數(shù)控檢測技術(shù)概述

1、 數(shù)控檢測技術(shù)數(shù)控檢測技術(shù)3/8/2022 組成：組成：位置等測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝位置等測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。置組成的。 作用：作用：實(shí)時(shí)測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控實(shí)時(shí)測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運(yùn)動部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單制單元所要求的信號形式，將運(yùn)動部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成元，以實(shí)施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。部分。 閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工

2、精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服度決定的，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，必須精心選擇位置檢測裝置。系統(tǒng)時(shí)，必須精心選擇位置檢測裝置。3/8/2022數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移位移、速度速度和和電流電流三種類型。三種類型。 安裝的位置及耦合方式安裝的位置及耦合方式直接測量直接測量和和間接測量間接測量； 測量方法測量方法 增量型增量型和和絕對型絕對型; ; 檢測信號的類型檢測信號的類型 模擬式模擬式和和數(shù)字式數(shù)字式； 運(yùn)動型式運(yùn)動型式 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型和和直線型直線型； 信號轉(zhuǎn)換的原理信號

3、轉(zhuǎn)換的原理 光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、 壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。等。3/8/2022分分 類類 增增 量量 式式 絕絕 對對 式式 位移位移傳感器傳感器 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型脈沖編碼器、脈沖編碼器、自整角機(jī)自整角機(jī) 、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器應(yīng)同步器 、光柵角度傳感器光柵角度傳感器 、圓光柵、圓磁柵圓光柵、圓磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器多極旋轉(zhuǎn)變壓器 、絕絕對脈沖編碼器對脈沖編碼器 絕對值式光絕對值式光柵柵 、 三速圓感應(yīng)同步器三速圓感應(yīng)同步器 、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器 直線型直線型直線應(yīng)同步器直線

4、應(yīng)同步器 、光柵尺、磁柵尺光柵尺、磁柵尺 、激光干涉儀激光干涉儀 霍耳位置傳感器霍耳位置傳感器 三速感應(yīng)同步器三速感應(yīng)同步器 、絕絕對值磁尺、光電編碼尺對值磁尺、光電編碼尺 、磁性編碼器磁性編碼器 速度速度傳感器傳感器 交、直流測速發(fā)電機(jī)交、直流測速發(fā)電機(jī) 、 數(shù)字脈編碼式速度傳感器數(shù)字脈編碼式速度傳感器 、霍霍耳速度傳感器耳速度傳感器 速度速度角度傳感器角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器磁敏式速度傳感器 電流電流傳感器傳感器 霍耳電流傳感器霍耳電流傳感器 3/8/2022 傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和

5、動態(tài)特性，主要如下。 1. 1.精度精度 符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度 稱作精度。高精度和高速實(shí)時(shí)測量。稱作精度。高精度和高速實(shí)時(shí)測量。 2.2.分辨率分辨率 分辯率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辯率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。 3.3.靈敏度靈敏度 靈敏度靈敏度高、高、一致。一致。 4.4.遲滯遲滯 對某一對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的 輸出量的不一輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。致，稱為遲滯。遲滯小。 5.5.測量范圍和量程測量范圍和量程 絕對和增量，其測量范圍和量

6、程絕對和增量，其測量范圍和量程 不一樣。不一樣。 6.6.零漂與溫漂零漂與溫漂 測量零點(diǎn)的變化，以及測量零點(diǎn)隨溫度的變化。測量零點(diǎn)的變化，以及測量零點(diǎn)隨溫度的變化。 其它：其它： 可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等?？煽?，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。 3/8/202254318762 圖圖5 51 1 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意1-1-轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2- 2-軸承軸承 3- 3-機(jī)殼機(jī)殼 4- 4-轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心 5- 5-定子鐵心定子鐵心 6-6-端蓋端蓋 7- 7-電刷電刷 8- 8-集電環(huán)集電環(huán) 3/8/2022旋轉(zhuǎn)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器（ResolverResolve

7、r）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu)分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu) 單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應(yīng)工作原理：電磁感應(yīng) 定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R43/8/2022 E E2 2= KV= KV 1 1 cos = KV cos = KV m sintcos m sintcos =90=90 E E 2 = 02 = 0 =0=0 E E 2 = 2 = KVKV m SINm SINt t式中式中: : E E 2 2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

8、子繞組繞組感應(yīng)電勢；感應(yīng)電勢； V V1 1定子定子繞組勵繞組勵磁電壓磁電壓 V V1 1=V=Vm msinsintt； V Vm m電壓信號幅值；電壓信號幅值； 定、轉(zhuǎn)子定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；繞組軸線間夾角； KK變壓比變壓比 （即繞組匝數(shù)比）（即繞組匝數(shù)比） V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 3/8/20221.1.鑒相方式鑒相方式 V Vs s=Vmsin=VmsinttV Vc c=Vmcos=Vmcostt E

