数控机床的检测元件

8.3.1 检测元件概述

检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移、速度和位置，发送反馈信号，构成闭环控制。在设计数控机床，尤其是高精度或大中型数控机床时，必须选用检测元件。

检测元件的性能指标主要有精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程以及随时间和温度变化的漂移量。符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。数控机床的运动精度主要由检测装置的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。高的分辨率对提高系统性能指标、提高运行平稳性都很重要。

此外，数控机床对检测元件还要求高的可靠性和高的抗干扰性，使用维护方便，能适合机床运行环境及成本低等。

数控系统中的检测元件分为位移检测元件、速度检测元件和位置检测元件3种类型。数控机床常用的检测元件见表8-1。

表8-1 数控机床检测元件分类

8.3.2 位移检测元件

数控机床伺服系统中采用的位移检测元件基本分为直线式和旋转式两大类。直线测量装置常用直线型检测元件直接测量工作台或刀架的直线位移，其测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。它的优点是直接反应工作台或刀架的直线位移量，缺点是测量装置要和行程等长，这对大型数控机床来说是一个很大的限制。间接测量使用回转型测量装置通过和工作台直线运动相关联的回转运动，间接测量工作台的直线位移。其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。间接测量使用可靠方便，无长度限制，其缺点是测量信号加入了直线转变为回转运动的传动链误差，影响测量精度。

8.3.2.1 直线型检测装置

（1）直线型感应同步器 感应同步器是一种电磁式的高精度位移检测元件，按其结构方式不同可分为直线式和旋转式两种。如图8-8所示，直线型感应同步器由相对平行移动的定尺1和滑尺12组成。定尺和滑尺之间保持约0.25mm的均匀间隙，定尺固定在机床的静止部分，其表面制有连续绕组；滑尺可随机床运动部件移动，为了辨别运动方向，其绕组分为正弦绕组11和余弦绕组10两部分。以便输出相位差90°的两个信号。工作时，给滑尺绕组通以交流电压，由于电磁感应在定尺绕组中产生感应电动势e，其幅值和相位随滑尺和定尺之间相对位置的变化而变化，感应同步器就是利用这个感应电动势的变化进行测量。

感应同步器的测量精度，主要取决于定尺绕组沿长度方向的尺寸精度，使用感应同步器构成的闭环伺服系统能够使数控机床获得较高的加工精度，但要得到理想的测量效果，对机械部件及安装调试要求很高。为了防止油污和铁屑侵入划伤定尺和滑尺的绕组，造成短路，致使感应同步器损坏，对尺子的保护罩要求较高。

图8-8 直线型感应同步器示意图

1-定尺　 2、6-基板　 3-耐切削液涂层　 4、8-铜箔　 5、9-绝缘粘结胶　7-铝箔　 10-余弦励磁绕组　 11-正弦励磁绕组　 12-滑尺

感应同步器的特点是精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长，可测量长距离位置，成本低，易于成批生产。

图8-9 光栅测量系统

1-照明系统　 2-标尺光栅　 3-指示光栅　 4-光电接受元件

（2）光栅测量装置 光栅测量装置是一种非接触式测量，它将机械式位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环位置控制。由于利用光路减少了机械误差，具有精度高，响应速度快等特点，因此是数控机床和数显系统常用的检测元件。图8-9（a）所示是光栅测量系统，由照明系统1、标尺光栅2、指示光栅3和光电接受元件4组成。标尺光栅2又称为长光栅，固定在机床的移动部件上；指示光栅3和光电接受元件4装在机床的固定部件上，指示光栅3又称为短光栅，两块光栅互相平行并保持一定的距离。如图8-9（b）所示，在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻划很多条和运动方向垂直的条纹，条纹之间的距离P称为栅距。栅距可以根据所需的精度来决定，一般是每毫米刻50、100、200条线（P=0.02、0.01、0.005mm）。

如果将指示光栅在自身的平面内转过一个很小的角度θ，两块光栅的条纹刻线就会相交，其交点组成一条条黑色条纹，称之为莫尔条纹。因为两块光栅的刻线密度相等，即栅距P相等，而莫尔条纹的方向和刻线方向大致垂直，条纹宽度W=P／sinθ。当θ很小时，可近似表示为W=P／θ。若栅距为P=0.01mm，θ为0.01rad，则可得到W=1mm，即把光栅转换成放大100倍的莫尔条纹宽度。此外，由于莫尔条纹是由若干条线纹组成，例如对于栅距为0.01mm的光栅，10mm长的一条莫尔条纹就由1 000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了。莫尔条纹的移动与光栅之间的移动成正比关系，当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应地移动一条条纹。若光栅向反方向移动。则莫尔条纹也相应向反方向移动。所以用莫尔条纹测量长度，决定其精度的要素不是一根线，而是一组线的平均效应，其精度比单纯光栅精度高，尤其是重复精度有显著的提高。

（3）磁栅测量装置 磁栅测量装置是用电磁的方法计算磁波数目的一种位移检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺，读取磁头和相位检测电路组成。磁性标尺是在非磁性材料的基体上，涂敷或镀上一层很薄的磁膜，然后由录磁机在使用位置上录磁，磁化信号可以是脉冲，也可以是正弦波或饱和磁波，磁化信号的节距一般有0.05、0.1、0.2、1mm等几种。磁头是磁-电转换的变换器，它把反映空间位置的磁化信号检测出来，转换成电信号输送给检测电路，是磁尺测量装置中比较关键的元件。相位检测电路和感应同步器相似。

磁栅测量装置的特点是，容易制造，检测精度高，能达到每米长±3μm。安装使用方便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数与机床一致，可在一般车间使用。由于磁头与磁栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命受到一定的限制。一般使用寿命可达5年，涂上保护膜后寿命则延长。

