1、第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、第一節(jié)數(shù)控機(jī)床中的位置檢測(cè)裝置的作用和要求第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置的分類第三節(jié)位置檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)第四節(jié)常用位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理，第三. 1位置檢測(cè)裝置的作用和要求位置檢測(cè)裝置是NC系統(tǒng)的重要組成部分，第二章中， 在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的NC機(jī)床中，必須用位置檢測(cè)裝置隨時(shí)檢測(cè)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量，與給出的控制值(指令信號(hào))進(jìn)行比較，正確地控制驅(qū)動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)(或工具)以規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。 第三章數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置，第三章數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置，第三. 1位置檢測(cè)裝置的作用和要求1 )穩(wěn)定可靠，抗干擾性高。 數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境存在油污、

2、濕氣、灰塵、沖擊振動(dòng)等，檢測(cè)裝置在這樣嚴(yán)酷的環(huán)境下穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境溫度的影響小，能抵抗強(qiáng)電磁干擾。 2 )滿足精度和速度的要求。 為了保證數(shù)控機(jī)床的精度和效率，檢查裝置必須有足夠的精度和檢查速度。 位置檢測(cè)裝置的分辨率必須在數(shù)控機(jī)床分辨率的一位以上。 3 )安裝維護(hù)容易，成本低廉。 受機(jī)床結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的制約，要求位置檢測(cè)裝置小型化、安裝調(diào)整容易。 盡量選擇便宜、性能價(jià)格高的檢查裝置。 由于數(shù)控機(jī)床的加工精度很大程度上取決于數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的精度，所以位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要部件之一，對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度具有決定性的作用。 第三章NC機(jī)床的位置檢測(cè)裝置中，3.2位置檢測(cè)裝置的分類NC機(jī)

3、床的位置檢測(cè)裝置類型很多，根據(jù)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的類型分為數(shù)字式和模擬式的檢測(cè)量的基準(zhǔn)，分為增量式和絕對(duì)式。根據(jù)測(cè)定值的性質(zhì)，可以分為直接測(cè)定和間接測(cè)定。 對(duì)于不同類型的數(shù)控機(jī)床，工作條件和檢查要求不同，必須采用不同的檢查方式。 1 )以輸出信號(hào)的形式分類：數(shù)字：模擬：所測(cè)量的是數(shù)字形式，而測(cè)量信號(hào)一般是電脈沖。 用連續(xù)變化的物理量表示被測(cè)量的物體(電壓相位/電壓振幅的變化)，脈沖編碼器、光柵等測(cè)速發(fā)電機(jī)、解算器、感應(yīng)同步機(jī)、磁標(biāo)尺等第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.2位置檢測(cè)裝置的分類2 )按測(cè)量基點(diǎn)的類型分類： 測(cè)量某個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系中被測(cè)量零件的絕對(duì)坐標(biāo)位置。 脈沖編碼器、解算器、感應(yīng)同步機(jī)、光柵

4、、磁柵、激光干涉儀等，絕對(duì)式脈沖編碼器、三速式絕對(duì)編碼器(或多旋轉(zhuǎn)式絕對(duì)編碼器)等。 第三章NC機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.2位置檢測(cè)裝置的分類2 )位置檢測(cè)元件的運(yùn)動(dòng)形式分類：旋轉(zhuǎn)模：直線模：直線位移測(cè)定、角位移測(cè)定、第三章NC機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.2位置檢測(cè)裝置的分類3 )位置檢測(cè)元件的安裝位置分類、間接測(cè)定： 間接測(cè)量是在執(zhí)行元件前面的執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的軸上安裝位置檢測(cè)裝置，測(cè)量其角位移，轉(zhuǎn)換后得到執(zhí)行元件的直線位移。 直接測(cè)量是將位置檢測(cè)裝置安裝在致動(dòng)器(末端)上，直接測(cè)量致動(dòng)器的末端的直線位移和角位移。 第三章NC機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.3位置檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)1 )精度檢測(cè)精度

