检测装置

1—壳体 2—转子轴 3—旋转变压器定子 4—旋转变压器转子 5—变压器定子 6—变压器转子 7—变压器一次绕组 8—变压器二次绕组 图4-23无刷旋转变压器结构
第4章 数控机床伺服系统
4.3.4 感应同步器 1．感应同步器的结构和原理 感应同步器也是一种电磁式的位置检测传感器，主要部 件由定尺和滑尺组成 。结构型式有圆盘式和直线式两种。
第4章 数控机床伺服系统
4.3.2 旋转编码器 旋转编码器通常有增量式和绝对式两种类型。它通常安 装在被测轴上了，随被测轴一起转动，将被测轴的位移转换 成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 1．增量式旋转编码器 增量式光电编码器， 如图4-18所示
1—转轴 2—发光二极管 3—光栏板 4—零标志 5—光敏元件6—码盘 7印制电路板8 电源及信号连接座 图4-18 增量式光电编码器结构示意图
第4章 数控机床伺服系统
（2）幅值工作方式 给滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕组 分别通以相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压，即
U S = U s m sin ωt U c = U c m sin ωt
其中，Usm、Ucm幅值分别为
U Sm = U m sin θ1 U cm = U m comθ1
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2.增量式测量和绝对式测量 2.增量式测量和绝对式测量 增量式测量装置只是测量位移增量；绝对式测量是被测 的任一点位置都从一个固定的零点算起，每一个测点都有一 个对应的编码，常以二进制数据形式表示。增量式检测装置 均有零点标志，作为基准起点。数控机床采用增量式检测装 置时，在每次接通电源后要回参考点操作，以保证测量位置 的正确。 3.数字式测量和模拟式测量 3.数字式测量和模拟式测量 数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量；模拟式测 量是将被测量用连续的变量来表示
可以看出，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有 严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知 道转子的偏转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴连接在一 起的，故被测轴的角位移也就得到了。
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（2）幅值工作方式 给定子的正、余弦绕组分别通以同频 率、同相位，但幅值不同的交流励磁电压，即
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2．绝对式旋转编码器
下面以接触式码盘和光电式码盘分别介绍绝对式旋转编码器测量原理 （1）接触式码盘 图4-20所示为接触式码盘示意图。
（a） 结构简图
（b）4位BCD码盘 图4-20 接触式码盘
（c）4位格雷码盘
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若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均为2n等 分，即共有2n个数就来表示其不同位置，所能分辨的角度为
绝对式光电码盘（1/4）
第4章 数控机床伺服系统 4.3.3 旋转变压器
旋转变压器是利用当变压器的一次侧外施交流电压励磁时， 其二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系的 一种模拟式角度测量元件。 特点：坚固、耐热和耐冲击，抗振性好。 如图4-22所示为正、余弦旋转变压器原理图 其中，定子上的两个绕组分别为正 弦绕组和余弦绕组，励磁电压用u1s 和u1c表示，转子绕组中一个绕组为 输出电压u2，另一个绕组接高阻抗 作为补偿；θ为转子偏转角。
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（2）感应同步器大多装在容易被切屑及切屑液浸入的地方， 所以必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使定尺和滑尺 绕组刮伤或短路，使装置发生无动作及损坏。 （3）路中的阻抗和励磁电压不对称以及励磁电流失真度超 过2％，将对检测精度产生很大的影响，因此在调整系统时， 应加以注意。 （4）由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以应加强屏 蔽以防止干扰。
U c = U m sin(ωt + π ) 2
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当滑尺移动X距离时，定尺绕组中的感应电压为 2πX U d = kU m sin(ωt − θ ) = kU m sin(ωt − ) τ 式中： k—电磁耦合系数； Um—励磁电压幅值； τ—节距； X—滑尺移动距离； θ—电气相位角。 从式中可以看出，定尺的感应电压与滑尺的位移量 有严格对应关系。通过测量定尺感应电压的相位，即可 测得滑尺的位移量。
图4-22 正、余弦旋转变压器原理图
第4章 数控机床伺服系统 定子绕组通入不同的励磁电压，可得到两种工作方式。 （1）相位工作方式 给定子的正、余弦绕组分别通入同 幅、同频，但相位差π/2的交流励磁电压，即
U 1S = U m sin ωt
U1c = U m sin(ωt + ） U m comωt = 2
