数控技术位置检测装置

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表5-1 数控机床检测装置的分类 分类 旋转型 位移检 测装置 增量式 脉冲编码器、自整角机、旋 转编码器、感应同步器、光 栅角度传感器、光栅、磁栅 绝对式 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 三速感应同步器、绝对值磁尺、光 电编码尺、磁性编码器 速度-角度传感器、数字电磁式传感 器、磁敏式速度传感器
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5.1.3.3 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量位移增量，即工作台每移动 一个基本长度单位，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单位就 是分辨率，而通过对脉冲计数便可得到位移量。若增量式检 测系统分辨率为0.01㎜，则工作台每移动0.01㎜，检测装置 便发出一个脉冲，送往微机数控装置或计数器计数。当计数 值为100时，表示工作台移动了1㎜。这种检测方法结构比较 简单。但是一旦计数有误，后面的测量结果就会发生错误， 再有就是在发生某种故障时，尽管故障已经排除，但由于该 测量没有一个特定的标志，所以不能找到原来的正确位置。
（6）零漂与温漂 传感器的漂移量是其重要性能标志， 它反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。
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5.1.3 位置传感器的测量方式
由于工作条件和测量要求的不同，位置传感器有不同的 测量方式。
5.1.3.1 直接测量和间接测量 位置传感器按形状可分为直线式和旋转式。用直线式位 置传感器测直线位移，用旋转式位置传感器测角位移，则该 测量方式称为直接测量。用直线式检测装置测量，可直接反 映工作台的实际位移量。但由于检测装置要和行程等长，故 其在大型数控机床的应用中受到限制。
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（3）灵敏度 测量装置响应的变化除以相应的激励的变 化。实时测量装置灵敏度要高，输出、输入关系中对应的灵 敏度要求一致。 （4）迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量和 反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统的传感 器要求迟滞要小。 （5）测量范围 并留有余地。 传感器的测量范围要满足系统的要求，
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5.1.3.2 数字式测量和模拟式测量
数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量。得到的 测量信号通常是电脉冲形式，它将脉冲个数计数后以数字形 式表示位移。 模拟式测量是以模拟量表示被测量，得到的测量信号是 电压或电流，电压或电流的大小反映位移量的大小。由于模 拟量需经/转换后才能被计算机数控系统接受，所以目前模 拟式测量在计算机数控系统中应用很少。而数字式测量检测 装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示和处理，所以目 前应用非常普遍。
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绝对式测量的特点是：被测的任一点的位置都由一个固 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。这种测量装置分辨率越小，结构越复杂。 此外，对检测装置还要求工作可靠，抗干扰性强，使用 维修方便，成本低等。下面就数控机床上常用检测装置作一 介绍。
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5.2 旋转变压器
旋转变压器是一种控制用的微电机，它将机械转角变换 成与该转角呈某一函数关系的电信号。在结构上与二相线绕 式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器 的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组 上，其频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。旋转变 压器结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便。 输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。因此广泛用于数 控机床上。
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5.2.1 旋转变压器的工作原理
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旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通 分布符合正弦规律，因此当励磁电压回到定子绕组上时，通 过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。其输出电压大小取 决于转子的角度位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。 当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置转动角度时，绕组 产生的感应电动势应为
直线感应同步器、光栅尺、 直线型 磁栅尺、激光干涉仪、霍尔 传感器
速度检 交、直流测速发电机、数字脉冲编码 测装置 式速度传感器、霍尔速度传感器 电流检 测装置 霍尔电流传感器
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5.1.2数控检测装置的性能指标
检测装置放置在伺服驱动系统中。由于所测量的各种物 理量不断变化的，因此传感器的测量输出必须能准确、快速 地跟随反应这些被测量的变化。传感器的性能指标包括静态 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的特定函数关系的 准确程度称为精度，数控用传感器要满足高精度和高速实时 测量的要求。 （2）分辨力 分辨力是显示装置能够有效辨别的最小示 值差。要求其应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的 提高，对提高系统其他性能指标和运行平稳性都很重要。
第五章 位置检测装置
5.1 概述 5.2 旋转变压器 5.3 感应同步器 5.4 光栅 4.5 磁栅 4.6 编码器
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5.1 概述
数控机床对检测装置的要求主要有以下几点： （1）要求有较高的可靠性和抗干扰能力 抗各种电磁干扰，抗干扰能力要足够强。 检测装置应能
（2）满足精度和速度的要求 随着数控机床的发展，其 精度和速度越来越高，因此，要求检测装置必须满足数控机 床的高精度和高速度的要求。其分辨率应在0.00.～0.01㎜ 内，测量精度应满足±0.002～0.02㎜/m，运动速度应满足 0～20m/min。
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（3）便于安装和维护
检测装置安装时要满足一定的安
装精度要求、防油污、防切屑等措施。 （4）成本低、寿命长 不同类型的数控机床对检测系统
的分辨率和速度有不同的要求，一般情况下，选择检测系统 的分辨率或脉冲当量，要求比加工精度高一个数量级。
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5.1.1 检测装置的分类 在当前常用的闭环和半闭环系统中，检测装置根据被测 物理量分为位移、速度等类型；按测量方法分为增量式和绝 对值式两种；根据运动形式分为旋转型和直线型检测装置。 数控机床常用的检测装置见表5-1。 数控机床伺服系统中采用的位置检测装置一般分为直线 型和旋转型两大类。直线型的位置检测装置用来检测运动位 移的直线位移量；旋转型的位置检测装置用来检测回转部件 的转动位移量。除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还 包括检测速度元件，用以检测和调节电动机的转速。常用的 测速元件是测速发电机。