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1、第3章数控机床的检测与反馈装置,3.1检测与反馈装置概述3.2编码器的应用与安装维护3.3光栅的应用与维护3.4磁栅的应用与安装维护3.5感应同步器的应用与安装3.6旋转变压器的应用与安装维护,3.1检测与反馈装置概述,检测装置的作用 检测装置的主要作用是把检测到的位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字信号送回计算机，与数控装置发出的脉冲指令信号进行比较，若有偏差，经放大后控制驱动和执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。数控机床对检测装置的要求1.受温度、湿度的影响小，准确性好，满足精度要求，能长期保持精度2.满足速度和机床工作行程的要求。3.可靠性好，抗干扰性强，
2、适应机床工作环境的要求4.便于与计算机连接5.使用、维护和安装方便，成本低,下一页,返回,3.1检测与反馈装置概述,检测方式分类 在数控机床上应用的检测装置主要有位置检测和速度检测，其目的是精确控制位置和速度。目前常用的传感器主要有编码器、光栅、磁栅、感应同步器和旋转变压器等。光栅的分辨率一般要优于光电编码器，其次是旋转变压器。对于不同类型的数控机床，根据不同的工作条件和不同的检测要求，应该采用不同的检测方式，如表3一1所示,上一页,下一页,返回,3.1检测与反馈装置概述,1.增量式测量与绝对式测量(1)增量式测量。增量式测量是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本单位长度单位，测量装置便发出
3、一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。其优点是检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中点均可作为测量起点，其缺点是一旦计数有误，此后结果全错，且发生故障时待排除后，再也找不到正确位置。典型的增量式测量装置有光栅和增量式光电编码器。(2)绝对式测量。绝对式测量是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每一测量点都有一对应的测量值，常以数据形式表示。典型的绝对式测量装置有接触式编码器和绝对式光电编码器。,上一页,下一页,返回,3.1检测与反馈装置概述,2.直接测量与间接测量(1)直接测量。对机床的直线位移采用直线型检测装置检测，称为直接测量，如图3一2所示。直接测量的精度主要取决于测量元件的精
4、度，不受机床传动装置的直接影响，但检测装置要与行程等长，这对大型数控机床来说，是一个很大的限制。典型的直接测量装置有光栅、感应同步器、磁栅和编码器(2)间接测量。对机床直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量，如图3一3所示。间接测量的精度取决于检测装置和机床对传动链两者的精度，但间接测量无长度限制。典型的间接测量装置有编码器和旋转变压器,上一页,下一页,返回,3.1检测与反馈装置概述,3.数字式测量与模拟式测量(1)数字式测量。数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。其特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强;被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理;测量精度取决于测量单位，与量程基本无关
5、。典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码器和光栅(2)模拟式测量。模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、相位变化来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术上有较高的要求，数控机床中模拟式测量主要用于小量程测量且实现高精度测量。其特点是直接对被测量进行检测，无需量化;在小量程内可以实现高精度测量;可用于直接检测和间接检测。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅。,上一页,下一页,返回,3.1检测与反馈装置概述,4.接触式测量与非接触式测量(1)接触式测量。接触式测量的测量传感器与被测对象间存在着机械联系，因此机床本身的变形、振动等因素会对测量产生一定的影响。典
6、型的接触式测量装置有光栅、磁栅、感应同步器和接触式编码器。(2)非接触式测量。非接触式测量的传感器与被测对象间是分离的，不发生机械联系。典型的非接触式测量装置有双频激光干涉仪和光电式编码器,上一页,返回,3.2编码器的应用与安装维护,3.2.1光电式编码器 光电式编码器利用光电原理把机械角位移变换成电脉冲信号，是数控机床最常用的位置检测元件。光电编码器按输出信号与对应位置的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。光电编码器的优点是没有接触磨损、码盘寿命长、允许转速高、精度较高。缺点为结构复杂、价格高、光源寿命短 1.光电式编码器的结构 如图3-6所示为光电脉冲编码器
