1、第第5章章 数控机床常用检测装置数控机床常用检测装置 n5.1 检测装置简介检测装置简介n检测元件的精度主要包括系统精度系统精度和系统分辨率系统分辨率两项。n系统精度系统精度是指在一定长度或转角范围内测量积累误差的最 大 值，目 前 一 般 长 度 位 置 检 测 精 度 均 已 达 到0.002mm/m以内，回转角测量精度达到10/360；n系统分辨率系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量，目前长度位移的分辨率多数为1m，高精度系统分辨率可达0.1m，回转分辨率为2。n不同类型数控机床对检测装置的精度和使用速度要求是不同类型数控机床对检测装置的精度和使用速度要求是不同的不同的。1-20
2、22-11-155.1 检测装置简介检测装置简介n系统分辨率的提高，对加工精度有一定的影响，但也不宜过小，分辨率的选取通常和脉冲当量的选取方法一样，数值也相同，均按机床加工精度的1/31/10选取。n数控机床对检测装置的主要要求有：数控机床对检测装置的主要要求有：工作可靠，抗干扰性能强。使用维护方便，适应机床的工作环境。满足精度和速度的要求。易于实现高速的动态测量、处理的自动化。成本低。2-2022-11-155.2 旋转变压器旋转变压器5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理（1）旋转变压器的结构）旋转变压器的结构图5-1 旋转变压器a）有刷结构 b）无刷结构3-20
3、22-11-155.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理4-2022-11-155.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用（1）5-2022-11-155.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用（2）6-2022-11-155.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用（3）7-2022-11-155.3 感应同步器感应同步器5.3.1 感应同步器的结构和种类感应同步器的结构和种类n按结构可分为直线感应同步器直线感应同步器和圆形感应同步器圆形感应同步器两种，直线式用于测量直线位移，而圆形感应同步器用于检测角位移。n直线式由定尺和滑尺两部分组成；而圆形感应同步器由定子和
4、转子组成。n感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和次级线圈，它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。8-2022-11-155.3.1 感应同步器的结构和种类感应同步器的结构和种类9-2022-11-155.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理(1)n如图5-8所示，滑尺上具有在空间上相差1/4节距的正弦绕组和余弦绕组，且定尺与滑尺节距相同。n当滑尺励磁绕组与定尺感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的作用，感应绕组中的感应电压随位移的变化而呈周期性地变化，感应同步器就是利用这一特点来检测滑尺相对定尺的位置的。图58 直线感应同步器的结构10-2022-11-155.3.2
5、 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理(2)图图5-9 5-9 感应同步器工作原理感应同步器工作原理n当定尺绕组与滑尺绕组之一相重合时，如图5-9的A点，这时定尺输出的感应电压最大；n当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时，感应电压逐渐减小，到达1/4节距的位置B时，由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中产生的电压方向相反，所以定尺线圈输出电压为零；n如果滑尺继续向C点移动，则滑尺磁场在定尺中产生的电压在负方向上逐渐增大，C点达到最大；n当滑尺再向D点移动时，定尺电压又逐渐变为零。n当移动一个节距，到达E点时，又与A点的情况相同。11-2022-11-155.3.4 感应同步器测量系统感应同步器测量
6、系统感应同步器也有：鉴相测量系统和鉴幅测量系统鉴相测量系统和鉴幅测量系统。（1 1）鉴相测量系统）鉴相测量系统n给感应同步器感应同步器滑尺滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同，相位差为90的励磁信号：则滑尺二绕组在定尺定尺绕组中分别产生的感应电动势为：)sin(tKVEEumSCd)22sin(xtKVumd12-2022-11-155.3.4 感应同步器测量系统感应同步器测量系统（2）鉴幅测控系统）鉴幅测控系统n鉴幅工作方式是根据感应输出电压的幅值变化来检测位移的。在这种工作方式下，滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压，即 tVVtVVmcmssincossin
