電子教案數(shù)控原理與系統(tǒng)項目四

教學(xué)目標知識目標：本項目介紹數(shù)控機床常用檢測裝置的組成、分類和工作原理。學(xué)習(xí)重點是掌握角位移和直線位移檢測裝置在數(shù)控機床上的應(yīng)用，能根據(jù)被測量的不同正確選擇不同的檢測裝置，并了解各檢測裝置的使用方法。能力目標：掌握數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識素質(zhì)目標：具有較扎實的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強的獨立工作能力和創(chuàng)新精神教學(xué)重點（1）位置檢測裝置的選用（2）光電編碼器的工作原理（3）感應(yīng)同步器的工作原理及應(yīng)用（4）旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理及安裝方式教學(xué)手段實物演示；教學(xué)板書；錄像插件；電子課件。教學(xué)學(xué)時10教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程設(shè)計項目四數(shù)控機床常用檢測裝置任務(wù)一光柵尺〖任務(wù)描述〗光柵主要有兩大類，即物理光柵和計量光柵。物理光柵的測量精度非常高（柵距為0.002~0.005mm），通常用于光譜分析和光波波長測定等。相對而言，計量光柵的刻度線粗一些，柵距大一些（0.004~0．25mm），通常用于檢測直線位移和角位移等。在高精度數(shù)控機床上，目前大量使用計量光柵作為位置檢測裝置（下面介紹計量光柵）。〖知識準備〗一、光柵的種類1.直線光柵直線光柵主要有玻璃透射光柵和金屬反射光柵兩種。玻璃透射光柵是在透明的光學(xué)玻璃表面制成感光涂層或金屬鍍膜，經(jīng)過涂敷、蝕刻等工藝制成間隔相等的透明與不透明線紋，所以稱為透射光柵光源可以垂直射入，光電元件可以直接接收光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單。刻線密度較大，再經(jīng)過電路細分，可達到微米級的分辨率。金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上經(jīng)過腐蝕或直接刻畫等工藝制成光柵線紋，所以稱為反射光柵常用的反射光柵的線紋密度為4條/mm、10條/mm、25條/mm、40條/mm和50條/mm。它的主要特點如下。（1）光柵材料與機床材料的線膨脹系數(shù)相近。（2）堅固耐用，安裝與調(diào)整比較方便。（3）分辨率低于透射光柵。2.園光柵圓光柵用于測量角位移。它是在玻璃圓盤的圓環(huán)端面上，制成黑白相間的條紋，條紋呈輻射狀，相互間的夾角相等。直線透射光柵的工作原理直線透射光柵的構(gòu)造直線透射光柵由標尺光柵、指示光柵、光源、透鏡、光電元件及檢測電路等組成。直線透射光柵的工作原理將長光柵和短光柵重疊在一起，中間保持0.01～0.1mm的間隙，并使兩光柵的線紋相對轉(zhuǎn)過一個很小的夾角θ。當光線平行照射光柵時，由于光的透射及衍射效應(yīng)，在與線紋垂直的方向上，準確地說，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋，這就是莫爾干涉條紋，簡稱莫爾條紋。莫爾條紋的特點：（1）起放大作用。（2）起均化誤差作用。（3）莫爾條紋移動與光柵柵距移動之間的關(guān)系。3.光柵的辨向與信號處理三、光柵的特點（1）具有很高的檢測精度。直線光柵的精度可達3μm，分辨率可達0.1μm；圓光柵的精度可達0.15″，分辨率可達0.1″。（2）響應(yīng)速度較快，可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)檢測及數(shù)據(jù)處理的自動化。（3）對使用環(huán)境要求較高，怕油污、灰塵及振動。（4）標尺光柵一般比較長，安裝、維護困難，成本較高。四、光柵的應(yīng)用光柵裝置是數(shù)據(jù)控制設(shè)備、坐標鏜床、工具顯微鏡足XY工作臺及某些坐標測量儀器上廣泛使用的位置檢測裝置。光柵主要用于測量運動位移，確定工作臺運動方向及確定工作臺運動的速度。下面以JENIX系列光柵數(shù)顯裝置為例介紹其結(jié)構(gòu)和使用。五、光柵尺的維護光柵尺本身具有一定的防護措施，有的需要給尺盒里面通入潔凈的氣源，保持尺內(nèi)氣壓大于外部氣壓，防止潮氣進入，但限于現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境及機床本身的加工條件（高壓力的切削液等），還是要做好防污、防振等維護工作。（1）防污。光柵尺由于直接安裝于工作臺和機床床身上，因此，極易受到冷卻液的污染，從而造成信號丟失，影響位置控制精度。