第 5 章 数控检测技术

5.1 概 述 组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 5.1 概 述 组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 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，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 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。

5.1.1 检测装置的分类 数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。 ☆安装的位置及耦合方式—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— 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。

表5．1 数控机床检测装置分类 分 类 增 量 式 绝 对 式 位移 传感器 表5．1 数控机床检测装置分类 分 类 增 量 式 绝 对 式 位移 传感器 回转型——脉冲编码器、自整角机 、旋转变压器、圆感应同步器 、光栅角度传感器 、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器 、绝对脉冲编码器 绝对值式光栅 、 三速圆感应同步器 、磁阻式多极旋转变压器 直线型——直线应同步器 、光栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器 、绝对值磁尺、光电编码尺 、磁性编码器 速度 交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器 、霍耳速度传感器 速度—角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、磁敏式速度传感器 电流 霍耳电流传感器

5.1.2 数控测量装置的性能指标及要求 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 5.1.2 数控测量装置的性能指标及要求 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。 2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。

5.2 旋转变压器 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。 5.2 旋转变压器 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。 分类：有电刷、集电环结构和无刷结构 单对极元件、多对极元件（或称多极元件） 工作原理：电磁感应 定子 转子 S1 R1 S2 S3 S4 R2 R3 R4

图5﹒1 旋转变压器结构示意 1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 3 4 5 1 8 7 6 2 图5﹒1 旋转变压器结构示意 1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环

5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 V1=Vmsinωt V1 E 2=0（α= 90°） E 2=KVmSINωtcosα E 2= KVmsinωt（α= 0°） E2= KV 1 cos α= KV m sinωtcos α α=90° E 2 = 0 α=0° E 2 = KV m Sinωt 式中: E 2—转子绕组感应电势； V1—定子绕组励磁电压 V1=Vmsinωt； Vm—电压信号幅值； α—定、转子绕组轴线间夹角； K—变压比 （即绕组匝数比）

= KV m (sinωtcosα- cosωtsinα) 5.2 2 旋转变压器的应用 鉴相方式 Vs=Vmsinωt Vc=Vmcosωt E2 = KV m cosα- KV csinα = KV m (sinωtcosα- cosωtsinα) = KV m sin(ωt-α) 定子的两相绕组中分别加上幅值相等，频率相同,而相位相差90º的正弦交流电压 。 Vs Vc E2 图5.3 定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角(ωt-α)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。

5.2 2 旋转变压器的应用 图5.3 定子两相绕组励磁 2.鉴幅方式 Vs=Vmsinα电sinωt Vc=Vmcosα电sinωt 5.2 2 旋转变压器的应用 定子的两相绕组中分别加上频率相同，相位相同，而励磁幅值分别按正弦和余弦规律变化的交变电压 。 2.鉴幅方式 Vs=Vmsinα电sinωt Vc=Vmcosα电sinωt E2 = KV m cosα机- KV csinα机 = KV m sinωt(sinα电cosα机- cos电sinα机 = KV m sin(α电-α机) sinωt VS VS Vs 感应电势（E2）是以ω为角频率、以Vm sin(α电 -α机 )为幅值的交变电压信号。若电气角α电已知，只要测出E2 幅值(利用E2 =0)，便可间接的求出机械角α机 ，从而得出被测角位移。 Vc E2 图5.3 定子两相绕组励磁

5.3 感应同步器 5．3．1 感应同步器的结构和类型 1.旋转式感应同步器

2．直线式感应同步器 直线式感应同步器是直线条形，它同样由基板、绝缘层、绕组及屏蔽层组成。

5．3．2 感应同步器的工作原理

若设定尺绕组节距为w，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系 5．3．2 感应同步器的工作原理 若设定尺绕组节距为w，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系 可得 设表示滑尺上一相绕组的激磁电压 则定尺绕组感应电压为 式中 K—耦合系数； —激磁电压的幅值； ω —激磁电压的角频率； —与位移对应的角度。

5．3．2 感应同步器的应用 （1） 鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压 5．3．2 感应同步器的应用 （1） 鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。

2. 鉴幅式系统 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。 式中 α—给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为 式中 —与位移对应的角度。

鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。若电气角α 已知，只要测出V2的幅值，便能求出与位移对应的角度 θ。实际测量时，不断调整 α ，让幅值为零。设初始位置时， α = θ ，V2＝0，当滑尺相对定尺移动后，随着θ不断增加， α ≠θ ， V2 ≠ 0 。若逐渐改变α值，直至α = θ ，V2＝0，此时α的变化量就代表了θ对应的位移量，就可测得机械位移。

5.4 直线光栅 光栅的分类：物理光栅和计量光栅 光栅的运动方式：长光栅和圆光栅 光线的走向：透射光栅和反射光栅

5.4.1 长光栅检测装置的结构 1.长光栅检测装置的结构 主要结构为标尺光栅和指示光栅 栅距和栅距角（两个光栅错开的角度） 3 4 5 VS 3 1 2 4 5 图5.9 光栅的结构 1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 4-防护罩 图5.10 光栅读数头 1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路

5.4.1 长光栅检测装置的结构 2.工作原理（以透射投影为例） 莫尔条纹： 严格来说： 横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直 VS θ d W Θ d

5.4.1 长光栅检测装置的结构 莫尔条纹的特征： （1）莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。 （2）放大作用 莫尔条纹宽度 W 和光栅栅距 d、栅线夹角θ之间关系： 由图可知 W=d sinθ 又θ很小可认为 sinθ≈ θ 故 W=d/θ 例如 d = 0.01, θ= 0.01rad, 得W =1mm, 放大100 （3）均化栅距误差作用

5.4.2 光栅位移-数字变换电路 莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分 a b c d sin cos A B C D A’ 相加 正走 反走 a b c d 插动放大 整形 方向 辨别 门 电路 可逆 计数 正脉冲 反脉冲 (sin) (cos) 反向 微分 A B C D A’ C’ B’ D’ Y1 Y2 Y3 Y4 Y8 Y5 Y6 Y7 H1 H2 正向脉冲 反向脉冲

5.5 光电脉冲编码器 5.5.1 脉冲编码器的分类与结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。 脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。 脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等； 1 2 3 4 5 7 6 图5. 14 光电脉冲编码器的结构 1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板

信号处理装置 A B Z 光电盘 透镜 光源 光电元件 透光狭缝 光欄板 节距τ m+τ/4 增量式光电脉冲编码器结构示意图

5.5.2 光电脉冲编码器的工作原理 节距P A B 90° ωt 图5.15光电脉冲编码器的输出波形

5.5.3 光电脉冲编码器的应用 应用一： 适应带加减计数要求的 可逆计数器，形成加计 数脉冲和减计数脉冲 A相信号 a + B相信号 整形 d b c e f - 可逆 计数 & 单稳 反向

5.5.3 光电脉冲编码器的应用 应用二： 适应有计数控制端和方 向控制端的计数器，形 成正走、反走计数脉冲 和方向控制电平。 A1 C Q B相脉冲 整形 单稳 B1 D S R 1 2 Q 3 脉冲 方向 计数 有方向端 的可逆计 数器 应用二： 适应有计数控制端和方 向控制端的计数器，形 成正走、反走计数脉冲 和方向控制电平。 A B A1 B1 C D 1 3 高电平“1” 低电平“0”

第五章结束 谢谢大家！