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1、第5章 位置檢測(cè)裝置5.1 位置檢測(cè)裝置的作用及分類,位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。 數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求如下： （1）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)； （2）滿足精度和速度的要求； （3）易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。 位置檢測(cè)裝置按工作條件和測(cè)量要求不同，有下面幾種分類方法：,,1. 直接測(cè)量 直接測(cè)量是將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)是測(cè)量裝置

2、要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。 2. 間接測(cè)量 它是將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。 優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。,5.1.1 直接測(cè)量和間接測(cè)量,1. 數(shù)字式測(cè)量 它是將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。2. 模擬量測(cè)量 它是將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。它對(duì)信號(hào)處理的方法相

3、對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。,5.1.2 數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量,1. 增量式測(cè)量 在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)相對(duì)位移量，如測(cè)量單位為0.001mm，則每移動(dòng)0.001mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。 2. 絕對(duì)式測(cè)量 絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對(duì)應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)

4、制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。,5.1.3 增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量,5.2 光柵,根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1m以上。 從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。 直線光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之

5、間距離相等，該間距稱為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。,5.2.1 結(jié)構(gòu),,6,工作原理,當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一小角度放置時(shí)，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴(yán)格地說(shuō)，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。,5.2.2 工作原理,,莫爾條紋具有如下特點(diǎn)： （1）. 放大作用 用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖5-18所示則有,(5-8),莫爾條紋寬度W

6、與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。,（2）. 均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。,,,,,,,,,,,,,標(biāo)尺光柵,W,,指示光柵（斜）,P,,,,,（3）. 莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例 當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也剛好移動(dòng)了一個(gè)條紋寬度W。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反（見(jiàn)圖5-18）。,,,,,,,,,,,,

7、,標(biāo)尺光柵,W,,指示光柵（斜）,P,,,,,標(biāo)尺方向,,,,,,指示尺轉(zhuǎn)角方向,,莫爾條紋方向,,,,,標(biāo)尺方向,,,,,,指示尺轉(zhuǎn)角方向,,莫爾條紋方向,,圖5-3 光柵測(cè)量系統(tǒng),光柵測(cè)量系統(tǒng)如圖5-3所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經(jīng)過(guò)聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，照射光柵尺。光電元件（常使用硅光電池）接受透過(guò)光柵尺光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。由于此信號(hào)比較微弱，在長(zhǎng)距離傳遞時(shí)，很容易被各種干擾信號(hào)淹沒(méi)，造成傳遞失真，驅(qū)動(dòng)線路的作用就是將電壓信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大。,除標(biāo)尺光柵與工作臺(tái)一起移動(dòng)外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電

8、元件和驅(qū)動(dòng)線路均裝在一個(gè)殼體內(nèi)，作成一個(gè)單獨(dú)部件固定在機(jī)床上，這個(gè)部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉(zhuǎn)換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號(hào)變成電信號(hào)。,當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見(jiàn)圖5-4）。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)（見(jiàn)圖5-5），經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。,,,,,,,,,光柵位移,O,圖5-4 光柵的實(shí)際亮度變化,亮度,5.2.3 應(yīng)用（光柵位移數(shù)

9、字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）,采用一個(gè)光電元件即只開一個(gè)窗口觀察，只能計(jì)數(shù)，卻無(wú)法判斷移動(dòng)方向。因?yàn)闊o(wú)論莫爾條紋上移或下移，從一固定位置看其明暗變化是相同的。為了確定運(yùn)動(dòng)方向，至少要放置兩個(gè)光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過(guò)兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以兩個(gè)光電元件所獲得的電信號(hào)雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號(hào)的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向。 增加線紋密度，能提高光柵檢測(cè)裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測(cè)量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來(lái)提高光柵的分辨精度，如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，

10、每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)了1/4柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。,,P1、P3信號(hào)是相位差180o的兩個(gè)信號(hào)，差動(dòng)得正弦信號(hào)。同理，P2、P4信號(hào)送另一個(gè)差動(dòng)放大器，得余弦信號(hào)。正余弦經(jīng)整形變成方波A和B，為使每隔1/4節(jié)距都有脈沖，把A、B各自反向一次得C、D信號(hào)，A、B、C、D信號(hào)再經(jīng)微分變成窄脈沖A、B、C、D，即在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門電路把0o、90o、180o、270o四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái)，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向或反向脈沖。,圖中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號(hào)相位彼此相差90o。