9、 E2 2= KV= KV m m cos- KV cos- KV c csinsin = KV = KV m m ( (sinsintcos- tcos- coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) VSVSVsVcE2 圖圖5.35.3 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 轉(zhuǎn)子輸出信號的相位角轉(zhuǎn)子輸出信號的相位角(t-)與轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。3/8/20222.2.鑒幅方式鑒幅方式 V Vs s=Vmsin=Vmsin電電sinsinttV Vc c=Vmcos=Vmcos電電s sin

10、intt E E2 2 = KV= KV m m cos cos機(jī)機(jī)- KV- KV c csinsin機(jī)機(jī) = KV = KV m m sinsintt( (sinsin電電coscos機(jī)機(jī)- - coscos電電sinsin機(jī)機(jī) = = KVKV m m sinsin( (電電-機(jī)機(jī)) ) sinsintt VSVSVsVcE2 圖圖5.35.3 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 感應(yīng)電勢（感應(yīng)電勢（E2）是以）是以為角頻率、為角頻率、以以V Vm m sin(sin(電電 - -機(jī)機(jī) ) )為幅值的交變電為幅值的交變電壓信號。若電氣角壓信號。若電氣角電電已知，只要測出已知，只要測出E2

11、幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可間接的求出，便可間接的求出機(jī)械角機(jī)械角機(jī)機(jī) ，從而得出被測角位移。，從而得出被測角位移。 3/8/2022VSVS3/8/2022光柵的分類：物理光柵和計(jì)量光柵光柵的分類：物理光柵和計(jì)量光柵光柵的運(yùn)動方式：長光柵和圓光柵光柵的運(yùn)動方式：長光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵3/8/20221.1.長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu) 主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵和指示光柵主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵和指示光柵柵距和柵距角（兩個(gè)光柵錯開的角度）是重要參數(shù)柵距和柵距角（兩個(gè)光柵錯開的角度）是重要參數(shù)圖圖5.9 5.9 光柵

12、的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu) 1- 1-防護(hù)墊防護(hù)墊 2- 2-光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭 3-3-標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵 4- 4-防護(hù)罩防護(hù)罩 VS312431245標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵 圖圖5.10 5.10 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭 1- 1-光源光源 2-2-準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡 3-指示光柵指示光柵 4-4-光敏元件光敏元件 5-驅(qū)動線路驅(qū)動線路 3/8/20222.2.工作原理工作原理（以透射投影為例）（以透射投影為例） 摩爾條紋寬度摩爾條紋寬度W的理論公式的理論公式 W - - 摩爾條紋寬度摩爾條紋寬度 d - d - 柵距柵距 莫爾條紋：莫爾條紋：嚴(yán)格來說：橫向莫爾條紋排列的嚴(yán)格來說：橫向莫爾條紋排列的方向是與兩片

13、光柵線紋夾角的平方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直分線相垂直 d d 放大放大2 2倍倍/2/2 當(dāng)當(dāng)d d1 1= =d d2 2= =d d 時(shí)，時(shí)，ddCOSdCOSSINdW2sin212122wwd2d2d1d2d1d1d2VSd dW WW W3/8/2022 莫爾條紋的特征：莫爾條紋的特征：（1 1）莫爾條紋的變化規(guī)律）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾兩片兩光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋條紋移過一個(gè)條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移的變化規(guī)律近似

14、正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移過過的柵距數(shù)同步。的柵距數(shù)同步。 （2 2）放大作用）放大作用 莫爾條紋莫爾條紋寬度寬度 W W 和和光柵柵距光柵柵距 d d、柵線夾角柵線夾角之間之間關(guān)系：關(guān)系： 由圖可知由圖可知 sin sin ( (/ /2 2 ) ) = = ( (d/d/2)2)/ / W W， W W = = ( (d/d/2)2)/ / sinsin( (/ /2 2 ) ) 很小可認(rèn)為很小可認(rèn)為 sin sin ( (/ /2 2 ) ) / /2 2 故故 W=d/ W=d/ 例如例如 d = d = 0.01, 0.01, = 0.01rad, = 0.01rad,

15、 得得W W =1mm, =1mm, 放大放大100100倍。倍。（3 3）均化）均化柵距柵距誤差作用誤差作用 莫爾條紋是由很多光柵條紋形成，莫爾條莫爾條紋是由很多光柵條紋形成，莫爾條紋之間的距離相對光柵柵距是很大的，故光柵柵距誤差影響不紋之間的距離相對光柵柵距是很大的，故光柵柵距誤差影響不大。大。3/8/2022莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分：四倍頻電子細(xì)分：四倍頻 電路電路（還有多倍頻電路）（還有多倍頻電路） abcd差動放大差動放大差動放大差動放大整形整形整形整形方向方向辨別辨別門門電路電路可逆可逆計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)正脈沖正脈沖反脈沖反脈沖