冷卻液在使用過程中會產(chǎn)生輕微結(jié)晶，這種結(jié)晶會在掃描頭上形成一層薄膜且透光性差，不易消除，故在選用冷卻液時要慎重。加工過程中，冷卻液的壓力和流量過大，容易形成大量的水霧，會污染光柵尺。光柵尺最好通入低壓壓縮空氣，以免掃描頭運動時形成的負壓把污物吸入光柵，壓縮空氣必須凈化，濾芯應(yīng)保持潔凈并定時更換。（2）防振。光柵尺拆裝時要用靜力，不能用硬物敲擊，以免引起光學(xué)元件的損壞?！既蝿?wù)實施〗認識光柵尺1.任務(wù)目標（1）認識光柵尺的結(jié)構(gòu)。（2）了解光柵尺的安裝。（3）掌握光柵尺的工作原理。2.工具、儀器和設(shè)備光柵尺、數(shù)控機床、千分表、數(shù)顯表。實驗內(nèi)容（1）光柵尺線位移傳感器安裝基面。安裝光柵尺傳感器時，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床床身上，更不能安裝在打底涂漆的機床床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺，要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。若不能達到這個要求，則需設(shè)計加工一件光柵尺基座?；笞龅剑簯?yīng)加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）；該基座通過銑、磨工序加工，保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi)。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于0.2mm。安裝時，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm。（2）光柵尺線位移傳感器主尺安裝。將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上，但不要上緊，并把千分表固定在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時移動）。用千分表測量主尺平面與機床導(dǎo)軌運動方向的平行度，調(diào)整主尺M4螺釘位置，當主尺平行度在0.1mm/1000mm以內(nèi)時，把M2螺釘上緊。在安裝光柵主尺時，應(yīng)注意如下幾點：在裝主尺如安裝超過1.5m以上的光柵時，不能像橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個主尺尺身中有支撐；在有基座情況下安裝好后，最好用一個卡子卡住尺身中點或幾點；不能安裝卡子時，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好。（3）光柵尺線位移傳感器讀數(shù)頭的安裝。在安裝讀數(shù)頭時，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達到安裝要求，然后安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似。最后調(diào)整讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙應(yīng)為1~1.5mm。（4）光柵尺線位移傳感器限位裝置。光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，以免機床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，在選購光柵線位移傳感器時，應(yīng)盡量選用超出機床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。（5）光柵尺線位移傳感器檢查。光柵線位移傳感器安裝完畢后，可接通數(shù)顯表，移動工作臺，觀察數(shù)顯表計數(shù)是否正常。在機床上選取一個參考位置，來回移動工作點至該選取的位置。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同或回零。另外，也可使用千分表或百分表，使千分表或百分表與數(shù)顯表同時調(diào)至零，往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致。通過以上工作，光柵尺線位移傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，傳感器應(yīng)附帶加裝護罩，護罩的設(shè)計是按照傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護罩通常采用橡膠皮密封，使其具備一定的防水防油能力。