第3章 伺服系统常用传感器及检测装置.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 伺服系统常用传感器及检测装置,3.1,概 述,3.2,旋转变压器,3.3,感应同步器,3.4,编码器,3.5,光 栅,3.6,磁 栅,3.7,测速发电机,1,开环控制数控机床,2,闭环控制数控机床,3,半闭环控制数控机床,3.1,概 述,3.1.1,数控机床对检测装置的主要要求,数控机床对检测装置的主要要求有：,(1),高可靠性和抗干扰能力；,(2),满足精度和速度要求；,(3),成本低,使用维护和安装方便，适合机床运行环境；,(4),易于实现高速的动态测量。,下一页,返回,位置检测装置在数控机床中的位置,主轴伺服单元,数,控,装,置,输出设备,P,L,C,进给伺服单元,主轴电机,进给电机,位置检测,机,床,本,体,接口电路,操作面板,输入设备,主轴伺服单元,数,控,装,置,输出设备,P,L,C,进给伺服单元,主轴电机,进给电机,位置检测,机,床,本,体,接口电路,操作面板,输入设备,数控机床物理结构与逻辑结构比较,3.1,概 述,3.1.2,位置检测装置分类,数控机床检测装置的种类很多，若按被检测的几何量分，有回转型（测角位移）和直线型（测线位移）；若按检测信号的类型分，有数字式和模拟式；若按检测量的基准分，有增量式和绝对式，如,表,3-1,所示。对于不同类型的数控机床，工作条件和检测要求不同，可采用不同的检测方式,.,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,增量式与绝对式,(1),增量式检测方式,增量式检测方式检测的是相对位移增量，是终点对起点的位置坐标增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号，而任何一个对中点都可以作为测量起点，因而检测装置比较简单。其缺点是对测量信号记数后才能读出位移距离，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。典型的检测元件有感应同步器、光栅、磁尺等。,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,(2),绝对式检测方式,绝对式检测方式中，被测量的任一点的位置都由一个固定的测量基准（即坐标原点）算起，每一测量点，都有一个相对原点的绝对测量值。这样就避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂。,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,2.,数字式与模拟式,数字式测量方式,:,数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示，数字式测量输出测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置（计算机）进行比较、处理。其典型的测量装置如光栅位移测量装置。,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,数字式检测装置的特点是：,(1),被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；,(2),测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；,(3),检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,模拟式测量方式,模拟式检测是将被测量用连续的变量来表示，在数控机床中模拟式测量主要用于小量程测量。,它的主要特点是：,(1),直接对被测量进行检测，无需量化；,(2),在小量程内可以实现高精度测量；,(3),可用于直接检测和间接检测。,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,3,直接测量与间接测量,(1),直接测量,直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。其优点是直接反映工作台的直线位移量，直接测量的测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响；缺点是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。,下一页,上一页,返回,3.1,概 述,(2),间接测量,间接测量是指采用回转型检测元件测量与工作台运动相关联的伺服电动机输出轴式丝杠回转运动来间接的测量机床的直线位移，间接地反映工作台位移。间接测量使用可靠方便，无长度限制，缺点是在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，从而影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。,上一页,返回,3.2,旋转变压器,3.2.1,旋转变压器的结构,旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的角位移测量装置。当励磁绕组以一定频率的交流电压激励时，输出绕组的电压幅值与转角成正、余弦函数关系。也可以改变连接方式，使输出电压在一定范围内成线性关系。这两种旋转变压器分别称为正、余弦旋转变压器和线性旋转变压器。旋转变压器又叫同步分解器，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。旋转变压器分为有刷和无刷两种。,下一页,返回,3.2,旋转变压器,有刷旋转变压器定子与转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线,(,端点,),经滑环引出，并通过电刷送到外面来。