第8章_伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)培訓(xùn).ppt

第8章伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 8 1概述8 1 1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念1 什么是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng) 是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作 從而獲得精確的位置 速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)它是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量 接受來(lái)自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給脈沖指令 經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓 功率放大 檢測(cè)反饋 最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺(tái)相對(duì)于刀具運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用可歸納如下 1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能放大控制信號(hào) 具有輸出功率的能力 2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)CNC裝置發(fā)出的控制信息對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度進(jìn)行控制 2 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求 1 可逆運(yùn)行在加工過(guò)程中 隨時(shí)都可能實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng) 同時(shí)要求在方向變化時(shí) 不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)的損失 2 進(jìn)給調(diào)速范圍要寬對(duì)一般機(jī)床而言 進(jìn)給速度范圍在0 24m min時(shí) 即可滿足加工要求 具體技術(shù)要求如下 在1 24000mm min即1 24000調(diào)速范圍內(nèi) 要求均勻 穩(wěn)定 無(wú)爬行 且速降小 在1mm min以下時(shí) 具有一定的瞬時(shí)速度 但瞬時(shí)速度要低 在零速時(shí) 即工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)時(shí) 要求電動(dòng)機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩以維持定位精度 使定位誤差不超過(guò)系統(tǒng)的允許范圍 即零速時(shí)電動(dòng)機(jī)處于伺服鎖定狀態(tài) 3 具有足夠的傳動(dòng)剛性和速度穩(wěn)定性 4 快速響應(yīng)無(wú)超調(diào)快速響應(yīng)是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的一項(xiàng)重要性能指標(biāo) 它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度 要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快 一方面 在伺服系統(tǒng)處于頻繁啟動(dòng) 制動(dòng) 加速 減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中 要求加 減速度足夠大 以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 一般在200ms以內(nèi) 甚至小于幾十毫秒 且速度變化不應(yīng)有超調(diào) 另一方面 當(dāng)負(fù)載突變時(shí) 過(guò)渡過(guò)程恢復(fù)時(shí)間要短 且無(wú)振蕩 5 高精度為了滿足數(shù)控加工精度 關(guān)鍵是保證數(shù)控機(jī)床的定位精度和位移精度 位移精度位移精度是指指令脈沖要求機(jī)床進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)實(shí)際位移量之間的符合程度 兩者誤差愈小 伺服系統(tǒng)的位移精度愈高 目前 位移精度可達(dá)到全程范圍內(nèi) 5 m 一般數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量為0 01 0 005mm 脈沖 高精度的數(shù)控機(jī)床其脈沖當(dāng)量可達(dá)0 001mm 脈沖 甚至更高 定位精度定位精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求能達(dá)到1 m 甚至0 1 m 6 低速大轉(zhuǎn)矩根據(jù)數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn) 大都是在低速進(jìn)行重切削 即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出 應(yīng)使動(dòng)力源盡量靠近機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 使傳動(dòng)裝置機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 系統(tǒng)剛性增加 傳動(dòng)精度提高 8 1 2伺服系統(tǒng)的組成和工作原理閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖8 1所示 圖8 1閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 數(shù)控機(jī)床的位置控制過(guò)程 安裝在工作臺(tái)的位置檢測(cè)元件把機(jī)械位移變成位置數(shù)字量 并由位置反饋電路送到微機(jī)內(nèi)部 該位置反饋量與輸入微機(jī)的指令位置進(jìn)行比較 如果比較結(jié)果不一致 微機(jī)送出差值信號(hào) 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路將差值信號(hào)進(jìn)行變換 放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 經(jīng)減速裝置帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng) 當(dāng)比較后的差值信號(hào)為零時(shí) 電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) 此時(shí) 工作臺(tái)移到指令所指定的位置 速度控制過(guò)程 圖8 1中的測(cè)速發(fā)電機(jī)和速度反饋電路組成的反饋回路可實(shí)現(xiàn)速度恒值控制 測(cè)速發(fā)電機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn) 假如因外負(fù)載增大而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降 則測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降 經(jīng)速度反饋電路 把轉(zhuǎn)速變化的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào) 送到驅(qū)動(dòng)電路 與輸入信號(hào)進(jìn)行比較 比較后的差值信號(hào)經(jīng)放大后 產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)電壓 從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升 