數(shù)控機(jī)床常用檢測裝置分析

第5章數(shù)控機(jī)床常用檢測裝置5.1檢測裝置簡介檢測元件的精度主要包括系統(tǒng)精度和系統(tǒng)辨別率兩項(xiàng)。系統(tǒng)精度是指在確定長度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測量積累誤差的最大值，目前一般長度位置檢測精度均已達(dá)到±0.002mm/m以內(nèi)，回轉(zhuǎn)角測量精度達(dá)到±10″/360°；系統(tǒng)辨別率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前長度位移的辨別率多數(shù)為1μm，高精度系統(tǒng)辨別率可達(dá)0.1μm，回轉(zhuǎn)辨別率為2″。不同類型數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的精度和運(yùn)用速度要求是不同的。2023/3/115.1檢測裝置簡介系統(tǒng)辨別率的提高，對加工精度有確定的影響，但也不宜過小，辨別率的選取通常和脈沖當(dāng)量的選取方法一樣，數(shù)值也相同，均按機(jī)床加工精度的1/3~1/10選取。數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求有：工作牢靠，抗干擾性能強(qiáng)。運(yùn)用維護(hù)便利，適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境。滿足精度和速度的要求。易于實(shí)現(xiàn)高速的動態(tài)測量、處理的自動化。成本低。2023/3/122023/3/135.2旋轉(zhuǎn)變壓器5.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖5-1旋轉(zhuǎn)變壓器a）有刷結(jié)構(gòu)b）無刷結(jié)構(gòu)5.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理2023/3/145.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（1）2023/3/155.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（2）2023/3/165.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（3）2023/3/175.3感應(yīng)同步器5.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類按結(jié)構(gòu)可分為直線感應(yīng)同步器和圓形感應(yīng)同步器兩種，直線式用于測量直線位移，而圓形感應(yīng)同步器用于檢測角位移。直線式由定尺和滑尺兩部分組成；而圓形感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成。感應(yīng)同步器的這兩部分繞組相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的初級和次級線圈，它們都是利用交變磁場和互感原理工作的。2023/3/185.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類2023/3/195.3.2感應(yīng)同步器的工作原理(1)如圖5-8所示，滑尺上具有在空間上相差1/4節(jié)距的正弦繞組和余弦繞組，且定尺與滑尺節(jié)距相同。當(dāng)滑尺勵磁繞組與定尺感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的作用，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變更而呈周期性地變更，感應(yīng)同步器就是利用這一特點(diǎn)來檢測滑尺相對定尺的位置的。2023/3/110圖5–8直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)5.3.2感應(yīng)同步器的工作原理(2)2023/3/111圖5-9感應(yīng)同步器工作原理當(dāng)定尺繞組與滑尺繞組之一相重合時，如圖5-9的A點(diǎn)，這時定尺輸出的感應(yīng)電壓最大；當(dāng)滑尺繞組相對于定尺繞組平行移動時，感應(yīng)電壓漸漸減小，到達(dá)1/4節(jié)距的位置B時，由于各滑尺線圈磁場在定尺各線圈中產(chǎn)生的電壓方向相反，所以定尺線圈輸出電壓為零；假如滑尺接著向C點(diǎn)移動，則滑尺磁場在定尺中產(chǎn)生的電壓在負(fù)方向上漸漸增大，C點(diǎn)達(dá)到最大；當(dāng)滑尺再向D點(diǎn)移動時，定尺電壓又漸漸變?yōu)榱恪．?dāng)移動一個節(jié)距，到達(dá)E點(diǎn)時，又與A點(diǎn)的狀況相同。