无刷旋转变压器无电刷与滑环，由分解器和变压器组成，如,图,3-1,所示，左边是分解器，右边是变压器,.,下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,3.2.2,旋转变压器的工作原理,旋转变压器根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正,/,余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时（为交变电压，频率为,2,4kHZ,），通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时感应电势最大，两者垂直时，感应电势为零。,下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,单极对旋转变压器的工作情况。如,图,3-2,所示，设一次绕组匝数为,N1,，二次绕组匝数为,N2,，,n=N1/N2,为变压比，当一次侧输入交变电压,U1=Umsint,（,3-1,）,二次侧产生感应电势,U2=nU1=nUmsintsin (3-2),式中，,U2,为转子绕组感应电势；,U1,为定子的激磁电压；,Um,为激磁电压幅值；,下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,旋转变压器是一台小型交流电机，二次绕组跟着转子一起旋转，由式,(3-2),可知其输出电势随着转子的角向位置呈正弦规律变化，当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，,=0,，不产生感应电动势，,U2=0,；当两磁轴平行时，,=90,，感应电动势,U2,为最大，为,U2=nUmsint (3-3),下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,正弦余弦旋转变压器的工作原理，如,图,3-3,渐示。正弦余弦旋转变压器定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，定子上的两个绕组分别为正弦绕组,(,激磁电压为,U1s),和余弦绕组,(,激磁电压为,U1c),，转子绕组中的一个绕组输出电压为,U2,，另一个绕组接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。,下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,3.2.3,旋转变压器的工作方式,旋转变压器作为位置检测元件，当定子绕组通入不同的激磁电压时，有两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。,(1),鉴相工作方式,(2),鉴幅工作方式,下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,3.2.4,旋转变压器的应用,根据以上分析可知，测量旋转变压器二次绕组的感应电动势,U2,的幅值或相位的变化，可知转子偏转角,的变化。如果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当,角从,O,变化到,360,时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位移,(,导程,),的大小。当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相联，转子转动一周，仅相当于工作台,1,个丝杠导程的直线位移，不能反映全行程,.,下一页,上一页,返回,3.2,旋转变压器,因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。为区别转向，加一只相敏检波器来辨别不同的转向。此外，还可以用,3,个旋转变压器按,1,：,1,、,10,：,1,和,100,：,1,的比例相互配合串接，组成精、中、粗,3,级旋转变压器测量装置。这样，如果转子以半周期直接与丝杠耦合,(,即,“,精,”,同步,),，结果使丝杠位移,lOmm,，则,“,中,”,测旋转变压器工作范围为,lOOmm,，,“,粗,”,测旋转变压器的工作范围为,1000mm,。为了使机床工作台按指令值到达一定位置，需用电气转换电路在实际值不断接近指令值的过程中，使旋转变压器从,“,粗,”,转换到,“,中,”,再转换到,“,精,”,，最终的位置检测精度由,“,精,”,旋转变压器决定。,上一页,返回,3.3,感应同步器,3.3.1,感应同步器的结构与种类,（,1,）直线感应同步器,图,3-4,所示为感应同步器外形图，,图,3-5,所示为直线感应同步器的定尺和滑尺的绕组结构示,意图。定尺为连续绕组，节距,(,亦称,极距,),为,2=2(a2+b2),，,其中,a2,为导电片宽，,b2,为片间间隙，,定尺节距,2,即为检测周期,2,，,常取,2=2mm,。,下一页,返回,3.3,感应同步器,滑尺上为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，绕组可做成,W,形或,U,形。图,5-5,中的,ll,为正弦绕组，,22,为余弦绕组，两者在空间错开,1/4,定尺节距,(,电角度错开,/2),。两绕组的节距都为,1=2(a1+b1),，其中,a1,为导电片宽，,b1,为片间间隙，一般取,1=2,或者取,1=2/32,。正弦和余弦绕组的中心距,1,为,式中，,n,为任意正整数。,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,（,2,）圆感应同步器,圆感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用厚,O.05mm,的铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还加有一层与绕组绝缘的屏蔽层，材料为铝箔或铝膜。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组,(sin,绕组和,cos,绕组,),，做成分段式，两相绕组交差分布，相差,90,电角度，如,图,3-6,所示。