数控机床的检测装置
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第3章数控机床的位置检测讲解
旋转变压器——抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、 动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便， 应用广泛。
脉冲编码盘——工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低， 是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元 器件，但抗污染能力差，易损坏。
激光干涉仪——精度很高，但抗震性、抗干扰能力差， 价格较贵，应用较少。
原理 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。 2）平行装配，且无摩擦 3）两尺条纹之间有一定夹角 4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线 垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅 距时，摩尔条纹也移动一个纹距
标尺光栅
θ
莫尔条纹
应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的 衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅 互相平行，其刻线相互成一小角度θ时， 两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉 条纹，将光源来的光经透镜变成平行光， 垂直照射在光栅上，经狭缝s和透镜由光 电元件接受，即可得到与位移成比例的电 信号。
第三章 数控机床的位置检测
第三章 数控机床的位置检测
本章主要介绍数控机床的位置检测装置
提 作用及分类，讲解光栅尺和脉冲编码器
的结构、工作原理及其应用。
要 学时：2学时
第三章 数控机床的位置检测
目
了解数控机床的位置检测装置作用及类型。
掌握光栅和脉冲编码器的结构特点、工作原理
标
及应用。
第三章 数控机床的位置检测
建
学生学习本章节，可结合数控中心的 数控机床来了解光栅和脉冲编码器和
等位置检测装置的结构特点、工作原
议
理。
第一节 概 述
一、位置检测装置的要求
位置检测装置是NC机床重要组成部分，在闭环系 统中其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数 控装置的指令信号比较，如有偏差，经放大后控制执 行部件，使其朝消除偏差方向运动，直至偏差为零。
HZNC-3自动编程数控机床的检测装置.
6
二、旋转变压器
旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它即可以测角 位移，又可以测角速度。由于它结构简单，工作可靠，精度 又能满足一般要求，所以应用较广。旋转变压器在原理上与 变压器相同，在结构上与发电机相似。它输出的是模拟量
有定子和转子的变 压器的初级绕组3放在定 子上，次级绕组8固联在 转子上，与转子一起转 动。旋转变压器由此得 名。
电相当于极角，
UM相当于
U S i U M sin 电 sin t
U C i U M cos电 sin t
4
二、检测装置的分类
目前，数控机床上使用的检测元件种类很多。 （一）数字式测量和模拟式测量 1.数字式测量 2.模拟式测量 （二）增量式测量和绝对式测量 1.增量式测量 2.绝对式测量 （三）直接测量和间接测量 1.直接测量 2.间接测量
5
一、测速发电机
一般将测速发电机装在司服电动机的轴上，测量电动机 的转速。 测速发电机有交流和直流两种，基本原理是: 发电机发 出的电压与电动机的转速成正比，将这一电压反馈给数控系 统，与指令输入的值进行比较，从而控制电动机的转速。 测速发电机输出的是模拟量——模拟式测量。
§2—5自动编程简介
一、问题的提出 二、自动编程的一般处理过程 自动编程三部分： ①源程序， ②计算机， ③编译软件。
1
二、自动编程的一般处理过程
源程序用数控语言编写 APT（Automatically Programmed Tools） 自动编程的三个组成部分： ①源程序， ②计算机， ③编译软件。
¦ È
k1 = V2
È n¦ i s V1
V
3=
k3
V1 o ¦ Ø t V2 o ¦ È 180o
数控原理与系统之位置检测装置
1000
1111
图6-6 a葛莱码盘
08
1 0000 1000
9
0001
1001
3 0011
11 1011
2 0010
1010 10
6 0110
1110 15
7 0111
1111 14
0101
1101
5
0100 1100
13
4 12
b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，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。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。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。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
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图6-6 a葛莱码盘
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b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，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。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。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。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
数控机床位置检测装置课件
复合式位置检测装置
结合接触式和非接触式的特点，如激光扫描仪等。特点是 测量范围大、精度高、稳定性好。