7、sinsinsincoscossinsintKVEtKVEmCmS)(sinsinsin)22sin(0 xxtKVtxKVEEummcsd022x13-2022-11-155.4 光栅光栅 n光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成，有物理光栅物理光栅和计量光栅计量光栅。n物理光栅物理光栅两刻线之间距离在0.002-0.005 mm之间，常用于光谱分析和光波波长的测定；n计量光栅计量光栅栅距在0.004-0.025mm之间，常用于高精度位移的检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置5.4.1 计量光栅的种类计量光栅的种类n按照不同的分类方法，计量光栅可分为：直线光栅和圆形直线光栅和圆形光栅光栅
8、；逶射光栅和反射光栅逶射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅增量式光栅和绝对式光栅等。14-2022-11-155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（1）15-2022-11-155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（2）莫尔条纹有以下几个重要特性：n1）平均效应n莫尔条纹是由大量的光栅线纹共同作用产生的，对光栅的线纹误差有平均作用。从而可以在很大程度上消除光栅线纹的制造误差。光栅越长，参加工作的线纹越多，这种平均效应就越大。n2）对应关系n如图5-11所示，当光栅移动一个栅距d，摩尔条纹也相应移动一个纹距W，其光强变化近似正弦波形；若移动方向相反，则摩尔条纹移动的方
9、向也相反。n3）放大作用16-2022-11-155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（3）17-2022-11-155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（4）（2）光电转换）光电转换n光栅检测系统的光电转换转由光栅读数头完成。最基本的光栅读数头由光源、聚光镜、指示尺光栅和硅光电池组成，如图5-12 a所示。n为了便于说明其工作原理，以光闸莫尔光栅为例，说明当光栅移动一个栅距时，其输出波形和两块光栅相互位置变化的关系。18-2022-11-155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（5）n当两块光栅的刻线重合时，透光最多，光电池输出的电压信号最大；n当光栅1向
10、右移动半个栅距时，两块光栅的暗线纹将明线纹遮住，透光近似于0，光电池输出最小；n再移动半个栅距，则两块光栅的刻线又重合，光电池输出又达到最大值。n这种光栅的遮光作用与光栅的移动距离成线性关系，所以光电池的光接收量也与光栅的移动距离成线性关系，即光电池的输出电压波形也近似于三角形。n但这是一种理想的状态，只有在两块光栅的夹角为0，刻线质量极好，而且刻线宽度均匀一致才能达到。19-2022-11-155.4.2 计量光栅的工作原理计量光栅的工作原理（6）20-2022-11-155.4.3 光栅的测量装置光栅的测量装置（2）光栅测量装置原理光栅测量装置原理n如前所述，光栅的移动形成了莫尔条纹，又经
11、光电转换成正弦电压信号输出。这样的信号，只能用于计数，而不能辨别方向。n实际应用中，即要求有较高的检测精度，又能辨别方向。为了达到这种要求，通常使用分频电路实现。n下面介绍一种广泛使用的四倍频辨向电路工作原理。n所谓四倍频，就是采用四个光电元件和四个狭缝，使其与莫尔条纹相重合的位置相差1/4栅距。这样，相邻两个光电元件输出的正弦信号相差90，经过整形和逻辑处理后即可得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。21-2022-11-155.4.3 光栅的测量装置光栅的测量装置图5-12 光栅信号四倍频电路22-2022-11-155.5 磁栅磁栅n磁栅是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件，可用作直线
12、和角位移的测量。n磁栅与同步感应器、光栅相比，测量精度略低。n但具有复制简单以及安装方便等一系列优点，特别是在油污、粉尘较多的环境中应用，具有较好的稳定性。n因此，磁栅较广泛地应用在数控机床、精密机床和各种测量机上。23-2022-11-155.5 磁栅磁栅n磁栅检测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，用来作测量基准。n在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相动于磁尺的位置送给伺服控制系统或数字显示装置。n磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三部分组成。24-2022-11-155.5.