,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,3.3.2,感应同步器的工作原理,如,图,3-7,所示，直线式感应同步器的定尺是单向均匀感应绕组，绕组节距为,2,每个节距相当于绕组空间分布的一个周期,2,。滑尺上有两组激磁绕组，一组为正弦激磁绕组，另一组为余弦激磁绕组，两绕组的节距与定尺相同，并相互错开,1/4,节距排列，当正弦激磁绕组的每一只线圈和定尺对准时，余弦激磁绕组的每一只线圈和定尺相差,/2,的距离，若,2=2,电角度，则,/2,的距离相当于二者相差,/2,的电角度,.,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,当向滑尺上的绕组通以交流激磁电压时，则在滑尺绕组中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感应出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。如,图,3-8,所示，当定尺与滑尺的绕组重合时，如图,3-8,中,a,点所示，,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,这时定尺上的感应电压最大。当滑尺相对于定尺作平行移,s,动时，感应电压就慢慢地减小，到二者刚好错开,1/4,节距时，如图,3-8,中的,b,点所示，感应电压为零。再继续移动到,1/2,节距位置，即图,3-8,中的,c,点时，得到的感应电压值与,a,点相同但极性相反。再移动到,3/4,节距，即图,3-8,中的,d,点时，感应电压又变为零。当移动到一个节距，即图,3-8,中,e,点位置时，情况和,a,点位置相同。这样，在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。感应同步器就是利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,3.3.3,感应同步器的工作方式,根据不同的激磁供电方式,感应同步器也有两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。,（,1,）鉴相工作方式,（,2,）鉴幅工作方式,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,3.3.4,感应同步器的特点,(1),精度高,(2),测量长度不受限制,(3),工作可靠、抗干扰性强,(4),维护简单、寿命长,(5),抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,3.3.5,感应同步器安装使用的注意事项,(1),感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。为防止切屑和油污浸入，一般在感应同步器上安装防护罩。,(2),感应同步器在安装时必须保持定尺和滑尺平行、两尺面间的间隙约为,O,25O,05mm,，其他具体的安装要求视具体的产品说明而定。这样，才能保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。,下一页,上一页,返回,3.3,感应同步器,(3),直线感应同步器的标准定尺长度一般为,250mm,，当需要增加测量范围时，可将定尺接长。要根据具体的使用情况，按照一定的步骤和要求拼接定尺，全部定尺接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，对超差处进行重新调整，使得总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。,(4),由于感应同步器感应电势低，阻抗低，应加强屏蔽以防止干扰。,上一页,返回,3.4,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。,从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。,型号用 脉冲数,/,转（,p/r,）分，常用的,2000,，,2500,，,3000p/r,现在有,10,万,p/r,以上的产品。,它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。,a)b),一、绝对式编码器,绝对式编码器的工作原理,码道：测量电路：,扇区：分辨率,:,由图,5-11,可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角,360,o,/2,4,=22.5,o,，,若是,n,位二进制码盘，就有,n,圈码道，,分辨角,360,o,/2,n,，,码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。,目前接触式码盘一般可以做到,9,位二进制，光电式码盘可以做到,18,位二进制。,图,5-12,四位二进制码盘非单值性误差,自然码盘的缺点及格莱码盘,用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘,。,图,5-13,为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。,例如，二进制码,1101,对应的葛莱码为,1011,，其演算过程如下：,1101,（二进制码）,1101,（不进位相加，舍去末位）,1011,（葛莱码）,二、增量式脉冲编码器,光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为,i,的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：,式中,脉冲当量（,mm/,脉冲）；,S,滚珠丝杠的导程（,mm,）；,i,减速齿轮的减速比；,M,脉冲编码器每转的脉冲数（,p/r,）。,i,1,个脉冲（,）,-mm,M,个脉冲,(360,，,1,转,)M/i,个脉冲（,1/i,转）,-S1/i mm,推导：,光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。