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模具數(shù)控加工技術(shù)教案第8次課-9次課
第 八 次 課 授 課 提 綱 五、數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置 （一）對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求 閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)均裝有位置檢測(cè)裝置，常用的有旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、感應(yīng)同步器、編碼盤等。位置檢測(cè)裝置的主要作用是檢測(cè)位移量，并將檢測(cè)的反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到偏差為零。 為提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須提高測(cè)量元件和測(cè)量系統(tǒng)的精度。不同的數(shù)控機(jī)床對(duì)測(cè)量元件和測(cè)量系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動(dòng)速度各不相同。一般要求測(cè)量元件的分辨率（測(cè)量元件能測(cè)量的最小位移量）在0.0001～ 0.01mm之內(nèi)，測(cè)量精度為0.001～ 0.02mm，運(yùn)動(dòng)速度為0～24 m / min。 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，抗干擾性強(qiáng) （2）滿足精度和速度的要求 （3）便于安裝和維護(hù) （4）成本低、壽命長(zhǎng)。 （二）常用的位置檢測(cè)裝置 1．旋轉(zhuǎn)變壓器 （1）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，四極繞組則各有兩對(duì)磁極，主要用于高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。 在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到使用的方便性和檢測(cè)精度等因素，常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器。這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器可分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式。 a. 鑒相工作方式 如圖2-20所示為四極旋轉(zhuǎn)變壓器，給定子的兩個(gè)繞組分別通以同幅、同頻但相位相差π/2的交流勵(lì)磁電壓，即: u1 s＝UmSinωt u1 c＝UmCosωt （2—1） 在轉(zhuǎn)子繞組的其中一個(gè)繞組接一高阻抗，它不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量輸出，主要起平衡磁場(chǎng)的作用，目的是為了提高測(cè)量精度。 這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子的另一繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，并疊加在一起，因而轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個(gè)電壓的代數(shù)和，即： u2＝ku1 s Sinθ＋ku1 c Cosθ ＝kUmSinωt Sinθ＋kUmCosωt Cosθ ＝kUmCos(ωt -θ) （2—2） 同理，假如轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，可得： u2＝kUmCos(ωt ＋θ) （2—3） 由式（2—1）和（2—2）可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)u2與定子繞組中的勵(lì)磁電壓同頻率，但相位不同，其差值為θ。而θ角正是被測(cè)位移，故通過(guò)比較感應(yīng)電勢(shì)u2 與定子勵(lì)磁電壓輸出電壓u1 c的相位，便可求出θ。 b.鑒幅工作方式 給定子的兩個(gè)繞組分別通以同頻率、同相位但幅值不同的交變勵(lì)磁電壓，即： u1 s ＝Us m Sinωt u1c ＝Uc m Sinωt （2—4） 其中，幅值分別為正弦、余弦函數(shù)，即： Us m ＝ UmSinα Uc m ＝ UmCosα 式中α角可改變，稱為旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角。 則在轉(zhuǎn)子上的疊加感應(yīng)電壓為： u2＝ku1 s Sinθ＋ku1 c Cosθ ＝kUmSinαSinωt Sinθ＋kUmCosαSinωt Cosθ ＝kUmCos(α-θ) Sinωt (2—5) 如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，可得： u2＝kUmCos(α+θ) Sinωt (2—6) 由上式（2－5）和（2－6）可得，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角θ而變化，測(cè)量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角θ。 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷修改勵(lì)磁信號(hào)中的α角（即勵(lì)磁幅值），使其跟蹤θ的變化。 （2）旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 由于旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏、工作可靠、對(duì)環(huán)境條件要求低、輸出信號(hào)幅度大、抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量精度一般等特點(diǎn)，所以在連續(xù)控制系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用，一般用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床上。 