数控技术

1. 数控技术 湖北工业大学机械工程学院

2. 第6章 位置检测装置 • 6.1 概述 • 6.2 旋转变压器 • 6.3 感应同步器 • 6.4 脉冲编码器 • 6.5 光栅测量装置 • 6.6 速度传感器 • 6.7 位置传感器 返回课件首页

3. 图6-1 CNC系统的组成 6.1 概述 6.1.1检测概述：位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。

4. 6.1概述 图6-2富士通CNC系统原理图

5. 数控机床对位置检测装置的要求 • 工作可靠，抗干扰能力强； •  满足精度和速度的要求； • 易于安装，维护方便，适应机床工作环境； • 成本低。

6. 直接测量 直接测量和间接测量 间接测量 数字式测量 数字式测量和模拟式测量 模拟量测量 增量式测量 增量式测量和绝对式测量 绝对式测量 6.1.2 检测元件的作用与分类 • 位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：

7. 光电盘 增量式 圆光栅 数字式 — 数码盘 绝对式 同步分解器 测角 圆感应同步器 增量式 磁盘 模拟式 位移检测装置 多极同步分解器 同步分解器组件 绝对式 三重式圆感应同步器 — 长光栅 增量式 数字式 — 多通道透射光栅 绝对式 测长 直线感应同步器 增量式 磁尺 模拟式 — 多重式直线感应同步器 绝对式 位移检测装置的分类

8. 本章重点、难点和知识拓展 注 意： 本章重点：用于检测机床运动部件位置、速度的各种检测装置及其工作原理。 本章难点：每种检测装置使用场合和安装方式。 知识拓展：数控机床常用的位置检测装置有光栅、编码器、感应同步器、旋转变压器及磁栅等。从测量的方式看有直接测量和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测量及数字式测量和模拟式测量。 返回第6章目录

9. 6.2 旋转变压器 旋转变压器（又称同步分解器) 6.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 6.2.2 旋转变压器的应用

10. 图6-3 无刷旋转变压器的结构图 6.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 • 旋转变压器（又称同步分解器)是一种旋转式的小型交流电机，它由定子和转子组成。图6-3所示的是一种无刷旋转变压器的结构图，左边为分解器，右边为变压器。旋转变压器是根据互感原理工作的。 1—电机轴；2—外壳； 3—分解器定子； 4—变压器定子绕组； 5—变压器转子绕组； 6—变压器转子； 7—变压器定子； 8—分解器转子； 9—分解器定子绕组； 10—分解器转子绕组

11. 注 意： • 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。是根据互感原理工作的。 • 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。 • 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。 • 旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。

12. 旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置θ角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置θ角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。

13. 图6-4旋转变压器的工作原理图 输入：U1=Vmsinωt 输出： U2=KU1sinθ =KVmsinωt · sinθ (6-1a) • 式中： K-变压比，即两个绕组匝数比W1/W2； U1-定子的激磁电压； Vm-定子的最大瞬时电压； ω —励磁信号角频率； θ—旋转变压器转角。 当平行时，θ=90 U2=KVmsinωt (6-1b)

14. 6.2.2 旋转变压器的应用 • 实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图6-5所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为： 转子输出电压则为： 应用旋转变压器作位置检测元件，有两种方法：鉴相型和鉴幅型应用。

15. Φc Φs Φc Φccosθ Φssinθ θ θ Φs 正余弦旋转变压器 图6-5 正余弦旋转变压器工作原理

16. （1）鉴相型应用 • 在此状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90°的正弦交流电压(如图6-5所示)， Us=Vmsinωt （6-2） Uc=Vmcosωt (6-3) 这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中(另一绕组短接)感应电动势为 U2=Ussinθ+Uccosθ • 即U2=KVmsinωt·sinθ+KVmcosωt·cosθ =KVmcos(ωt-θ) • 测量转子绕组输出电压的相位角θ，即可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位移。

17. (2) 鉴幅型应用 • 这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即Us=Vmsinθsinωt (6-4) Uc=Vmcosθsinωt (6-5) 激磁电压频率为2～4 kHz。 • 定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势U2，其大小与转子和定子的相对位置即θm有关，并与激磁的幅值Vmsinθ和Vmcosθ有关，即 U2=KVmsin(θ-θm)sinωt (6-6) 若θm=θ，则U2=0。 • 在实际应用中，不断修改定子激磁信号的θ(即激磁幅值)，使其跟踪θm的变化。当感应电动势U2的幅值KVmsin(θ-θm)为零时，说明θ角的大小就是被测角位移θm的大小。

18. 注 意： ? • 从物理概念上理解，θm=θ表示定子绕组合成磁通Φ由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当Φ垂直于转子绕组线圈平面时，即θm=θ±90°时，转子绕组中感应电动势最大。 • 如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从00到3600 时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。

