4-1 数控机床常用传感器

Us = (Um cosα)sin wt Uc = (Um sinα)sin wt
Es = KUs sin(90o −θ ) = KUm sinα sin wt cosθ 感应电势： 感应电势： Ec = KUc sin(−θ ) = −KUm cosα cos wt sinθ
S1 Us C2 Uc S2
光电转换原理。 光电转换原理。
莫尔条纹
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
3.莫尔条纹性质 3.莫尔条纹性质
i）平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带 平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带， 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ） ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ P/sin iii）均化误差作用 iii）
五.光栅 光栅
位置检测装置． 位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉 反馈给数控装置，实现闭环控制． 冲，反馈给数控装置，实现闭环控制．
1.结构和种类 1.结构和种类
包括： 包括： 标尺光栅: 标尺光栅:固定在机床活动部件上 指示光栅: 指示光栅:安装在读数头内
光栅读数头示意图
2.原理 2.原理
1. 结构
利用互感原理工作
在结构上与二相线绕式异 步电动机相似， 步电动机相似，由定子和 转子组成。 转子组成。
间接测量角位移
2.基本工作原理 2.基本工作原理
Us
Us = Um sin ω t
S1
S2
U B = KU s sin θ = KU m sin θ sin ω t
θ B2
B1
Z
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
四. 绝对值编码器
1.特点及工作原理 1.特点及工作原理
直接把被测转角用数字代码表示出来， 直接把被测转角用数字代码表示出来，即每一个角度位置 均有其对应的测量代码 它能表示绝对位置，无累积误差； 测量代码； 均有其对应的测量代码；它能表示绝对位置，无累积误差；电 源切除后，位置信息不丢失。分光电式、接触式和电磁式三种。 源切除后，位置信息不丢失。分光电式、接触式和电磁式三种。
编码特点： 编码特点：葛莱码 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准， 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别 电刷错位，而出现很大的数值误差。例如当电刷由位置0111 电刷错位，而出现很大的数值误差。例如当电刷由位置0111 1000过渡时 可能会出现从8 1000） 15（1111） 过渡时， 向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的 读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差， 读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差， 可采用葛莱码盘。 可采用葛莱码盘。 葛莱码特点：任何两个相邻数码间只有一位是变化的， 葛莱码特点：任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次 只切换一位数，把误差控制在最小范围内。 只切换一位数，把误差控制在最小范围内。 例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011， 例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如 1101对应的葛莱码为1011 下： 二进制码） 1101 （二进制码） 1101（不进位相加，舍去末位） 1101（不进位相加，舍去末位） 葛莱码） 1011 （葛莱码）
B1 Z
K为定子和转子线圈匝数之比，即变压比. 为定子和转子线圈匝数之比，即变压比. 只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。 只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。
ii）.鉴幅式 ） 鉴幅式 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。 励磁电压： 励磁电压：
定尺绕组上的感应电动势为： 定尺绕组上的感应电动势为：
Es = KUm sin wt cosθ
K —电磁耦合系数 θ — 与位移x相对应的角度。当滑尺相对 与位移x相对应的角度。 定尺移动的距离为x 定尺移动的距离为x时，则对应于感 应电势呈余弦函数变化， 角为： 应电势呈余弦函数变化，θ角为： x x θ = 2π = π 2τ τ
3.应用 3.应用
i）.鉴相式 ） 鉴相式 根据旋转变压器转子绕组中感应电势的 相位来确定被测位移大小的检测方式 来确定被测位移大小的检测方式。 相位来确定被测位移大小的检测方式。
S1 Us C2 Uc S2
励磁电压： 励磁电压： U s = U m sin wt , U c = U m cos wt
第四章 数控机床的位置检测与伺服控制
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第一节 第二节 第三节 第四节
常用的位置检测装置 数控机床的伺服系统概述 步进电机及其驱动装置 交流伺服系统
概述
位置检测装置的作用： 位置检测装置的作用：
检测位移和速度，并发出反馈信号， 检测位移和速度，并发出反馈信号，构成 闭环或半闭环控制。 闭环或半闭环控制。
莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成的， 莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成的， 对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应， 对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消 除栅距不均匀所造成的影响； 除栅距不均匀所造成的影响；
iv） iv）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例
当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度 ； 当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度W； 若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。 若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。
励磁电压： 励磁电压：
感应电势： 感应电势：
当改变α U=0， 为已知量， 当改变α ，使U=0，则θ=α, 而α为已知量，同旋 转变压器有： 转变压器有：
θ =α =
2π x π = x P τ
三. 增量式脉冲编码器
是一种旋转式脉冲发生器； 是一种旋转式脉冲发生器；增量式测量角位移或者速度
1. 结构及工作原理
C1
Es = KU s sin(90o − θ ) = KU m sin wt cos θ 感应电势： 感应电势： Ec = KU c sin(−θ ) = − KU m cos wt sin θ
B2
感应电势： 感应电势： U = Es + Ec
= KU m sin wt cos θ − KU m cos wt sin θ = KU m sin( wt − θ )
光电脉冲编码器结构示意图 通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率， 通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单 位时间脉冲的数目，就可以求出速度。 位时间脉冲的数目，就可以求出速度。
2**. 鉴向电路
光电 脉冲编码器鉴向线路
（上升沿微分，异或门） 上升沿微分，异或门）
对传感器的要求： 对传感器的要求：
（1） 工作可靠，抗干扰能力强； 工作可靠，抗干扰能力强； 满足精度和速度的要求； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易安装、维护，适应机床工作环境； 易安装、维护，适应机床工作环境； 成本低。 （4） 成本低。
传感器按检测信号分类： 传感器按检测信号分类：
4-1 常用的位置检测装置 一. 旋转变压器
1. 结构
P
由定尺和滑尺组成， 由定尺和滑尺组成， 定尺不动，滑尺移动。 定尺不动，滑尺移动。 工作原理与旋转变压 器基本相同
间接测量直线位移或角位移。 间接测量直线位移或角位移。 定尺和滑尺绕组结构示意图
2. 工作原理
设US 是加在滑尺任一绕组上的激磁交 变电压： 变电压：
Us =Um sin wt
感应同步器的工作原理图
3. 应用
i）. 鉴相式
励磁电压： 励磁电压：
感应电势： 感应电势：
ii）. 鉴幅式 ii）
U s = (U m sin α )sin wt U c = (U m cos α )sin wt
E = KU m sin α sin wt cos θ − KU m cos α sin wt sin θ = KU m sin wt sin(α − θ )
C1 B2
感应电势： 感应电势： U = Es + Ec
= KUm sinα sin wt cosθ − KUm cosα sin wt sinθ = KUm sin wt sin(α −θ)
B1 Z
当改变α U=0， 当改变α ，使U=0，则θ=α
二. 感应同步器
利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检 利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检 测元件。 测元件。