1、精选课件1第四章第四章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置精选课件2第一节第一节 概述概述数控装置数控装置检测装置检测装置机机 床床传动装置传动装置伺服系统伺服系统精选课件3一一 开环系统、半闭环系统、闭环系统开环系统、半闭环系统、闭环系统1 开环系统开环系统步距角：步距角：对应每一个指令脉冲，步进电机转过的角度。对应每一个指令脉冲，步进电机转过的角度。脉冲当量：脉冲当量：对应每一个指令脉冲工作台移动的距离。那么，对应每一个指令脉冲工作台移动的距离。那么，工作台相对刀具移动距离工作台相对刀具移动距离=脉冲当量脉冲当量*指令脉冲数指令脉冲数具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等
2、具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，优点，没有位置测量装置，开环系统的加工精度不高。没有位置测量装置，开环系统的加工精度不高。精选课件4一一 开环系统、半闭环系统、闭环系统开环系统、半闭环系统、闭环系统2 半闭环系统半闭环系统半闭环系统的检测装置安装到半闭环系统的检测装置安装到驱动装置驱动装置(常用伺服电机常用伺服电机)或丝杠或丝杠的尾部。的尾部。半半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好
3、。伺服电机到工作台之间传动装置这块的误差没有得到补偿，因此半闭环伺服电机到工作台之间传动装置这块的误差没有得到补偿，因此半闭环系统的精度不如闭环系统的高。系统的精度不如闭环系统的高。它的优点是结构简单，造价低，安装、它的优点是结构简单，造价低，安装、调试调试与维修都很方便，与维修都很方便，精度也较精度也较高。高。精选课件5一一 开环系统、半闭环系统、闭环系统开环系统、半闭环系统、闭环系统3 闭环系统闭环系统闭环系统的检测装置安装到带动刀具或工件移动的部件上，如支撑导轨和移动导轨上，闭环系统的检测装置安装到带动刀具或工件移动的部件上，如支撑导轨和移动导轨上，它直接检测的是刀具相对于工件移动的距离
4、，因此它的加工精度较高。它直接检测的是刀具相对于工件移动的距离，因此它的加工精度较高。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故易造成由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。精选课件6二二 数控机床对检测装置的要求数控机床对检测装置的要求(1)
5、满足数控机床的精度和速度要求满足数控机床的精度和速度要求 从精度上讲从精度上讲某些数控机床的定位精度已达到某些数控机床的定位精度已达到0.0015mm300m一般数控机床精度要求在一般数控机床精度要求在 0.0020.01mmm之间之间测量系统的分辨率在测量系统的分辨率在0.0010.0001mm之间之间从速度上讲从速度上讲进给速度已从进给速度已从1030mmin提高到提高到60120mmin主轴转速也达到主轴转速也达到10000rmin，有些高达，有些高达100000r/min因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。精选课件
6、7二二 数控机床对检测装置的要求数控机床对检测装置的要求(2)工作可靠工作可靠 有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对测量结果的影响要小。测量结果的影响要小。(3)便于安装和维护便于安装和维护 测量装置有一定的安装精度要求，安测量装置有一定的安装精度要求，安装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。精选课件8三三 检测装置的常用类型检测装置的常用类型分分类类光电式光电式电磁式电磁式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式
7、绝对式绝对式回回转转式式光电编码器光电编码器 圆光栅圆光栅编码盘编码盘旋转变压器旋转变压器 圆盘感应同步器圆盘感应同步器多极旋转变压器多极旋转变压器 三速圆感应同步器三速圆感应同步器直直线线式式计量光栅计量光栅编码尺编码尺多通道透射光栅多通道透射光栅直线感应同步器直线感应同步器三速感应同步器三速感应同步器表表4-1 常用测量装置类型常用测量装置类型精选课件9三三 检测装置的常用类型检测装置的常用类型（1）增量式）增量式原理：原理：被测物体每移动一个测量单位，测量装置发出一个脉冲信号，被测物体每移动一个测量单位，测量装置发出一个脉冲信号，对脉冲计数并处理就可得到一个位移的增量值。任何一个对中点都
