项目4 位置检测传感器及应用

4.2 角编码器
4.2.1 分类和结构
角编码器又称编码器，是一种旋转式的测 量元件，通常装在被测轴长，随被测轴一 起转动，可以将被测的角位移转化车观念 增量脉冲形式或绝对脉冲形式。根据内部 结构和检测方式不同可分为接触式、光电 式和电磁式三种。光电式码盘按每转发出 的脉冲数的多少来分，又有多种型号。根 据数控机床滚珠丝杠螺距来选用相应的码 盘。
• 3．接触式测量和非接触式测量 • 接触式测量在检测中，检测传感器与被测对象间存在着机 械联系，因此机床本身的膨胀、振动等因素会对测量产生 影响。非接触式测量的检测传感器与被测对象间是分离的， 不发生机械联系。 • 4．数字式测量和非数字式测量 • 数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量。数字式测 量的特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显 示处理。 • 模拟式测量是被测得量用连续的变量表示。
• • • • • • •
4.1 检测元件基础知识 4.2 角编码器 4.3 光栅测量装置 4.4 旋转变压器和感应同步器 4.5 磁栅 4.6 内容小结 4.7 思考与练习
4.1 检测元件基础知识
• 4.1.1 概述 • 4.1.2 检测元件分类
4.1.1 概述
• • • • • • 数控机床对检测元件的要求有： 1）寿命长，可靠性高，抗干扰性强。 2）满足速度、精度和测量范围的要求。 3）使用维护方便，适合机床运行环境，成本低。 4）易于实现高速动态测量和处理，易于实现自动化。 不同类型的数控机床对检测元件的精度与速度的要求不同。 一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对 于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。一般要 求测量元件的分辨率比加工精度高一个数量级。
4.5 磁 栅
磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的 检测。主要用于大型机床和精密机床 作为位置或位移量的检测元件。磁栅 和其他类型的位移传感器相比，具有 结构简单、使用方便、动态范围大 （1~20m）和磁信号可以重新录制等 特点。其缺点是需要屏蔽和防尘。
磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的 检测。主要用于大型机床和精密机床 作为位置或位移量的检测元件。磁栅 和其他类型的位移传感器相比，具有 结构简单、使用方便、动态范围大 （1~20m）和磁信号可以重新录制等 特点。其缺点是需要屏蔽和防尘。
项目4 位置检测传感器及应用
本章要点
• • • • 数控机床对检测装置的要求与检测装置的分 类； 直线位移检测装置的工作原理； 角位移检测装置的工作原理； 速度检测装置的工作原理；
技能目标
• • 具备识别检测装置的能力； 具备依据功能需要选择不同检测装置的能力。
项目案例导入
• 无论是外螺纹还是内螺纹，数控加工时都不能够一次完成，需要重复 切削才能完成加工。所以在整个加工过程中必须保证每次重复切削， 进刀的起始位置必须相同，才能保证不会出现乱扣的现象发生，数控 机床是如何检测并保证螺纹车刀进刀点和退刀点的正确呢？下面我们 通过本章的项目来一步步地揭开其中的奥秘。
4.4 旋转变压器和感应同步器
4.4.1 旋转变压器
• 1．工作原理 • 旋转变压器可分为单极和多极型式。所谓单极型就是旋
转变压器的定子和转子各有一对磁极，如果加到定子绕组 的励磁电压为，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。当 转子转到使它的绕组磁轴和定子绕组磁轴垂直时转子绕组 感应电压；当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定的角度 时，转子绕组中产生的感应电压为 •
2Leabharlann 所以上式可简化成 2
•
W
横向莫尔条纹 横向莫尔条纹参数
• 莫尔条纹有如下特点： • 1．起放大作用 • 2．莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例
4.3.3 光栅测量系统
• 1．光栅测量系统光栅测量的基本电路 • 2．信号处理 • 光栅尺输出信号有两种：一种是正弦 波信号；另一种是方波信号。 • （1）倍频处理 • （2）方向判别
接触式码盘所能分辨的角度为 360 n 2 分辨率= 1
2n
（a）
（b）
（c）
（a）4位二进制码盘 接触式码盘
（b）4位格雷码盘
• 2．光电式码盘 • 光电式码盘是一种光电式转角检测装置。码盘用透明及不透明的区域 按一定编码构成。根据其编码方式不同，可分为增量式和绝对式。 • 增量式光电码盘可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应得 脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移量和直线 位移量。 • 由于增量式光电码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，由此得 出结论： • （1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速比换 算为直线位移距离。 • （2）根据脉冲的频率可得工作轴的转速。 • （3）根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序（相位）可判断光电 码盘的正反转。
4.6 本章小结