7、的结构。它由电路板、圆光栅、指示光栅、轴、光敏元件、光源和连接法兰等组成。,下一页,返回,3.2编码器的应用与安装维护,2.光电编码器的工作原理(1)增量式光电编码器的工作原理。增量式光电编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度准确测量出来，然后通过光电转换将其转换成相应的脉冲数字量，然后由数控系统或计数器计数得到角位移或直线位移量。如图3一7所示为增量式光电编码器测量系统的原理图。(2)绝对式光电编码器的工作原理。绝对式光电编码器的光盘上有透光和不透光的编码图案，它可将被测转角转换成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是一种直接编码式的测量装置。其编码方式可以有二进制编码、二进
8、制循环编码、二至十进制编码等。绝对式光电编码器通过读取编码盘上的编码图案来确定位置。如图3-8所示为绝对式光电编码器原理图。,上一页,下一页,返回,3.2编码器的应用与安装维护,3.光电式编码器正反转辨别 为了判别码盘的旋转方向，可在码盘两侧再装一套光电转换装置，两套光电装置在圆周方向错开p/4节距，它们分别用A和B表示。两套光电转换装置产生两组近似于正弦波的电流信号IA和IB，两者相位相差90，经放大和整形电路处理后变成方波，如图3-9所示。若电流IA的相位超前于IB，对应电动机为正向旋转;若IB相超前于IA时，对应电动机为反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和
9、反向位移的脉冲序列。,上一页,下一页,返回,3.2编码器的应用与安装维护,3.2.2接触式编码器 接触式编码器是一种绝对式检测装置，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其对应的测量代码，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。其特点是电刷与码盘上导电区直接接触，以测出码盘的位置。接触式编码器的基体是绝缘体，码道是一组同心圆，码道的数目根据分辨率来决定,上一页,下一页,返回,3.2编码器的应用与安装维护,3.2.3电磁式编码器 电磁式编码器是在导磁圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，使导磁性有的地方高有的地方低。再用一个很小的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，
10、原边用正弦电流激磁，由于副边感应电动势与整个磁路磁导有关，因而可以区分数码0或数码1。这也是一种非接触式编码器，具有寿命长、转速高等优点。3.2.4编码器的安装与维护 1.编码器的安装 编码器的安装形式如图3一12所示，主要有直接安装、压板安装、过渡法兰安装三种安装形式。,上一页,下一页,返回,3.2编码器的应用与安装维护,2.编码器的维护(1)防振和防污。由于编码器是精密测量元件，使用环境或拆装时要注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失，振动容易使编码器内的紧固件松动脱落，造成内部电源短路(2)连接松动。脉冲编码器用于位置检测时有两种安装形式，一种是与伺服电动机同轴安装，称为内装式编码器，
11、用于半闭环控制，如西门子IFTS,IF56伺服电动机上的ROD320编码器;另一种是编码器安装于传动链末端，称为外装式编码器，用于闭环控制，当传动链较长时，这种安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。不管是哪种安装方式，都要注意编码器连接松动的问题。,上一页,返回,3.3光栅的应用与维护,3.3.1光栅的结构和工作原理 1.光栅的结构 光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。如图3一14(a)所示为直线光栅实物图例，图3一14(b)所示为垂直入射光栅读数头。在光栅测量中，通常由一长一短两块光栅尺配套使用，其中长的一块
12、称为主光栅或标尺光栅，固定在机床的活动部件上，随运动部件移动，要求与行程等长。短的一块称为指示光栅，安装在光栅读数头中，光栅读数头安装在机床的固定部件上。两光栅尺上的刻线密度均匀且相互平行放置，并保持一定的间隙(0.05mm或0.1mm)。如图3一15所示为一光栅尺的简单示意图。,下一页,返回,3.3光栅的应用与维护,2.光栅的工作原理 如图3一16所示的莫尔条纹。在安装时，将两块栅距相同、黑自宽度相同的标尺光栅和指示光栅刻线面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角。这样，在光源的照射下，就形成了光栅刻线几乎垂直的横向明暗相同的宽
13、条纹，即莫尔条纹。原因是由于光的干涉效应，在a线附近，两块光栅尺的刻线相互重叠，光栅尺上的透光狭缝互不遮挡，透光性最强形成亮带;在b线附近，两块光栅尺的刻线互相错开，一块光栅尺的不透光部分刚好遮住另一光栅尺的透光部分，所以透光性最差，形成暗带 如图3一17所示表示横向莫尔条纹参数间的关系。,上一页,下一页,返回,3.3光栅的应用与维护,3.3.2光栅的种类(一)物理光栅和计量光栅 1.物理光栅 物理光栅刻线细且密，节距很小(200500条/mm)，主要利用光的衍射现象。物理光栅常用于光谱分析和光波波长测定。2.计量光栅 计量光栅刻线较粗(25条/mm,50条/mm,100条/mm和250条/m