16、a)a)原理框圖原理框圖原理：原理：摩爾條變成方波摩爾條變成方波 摩爾條紋信號為正（余）弦信號，有四塊光電池（相位彼此相摩爾條紋信號為正（余）弦信號，有四塊光電池（相位彼此相 差差9090 ）接收，）接收，a a、c c信號相位差信號相位差180180 ，送入差動（放大器防干擾、，送入差動（放大器防干擾、 放大），得放大），得sinsin信號。同理由信號。同理由b b、d d信號得信號得coscos信號。經(jīng)整形變成信號。經(jīng)整形變成 方波。方波。 產(chǎn)生正走、反走脈沖產(chǎn)生正走、反走脈沖 經(jīng)方向辨別電路，在經(jīng)方向辨別電路，在正走時(shí)（反走）產(chǎn)生四個(gè)正走脈沖（四個(gè)正走時(shí)（反走）產(chǎn)生四個(gè)正走脈沖（四個(gè) 反

17、走脈沖）。反走脈沖）。 可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)3/8/2022bdac差動放大差動放大插動放大插動放大(sin)(cos)整形整形整形整形反向反向反向反向微分微分微分微分微分微分微分微分AB C DACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖正向脈沖反向脈沖反向脈沖ABADCDBCBCABADCDb)c)b)邏輯電路圖邏輯電路圖反向電路使方波反向，微分電路產(chǎn)生反向電路使方波反向，微分電路產(chǎn)生脈沖，脈沖，Y1Y8為為“ 與門與門”，H1 、H2為為“或門或門” c)波形圖：脈沖的產(chǎn)生在方波上升沿波形圖：脈沖的產(chǎn)生在方波上升沿 （上升沿微分）（上升沿微分）sincosABCDAB

18、CD相加相加ABCD相加相加正走：正走：(H1)反走反走 (H1) 低電平低電平Y(jié)1=ABY2=ADY3=CDY4=BCY5=BCY6=ABY7=ADY8=CD(H2) 低電平低電平(H2)Sin超前超前90Cos超前超前903/8/2022作用：作用：脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生 器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖 可作為位置檢測和速度檢測裝置?？勺鳛槲恢脵z測和速度檢測裝置。分類：分類：脈沖編碼器分為：脈沖編碼器分為：光電式、接觸式光電式、接觸式 和電磁感應(yīng)式。和電磁感應(yīng)式。原理：原理：光通過二個(gè)光柵線紋產(chǎn)生近似正余光通過二個(gè)光柵線紋產(chǎn)生近似

19、正余 弦的脈沖信號弦的脈沖信號A A、B B、Z Z，經(jīng)整形放，經(jīng)整形放 大變成方波。編碼器是一種增量檢大變成方波。編碼器是一種增量檢 測裝置。測裝置。參數(shù)：參數(shù)：它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來 區(qū)分。區(qū)分。2000P/r2000P/r、2500 P/r2500 P/r和和 3000 P/r 3000 P/r等；等； 共有共有3 3路脈沖路脈沖A A（如（如2500 P/r2500 P/r）、）、 B B（如（如2500 P/r2500 P/r）、）、Z Z（1 P/r1 P/r）1234567圖圖5. 14 5. 14 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1

20、-1-光源光源 2-圓光柵圓光柵 3-指示光柵指示光柵 4-光光電池組電池組 5-機(jī)械部件機(jī)械部件 6-護(hù)罩護(hù)罩 7-印刷印刷電路板電路板 3/8/2022 t 節(jié)距節(jié)距PAB90 90 圖圖5.155.15光電脈沖編碼器的輸出波形光電脈沖編碼器的輸出波形 3/8/2022 可逆可逆計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)B相信號相信號單穩(wěn)單穩(wěn)A相信號相信號a+整整形形整形整形dbcef-&反向反向abcdefabcdef應(yīng)用一：應(yīng)用一：適 應(yīng) 帶 加 減適 應(yīng) 帶 加 減計(jì) 數(shù) 要 求 的計(jì) 數(shù) 要 求 的可逆計(jì)可逆計(jì)數(shù)器，數(shù)器，形 成 加 計(jì) 數(shù)形 成 加 計(jì) 數(shù)脈 沖 和 減 計(jì)脈 沖 和 減 計(jì)數(shù)脈沖數(shù)脈沖 a) 邏輯電路圖邏輯電路圖b) 波型圖波型圖 正走：正走：a 超前超前b1/4周期加計(jì)數(shù)周期加計(jì)數(shù) 反走：反走：a 超前超前b1/4周期減計(jì)數(shù)周期減計(jì)數(shù) 低電平低電平低電平低電平3/8/2022 應(yīng)用二：應(yīng)用二：適 應(yīng) 有 計(jì) 數(shù)適 應(yīng) 有 計(jì) 數(shù)控 制 端 和 方控 制 端 和 方向 控 制 端