数控机床位置检测装置的发展趋势和前景
01
高精度、高稳定性
随着制造业的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高，因此位置检
测装置的高精度、高稳定性是未来的发展趋势。
02
智能化、自动化
随着工业4.0的发展，智能化、自动化是未来的发展方向，因此位置检
测装置的智能化、自动化也是未来的发展趋势。
03
多功能、复合化
为了满足复杂加工需求，位置检测装置的多功能、复合化也是未来的发
展趋势。如将长度、角度、表面粗糙度等多参数测量集成于一体，实现
复合化的测量技术。
02
数控机床位置检测装置的工作原理
感应同步器的工作原理及结构
总结词
感应同步器是利用电磁感应原理实现位移测量的装置。
编码器具有体积小、精度高、响 应速度快等优点。
定期检查编码器的电源和信号输 出是否正常，以及与主轴的连接
是否牢固。
若出现故障，应进行检修或更换 编码器。
磁栅尺的维护与检修
01
02
03
04
磁栅尺具有安装方便、价格较 低等优点。
保持磁栅尺的清洁，避免铁屑 、粉尘等杂质的干扰。
定期检查磁栅尺的磁条是否损 坏或脱落，以及信号输出是否
应用案例二：某型数控铣床的位置检测与控制
总结词
该型数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠 性等特点。
详细描述
该数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠性 等特点。磁栅尺通过磁场感应原理，能够实时监测机床的移动量和位置，为数控 系统提供准确的反馈信息，从而实现了高精度的加工和控制。
结合接触式和非接触式的特点，如激光扫描仪等。特点是 测量范围大、精度高、稳定性好。
数控机床位置检测装置的发展趋势和前景
01
高精度、高稳定性
随着制造业的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高，因此位置检
测装置的高精度、高稳定性是未来的发展趋势。
02
智能化、自动化
随着工业4.0的发展，智能化、自动化是未来的发展方向，因此位置检
测装置的智能化、自动化也是未来的发展趋势。
03
多功能、复合化
为了满足复杂加工需求，位置检测装置的多功能、复合化也是未来的发
展趋势。如将长度、角度、表面粗糙度等多参数测量集成于一体，实现
复合化的测量技术。
02
数控机床位置检测装置的工作原理
感应同步器的工作原理及结构
总结词
感应同步器是利用电磁感应原理实现位移测量的装置。
编码器具有体积小、精度高、响 应速度快等优点。
定期检查编码器的电源和信号输 出是否正常，以及与主轴的连接
是否牢固。
若出现故障，应进行检修或更换 编码器。
磁栅尺的维护与检修
01
02
03
04
磁栅尺具有安装方便、价格较 低等优点。
保持磁栅尺的清洁，避免铁屑 、粉尘等杂质的干扰。
定期检查磁栅尺的磁条是否损 坏或脱落，以及信号输出是否
应用案例二：某型数控铣床的位置检测与控制
总结词
该型数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠 性等特点。
详细描述
该数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠性 等特点。磁栅尺通过磁场感应原理，能够实时监测机床的移动量和位置，为数控 系统提供准确的反馈信息，从而实现了高精度的加工和控制。
第五章 数控机床的位置检测装置 曼初宏
第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字 形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电 量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检 测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直 接测量和间接测量。 3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的 零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。
第三章 数控机床的位置检测
6
3.1.2 位置检测装置的分类
模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相 位变化等。
主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个
线距（2mm）内的信号相位变化等。
特点：
●直接测量被测的量，无需变换；
●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
7
增量式 ：只测量位移量。 测量单位为0.01mm，每移动
3.2.2 鉴相测量系统 相位工作方式：
供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相
位角相差90°的交流电压。
u s u m sin t uc u m cost
14
两绕组在定尺上的感生电压：
' U 2 kus cos kU m sin t cos
U kuc cos(
脉冲编码器38结构及工作原理信号处理装置信号处理装置码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光源39光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输出
第3章
数控机床的位置检测装置
● 感应同步器位置检测装置
● 旋转变压器位置检测装置
" 2
2
) kU m cos t sin
据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：
U 2 U U kU m sin t cos kU m cos t sin
' 2 " 2
kU m sin(t )
说明： 上式建立了感生电压U2与相位
间的关系。
15
3.2.2 鉴相测量系统
30
莫尔条纹的特点
1）放大作用 2）平均效应
3.1.2 位置检测装置的分类
模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相 位变化等。
主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个
