数控机床2 (2).ppt
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1、第二章第二章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置一、对检测装置的要求一、对检测装置的要求2.1 2.1 概述概述 数控机床的检测装置也叫伺服系统的检测、反馈元件,数控机床的检测装置也叫伺服系统的检测、反馈元件,是数控机床的感知器官,感知伺服系统的速度和位移,并是数控机床的感知器官,感知伺服系统的速度和位移,并向控制系统发送反馈信号,形成闭环或半闭环伺服系统。向控制系统发送反馈信号,形成闭环或半闭环伺服系统。1.1.工作可靠;工作可靠;对伺服系统检测元件的要求是:对伺服系统检测元件的要求是:2.2.满足精度要求满足精度要求,分辨率应分辨率应达达 0.1 10m;3.3.使用维护方便;使用维护方
2、便;4.4.成本低。成本低。二、检测装置的分类二、检测装置的分类(一)数字式测量和模拟式测量(一)数字式测量和模拟式测量1.1.数字式测量数字式测量 (1)被测量转换为脉冲个数,便于显示和处理;)被测量转换为脉冲个数,便于显示和处理;(2)测量精度取决于测量单位,和量程基本无关;)测量精度取决于测量单位,和量程基本无关;(3)测量装置比较简单,脉冲信号抗干扰能力较强。)测量装置比较简单,脉冲信号抗干扰能力较强。数字量测量是将被测的量以数字形式来表示,测量信数字量测量是将被测的量以数字形式来表示,测量信号一般为电脉冲信号,可以直接把它送到数控装置进行比号一般为电脉冲信号,可以直接把它送到数控装置
3、进行比较、处理。其特点是:较、处理。其特点是:2.2.模拟式测量模拟式测量 模拟式测量模拟式测量是将被测的量用连续变量来表示,如电是将被测的量用连续变量来表示,如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。其较复杂。其特点是:特点是:(1)直接测量被测的量,无需变换;)直接测量被测的量,无需变换;(2)在小量程内实现较高的测量精度,技术上较成熟。)在小量程内实现较高的测量精度,技术上较成熟。如旋转变压器、同步感应器等。如旋转变压器、同步感应器等。(二)增量式测量和绝对式测量(二)增量式测量和绝对式测量1.1.增量式测量增量式测量 在
4、轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式,增量式测在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式,增量式测量只测相对位移量,如测量单位为量只测相对位移量,如测量单位为0.001mm,则每移动则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号。就发出一个脉冲信号。2.2.绝对式测量绝对式测量 增量式测量的优点是测量装置较简单,任何一个对中增量式测量的优点是测量装置较简单,任何一个对中点都可作为测量起点。点都可作为测量起点。(三)直接测量和间接测量(三)直接测量和间接测量1.1.直接测量直接测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起,每一个被测量点都有一
5、个相应的测量值。其的零点标起,每一个被测量点都有一个相应的测量值。其测量装置的结构较增量式复杂。测量装置的结构较增量式复杂。直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上用来直直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上用来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。馈信号。其缺点是测量装置要和工作台行程等长,所以其缺点是测量装置要和工作台行程等长,所以在大型数控机床上受到一定限制。在大型数控机床上受到一定限制。2.2.间接测量间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠它是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
6、测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直上,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。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。了测量精度。2.2 感应感应同步器同步器一、感应同步器的工作原理和分类一、感应同步器的工作原理和分类 它是利用电磁耦合原理,将位移或转角转变为电信号,它是利用电磁耦合原理,将位移或转角转变为电信号,借以进行位置检测和反馈控制的