2023/3/1125.3.4感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)感應(yīng)同步器也有：鑒相測量系統(tǒng)和鑒幅測量系統(tǒng)。（1）鑒相測量系統(tǒng)給感應(yīng)同步器滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和幅值相同，相位差為90°的勵磁信號：則滑尺二繞組在定尺繞組中分別產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：2023/3/1135.3.4感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)（2）鑒幅測控系統(tǒng)鑒幅工作方式是依據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值變更來檢測位移的。在這種工作方式下，滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和相位相同，幅值不同正弦電壓，即2023/3/1145.4光柵光柵是利用光的反射、透射和干涉現(xiàn)象制成，有物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵兩刻線之間距離在0.002-0.005mm之間，常用于光譜分析和光波波長的測定；計(jì)量光柵柵距在0.004-0.025mm之間，常用于高精度位移的檢測，是數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種檢測裝置5.4.1計(jì)量光柵的種類依據(jù)不同的分類方法，計(jì)量光柵可分為：直線光柵和圓形光柵；逶射光柵和反射光柵；增量式光柵和確定式光柵等。5.4.2計(jì)量光柵的工作原理（1）2023/3/1155.4.2計(jì)量光柵的工作原理（2）莫爾條紋有以下幾個重要特性：1）平均效應(yīng)莫爾條紋是由大量的光柵線紋共同作用產(chǎn)生的，對光柵的線紋誤差有平均作用。從而可以在很大程度上消退光柵線紋的制造誤差。光柵越長，參與工作的線紋越多，這種平均效應(yīng)就越大。2）對應(yīng)關(guān)系如圖5-11所示，當(dāng)光柵移動一個柵距d，摩爾條紋也相應(yīng)移動一個紋距W，其光強(qiáng)變更近似正弦波形；若移動方向相反，則摩爾條紋移動的方向也相反。3）放大作用2023/3/1165.4.2計(jì)量光柵的工作原理（3）2023/3/1175.4.2計(jì)量光柵的工作原理（4）（2）光電轉(zhuǎn)換光柵檢測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)由光柵讀數(shù)頭完成。最基本的光柵讀數(shù)頭由光源、聚光鏡、指示尺光柵和硅光電池組成，如圖5-12a所示。為了便于說明其工作原理，以光閘莫爾光柵為例，說明當(dāng)光柵移動一個柵距時，其輸出波形和兩塊光柵相互位置變更的關(guān)系。2023/3/1185.4.2計(jì)量光柵的工作原理（5）當(dāng)兩塊光柵的刻線重合時，透光最多，光電池輸出的電壓信號最大；當(dāng)光柵1向右移動半個柵距時，兩塊光柵的暗線紋將明線紋遮住，透光近似于0，光電池輸出最??；再移動半個柵距，則兩塊光柵的刻線又重合，光電池輸出又達(dá)到最大值。這種光柵的遮光作用與光柵的移動距離成線性關(guān)系，所以光電池的光接收量也與光柵的移動距離成線性關(guān)系，即光電池的輸出電壓波形也近似于三角形。但這是一種志向的狀態(tài)，只有在兩塊光柵的夾角為0，刻線質(zhì)量極好，而且刻線寬度勻整一樣才能達(dá)到。2023/3/1195.4.2計(jì)量光柵的工作原理（6）2023/3/1205.4.3光柵的測量裝置（2）光柵測量裝置原理如前所述，光柵的移動形成了莫爾條紋，又經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號輸出。這樣的信號，只能用于計(jì)數(shù)，而不能辨別方向。實(shí)際應(yīng)用中，即要求有較高的檢測精度，又能辨別方向。為了達(dá)到這種要求，通常運(yùn)用分頻電路實(shí)現(xiàn)。下面介紹一種廣泛運(yùn)用的四倍頻辨向電路工作原理。所謂四倍頻，就是接受四個光電元件和四個狹縫，使其與莫爾條紋相重合的位置相差1/4柵距。這樣，相鄰兩個光電元件輸出的正弦信號相差90°，經(jīng)過整形和邏輯處理后即可得到能夠辨別方向的四倍頻脈沖信號。2023/3/1215.4.3光柵的測量裝置2023/3/122圖5-12光柵信號四倍頻電路2023/3/1235.5磁柵磁柵是用電磁方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，可用作直線和角位移的測量。磁柵與同步感應(yīng)器、光柵相比，測量精度略低。但具有復(fù)制簡潔以及安裝便利等一系列優(yōu)點(diǎn)，特殊是在油污、粉塵較多的環(huán)境中應(yīng)用，具有較好的穩(wěn)定性。因此，磁柵較廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測量機(jī)上。