线距（2mm）内的信号相位变化等。
特点：
●直接测量被测的量，无需变换；
●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
7
增量式 ：只测量位移量。 测量单位为0.01mm，每移动
3.2.2 鉴相测量系统 相位工作方式：
供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相
位角相差90°的交流电压。
u s u m sin t uc u m cost
14
两绕组在定尺上的感生电压：
' U 2 kus cos kU m sin t cos
U kuc cos(
脉冲编码器38结构及工作原理信号处理装置信号处理装置码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光源39光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输出
第3章
数控机床的位置检测装置
● 感应同步器位置检测装置
● 旋转变压器位置检测装置
" 2
2
) kU m cos t sin
据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：
U 2 U U kU m sin t cos kU m cos t sin
' 2 " 2
kU m sin(t )
说明： 上式建立了感生电压U2与相位
间的关系。
15
3.2.2 鉴相测量系统
30
莫尔条纹的特点
1）放大作用 2）平均效应
数控机床精度检测装置及分析
控 机 床 上 通 常 使 用 光 电式 脉 冲编 码 器 。 数 控 机 床 的 定 位 精 度 和 加 工 精 度 在 很 （ ） 电 式 脉 冲 编 码 器 】光 大 的 程 度 上 取 决 于 检 测 装 置 的 精 度 。 它 的 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 分 为 增 量 式 脉 冲 作 用 是 检 测 位 移 量 ， 是 将 系 统 发 出 的 指 令 编 码 器 和 绝 对 式 脉 冲 编 码 器 。 信 号 位 置 与 实 际 反 馈 位 置 相 比 较 ， 用 其 差 光 电 脉 冲 编 码 器 是 按 它 每 转 发 出 的 脉 值 去 控 制 进 给 电 动 机 。 在 数 控 伺 服 系 统 冲数 的多 少 来 分 ，有几 种 型 号 ，数控 机 床 中 ，通 常 有两 种 反 馈 系 统 ：一 种 是 速 度 反 最常 用 的脉 冲编 码器 有 ２ ０ ０ ０脉 冲 ／ｒ ，每转 馈 系 统 ， 用 来 测 量 和 控 制 运 动 部 件 的 进 给 脉 冲 位 移 量 ／ ｍｍ 有 ２ ３ ４ ５ ８ ５０脉 冲 ／ ， ， ， ， ；２ ０ ； ａ ｒ ｌ ； ０ ０脉 速 度 ； 另 一种 是 位 置 反 馈 系统 ，用 来 测 量 ｒ 每 转 脉 冲 位 移 量 ／ ｍ 有 ５， ０ ３ ０ 和 控 制 运 动 部 件 的 位 移 量 。 而 实 际 反 馈 位 冲 ／ ，每转 脉 冲 位 移量 ／ｍｍ３ ６ ｌ ｒ ， ， ２。 置 的 采 集 ， 则 是 由 位 置 检 测 装 置 来 完 成 增 量 式 脉 冲 编 码 器 由 光 源 、 光 敏 元 的 。 这 些 检 测 装 置 有 脉 冲 编 码 器 、 旋 转 变 件 、 透 光 狭 缝 、 码 盘 基 片 、 光 桶 板 、 透 明 压 器 、感 应 同步 器 、 光栅 、 接 近 开 关 等 。 镜 、 Ａ／Ｄ 转 换 线 路 及 数 字 显 示 装 置 组 成 。 ２精度检测装置原理简述 绝 对 式 光 电 编 码 器 是 一 种 直 接 编 码 式 的 测 检 测 装 置 种 类 较 多 ， 现 以 绝 对 式 脉 冲 量 元 件 ， 通 过 读 取 编 码 盘 上 的 图 案 确 定 轴 编 码 器 的 接触 式四 位 绝 对 编 码盘 为 例 ，简 的 位 置 没 有 积 累 误 差 。 述 其 工 作 原 理 。 图 ａ是 绝 对 式 光 电编 码 器 （ ） 合 式 绝对 值 编 码 器 ２混 混 合 式 绝 对 值 编 码 器 是 把 增 量 制 码 与 的 结 构 图 。 图 ｂ是 一 个 四 位 二 进 制 编 码 盘 ， 涂 黑 部 分 是 导 电 的 ， 其 余 是 绝 缘 的 ， 码 盘 绝 对 制 码 同做 在 一 码 盘 上 。 圆 盘 的 最 外 圈 上 有 四 条 码 道 。 四 个 码 道 并 排 装 有 四 个 电 是 高 密 度 的 增 量 制 条 纹 ， 中 间 分 布 在 ４ 其 刷 ， 电 刷 经 电 阻 接 到 电 源 正 极 。 码 盘 最 里 圈 圆 环 上 有 ４个 二 进 制 位 循 环 码 ， 每 １ ／４ 面 的 一 圈 是 电 源负 极 （ 图 １ 。 如 ） 圆 由 ４位 二 进 制 循 环 码 分 割 成 ｌ ６个 等 分 位 由 于 制 造 精 度 和 安 装 质 量 或 工 作 过 程 置 。 在 圆 盘 最 里 圈 仍 有 发 一 转 信 号 的 窄 缝 中 意 外 因 素 ， 易 于 引 起 阅 读 错 误 。 为 此 绝 条 。由循 环码读 出的 ４ｘ ｌ ６个位 置 ／转 ，代 对 式 光 电 编 码 盘 大 多 采 用 格 雷 码 编 码 盘 ， 表 了 一 圈 的 粗 计 角 度 检 测 ， 它 和 交 流 伺 服 图 ｃ为 ４位 格 雷 码 盘 。 其 特 点 是 任 何 两 个 相 电 机 ４对 磁 极 的 结 构 相 对 应 ，可 实 现 对 交 邻数 码 间 只有一 位 是变 化 的 ， 这 样 即使制 流 伺 服 电 机 的 磁 场 位 置 进 行 有 效 的 控 制 。 作和 安 装 不 太 准 确 ，产 生 的 误 差 最 多也 只 ３． 其 它检测 装 置 ２ 是 最 低 位 的 一 位 数 。 还 可 消 除 非 单 值 性 误 旋 转 变 压 器 ， 是 一 种 控 制 用 的 微 电 动 差。 机 ， 将 机 械 转 角 变 换 成 与 该 转 角 呈 某 一 函 ３精度检测装 置 数 关 系 的 电 信 号 ， 工 作 原 理 和 普 通 变 压 器 ３． 脉 冲编 码器 检 测装 置 １ 基 本 相 似 。 结 构 简 单 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 工 脉 冲 编 码 器 ， 是 一 种 旋 转 式 脉 冲 发 生 作 可 靠 ， 动 作 灵 敏 ， 对 环 境 没 有 特 殊 要 求 ， 器 ， 能 把 机 械 转 角 变 成 电 脉 冲 。 