7、,属模拟式测量。借以进行位置检测和反馈控制的,属模拟式测量。根据对滑尺绕组供电方式的不同,以及对输出电压检测根据对滑尺绕组供电方式的不同,以及对输出电压检测方式的不同,感应同步器的测量系统可分为鉴幅型和鉴相型方式的不同,感应同步器的测量系统可分为鉴幅型和鉴相型两种。两种。按结构形式可分为直线和圆感应同步器两种;分别用来按结构形式可分为直线和圆感应同步器两种;分别用来测量直线和角位移;均由定子和动子组成。测量直线和角位移;均由定子和动子组成。1.感应同步器的分类感应同步器的分类图图2-1 圆感应同步器圆感应同步器定子定子转子转子 定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成,定尺和滑尺的基
8、板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成,钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔,并利用腐蚀的办法做成图示的印钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔,并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺,安装在机床床身上,短尺为滑尺,安装于刷绕组。长尺叫定尺,安装在机床床身上,短尺为滑尺,安装于移动部件上,两者平行放置,保持移动部件上,两者平行放置,保持0.250.05mm间隙。间隙。感应同步器两个单元绕组间的距离为节距。定尺上是单向、感应同步器两个单元绕组间的距离为节距。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组,滑尺有正、余弦两个组绕组。当正弦绕均匀、连续的感应绕组,滑尺有正、余弦两个组绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与
9、定尺绕组相差组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。节距。定尺定尺滑尺滑尺正弦励磁正弦励磁绕组绕组A余弦励磁余弦励磁绕组绕组B2 图图2-2 直线感应同步器直线感应同步器UCUSUd标准感应同步器定标准感应同步器定尺长尺长250mm,滑尺滑尺长长100mm,节距为节距为2mm。定尺定尺图图2-3 滑尺在不同位置的感应电压滑尺在不同位置的感应电压bacde移动距离移动距离感感应应电电压压滑尺滑尺位置位置定尺感定尺感应电压应电压滑尺移动一个节距,感滑尺移动一个节距,感应电压变化一个周期。应电压变化一个周期。2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 工作时,滑尺绕组上通交流电,将在
10、定尺的回路上产生感应工作时,滑尺绕组上通交流电,将在定尺的回路上产生感应电势,电势的幅值和相位随工作台的运动而变化,据此来测量工电势,电势的幅值和相位随工作台的运动而变化,据此来测量工作台的位移。作台的位移。二、鉴相系统的工作原理二、鉴相系统的工作原理 鉴相系统鉴相系统是通过检测感应电压的相位来测量位移的。是通过检测感应电压的相位来测量位移的。定尺定尺滑尺滑尺正弦励磁正弦励磁绕组绕组A余弦励磁余弦励磁绕组绕组B2 图图2-2 直线感应同步器直线感应同步器UCUSUd 给滑尺的正弦绕组给滑尺的正弦绕组A和余弦绕组和余弦绕组B分别施加幅值分别施加幅值Um相同,频相同,频率率相同,相位差相同,相位差
11、90900 0的交流电压,即的交流电压,即 开始时,正弦激励绕组与定尺绕组重合,此时滑尺绕开始时,正弦激励绕组与定尺绕组重合,此时滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角组相对于定尺绕组的空间相位角=0。当滑尺移动时,两绕。当滑尺移动时,两绕组不再重合,此时在定尺上的感应电压组不再重合,此时在定尺上的感应电压Ud为:为:同理,余弦激励绕组作用,定尺上的同理,余弦激励绕组作用,定尺上的感应电压感应电压Ud为:为:式中:式中:k 电磁偶合系数。电磁偶合系数。若感应同步器的节距为若感应同步器的节距为2 2,则,则滑滑尺尺移动的距离移动的距离X与与 的关的关系式系式为:为:由于感应同步器的磁路系统可视为线性
12、,根据叠加原由于感应同步器的磁路系统可视为线性,根据叠加原理,定尺上的感应总电压为:理,定尺上的感应总电压为:代入上式得:代入上式得:三、鉴幅型系统的工作原理三、鉴幅型系统的工作原理 在这种系统中,供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号在这种系统中,供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率和相位相同而幅值不同的交流电压,即是频率和相位相同而幅值不同的交流电压,即 它它是是通过检测感应电压的幅值来测量的。通过检测感应电压的幅值来测量的。其中其中Usm、Ucm幅值分别为幅值分别为式中:式中:1给定电气角。给定电气角。在正弦绕组单独作用下,定尺上的感应电压在正弦绕组单独作用下,定尺上的感应电压Ud为:为:在