2023/3/1245.5磁柵磁柵檢測裝置是將具有確定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，用來作測量基準(zhǔn)。在檢測過程中，用拾磁磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相動于磁尺的位置送給伺服限制系統(tǒng)或數(shù)字顯示裝置。磁柵檢測裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和檢測電路三部分組成。5.5.1磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺常接受不導(dǎo)磁材料做基體，在上面鍍上一層10~30μm厚的高磁性材料，形成勻整的磁膜。再用錄磁磁頭在磁尺上記錄節(jié)距相等的周期性變更的磁信號，用于作為測量基準(zhǔn)，信號可為正弦波、方波等，節(jié)距通常為0.05、0.1、0.2μm等。最終磁尺表面涂上疼惜層，以防磁頭與磁尺頻繁接觸過程中的磁膜磨損。磁性標(biāo)尺按形態(tài)可分為：用于檢測直線位移的平面實(shí)體型磁尺、帶狀磁尺和同軸型線狀磁尺；用于檢測角位移的回轉(zhuǎn)型磁尺等，如圖5-13所示。2023/3/1255.5.1磁性標(biāo)尺2023/3/126a)平面實(shí)體型磁尺b)帶狀磁尺c)同軸型線狀磁尺d)回轉(zhuǎn)型磁尺圖5-13按磁性標(biāo)尺形態(tài)分類的各種磁尺1-實(shí)體尺2-尺座（屏蔽罩）3-帶狀尺4-尺墊（泡沫塑料）5-磁頭6-線狀尺7-磁尺8-組合磁頭9-尺座2023/3/1275.5.2讀數(shù)磁頭讀數(shù)磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的器件。它將反映位置變更的磁化信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號輸送給檢測電路。依據(jù)機(jī)床數(shù)字限制系統(tǒng)的要求，為了在低速運(yùn)動和靜止時也能進(jìn)行位置檢測，必需接受一種磁通響應(yīng)型磁頭，而不能接受一般錄音機(jī)上的速度響應(yīng)型磁頭。磁通響應(yīng)型磁頭是一個帶有飽和鐵芯的二次諧波調(diào)制器，如圖5-14所示。2023/3/1285.5.2讀數(shù)磁頭圖5-14磁通響應(yīng)型磁頭5.5.3磁柵的工作原理（1）2023/3/1292023/3/1305.5.3磁柵的工作原理圖5–15雙磁頭配置原理圖2023/3/1315.6脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，它把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器通常裝在被檢測的軸上，隨被測軸一起旋轉(zhuǎn)，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量式脈沖或確定式代碼的形式。脈沖編碼器依據(jù)輸出信號的方式不同，可分為確定值式編碼器和脈沖增量式編碼器；依據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式不同，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。2023/3/1325.6.1確定式脈沖編碼器可干脆把檢測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，每一個角度均有其對應(yīng)的代碼，它把被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼指示確定位置，沒有積累誤差。確定式碼盤的編碼類型有二進(jìn)制編碼、二－十進(jìn)制編碼、格雷碼等。圖5-16為4位二進(jìn)制接觸式確定式碼盤。圖5-16接觸式確定式編碼器的碼盤a）確定式碼盤結(jié)構(gòu)b）二進(jìn)制碼盤c）格雷碼盤2023/3/1335.6.1確定式脈沖編碼器將二進(jìn)制碼右移一位并將末位舍去，然后將其與原碼進(jìn)行不進(jìn)位加法，則會得到與之相對應(yīng)的雷格碼。接觸式碼盤體積小，輸出功率大，但易磨損，其運(yùn)用壽命短，轉(zhuǎn)速也不能太高。光電式碼盤即是將接觸式碼盤的導(dǎo)電與不導(dǎo)電式區(qū)域用透亮和不透亮區(qū)域代替；電磁式碼盤則是用有磁和無磁替換接觸式碼盤的導(dǎo)電和不導(dǎo)電區(qū)域。2023/3/1345.6.1確定式脈沖編碼器光電確定值編碼器2023/3/1355.6.2脈沖增量式碼盤（1）結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)增量式脈沖編碼器最初就是一種光電盤，它由光源、聚光鏡、光電盤、分度狹縫、光電元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換線路及數(shù)字顯示裝置組成。光電盤可以用玻璃研磨拋光制成。玻璃表面在真空中鍍一層不透亮的鉻，然后用照像腐蝕法在上面制成狹縫作