• 在数控机床中，为了实现位置控制，必须有位置检测装置用于数控机床 运动部件的位移检测。数控机床中常用的位置检测装置有光栅、编码器、 感应同步器、旋转变压器及测速发电机等。从测量方式上看有直接测量 和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测 量及数字式测量和模拟式测量。 旋转编码器常见的形式有增量式的光电编码器和绝对式的码盘 ，前者 输出的“六脉冲”用于计数、辨向和零标志；后者输出二进制数据，如 BCD码或格雷码。光电编码器除了用于位移测量外，还可用于数字式测 速等场合。 光栅尺是一种高精度的直线位移检测装置。通过光电转换，对莫尔条纹 进行计数，得到移动部件的位移及方向等信号。 光电编码器和光栅输出的信号均可以通过倍频处理来提高位移测量的精 度，并通过高低电平来判断运动部件的正、反方向。 旋转变压器和感应同步器均为电磁式测量装置，分别用于角位移和直线 位移的测量，它们有相位工作方式和幅值工作方式，可用于位置控制中 的相位比较和幅值比较。 测速发电机是一种微型直流电动机，在恒定的磁场中，旋转的电枢绕组 切割磁通，并产生感应电动势，通过电动势和转速的关系进行速度控制。
4.5.1磁栅的结构和工作原理
磁栅式位移传感器的结构原理如图4.13所示。它由磁尺（磁 栅）、磁头和检测电路等部分组成。磁尺是采用录磁的方 法，在一根基体表面涂有磁性膜的尺子上，记录下一定波 长的磁化信号，以此作为基准刻度标尺。磁头把磁栅上的 磁信号检测出来并转换成电信号。检测电路主要用来供给 磁头激励电压和磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。
0
0 3
a
b 2
x
S 4
S
N
N
S
S
N
N
S
S
N N 1
λ
输出信号
0 1
5
0 1
7
6 励磁电源
1—磁性膜 8—基体 3—磁尺 4—磁头 5—铁芯 6—励磁绕组 7—拾磁绕组 图4.13 磁栅工作原理
4.5.2 磁栅的测量方式
• 磁栅的测量方式有鉴幅测量方式和鉴相测 量方式。 • (1)鉴幅测量方式 • (2)鉴相测量方式
4.1.2 检测元件分类
• 1．直接检测和间接检测： • 若位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，即直线式测直线位移， 旋转式测角位移，则该测量方式称为直接测量。典型的直线位置检测 装置由光栅、感应同步器和磁栅等，旋转位置检测装置有光电编码器 及旋转变压器等。 • 2．增量式测量和绝对式测量 • 按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。增量式测 量的特点是只测位移增量，即工作台每移动一个基本的长度单位，检 测装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式，这样，一个脉 冲所代表的基本长度就是分辨力，而通过脉冲计数可得到实际位移量。 • 绝对式测量的特点是，被测的任一点的位置都是由同一个固定的零点 算起，每一被测点都有一个对应的测量值，常以数据形式表示。
光电编码器的实 物图例
4.2.2编码器的工作原理
1．接触式码盘 接触式码盘是一种绝对式的检测装置，可直接把被测转角用 数字代码表示出来，且一个角度位置均有其对应得测量代码， 一次这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。 接触式码盘特点;体积小，输出信号功率大。但易于磨损，寿 命短且转速不能太高。
u2 kU m sin t sin
2．工作方式
• 在正、余弦变压器中，定子上的两个绕组分别为正弦绕组 和余弦绕组，如果把转子的一个绕组短接，而定子的两个 绕组中分别通以励磁电压，应用叠加原理，可得两种典型 的工作方式。 • （1）相位工作方式
•
给定子的正、余弦绕组中分别通以同幅、同频，但相位相差π/2的交
• 光电码盘的特点是没有接触磨损，码盘寿 命长，允许转速高，精度较高。缺点为结 构复杂，价格高，光源寿命短。而就码盘 材料来讲，薄钢板和铝板所制成的光点码 盘要比玻璃制的抗震性能好，耐不洁环境， 且造价低。但由于槽数受限，所以分辨力 较后者低。
4.2.3 码盘在数控机床中的应用
1．位移测量 码盘在数控机床中用于工作台或刀架的直线位移测量有两种安装方式：一 是和伺服电机同轴联接在一起（称为内装式码盘），伺服电动机再和滚珠 丝杠联接，码盘在进给传动链的前端；二是码盘联接在滚珠丝杠末端（称 为外装式码盘）。由于后者包含的进给传动链误差比前者多，因此，在半 闭环伺服系统中，后者的位置控制精度比前者高。 2．主轴控制 （1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制 （2）恒线速切削控制 3．测速 光电码盘输出脉冲的频率与其转速成正比，因此光电码盘可代替测速发电 机的模拟测速而成为数字测速装置。数字测速方法有：M法测速、T法测速 和M/T法测速。 4．在交流伺服电动机中的应用
流励磁电压
• （2）幅值工作方式
• 给定的两个绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交流励磁电压
3．旋转变压器的结构
• 从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷和无刷两种类 型。 • 无刷旋转变压器由两部分组成：一部分称分解器，由旋转变压器的定 子和转子组成；另一部分称变压器，用它取代电刷和磁环，其一绕组 与分解器的转子轴固定在一起，与转子轴一起旋转，分解器中的转子 输出信号接在变压器的一次绕组上，变压器的二次绕组与分解器中的 定子一样固定在旋转变压器的壳体上。工作时，分解器的定子绕组外 加励磁电压，转子绕组即耦合出与偏转角相关的感应电压，此信号接 在变压器的一次绕组上，经耦合由变压器的二次绕组输出。