13、余弦绕组单独作用下,定尺上的感应电压在余弦绕组单独作用下,定尺上的感应电压Ud为:为:在正、余弦绕组共同作用下,定尺上的感应电压在正、余弦绕组共同作用下,定尺上的感应电压Ud为:为:由上式知,定尺上感应电压的幅值随指令给定的位移由上式知,定尺上感应电压的幅值随指令给定的位移X1(1)与工作台实际位移量与工作台实际位移量X()的差值按正弦规律变化。的差值按正弦规律变化。四、感应同步器的特点与应用四、感应同步器的特点与应用(一)特点(一)特点 1.精度高精度高 它直接对机床的位移进行测量,测量结果只它直接对机床的位移进行测量,测量结果只受本身精度的限制,直线精度一般为受本身精度的限制,直线精度一般
14、为 0.002mm/250mm。2.对环境的适应性强对环境的适应性强 利用电磁感应原理,不怕油污和利用电磁感应原理,不怕油污和灰尘污染,不易受到干扰灰尘污染,不易受到干扰。3.使用寿命长,安装维修简单。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。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。工艺性好,成本低。(二)应用二)应用 感应同步器有鉴相和鉴幅两种工作方式。感应同步器有鉴相和鉴幅两种工作方式。基准信号基准信号鉴相器鉴相器数控数控装置装置脉冲相脉冲相位变换位变换激磁供激磁供电线路电线路直流直流放大器放大器伺服驱伺服驱动机构动机构放放大大器器
15、反馈反馈信号信号感应感应同步器同步器机床机床 xsin tuT 2U2UsUc图图2-4 鉴相系统测量的原理图鉴相系统测量的原理图指令指令信号信号参考参考信号信号误差误差信号信号相位角相位角 1由数控装置由数控装置发出。发出。1.鉴相测量系统鉴相测量系统数控数控装置装置数数 模模转换器转换器相位相位补偿补偿相敏相敏放大放大伺服驱伺服驱动机构动机构感应感应同步器同步器机床机床 xU2UsUc图图2-5 鉴幅系统测量的原理图鉴幅系统测量的原理图检波放大检波放大余弦正弦余弦正弦振荡器振荡器控制工作台的控制工作台的移动方向移动方向标准正弦标准正弦信号信号控制移动位移控制移动位移2.鉴幅测量系统鉴幅测量
16、系统五、感应同步器安装使用的注意事项五、感应同步器安装使用的注意事项 1.安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.25mm,倾斜度小于倾斜度小于0.5,装配面波纹度在,装配面波纹度在0.01mm/250mm以内。以内。2.由于感应同步器大都装在易被工作液和切屑浸入的由于感应同步器大都装在易被工作液和切屑浸入的地方,因此应加以保护。地方,因此应加以保护。3.同步回路中的阻抗和激励电压不对称以及激励电流同步回路中的阻抗和激励电压不对称以及激励电流失真度不应超过失真度不应超过2%。4.由于感应同步器感应电势低、阻抗低,所以应加强由于感应同步器感应电势低
17、、阻抗低,所以应加强屏蔽以防止干扰。屏蔽以防止干扰。旋转变压器旋转变压器是一种的角度检测元件,其结构主要由定是一种的角度检测元件,其结构主要由定子和转子组成。子和转子组成。定子通励磁电压,转子上得到电磁耦合感定子通励磁电压,转子上得到电磁耦合感应电压,其输出电压大小与转子位置有关。应电压,其输出电压大小与转子位置有关。由于由于旋转变压器旋转变压器结构简单,工作可靠,精度又能满足结构简单,工作可靠,精度又能满足一般要求,所以应用较广。一般要求,所以应用较广。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测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。量工作台的位移。旋转变压器分为单
18、极和多极形式,先分析一下单极旋转变压器分为单极和多极形式,先分析一下单极工作情况。工作情况。2.3 旋转变压器旋转变压器一、基本概念一、基本概念图图2-6 旋转变压器照片旋转变压器照片 图图2-6 旋转变压器的工作原理图旋转变压器的工作原理图定定子子U112U22U22U2转转子子2U2二、工作原理二、工作原理U1=UmsintU2=kU1sin =Umsint sin式中:式中:k电磁耦合系数;电磁耦合系数;U1定子的激励电压;定子的激励电压;U2转子的感应电压;转子的感应电压;Um定子的最大瞬时电压。定子的最大瞬时电压。2U2 定子定子转子转子U1图图2-7 旋转变压器的结构原理图旋转变压
19、器的结构原理图 该种旋转变压器,在转子绕组连接负载后,所通过的电流该种旋转变压器,在转子绕组连接负载后,所通过的电流产生的交变磁通将使定子和转子将气隙中的合成磁通畸变,影产生的交变磁通将使定子和转子将气隙中的合成磁通畸变,影响测试精度。响测试精度。为此采用正弦、余弦旋转变压器,其定子和转子为此采用正弦、余弦旋转变压器,其定子和转子绕组均由两个扎数相等,且相互垂直的绕组构成。如图绕组均由两个扎数相等,且相互垂直的绕组构成。如图2-8所示,所示,一个转子绕组接高阻抗作为补偿,另一个转子绕组作为输出。一个转子绕组接高阻抗作为补偿,另一个转子绕组作为输出。U1U3U2转子转子定子定子 1 2R 2co