5、是指檢測(cè)裝置在一定長(zhǎng)度或旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)測(cè)定累積誤差的最大值。 數(shù)控機(jī)床用傳感器滿足高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。 直線位移檢測(cè)精度通常為0.0020.02mm/m，角位移檢測(cè)精度為0.41/360。2 )分辨率位置檢測(cè)裝置能檢測(cè)的最小位置變化量稱為分辨率。 分辨率必須滿足機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。 分辨率的高低對(duì)系統(tǒng)的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性有很大的影響。 檢測(cè)裝置的分辨率一般以機(jī)床的加工精度的1/31/10來(lái)選擇(即，位置檢測(cè)裝置的分辨率比機(jī)床的加工精度高)。 直線位移分辨率一般為1m，高精度系統(tǒng)分辨率為0.001m，角位移分辨率為0.01/360，第三章數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置、3.3位置檢測(cè)裝置的主要

6、性能指標(biāo)3 )靈敏度輸出信號(hào)變化量與輸入信號(hào)變化量之比為靈敏度。 實(shí)時(shí)測(cè)量裝置不僅靈敏度高，而且輸出輸入關(guān)系的各點(diǎn)的靈敏度應(yīng)該一致。 4 )對(duì)于有滯后的輸入量，傳感器的正行程的輸出量和反行程的輸出量的不一致稱為滯后。 數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求延遲很小。 5 )測(cè)量范圍和測(cè)距傳感器的測(cè)量范圍必須滿足系統(tǒng)的要求，并留有馀量。 6 )對(duì)于零漂移、溫度漂移和溫度漂移，在輸入量沒(méi)有變化的情況下，位置檢測(cè)裝置的輸出量根據(jù)時(shí)間和溫度的變化而變化。 傳感器漂移量是其重要的能量指標(biāo)，零漂移和溫漂移反映了時(shí)間和溫度的變化，傳感器測(cè)量精度的微小變化。 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.4常用位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作

7、原理3.4.1解算器、第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.4常用位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理3.4.1解算器，也稱為同步解算器，是利用變壓器的原理實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的檢測(cè)裝置。 模擬式測(cè)量裝置具有輸出信號(hào)振幅大、抗噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作敏銳、性能可靠等特點(diǎn)，同時(shí)環(huán)境條件不高，廣泛應(yīng)用于半閉環(huán)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 但是，其信號(hào)處理很復(fù)雜。 將機(jī)器的旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為與該旋轉(zhuǎn)角有某種函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)，可以用于角位移測(cè)量。 在結(jié)構(gòu)上與二相繞組式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。 勵(lì)磁電壓與定子線圈連接，轉(zhuǎn)子線圈輸出感應(yīng)電壓，輸出電壓根據(jù)所測(cè)量的角位移的變化變化。 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，3.4.1分解器1 .

8、分類轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，分解器分為刷式和無(wú)刷式。 刷式解算器的特征是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小，但由于刷和滑環(huán)機(jī)械地折接，可靠性差，壽命短。 無(wú)刷解析器由于具有無(wú)刷和滑動(dòng)、輸出信號(hào)大、可靠性高、壽命長(zhǎng)、不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。 分解器根據(jù)變壓器的磁極對(duì)數(shù)分為單極式和多極式。 單極式旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子只有一對(duì)磁極，多極式旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子有多對(duì)磁極，與單極式相比，增加了電旋轉(zhuǎn)角和機(jī)械旋轉(zhuǎn)角的倍數(shù)，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。 在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多的是雙極型分解器。 第三章數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置，3.4.1分解器2 .分解器工作原理根據(jù)互感原理工作時(shí)，向定子線圈施加勵(lì)磁電壓，通過(guò)電磁耦合，在轉(zhuǎn)

9、子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，通過(guò)測(cè)量被測(cè)量軸的旋轉(zhuǎn)角間接地測(cè)量工作臺(tái)的位移。 根據(jù)第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.4.1解算器2 .解算器的工作原理，解算器的轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的振幅按照轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的正弦規(guī)則嚴(yán)格變化，由此可知，如果測(cè)量解算器的轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的振幅，就可以測(cè)量轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。 分解器可以單獨(dú)與滾珠絲杠連接，也可以與伺服電機(jī)一體化。 3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)變壓器能夠用輸出電壓的相位和輸出電壓的振幅反映測(cè)量的位移量的大小，因此其動(dòng)作方法分為鑒賞方式和鑒賞方式兩種。1 )對(duì)單相型旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個(gè)定子線圈分別通電相同寬度、相同頻率，相位差為/2的交流勵(lì)