恢復(fù)到原先調(diào)定轉(zhuǎn)速 使電動(dòng)機(jī)排除負(fù)載變動(dòng)的干擾 維持轉(zhuǎn)速恒定不變 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖可以用框圖表示如下 圖8 2伺服系統(tǒng)框圖 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的主要組成部分 從上述原理圖及框圖可知 閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成 1 微型計(jì)算機(jī)它能接收輸入的加工程序和反饋信號(hào) 經(jīng)系統(tǒng)軟件運(yùn)行處理后 由輸出口送出指令信號(hào) 2 驅(qū)動(dòng)電路接收微機(jī)發(fā)出的指令 并將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) 經(jīng)過(guò)功率放大后 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)速的大小由指令控制 若要實(shí)現(xiàn)恒速控制功能 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能接收速度反饋信號(hào) 將反饋信號(hào)與微機(jī)的輸入信號(hào)進(jìn)行比較 將差值信號(hào)作為控制信號(hào) 使電動(dòng)機(jī)保持恒速轉(zhuǎn)動(dòng) 3 執(zhí)行元件可以是直流電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī) 也可以是步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常是開環(huán)控制 4 傳動(dòng)裝置包括減速箱和滾珠絲杠等 5 位置檢測(cè)元件及反饋電路位置檢測(cè)元件有直線感應(yīng)同步器 光柵和磁尺等 位置檢測(cè)元件檢測(cè)的位移信號(hào)由反饋電路轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能識(shí)別反饋信號(hào)送入計(jì)算機(jī) 由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較后送出差值信號(hào) 6 測(cè)速發(fā)電機(jī)及反饋電路測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際是小型發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)兩端的電壓值和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比 故可將轉(zhuǎn)速的變化量轉(zhuǎn)變成電壓的變化量 8 1 3伺服系統(tǒng)的分類 1 按驅(qū)動(dòng)方式分可分為液壓伺服系統(tǒng) 氣壓伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng) 2 按執(zhí)行元件的類別分類可分為直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 3 按有無(wú)檢測(cè)元件和反饋環(huán)節(jié)分類可分為開環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 4 按輸出被控制量的性質(zhì)分類可分為位置伺服系統(tǒng) 速度伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)類型對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床精度 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度一般為0 01 0 005mm 2 精度要求高的大型數(shù)控設(shè)備 通常采用交流或直流伺服電動(dòng)機(jī) 閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)定位精度可達(dá)0 001 0 003mm 8 1 4進(jìn)給電動(dòng)機(jī)分類進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的伺服電動(dòng)機(jī)主要有以下幾種 1 改進(jìn)型直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有區(qū)別 只是它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小 過(guò)載能力很強(qiáng) 且具有較好的換向性能 早期的數(shù)控機(jī)床上多用這種電動(dòng)機(jī) 2 小慣量直流電動(dòng)機(jī)它最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 所以獲得較好的快速性 在早期的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用這類電動(dòng)機(jī)也較多 3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)制造容易 它所組成的開環(huán)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置也比較簡(jiǎn)單易調(diào) 在60年代至70年代初 這種電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床上曾風(fēng)行一時(shí) 目前 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床仍使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 另外 在某些機(jī)床上也有用作補(bǔ)償?shù)毒吣p運(yùn)動(dòng)以及精密角位移的驅(qū)動(dòng) 4 永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)永磁直流電動(dòng)機(jī)能在較大轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)期工作以及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量較大 因此 它能直接與絲杠相連而不需要中間傳動(dòng)裝置 且因?yàn)闊o(wú)勵(lì)磁回路損耗 所以它的外形尺寸比勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)小 它還有一個(gè)特點(diǎn)是可在低速下運(yùn)行 如能在1rpm甚至0 1rpm下平穩(wěn)運(yùn)行 因此 這種電動(dòng)機(jī)獲得廣泛的應(yīng)用 從70年代到80年代中期 在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置中 它占據(jù)著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位 至今 許多數(shù)控機(jī)床上仍使用永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也叫無(wú)換向器直流電動(dòng)機(jī) 是由同步電動(dòng)機(jī)和逆變器組成 而逆變器由裝在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子傳感器控制 因此 它實(shí)際上是交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的一種 由于這種電動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的水平 又取消換向器和電刷部件 使電動(dòng)機(jī)的壽命大約提高了一個(gè)數(shù)量級(jí) 6 交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)自80年代中期開始 異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)得到了迅速的發(fā)展 