19. 小结 旋转变压器是一种角位移测量装置， 由定子和转子组成。 旋转变压器作为位置检测装置， 有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。 旋转变压器是根据互感原理工作的。 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量； 鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。 返回第6章目录

20. 6.3 感应同步器 6.3.1感应同步器的结构 6.3.2感应同步器的工作原理 6.3.3感应同步器的特点 6.3.4感应同步器的应用

21. 图6-6感应同步器的结构图 6.3.1 感应同步器的结构 • 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 • 感应同步器按其结构特点一般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，用于直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。

22. 图6-6感应同步器的结构图 直线感应同步器 • 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图6-6所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.25-0.05mm间隙。

23. 直线感应同步器结构 • 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均匀，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。 A 正弦绕组 B 余弦绕组 直线感应同步器结构

24. 图6-7感应同步器的工作原理图 6.3.2 感应同步器的工作原理 • 感应同步器的工作原理与旋转变压器基本上相同，使用时，在滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相对位置，如图6-7所示。

25. 图6-8鉴相系统的结构框图 （1） 鉴相方式 • 给绕组S和C分别通以幅值相同、频率相同但相位相差90°的交流电压，即 Us=Vmsinωt (6-7) Uc=Vmcosωt (6-8) • 分别在定尺的绕组上产生感应电压为 V1=KVmcosθsinωt (6—9) • V2=-KVmsinθcosωt (6—10) • 则在定尺绕组上产生合成电压为 V=V1+V2 • V=KVmcosθsinωt-KVmsinθcosωt • =KVmsin(ωt-θ) (6—11) • 若感应同步器的节距为2τ，则滑尺直线位移量x与θ之间的关系为 θ=2πx/2τ=πx/τ (6—12) • 可见，在一个节距内θ与x是一一对应的。通过测量定尺感应电压的相位θ，即可测量出定尺相对滑尺的位移x。

26. 给滑尺的正弦绕组S和余弦绕组C分别通以频率相同、相位相同但幅值不同且能由指令角位移θ调节的交流电压，即Us=Vmsinθsinωt (6-13) • Uc=Vmcosθsinωt (6-14) （2） 鉴幅方式 • 则感应到定尺绕组电势为 V=-KVmsin(θm-θ)sinωt (6-15a) • 若θm=θ，则V=0。 假定激磁电压的θ与定尺、滑尺的实际相位角θm不一致时，设θm=θ+α，则V=-KVmsinαsinωt，当α很小时，上式可近似表示为V=-(KVmsinωt)α，可知，定尺上感应电势与α成正比，即V随指令给定的位移量x(θ)与工作台实际位移量x1(θm)的差值Δx(α)成正比变化。因此通过测量V的幅值，就可以测定位移量Δx的大小。

27. 当工作台位移值未达到指令要求值时，即x1≠x(θm≠θ)时，定尺上感应电压V≠0。该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当工作台移动至x1=x(θm=θ)时，定尺上感应电压V=0，误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压V同时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制工作台的运动方向。当工作台位移值未达到指令要求值时，即x1≠x(θm≠θ)时，定尺上感应电压V≠0。该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当工作台移动至x1=x(θm=θ)时，定尺上感应电压V=0，误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压V同时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制工作台的运动方向。 图6-9鉴幅系统的结构框图

28. 由于感应同步器具有一系列的优点，所以广泛用于位移检测。感应同步器安装时，要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在(0.25±0.05) mm范围内。间隙变化也必须控制在0.01 mm之内。如间隙过大，将影响测量信号的灵敏度。其特点如下。 6.3.3 感应同步器的特点 • (1) 精度高 感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。 • (2) 测量长度不受限制 当测量长度大于250 mm时，可以采用多块尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。 • (3) 对环境的适应性强 直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。 • (4) 维护简单、寿命长 定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。

29. 小结 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 作为位置检测装置， 有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。 是根据互感原理工作的。 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量； 鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。 返回第6章目录

30. 6.4 脉冲编码器 6.4.1增量式编码器 6.4.2绝对值式编码器 6.4.3脉冲编码器的使用

31. 脉冲编码器 • 脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。 • 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。 • 这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。按编码的方式，可分为增量式和绝对值式两种。

32. 6.4.1 增量式编码器 • 增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。

33. 图6-10 增量式编码器 • 增量式编码器的工作原理如图6-10所示。在图6-10(a)中，E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，Q1、Q2为光源，DA、DB、DC为光电元件(光敏二极管或光电池)，DA与DB错开90°相位角安装。

34. 当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件DA、DB上得图6-10(b)所示的光电波形输出，A、B信号为具有90°相位差的正弦波。这组信号经放大器放大与整形后，得图6-10(c)所示的输出方波，A相比B相超前90°，其电压幅值为5V。设A相超前B相时为正方向旋转，则B相超前A相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方向。C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件DA、DB上得图6-10(b)所示的光电波形输出，A、B信号为具有90°相位差的正弦波。这组信号经放大器放大与整形后，得图6-10(c)所示的输出方波，A相比B相超前90°，其电压幅值为5V。设A相超前B相时为正方向旋转，则B相超前A相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方向。C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。