10、磁電壓U1s和U1c，在轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)，該兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓重疊，轉(zhuǎn)子的輸出電壓U2 :式中，K的輸出電壓的相位角(即轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，同樣地得到輸出電壓U2，由此可知，轉(zhuǎn)子的輸出電壓的相位角t 與之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。 如果檢測(cè)到t ，則獲得值(即被檢測(cè)軸角位移)。 在實(shí)際應(yīng)用的情況下，將定子馀弦線圈勵(lì)磁電壓的相位t作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子輸出電壓U2的相位t 進(jìn)行比較來(lái)決定的大小。 3.4.1分解器2 )對(duì)錯(cuò)寬型分解器的兩個(gè)定子線圈分別通電同相、同相，但振幅分別以正弦和馀弦變化的勵(lì)磁電壓U1s和U1c，即：式中勵(lì)磁電壓的相位角。 當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)，這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組

11、中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓重疊，當(dāng)轉(zhuǎn)子的輸出電壓U2 :轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，如果知道輸出電壓U2 :電角，則通過(guò)測(cè)定輸出電壓的振幅kUmcos(-)來(lái)測(cè)定角(即被測(cè)定軸的角位移) 在實(shí)際測(cè)量中，不斷地修正定子勵(lì)磁電壓的振幅(相當(dāng)于修正角)，追蹤變化，使kUmcos(-)=0。 =時(shí)，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓達(dá)到最大。 通過(guò)計(jì)算定子勵(lì)磁電壓的振幅來(lái)計(jì)算相位角，求出的大小。 問(wèn)題是如何從角位移計(jì)算直線位移？ 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，3.4.2感應(yīng)同步器是一種分解器的進(jìn)化，也是一種電磁感應(yīng)式位移檢測(cè)裝置。 根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途，分為線性感應(yīng)同步器和圓盤旋轉(zhuǎn)感應(yīng)同步器，線性感應(yīng)同步器測(cè)量直線位移，圓盤旋轉(zhuǎn)感應(yīng)同步器測(cè)量角位移，兩

12、者的工作原理基本相同。 感應(yīng)同步器具有高測(cè)量精度和分辨率，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。 現(xiàn)在，直線式感應(yīng)同步器的測(cè)量精度為1.5m，測(cè)量分辨率為0.05m，可以測(cè)量大的位移。 因此，感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床和其他機(jī)床定位中，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于雷達(dá)天線的定位跟蹤、精密機(jī)床和測(cè)量?jī)x的分度裝置等。 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.4.2感應(yīng)同步電機(jī)、第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置、3.4.2感應(yīng)同步電機(jī)1 .直線型感應(yīng)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)直線型感應(yīng)同步電機(jī)由定尺和滑尺兩部分組成，下圖是感應(yīng)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。 尺和尺安裝在機(jī)床的床和移動(dòng)零件上，尺或尺與桌子一起移動(dòng)，兩者平行放置，保持0

13、.20.3mm的間隙。 如果標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)同步尺是250mm，尺上安裝感應(yīng)線圈的滑動(dòng)規(guī)的長(zhǎng)度是100mm，感應(yīng)同步電機(jī)實(shí)際使用時(shí)，測(cè)得的位移長(zhǎng)度比尺寸長(zhǎng)，該如何解決？ 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，3.4.2感應(yīng)同步器1 .直線型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)標(biāo)度上有兩組勵(lì)磁繞組，一組為正弦勵(lì)磁繞組Us，一組為馀弦勵(lì)磁繞組Uc。 繞組的間距與定尺繞組的間距相同，用表示。 正弦勵(lì)磁線圈和定尺線圈加起來(lái)，馀弦勵(lì)磁線圈和定尺線圈相差1/4間距。 因?yàn)槌叩睦@組是均勻的，所以尺上的兩個(gè)繞組在空間位置上相差1/4間距，即/2相位角。 可知在、滑動(dòng)尺移動(dòng)1個(gè)間距的過(guò)程中，感應(yīng)電位發(fā)生了一個(gè)周期的變化。 圖示定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