8、可对脉冲计数并处理就可得到一个位移的增量值。任何一个对中点都可作为测量的起点。作为测量的起点。优点：优点：检测装置结构简单，能做到较高精度检测装置结构简单，能做到较高精度缺点：缺点：u由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向u一旦计数有误，此后结果全错一旦计数有误，此后结果全错u若发生故障若发生故障(如断电、断刀等如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置，事故排除后再也找不到正确位置精选课件10三三 检测装置的常用类型检测装置的常用类
9、型（2）绝对式）绝对式原理：原理：对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值个被测点都有一个相应的测量值优点：优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标坐标值值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便缺点：缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高结构复杂、制作精度没有增量式的高精选课件11第二节第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘增量式光电编码器和绝对式编码盘精选课件12一一 增量式编码器增量式编码器1
10、 2 3 4 57 6精选课件13一一 增量式光电编码器增量式光电编码器1 工作原理工作原理 增量式光电编码器工作原理图增量式光电编码器工作原理图精选课件14一一 增量式光电编码器增量式光电编码器图图6-3 光电输出波形和信号处理线路的方块图光电输出波形和信号处理线路的方块图精选课件15一一 增量式光电编码器增量式光电编码器2 位置和转速测量位置和转速测量（1）位置测量）位置测量增量式编码器转角增量式编码器转角测量电路原理图测量电路原理图精选课件17一一 增量式光电编码器增量式光电编码器（2）转速测量）转速测量脉冲频率法：在给定时间脉冲频率法：在给定时间t内，对编码器的脉冲进行计数，内，对编码
11、器的脉冲进行计数，得一数值得一数值N1，设脉冲编码器的每转输出脉冲为，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，则转速，则转速 n=（N1/N）*（60/t）r/min精选课件18一一 增量式光电编码器增量式光电编码器脉冲周期法：在编码器一个脉冲间隔内，对通过的标准脉冲周期法：在编码器一个脉冲间隔内，对通过的标准时钟脉冲进行计数，得一数值时钟脉冲进行计数，得一数值N2，设脉冲编码器的每转，设脉冲编码器的每转输出脉冲为输出脉冲为N，T为标准时钟脉冲周期，则转速为标准时钟脉冲周期，则转速 n=60/（2 N2N T）r/min精选课件19二二 编码盘测量装置编码盘测量装置码盘角分辨率码盘角分辨率=360/2
12、nC4C3C2C1二进制码盘二进制码盘葛莱码盘葛莱码盘精选课件20二二 编码盘测量装置编码盘测量装置工作原理：工作原理：黑的部分为黑的部分为导电部分表示导电部分表示1，白的部，白的部分为绝缘部分表示分为绝缘部分表示0，四，四个码道都装有电刷，最里个码道都装有电刷，最里一圈是公共极。由于四个一圈是公共极。由于四个码道产生四位二进制数，码道产生四位二进制数，码盘每转一周产生码盘每转一周产生00001111十六个二进制数，十六个二进制数，编码代表实际角位移，知编码代表实际角位移，知道了编码就知道了角位移。道了编码就知道了角位移。图图6-7 接触式码盘结构及工作原理接触式码盘结构及工作原理精选课件21
13、第三节第三节 光栅测量装置光栅测量装置按光路分反射光栅和透射光栅按光路分反射光栅和透射光栅反射光栅：反射光栅：u优点：优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合u缺点：缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过多，内线纹不宜过多，常用的有常用的有4、10、25、40、50线线/mm透射光栅：透射光栅：u优点：优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大，光电元件直接接受光照，信号幅值大，信噪比好，信噪比好，光电转光
14、电转换器结构简单，如线性密度换器结构简单，如线性密度200线线/mmu缺点缺点：玻璃易破裂，玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度，测量长度在测量长度在2m以内以内 精选课件22第三节第三节 光栅测量装置光栅测量装置按其结构形式分为长光栅和圆光栅按其结构形式分为长光栅和圆光栅长光栅：长光栅：测量直线位移测量直线位移 圆光栅：圆光栅：测量角位移测量角位移按线纹密度分粗光栅和细光栅按线纹密度分粗光栅和细光栅精选课件23一一 光栅测量的工作原理光栅测量的工作原理光栅测量光栅测量1-标尺光栅标尺光栅 2-指示光栅指示光栅3-光电接收器光电接收器 4-
