伺服系统中的位置检测元件
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。
数控机床位置检测与传感器件1位置传感器件主要分类1
第五部分数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。
为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。
直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。
b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。
用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。
位移传感器的输出只有两种形式，即模拟式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。
(2)模拟式和数字式位移传感器:模拟传感器——传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。
数字位移传感器——工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。
根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。
(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。
半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。
2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。
传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个物理量等分后的最小单位。
无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。
另一方面，测量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影响。
3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。
光栅位移检测装置的测量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。
《数控原理与系统》第3章_数控位置检测装置
第3章 数控位置检测装置
3.2 旋轉變壓器
旋轉變壓器是一種角位移測量元件，外 形如圖所示。結構與兩相繞線式非同步電動 機相似，由定子和轉子組成，根據轉子繞組 引出方式不同，分為有刷和無刷兩種結構形 式。
(a) 旋轉變壓器外形圖 (b)有刷旋轉變壓器結構圖 (c) 無刷旋轉變壓器結構圖 圖3.1 旋轉變壓器外形結構圖
第3章 数控位置检测装置
U1 U m sin t
定子
U1 U m sin t
Φ1
U1 U m sin t
Φ1
Φ1
1
பைடு நூலகம்
转子
Φ2
Φ2
Φ2
0
E1 0
1
E1 nU m sin t sin 1
90
E1 nU m sin t
第3章 数控位置检测装置
u 21 k 21U1m sin t sin u 22 k 22U 1m sin t cos
第3章 数控位置检测装置
將勵磁信號和轉子繞組輸出信號送至解碼電 路輸入端，即可得到轉子轉角代碼。日本多摩川 公司推出的解碼電路集成晶片原理如圖3.3所示， 如果圖中usr=0，那麼θ= θrd，即可解碼出轉子轉 角。
旋轉編碼器、圓光柵， 絕對式旋轉編碼器，多極旋轉 旋轉變壓器、圓感應同步 變壓器 器、圓形磁尺 三速圓型感應同步器
直線型
光柵尺、直線型感應 編碼尺、多通道投射光柵， 同步器、磁尺，鐳射干涉 三速直線型感應同步器、絕對 儀 式磁尺
第3章 数控位置检测装置
3.1.3 位置檢測裝置的性能指標
1. 精度：檢測輸出值與實際位置的符合程度。 2. 解析度：可分辨的最小刻度值，一般按加工精度的1／ 3～1／10選取檢測裝置的解析度。 3. 靈敏度：檢測輸出值隨實際位置變化的及時程度。 4. 遲滯：同一實際位置，正行程與反行程的檢測輸出結果 不一致的現象，稱為遲滯，遲滯越小越好。 5. 測量範圍和量程：測量範圍要滿足系統的要求，並留有 餘地。 6. 零漂與溫漂：測量精度隨時間和溫度的變化而變化的現 象。
数控原理与控制系统-----高级工考试试题
一、选择题1.（）在数控车床上加工螺纹，主轴编码器起到了主轴转动与进给运动的联系作用。
2.（）半闭环和全闭环位置反馈系统的根本差别在于位置传感器安装的位置不同，半闭环的位置传感器安装在工作台上，全闭环的位置传感器安装在电机的轴上。
3.（）检测元件的作用是检测位移和速度的实际值，并向数控装置或伺服装置发送反馈信号，从而构成闭环控制。
4.（）光电脉冲编码器既可以测量位置，又可以测量速度。
5.（）数控装置要输入、输出信息，就要将其内部构件与外界不同功能的装置相连，如伺服装置、开关量的输入、输出、电源等。
6.（）世界上第一台数控机床是1958年试制成功的。
7.（）CNC系统中，由硬件完成的功能原则上不可以由软件完成。
8.（）脉冲当量决定了伺服系统的位移精度，因此脉冲当量越大，位移精度越高。
9.（）步进电机的步距角越大，控制精度越高。
10.（）伺服驱动系统的跟随误差越小，响应速度越快。
11.（）CNC装置的控制功能主要反映CNC装置能够控制的联动轴数目以及各轴的转速和转向。
12.（）CNC装置的进给功能主要反映刀具的进给速度。
13.（）数控装置的外部电源采用AC24V或者DC24V。
14.（）数控装置上的变频电源要求壁挂立式安装，并在机壳内配有冷却风扇以保证热量得到充分的散发。
15.（）为保证变频电源是正常工作，其外壳PE应可靠地接入大地零电位。
