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旋转变压器和感应同步器,光栅尺和磁栅尺,光电编码器,位置伺服控制,第六章 位置检测技术,,第六章 位置检测技术,第一节 位置伺服控制,1.1 位置伺服控制分类,开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制系统由功率型步进电动机作为驱动元件的控制系统是典型的开环控制系统图6-1 开环控制系统示意图,,第六章 位置检测技术,第一节 位置伺服控制,1.1 位置伺服控制分类,半闭环控制系统是在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位移，反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件图6-2 半闭环控制系统示意图,,第六章 位置检测技术,第一节 位置伺服控制,1.1 位置伺服控制分类,闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置，直接安装直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中，与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动图6-3 闭环控制系统示意图,,第六章 位置检测技术,第一节 位置伺服控制,1.2 幅值伺服控制,幅值伺服控制是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号，与指令信号进行比较，构成闭环控制系统。

如图6-4所示为鉴幅式伺服系统框图图6-4 鉴幅式伺服系统框图,,第六章 位置检测技术,第一节 位置伺服控制,1.3 相位伺服控制,相位伺服控制系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭环）控制的伺服系统，是数控机床中使用较多的一种位置控制系统具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点如图6-5所示是鉴相式伺服系统框图图6-5 鉴相式伺服系统框图,,第六章 位置检测技术,第二节 光电编码器,编码器是一种旋转式转角位移检测元件，通常装在被检测的轴上随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式编码器根据输出信号的方式不同，可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器第六章 位置检测技术,第二节 光电编码器,常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，如图6-6所示当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接收，光敏元件将光信号转换成电脉冲信号光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光电码盘圆周的条纹数有关，即分辨角为：,2.1 增量式编码器,,式中，z为条纹数,图6-6 增量式光电编码器结构示意图,1—转轴；2—发光二极管； 3—光栏板；4—零标志； 5—光敏元件；6—光电码盘； 7—印制电路板； 8—电源及信号连接座,,第六章 位置检测技术,第二节 光电编码器,如果光栏板上两条夹缝中的信号分别为A和B，相位相差90°，通过整形，成为两个方波信号，光电编码盘的输出波形如图6-7所示。

根据A和B的先后顺序，即可判断光电盘的正反转若A相超前于B相，对应转轴正转；若B相超前于A相，则对应于轴反转若以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成代表正向位移或反向位移的脉冲序列除此之外，光电脉冲编码盘每转一转还输出一个零位脉冲的信号，这个信号可用做加工螺纹时的同步信号2.1 增量式编码器,,图6-7 增量式脉冲编码盘 的输出波形,,第六章 位置检测技术,第二节 光电编码器,绝对式旋转编码器可直接将被测角度用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有对应的测量代码，因此，这种测量方式即使断电，只要再通电就能读岀被测轴的角度位置，即具有断电记忆力功能2.2 绝对式编码器,,图6-8 接触式码盘,第六章 位置检测技术,第二节 光电编码器,2.2 编码器在数控机床中的应用,,,,,,1,,2,,,,3,4,位移测量,主轴控制,测 速,零标志脉冲用于 回参考点控制,,第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.1 光栅尺的结构及工作原理,,数控机床中用于直线位移检测的光栅尺有透射光栅和反射光栅两大类 图6-9 光栅尺外观示意图,图6-10 透射光栅组成示意图,1—光栅尺；2—扫描头；3—电缆,,第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.1 光栅尺的结构及工作原理,,光栅尺上相邻两条光栅线纹间的距离称为栅距或节距λ ，安装时，要求标尺光栅和相互平行，并且其线纹相互偏斜一个很小的角度b，两光栅线纹相交，形成透光和不透光的菱形条纹，这种黑白相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的传播方向与光栅线纹大致垂直两条莫尔条纹间的距离为p，因偏斜角度b很小，所以有近似公式,,图6-11 光栅尺工作原理,当工作台正向或反向移动一个栅距l时，莫尔条纹向上或向下移动一个纹距p，莫尔条纹经狭缝和透镜由光电元件接收，把光信号转变为电信号第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.2 光栅尺位移数字变换系统,,,图6-13中的a、b、c、d是四块硅光电池，产生的信号在相位上彼此相差90°，a、b信号是相位相差180°的两个信号，送入差动放大器放大，得到正弦信号，将信号幅度放大到足够大图6-13 四倍频电路,,第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.2 光栅尺位移数字变换系统,,,同理，c、d信号送入另一个差动放大器，得到余弦信号正弦信号经整形变成方波A，方波A信号经反相得到方波B，余弦信号经整形变成方波C，方波C信号经反相得到方波D，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在顺时针或逆时针每个方波的上升沿产生窄脉冲，如图6-14所示由与门电路把0°、90°、180°、270°四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，就可测量出光栅的实际位移。

