伺服系统中的常用检测装置.ppt
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1、2019/7/23,1,5 伺服系统中的常用检测装置,5.1 概述 组成: 位置测量装置是由检测元件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。 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,须精心选择位置检测装置。,2019/7/23,2,检测系统的基本特性,(1)系统精度 是指在一定长度或转角范围内测量积累误差的最大值 长度位置检测精度均已达到0.002-0.02mm/m以内,回转角测量精度达到10/360; (2)系统分辨率 是测量
2、元件所能正确检测的最小位移量,目前长度位移的分辨率多数为1m,高精度系统分辨率可达0.1m,回转分辨率为2。 不同类型数控机床对检测装置的精度和适应速度要求是不同的。,2019/7/23,3,(3)线性度 是用实测的I/O曲线与拟合直线之间最大偏差和满量程输出的百分比来表示的。 (4)灵敏度 是指传感器或检测系统输出的变化量和引起此变化的输入变化量的比值。 (5)迟滞 系统的加载和卸载曲线不重合的程度叫做迟滞。,2019/7/23,4,对于大型机床以满足速度要求为主 对于中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。 系统分辨率的提高,对加工精度有一定的影响,但也不宜过小 分辨率的选取通常和脉冲当
3、量的选取方法一样,数值也相同,均按机床加工精度的1/3-1/10选取。 机床进给伺服系统所用的检测部件主要有: 旋转变压器和脉冲编码器两种,在全闭环时用作位置检测的还有光栅等。,2019/7/23,5,2019/7/23,6,5.1.1 对位移检测装置的要求,(1)除了对电磁感应有较强的抗干扰能力外,还要求不怕油、水的污染,也要求检测元件被环境温度影响较小。 (2)在机床执行部件移动范围内,满足精度和速度响应时间要求 直线位移检测装置的分辨率一般在0.0001-0.01mm之间,其测量精度可达0.001-0.02mm/m。 (3)使用维护方便,使用机床工作环境。 由于机床在实际加工中有铁屑和切
4、削液的存在,所以检测元件在拖板上安装时也必须有一定的防护罩。 (4)成本低,2019/7/23,7,对转角测量装置的分辨率在2时其测量精度可达10/360。 (5)对所检测位移信号处理方便 指从检测元件中取出的与位移有关的电信号,通过有关电路进行放大、整形、细分、记数等信号处理。 一般来说,数字式测量装置的信号处理较方便,而模拟式测量装置的信号处理就较复杂。 (6)使用经济。 成本低、寿命长。,2019/7/23,8,5.1.2 分类,2019/7/23,9,1)按照测量手段将其分为直接测量和间接测量 (1)直接测量 用实现标定好的测量仪表直接读取被测量结果的方法。 (2)间接测量 一般在无法
5、进行直接测量时采用,其方法是先对与被测量有确定函数关系的几个参数进行测量,并将结果代入函数关系经过计算得到所需被测量的值。 2)偏差式测量、零位式测量和微差式测量,2019/7/23,10,5.2 旋转变压器,旋转变压器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。 从物理本质上看,旋转变压器是一种可以转动的变压器,它由定子和转子组成 其原、副绕组分别放置在定、转子上,原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。 当它的原绕组施加单相交流电压励磁时,副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。,2019/7/23,11,分类方法:,(1)若按有无电刷来分,可分为接触式和无接触式两种; (2
6、)若按极对数来分,可分为单对极和多对极; (3)若按用途来分,可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器; (4)若按输出电压与转子转角间的函数关系来分,可分为 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四类。,2019/7/23,12,5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理,2019/7/23,13,工作原理,定子绕组和转子绕组之间产生感应电压。 一般定子绕组通激磁电压,转子绕组的感应信号作为输出,有:E2=KEMsinwt 旋转变压器在结构上保证其定子和转子之间气隙内磁通分布符合正弦规律, 当激磁电压加到定子绕组上时,通过电磁耦合,转子绕组产生感应电动势,其
7、工作原理如图所示。,2019/7/23,14,旋转变压器工作原理,2019/7/23,15,旋转变压器原理说明,设加到定子绕组的激磁电压为U1=UMsinwt,通过电磁耦合,转子绕组将产生感应电动式为E2。 (1)当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴相互垂直时,转子绕组的感应电动势E2=0; (2)当转子绕组的磁轴自垂直位置转过90时,此时转子绕组的感应电压为最大E2=KUMsinwt。 (3)当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角时,定子磁通在转子绕组平面的投影,则转子绕组因定子磁通变化而产生的感应电动势为:,2019/7/23,16,正余弦旋转变压器,2019/7/23,17,5.2.2 工作方
8、式,于四极旋转变压器,可以得到两种工作方法:鉴相工作法和鉴幅工作法 1)鉴相工作法 如果定子的两相正交绕组,分别通以频率和幅值都相等,而相位差为90的激磁交流电压,即,转子绕组产生感应电动势为定子两相磁通所产生的感应电动势之和,即,2019/7/23,18,转子绕组输出电压信号与定子输入电压信号的相位差,与转子的偏角相等。 通过检测这个相位差值,就可以测量出与转子轴相连的机械轴的转角。,2019/7/23,19,2)鉴幅工作法,定子两相正交绕组分别通以频率和相位都相等,而幅值分别与电气角的正弦和余弦成正比的激磁交流电压,即,此时转子绕组产生感应电动势,2019/7/23,20,2019/7/2
