第五章 数控机床检测装置

滑尺移动了１mm
3.2 感应同步器
2）鉴幅式 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不 同（分别与位移相位角θ1成正余弦关系）的交变电压：
Us= Um Ｓinθ1Ｓinωt Uc = Um Ｃosθ1Ｓinωt
➢正弦绕组单独供电时 Us= Um Ｓinθ1Ｓinωt Uc = 0
当滑尺移动时，定尺上的感应电压U0随滑尺移动距离x （相应的位移角θ）而变化。设滑尺正弦绕组与定尺绕 组重合时x=0（即θ=0），若滑尺从x=0开始移动，则
可达2000对极。在电与磁两方面均能对误差起补 偿作用，所以具有很高的精度。
3.2 感应同步器
3.2.1 感应同步器结构与类型 ➢结构类型：直线式和旋转式 ➢结构组成: 固定和运动两大部分：
✓直线式感应同步器：由定尺（固定）和滑尺 （运动）组成，用于直线位移测量。 ✓旋转式感应同步器：由定子（固定）和转子 （运动）组成，用于角位移测量。
结论：相对位移量 x 与 相位角θ 呈线性关系，只要能 测出相位角θ ，就可求得位移量 x 。
3.2 感应同步器
3.2.2 感应同步器的工作原理
1）鉴相式： 例：
x 2 2
2x x 2
定尺感应电动势与滑尺励磁电动势之间的相位角θ＝
180０，在节距２τ（τ=２mm）的情况下，滑尺移动
多少？
转子绕组
定子绕组
3.2 感应同步器
3.2.1 感应同步器结构与类型
2、直线感应同步器的结构
✓直线条形由基板、绝缘层、绕组和屏蔽层组成。
✓采用与机床热膨胀系数相近的钢板或铸铁制成
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，保持一定 间隙。
3.2 感应同步器
直线感应同步器
测装置
直线感应同步器、光栅尺、 直线型 磁栅尺、激光干涉仪、霍
尔传感器
三速感应同步器、绝对值磁尺、 光电编码尺、磁性编码器
速度检 交、直流测速发电机、数字脉冲编 速度-角度传感器、数字电磁式传
测装置 码式速度传感器、霍尔速度传感器
感器、磁敏式速度传感器
电流检 测装置
霍尔电流传感器
3.1 概述
四、数控检测装置的性能指标及要求
3.2 感应同步器
3.2.1 感应同步器结构与类型 2、直线感应同步器的结构 ➢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。 ➢定尺比滑尺长，其中被全部滑尺绕组所覆盖的 尺寸有效导体数称为直线感应同步器的极数。
3.2 感应同步器
第五章 数控机床检测装置
3.1 概述
一、检测装置的组成、作用及要求
1、组成： 检测元件（传感器）和信号处理装置
2、作用： ➢ 实时测量执行部件的位移和速度信号， ➢ 将信号变换成位置控制单元所要求的信号形式，
将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实 施闭环控制。
3.1 概述
一、检测装置的组成、作用及要求 3、要求 • 工作有较高的可靠性和抗干扰能力。 检测装置应
5. 测量范围和量程：传感器的测量范围要满足系统 的要求，并留有余地。
6. 零漂与温漂：反映了随时间和温度的改变，传感 器测量精度的微小变化传感器的漂移量是其重要 性能标志。
3.2 感应同步器
3.2.1 感应同步器结构与类型 感应同步器: ➢ 20世纪60年代末发展起来的 ➢ 应用电磁感应定律把位移量转换成电量 ➢ 多极结构，极对数一般取600、720对极，最多的
3.2 感应同步器
3.2.1 感应同步器结构与类型 2、直线感应同步器的结构 ➢定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组 定尺、滑尺绕组中相邻两有效导体间的距离分 别为节距W2、 W1 ，统称节距，用2τ表示，常 取2mm，节距代表测量周期。 绕组节距w2=w1=2(a1+b1),其中a1,b1分别为 刀片宽度和间隙，滑尺的节距也可取 w1=2w2/3
Us= Um sinωt Uc = Um cosωt
➢励磁信号将在空间产生一个以ω频率移动的行波。 ➢磁场切割定尺导片，并在其中感应出电动势，该电动 势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位 差θ。
3.2 感应同步器
3.2.2 感应同步器的工作原理 1）鉴相式： ➢滑尺正弦绕组上加励磁电压Us后，与之相耦合的定尺 绕组上的感应电压为：
3.2.2 感应同步器的工作原理
3.2 感应同步器
3.2.2 感应同步器的工作原理 1、工作原理 ➢利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于 电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变 化而变化，借以进行位移量的检测。 ➢滑尺/转子上的绕组：励磁绕组 ➢定尺上的绕组：感应绕组。
3.2 感应同步器
✓当滑尺相对于定尺平行移 动后，感应电压逐渐减小， 在错开1/4节距时，移到图 中b点位置，感应电压为零。
✓再移动至1/2节距处，即 图中c点位置时，定尺线圈 中穿出的磁通最多，感应 电压最大，但极性相反。
3.2 感应同步器
✓再移至3/4节距，即图中 d点位置时，感应电压又 变为零，
✓当移动一个节距位置(e 点)，又恢复到初始状态， 与a点相同
3.1 概述