是 数 控 机 般 用 于 精 度 要 求 不 高 机 床 的 粗 铡 及 中 测 床 上 使 用 最 多 的 角位 移 检 测 传 感 器 。编 码 系 统 。 器 除 了 可 以 测 量 角 位 移 外 ， 还 可 以 通 过 测 感 应 同 步 器 和 旋 转 变 压 器 均 为 电 磁 式 量 光 电 脉 冲 的 频 率 。 经 过 变 换 电 路 也 可 用 检 测 装 嚣 ， 二 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 输 出 电 于速 度 检 测 ， 同时 作 为 速 度 检 测 装 置 。 压 随 被 测 直 线 位 移 或 角 位 移 而 改 变 。 主 要 脉 冲 编 码 器 可 分 为 光 电 式 、 接 触 式 和 部 件 包 括 定 尺 和 滑 尺 ， 定 尺 和 滑 尺 分 剐 安 电磁 感 应 式 三 种 。 从 精 度 和 可 靠 性 来 看 ， 装在 机 床 床 身 和 移 动 部件 上 。感 应 同 步 器 光 电 式 较 好 ， 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 以 用 于 角 度 检 测 ， 也 可 用 于 速 度 检 测 。 所 以 在 数
第6章 数控机床的检测装置
当给定电气角为α时，交流激磁电压的幅值分 别为 Usm＝Umsinα
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器， 累计所走的导程数，折算成位移总长度。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的 极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来 辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容 或转子极对数，使 电气转角为机械转 角的倍数，用于高 精度绝对式检测。
双极对：定子和转 子上各有两对相互 垂直的磁极，检测 精度较高，数控机 床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实 现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联， 根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当 量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器， 累计所走的导程数，折算成位移总长度。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的 极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来 辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容 或转子极对数，使 电气转角为机械转 角的倍数，用于高 精度绝对式检测。
双极对：定子和转 子上各有两对相互 垂直的磁极，检测 精度较高，数控机 床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实 现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联， 根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当 量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值
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旋转变压器有刷结构示意图
CNC
6.2 旋转变压器
数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成： 分解器、变压主要器内，容 不通过电刷与滑环把信号
传递出来
无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、 寿命长及不用维修等优点。
CNC
6.2 旋转变压器
分解器 2
3
主要内容
变压器
5
6
1
8
47
1-转子轴 2-壳体 3-分解器定子 4-变压器定子 5-变压器一 次绕组 6-变压器转子线轴 7-变压器二次绕组 8-分解器转子
U1s＝Umsinωt
U1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt
当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组 中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应
电压U2为 U 2 kU1s sin kU1c cos
CNC
6.2 旋转变压器
U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ =kUmcos（ωt-θ）
U1 U m sin t
U2 nU1 sin nU m sint sin
Um—励磁电压幅值 n—绕组匝数比 θ—转子偏转角
CNC
6.2 旋转变压器
U msinωt
U1 U m sin t
U1 主要内容
激磁
φ1
t
U2
φ2
输出
t
θ=90 0 2µ=k¦ 1µ
=nU msinωt
U2 nUm sin t sin
缺点：信号处理比较复杂。
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机 轴或丝杠转角的测量。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器的分类
按有无电刷分：接触式和无接触式两种；
主要内容
按极对数分：单对极和多对极；
按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋 转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以 及特殊函数旋转变压器等。
U1=U msinωt
定子
φ1 主要内容
φ1
θ
56°
φ1
转子
φ2
φ2
φ2