任務(wù)二光電編碼器〖任務(wù)描述〗光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的角位移檢測裝置，在數(shù)控機床中得到了廣泛的使用。光電編碼器直接將被測角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字（脈沖）信號表示，所以也稱為脈沖編碼器。這種測量方式?jīng)]有累積誤差。光電編碼器也可用來檢測轉(zhuǎn)速。光電編碼器按測量的坐標系來分類可以分為絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器?！贾R準備〗一、絕對式光電編碼器的基礎(chǔ)介紹絕對式光電編碼器就是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，因此稱為絕對碼盤或編碼盤。絕對式光電編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼來測定角位移的。它是目前使用最廣泛的角位移檢測裝置。絕對式光電編碼器的碼盤采用絕對值編碼。碼盤按照其所有碼制可以分為二進制碼、循環(huán)碼、十進制碼、十六進制碼等。二、增量式光電編碼器的組成增量式光電編碼器由光源、聚光鏡、光電盤、光欄板、光電管、整形放大電路和數(shù)字顯示裝置等組成。三、編碼器在數(shù)控機床中的應(yīng)用1.位移測量編碼器在數(shù)控機床中用于工作臺或刀架的直線位移測量有兩種安裝方式：一是和伺服電動機同軸連接在一起（稱為內(nèi)裝式編碼器），伺服電動機再和滾珠絲杠連接，編碼器在進給轉(zhuǎn)動鏈的前端；二是編碼器連接在滾珠絲杠末端（稱為外裝式編碼器）。2.主軸控制1）主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步控制在螺紋加工中，為了保證切削螺紋的螺距，必須有固定的起刀點和退刀點。（1）通過對編碼器輸出脈沖的計數(shù)，保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準確地移動一個螺距（導(dǎo)程）。（2）一般的螺紋加工要經(jīng)過幾次切削才能完成，重復(fù)切削時，開始進刀的位置必須相同。2）恒線速切削控制車床和磨床進行端面或錐形面切削時，為了保證加工面粗糙度Ra為一定的值，要求刀具與工件接觸點的線速度為恒值。隨著刀具的徑向進給及切削直徑的逐漸減小或增大，應(yīng)不斷提高或降低主軸轉(zhuǎn)速，保持v=2πDn為常值。式中，v是切削線速度；D為工件的切削直徑，隨刀具進給不斷變化；n為主軸轉(zhuǎn)速；D為坐標軸的位移值，由光電編碼器檢測獲得。上述數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后即得主軸轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)換成速度控制信號后至主軸驅(qū)動裝置。3）主軸定向準?？刂萍庸ぶ行膿Q刀時，為了使機械手對準刀柄，主軸必須停在固定的徑向位置。準停的實現(xiàn)有以下三種方式。（1）采用定位盤和定位油缸。（2）采用磁性開關(guān)。（3）采用編碼器。4）測速光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此，光電編碼器可代替測速發(fā)電機的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。當利用光電編碼器的脈沖信號進行速度反饋時，若伺服驅(qū)動裝置為模擬式的，則脈沖信號需經(jīng)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器（F/V）轉(zhuǎn)換成正比于頻率的電壓信號；若伺服驅(qū)動裝置為數(shù)字式的，可直接進行數(shù)字測速反饋。5）零標志脈沖用于回參考點控制當數(shù)控機床采用增量式的位置檢測裝置時，數(shù)控機床在接通電源后要做回到參考點的操作。這是因為機床斷電后，系統(tǒng)就失去了對各坐標軸位置的記憶，所以在接通電源后，必須讓各坐標軸回到機床某一固定點上，這一固定點一般為機床坐標系的坐標原點或零點，也稱機床參考點。使機床回到這一固定點的操作稱回參考點或回零操作?！既蝿?wù)實施〗位置檢測裝置的選用1.任務(wù)目標（1）了解位置測量裝置的基本概念。（2）掌握幾種位置測量裝置［光電式增量編碼器（又稱碼盤）、光柵尺等］的使用方法和信號處理方法，并合理選用。（3）掌握數(shù)控機床開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和應(yīng)用。（4）了解數(shù)控機床誤差的測量和補償方法。2.儀器與設(shè)備HED21S數(shù)控系統(tǒng)綜合實驗臺一套、專用連接線一套、示波器一臺、萬用表一個。