14、的產(chǎn)生原理，明確了在定尺和滑尺的相對(duì)位移中，感應(yīng)電壓周期性變化，其波形為馀弦函數(shù)。 在尺移動(dòng)一個(gè)間距的過(guò)程中，感應(yīng)電壓改變了馀弦周期。 同樣，在尺寸的馀弦繞組中流過(guò)交流勵(lì)磁電壓時(shí)，在尺寸繞組中得到感應(yīng)電壓和2尺的相對(duì)位移的關(guān)系曲線，它們之間成為正弦函數(shù)關(guān)系。如果勵(lì)磁電壓u=Umsint，則在定尺線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電位ee=kUmcoscost式中的um-勵(lì)磁電壓振幅(v )； -勵(lì)磁電壓角頻率(rad/s) k-比例常數(shù)，其值與線圈間最大互感系數(shù)有關(guān)的-尺寸相對(duì)尺寸空間中的相位角。 在1個(gè)間距w內(nèi)，位移x和的關(guān)系是=2x/W感應(yīng)同步器利用感應(yīng)電位的變化，檢測(cè)1個(gè)間距w內(nèi)的位移量，用絕對(duì)式測(cè)定的。

15、例如，感應(yīng)電位和勵(lì)磁電壓相位差=1.8、間距W=2mm、=2x/W、X=0.01mm，感應(yīng)同步器作為位置測(cè)定裝置，在數(shù)控機(jī)床上有兩種動(dòng)作方式. 鈴相式：在該工作方式下，滑尺的正弦線圈和馀弦線圈振幅和頻率分別相同，相位角相差/2的交流電壓： Us=UmsintUc=Umcost勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生在空間中將向頻率移動(dòng)的電磁波。 磁場(chǎng)切斷尺導(dǎo)線，在其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 該電動(dòng)勢(shì)根據(jù)尺和尺的位置會(huì)產(chǎn)生前進(jìn)和延遲的相位差。 根據(jù)尺寸上的感應(yīng)電壓關(guān)系，分別在尺寸繞組上感應(yīng)的電位為es=kum coscostec=-kum cos (/2) sint=kum ninsint，根據(jù)重疊原理，尺寸繞組上的總輸出感應(yīng)電位e

16、， 由于e=es EC=kum coscost kumnsinsint=kum cos (t -)=kum cos 感應(yīng)同步器的相位比較方式用于相位比較伺服系統(tǒng)。 紙幣方式：從定尺輸出的感應(yīng)電位的振幅變化檢測(cè)位移量。 定標(biāo)器的正弦、馀弦線圈勵(lì)磁電壓為相同頻率、同相位，但振幅不同，即以u(píng)s=Umsindsintuc=Umcosdsint式，在d-勵(lì)磁電壓的規(guī)定相角分別勵(lì)磁的情況下，在定尺線圈中產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電位， es=kum nindcoscostec=kum cosdcos (/2) cost=-kum cosdsincost，根據(jù)重疊原理，在規(guī)定尺寸上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電位為e=es EC=k

17、um (sindcos- cos 如果cost=kumnin(d-2x/w)cost相對(duì)于初始狀態(tài)d=的尺寸以為的方式位移，則感應(yīng)電位的增加量以ekumxcost式計(jì)為=2x/W，因此在x小的情況下，e與x成比例在x大的情況下，通過(guò)使d變化為d=、e=0，能夠根據(jù)d求出，能夠求出位移量x。 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，3.4.3編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測(cè)裝置，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。 旋轉(zhuǎn)編碼器通常安裝在被檢軸上，與被檢軸一起旋轉(zhuǎn)，將被檢角位移直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字(脈沖)信號(hào)，因此，也稱為旋轉(zhuǎn)編碼器，該測(cè)定方式中沒(méi)有累積誤差。 旋轉(zhuǎn)編碼器也可以用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)速度. 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，3.4.3編碼器為輸出信號(hào)形式，旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式和絕對(duì)式兩種。 一般的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是增量式光電編碼器，其原理如圖所示。 增量型光電式編碼器的示意原理、增量型光電式編碼器的檢測(cè)裝置由光源、聚光透鏡、格子盤、格子板、光電管、信號(hào)處理電路等構(gòu)成。 格子盤和格子板是用玻璃研磨制成的，玻璃表面在真空中鍍上不透明的鉻，用照相蝕刻法在格子盤的邊緣開(kāi)設(shè)了等間隔的透光狹縫。 在格子板上做兩條狹縫，在各狹縫后面安裝光電管。 第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，3.4.3編碼