11、,正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門Y1Y4及或門H1，得到AB+AD+CD+BC的四個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門Y5Y8及或門H2，得到BC+ CD+AD+ AB的四個(gè)輸出脈沖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其波形圖,sin,cos,A,B,C,D,A,B,C,D,正向 相加AB+AD+CD+BC,反向 相加BC+CD+AD+AB,圖5-6 四倍頻辨向電路波形,,,,若光柵柵距0.01mm，則工作臺(tái)每移動(dòng)0.0025mm，就會(huì)送出一個(gè)脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見(jiàn)，光柵檢測(cè)系統(tǒng)的分辨力不僅取決于光柵尺的柵距，還取決于鑒向倍頻的倍數(shù)。除四倍頻以外，還有十倍

12、頻、二十倍頻等。,5.3 脈沖編碼器,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。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類。,從產(chǎn)生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種，從精度和可靠性來(lái)看，光電式較好，數(shù)控機(jī)床上主要使用的是光電式脈沖編碼器。 型號(hào)用 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r, 現(xiàn)在有10萬(wàn)p/r以上的產(chǎn)品。 它可以用于角度檢測(cè)，也可用于速度檢測(cè)。通常它與電機(jī)做成一體，或安裝在非軸伸端。,,a) b),5.3.1 絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)，且

13、每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 絕對(duì)式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對(duì)編碼器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。,如圖所示為二進(jìn)制碼盤。它在一個(gè)不導(dǎo)電基體上作成許多金屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中有剖面線部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示；其它部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。每一徑向，由若干同心圓組成的圖案代表了某一絕對(duì)計(jì)數(shù)值，,,通常，我們把組成編碼的各圈稱為碼道，碼盤最里圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，經(jīng)電刷和電阻接電源負(fù)極。在接觸式碼盤的每個(gè)碼道上都裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接到電源正極（圖5-7b）。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象

14、帶動(dòng)碼盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷和碼盤的相對(duì)位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會(huì)出現(xiàn)有電流通過(guò)或沒(méi)有電流通過(guò)兩種情況。 若回路中的電阻上有電流通過(guò)，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無(wú)電流通過(guò)，為“0”。如果碼盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號(hào)輸出，圖示為4位二進(jìn)制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進(jìn)制碼，輸出為0000、0001、00101111。,由圖5-11可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o， 若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道， 分辨角360o/2n， 碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度

15、越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增多。 目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤可以做到18位二進(jìn)制。,,圖5-8 四位二進(jìn)制碼盤非單值性誤差,用二進(jìn)制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖5-12，當(dāng)電刷由位置0111向1000過(guò)渡時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)從8（1000）到15（1111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。,,,圖5-13為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時(shí)改變，任何兩個(gè)相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼

16、右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為葛萊碼。,,圖5-9 葛萊碼盤,例如，二進(jìn)制碼1101對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過(guò)程如下： 1101 （二進(jìn)制碼） 1101（不進(jìn)位相加，舍去末位） 1011 （葛萊碼）,,,,5.3.2 增量式脈沖編碼器 光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過(guò)減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的距離可用下式計(jì)算：,式中 脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）； S滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）； i減速齒輪的減速比； M脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。,1個(gè)脈

17、沖（） ----------------------------------------- mm M個(gè)脈沖(360，1轉(zhuǎn))M*i個(gè)脈沖（1 轉(zhuǎn)）-------- S mm,,,,推導(dǎo)：,,,光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起 ，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過(guò)光電盤和圓盤射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、放大、和微

18、分處理后，輸出脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)角。測(cè)出脈沖的變化率，即單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。,光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號(hào)處理電路等組成（如圖）。,,電流,A,B,節(jié)距,t,A1,B1,900,圖5-15 脈沖編碼器輸出波形,為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個(gè)窄縫距離彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，使兩個(gè)光電元件輸出信號(hào)相位差900。如圖5-15所示，A、B信號(hào)為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。 設(shè)A相比B相超前時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透

