第六章数控机床检测装置

第6章

数控机床检测装置

6.1 6.2

数控机床检测装置分类与特点 常用检测装置的工作原理及应用

6.1 数控机床检测装置分类与特点 数控机床检测装置是对数控机床执行件的 实际位置进行测量，不断地将工作台的位移 量检测出来并反馈给数控系统的装置。 位置控制是将插补计算的理论位置与实际 反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。 而实际反馈位置的采集，则是由位置检测装 置来完成的。

6.1.1检测装置的分类 (1)模拟式与数字式 1)数字式测量方式 是将被测量量化为数字形式表 示，它的特点是： a.被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理； b.测量精度取决于测量单位，与量程基本无关； c.检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。

2)模拟式测量方式 是将被测量用连续的变量来表示。 a.直接对被测量进行检测，无需量化； b. 在小量程内可以实现高精度测量； c. 可用于直接检测和间接检测。 (2) 增量式与绝对式 1)增量式测量方式 只测量位移增量，移动一个 测量单位既能发出一个测量信号。检测装置比较 简单，能做到高精度。 2)绝对式测量方式 被测量的任一点都以一个固 定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测 量值。结构较为复杂。

(3)直接测量与间接测量1)直接测量 对机床的直线位移采用直线型检 测装置检测，称为直接测量。直接测量精度主 要取决于测量元件的精度，不受机床传动装置 的直接影响，但检测装置要与行程等长，这对 大型数控铣床来说，是一个很大的限制。 2)间接测量 对机床直线位移采用回转型检测 元件测量，称为间接测量。间接测量精度取决 于检测装置和机床传动链两者的精度，但间接 测量无长度限制。

6.1.2 数控检测装置的性能指标及要求检测装置所测的各种物理量是不断变化的， 因此传感器的测量输出必须能准确、快速地跟随 反映这些被测量的变化。 ① 精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系 的准确程度称作精度。 ② 分辨率 位移检测系统能够测量的最小位移量 称为分辨率。 ③ 灵敏度 ④ 迟滞 正行程的输出量与反行程的输出量不一致 ⑤ 测量范围和量程 ⑥ 零漂与温漂

6.2常用检测元件的工作原理及应用 6.2.1旋转变压器 旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于结 构简单，工作可靠，对环境要求低，信号输出幅度 大、抗干扰能力强，因此，被广泛应用在半闭环控 制的数控铣床上。 (1)旋转变压器的结构 旋转变压器可分为有刷式和无刷式，如图6-1所 示。它的结构与绕线式异步电动机相似, 其定子和转 子铁芯由高导磁的铁镍软磁合金或硅铜薄板冲成

的 带槽芯片叠成，槽中嵌有线圈。定子线圈为变压器 的原边，转子线圈为变压器的副边，激磁电压接到 原边。

(a)有刷式旋转变压器结构 1—接线柱；2—转子绕组；3—定子绕组；4—转 子；5—整流子；6—电刷。

无刷旋转变压器由两部分组成，即左边的 分解器和右边的变压器。变压器原边绕组固定 在与转子连接一体的线轴上，可与转子一起旋 转。分解器的转子绕组输出信号接到变压器的 原边，而输出从变压器副边引出，如图6-1(b) 所示。 无刷旋转变压器没有电刷和滑环，和有刷变 压器相比，可靠性好，寿命长，更适合于数控 铣床。

(b)无刷式旋转变压器结构 1—分解器定子线圈；2—分解器转子线圈；3—转子轴；4— 分解器转子；5—分解器定子；6—变压器定子；7—变压器 转子；8—变压器一次线圈；9—变压器二次线圈。

(2)工作原理旋转变压器实际是一种旋转式小型交流发电 机，由定子和转子组成。如图6-1所示，其定子 绕组可视为变压器原边，转子绕组可视为变压器 副边，当将一定频率的激磁电压U1=Umsinωt加到 定子绕组时，通过电磁耦合，可在转子绕组内产 生感应电压E2, 当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，θ =0,不产生感应电动势，感应电压E2为零； 当两磁轴平行时，θ=90°,感应电压幅值最大， 即：E2=nUmsinωt 感应电压按两磁轴夹角的余弦规律变化。

图6-1旋转变压器工作原理 (a) 线圈位置图 (b) 波形图

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，两个激磁电压的相位 差为90°,故称为正弦余弦旋转变压器，其工作原 理如图6-2所示。应用迭加原理，一个转子绕组(另 一绕组短接)的输出电压u应为：u nV1 sin nV2 cos nVm sin t sin nVm cos t cos n——变压比； V1、V2——激磁电压； nVm cos( t ) θ——转子绕组的转角； Vm、ω——激磁电压的幅值和角频率。 显然，只要测量出转子绕组中感应电压相位， 便可得到转子相对定子的位置、即转角的大小。

图6-2 正弦余弦旋转变压器的工作原理

(3) 应用在数控机床中，如果将旋转变压器安装在数 控机床的丝杠上，当θ角从0°变化到360°时， 表示丝杠上的螺母移动了一个螺距，由此可间 接的测量出工作台的移动距离大小。测量工作 台的整个行程全长时，可加一个计数器，累计 行走的螺距数，即可折算成位移总长度。 旋转变压器结构简单、抗干扰能力强，因此 广泛用于一般精度的数控机床中。

6.2.2 感应同步器感应同步器可理解为多极旋转变压器的展开 形式。它利用两个平面形印刷绕组，其间保持

均匀的气隙，相对平行移动时其互感随位置的 变化而变化，是一种高精度的检测装置。 其工作原理与旋转变压器相似，按结构可分 为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由 定尺和滑尺组成，用以测量工作机构的直线位 移；旋转式由定子和转子组成，用以角位移的 测量。

(1) 结构特点直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，其结构如 图6-3所示。定尺和滑尺的基板由与机床热膨胀系数 相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有钢箔， 利用照像腐蚀的办法做成图示的印刷线路绕组。 定尺：一个单向均匀的连续绕组； 滑尺：两个绕组，为正弦绕组和余弦绕组。 一块标准型感应同步器定尺长度为250mm,节距为2 mm,其绝对精度可达2.5μm,分辨率为0.25μm。 如图6-4所示，定尺和滑尺平行安装，如果把滑尺 绕组A与定尺绕组对准，则滑尺绕组B和定尺绕组相 差1/4节距。即绕组A和绕组B在空间上相差1/4节距。

图6-3 直线式感应同步器的结构 1-基板，2-绝缘层，3-绕组，4-屏蔽层

图6-4 直线型感应同步器 1—正弦激磁绕组；2—余弦激磁绕组

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