15、光源光源莫尔条纹示意图莫尔条纹示意图 W P/精选课件24二二 光栅测量装置的数字变换线路光栅测量装置的数字变换线路图图6-10 光栅测量系统简图光栅测量系统简图精选课件25二二 光栅测量装置的数字变换线路光栅测量装置的数字变换线路P2整形硅光电池P4P3差 动放大器cosDDBY7反相微分Y8微分cosBY6Y5整形P1差 动放大器sin微分CC微分反相sinAY3Y4Y2AY1BB反相脉冲CD相加DCAB+ADH2BC相加ADC反向时上升沿微分正向时上升沿微分AD正向脉冲BC+CDH1CADBAABcossin反向正向 原理框图原理框图 波形图波形图 图图6-11 光栅信号光栅信号4倍频电
16、路倍频电路精选课件26三三 读数头读数头把光源、光栅、光电元件组合在一起，称为读数头把光源、光栅、光电元件组合在一起，称为读数头按光路分为分光式、直射式、反射式按光路分为分光式、直射式、反射式 图图6-12 读数头读数头a）分光式）分光式 b）直射式）直射式 c）反光式）反光式精选课件27四四 等倍透镜系统等倍透镜系统两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。图图6-13 等倍透镜系统等倍透镜系统精选课件28第四节第四节 磁栅测量装置磁栅测量装置磁栅位置检测装置是用
17、磁性标尺代替光栅，用磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。组成。伺伺服服系系统统数数字字显显示示尺尺磁磁检检测测电电路路磁磁磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置精选课件29一一 工作原理工作原理磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层很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薄的磁膜(导磁材料导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁头，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量
18、的基准刻度，记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻度，磁化信号的节距磁化信号的节距(周期周期)一般有一般有0.05、0.10、0.20、1mm等等精选课件30二二 磁头磁头1 读取磁头读取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信号输磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。送到检测电路中去。速度响应型磁头：速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，这种磁头只能用于动态测量。如普
19、通录音机比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机图图4-15 速度响应型磁头速度响应型磁头精选课件31二二 磁头磁头磁通响应型磁头：磁通响应型磁头：根据数控机床的要求，为了在低速根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。磁头。图图4-15 磁通响应型磁头磁通响应型磁头 精选课件32二二 磁头磁头励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小，后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小，磁
20、路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期变化，输出绕组输出电压信号为变化，输出绕组输出电压信号为txEe00sin2sin E0输出电压幅值，输出电压幅值，磁化节距，磁化节距，0激磁频率的激磁频率的2倍频，倍频，x位移位移精选课件33二二 磁头磁头2 多间隙磁通响应型磁头多间隙磁通响应型磁头 用一个磁通响应型磁头读取磁栅的磁化信号，输出信号用一个磁通响应型磁头读取磁栅的磁化信号，输出信号往往很微弱，且由于磁膜的非线性，往往难以实现
