第6章数控机床测量反馈系统.ppt

第6章 数控机床测量反馈系统,数控机床测量反馈系统,概述 旋转变压器 感应同步器 光栅测量装置 脉冲编码器,6.1 概述,一、数控机床检测装置的分类,（1）直接测量和间接测量 若位置检测装置测量的对象就是被测量本身，即直线式测量直线位移，旋转式测量角位移，该测量方式称为直接测量。直接测量组成位置闭环伺服系统，其测量精度由测量元件和安装精度决定，不受传动精度的直接影响，但检测装置要和行程等长，这对大型机床是一个限制。 若位置检测装置测量出的数值通过转换才能得到被测量，如用旋转式检测装置测量工作台的直线位移，要通过角位移与直线位移之间的线性转换求出工作台的直线位移。这种测量方式称为间接测量。间接测量组成位置半闭环伺服系统，其测量精度取决于测量元件和机床传动链二者的精度。因此，为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。间接测量的优点是测量方便可靠，且无长度限制。,数控机床检测装置的分类,（2）增量式测量和绝对式测量 增量式测量装置只测量位移增量，即工作台每移动一个基本长度单位，检测装置便发出一个检测信号，此信号通常是脉冲形式。增量式检测装置均有零点标志，作为基准起点。数控机床采用增量式检测装置时，在每次接通电源后要回参考点操作，以保证测量位置的正确，大多数数控机床采用这种测量方式。 绝对式测量是指被测的任一点位置都从一个固定的零点算起，每一个测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式表示。,数控机床检测装置的分类,（3）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。得到的测量信号为脉冲形式，以计数后得到的脉冲个数表示位移量。其特点是便于显示、处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；抗干扰能力强。 模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示，模拟式测量的信号处理电路较复杂，易受干扰，数控机床中常用于小量程测量。,二、 数控机床对检测装置的要求,（1）满足数控机床的精度和速度要求 （2）工作可靠 （3）便于安装和维护,三、数控检测装置的性能指标与要求,（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称作精度，数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。 （2）分辨率 分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的提高，对提高系统性能指标、提高运行平稳性都很重要。高分辨率传感器已能满足亚微米和角秒级精度设备的要求。 （3）灵敏度 实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。,数控检测装置的性能指标与要求,（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。数控伺服系统的传感器要求迟滞小。 （5）测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 （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变化，传感器测量精度的微小变化。,6.2 旋转变压器,一、旋转变压器的组成及工作原理,旋转变压器,二、相位工作方式,相位工作方式,转子绕组上感应电动势为：,旋转变压器,三、幅值工作方式,幅值工作方式,转子绕组上感应电动势为：,6.3 感应同步器,一、感应同步器的组成及工作原理,感应同步器的组成及工作原理,感应同步器的组成及工作原理,（1）相位工作方式,感应同步器的组成及工作原理,（2）幅值工作方式,感应同步器,二、感应同步器测量系统 （1）鉴相测量系统 感应同步器鉴相测量系统包括脉冲一一相位变换器、励磁供电线路、测量信号放大器和鉴相器等。其原理框图如图6.6所示。,鉴相测量系统,其中，脉冲位变换器的作用是将输入指令脉冲转换成相位值，其原理框图如图6.7所示。,鉴相测量系统,脉冲加减法器是脉冲相位变换器的关键部分，它完成向基准脉冲中加入或抵消脉冲的作用。,鉴相测量系统,图6.8中，基准通道分频器I输出的参考信号作为相位基准供给励磁供电线路，再由励磁供电线路分解成两个相位相差90°的方波，经滤波放大得到正弦及余弦励磁电压供给滑尺的两个绕组，如图6.9所示。,鉴相测量系统,鉴相器的作用是鉴别指令信号与反馈信号相位，并判断相位差的大小和方向。这里介绍一种使用异或门和D触发器组成的鉴相器，如图6.10所示。,鉴相测量系统,感应同步器测量系统,（2）鉴幅测量系统,6.4 光栅测量装置,一、光栅测量的工作原理 光栅装置的结构是由标尺光栅和指示光栅组成的，在标尺光栅和指示光栅上都有密度相同的许多刻线，称为光栅条纹，光栅条纹的密度一般为每毫米25、50、100、250条。对于透射光栅，这些刻线不透光（对于反射光栅，这些刻线不反光）。光线由两刻线之间窄面透射（或反射回来），见图6.12。,光栅测量的工作原理,把指示光栅平行放在标尺光栅侧面，并使它们的刻线相对倾斜一个很小角度，光源放在标尺光栅另一侧面（以透射光栅为例）。当光线通过时，在指示光栅上会产生莫尔条纹，见图6.13，莫尔条纹是明暗相间的条纹。当指示光栅移动时，莫尔条纹移动，移动方向几乎与光栅移动方向垂直。指示光栅相对标尺光栅移动一个刻线距离，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹间距。莫尔条纹间距与刻线间距关系如下：,光栅测量装置,二、光栅测量装置的数字变换线路,光栅测量装置的数字变换线路,光栅测量装置,三、读数头,光栅测量装置,四、等倍透镜系统,6.5 脉冲编码器,脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其它两种。数控机床主要使用光电式脉冲编码器。 光电式脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，能把机械转角变成电脉冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置，同时也用于速度检测。光电式脉冲编码器按编码方式又可分为绝对值式和增量式两种，这两种在数控机床中均有应用。常用的为增量式脉冲编码器，而绝对值式脉冲编码器则用在有特殊要求的场合。,脉冲编码器,增量式编码器结构简单，成本低，使用方便。缺点是有可能由于噪声或其它外界干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；而绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的，坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累计进程中的误计数。运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其它原因造成坐标值清除，通电后仍可找到原绝对坐标位置。其缺点是，当进给转数大于一转时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。,脉冲编码器,一、增量式脉冲编码器 （1）增量式脉冲编码器的分类与结构 增量式脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号由每转输出的脉冲数来区别。数控机床上常用的编码器有两种，一种是以十进制为单位的，如2 000 P/r、2 500 P/r、3 000 P/r等；另一种是以二进制为单位的，如1 024 P/r、2 048 P/r、4 096 P/r等。目前，在高速、高精度数字伺服系统中，应用高分辨率的脉冲编码器的脉冲数则较高，如18 000 P/r、20 000 P/r、25 000 P/r、30 000 P/r等。现在已有使用每转10万以上脉冲的脉冲编码器。,增量式脉冲编码器的分类与结构,增量式脉冲编码器,（2）增量式脉冲编码器的工作原理,增量式脉冲编码器,（3）增量式脉冲编码器的应用,脉冲编码器,二、绝对值式脉冲编码器 （1）绝对值式脉冲编码器的种类与工作原理,绝对值式脉冲编码器,（2）混合式绝对值编码器 这种编码器是把增量制码与绝对制码同制在一块码盘上。在圆盘的最外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成绝对式四位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割为16个等分段。圆盘最里面有发一转信号的狭缝。 该码盘的工作原理是三级计数：粗、中、精计数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示。在一转以内的角度位置由葛莱码的不同数值表示，每1/4圆葛莱码的细分由最外圈增量制码完成。,