二、检测装置的分类 （五）运动形式：旋转型、直线型 （六）信号转换的原理：光电效应、光栅效应、电
磁感应、压电效应、压阻效应、磁阻效应等
数控机床检测装置的分类
分类
增量式
绝对式
位移检
脉冲编码器、自整角机、
旋转型
旋转编码器、感应同步器、 光栅角度传感器、光栅、
磁栅
多极旋转变压器、绝对脉冲编码 器、绝对值式光栅、三速圆感应 同步器、磁阻式多极旋转变压器
将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接 测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的 位置反馈信号，构成位置闭环控制。 ➢ 优点：准确性高、可靠性好 ➢ 缺点：测量装置要和工作台行程等长，在大型数 控机床上受到一定限制。
3.1 概述
二、检测装置的分类
2. 间接测量
将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠 上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工 作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反 馈用。
能抗各种电磁干扰，抗干扰能力强，基准尺对温 度和湿度敏感性低，温湿度变化对测量精度等环 境因素的影响小。
• 满足精度和速度的要求。要求检测装置必须满足 数控机床的高精度和高速度的要求。
3.1 概述
二、检测装置的分类 （一）被测物理量：位移、速度和电流 （二）安装位置及耦合方式：直接测量和间接测量 1. 直接测量
➢ 优点：测量方便、无长度限制。
➢ 缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线 运动的传动链误差，影响测量精度。
3.1 概述
二、检测装置的分类 （三）测量方法： 增量式测量、 绝对式测量 ➢ 增量式 ：只测量位移量。
➢ 绝对式：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。
3.2 感应同步器
3.2.2 感应同步器的工作原理 2、感应同步器的检测电路 两种工作方式：鉴相式和鉴幅式 鉴相式：通过检测感应电动势的相位测量位移。 鉴幅式：通过检测感应电动势的幅值测量位移。
3.2 感应同步器
3.2.2 感应同步器的工作原理 1）鉴相式：
在这种工作方式下，给滑尺的sin绕组和cos绕组 分别通上幅值、频率相同而相位差为900的交流电压：
3.2 感应同步器
✓在滑尺移动一个节距的 过程中，感应电压近似于 余弦函数变化了一个周期， 如图中abcde。
✓感应同步器就是利用感 应电压的变化进行位置检 测的
感应电压的幅值变化 规律就是一个周期性 的余弦曲线。
3.2 感应同步器
➢在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图 中M、N两点。 ➢为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处，配置 了余弦绕组。
3.2 感应同步器
感应同步器的工作原理：电磁耦合原理
工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压
由于电磁耦合作用，在定尺绕组上产生感应电压
当滑尺和定尺之间发生相对位移时
由于电磁耦合的变化，定尺上感应 绕组中的感应电压也发生变化
感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系
通过测量定尺绕组中的感应电压， 借以进行位移量的检测
3.2.2 感应同步器的工作原理
2τ
U 定尺 感应电动势
0
正弦绕组A US τ/2
滑尺 余弦绕组B
UC
移动距离
在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相 同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。
滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。
3.2 感应同步器
✓a点: 定尺与滑 概述
二、检测装置的分类 （四）检测信号：数字式测量、模拟量测量
➢ 数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。
测量信号为电脉冲，可以直接送入数控装置进行比 较、处理。
➢ 模拟式测量： 模拟式测量是将被测量用连续变量 来表示，如电压变化、相位变化等。
模拟式测量主要用于小量程测量，如感应同步器 一个线距（2mm）内的信号相位变化等。
检测装置安放在伺服驱动系统中，所测物理量 是不断变化的，传感器的测量输出必须能准确、快 速的跟随反映这些被测量的变化
传感器的性能指标：
➢静态特性 ➢动态特性
3.1 概述
四、数控检测装置的性能指标及要求
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，数控用传感器要满足高精度和高速实 时测量的要求。
Es=KUmＳinθ1ＳinωtＣosθ
3.2 感应同步器
2）鉴幅式 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不 同（分别与位移相位角θ1成正余弦关系）的交变电压：