经放大、整形和鉴相就可测得相应的机械转角。,2鉴幅工作方式,定子绕组通激磁电压（相位相同、频率相同、幅值分别为Usm和Ucm交流励磁电压） U1s =Usm sint

9、U1c =Ucmsint 当给定电气角为电 时，交流励磁电压的幅值分别为 Usm =Umsin电 Ucm=Umcos电 转子绕组感应电压 U2=k U1s sin+k U1c cos =kUm cos(电- ) sint 转子反转时，U2= kUm cos(电+) sint,鉴幅工作方式 转子感应电压和励磁电压的关系为：,可见，转子感应电动势的幅值随偏转角而变化，测量出电动势幅值即可求得偏转角，被测轴的角位移也就可以求得了。,感应同步器类似于旋转变压器，相当于一个展开的多极旋转变压器。 根据用途和结构特点可分成直线式和旋转式（圆盘式） （1）直线式由定尺和滑尺组成，用以测量直线位移，用于全闭环伺服系统。 (2)旋转式由定子和转子组成，用以测量旋转角度，用于半闭环伺服系统。 旋转式感应同步器的工作原理与直线式相同，所不同的是定子（相当于定尺）、转子（相当于滑尺）及绕组形状不同，结构上可分为圆形及扇形两种。,1直线感应同步器,直线式感应同步器通常有标准式、窄式、带式和3重（速）式等多种 标准式直线感应同步器是直线式感应同步器中精度最高、使用也最广的一种； 窄式直线感应同步器的定尺、滑尺的宽度比标准式小，它的电磁感应强度减低，比标准式的精度低，适用于精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难于加工的情况； 3重式直线感应同步器的定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，特别适用于大型机床。,1直线感应同步器,（a）定尺绕组（b）W形滑尺绕组（c）U形滑尺绕组 图6-12 直线感应同步器定尺与滑尺绕组,2圆感应同步器,圆感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用厚0.05mm的铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还加有一层和绕组绝缘的屏蔽层，材料为铝箔或铝膜。 转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组（sin绕组和cos绕组），做成分段式，两相绕组交差分布，相差电角度，如图6-13所示。,2圆感应同步器,（a）定子绕组（分段式） （b）转子绕组（连续式） 图6-13 圆感应同步器绕组,1感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上；

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