9、3,21,2019/7/23,22,5.3 感应同步器,感应同步器也是一种电磁式检测传感器,按其结构可分为:直线感应同步器和圆形感应同步器两种。 直线式由定尺和滑尺两部分组成; 而圆形感应同步器由定子和转子组成。 感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和次级线圈,它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。 为了辨向和细分,在滑尺上制作两个彼此相差/2的绕组,这两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组。,2019/7/23,23,2019/7/23,24,感应同步器作为检测元件有如下的优点: (1)精度高 因为定尺的节距误差有平均自补偿作用,所以尺子本身的精度能做得较高。 直线感应同步器对机床位移的
10、测量是直接测量,不经过任何机械传动装置,测量精度主要取决于尺子的精度 (2)测量长度不受限制 当测量长度大于250mm时,可以采用多块定尺接长,相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整,使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。 在行程为几米到几十米的中型或大型机床中,工作台位移的直线测量,大多数采用直线式感应同步器来实现。,2019/7/23,25,(3)对环境的适应性较强 因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近,因此当温度变化时,还能获得较高的重复精度 感应同步器是非接触式的空间耦合器件,所以对尺面防护要求低,而且可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层,加强感应同步器的抗温、
11、防湿能力。 (4)维护简单、寿命长 感应同步器的定尺和滑尺互不接触,因此无任何摩擦、磨损,使用寿命很长,不怕灰尘、油污及冲击振动。同时由于是电磁耦合器件,所以不需要光源、光电元件,不存在元件老化及光学系统故障等问题。 (5)抗干扰能力强、工艺性好、成本低,便于复制和成批生产。,2019/7/23,26,标准感应同步器的外形尺寸,2019/7/23,27,圆型感应同步器的绕组,2019/7/23,28,5.3.1 感应同步器的工作原理,直线感应同步器的结构,2019/7/23,29,感应同步器工作原理,2019/7/23,30,当滑尺的两个绕组中的任一绕组中通过激磁交变电压时: 1)当定尺绕组与
12、滑尺绕组之一相重合时A点,这时定尺输出的感应电压最大; 2)当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时,感应电压逐渐减小,到达1/4节距的位置B时,由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中产生的电压方向相反,所以定尺线圈输出电压为零; 3)如果滑尺继续向C点移动,则滑尺磁场在定尺中产生的电压在负方向上逐渐增大,C点达到最大; 4)当滑尺再向D点移动时,定尺电压又逐渐变为零。 5)当移动一个节距,到达E点时,又与A点的情况相同。,2019/7/23,31,5.3.2 感应同步器测量系统,感应同步器也有:鉴相测量系统和鉴幅测量系统。 1)鉴相测量系统 给感应同步器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同,相位差
13、为90的励磁信号:,则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为:,2019/7/23,32,鉴相型感应同步器用于位置控制时,指令信号由数控装置(插补器)发出, 经脉冲-相位变换器变成相位信号输入鉴相器,同时把反馈实际位移量的反馈相位角,也反馈到鉴相器进行比较, 当两者相位一致时,表示实际位置和给定的指令位置一致;当不一致时时鉴相器输出相位差,并将它变换成模拟电压,经放大后驱动伺服系统,使部件作相应的位移,直至到达相位的位置,停止运动。,2019/7/23,33,感应同步器鉴相测量系统,2019/7/23,34,2)鉴幅测控系统,鉴幅工作方式是根据感应输出电压的幅值变化来检测位移的。在这种工
14、作方式下,滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和相位相同,幅值不同正弦电压,即,2019/7/23,35,2019/7/23,36,5.3.3 感应同步器安装使用注意事项,(1)感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.25mm,倾斜度小于0.5,装配面波纹度在0.01mm/250mm以内。滑尺移动时,晃动间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm。 (2)感应同步器必须加以防护,否则切屑夹在间隙内,会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路,使装置发生误动作及损坏。 (3)同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真超过2%,将对测精度产生很大的影响,因此在调整系统时,应加以注意。 (4)由
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- 伺服系统 中的 常用 检测 装置
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