Y X SH 现代电气自动控制技术 4.4  数控机床的检测装置  4.4  数控机床的检测装置  max.book118.com　概　述  （1）数控机床检测装置的类型与要求  在数控机床的闭环系统中，检测装置是保证机床工作精度和效率的关键，用于数控机床的检测装置除了应满足对传感器的一般要求之外，还应满足下列要求： ① 工作可靠。抗于扰能力强，受温度和湿度等环境因素的影响小； ② 满足精度和速度的要求。其分辨率应在0.001～0.0lmm内，测量精度应满足±0.002～0.02mm／m，运动速度应满足0～20m／min； ③ 满足测量范围的要求； ④ 使用和维修方便，成本低。 （2）位置检测装置的分类  根据测量信号的形式分：数字式和模拟式 根据测量装置的安装位置和机床运动部件的耦合方式分：直接测量和间接测量 根据读数方法分：绝对测量与增量测量 广泛用于数控机床的位置测量装置的有光栅、感应同步器、容栅、磁栅、球栅和激光等。下面介绍数控机床中常用的几种检测装置。 max.book118.com  旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量组件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的一次侧，转子绕组为变压器的二次侧。励磁电压接到定子绕组上。 旋转变压器的工作原理如图4-39所示。 设定子励磁电压为                           U1=Umsinωt 则转子通过电磁耦合，产生感应电压U2。 （4-14） 转子磁轴和定子磁轴垂直时，图（a） （θ =0o）：            U２=0 式中　k－旋转变压器电压比；            U1－定子的励磁电压；           θ－两绕组的轴线夹角。  图（c）（θ = 90ｏ  ）时 只要测量出转子绕组中的感应电压幅值，便可间接得到转子相对于定子的位置，即θ角的大小。 实际应用的旋转变压器中，其定子和转子绕组中各有相互垂直的两个绕组（即四级绕组），如图4-40所示。 图（b）（θ = θ1 ）时 一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。当定子绕组用两个相位相差90ｏ的电压励磁时，即                                        U1=Umsinωt               U2=Umcosωt 应用叠加原理，转子绕组中一个绕组的磁通和输出电压（另一个绕组短接）为  　 Φ3＝Φ1sinθ +Φ2cosθ 由上述可知旋转变压器转子绕组感应电压的幅值严格地按转子偏转角θ的正弦（或余弦）规律变化，其频率和励磁电压的频率相同。因此，可以采用测量旋转变压器副边感应电压幅值或相位的方法，作为间接测量转子转角θ的变化。由于旋转变压器只能测量转角，在数控机床的伺服系统中，往往用来直接测量丝杠的转角，亦可用齿条、齿轮转化来测量工作台的位移。   max.book118.com　感应同步器  感应同步器是一种电磁感应式高精度位移（直线或角度）检测装置，实质上，它是多极旋转变压器的展开形式。它是利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙（0.25±0.1mm），相对平行移动时，其互感随位置而变化的原理工作的。感应同步器分直线式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度测量，两者工作原理相同。这里仅以直线式感应同步器为例，介绍其结构特点和工作原理。  max.book118.com.1  结构特点  定尺和滑尺绕组的节距相等，均为P。如果把定尺绕组和滑尺sin绕组对准，cos绕组正好和定尺绕组相差1/4节距。也就是说，sin绕组与cos绕组在空间上相差1/4节距。 定尺—表面制有连续平面绕组 滑尺—制有sin绕组和cos绕组两种分段绕组 定尺和滑尺分别安装在机床上两个相对移动的部件上，移动时，滑尺在定尺上移动。 max.book118.com.2  工作原理  当滑尺的两个绕组中的任一绕组通过激磁交变电压时，在定尺绕组中会产生同频率感应电势。 定尺感应电势变化如图4-43所示。从图中可见，感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。 设滑尺绕组节距为P，它对应的感应电势以余弦函数变化了2π，当滑尺移动距离为x 时，则对应感应电势以余弦函数将变化相应的相位角θ，由此得 可得  （4-15）  设加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压           Us ＝Um sinωt	    根据电磁学原理，定尺绕组上的感应电势为           Uo＝KUscosθ＝KUmcosθsinω    （4-16） 式中，K为耦合系数，Um为Us的幅值。 可见，感应同步器的工作原理与两级式旋转变压器的工作原理一样，只要测量出Uo的值，便可求出θ角，进而求得滑尺相对于与定尺移动的距离x。 分别向滑尺上的两绕组施加相位相差90ｏ的激磁电压时，其工作原理与四极式旋转变压器完全相同。感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。 4．4．4　光栅  max.book118.com.1  光栅的结构  如图4-44所示。 光标尺（标尺光栅） 光电读数装置 ——一根有着很密刻线的尺子，有反射式（a）和透射式（b）两种。一般固定在机床的运动部件上 ——由光源、聚光镜、指示光栅和光电池组成 max.book118.com.2  光栅工作原理 理论上，用光栅测量位移时，只要数出测量对象上某一个确定的点相对于光栅移过的刻线即可。实际上，由于刻线过密，直 接对刻线计数很困难，因而常用光栅的莫尔条纹或相位干涉条纹进行计数。图4-45所示为莫尔条纹光栅。 指示光栅与光标尺的刻线一样等距。安装时两光栅相互平行，相互间保持0.05～0.1mm间隙，两光栅上的刻线要相互倾斜一个很小的夹角θ 。 由光源发出的光经聚光镜变成平行光后，垂直照射到标尺光栅上，因光的衍射干涉作用（对线纹密度大的细光栅）或挡光积分作用（对线密度小的粗光栅），就会在与线纹几乎垂直的方向上产生明暗交替、间隔相等的粗大莫尔干涉条纹。莫尔条纹的节距B、光栅的栅距W和条纹夹角θ之间有下列关系   （4-17）  若W＝0.01mm，θ＝0.01弧度，则Ｂ＝1mm。可见光栅对位移放大了100倍。 当指示光栅相对于光标尺移动时，莫尔条纹沿其垂直方向上、下移动。每当标尺光栅移动一个栅距W时，莫尔条纹正好移动一个节距B。当标尺光栅的移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也相应变换。这样，莫尔条纹的位移就反映了光栅对位移，为信号的检测提供了良好的条件。 照射光栅后产生的明暗相间干涉条纹的光线，再经遮光板上的狭缝和透镜由光电组件接受，即可得到与位移成比例的电信号。 常用的光电组件有硅光电池，它是一种能随光照强度变化而产生大小不同的光电流的光电组件。当莫尔条纹移动产生明暗变化时，硅光电池便产生随之变化的光电流。莫尔条纹在移动过程中，使硅光电池受光区由明变暗，又由暗变明，这一周期变化相当于标尺光栅移动一个栅距。相应光电流也由强到弱，又由弱到强也变化了一个周期，如图4-46a所示。   将光电流的波形整形放大，再微分，如图4-46（b）、（c）所示。然后送入控制装置。若只将正脉冲送入控制装置，则每个脉冲表示标尺光栅移动一个栅距。若标尺光栅的栅距为W＝0.02mm，则每个脉 冲的位移当量为0.02mm／脉冲；若将反向脉冲经过反相变为正脉冲，则在一个周期中将出现两个脉冲信号，此时脉冲当量为0.
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