,光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。,电流,A,B,节距,t,A,1,B,1,90,0,脉冲编码器输出波形,为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开,1/4,节距，使两个光电元件输出信号相位差,90,0,。如图,5-15,所示，,A,、,B,信号为具有,90,0,相位差的正弦波，经放大和整形变为方波,A,1,、,B,1,。,设,A,相比,B,相超前时为正方向旋转，则,B,相超前,A,相就是负方向旋转，利用,A,相与,B,相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。,在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给,CNC,装置。,图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交变信号,A,B B,，经过差分驱动和差分接收进入,CNC,装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列,A,1,B,1,。将,A,1,和它的反向信号,1,微分（上升沿微分）后得到 和 脉冲系列，作为加、减计数脉冲。,图,5-16,辨向环节框图,差,分,整形放大,Y,1,微,分,差,分,整形放大,Y,2,微,分,加计数,减计数,B,1,路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（,A,超前,B,），由,Y,2,门输出加计数脉冲，此时,Y,1,门输出为低电平（图,5-16,）；反走时（,B,超前,A,），由,Y,1,门输出减计数脉冲，此时,Y,2,门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。,辨向环节波形图,差,分,整形放大,Y,1,微,分,差,分,整形放大,Y,2,微,分,加计数,减计数,光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统（图,5-17,）的工作原理如下：,光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。,放大环节,指令信号,比较器,伺服电机,反馈信号,工作台,数字比较伺服系统,3.5,光 栅,光栅按用途分有两大类，一类是物理光栅,(,亦称衍射光栅,),，另一类是计量光栅。物理光栅的刻线细密，线纹密度一般为,200,500,条,/mm,，线纹相互平行且距离相等，称此距离为栅距。物理光栅是利用光的衍射原理，常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅是利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。因此，这里所讨论的光栅是指计量光栅。,下一页,返回,3.5,光 栅,3.5.1,光栅的种类与精度,计量光栅按形状可以分为长光栅,(,又称直线光栅,),和圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,1,、长光栅,(1),玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上二一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅的特点是：光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；每毫米上的线纹数多，一般为每毫米,100,、,125,、,250,条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,(2),金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹；金属反射光栅常用的线纹数为每毫米,4,、,10,、,25,、,40,、,50,条，因此，其分辨率比玻璃透射光栅低。金属反射光栅的特点是：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。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,2,、圆光栅,在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间的条纹，条纹呈辐射状，相互问夹角,(,称为栅距角,),相等。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也不相同。圆光栅一般有,3,种形式：,(1),六十进制，如圆周内的线纹数为：,10 800,，,21 600,，,32400,，,64800,等；,(2),十进制，如圆周内的线纹数为：,1000,，,2500,，,5000,等；,(3),二进制，如圆周内的线纹数为：,512,，,1024,，,2048,等。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,3,、计量光栅的精度,表,3-2,各种光栅的精度,计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差。由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以达到,O.1m,、甚至更高的分辨率，如：,O.025m,。表,3-2,列出了几种光栅的精度数据。表中,“,精度,”,指两点间最大均方根误差。从表,3-2,可以看出，各种光栅中，以玻璃衍射光栅的精度为最高。