14、m)，主要是利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用莫尔条纹原理，因而所测的位置精度相当高，有很高的分辨率，很易做到0.1.m的分辨率，最高分辨率可达0.025.m光栅检测系统的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差，即累积误差。,上一页,下一页,返回,3.3光栅的应用与维护,(二)透射光栅和反射光栅1.透射光栅 透射光栅是在光学玻璃的表面上涂上一层感光材料或金属镀膜，再在涂层上用刻蜡、腐蚀、涂黑等办法制成透明与不透明间隔相等的线纹。根据光栅的工作原理，透射光栅可分为莫尔条纹式和透射直线式光栅两类。(1)莫尔条纹式光栅。莫尔条纹式光栅应用很普遍。其特点可归纳如下:平
15、均误差的作用。放大作用 莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例,上一页,下一页,返回,3.3光栅的应用与维护,(2)透射直线式光栅。透射直线式光栅由光源、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)、光敏元件组成。当两块光栅之间有相对移动时，由光敏元件把两光栅相对移动产生的明暗变化的光通量转换为电流变化。当指示光栅的刻线与标尺光栅的透明间隔完全重合时，光敏元件接收到的光通量最弱;当指示光栅的刻线与标尺光栅的刻线完全重合时，则光敏元件接收到的光通量最强。光敏元件接收到的光通量忽强忽弱，产生近似于正弦波的电流，再由电子线路转变为以数字显示的位移量。,上一页,下一页,返回,3.3光栅的应用与维护,2.反射光
16、栅 在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作或用钻石刀直接刻画制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅，如图3一20所示。其特点是标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致;标尺光栅的安装和调整比较方便;安装面积较小;易于接长或制成整根的钢带长光栅;不易碰碎。目前常用的线纹数为4条/mm,10条/mm,25条/mm和40条/mm,上一页,下一页,返回,3.3光栅的应用与维护,3.3.3光栅测量系统 1.光栅测量的基本电路 光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成，如图3-21所示。,上一页,下一页,返回,3.3光栅
17、的应用与维护,2.鉴向倍频电路 在光栅检测装置中，将光源投射来的平行光调制后作用于光电元件上，从而得到与位移成比例的电信号。当光栅移动时，从光电元件上将获得一正弦电流。若仅用一个光电元件检测光栅的莫尔条纹变化信号，只能产生一个正弦信号用做计数，不能分辨运动方向。为了辨别方向，至少要放置两个光敏元件，两者相距1/4莫尔条纹节距，这样当莫尔条纹移动时，将会得到两路相位相差/2的波形。如图3-22(a)所示，则光敏元件2上得到的波形信号S2比光敏元件1上得到的波形信号S1超前。反之，如图3一22(b)则滞后。这两路信号经放大整形后送鉴向倍频电路，由鉴向环节判别出其移动方向。,上一页,下一页,返回,3
18、.3光栅的应用与维护,3.提高光栅检测分辨精度的细分电路 为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但是刻线密度大于200线/mm以上的细光栅刻线制造困难、成本高。为了提高精度和降低成本，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，如图3-23(a)所示为采用四倍频方案的光栅检测电路的工作原理。光栅刻线密度为50线/mm，采用4个光电元件和4个狭缝，每隔1/4光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可以提高四倍，并且可以辨向。3.3.4光栅的维护1.防污2.防振,上一页,返回,3.4磁栅的应用与安装维护,3.4.1磁栅的结构与类塑 1.磁栅的结构 如图3一24所示，磁栅测量装置由磁性标尺、
19、读取磁头和检测电路组成。2.磁栅的类型 按其结构可分为实体式磁栅、带状磁栅、线状磁栅和回转形磁栅四种形式，如图3一26所示。,下一页,返回,3.4磁栅的应用与安装维护,3.4.2磁栅的工作原理 如图3一27所示为单磁头结构，磁头有两组绕组，一组为拾磁绕组，一组为励磁绕组在励磁绕组中加一高频的交变励磁信号，则在铁芯上产生周期性正反向饱和磁化，使磁芯的可饱和部分在每周期内两次被电流产生的磁场饱和。当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁通在磁头气隙处进入铁芯，并流过拾磁绕组的磁芯而产生感应电压输出,上一页,下一页,返回,3.4磁栅的应用与安装维护,3.4.3磁栅的安装与维护 1.磁栅的安装 磁栅是高精度的检测
20、元件，若安装不好，会影响精度。安装的关键，对于磁栅而言，由于磁尺与磁头已做成一体，当它们各自与固定部件与移动部件紧固安装时，应保证磁尺与移动部件的运动方向平行度允差为0.01 mm/全长，否则，由于不平行造成磁尺本体与磁头错位或产生扭曲，从而影响测量精度，甚至不能正常工作。磁尺在车床上的安装如图3一30所示。,上一页,下一页,返回,3.4磁栅的应用与安装维护,2.磁栅的维护 对磁栅的维护应注意:(1)不能将磁性膜刮坏，防止铁屑和油污落在磁性标尺和磁头上，要用脱脂棉蘸酒精轻轻地擦其表面。(2)不能用力拆装和撞击磁性标尺和磁头，否则会使磁性减弱或使磁场紊乱(3)接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组
