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数控卷板机床检测装置

发布时间:2020-1-10
                  数控卷板机床检测装置
  数控卷板机床的检测装置通常安装在机床的工作台、旋转工作台、丝杠轴或电动机轴末端上,起着测量和反馈作用,是数控卷板机床的重要组成部分。在闭环结构的控制系统中,检测装置把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC系统,CNC系统将其与设定的指令值进行比较,若存在偏差,CNC系统控制机床执行部件向消除偏差的方向移动,直至偏差消除。数控卷板机床对位移、速度以及加速度等物理量的测量精度是保证加工精度的基础,因此,检测装置对卷板机床加工精度有很大影响。检测装置可以分辨出的最小测量值是分辨率,分辨率取决于检测元件和测量电路。
  1.数控卷板机床对检测装置的要求
  (1)工作可靠性好、抗干扰能力强;
  (2)满足速度和精度要求;
  (3)便于安装和维护,适用机床工作环境;
  (4)成本低、寿命长。
  2.检测装置的分类
  按照不同的标准检测装置的分类方法很多,以下列举部分分类方法:
  (1)根据测量对象分为位移、速度和电流三类;
  (2)根据测量方法分为增量式和绝对值式两种;
  (3)根据检测信号可分为模拟式和数字式两种;
  (4)根据信号转换方式分为光电效应、压电效应、光栅效应等。
  简单介绍几种常用的检测装置。
  当指示光栅静止不动,标尺光栅左右平移时,莫尔条纹将沿着指示光栅的刻痕上下移动。因此,根据莫尔条纹的移动方向,就可以判断标尺光栅左右移动的方向。两片光栅相对移动一个栅距w,莫尔条纹移动一个条纹距离,莫尔条纹的变化规律近似正弦函数,变化周期与光栅相位位移的栅距数同步。
  一般安装两个光电元件来辨别方向,光电元件距离为1/4节距。当光栅移动时,得到相差1/4周期的两个正弦波。光栅的移动方向决定了这两个正弦波的超前或者滞后。
  在光栅刻痕夹角秒比较小的情况下,莫尔条纹宽度8、光栅栅距w,以及栅线角口的关系为
  莫尔条纹有放大作用,设K为莫尔条纹的放大系数,标尺光栅移动一个栅距w,莫尔条纹移动的距离为KW。
由此可以看出,秒角越小,莫尔条纹放大的倍数越大,光栅位移就变成清晰的莫尔条纹移动。因此,用测量莫尔条纹的移动可以检测光栅的位移,进而实现灵敏度很高的位移测量。
  二、脉冲编码器
  卷板机脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,它把机械转角转变成电脉冲,用数字代码直接表示角位移和直线位移,是一种高精度、高可靠性和结构紧凑的位置检测装置。经过变换电路也可用于速度检测,可以用做速度检测装置。按照工作原理脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁感应式。按照运动方式可分为旋转型和直线型。按照检测得到的数据可分为绝对式和增量式。本节介绍几种常用的编码器。
  数控卷板机床中常用的增量式脉冲编码器有1 024P/r、1 200P/r、2 500P/r和5 000P/r等;随着伺服系统对速度和精度的高要求,绝对式编码器的使用也逐渐增多,绝对式编码器的品牌有多摩川、丹纳赫、海德汉等,编码器有多圈和单圈之分,编码器的位有17位、23位、26位等。
  1.增量式光电脉冲编码器
  增量式光电编码器是数控卷板机床中常用的检测装置,其结构图如图19所示。
  光电脉冲编码器由光源LED、光栏板、光电码盘、’光敏元件和信号处理电路组成。光电码盘是一个圆光栅,光栏板有与光电码盘上相同的透光条纹。当圆光栅旋转时,光线通过光栏板和圆光栅产生明暗相间的三路莫尔条纹,同时光敏元件接收这些光信号,并将其转化为电信号A、B和z。其中A、B信号为计数脉冲,相位相差90度,如图8所示。当光电码盘正转,A信号超前B信号90度,反转时A信号滞后B信号90度,CNC和驱动器利用这个相位关系来判断电动机旋转方向。z信号称为一转信号或者零位脉冲,电动机每转一圈产生一个脉冲。此外,为了提高信号传输的抗干扰能力,A、B信号设计成差分信号。CNC和驱动器常常对上述信号进行倍频处理。以提高分辨率。例如,假设电动机转动一圈发出2500个脉冲,信号经过四倍频处理后,可产生10000个脉冲,如果电动机直接驱动的是8mm螺距的滚珠丝杠,那么工作台的直线分辨率由0.0032mm提高到0.0008mm。
  
