C N C第6章数控机床的检测装置
主要内容?6.1 概述
?6.2 旋转变压器
?6.3 感应同步器
?6.4 光栅
?6.5 磁栅
?6.6 编码器
位置检测装置作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动。
位置测量装置组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。
数控系统中的检测装置分：位移、速度和电流三种类型。
常用位移检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。
闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统精度决定。
半闭环控制的数控机床：
旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。
闭环控制系统的数控机床：
感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。
位置检测装置的精度：系统精度、分辨率
系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。一般：
直线位移检测精度：±0.002～0.02mm/m；
回转角测量精度：±10″／360°
系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。目前：
直线位移分辨率：1μm，高精度0.1μm；
回转分辨率：可达2″。
不同数控机床对检测装置精度、速度要求：
大型机床：速度为主；
中小型机床、高精度机床：精度为主。
6.1.1数控机床对检测装置的主要要求
1）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；
2）在机床移动范围内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；
5）易于实现高速的动态测量。
6.1.2 位置检测装置分类(位移传感器)3速直线感应同步器
绝对值式磁尺
直线感应同步器磁尺多通道透射光栅计量光栅激光干涉仪直线型
多极旋转变压器
3速圆感应同步器旋转变压器圆感应同步器圆磁尺
绝对式脉冲编码器增量式脉冲编码器圆光栅回转型绝对式
增量式绝对式增量式模拟式数字式
1．增量式与绝对式
1）增量式检测方式
测量位移增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号。如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信号，通过对脉冲计数可得到位移量。
优点：检测装置较简单，任何一个对中点均可作为测量起点；
缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的位置，必须将工作台移至起点重新计数。
2）绝对式测量方式
被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。
避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂。
接触式码盘
2．数字式与模拟式
1）数字式测量方式
将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：
（1）被测量以数字形式表示，便于显示、处理；
（2）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）；
（3）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。
2）模拟式测量方式
将被测量用连续的变量来表示，如用相位变化、电压变化表示。特点：
（1）直接对被测量进行检测；
（2）在小量程内可以实现高精度测量；（3）可用于直接检测和间接检测。
3．直接测量与间接测量
1）直接测量
位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，即：用直线式检测装置测直线位移，用旋转式检测装置测角位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。
直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。
测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。
检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。
2）间接测量
若回转型位置检测装置测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈。
对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。
优点：使用可靠方便，无长度限制。
缺点：在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。
是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机，数控机床上常见的角位移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机床。
优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点。
缺点：信号处理比较复杂。
旋转变压器的分类
按有无电刷分：接触式和无接触式两种；按极对数分：单对极和多对极；
按用途分：计算用旋转变压器和数据传输用变压器；
按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等。
6.2.1旋转变压器的结构
旋转变压器（同步分解器），与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。
有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。
无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。
数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成：
分解器：左，结构与有刷旋转变压器基本相同。变压器：右，无电刷与滑环，作用是不通过电刷与滑环把信号传递出来
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。
无刷旋转变压器由
两部分组成：一部分称
为分解器，由旋转变压
器的定子和转子组成；
另一部分称为变压器，
用它取代电刷和滑环，
其一次绕组与分解器的
转子轴固定在一起，与
转子轴一起旋转。
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48分解器定子线圈外接激磁电压（频率400Hz 、500Hz 、1000Hz 、2000Hz 、5000Hz ），频率较高，旋转变压器尺寸显著减小，转子转动惯量也很小，适用加、减速比较大或精度高的齿轮、齿条组合使用的场合；
分解器转子线圈输出信号接到变压器的一次绕组5，从变压器的二次绕组7引出最后的输出信号。
单极对：定子和转子各有一对磁极。
多极对：增加定子或转子极对数，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。
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。
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，以保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同。
多极对：不用升速，与电机直接相联，精度更高。一极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器可构成“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测。