第四章 检测装置

附加变压器 附加变压器的原、 副边铁心及其线 圈均成环形，分 无刷式旋转变压器
常见的旋转变压器的分类 定子和转子各有一对磁极 两极绕组
旋转变压器
有两对磁极，主要用于高 精度的检测系统。除此之 外，还有多极式旋转变压 四极绕组器，用于高精度绝对式检 测系统。
三. 旋转变压器的应用 在旋转变压器的鉴相工作方式中，感应信号 V B 和激磁信号 VK之间的相位差θ角，可通过专用的鉴相器线路检测出来并表示 成相应的电压信号，设为 U(θ) ，通过丈量该电压信号，便可间 接地求得θ值。但由于VB是关于θ的周期性函数，U(θ) 是通过比 较VB和VK之值获得的，因而它也是关于θ的周期性函数，即
图4.17 感应同步器结构示意图 a)外观及安装形式 b)绕组
感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长度比 定尺长，我们可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过 调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。 在行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移 的直线测量大多数采用感应同步器来实现。 二. 感应同步器的工作原理 感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流电压， 产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变磁通，这个 交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上分别感应出同频 率的交流电压。
U0s＝K Umsinωt cosθ Uoc= －K Umcosωt sinθ 根据叠加原理可以直接求出感应电动势 U0＝K Umsinωt cosθ－K Umcosωt sinθ＝ K Umsin（ωt －θ） 式中，Um为励磁电压幅值(V)；ω为励磁电压角频率 (rad／s)；K为比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关； θ为滑尺相对定尺在空间的相位角。 设感应同步器的节距为τ，测量滑尺直线位移量x和相位 差θ之间的关系为 θ=2πx /τ 由此可知，在一个节距内θ与x是一一对应的，通过测 量定尺感应电动势的相位差θ，即可测量出滑尺相对于定尺 的位移x。 例如，定尺感应电动势与滑尺励磁电动势之间的相位角 θ=18°，在节距τ=2mm的情况下，表明滑尺移动了0.1mm。
第四章 检测装置
4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 旋转变压器 感应同步器 光栅 磁栅 编码盘
检测装置是指用在机床上的位置检测装置。它通常安 装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人 的眼睛，不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给控制系 统。大量事实证明，对于设计完善的高精度数量机床，它的 加工精度的定位精度主要取决于检测装置。因此，精密检测 装置是高精度数控机床的主要保证。一般来说，数控机床上 使用的检测装置应该满足一下要求； 1.工作可靠，抗干扰性强。 2.能满足精度和速度的要求。 3.使用维护方便，适合机床的工作环境。 4.成本低。 通常，检测装置的检测精度为±0.001—0.02mm/m，分 辨率为0.001—0.01mm/m，能满足机床工作台以1—10m/min 的速度移动。
θ=θ1+θ2+ ……=
N
i
(4-12)
i 1
而θi很小，在数控机床上一般不超过3°，符合-π≤θi≤π的 要求，旋转变压器及其信号处理线路可以及时地将它们逐一 检测出来，并将结果输出。因此，这种检测方式属于动态跟 随检测和增量式检测。
4-2
一.