U1 激磁
U2 输出
θ=00 ¦ µ2=0 U 2=0
θ
θ=90 0
¦ 2µ=k¦ 1µsinθ
¦ 2µ=k¦ 1µ
U2=Un2U＝msninUω1stsiinnθ U2=nUmsinωt
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6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
CNC
6.2 旋转变压器
6.2 旋转变压器
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函 数关系的感应式主要微内容电机，数控机床上常见的角位
移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机床。
优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境 条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输 出信号幅度大和抗干扰能力强等特点.
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
U2＝kUmcos（α＋θ） sinωt U2的幅值分别为:kUmcos（α－θ）、kUmcos（α＋θ）
转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出 幅值可测出 转角。
CNC
6.2 旋转变压器
三、旋转变压器的应用
由角位移如何计算直线位移?
闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位 置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺 服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心 选择位置检测装置。
CNC
6.1 概述
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。
☆安装的位置及耦主要合内方容 式—直接测量和间接测量；
☆测量方法—
增量型和绝对型;
☆检测信号的类型—
模拟式和数字式；
☆运动型式—ຫໍສະໝຸດ 回转型和直线型；☆信号转换的原理—光电效应、光栅效应、电磁感应
原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。
CNC
6.1 概述
数控机床对检测装置的主要要求
1）受温度、湿主度要内影容响小，工作可靠，抗干扰能力 强；
2）在机床移动范围内满足精度和速度要求； 3）使用维护方便，适合机床运行环境； 4）成本低； 5）易于实现高速的动态测量。
CNC
6.2 旋转变压器
由定子和转子组成，结构上与旋转式的小型交 流电机相似。主要内容
有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分 别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环 引出，并通过电刷送到外面。
CNC
6.2 旋转变压器
轴承
机壳 3
2
转轴 1
主要内容
转子铁心 定子铁心
4
5
6 端盖 7 电刷
8 滑环
2．鉴幅工作方式
给定子的两个绕主要组内分容 别通以频率相同、相位相 同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流励磁电 压，即
U1s＝Umsinsinωt U1c= Umcossinωt
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
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6.2 旋转变压器
U 1s
主要内容 U 2 kU1s sin kU1c cos
U 1c
定子 1c
1ccos
θ
45°
1ssin
R
U 2 转子
1s
CNC
6.2 旋转变压器
主要内容
CNC
6.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式
给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率， 但相位差π/主2要的内容交流励磁电压
当转子反转时，同主要样内可容 得到
U2＝k Umcos（ωt+θ）
转子输出电压的相位角和θ间有严格对应关系，只要检 测出转子输出电压的相位角，就可以求得θ ，也就可得
到被测轴的角位移。
实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的相位作为基准
相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定θ的
大小。
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6.2 旋转变压器
CNC
第6章 数控机床的检测装置
主要内容 ➢6.1 概述
主要内容
➢6.2 旋转变压器
➢6.3 感应同步器
➢6.4 光栅
➢6.5 编码器
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6.1 概述
组成：位置检测装置是由检测元件（传感器） 和信号处理装置主要组内成容的。
作用：实时测量执行部件的位移和速度信号， 并变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭 环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
主要内容
将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当θ角从
CNC
6.2 旋转变压器
6.2.2 旋转变压器的工作原理
原理：电磁感应－互感原理 主要内容
当定子加上一定频率的励磁电压时，通过 电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输 出电压的大小取决于定子和转子两个绕组 轴线在空间的相对位置。
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6.2 旋转变压器
U1=Umsinωt U 1=U msinωt