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第五部分数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。
为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。
直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。
b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。
用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。
位移传感器的输出只有两种形式，即模拟式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。
(2)模拟式和数字式位移传感器:模拟传感器——传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。
数字位移传感器——工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。
根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。
(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。
半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。
2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。
传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个物理量等分后的最小单位。
无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。
另一方面，测量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影响。
3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。
光栅位移检测装置的测量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。
一、选择题1.（）在数控车床上加工螺纹，主轴编码器起到了主轴转动与进给运动的联系作用。
2.（）半闭环和全闭环位置反馈系统的根本差别在于位置传感器安装的位置不同，半闭环的位置传感器安装在工作台上，全闭环的位置传感器安装在电机的轴上。
3.（）检测元件的作用是检测位移和速度的实际值，并向数控装置或伺服装置发送反馈信号，从而构成闭环控制。
4.（）光电脉冲编码器既可以测量位置，又可以测量速度。
5.（）数控装置要输入、输出信息，就要将其内部构件与外界不同功能的装置相连，如伺服装置、开关量的输入、输出、电源等。
6.（）世界上第一台数控机床是1958年试制成功的。
7.（）CNC系统中，由硬件完成的功能原则上不可以由软件完成。
8.（）脉冲当量决定了伺服系统的位移精度，因此脉冲当量越大，位移精度越高。
9.（）步进电机的步距角越大，控制精度越高。
10.（）伺服驱动系统的跟随误差越小，响应速度越快。
11.（）CNC装置的控制功能主要反映CNC装置能够控制的联动轴数目以及各轴的转速和转向。
12.（）CNC装置的进给功能主要反映刀具的进给速度。
13.（）数控装置的外部电源采用AC24V或者DC24V。
14.（）数控装置上的变频电源要求壁挂立式安装，并在机壳内配有冷却风扇以保证热量得到充分的散发。
15.（）为保证变频电源是正常工作，其外壳PE应可靠地接入大地零电位。
16.（）全闭环伺服系统所用位置检测元件是光电脉冲编码器。
17.（）步进电机驱动电路是直流稳压电源。
18.（）在伺服系统中，交流伺服电机具有独立的励磁回路，能获得优良的动态和静态性能。
19.（）数控机床电气控制系统的发展与数控系统、伺服系统、可编程序控制器发展密切相关。
20.（）步进电机最大的缺点在于容易失步，特别是大负载和低度的情况下，失步更容易发生。
21.（）步进电机能方便地将电脉冲转变为角位移，具有定位精度好、无漂移和无积累定位误差的优点。
22.（）步进电机细分控制的思路是：以阶梯波的形式逐步增加和减少绕组电流，逐步实现脉冲在相邻拍对应的导通相之间进行切换。
形成性考核二1.圆光电编码器主要用于直线运动导轨位移量的检测。
判断题 (2 分)A.错误B.正确2.数控机床进给系统的机械传动结构中，（）具有滚动摩擦的导轨。
单选题 (4 分)A.气动导轨B.静压导轨C.滚动导轨D.塑料导轨3.半闭环控制系统的传感器装在单选题 (4 分)A.工件主轴上B.刀具主轴上C.机床工作台上D.电机轴或丝杠轴端4.对于配有设计完善的位置伺服系统的数控机床，其定位精度和加工精度主要取决于单选题 (4 分)A.位置检测元器件的精度B.驱动装置的精度C.机床机械结构的精度D.计算机的运算速度5.按机床的运动轨迹来分，数控机床可分为单选题 (4 分)A.点和直线控制、轮廓控制B.车床、铣床C.开环、闭环和半闭环D.硬线、软线6.某控制系统，控制刀具或工作台以给定的速度沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置精确定位，此种控制方式属于单选题 (4 分)A.点位控制B.无正确答案C.轨迹控制D.点位直线控制7.根据控制运动方式不同，机床数控系统可分为单选题 (4 分)A.点位控制系统和连续控制系统B.NC系统和CNC系统C.多功能数控系统和经济型数控系统D.开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统8.在闭环系统中，光栅传感器可用于检测运动件的直线位移量。
判断题 (2 分)B.错误9.光栅中，标尺光栅与指示光栅的栅线应单选题 (4 分)A.互相倾斜一个很大的角度B. 互相倾斜一个很小的角度C.相互平行D.外于任意位置均可10.脉冲编码器是一种光学式的位置检测元件，编码盘直接装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。
判断题 (2 分)A.错误B.正确11.数控系统所规定的最小设定单位就是单选题 (4 分)A.数控机床的运动精度B.脉冲当量C.数控机床的传动精度D.机床的加工精度12.测量反馈装置的作用是为了提高机床的定位精度、加工精度。
判断题 (2 分)A.财务B.正确13.脉冲编码器能把机械转角变成脉冲，可作为角速度检测装置。
伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
一、填空题（每空１分)1.目前第四代计算机采用元件为_大规模集成电路＿_＿。
2.数字控制是用_数字化信息＿____＿＿对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。
3.数控机床上有一个点,该点到机床坐标零点在进给坐标轴方向上的距离可以在机床出厂时设定。
该点称为机床参考点_。
4.数控机床中的标准坐标系采用右手定则的笛卡尔坐标系,并规定远离刀具与工件之间距离的方向为坐标正方向。
5.按照机床的运动方式分类, 可分成点位控制系统、点位直线控制系统、＿轮廓控制＿_＿__系统。
6.数控编程描述的是刀具_刀位点____的运动轨迹，加工时也是按其来对刀。
7.在轮廓控制中，为了保证一定的精度和编程方便，通常需要有刀具的_＿_位置补偿___＿_＿_和＿＿_刀尖圆弧半径＿＿___补偿功能。
8._＿_走刀路线___＿_＿是指数控加工过程中刀具相对与被加工工件运动的轨迹和方向。
