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1、1,数 控 技 术,主讲教师：仇晓黎,东南大学远程教育,第 三十五 讲,2,二、光电盘与编码盘,1光电盘光电盘是一种光电式转角测量元件，如图所示，在一个圆盘周围分成相等的透明与不透明部份。,3,当圆盘与工作轴一起转动时，光电元件接受时断时续的光，产生近似的正弦信号，经放大整形后成脉冲信号被送到计数器，,根据脉冲的数目或频率可测出工作轮的转角及转速，所以可以用作脉冲发生器，当然亦可以由测得的转角求出相应的直线位移。,4,在结构上除上述光电式外，还有接触式或电感式的。接触式的圆盘是由导电部分和绝缘部分相间而成，通过导电环取得信号，感应式则是在圆盘周围嵌入等距离的直径为1.4-2mm的永久磁铁，利用
2、霍尔元件磁电效应取得信号。这类测量装置对要求不高的场合是一种经济而实用的检测手段。,5,2.编码盘,编码盘是一种直接编码式的测量元件。它可直接把被测转角或位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置而无累积误差，在电源切断后位置信息不会失去，由于通道多结构复杂，不易做到高精度。编码盘按其工作原理可分为光电式及电磁式等几种。,6,如图是一个四位二进制码盘，涂黑部分是导电的，其余是绝缘的。四位码盘对应四个码道上都装有电刷经电阻接着电源正极，最里一圈是公用的接电源负极。当码盘与工作轴一起转动时，就可依次得到0000，0001，0010，11ll的二进制输出。,7,码盘的分辨率与码道多少有关，码道越多，码盘
3、容量越大，每一位数移动的转角也越小，如有n个码道，则其角度分辨率为：=360/2。,从结构上讲除了上述接触式外，还有光电式和电磁式等类型，接触式码盘优点是简单，体积小，输出信号强，不要放大，但由于电刷的磨损所以寿命不长，转速不能太高。,8,光电式码盘由于是不接触式，所以允许速度高，精度高，但结构较复杂，光源寿命短。电磁式码盘同样是一种不接触式码盘，由于其寿命长、转速高、精度高等优点，所以是一种很有前途的直接编码式测量元件。,9,三、光栅测量装置计量光栅有长光栅和圆光栅两种，是数控机床和数显系统常用的检测元件，它具有精度高、响应速度较快等优点。,是一种非接触式测量。,1光栅的基本工作原理光栅就是
4、在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上很多和运动方向垂直的线条。,10,线条之间距离（称之为栅距）可以根据所需的精度决定，一般是每毫米刻50、100、200条线。,长光栅G 装在机床的移动部件上，称之为标尺光栅；,短光栅G 装在机床的固定部件上，称之为指示光栅。两块光标互相平行并保持一定的间隙（如0.05毫米或0.l毫米等）而两块光栅的刻线密度相同。,11,光栅位置检测装置由光源、二块光栅（长光栅、短光栅）和光电元件等组成，见图中a。,12,如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，则在相交处出现黑色条纹，称为莫尔条纹。,由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距相等，而产
5、生的莫尔条纹的方向和光栅刻线方向大致垂直，其几何关系见图中c，当很小时，莫尔条纹的节距W为：W/。,13,这表明莫尔条纹的节距是光栅栅距的1倍，当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿垂直于光栅移动方向移动。,当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距W，也就是说两者一一对应，所以，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移过了多少个栅距，而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过电气系统自动地测量出来。,14,如果光栅的刻线为100条，即栅距为0.01mm时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见，所以莫尔条纹是一种简单的放大机构。,其放大倍数，取决于两光栅刻线
6、的交角，如=0.01mm、W=10mm，则其放大倍数1=W=1000倍，这是莫尔条纹系统的独具特点。莫尔条纹的另一特点，就是平均效应。,15,因为莫尔条纹是由若干条光栅刻线组成，若光电元件接受长度为10mm，在=0.01mm时，光电元件接受的信号是由1000条刻线组成，,因此制造上的缺陷，例如间断地少几根线只会影响千分之几的光电效果。所以用莫尔条纹测量长度，决定其精度的要素不是一根线，而是一组线的平均效应。其精度比单纯栅距精度高，尤其是重复精度有显著提高。,16,2.光栅测量装置在实际使用中，大多数是把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称之为读数头。读数头的结构形式很多，但就其光路来看可以分