16.（）全闭环伺服系统所用位置检测元件是光电脉冲编码器。
17.（）步进电机驱动电路是直流稳压电源。
18.（）在伺服系统中，交流伺服电机具有独立的励磁回路，能获得优良的动态和静态性能。
19.（）数控机床电气控制系统的发展与数控系统、伺服系统、可编程序控制器发展密切相关。
20.（）步进电机最大的缺点在于容易失步，特别是大负载和低度的情况下，失步更容易发生。
21.（）步进电机能方便地将电脉冲转变为角位移，具有定位精度好、无漂移和无积累定位误差的优点。
22.（）步进电机细分控制的思路是：以阶梯波的形式逐步增加和减少绕组电流，逐步实现脉冲在相邻拍对应的导通相之间进行切换。
伺服系统常见故障与排除
11. 不 能 准 备 好 系 统 ， 报 警 显 示 伺 服 VRDY OFF 〔0,16/18/0i为401〕
系统开机自检后，如果没有急停和报警，那么发 出*MCON信号给所有轴伺服单元，伺服单元承受到 该信号后，接通主接触器，电源单元吸合，LED由 两杠〔――〕变为00，将准备好〔电源单元准备 好〕信号，送给伺服单元，伺服单元再接通继电 器，继电器吸合后，将*DRDY信号送回系统，如果 系统在规定时间内没有承受到*DRDY信号，那么发 出此报警，同时断开各轴的*MCON信号，因此，上 述所有通路都是可能的故障点。
8)观察所有伺服单元的LED上是否有其他报警信号， 如果有，那么先排除这些报警
9)如果是双轴伺服单元，那么检查另一轴是否未接 或接触不好或伺服参数封上了〔0系统为8×09＃0， 16/18/0i为，s1，s2设定如下： s1－TYPEA,s2－TYPEB
d.伺服放大器的内部过热检测电路故障，更换伺服放 大器或修理
③伺服放大器检测到主回路过热
a.关机一段时间后，再开机，如果没有报警产生， 那么可能机械负载太大，或伺服电机故障，检 修机械或更换伺服电机
b.如果还有报警，检查IPM模块的散热器上的热 保护开关是否断开，更换
c.更换伺服放大器
例如：某直流伺服电机过热报警，可能原因有： ①过负荷。可以通过测量电机电流是否超过额定值 来判断。②电机线圈绝缘不良。可用500V绝缘电阻 表检查电枢线圈与机壳之间的绝缘电阻。如果在 1MΩ以上，表示绝缘正常，否那么应清理换向器外 表的炭刷粉末等。③电机线圈内部短路。可卸下电 机，测电机空载电流，如果此电流与转速成正比变 化，那么可判断为电机线圈内部短路。应清扫换向 器外表，如外表上有油更易引起此故障。④电机磁 铁退磁。可通过快速旋转电机时，测定电机电枢电 压是否正常。如电压低且发热，那么说明电机已退 磁。应重新充磁。⑤制动器失灵。当电机带有制动 器时，如电机过热那么应检查制动器动作是否灵活。 ⑥CNC装置的有关印制线路板不良。
2024最新国开电大《数控原理与应用》形考任务2答案(陕西)
形成性考核二1.圆光电编码器主要用于直线运动导轨位移量的检测。
判断题 (2 分)A.错误B.正确2.数控机床进给系统的机械传动结构中，（）具有滚动摩擦的导轨。
单选题 (4 分)A.气动导轨B.静压导轨C.滚动导轨D.塑料导轨3.半闭环控制系统的传感器装在单选题 (4 分)A.工件主轴上B.刀具主轴上C.机床工作台上D.电机轴或丝杠轴端4.对于配有设计完善的位置伺服系统的数控机床，其定位精度和加工精度主要取决于单选题 (4 分)A.位置检测元器件的精度B.驱动装置的精度C.机床机械结构的精度D.计算机的运算速度5.按机床的运动轨迹来分，数控机床可分为单选题 (4 分)A.点和直线控制、轮廓控制B.车床、铣床C.开环、闭环和半闭环D.硬线、软线6.某控制系统，控制刀具或工作台以给定的速度沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置精确定位，此种控制方式属于单选题 (4 分)A.点位控制B.无正确答案C.轨迹控制D.点位直线控制7.根据控制运动方式不同，机床数控系统可分为单选题 (4 分)A.点位控制系统和连续控制系统B.NC系统和CNC系统C.多功能数控系统和经济型数控系统D.开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统8.在闭环系统中，光栅传感器可用于检测运动件的直线位移量。
判断题 (2 分)B.错误9.光栅中，标尺光栅与指示光栅的栅线应单选题 (4 分)A.互相倾斜一个很大的角度B. 互相倾斜一个很小的角度C.相互平行D.外于任意位置均可10.脉冲编码器是一种光学式的位置检测元件，编码盘直接装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。
判断题 (2 分)A.错误B.正确11.数控系统所规定的最小设定单位就是单选题 (4 分)A.数控机床的运动精度B.脉冲当量C.数控机床的传动精度D.机床的加工精度12.测量反馈装置的作用是为了提高机床的定位精度、加工精度。
判断题 (2 分)A.财务B.正确13.脉冲编码器能把机械转角变成脉冲，可作为角速度检测装置。
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
第6章 数控机床的检测装置
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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∙关键词：伺服系统位置检测元件感应同步器
∙摘要：位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。
而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成。
这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。
1.位置检测元件的要求和种类
位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。
而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成。