13、1 磁性标尺磁性标尺n磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层1030 m厚的高磁性材料，形成均匀的磁膜。n再用录磁磁头在磁尺上记录节距相等的周期性变化的磁信号，用于作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05、0.1、0.2m等。n最后磁尺表面涂上保护层，以防磁头与磁尺频繁接触过程中的磁膜磨损。n磁性标尺按形状可分为：用于检测直线位移的平面实体型磁尺、带状磁尺和同轴型线状磁尺；用于检测角位移的回转型磁尺等，如图5-13所示。25-2022-11-155.5.1 磁性标尺磁性标尺a)平面实体型磁尺 b)带状磁尺 c)同轴型线状磁尺 d)回转型磁尺图5-13 按磁性标尺形状分类
14、的各种磁尺1-实体尺 2-尺座（屏蔽罩）3-带状尺 4-尺垫（泡沫塑料）5-磁头 6-线状尺 7-磁尺 8-组合磁头 9-尺座26-2022-11-155.5.2 读数磁头读数磁头n读数磁头是进行磁电转换的器件。n它将反映位置变化的磁化信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。n根据机床数字控制系统的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用一种磁通响应型磁头磁通响应型磁头，而不能采用普通录音机上的速度响应型磁头普通录音机上的速度响应型磁头。n磁通响应型磁头是一个带有饱和铁芯的二次谐波调制器，如图5-14所示。27-2022-11-155.5.2 读数磁头读数磁头图5-14 磁通
15、响应型磁头28-2022-11-155.5.3 磁栅的工作原理磁栅的工作原理（1）29-2022-11-155.5.3 磁栅的工作原理磁栅的工作原理图515 双磁头配置原理图30-2022-11-155.6 脉冲编码器脉冲编码器 n脉冲编码器是一种旋转脉冲编码器，它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器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。n脉冲编码器根据输出信号的方式不同，可分为绝对值式编绝对值式编码器和脉冲增量式编码器码器和脉冲增量式编码器；根据内部结构和检测方式不同，可分为接触式、光电式和电磁式接触式、光电式和电
16、磁式三种。31-2022-11-155.6.1 绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器n可直接把检测转角用数字代码表示出来，每一个角度均有其对应的代码，它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积累误差。n绝对式码盘的编码类型有二进制编码、二十进制编码、格雷码等。图5-16为4位二进制接触式绝对式码盘。图5-16 接触式绝对式编码器的码盘a）绝对式码盘结构 b）二进制码盘 c）格雷码盘32-2022-11-155.6.1 绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器n将二进制码右移一位并将末位舍去，然后将其与原码进行将二进制码右移一位并将末位舍去，然后将其与原码进行不进位加法，则会得到与之相对应的雷格码。不
17、进位加法，则会得到与之相对应的雷格码。n接触式码盘体积小，输出功率大，但易磨损，其使用寿命短，转速也不能太高。n光电式码盘光电式码盘即是将接触式码盘的导电与不导电式区域用透明和不透明区域代替；n电磁式码盘电磁式码盘则是用有磁和无磁替换接触式码盘的导电和不导电区域。33-2022-11-155.6.1 绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器光电绝对值编码器 34-2022-11-155.6.2 脉冲增量式码盘脉冲增量式码盘（1 1）结构及其特点）结构及其特点n增量式脉冲编码器最初就是一种光电盘，它由光源、聚光镜、光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、模数转换线路及数字显示装置光电盘、分度狭缝、光电
18、元件、模数转换线路及数字显示装置组成。n光电盘可以用玻璃研磨抛光制成。玻璃表面在真空中镀一层不透明的铬，然后用照像腐蚀法在上面制成狭缝作透光用。狭缝的数量可以为几百条或几千条。n也可以用精制的金属圆盘，在圆周上开出一定数量的等分槽缝，或在一定半径的圆周上钻出一定数量的孔，使圆盘形成相等数量的透明或不透明的区域。35-2022-11-155.6.2 脉冲增量式码盘脉冲增量式码盘n（2）增量式脉冲编码器工）增量式脉冲编码器工作原理作原理n光电盘装在回转轴上，当光电盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化。经过光敏元件变成一次电信号的明暗变化，对它进行整形、放大和微分处理后，得到脉冲输出信号。脉冲数就等于转过的缝隙数。36-2022-11-15