7、为以下几种。（1）分光读数头（2）垂直入射读数头（3）反射读数头,17,四、感应同步器测量装置常用的电磁测量装置有感应同步器和旋转变压器，,感应同步器是一种检测机械角位移或直线位移的精密传感器。在伺服系统中，它提供被测部件偏移基准点的角度和位置的测量电信号。感应同步器有旋转式和直线式两种，前者用于测量角度；后者用于测量长度。由于在数控机床上应用直线式感应同步器较多，所以下面介绍直线式感应同步器。,18,而旋转变压器的工作原理及使用方法和感应同步器相似，它可以用于测量角度，但其精度比感应同步器低些。,1、感应同步器的种类感应同步器有测量长度用的直线式和测量旋转角度用的旋转式两种。下面着重介绍直线
8、式。标准式：是直线式中精度最高的一种，使用最广，在数控系统和数显装置中大量应用。常用型号为GZDl和GZHl型。,19,窄K式：其定尺的宽度比标准式窄，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,带子式：它的定尺绕组是印制在1.8mm长的不锈钢带上，其两端固定在机床床身上（一端用弹性固定）滑尺象计算尺的游框那样跨在带状定尺上，可以简化安装减少安装面，而且能使定尺随机床床身热变形而变形。三重式：它的滑尺和定尺上均有粗、中、细三套绕组，定尺上粗、中绕组相对位移垂直方向倾斜不同角度，细绕组和标准式的一样。,20,滑尺上的粗、中、细三套绕组组成三个独立的电气通道，粗、中、细的极距分别是40
9、00mm，100mm和2mm；,三通道同时使用即可组成一套绝对坐标测量系统，测量范围为O.002-2000mm，在此测量范围内测量系统只有一个绝对零点。单议定尺的长度有200mm和300mm两种，它特别适用于大型机床。感应组件：是将标准式的定、滑尺封装在匣里的感应组件（定尺经调整接长而成组合式定尺），而且将激磁变应器和前置放大器也装在里面，便于安装与使用。,21,2.感应同步器的特点：精度高：感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。,测量长度不受限制：当测量长度大于250毫米时，
10、可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。对环境的适应性较强：因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，还能获得较高的重复精度，另外它是利用电磁感应产生信号，对尺面防护要求较低。,22,五、磁尺测量装置磁尺测量装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来做为测量基准。,在测量时，读取磁头（即拾磁磁头）将磁性标尺上的磁化信号转化力电信号，然后再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输入给数控机床。磁尺测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成
11、。,23,1、磁性标尺磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层很薄的磁膜（导磁材料），然后在录磁机上或在使用位置上录磁，磁化信号可以是脉冲。,也可以为正弦波或饱和磁波，磁化信号的节距（或周期）一般有0.05，0.10，0.20，lmm等几种。磁尺基体首先要不导磁，其次要求温度对测量精度的影响小，即与普通钢材和铸铁相近。磁尺按其基体形状的不同可以分为直线位移测量用的实体型磁尺，带状磁尺和棒状磁尺；用于角度位移的有回转型磁尺等。磁膜要求厚度均匀一般为10-20um，录磁后成为磁性标尺。,24,2、磁头磁头是进行磁-电转换的变换器，它把反映空间位置的磁化信号检测出来，转换成电信号输送给检测电路
12、，它是磁尺测量装置中比较关键的元件。,（1）速度响应型磁头它是录音机、磁带机的读取磁头，它的输出电压幅度与进入磁头读取线圈铁心中的磁通量随时间的变化率成比例，它只有在磁头和磁带（或磁尺）之间有一定相对速度时才能读取磁化信号。所以这种磁头只能用于动态测量。,25,（2）磁通响应型磁头由于机床要求在低速甚至在静止时也能检测出磁性标尺上的磁化信号，所以把速度响应型磁头改革而成调制式磁头。,磁通响应型磁头就是其中的一种。它相当于在速度响应磁头的铁心回路中，加入了带有激磁线圈的可饱和铁心，当激磁线圈上通入高额缴磁电源后在读取线圈上就输出载波频率为高频激磁电流频率二倍频率的调制信号，它是由磁性标尺上进入读
13、取线圈铁心的漏磁通所制调的信号。,26,其输出电压和磁性标尺扣磁头相对速度无关，而由磁头在磁性标尺上的位置所决定。,（3）多间隙磁通响应型磁头如采用一个磁调制式磁头读取磁性标尺土的磁化信号时，由于输出信号电压很小（几毫伏至十几毫伏），且由于磁膜的非线性特性，这是很难实现的。所以采用将几个磁头到几十个磁头以一定方式串接起来组成多间隙磁头。多间隙磁通响应型磁头风有高精度，高分辨力和大的输出电压等特点。,27,作业：,P314思考题1、3、4、5,28,第六章 数控机床的伺服系统,第一节 概述,第二节 进给驱动,第三节 主轴驱动,第四节 检测元件,第五节 位置控制系统,29,第六章第五节位置控制系统