换刀点是数控程序中指定用于换刀的位置点,其位置应避免与_＿工件_______、_＿＿＿____夹具＿___＿和＿______＿机床_＿__＿_干涉。
９。
数控加工工艺文件主要包括__＿数据编程任务书______＿_、＿＿__数据加工工件安装和原点设定卡片_＿__＿＿_、＿_数据加工工序卡片＿____、_＿数据加工走刀路线图__ ___等9.孔加工的固定循环指令中，在返回动作时,用G98指定刀具返回__＿初始_____＿平面;用G９9指定刀具返回___＿_＿参考＿______平面。
10.为了提高加工效率，进刀时,切削开始点的确定以尽量接近工件、不碰撞工件为原则。
11.在轮廓控制中,为了保证一定的精度和编程方便,通常需要有刀具＿＿_长度偏置______和___半径____＿_补偿功能.12.数控铣床进行刀具长度补偿时,刀具需沿_＿_＿___Z轴_＿__＿_＿方向多移动一个补偿距离,则采用Ｇ43；反之,采用G44。
13.在数控编程时，使用Ｍ３0 指令后，就表示程序结束并返回到零件程序头.14.加工中心自动换刀装置的刀库主要有____鼓(盘)式__＿_＿___、_＿__＿链式＿____＿两种形式。
∙关键词：伺服系统位置检测元件感应同步器
∙摘要：位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。
而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成。
这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。
1.位置检测元件的要求和种类
位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。
而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成。
这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。
对于采用半闭环控制的位置伺服系统，其闭环路内不包括机械传动环节，它的位置检测装置一般采用旋转变压器，或高分辨率的脉冲编码器，装在进给电机或者丝杠的端头，旋转变压器(或脉冲编码器)每旋转一个角度，都严格对应着运动机构移动的一定距离。
测量了电机或丝杠的角位移，也就是间接测量了运动机构的直线位移。
对于采用闭环控制系统的位置伺服系统，应该直接测量工作台的直线位移，可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。
由工作台直接带动感应同步器的滑动尺度的同时，与装在机床床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位置。
可见，位置测量装置是位置伺服系统的重要组成部分。
它的作用是测量位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。
数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。
位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。
分辨率不仅取决于检钡4元件本身，也取决于测量线路。
位置伺服系统对检测装置的主要要求如下：
(1)高可靠性和高抗干扰性.
(2)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。
2. 感应同步器
感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。
可用来测量直线或转角位移。
测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。
长感应同步器由定尺和滑尺组成，如图10．10所示。
圆感应同步器由转子和定子组成。
这两类感应同步器是采用同一的工艺方法制造的。
一般情况下。
首先用绝缘粘贴剂把钢箔粘牢在金属(或玻璃)基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。
这种绕组称为印制电路绕组。
定尺和滑尺、转子和定子上的绕组分布是不相同的。
在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。
分段绕组分为两组，布置成在空间相差90。
相角，又称为正、余弦绕组。
感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。
安装时，定尺和滑尺、转子和定子上的平面绕组面对面地放置。
由于其阔气隙的变化要影响到电磁耦合度的变化，因此气隙一般必须保持在(0.25~0．05)mm的范围内。
工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺(或转子与定子)的相对位置不同呈正弦、余弦函数
变化。
再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。
感应同步器的优点如下：
(1)具有较高的精度与分辨力。
其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。
感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。
目前长感应同步器的精度可达到土1．5μm，分辨力O．05μm，重复性O．2μm。
直径为300mm的圆感应同步器的精度可达±″分辨力O．05″，重复性O．1″
(2)抗干扰能力强。
感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。
平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。
(3)使用寿命长，维护简单。
定尺和滑尺、定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。
它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫，但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。
(4)可以作长距离位移测量。
可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。
拼接后总长度的精度可保持(或稍低于)单个定尺的精度。
目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。
(5)工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如，用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。
圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。
3. 光电脉冲编码器编码器如以信号原理来分，有增量型编码器和绝对型编码器。
下面以增量型编码器为例作简要说明。
1)工作原理由图10．11所示，由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D。
每个正弦波相差90。
相位差(相对于一个周波为360�)，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90�，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线�其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