是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的一個(gè)方向 某些國(guó)家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床已全部采用交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 8 2開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的負(fù)載不大 加工精度要求不高時(shí) 可采用開環(huán)控制 數(shù)控機(jī)床開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行組件多采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)沒(méi)有位置檢測(cè)反饋回路和速度檢測(cè)反饋回路 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 且易于與機(jī)床配接 圖8 3為采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖 圖8 3開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)示意圖 8 2 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置 由于所用電源是脈沖電源 所以也稱為脈沖馬達(dá) 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 1 按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小 可分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2 按勵(lì)磁繞組可分為三相 四相 五相 六相甚至八相步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3 按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作原理可分為電磁式 反應(yīng)式以及混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 4 按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的軌跡形式可分為旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出角與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比 故控制輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)就能控制位移量 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比 只要控制脈沖頻率就能調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 3 當(dāng)停止輸入脈沖時(shí) 只要維持繞組內(nèi)電流不變 電動(dòng)機(jī)軸可以保持在某固定位置上 不需要機(jī)械制動(dòng)裝置 4 改變通電相序即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向 5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在齒間相鄰誤差 但是不會(huì)產(chǎn)生積累誤差 6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 啟動(dòng) 停止迅速 7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是效率低 負(fù)載能力低 調(diào)速范圍小 最高輸入脈沖頻率一般不超過(guò)18kHz 8 2 2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 該電動(dòng)機(jī)定子有A B C三相 轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒 當(dāng)A相繞組通以直流電時(shí) 轉(zhuǎn)子齒1 3在磁力線的作用下迅速與A相磁極對(duì)齊 對(duì)齊后停止轉(zhuǎn)動(dòng) 此時(shí) 若B相通電 A相斷電 磁相B又把距它最近的一對(duì)齒2 4吸引過(guò)去 使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30 接著C相通電 B相斷電 轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30 依此類推 定子按A B C A 順序通電 轉(zhuǎn)子就一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 每步轉(zhuǎn)30 同理 若改變通電順序 按A C B A 順序通電 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 同樣每步轉(zhuǎn)30 圖8 4三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理模型圖 由此可見(jiàn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理類似于電磁鐵作用原理 當(dāng)某相繞組通電時(shí) 定子產(chǎn)生磁場(chǎng) 并與轉(zhuǎn)子形成磁路 如果此時(shí)定子與轉(zhuǎn)子齒沒(méi)有對(duì)齊 則由于磁力線力圖走磁阻最小的路線 而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 使定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊 從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度 步距角 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電狀態(tài)每改變一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為步距角 該電動(dòng)機(jī)的步距角為30 廠家對(duì)于每種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)給出兩種步距角 彼此相差一倍 大步距角 指控制供電拍數(shù)與相數(shù)相等時(shí)的步距角 小步距角 指控制供電拍數(shù)是相數(shù)兩倍時(shí)的步距角 三相三拍控制方式 圖8 4所示的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式 每次只有一相繞組通電 叫三相三拍控制方式 工作在這種方式時(shí) 切換瞬間步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失去自鎖轉(zhuǎn)矩 容易失步 此外 只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子 易在平衡位置產(chǎn)生振蕩 因此 一般不采用三相三拍控制方式 而采用三相六拍控制方式 三相六拍控制方式 三相六拍控制方式的通電順序按A AB B BC C CA A 進(jìn)行 每改變一次通電狀態(tài) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15 比三相三拍控制方式的步距角小一半 在通電狀態(tài)改變時(shí)總能保持一相繞組通電 因此工作穩(wěn)定 轉(zhuǎn)換頻率也提高一倍 是三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)較常用的控制方式 雙三拍控制方式 如果要采用三相三拍控制方式 可以采用雙三拍控制方式 即通電順序按AB BC CA AB 進(jìn)行 由于雙三拍控制方式每次有兩相繞組通電 而且切換時(shí)總保持一相通電 故工作較穩(wěn)定 綜上所述 可以得出如下一些結(jié)論 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次 