21、。可往往很微弱，且由于磁膜的非线性，往往难以实现。可将几个磁头串联起来组成多间隙响应型磁头，以提高输将几个磁头串联起来组成多间隙响应型磁头，以提高输出信号幅度，提高测量分辨率及准确性。出信号幅度，提高测量分辨率及准确性。精选课件34三三 检测电路检测电路鉴幅型检测电路鉴幅型检测电路 两组磁头通以同两组磁头通以同频、同相、同幅值的频、同相、同幅值的励磁电流，由于两组励磁电流，由于两组磁头的安装位置相差磁头的安装位置相差(n+l4)(n为正整数为正整数)，因此检波整形后的方因此检波整形后的方波相差波相差90。图图4-17 鉴幅检测电路鉴幅检测电路精选课件35三三 检测电路检测电路鉴相型检测电路鉴相
22、型检测电路 两磁头的安装距离相差两磁头的安装距离相差(n+l4)。两组磁头通以同频、。两组磁头通以同频、等幅但相位相差等幅但相位相差4的励磁交流电。两组磁头的输出电压为的励磁交流电。两组磁头的输出电压为txEe001cos2sin txEe002sin2cos e1、e2在求和的线路中相加得在求和的线路中相加得 xtEeee 2sin0021精选课件37三三 鉴相检测电路鉴相检测电路在鉴相电路中，把它和基在鉴相电路中，把它和基本方波的相位相比较，若本方波的相位相比较，若相位不同，则在两方波的相位不同，则在两方波的上升沿之间插入频率为上升沿之间插入频率为2MHz的脉冲。两波相位相的脉冲。两波相位
23、相差越大，插入脉冲越多，差越大，插入脉冲越多，两波相位差为零，无插入两波相位差为零，无插入脉冲，这样就可捡测位移脉冲，这样就可捡测位移量的值。量的值。精选课件38第五节第五节 旋转变压器测量装置旋转变压器测量装置精选课件39一一 旋转变压器的结构旋转变压器的结构定子绕组通过固定在壳体定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转上的接线板直接引出。转子绕组是通过滑环和电刷子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。直接引出的。其特点是结构简单，体积其特点是结构简单，体积小；缺点是可靠性差，寿小；缺点是可靠性差，寿命短。命短。精选课件40一一 旋转变压器的结构旋转变压器的结构定子绕组通过固定在壳体定子绕组通
24、过固定在壳体上的接线板直接引出。转上的接线板直接引出。转子绕组是通过附加变压器子绕组是通过附加变压器二次绕组间接送出去的。二次绕组间接送出去的。其特点是提高了可靠性及其特点是提高了可靠性及使用寿命。但体积、重量、使用寿命。但体积、重量、成本均有增加。成本均有增加。精选课件41二二 旋转变压器的组成及工作原理旋转变压器的组成及工作原理普通变压器的工作原理是在一次绕组加上输入普通变压器的工作原理是在一次绕组加上输入电压，则在二次绕组上输出电压为电压，则在二次绕组上输出电压为(n2/n1)U1。旋转。旋转变压器原理与之类似，只不过二次侧绕组是旋转的，变压器原理与之类似，只不过二次侧绕组是旋转的，则其
25、输出电压就会随其转角的变化而变化，因而输则其输出电压就会随其转角的变化而变化，因而输出电压的大小是随着转角的变化而变化的。出电压的大小是随着转角的变化而变化的。精选课件42二二 旋转变压器的组成及工作原理旋转变压器的组成及工作原理通常使用正余弦旋转变压器，其定子和转子各有相互垂直的两通常使用正余弦旋转变压器，其定子和转子各有相互垂直的两个绕组。定子绕组接受励磁电压，励磁频率个绕组。定子绕组接受励磁电压，励磁频率400、500、1000、3000、5000Hz。在两个定子绕组分别施加。在两个定子绕组分别施加EA和和EB，其中一个转子绕组短接，其中一个转子绕组短接，由于电磁感应，转子中感应电压由于
26、电磁感应，转子中感应电压 E=k EA sin+k EB cos k为旋转变为旋转变压器电压之比。压器电压之比。图图6-19 旋转变压器旋转变压器精选课件43三三 相位工作方式相位工作方式两个定子绕组通以同频、两个定子绕组通以同频、同幅但相位相差同幅但相位相差/2的交流电的交流电压，即压，即则转子绕组上的感应电则转子绕组上的感应电压为压为转子输出电压的相位角和转子的转角有严格的对应关系。转子输出电压的相位角和转子的转角有严格的对应关系。精选课件44四四 幅值工作方式幅值工作方式两个定子绕组通以同频、两个定子绕组通以同频、同相位但幅值不同的交流电同相位但幅值不同的交流电压，即压，即 幅值分别为幅值分别为um cos0和和-um sin0则转子绕组上的感应电压为则转子绕组上的感应电压为可见转子输出电压的幅值随转子的转角而变化。可见转子输出电压的幅值随转子的转角而变化。精选课件45第六节第六节 感应同步器测量装置感应同步器测量装置精选课件46 工作原理及组成工作原理及组成感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。图图6-22 直线感应同步器直线感应同步器精选课件47工作原理及组成工作原理及组成定尺感应电压与定尺、滑定尺感应电压与定尺、滑尺之间相对位置关系尺之间相对位置关系