感应同步器
感应同步器的结构
二. 感应同步器的工作原理 三. 感应同步器的测量系统
下图是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直 接引出。 特点：结构简单，体积小 缺陷：电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠 性差，寿命也较短。
图1 有刷式旋转变压器
无刷式旋转变压器
旋转变压器本体 旋转变压器本体的转子绕组与附加变压 器原边线圈连在一起，在附加变压器原 边线圈中的电信号，即转子绕组中的电 信号，通过电磁耦合，经附加变压器副 边线圈间接地送出去。 这种结构避免了电刷与滑环之间的不良 接触造成的影响，提高了旋转变压器的 可靠性及使用寿命，但其体积、质量、 成本均有所增加。
感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置。 按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步 器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感 应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。 感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠， 抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感应同步器的测 量精度可达1.5μ m，测量分辨率可0.05μ m，并可测量较大位 移。因此，感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其 他机床的定位；旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、 精密机床或测量仪器的分度装置等。
旋转变压器电气工作原理图
图中S1、S2为定子主绕组，K1、K2为定子辅助绕组。当 S1、S2和K1、K2中分别通以交变激磁电压 时，根据线性叠加 原理，可在转子绕组B1、B2中得到感应电势VB，其值为激磁 电压VS和VK在中产生感应电势和之和，即
VS = Vmcoswt (4-3) VK= Vmsinwt (4-4) VB= VBS + VBK = KVSsin（-θ）+KVmcosθ =-KVmcoswtsinθ+KVmsinwtcosθ =KVmsin（wt-θ） (4-5)
机床上常用的检测装置
4-1
旋转变压器
一 .旋转变压器的结构
二. 旋转变压器的工作原理 三. 旋转变压器的应用
旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单， 工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用 在数控机床上。 一 .旋转变压器的结构 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，其 内部结构主要包括定子和转子两大部分。 定子和转子的铁心由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状 芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁心内。定子绕组 通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的 引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分 为有刷式和无刷式两种结构形式。
两极旋转变压器电气工作原理
VB = KVssinθ = KVmsinθsinwt (4－2) K---旋转变压器的变化； Vm----Vs的幅值； θ---转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，θ = 0。
如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则 θ角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位 移。 由式(4－2)可知，转子绕组中的感应电势 VB为以角速度ω 随时间t变化的交变电压信号。其幅值KVssinθ随转子和定子的 相对角位移 θ以正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中 的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位置， 即θ角的大小。
三. 感应同步器的测量系统
感应同步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工 作方式：鉴相式和鉴幅式。 以鉴相式为例 在该工作方式下，给滑尺的正弦绕组 和余弦绕组分别通上幅值、频率相同，而相位角相差 π/2的 交流电压：
Us=Umsinωt Uc=Umcosωt
激磁信号将在空间产生一个以 ω为频率移动的电磁波。 磁场切割定尺导线，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。根据 滑尺在定尺上的感应电压关系，分别在定尺绕组上得到感应 电势为
2. 鉴幅式工作方式 鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电势 幅值的检测来实现位移检测的。其工作原理如下： 参看图4-4，设定子主绕组S1、S2和辅助绕组K1、K2分别 输入交变激磁电压
VS = Vmcosαsinwt
VK = Vmsinαsinwt
(4-6)
(4-7)
式中Vmcosα和Vmsinα分别为激磁电压VS 和VK的幅值。α 角可以改变，称其为旋转变压器的电气角。
由式(4-4)和(4-5)可见，旋转变压器转子绕组中的感应 电势VB与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，其 差值为 θ 0而 θ 角正是被测位移，故通过比较感应电势 VB与 定子激磁电压信号VK的相位，便可求出θ。
在图 (4-4) 中，转子绕组 A1A2 接一高阻抗，它不作为 旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是 为了提高测量精度。
一. 感应同步器的结构
直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图 4.17 是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床身 和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放 置，保持 0.2 ～0.3mm 间隙。标准的感应同步器定尺 250mm ， 尺上有一组感应绕组；滑尺长 100mm，尺上有两组励磁绕组， 一组为正弦励磁绕组us，一组为余弦励磁绕组uc。绕组的节 距与定尺绕组节距相同，均为2mm，用τ 表示。当正弦励磁 绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差1／4 节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组在 空间位置上相差1／4节距，即 π /2相位角。
二. 旋转变压器的工作原理
由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子（旋转一周） 之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到 定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。左图为 两级旋转变压 器电气工作原理图，途中Z为阻抗。 设加在定子绕组S1S2的激磁电压为； Vs = Vmsinwt （4-1） 根据电磁学原理，转子绕组B1B2 中的感应电势测为；
图4.18 定尺绕组感应电动势产生原理
图4.18所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。 如果滑尺处于图中a点位置，就是，滑尺绕组与定尺绕组完 全对应重合，由电工学可知：定尺上的感应电压最大。随 着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺 移动至图中b点位置，与定尺绕组刚好错开1／4节距时，感 应电压为零。再继续移至1／2节距处，即图中c点位置时， 为最大的负值电压 ( 即感应电压的幅值与 a点相同但极性相 反)。再移至3／4节距，即图中d点位置时，感应电压又变 为零。当移动到一个节距位置即图中e点，又恢复初始状态， 即与a点情况相同。在图4.18所示的感应电压中，经分析可 以看出：显然在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周 期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过 程中，感应电压变化了一个余弦周期。 同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也 能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移的关系曲线， 它们之间为正弦函数关系。