2．感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器也是一種非接觸電磁式測(cè)量裝置，它可以測(cè)量角位移或直線位移。 感應(yīng)同步器的特點(diǎn)是：感應(yīng)同步器有許多極，其輸出電壓是許多極感應(yīng)電壓的平均值，因此檢測(cè)裝置本身微小的制造誤差由于取平均值而得到補(bǔ)償，其測(cè)量精度較高；測(cè)量距離長(zhǎng)，感應(yīng)同步器可以采用拼接的方法，增大測(cè)量尺寸；對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，因其利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生信號(hào)，所以抗油、水和灰塵的能力較強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)且維護(hù)簡(jiǎn)單。 （1）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理感應(yīng)同步器測(cè)量裝置分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，如圖2-21所示。 圖2-22表示了定尺繞組感應(yīng)電壓與定尺、滑尺之間相對(duì)位置的關(guān)系。 （2）感應(yīng)同步器的工作方式 同旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式相似，根據(jù)滑尺勵(lì)磁繞組供電方式的不同，感應(yīng)同步器的工作狀態(tài)可分為相位工作方式和幅值工作方式兩種情況。 ①相位工作方式（鑒相工作法） 給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以同頻、同幅但相位相差 的交流勵(lì)磁電壓，即: 由于定尺繞組的感應(yīng)電壓滯后滑尺繞組的勵(lì)磁電壓90，當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為: 式中, 為耦合系數(shù)； 為滑尺繞組相對(duì)于定尺繞組的空間相位角， ，其中 為滑尺相對(duì)定尺的位移量， 為節(jié)距。 應(yīng)用疊加原理，定尺繞組上的感應(yīng)電壓為 - = 由上述分析可知，在相位工作方式中，感應(yīng)輸出電壓是一個(gè)幅值不變的交流電壓。由于耦合系數(shù) 、勵(lì)磁電壓幅值 以及頻率 均為常數(shù)，所以定尺感應(yīng)電壓 只隨空間相位角 的變化而變化,即定尺感應(yīng)電壓 與滑尺的位移值 有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)鑒別定尺感應(yīng)電壓相位，即可測(cè)得滑尺和定尺的相對(duì)位移量。 ②幅值工作方式（鑒幅工作方式） 給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以同頻率、同相位但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓，即: 其中， ， ， 為給定的電氣角。 則在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為: = 當(dāng)滑尺和定尺處于初始位置時(shí)， ，則 0。 在滑尺移動(dòng)過(guò)程中，在一個(gè)節(jié)距內(nèi)任一 0的 點(diǎn)稱為節(jié)距零點(diǎn)。當(dāng)定尺、滑尺之間產(chǎn)生相對(duì)位移 ，即改變滑尺位置時(shí)，則 ，使得 0。令 ，此時(shí)在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為: = 當(dāng) 很小時(shí)，定尺繞組上的感應(yīng)電壓可以近似表示為: 又因?yàn)?，所以定尺繞組上的感應(yīng)電壓又可表示為： 由上式可知，定尺繞組上的感應(yīng)電壓 實(shí)際上是誤差電壓，當(dāng)滑尺位移量 很小時(shí)，誤差電壓幅值和 呈正比，因此可通過(guò)測(cè)量 的幅值來(lái)測(cè)定位移量 的大小。 在幅值工作方式中，每當(dāng)改變一個(gè) 位移增量，就有誤差電壓 產(chǎn)生。當(dāng) 超過(guò)某一預(yù)先整定的門檻電平時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并以此來(lái)修正勵(lì)磁信號(hào) 、 ，使誤差信號(hào)重新降到門檻電平以下（相當(dāng)節(jié)距零點(diǎn)），以把位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的測(cè)量。 3．光柵 光柵是用于數(shù)控機(jī)床的精密檢測(cè)裝置，是一種非接觸式測(cè)量。它是利用光學(xué)原理進(jìn)行工作，按形狀可分為圓光柵和長(zhǎng)光柵。圓光柵用于角位移的檢測(cè)，長(zhǎng)光柵用于直線位移的檢測(cè)。 光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測(cè)元件，它主要由光柵尺（包括標(biāo)尺光柵和指示光柵）和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。 光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路組成，如圖2-23所示。 常見光柵的工作原理是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的，這里不再詳述。 光柵具有如下特點(diǎn)： （1）響應(yīng)速度快、量程寬、測(cè)量精度高。