14、,一、步进电动机开环控制二、相位控制三、幅值控制的组成和工作原理四、数字脉冲比较伺服系统五、数字伺服系统,30,一、步进电动机开环控制1、步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理是按电磁吸引的原理工作的。,如图所示为反应式三相步进电动机的工作原理。控制步进电机转动是由绕组的通电状态变化决定的，而通电状态变化次数(步数)则由指令脉冲数决定。,31,单三拍方式通电时，转子每步转过30，由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易失步；,双三拍工作方式下，转子每步转过30，每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作稳定。三相六拍方式每步转过15，步距角减小一半。只要改变指令
15、脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转速度在很宽的范围内连续调节；改变绕组的通电顺序，可以改变它的旋转方向。步进电动机的缺点是效率低，带惯量负载能力差，尤其是在高速时容易失步。,32,2、步进电动机的主要特性（1）步距角和静态步距误差步距角反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。取决于电动机的结构和控制方式。,步距角计算公式：,其中，m为定子相数。Z为转子齿数。K为控制方式确定的拍数与相数的比例系数。例如三相三拍时，k1；三相六拍时，k2。实际的步距角与理论值有误差，一转内的最大误差值定为步距误差，通常在10以内。,33,（2）静态矩角特性当步进电动机不改变通电状态时，转子处在
16、不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度称为失调角。描述静态时T与的关系叫矩角特性。,34,（3）起动频率空载时，步进电动机由静止状态突然起动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为起动频率或突跳频率。,加给步进电动机的指令脉冲频率如大于起动频率，就不能正常工作，随着负载加大，起动频率降低。（4）连续运行频率步进电动机起动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于起动频率。与电机所带负载的性质和驱动电源都有关系。,35,（5）矩频特性与动态转矩矩频特性T=F(f)是描
17、述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。,该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩，使用时一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。以上特性中，除第一项外，其余四项均与驱动电源有很大关系。,36,3、步进电动机驱动电路驱动控制电路是由环形分配器和功率放大器组成。在许多CNC系统中，环形分配器功能由软件产生。,（1）环形分配器加到环形分配器输入端的指令脉冲是CNC插补器输出的分配脉冲，输出则是步进电动机相应绕组驱动器的输入。通常还要加减速控制，使脉冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的驱动特点。,37,环形分配器是根据步进电动机的相数和控制方式设计的。如图表示一个
18、三相六拍环形分配器的原理线路图。,38,（2）高低压驱动电路驱动电路的作用主要是将计算机输出的每次信号经过功率放大，得到步进电动机所需的脉冲电流。电流波形是影响步进电动机矩频特性的主要因素。,越是在高频工作状态下，这种电路的损失率越高，使电动机的矩频特性变坏。（3）斩波驱动电路为了弥补高低压电路波形连接处的凹形，改善输出扭矩下降，现在较多的采用斩波型步进驱动电路。,39,（4）细分驱动环形分配器决定的驱动电路，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。,细分驱动是将一个步距角分成若干个步的驱动方式，其方法是在每次输入脉冲切换时，不是将
19、绕组电路全部通入或切换，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机转子的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电路不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。,40,细分驱动的特点：A、在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的步距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。B、能使步距电动机运行平稳，提高均速性，并能减弱或消除振荡。,（5）步进电动机的自动升降速原理当步进电动机工作在起动频率以下时，不需要升降速；工作频率高于起动频率时，必须要进行自动升降速控制。,41,如图a，用电动机所允许的最大加速度匀加速度进行升降速，时间最短。图b，为指数曲线加减速，能避免冲击并有助于准确定位。最大升降速控制可以用硬件实现，最常用的还是用软件实现。,