8.3.2.2 旋转型位移检测装置

（1）旋转变压器 旋转变压器是一种角位移检测元件，由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种形式。有刷旋转变压器定子和转子均为两相交流分布绕组。绕组的轴线相互垂直，定子和转子铁心间有均匀的间隙，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出。如图8-10所示，无刷旋转变压器没有电刷和滑环，由分解器8和变压器两部分组成，分解器结构与有刷旋转变压器相同。变压器的一次绕组5与转子轴1固定在一起。加在分解器定子绕组3上的励磁电压信号，通过转子线圈传到变压器的一次绕组5，从变压器的二次绕组7输出最后信号。

数控机床检测装置主要使用无刷旋转变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性高，寿命长，体积小，不用维护以及输出信号大、抗干扰能力强等优点。在使用时，可将其轴与伺服电动机轴通过齿轮连接，根据机床传动丝杠的螺距不同，可选用不同齿数比的齿轮副，以保证机床的位移当量脉冲与数控输入单位一致。为使测量精度高，常采用升速传动。

图8-10 无刷旋转变压器

1-转子轴　 2-壳体　 3-分解器定子　 4-变压器定子　 5-变压器一次绕组　 6-变压器转子　 7-变压器二次绕组　 8-分解器

（2）脉冲编码器 脉冲编码器是把机械转角转化为电脉冲的一种常用角位移传感器。图8-11（a）所示是增量式脉冲编码器原理图。图中G1和G2是光源， MA、MB和MC是光电元件，D为腐蚀有透光窄缝的光电盘。安装时MA、MB错开90°相位角。当光源发光后，每当光电盘转过一个节距时，就可从光电元件MA、MB上得到图8-11（b）所示的光电波形。A、B信号为具有90°相位差的正弦波，经过放大整形，可得到图8-11（c）中的方波，A相比B相超前90°。若输出方波A相超前B相时为正方向旋转，则B相超前A相时即为反方向旋转。利用A、B之间的相位关系即可鉴别编码器的旋转方向。

C相产生的脉冲为基准脉冲。轴每转一转在固定位产生一个脉冲，用于机床参考点返回。每一个参考点的定位基准均是以编码器的MC信号到达为止。

MA、MB和MC信号送入接收电路进行电平转换和消除干扰，经过处理后得到的位置反馈值去和插补器输出的指令值进行比较，然后进行位置控制，得到的电压模拟值在速度环中与指令电压比较，以实现对速度的控制。

数控系统中应用的脉冲编码器，有每转产生2 000、2 500、3 000、4 000脉冲等几种。最高转速达到2 000r／min。应根据数控机床滚珠丝杠的螺距来选用不同型号的脉冲编码器。

图8-11 增量式脉冲编码器原理图

与脉冲编码器相同的有手摇脉冲发生器，它每转发出脉冲数是1 000个。每个脉冲当量为1μm。其作用相当于普通机床的手轮。摇动它可使机床手动移动。

8.3.2.3 速度检测元件

数控机床的速度检测元件用来精确控制转速。转速检测元件常用交、直流测速发电机，也可用数字脉冲编码式速度传感器、霍尔速度传感器及数字电磁传感器等。

测速发电机是速度反馈元件，相当于一台永磁式直流电机。它由定子和转子组成，转子安装在被控直流电机转子轴尾部并随同转动，产生直流电压经电刷输出。这个电压正比于伺服电动机转速，把这个电压送往直流电机的速度环的输入端，用以控制直流电动机的运转速度。

8.3.2.4 位置检测元件

位置传感器所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到达某一位置。因此，它不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。这种传感器常用于数控机床换刀具、工件或工作台到位或行程限制等辅助机能的信号检测。位置传感器分接触式和接近式两种。

（1）接触式位置传感器 接触式传感器是能获取两个物体是否接触之信息的一种传感器。这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。图8-12（a～c）所示是几种不同构造的微动开关位置传感器。图8-12（d）是几种二维矩阵式位置传感器。一般用于机械手掌内侧，在手掌内侧常安装有多个二值触觉传感器，用以检测自身与某一物体的接触位置。

图8-12 接触式位置传感器

1-柔软电极　 2-柔软绝缘体

（2）接近式位置传感器 接近式传感器用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。接近式位置传感器有电磁式、光电式、静电容式、气压式和超声波式等5种形式，基本工作原理可用图8-13表示。

图8-13 接近式位置传感器

①电磁式传感器：这是用得最多的接近式位置传感器。当一个永久磁铁或一个通有高频电流线圈接近一个铁磁体时，它们的磁力线分布将发生变化。因此，可以用另一组线圈检测这种变化。当铁磁体靠近或远离磁场时，它所引起的磁通量变化将在线圈中感应出一个电流脉冲，其幅值正比于磁通的变化。显然，电磁感应传感器只能检测电磁材料，对其他非电磁材料则无能为力。

②光电式传感器：这种传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路并容等优点。它分透光型和反射型两种。

在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙，当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，接收器件（光敏元件）便可检测出物体已经达到。图8-14（a）所示是透光型传感器的接口电路。在反射型光电传感器中，发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上。它的基本情况大致与透光型传感器相似，但由于是检测反射光，所以得到的输出电流I0较小。另外，对于不同的物体表面，信噪比也不一样，因此，设定限幅电平就显得非常重要。图8-14（b）所示是反射型传感器的接口电路。

图8-14 光电式传感器的接口电路

③霍尔元件：霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，如图8-15所示，一般由锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAS）等半导体材料制成。其工作原理是，将元件置于磁场中，如果a、b端通以电流I，在c、d端就会出现电位差VH，这种现象称为霍尔效应。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便会产生霍尔效应，利用电路检测出电阻电位差信号，便能判断物体是否到位。

图8-15 霍尔元件