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,3.5.2,光栅的结构与测量原理,（,1,）光栅的结构,光栅由标尺光栅,(,又称长光栅,),和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般安装在机床活动部件上,(,如工作台上,),，光栅读数头安装在机床固定部件上,(,如机床底座上,),。指示光栅,(,又称短光栅,),装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,图,3-9,所示为一光栅尺的简单示意图，标尺光栅和指示光栅上均匀刻有很多条纹，从局部放大部分看，黑的部分为不透光宽度,(,缝隙宽度,)a,，白的部分为透光宽度,(,刻线宽度,)b,，设栅距为,d,，则,d=a+b,。通常情况下，光栅尺刻线的不透光和透光宽度是一样的，即,a=b,。在安装光栅尺时，标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙,(,一般取,O.05mm,或,O.1mm),要严格保证。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,光栅读数头又称光电转换器，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅读数头的结构形式很多，按光路分，常见的有分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头等，其光路图分别如,图,3-10(a),、,(b),、,(c),所示，图中,Q,表示光源，,L,表示透镜，,G,表示光栅，,P,表示光电元件。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,（,2,）光栅的基本测量原理,如,图,3-11,所示，对于栅距,d,相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角,、刻划面相对平行且有一个很小的间隙,(,一般取,0.05mm,，,0.1m),放置时，在光源的照射下，由于光的衍射或遮光效应，在与两光栅线纹角,的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间的条纹，这种条纹称,“,莫尔条纹,”,。由于,角很小，所以莫尔条纹近似垂直于光栅的线纹，故有时称莫尔条纹为横向莫尔条纹。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以,表示。,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,莫尔条纹具有如下特性：,起放大作用,实现平均误差作用,莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例,下一页,上一页,返回,3.5,光 栅,3.5.3,光栅测量系统,如,图,3-12,所示，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，光电元件把两块光栅相对移动时产生的莫尔条纹明暗的变化转变为电流变化。当标尺光栅沿与其线纹垂直方向相对指示光栅移动时，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明问隔完全重合，光电元件接收到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接收到的光通量最大。,上一页,返回,3.6,磁 栅,磁栅又称磁尺，是计算磁波数目的一种位置检测元件。可用于直线和角位移的测量。它的特点是：制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可抹去重录。亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。磁栅的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。对使用环境要求低。在油污、粉尘较多的环境中应用，具有较好的稳定性。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。,下一页,返回,3.6,磁 栅,3.6.1,磁栅的结构与工作原理,磁栅检测装置由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁栅的工作原理与普通磁带的录磁和拾磁的原理是相同的。用录磁磁头将相等节距,(,常为,20,m,或,50,m),周期变化的电信号记录到磁性标尺上，用它作为测量位移量的基准尺。在检测时，用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的磁信号，通过检测电路将位移量用数字显示出来或送至位置控制系统。,图,3-13,所示为磁栅位置检测方框图。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,测量用的磁栅与普通的磁带录音的不同之处是：,磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高。因为磁性标尺的等节距录磁的精度直接影响位移测量精度，为此需要在高精度录磁设备上对磁尺进行录磁。,磁头采用磁通响应型磁头,(,静态磁头,),。不能用速度响应型磁头。用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时,(,即数控机床低速运动和静止时,),亦能测量位移或位置，所以采用静态磁头，即磁通响应型磁头。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,(1),磁性标尺,磁性标尺是在非导磁材料的基体,(,如铜、不锈钢或其他合金材料,),上，采用涂敷、化学沉积或电镀镀上一层,lO,30m,厚的高导磁性材料，通常所使用的磁性材料不易受到外界温度、电磁场的干扰，形成均匀的磁性膜；然后用录磁的方法使磁膜磁化成节距相等的周期变化磁化信号，用以作为测量基准。最后在磁尺表面还要涂上一层,1,2m,厚的耐磨塑料保护层，以防磁头与磁尺频繁接触而导致磁膜磨损。