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2．感应同步器的特点 （1）精度高 （2）测量长度不受限制 （3）对环境的适应性较强 （4）维修简单、寿命长 （5）工艺性好、成本较低、便于成批生产 3．感应同步器安装和使用应注意的事项 （1）感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面的间 隙约为0.25mm，倾斜度小于0.5°，装配面波纹度在 0.01mm/250mm以内。滑尺移动时，晃动的间隙及不平行度 误差的变化小于0.1mm。
π
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，在转子中的感应电压u2为
U 2 = kU m com(ωt − θ )
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式中： Um—励磁电压幅值； k—电磁耦合系数，k＜1； θ—相位角（转子偏转角）。 同理，当转子反转时，可得
U 2 = kU m com(ωt + θ )
360 α = 2n
1 分辨力= 2 n
0
显然，位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越大。 图4-20（c）为4位格雷码盘，其特点是任意两个相邻数码间 只有一位是变化的，可消除非单值性误差。
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（2）绝对式光电码盘 图4-21为8码道光电码盘示意图。 3．编码器在数控机床中的应用 （1）位移测量 （2）主轴控制 （3）测速 （4）编码器应用于交流伺服电动机 图4-21 控制中，用于转子位置检测；提供 速度反馈信号；提供位置反馈信号。 （5）零标志脉冲用于回参考点控制。
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光电编码器的光栏板上有三组条纹A 、 A 如图4-19所示 A组和B组的条纹 彼此错开1/4节距， 两组条纹相对应的光 敏元件所产生的信号 彼此相差90o，当光 电码盘正转时，A信 号超前B信号90o B 、 B 及C 、C
图4-19 A、B条纹位置及信号
当光电码盘反转时B信号超前A信号90o。利用这一相位关系即 可判断电动机转向。另外，在光电码盘里圈里还有一条透光 条纹C，用以产生每转信号，即光电码盘每转一圈产生一个脉 冲，该脉冲称为一转信号或零标志脉冲，作为测量基准。
（
4-24 直线式 感应同 步器结 构 。
） 外 观 及 安 装 形 式 （ ） 绕 组
a b
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感应同步器的工作原理与旋转变压器相似。当励磁绕 组和感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化， 使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。 根据励磁绕组中励磁方式的不同，感应同步器也有相位 工作方式和幅值工作方式。 （1）相位工作方式 给滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕 组分别通以频率相同、幅值相同，但相位差π/2的励磁电压， 即 U S = U m sin ωt
U 1S = U s m sin ωt
U 1c = U c m sin ωt
U sm
U cm 分别为励磁电压的幅值，其数值为 U s m = U m sin σ U c m = U m cos σ
式中： α—给定电气角。
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当转子正转时，u1s、u1c经叠加，在转子上的感应电压 u2为 U 2 = kU m com (σ − θ ) sin ωt 同理，转子反转时，可得
U 2 = kU m com (σ + θ ) sin ωt
式中，kUmcos(α－θ)、kUmcos（α＋θ）为感应电压的幅 值。 由式（4.5）、（4.6）可以看出，转子感应电压的幅值随 转子的偏转角θ而变化，测量出幅值即可求得偏转角θ，从而 获得被测轴的角位移。
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2．旋转变压器结构 目前数控机床常用的是无刷旋转变压器结构如图4-23所 示
式中： θ1—电气给定角
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当滑尺移动时，定尺绕组中的感应电压为
U d = kU m sin ωt sin(θ1 − θ ) = kU m sin ωt sin ∆θ
当△θ很小时，定尺绕组中的感应电压可近似表示为
U d = kU m sin ωt∆θ
又因为
∆θ =
2π∆X
τ 2π∆X U d = kU m sin ωt 则 τ 式中： △X —滑尺位移增量 从上式可以看出，当位移增量△X很小时，感应电压的幅值和 △X成正比，因此，通过测量ud的幅值来测定移△X的大小。
第4章 数控机床伺服系统 4.3 数控机床常用检测装置
4.3.1 概 述 根据位置检测装置安装形式和测量方式，有直接测量和 间接测量、增量式测量和绝对式测量、数字式测量和模拟式 测量等方式。 1.直接测量和间接测量 1.直接测量和间接测量 若位置检测装置测量的对象就是被测量本身，即直线式测 量直线位移，旋转式测量角位移，该测量方式称为直接测量。 若位置检测装置测量出的数值通过转换才能得到被测量本 身这种测量方式称为间接测量。 直接测量组成位置闭环伺服系统；间接测量组成位置半闭 环伺服系统