35. 如用数控车床切削螺纹时，可将这种脉冲当做车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱扣。这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。A、B相脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信号，它就是速度反馈信号。如用数控车床切削螺纹时，可将这种脉冲当做车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱扣。这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。A、B相脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信号，它就是速度反馈信号。 • 增量式编码器的缺点是，有可能由于噪声或其他外界干扰产生计数错误，若因停电，刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。

36. 6.4.2 绝对值式编码器 • 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。 • 绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的。 • 绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。

37. 接触式四位绝对编码器 图6-11 二进制编码器

38. 码位 a) b) 四位二进制编码盘

39. 图6-11所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，表示“0”；加点(阴影)的部分不透光，表示“1”。按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器，即图中用黑点所示位置，隔着圆盘从后侧用光源照射。此编码盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为20、21、22、23。图中，内侧是二进制的高位，即23；外侧是二进制的低位，如“1101”，读出的是十进制“13”的角度坐标值。二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律，在使用中多位同时变化，易产生较多的误读。经改进后的结构如图6-12所示的葛莱编码盘，它的特点是，每相邻十进制数之间只一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数(二进制的位)进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。图6-11所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，表示“0”；加点(阴影)的部分不透光，表示“1”。按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器，即图中用黑点所示位置，隔着圆盘从后侧用光源照射。此编码盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为20、21、22、23。图中，内侧是二进制的高位，即23；外侧是二进制的低位，如“1101”，读出的是十进制“13”的角度坐标值。二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律，在使用中多位同时变化，易产生较多的误读。经改进后的结构如图6-12所示的葛莱编码盘，它的特点是，每相邻十进制数之间只一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数(二进制的位)进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。

40. 图6-11 二进制编码器 图6-12 葛莱编码器 葛莱编码器

41. 绝对值式编码器的优缺点 • 绝对值式编码器比增量编码器具有较多优点：坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。 • 其缺点是，当进给转数大于一转时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。

42. 6.5 光删测量装置 6.5.1 光栅的工作原理 6.5.2 光栅测量的装置 6.5.3 直线光栅检测装置的线路 6.5.4 光栅检测系统

43. 光栅简介 • 光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1μm以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。 • 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的间隙。 • 计量光栅有长光栅和圆光栅两种，是数控机床和数显系统常用的检测元件。它具有精度高，响应速度较快等优点。光栅测量是一种非接触式测量。

44. 图6-13 光栅的工作原理图 6.5.1 光栅的工作原理 • 光栅位移检测装置由光源、两块光栅(长光栅、短光栅)和光电元件等组成，见图6-13(a)。

45. 原理说明 • 光栅是在一块长条形的光图6-13光栅的工作原理图学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条，线条之间距离(称为栅距)可以根据所需的精度决定，一般每毫米刻50、100、200条线。长光栅G1装在机床的移动部件上，称为标尺光栅；短光栅G2装在机床的固定部件上，称为指示光栅。两块光栅互相平行并保持一定的间隙(如0.05 mm或0.1 mm等)，而两块光栅的刻线密度相同。

46. 原理说明（放大作用） • 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度后，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距ω相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直。其几何关系见图6-13(b)。当θ很小时，莫尔条纹的节距为 W=ω/θ (6-16) • 这表明莫尔条纹的节距是栅距的1/θ倍。

47. 原理说明（移动成比例并具有方向性） • 当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动。当光栅移动一个栅距ω时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距W，也就是说两者一一对应。因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距，而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹数进行计数、处理后自动测量出来。

48. 原理说明（均化误差） • 如果光栅的刻线为100条，即栅距为0.01 mm时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。所以莫尔条纹是一种简单的放大机构，其放大倍数取决于两光栅刻线的交角θ，如ω=0.01 mm，W=10 mm，则其放大倍数为1/θ=W/ω=1 000倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特点。 • 莫尔条纹的另一特点，就是平均效应。因为莫尔条纹是由若干条光栅刻线组成，若光电元件接受长度为10 mm，在ω=0.01 mm时，光电元件接受的信号是由1 000条刻线组成，所以制造数控技术上的缺陷，例如间断地少几根线，只会影响千分之几的光电效果。因此，用光栅测量长度，决定其精度的要素不是一根刻线，而是一组线的平均精度。

49. 标尺光栅 θ P 莫尔条纹

50. 6.5.2 光栅测量的装置 • 在实际使用中，大多数装置是把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称之为读数头。读数头的结构形式很多，但就其光路来看可分为以下几种。 1. 分光读数头 2. 垂直入射读数头 3. 反射读数头