19、光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖信號(hào)，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個(gè)脈沖。,圖5-12為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號(hào) A, ,B ， 經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)和差分接收進(jìn)入CNC裝置，再經(jīng)過(guò)整形放大電路變成二個(gè)方波系列 A1, B1。將 A1 和它的反向信號(hào)1 微分（上升沿微分）后得到 和 脈沖系列，作為加、減計(jì)數(shù)脈沖。,B1路方波信號(hào)被用作加、減計(jì)數(shù)脈沖的控制信號(hào)，正走時(shí)（A超前B），由Y2門輸出加計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)Y1門輸出為低電平（圖5-16）；反走時(shí)（B超前A），由Y1門輸出減計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對(duì)于上一次讀數(shù)

20、的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對(duì)位置，所以是增量讀數(shù)法。,,圖5-12 辨向環(huán)節(jié)波形圖,光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（圖5-13）的工作原理,圖5-13 數(shù)字比較伺服系統(tǒng),5.4 旋轉(zhuǎn)變壓器,5.4.1 結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是輸出電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的控制微電機(jī), 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)變壓器通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。

21、 旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。,,,,,,,如圖5-14所示，單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，假設(shè)加到定子繞組的勵(lì)磁電壓為，則轉(zhuǎn)子通過(guò)電磁耦合，產(chǎn)生感應(yīng)電壓。,圖5-14 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理,,式中 K變壓比（即繞組匝數(shù)比）；Vm勵(lì)磁信號(hào)的幅值； 勵(lì)磁信號(hào)角頻率； 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。,轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為,兩磁軸平行，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓最大，即,,實(shí)際使用時(shí)通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個(gè)匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，,轉(zhuǎn)子輸出電壓則為,如圖所示。一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出，應(yīng)用疊加原理，其

22、磁通為,圖5-15 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理,5.4.2 應(yīng)用 兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來(lái)檢測(cè)位移量。,1 . 鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵(lì)磁電壓，即,這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，電壓的代數(shù)和：,(5-2),由式(5-2)和(5-3)可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測(cè)軸連接在一起，所以，被測(cè)軸的角位移就知道了。,(5-3),假如，轉(zhuǎn)子逆向

23、轉(zhuǎn)動(dòng)，可得,,,2. 鑒幅工作方式 給定子的兩個(gè)繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即,式中 激磁繞組中的電氣角。 Umsin , Umcos 為定子兩繞組激磁信號(hào)的幅值 則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為,(5-3),,同理，如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，可得,(5-4),由式(5-3)和(5-4)可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測(cè)量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角。 如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠上，當(dāng)角從00到3600時(shí)，絲杠上的螺母帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)導(dǎo)程，間接測(cè)量了執(zhí)行部件的直線位移。測(cè)量所走過(guò)的行程時(shí)，可加一個(gè)計(jì)數(shù)器，累計(jì)所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長(zhǎng)度。,雙通

24、道旋轉(zhuǎn)變壓器是將兩種不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器合為一體的組合電機(jī)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周中，副端輸出周期數(shù)不同的兩種正旋波電壓信號(hào)，構(gòu)成粗、精雙通道系統(tǒng)。主要用于高精度同步隨動(dòng)系統(tǒng)和軸角編碼系統(tǒng)作為角度傳感元件。,5.5 感應(yīng)同步器,5.5.1 結(jié)構(gòu)與工作原理 感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測(cè)裝置，屬模擬式測(cè)量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測(cè)直線位移或角位移而改變。 感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種： 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測(cè)量。 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測(cè)量。,以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。,直線感應(yīng)同步

25、器相當(dāng)于一個(gè)展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5-16所示，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長(zhǎng)尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放置，保持0.250.05mm間隙。,圖5-16 直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)250mm，滑尺長(zhǎng)100mm，節(jié)距為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦繞組與定尺繞