3.實驗內(nèi)容1）手搖單元波形、光電編碼盤波形、光柵尺波形的測試（1）參照圖422、圖423連接數(shù)控系統(tǒng)，此時光柵尺位置反饋信號只是用來顯示坐標軸的實際位置，并沒有用作位置的閉環(huán)控制。仔細檢查接線，保證接線正確。圖422半閉環(huán)控制系統(tǒng)與松下交流伺服單元的連接圖423半閉環(huán)控制系統(tǒng)與光柵尺的連接（2）設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)的交流伺服軸參數(shù)。（3）設(shè)置交流伺服單元的參數(shù)，使之工作在位置控制方式下。（4）觀察光電編碼盤波形、光柵尺波形，具體操作如下。①將編碼器的A、B相信號分別接入數(shù)字示波器的兩個通道。②進入數(shù)控系統(tǒng)，在MDI方式下調(diào)用G01指令，使交流伺服軸進行低速進給運動，按一下進給修調(diào)右側(cè)的“+”按鍵（修調(diào)倍率默認設(shè)定是遞增10％，即按一下“+”按鍵，軸進給速度遞增10%）。③調(diào)整示波器，使兩個通道同步，觀察交流伺服軸由低速逐漸加速運動后的兩個通道的信號波形，并以圖424所示的格式繪制波形。圖424繪制波形格式④讓交流伺服電動機反向轉(zhuǎn)動，觀察兩個通道的信號波形，并以圖424所示的格式繪制波形。⑤將編碼器的Z相信號接入數(shù)字示波器的一個通道。⑥進入數(shù)控系統(tǒng)，在MDI方式下調(diào)用G01指令，使交流伺服軸低速進給運動。⑦調(diào)整示波器，觀察Z相信號波形，并以圖424所示的格式繪制波形。⑧用同樣的方法觀察并繪制光柵尺A、B、Z相的信號波形。（5）觀察手搖單元波形。①將編碼器的A、B相信號分別接入數(shù)字示波器的兩個通道。②用手搖脈沖發(fā)生器控制進給坐標軸正向或負向移動。③調(diào)整示波器，使兩個通道同步，觀察并繪制兩個通道的信號波形。2）手搖進給控制（1）按一下控制面板上的“增量”按鍵（指示燈亮）。（2）在數(shù)控系統(tǒng)綜合實驗臺上，將手搖單元的坐標軸選擇開關(guān)置于“X”擋，系統(tǒng)處于手搖進給方式，用手搖脈沖發(fā)生器控制進給坐標軸X正向或負向移動。（3）順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)手搖脈沖發(fā)生器，控制X軸向正向或負向移動。（4）手搖進給的增量值（手搖脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一格的移動量）由增量倍率按鍵“×1”“×10”“×100”控制。增量倍率按鍵和增量值的對應(yīng)關(guān)系如表45所示。（5）分別按下增量倍率按鍵“×1”“×10”“×100”，重復(fù)操作（3），觀察軸的移動。（6）在數(shù)控系統(tǒng)綜合實驗臺上，將手搖單元的坐標軸選擇開關(guān)置于“Z”擋。（7）以同樣的操作方法，使用手搖脈沖發(fā)生器控制Z軸移動。3）全閉環(huán)控制（1）參照圖424、圖425連接數(shù)控系統(tǒng)，此時光柵尺位置反饋信號用作位置的閉環(huán)控制。仔細檢查接線，保證接線正確。圖424全閉環(huán)控制系統(tǒng)與松下交流伺服單元的連接圖425全閉環(huán)控制系統(tǒng)與光柵尺的連接（2）設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)的交流伺服軸參數(shù)。（3）設(shè)置交流伺服單元的參數(shù)，使之工作在速度控制方式下。（4）在MDI方式下，控制軸移動一小段距離(0.1mm)，觀察坐標軸的指令值與反饋值是否相同。（5）在手動或手搖脈沖發(fā)生器工作方式下，控制軸慢速移動，然后控制軸快速移動。適當調(diào)整伺服內(nèi)部參數(shù)，使其穩(wěn)定運行。（6）編制一段程序，在全必環(huán)狀態(tài)下自動運行。任務(wù)三感應(yīng)同步器〖任務(wù)描述〗感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測元件，按其結(jié)構(gòu)特點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，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。直線式感應(yīng)同步器用于直線位移測量，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器用于角位移測量。