20、s 1sin 图图2-8 正余、弦旋转变压器原理图正余、弦旋转变压器原理图 三、应用三、应用 旋转变压器作为位置检测装置,有鉴相式和鉴幅式两种旋转变压器作为位置检测装置,有鉴相式和鉴幅式两种典型工作方式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位典型工作方式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量;鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。移量;鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。1.鉴相工作方式鉴相工作方式 给给定定子子两两绕绕组组分分别别通通以以幅幅值值相相同同、频频率率相相同同、相相位位差差90900 0的交流励磁电压,即的交流励磁电压,即 这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感
21、应电压,如这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压,如图图2-82-8所示,根据线性叠加原理,转子中的感应电压应为这所示,根据线性叠加原理,转子中的感应电压应为这两个电压的代数和:两个电压的代数和:假如,转子逆向转动,可得假如,转子逆向转动,可得 由上述分析可知,转子输出电压的相位角和转子的偏转由上述分析可知,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,这样,只要检测出转子输出电压角之间有严格的对应关系,这样,只要检测出转子输出电压的相位角,就可知道转子的转角。的相位角,就可知道转子的转角。2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式 给给定定子子的的两两个个绕绕组组分分别别通通以以频频率率相相
22、同同、相相位位相相同同、幅幅值分别为值分别为U1m和和U2m的交流激磁电压,则有的交流激磁电压,则有 当给定电气角为当给定电气角为 时,交流激磁电压幅值为别为时,交流激磁电压幅值为别为当转子正转时,则转子上的叠加电压为当转子正转时,则转子上的叠加电压为同理,如果转子逆向转动,可得同理,如果转子逆向转动,可得 由由上上述述分分析析计计算算可可知知,转转子子感感应应电电压压的的幅幅值值随随转转子的偏转角而变化,测量出幅值即可求得转角。子的偏转角而变化,测量出幅值即可求得转角。如如果果将将旋旋转转变变压压器器装装在在数数控控机机床床的的滚滚珠珠丝丝杠杠上上,当当角角从从00到到3600时时,丝丝杠杠
23、上上的的螺螺母母带带动动工工作作台台移移动动了了一一个个导导程程,间间接接测测量量了了执执行行部部件件的的直直线线位位移移。测测量量所所走走过过的的行行程程时时,可可加加一一个个计计数数器器,累累计计所所转转的的转转数数,折折算成位移总长度。算成位移总长度。2.4 脉冲编码器脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,能把机械转角脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,能把机械转角变成电脉冲,是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。变成电脉冲,是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。图图2-9 脉冲编码器的照片脉冲编码器的照片 一
24、、增量式脉冲编码器一、增量式脉冲编码器 增量式脉冲编码器分增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲,光电式脉冲编码器优于其三种。就精度和可靠性来讲,光电式脉冲编码器优于其它两种,它的型号是用脉冲数它两种,它的型号是用脉冲数/转(转(p/r)来区分,数控来区分,数控机床常用机床常用2000、2500、3000p/r等,现在已有每转发等,现在已有每转发10万万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外,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。还可以用于速度检测。1.基本概念基本概念 光光电电式式脉脉冲冲编编码码器
25、器通通常常与与电电机机做做在在一一起起,或或者者安安装装在在电电机机非非轴轴伸伸端端,电电动动机机可可直直接接与与滚滚珠珠丝丝杠杠相相连连,或或通通过过减减速速比比为为i的的减减速速齿齿轮轮,然然后后与与滚滚珠珠丝丝杠杠相相连连,那那么么每每个个脉脉冲冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算:对应机床工作台移动的距离可用下式计算:式中式中 脉冲当量(脉冲当量(mm/脉冲);脉冲);S滚珠丝杠的导程(滚珠丝杠的导程(mm););i减速齿轮的减速比;减速齿轮的减速比;M脉冲编码器每转的脉冲数(脉冲编码器每转的脉冲数(p/r)。)。增量式光电编码器的工作原理图如图增量式光电编码器的工作原理图如图2-9
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