26、組相差1/4節(jié)距。,2,,,,若設(shè)定尺繞組節(jié)距為2，它對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了，當(dāng)滑尺移動(dòng)距離為時(shí)，則對(duì)應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系,可得,設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓,則定尺繞組感應(yīng)電壓為,式中 K耦合系數(shù)； Vm激磁電壓的幅值； 激磁電壓的角頻率； 與位移對(duì)應(yīng)的角度。 Vmcos 為感應(yīng)電壓的幅值,,,1. 鑒相型系統(tǒng) 供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號(hào)是頻率、幅值相同，相位相差900的交流勵(lì)磁電壓,根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為,通過(guò)鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測(cè)量定尺和滑尺之間的相對(duì)位移。例如定尺感應(yīng)輸出電壓與滑尺勵(lì)磁電壓之間的相位差為

27、3.60，當(dāng)節(jié)距的情況下，表明滑尺移動(dòng)了0.02mm。,(5-7),有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。,5.5.2 應(yīng)用,,圖5-18 感應(yīng)同步器鑒相測(cè)量系統(tǒng)框圖,基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出一系列一定頻率的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)（載波信號(hào)），為伺服系統(tǒng)提供一個(gè)相位比較基準(zhǔn)。,,如果感應(yīng)同步器的 節(jié)距為2mm，脈沖當(dāng)量選定為=0.001mm，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的相移角1為,數(shù)控裝置每發(fā)一個(gè)進(jìn)給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器變?yōu)槌盎鶞?zhǔn)信號(hào)一個(gè)0.180相移角的信號(hào)，即1=1-0=0.180。此時(shí)因工作臺(tái)未動(dòng)，反饋信號(hào)相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位差2=2-0=0（2為定尺繞組上作為反饋信號(hào)所取的感應(yīng)電壓U2的相位）。鑒相器將12 =0.18

28、0的相位差檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)放大后控制伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，2逐漸增大，相位差逐漸減少，直至0。,鑒相式伺服系統(tǒng)利用相位比較原理進(jìn)行工作。當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺(tái)沿一個(gè)方向位移時(shí)，產(chǎn)生一列進(jìn)給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器的調(diào)相分頻通道轉(zhuǎn)化為相位變化信號(hào)1，它作為指令信號(hào)送入鑒相器；測(cè)量裝置及信號(hào)處理電路的作用是將工作臺(tái)的位移量檢測(cè)出來(lái)，并表達(dá)成與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差2，也被送入鑒相器。這兩路信號(hào)都用它們與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差表示，且同頻率、同周期。因此，它們兩者之間的相位差為12。鑒相器的作用就是鑒別出這兩個(gè)信號(hào)的相位差，并以與此相位差信號(hào)成正比的電壓信號(hào)輸出。如果相位差不為零，說(shuō)明工作臺(tái)實(shí)

29、際移動(dòng)的距離不等于指令信號(hào)要求工作臺(tái)移動(dòng)的距離，鑒相器檢測(cè)出的相位差，經(jīng)放大后，送入速度控制單元，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)向減少誤差的方向移動(dòng)。若相位差為零，則表示感應(yīng)同步器的實(shí)際位置與給定指令位置相同，鑒相器輸出電壓為零，工作臺(tái)停止移動(dòng)。,,,2. 鑒幅式系統(tǒng),供給滑尺上正、余弦繞組的勵(lì)磁電壓的頻率相同、相位相同但幅值不同。,式中 給定的電氣角。 則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為,(5-8),式中 與位移對(duì)應(yīng)的角度。,鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 由式5-8可知，若電氣角 已知，只要測(cè)出U2的幅值，便能求出與位移對(duì)應(yīng)的角度 。實(shí)際測(cè)量時(shí)，不斷調(diào)整 ，讓幅值為零。設(shè)初始位置時(shí)， = ，U20，當(dāng)滑尺相對(duì)定尺移動(dòng)后，隨著不斷增加， ， U2 0 。若逐漸改變值，直至 = ，U20，此時(shí)的變化量就代表了對(duì)應(yīng)的位移量，就可測(cè)得機(jī)械位移。,式5-8,