图6-14 四倍频电路信号处理波形,第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.3 磁栅尺的结构及工作原理,,,,,特点,,,定义,,,作用,磁栅是一种计算磁波数目的位置检测元件它由磁性标尺、磁头和检测电路组成按其结构分为直线形和圆形，分别用于直线位移和角位移的检测其优点是精度高，制造简单，安装方便，对使用环境的条件要求较低，对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有好的稳定性第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.3 磁栅尺的结构及工作原理,,,磁性标尺通常采用热膨胀系数与普通钢相同的不导磁材料做基体，镀上一层10～30mm厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，作为测量基准，信号可为正弦波、方波等节距通常有0.05mm、0.1mm、0.2mm，最后在磁尺表面还要涂上一层1～2mm厚的保护层，以防止磁头与磁尺频繁接触而引起磁膜磨损第六章 位置检测技术,第三节 光电尺和磁栅尺,3.3 磁栅尺的结构及工作原理,,,拾磁磁头是一种磁电转换装置，用来把磁性标尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路其工作原理是将高频励磁电流通入励磁绕组时，在磁头上产生磁通，当磁头靠近磁性标尺时，磁性标尺上的磁信号产生的磁通通过磁头铁芯，并被高频励磁电流产生的磁通调制，从而在拾磁绕组中感应出电压信号输出。

图6-15 磁通响应型磁头,第六章 位置检测技术,第四节 旋转变压器和感应同步器,4.1 旋转变压器的结构和工作原理,,,作用,,,原理,,,结构,,,特点,在结构上与绕线转子异步电动机相似，由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上,其特点是坚固、耐热和耐冲击，抗振性好，一般用于精度要求不高的机床,旋转变压器是基于互感原理工作的，当对旋转变压器的一次侧施加一定的交流电压励磁时，其二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系第六章 位置检测技术,第四节 旋转变压器和感应同步器,4.1 旋转变压器的结构和工作原理,,,,图6-18 无刷旋转变压器结构,1—壳体；2—转子轴；3—旋转变压器定子； 4—旋转变压器转子；5—变压器定子； 6—变压器转子；7—变压器一次绕组； 8—变压器二次绕组,从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷和无刷两种类型在有刷结构中，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出无刷旋转变压器由两部分组成：一部分称为分解器，由旋转变压器的定子和转子组成；另一部分称为变压器，用它取代电刷和滑环，其一次绕组与分解器的转子轴固定在一起，与转子轴一起旋转第六章 位置检测技术,第四节 旋转变压器和感应同步器,4.1 旋转变压器的结构和工作原理,,,,实际应用的旋转变压器为正、余弦旋转变压器，其定子和转子各有相互垂直的两个绕组，如图6-19所示为正、余弦旋转变压器原理图。

定子上的两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组，励磁电压用Us和Uc表示，转子绕组中一个绕组为输出电压U2，另一个绕组短接定子绕组通入不同的励磁电压，可得到鉴相型和鉴幅型两种工作方式图6-19 正、余弦旋转 变压器原理图,第六章 位置检测技术,第四节 旋转变压器和感应同步器,4.2 感应同步器的结构和工作原理,,,,感应同步器也是一种电磁式位置检测传感器，主要部件由定尺和滑尺组成，定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组，其电压为Us，另一组为余弦励磁绕组，其电压为Uc图6-20 直线式感应同步器结构示意图,A—正弦励磁绕组；B—余弦励磁绕组,第六章 位置检测技术,第四节 旋转变压器和感应同步器,4.2 感应同步器的结构和工作原理,,,,感应同步器的工作原理与旋转变压器相似当励磁绕组和感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的所不同的是，旋转变压器变化的是定子和转子的角位移，而直线式感应同步器变化的是滑尺和定子的直线位移图6-21 感应同步器的工作原理,6.1 数控机床位置伺服系统可分为哪几类？ 6.2 开环控制伺服系统有何特点？ 6.3 半闭环控制伺服系统有何特点？ 6.4 闭环控制伺服系统有何特点？ 6.5 简述光栅尺的结构组成和工作原理。

6.6 光栅尺的莫尔条纹有何特性？ 6.7 磁栅尺的优点有哪些？ 6.8 简述感应同步器的组成及工作原理 6.9 简述旋转变压器的组成及工作原理 6.10 简述光电编码器的组成及工作原理复习思考题,第六章 位置检测技术,。