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,(2),磁头,磁头是一种磁一电转换器，它把反映空间位置变化的磁化信号检测出来，转换成电信号，输送给检测电路。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,磁通响应型磁头,如,图,3-14,所示为单磁头的磁通响应型磁头，它是一个带有可饱和铁芯的二次谐波磁性调制器，用软磁性材料,(,坡莫合金,),制成，上面绕有两组串联的激磁绕组,(,绕在横臂上,),和两组串联的拾磁绕组,(,绕在竖杆上,),。当激磁绕组通以,I=I0sin(0t,2),的高频激磁电流时，激磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。相应的，磁开关通断各两次。磁路由通到断的时间内，输出线圈中交链磁通量由,0,变化到,0,；磁路由断到通的时间内，输出线圈中交链磁通量由,O,变化到,0,。,0,是由磁性标尺中磁信号决定。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,多间隙磁通响应型磁头,使用单个磁头读取磁化信号时，由于输出信号电压很小,(,几毫伏到几十毫伏,),，抗干扰能力低，所以，实际使用时将几个甚至几十个磁头以一定方式联接起来，组成多间隙磁头,(,图,3-15,),使用。它具有高精度、高分辨率和大的输出电压等特点。,多间隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距,h,2,配置，相邻两磁头的输出绕组反相串接，这时得到的总输出电压为每个磁头输出电压的叠加。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,为了辨别磁头与磁尺相对移动的方向，通常采用磁头彼此相距,(m1/4)(m,为正整数,),的配置。以双磁头为例，如,图,3-16,所示，给两磁头通以频率相同、相位差,90,的激磁电流，则两个磁头的激磁绕组的输出电压分别为,(3,15),(3,16),由式,(3-15),、式,(3-16),可见，磁尺的辨向原理与光栅、感应同步器的是一致的。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,(3),磁栅的检测电路,磁栅检测电路包括：磁头激磁电路，读取信号的放大、滤波及辨向电路，细分内插电路，显示及控制电路等部分。,下一页,上一页,返回,3.6,磁 栅,3.6.2,磁栅位置检测装置的结构类型,磁栅按磁性标尺的基体形状的不同可以分为测量直线位移用的实体型磁栅、带状磁栅和线状磁栅及用于测量角位移的回转型磁栅等，见,图,3-17,。实体型磁栅主要用于精度要求较高的场合，由于其制造长度有限，因此目前应用较少。带状磁尺可以做得较长，一般是,1m,以上，主要应用量程较大、安装面不易安排的场合。线状磁栅抗干扰能力强、输出信号大、精度高等特点，但不易做得很长，主要用于小型精密机床或结构紧凑的测量机中。回转型磁栅是一种盘形或鼓形磁栅，磁头和带状磁尺的磁头相同，主要用于角位移的测量。,上一页,返回,3.7,测速发电机,见教材,P54,上一页,返回,表,3-1,位置检测装置分类,返回,数字式,模拟式,增量式,绝对式,增量式,绝对式,回,转,型,增量式脉冲编,码器圆光栅,绝对式脉冲,编码器,旋转变压器,圆感应同步,器圆磁尺,多极旋转变压器,三速圆感应同步器,直,线,型,计量光栅,激光干涉仪,多通道透射,光栅,直线感应同,步器磁尺,三速直线感应,同步器绝对值,式磁尺,图,3-l,旋转变压器结构示意图,1.,转子轴,2,壳体,3,分解器定子,4,变压器定子,5,变压器一次线圈；,6,变压器转子线轴；,7,变压器二次线圈；,8,分解器转子,返回,图,3-2,旋转变压器工作原理,返回,图,3-3,正、余弦旋转变压器工作原理,返回,图,3-4,所示为感应同步器外形图,1-,机床不动部件,2-,定尺,3-,定尺座,4-,防护罩,5-,滑尺,6-,滑尺座,7-,机床可动部件,返回,图,3-5,直线感应同步器定尺与滑尺绕组,返回,图,3-6,圆感应同步器绕组,(a),定子绕组,(,分段式,)(b),转子绕组,(,连续式,),返回,图,3-7,感应同步器的工作原理图,返回,图,3-8,定尺绕组产生感应电动势原理图,返回,表,3-2,各种光栅的精度,返回,计量光栅,光栅长度,(,直径,)/mm,线纹数,精度,长光栅,玻璃透射光栅,500,100/mm,5,m,1000,lO,m,1100,lO,m,1100,3,5,m,5OO,2,3,m,金属反射光栅,1220,40/mm,13,m,500,25/mm,7,m,高精度金属,反射光棚,1000,50/mm,7,m,玻璃衍射光栅,300,250/mm,土,1.5,m,圆光栅,玻璃圆光栅,270,10800/,周,3,图,3-9,光栅尺,返回,图,3-10,光栅读数头光路图,返回,图,3-11,光栅工作原理,返回,图,3-12,光栅测量系统,返回,图,3-13,磁栅位置检测方框图,返回,图,3-14,磁通响应型,返回,图,5-15,多间隙磁通响应型磁头,返回,图,3-16,辨向磁头配,返回,激磁,电流,输出信号,图,5-16,辨向磁头配置,图,3-17,按磁性标尺基体形状分类的各种磁栅,(a),实体型磁栅,(b),带状磁栅,(c),线状磁栅,(d),回转型磁栅,返回,图,3-18,接触式码盘,(a)4,位二进制码盘,(b)4,位格雷码盘,返回,表,3-3,光电脉冲编码器,返回,脉冲编码器,每转脉冲移动量,/mm,2000,脉冲,/r,2,3,4,6,8,2500,脉冲,/r,5,10,3000,脉冲,/r,3,6,12,表,3-4,高分辨率脉冲编码器,返回,脉冲编码器,每转脉冲移动量,/mm,20000,脉冲,/r,2,3,4,6,8,25000,脉冲,/r,5,10,30000,脉冲,/r,3,6,12,图,3-19,增量式光电脉冲编码器结构示意图,1-,光源,2-,透镜,3-,光栏板,4-,光电码盘,5-,光电元件,6-,参考标记,返回,图,3-20,光电脉冲编码器实现位移检测应用,返回,