   A相  B相
  1-转轴;2-光源;3-光栏板;4-零标志槽;5-光敏元件:6-光电码盘;7-信号处理电路板
  图19增量式光电脉冲编码器    图20光电脉冲编码器输出波形
  2.绝对式旋转编码器
  绝对式编码器有光电式码盘、接触式码盘和电磁式码盘。绝对式编码器通过读取编码盘上的图案来表示数值。图6—21所示为格雷码盘,其中空白的部分透光,用“0”表示;涂黑的部分不透光,用“1”表示。任何两个相邻的数码只有一位变化,便于消除非单值性误差。
  
  图21格雷码盘
  图22所示是四位BCD码盘。它在不导电的集体上制成许多金属区使其导电,图6.22中空白部分为绝缘区,用“0”表示;涂黑部分为导电区,用“1”表示。以此组成二进制代码。图22中最里面一圈和各个导电部分连在一起,通过电刷和电阻接电源正极。当被测轴旋转,电刷和码盘的位置发生相对变化,如果电刷接触导电区,则为“1”;如果电刷接触的是绝缘区,则为“0”。由此得到“0”和“l”组成的BCD码。
  
  图22四位BCD码盘
  BCD码盘和格雷码盘的码道圈数是二进制的位数,高位在内,低位在外。如果是n位二进制码盘,就有n圈码道,并且圆周被均等地分为2“份,也就是说有2”个数据来表示旋转轴的不同位置,能够分辨的角度即为3600/2”,分辨率为1/2”。由此可以看出,n越大,可以分辨的角度就越小,测量的精度就越高。
  三、感应同步器
  感应同步器是一种利用电磁感应原理制成的位移测量装置。装置包含两个平面印刷电路绕组,类似变压器的原边绕组和副边绕组,因此又称平面变压器。感应同步器按用途和结构可以分为直线式感应同步器和旋转式感应同步器。前者用于直线位移测量,后者用于角位移测量,工作原理相似。感应同步器测量精度和分辨率都比较高,抗干扰能力强,工作可靠,目前是数控设备上广泛采用的测量部件。
  1.感应同步器的结构
  感应同步器的主要部件为定尺和滑尺,如图23所示,为直线式感应同步器的结构图。定尺和滑尺的基板均采用与机床热胀系数相近的材料制成。定尺和滑尺均用绝缘黏合剂将铜箔制成的平面绕组固定在基板上。定尺表面涂有切削液的保护层,滑尺表面有带绝缘层的铝箔,以避免静电感应。
  图23直线式感应同步器的结构图
  直线式感应同步器平面绕组如图24所示。标准的感应同步器的定尺长为250mm,绕组单向,均匀分布。滑尺长l00mm,有两组励磁绕组,一组正弦绕组,定义为U。;一组余弦绕组,定义为U.。滑尺绕组和定尺绕组的节距相同,都为2mm,用表示。当正弦绕组与定尺绕组的线圈对齐,余弦绕组的每只线圈与定尺绕组的相应线圈相差1/4"t",
也即州2相位角。
  
  图24直线式感应同步器平面绕组示意图
  2.感应同步器工作原理
  卷板机感应同步器中的定尺和滑尺分别安装在机床的床身和运动机构上,两者相互平行放置,间隙保持0.2~0.3mm。定尺固定,滑尺可以移动,它们的绕组之间的相对位置如图25所示。
  当滑尺的正弦绕组加正弦交流励磁电压时,绕组中产生励磁电流,并产生交变磁通。这个交变磁通与定尺的绕组耦合,则定尺绕组分别感应出频率相同的交流电压。在位置滑尺绕组的正弦绕组与定尺绕组完全对应重合,通过正弦绕组的磁通最大,则感应电动势也最大,随着滑尺的逐渐移动,感应电动势越来越小。滑尺移动到位置2时,正弦绕组的感应电动势为零。在图25中位置3,正弦绕组的磁通最大,电动势反相位并且有效值最大,也就是说,这时的感应电动势与位置1相同但是极性相反。图25中位置4,正弦绕组的感应电动势为零。滑尺继续移动到位置5时,又恢复初始状态,与位置情况相同。
  图25感应同步器工作原理
  由上述分析可知,在定尺与滑尺相对移动过程中,感应电动势的大小和方向呈周期性变化,周期为一个节距或者两个节距,感应电动势的变化曲线为正弦函数。
  根据励磁绕组的励磁供电方式的不同,感应同步器分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。
  1)鉴相工作方式
  在滑尺的正弦绕组S和余弦绕组C分别通以频率相同、幅值相同,相位相差7c/2的励磁电压由此可见,在这种工作方式中,定尺感应电动势与相位角矽相关,也就是说定尺感
应电动势与滑尺的位移量密切相关。通过鉴别定尺感应电压的相位即可测得滑尺的相对
位移量。
  2)鉴幅工作方式
  在滑尺的正弦绕组S和余弦绕组C分别通以频率相同、幅值相同,幅值不同的励磁电压由此可见,这种工作方式中,定尺绕组上的感应电压与励磁电压频率相同、相位相同,幅值七uosincotsin取决于秒。因此,可以通过检测的幅值来测定机械位移。
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