測(cè)直線位移，精度可達(dá)0.5～3μm（300mm范圍內(nèi)），分辨率可達(dá)0.1μm；測(cè)角位移，精度可達(dá)0.15″，分辨率可達(dá)0.1″，甚至更高。 （2）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。 （3）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 （4）怕振動(dòng)、怕油污，高精度光柵的制作成本高。 4．磁柵 磁柵是一種采用電磁方法記錄磁波數(shù)目的位置檢測(cè)裝置，其錄磁和拾磁原理與普通磁帶相似。在檢磁過(guò)程中，磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)檢測(cè)電路將磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位置送入計(jì)算機(jī)或數(shù)顯裝置。 磁柵按磁性標(biāo)尺基體的形狀可分為平面實(shí)體型磁柵、帶狀磁柵、線狀磁柵和圓型磁柵，前三種用于直線位移測(cè)量，后一種用于角位移測(cè)量。 如圖2-24所示為磁柵結(jié)構(gòu)框圖，它由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和檢測(cè)電路組成。 （1）磁性標(biāo)尺 （2）拾磁磁頭 由于用于位置檢測(cè)用的磁柵要求當(dāng)磁尺與磁頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低或處于靜止時(shí)亦能測(cè)量位移或位置，所以應(yīng)采用靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)型磁頭，它在普通動(dòng)態(tài)磁頭上加有帶勵(lì)磁線圈的可飽和鐵芯，從而利用了可飽和鐵芯的磁性調(diào)制的原理。靜態(tài)磁頭可分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。 磁柵與光柵相比，測(cè)量精度略低一些，但它有如下特點(diǎn)： （1）制作簡(jiǎn)單，安裝、調(diào)整方便，成本低。磁柵上的磁化信號(hào)錄制完，若發(fā)現(xiàn)不符合要求，可抹去重錄。亦可安裝在機(jī)床上再錄磁，避免安裝誤差。 （2）磁尺的長(zhǎng)度可任意選擇，亦可錄制任意節(jié)距的磁信號(hào)。 （3）耐油污、灰塵等，對(duì)使用環(huán)境要求較低。 （4）但反應(yīng)速度受到限制；因磁頭與磁尺有接觸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨損，對(duì)磁柵的使用壽命產(chǎn)生影響。 第 九 次 課 授 課 提 綱 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)及其機(jī)械結(jié)構(gòu) 一、主軸驅(qū)動(dòng)及其控制 （一）對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)是指產(chǎn)生主切削運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，它是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分之一。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動(dòng)已不能滿足要求，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)提出了更高的要求。 （1）數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)要有寬的調(diào)速范圍及盡可能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速 （2）功率大 （3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要好 （4）精度高 （5）旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)功能 （6）恒線速切削功能 （7）加工中心上，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)�？刂� 此外，有的數(shù)控機(jī)床還要求具有角度分度控制功能。為了達(dá)到上述有關(guān)要求，對(duì)主軸調(diào)速系統(tǒng)還需加位置控制，比較多的采用光電編碼器作為主軸的轉(zhuǎn)角檢測(cè)。 （二）主軸驅(qū)動(dòng)方式 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)及其控制方式主要有四種配置方式，如圖2-25所示。 （1）帶有變速齒輪的主傳動(dòng)，如圖2-25（a）所示。 （2）通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)，如圖2-25（b）所示。 （3）用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸，如圖2-25（c）所示。 （4）內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2-25（d）所示。 （三）主軸調(diào)速方法 數(shù)控機(jī)床的主軸調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的，為了能同時(shí)滿足對(duì)主傳動(dòng)的調(diào)速和輸出扭矩的要求，數(shù)控機(jī)床常用機(jī)電結(jié)合的方法，即同時(shí)采用電動(dòng)機(jī)和機(jī)械齒輪變速兩種方法。其中齒輪減速以增大輸出扭矩，并利用齒輪換擋來(lái)擴(kuò)大調(diào)速范圍。 1．電動(dòng)機(jī)調(diào)速 用于主軸驅(qū)動(dòng)的調(diào)速電動(dòng)機(jī)主要有【模具數(shù)控加工技術(shù)教案第8次課-9次課】相關(guān)文章：
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