21、，前者绕在磁路截面尺寸较小的横臂上，后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上。,上一页,返回,3.5感应同步器的应用与安装,3.5.1感应同步器的结构与特点 1.感应同步器的结构 如图3一31所示的直线感应同步器，主要由定尺和滑尺组成。定尺是单向均匀感应绕组，尺长一般为250 mm,绕组节距2T通常为2 mm 2.感应同步器的特点(1)精度高。(2)对环境的适应性强，抗干扰能力强(3)使用寿命长，安装维修简单。(4)可用于长距离位移测量，适合于大中型机床使用(5)工艺性好，成本低。(6)测量距离长。,下一页,返回,3.5感应同步器的应用与安装,(7)与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需要
22、一个放大倍数很高的前置放大器。3.5.2感应同步器的类型 按其结构特点和用途可分为直线感应同步器和圆感应同步器。直线感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移量的检测;圆感应同步器由转子和定子组成，用于角度位移量的检测。3.5.3感应同步器的工作原理 感应同步器是基于电磁感应现象工作的，如图3一32所示,上一页,下一页,返回,3.5感应同步器的应用与安装,3.5.4感应同步器的工作方式 1.鉴相工作方式 鉴相工作方式是给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但时间相位相差/2的交流励磁电压，即 若起始时正弦绕组与定尺的感应绕组对应重合，当滑尺移动时，滑尺与定尺的绕组不重合，则定尺绕组
23、中产生的感应电压为,上一页,下一页,返回,3.5感应同步器的应用与安装,2.鉴幅工作方式 鉴幅工作方式是给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同、频率相同但幅值不同的交流励磁电压，即 式中，两励磁电压的幅值分别为 则在定尺上的叠加感应电压为,上一页,下一页,返回,3.5感应同步器的应用与安装,3.5.5感应同步器的安装 定尺的安装，滑尺的安装，励磁盒的安装以及防护罩的安装，如图3一33所示,上一页,返回,3.6旋转变压器的应用与安装维护,3.6.1旋转变压器的结构 旋转变压器一般用于精度要求不高的机床，其特点是坚固、耐热、耐冲击和抗震性好，如图3一36所示为旋转变压器实物图。从转子感应电压的
24、输出方式来看，旋转变压器可分为有刷和无刷两种类型。目前数控机床中常用的是无刷旋转变压器另外，旋转变压器又分为单极和多极两种形式，单极型的定子和转子各有一对磁极，多极型有多对磁极。,下一页,返回,3.6旋转变压器的应用与安装维护,3.6.2旋转变压器的工作原理 旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构保证了其定子和转子之间的磁通呈正(余)弦规律。定子绕组加上励磁电压，通过电磁藕合，转子绕组产生感应电动势。如图3-38所示，其所产生的感应电动势的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位。,上一页,下一页,返回,3.6旋转变压器的应用与安装维护,3.6.3旋转变压器的工作方式 1.相位工作方式
25、 相位工作方式是给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差为/2的交流激磁电压，则有 当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压，经叠 加后转子的感应电压U2为,上一页,下一页,返回,3.6旋转变压器的应用与安装维护,当转子反转时，同样可得到 2.幅值工作方式 幅值工作方式是给定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同、相位相同，但幅值分别为Usm和Ucm的交流激磁电压，则有 当给定电气角为时，交流励磁电压幅值分别为,上一页,下一页,返回,3.6旋转变压器的应用与安装维护,当转子正转时，U1m和U1c经叠加，在转子上的感应电压U2为当转子反转时，同理有3.6.4旋转变压器的安装与维
26、护1.旋转变压器的安装旋转变压器的安装如图3一39所示,上一页,下一页,返回,3.6旋转变压器的应用与安装维护,2.旋转变压器的维护 接线时，定子上有相等匝数的励磁绕组和补偿绕组，转子上也有相等匝数的sin绕组和cos绕组，但转子和定子的绕组阻值却不同，一般定子电阻阻值稍大，有时补偿绕组自行短接或接入一个阻抗 由于结构上与绕线转子异步电动机相似，因此，碳刷磨损到一定程度后要更换,上一页,返回,表3一1传感器检测方式,返回,图3一2直接测量,返回,图3一3间接测量,返回,图3一6光电脉冲编码器结构,返回,图3一7增量式光电编码器测量系统,返回,图3一8绝对式光电编码器,返回,图3-9脉冲编码器输
27、出波形,返回,图3一12编码器的安装形式,返回,图3一14光栅结构,返回,图3一15光栅尺,返回,图3一16莫尔条纹图,返回,图3一17横向莫尔条纹的参数,返回,图3一20反射光栅,返回,图3一21光栅测量系统,返回,图3一22两光敏元件的波形,返回,图3-23光栅测量装置的四细分电路与波形,返回,图3一24磁栅的结构,返回,图3一26各种磁尺结构示意图,返回,图3一27磁通响应型拾磁磁头,返回,图3一30磁栅的安装,返回,图3一31直线感应同步器,返回,图3一32感应同步器的工作原理图,返回,图3一33感应同步器的安装,返回,图3一36旋转变压器实物图,返回,图3一38旋转变压器的工作原理,返回,图3一39旋转变压器的安装,返回,