这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。
对于采用半闭环控制的位置伺服系统，其闭环路内不包括机械传动环节，它的位置检测装置一般采用旋转变压器，或高分辨率的脉冲编码器，装在进给电机或者丝杠的端头，旋转变压器(或脉冲编码器)每旋转一个角度，都严格对应着运动机构移动的一定距离。
测量了电机或丝杠的角位移，也就是间接测量了运动机构的直线位移。
对于采用闭环控制系统的位置伺服系统，应该直接测量工作台的直线位移，可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。
由工作台直接带动感应同步器的滑动尺度的同时，与装在机床床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位置。
可见，位置测量装置是位置伺服系统的重要组成部分。
它的作用是测量位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。
数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。
位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。
分辨率不仅取决于检钡4元件本身，也取决于测量线路。
位置伺服系统对检测装置的主要要求如下：
(1)高可靠性和高抗干扰性.
(2)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。
2. 感应同步器
感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。
可用来测量直线或转角位移。
测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。
长感应同步器由定尺和滑尺组成，如图10．10所示。
圆感应同步器由转子和定子组成。
这两类感应同步器是采用同一的工艺方法制造的。
一般情况下。
首先用绝缘粘贴剂把钢箔粘牢在金属(或玻璃)基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。
这种绕组称为印制电路绕组。
定尺和滑尺、转子和定子上的绕组分布是不相同的。
在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。
分段绕组分为两组，布置成在空间相差90。
相角，又称为正、余弦绕组。
感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。
安装时，定尺和滑尺、转子和定子上的平面绕组面对面地放置。
由于其阔气隙的变化要影响到电磁耦合度的变化，因此气隙一般必须保持在(0.25~0．05)mm的范围内。
工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺(或转子与定子)的相对位置不同呈正弦、余弦函数
变化。
再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。
感应同步器的优点如下：
(1)具有较高的精度与分辨力。
其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。
感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。
目前长感应同步器的精度可达到土1．5μm，分辨力O．05μm，重复性O．2μm。
直径为300mm的圆感应同步器的精度可达±″分辨力O．05″，重复性O．1″
(2)抗干扰能力强。
感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。
平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。
(3)使用寿命长，维护简单。
定尺和滑尺、定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。
它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫，但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。
(4)可以作长距离位移测量。
可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。
拼接后总长度的精度可保持(或稍低于)单个定尺的精度。
目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。
(5)工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如，用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。
圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。
3. 光电脉冲编码器编码器如以信号原理来分，有增量型编码器和绝对型编码器。
下面以增量型编码器为例作简要说明。
1)工作原理由图10．11所示，由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D。
每个正弦波相差90。
相位差(相对于一个周波为360�)，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90�，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线�其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。