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步器具有檢測精度高、抗干擾性強、壽命長、維護方便、成本低、工藝性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床及各類機床數(shù)控改造中。感應(yīng)同步器一般由1000Hz到10000Hz、幾伏到幾十伏的交流電壓勵磁，輸出電壓一般不超過幾毫伏。下面以直線式感應(yīng)同步器為例，對其結(jié)構(gòu)特點和工作原理進行敘述。〖知識準備〗一、感應(yīng)同步器的工作原理以直線式感應(yīng)同步器為例，其定尺和滑尺如圖426所示。定尺和滑尺的基板是由與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣黏結(jié)劑貼以銅箔，并利用照相腐蝕的辦法制成圖426所示的印刷繞組，定尺表面制有連續(xù)平面繞組，滑尺上制有兩組分段繞組，分別稱為正弦繞組（sin繞組）和余弦繞組（cos繞組），這兩段繞組相對于定尺繞組在空間錯開1/4的節(jié)距，定尺和滑尺繞組節(jié)距相等。定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙（0.25±0.05mm)。工作時，當在滑尺兩個繞組中的任一繞組上加激勵電壓時，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中會感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，通過對感應(yīng)電壓的測量，可以精確地測量出位移量。圖426直線式感應(yīng)同步器的定尺與滑尺圖427所示為定尺繞組感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生原理。在a點時，定尺與滑尺繞組重合，這時感應(yīng)電壓最大；當滑尺相對于定尺平行移動后，感應(yīng)電壓逐漸減小，在錯開1/4節(jié)距的b點時，感應(yīng)電壓為零；再繼續(xù)移14節(jié)距到達c點時，得到的電壓值與a點相同，但極性相反；在3/4節(jié)距時到達d點，又變?yōu)榱?；再移?/4節(jié)距到e點，電壓幅值與a點相同。圖427定尺繞組感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生原理這樣，滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓變化了一個余弦波形。由此可見，在勵磁繞組中加上一定的交變勵磁電壓，感應(yīng)繞組中會感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，其幅值大小隨著滑尺移動作做弦規(guī)律變化?；咭苿右粋€節(jié)距，感應(yīng)電壓變化一個周期。感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電壓的變化進行位置檢測的。

二、感應(yīng)同步器的應(yīng)用鑒相式鑒幅式三、感應(yīng)同步器的安裝與使用介紹將感應(yīng)同步器的輸出與數(shù)字位移顯示器相連，便可方便地將滑尺相對定尺的機械位移準確地顯示出來。根據(jù)感應(yīng)同步器的工作方式不同，數(shù)字位移顯示器也有相位型和幅值型兩種。為了提高定尺輸出電信號的強度，定尺上的輸出電壓首先應(yīng)經(jīng)前置放大器放大后再進入數(shù)字顯示器中。此外，在感應(yīng)同步器滑尺繞組與激勵電源之間設(shè)置匹配變壓器，以保證滑尺繞組有較低的輸入阻抗。感應(yīng)同步器的安裝總圖如圖430所示，圖中定尺和滑尺組件分別由尺子、尺座組成，防護罩的功能是防止灰塵、油污及鐵屑進入。通常將定尺尺座與固定導(dǎo)軌連接，滑尺座與移動部件連接。為了保證檢測精度，要求定尺側(cè)母線與機床導(dǎo)軌基準面的平行度允差在全長內(nèi)為0.1mm，滑尺側(cè)母線與機床導(dǎo)軌基準面的平行度允差在全長內(nèi)為0.02mm，定尺與滑尺接觸的四角間隙一般不大于0.05mm（可用塞規(guī)尺測量）。當量程超過250mm時，需將多個定尺連接起來，此時應(yīng)使接長后的定尺組件在全行程上的累積誤差控制在允許范圍內(nèi)?！既蝿?wù)實施〗認識感應(yīng)同步器1.任務(wù)目標（1）掌握感應(yīng)同步器的工作原理。（2）掌握感應(yīng)同步器的應(yīng)用。（3）正確使用、安裝感應(yīng)同步器。2.儀器與設(shè)備感應(yīng)同步器、數(shù)控機床。3.實驗內(nèi)容（1）正確安裝感應(yīng)同步器。（2）正確使用感應(yīng)同步器。任務(wù)四旋轉(zhuǎn)變壓器〖任務(wù)描述〗旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量元件，也就是一種小型交