它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度 即步距角 2 改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電順序 則轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn) 3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快 其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度也就越快 即通電狀態(tài)的變化頻率越高 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高 4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 與定子的相數(shù)m 轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z 通電方式系數(shù)k有關(guān) 式中 k為由控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù) 即k 拍數(shù) 相數(shù) 如三相三拍 k 1 三相六拍 k 2 五相十拍 k 2 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式和一般電動(dòng)機(jī)的不同 是采用脈沖控制方式工作的 只有按一定規(guī)律對(duì)各相繞組輪流通電 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng) 數(shù)控機(jī)床采用的功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三相 四相 五相和六相等 工作方式有單m拍 雙m拍 三m拍及2 m拍等 m是電動(dòng)機(jī)的相數(shù) 單m拍 每拍只有一相通電 循環(huán)拍數(shù)為m 雙m拍 每拍同時(shí)有兩相通電 循環(huán)拍數(shù)為m拍 三m拍 每拍同時(shí)有三相通電 循環(huán)拍數(shù)為m拍 2 m拍 是各拍既有單向通電 也有兩相或三相通電 通常為一至二至三相通電 循環(huán)拍數(shù)為2 m拍 見(jiàn)表8 1 一般電動(dòng)機(jī)的相數(shù)越多 工作方式越多 若表8 1中的通電順序相反 則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 表8 1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作方式 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置由脈沖分配器 功率放大器等組成 驅(qū)動(dòng)裝置是將變頻信號(hào)源 微機(jī)或數(shù)控裝置等 送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)繞組 以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正 反向旋轉(zhuǎn) 變頻信號(hào)源可提供幾赫茲到幾萬(wàn)赫茲的頻率信號(hào)且連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器 因此 只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速 1 環(huán)行脈沖分配器環(huán)行脈沖分配器是用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式 使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分 又稱為環(huán)行分配器或環(huán)分器 環(huán)行分配器分為軟件環(huán)分器和硬件環(huán)分器 2 功率放大器又稱功率驅(qū)動(dòng)器或功率放大電路 來(lái)自環(huán)行分配器的脈沖電流只有幾毫安 而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組需要幾安培至幾十安培 功率放大器的功能是將來(lái)自環(huán)行分配器的脈沖電流放大到足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用的功率放大器有電壓型和電流型 電壓型有單電壓型和雙電壓型 高低壓型 電流型有恒流驅(qū)動(dòng)型 斬波驅(qū)動(dòng)型等 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于采用脈沖方式工作 且各相需按一定規(guī)律分配脈沖 因此 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中 需要脈沖分配邏輯和脈沖產(chǎn)生邏輯 脈沖的多少需要根據(jù)控制對(duì)象的運(yùn)行軌跡計(jì)算得到 因此還需要插補(bǔ)運(yùn)算器 數(shù)控機(jī)床所用的功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有足夠的驅(qū)動(dòng)功率 所以還要求有功率驅(qū)動(dòng)部分 為了保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步地啟停 要求控制系統(tǒng)具有升降速控制環(huán)節(jié) 除了上述各環(huán)節(jié)之外 還有鍵盤 顯示器等輸入 輸出設(shè)備的接口電路 通訊接口電路及其他附屬環(huán)節(jié) 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中 還有檢測(cè)元件的接口電路 在早期的數(shù)控系統(tǒng)中 上述各環(huán)節(jié)都是由硬件完成的 前的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng) 由于都采用了小型和微型計(jì)算機(jī)控制 上述很多控制環(huán)節(jié) 如升降速控制 脈沖分配 脈沖產(chǎn)生 插補(bǔ)運(yùn)算等都可以由計(jì)算機(jī)完成 使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路大為簡(jiǎn)化 圖8 4為用微型計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)框圖 圖8 5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的CNC系統(tǒng)框圖 鍵盤 用于向計(jì)算機(jī)輸入和編輯控制代碼程序 輸入的代碼由計(jì)算機(jī)解釋 顯示器 用于顯示控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)值 故障報(bào)警 工作狀態(tài)及編程代碼等各種信息 存儲(chǔ)器用來(lái)存放監(jiān)控程序 解釋程序 插補(bǔ)運(yùn)算程序 故障診斷程序 脈沖分配程序 鍵盤掃描程序 顯示驅(qū)動(dòng)程序及用戶控制代碼程序等 功率放大器 用以對(duì)計(jì)算機(jī)送來(lái)的脈沖進(jìn)行功率放大 以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行 8 3閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)在工作原理方面并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別 但因控制電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)不同 所以在結(jié)構(gòu)上有很大的差別 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求 精度高 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好 8 3 1直流伺服電動(dòng)機(jī)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)迅速 精度和效率高 調(diào)速范圍寬 負(fù)載能力大 控制特性優(yōu)良等特點(diǎn) 被廣泛應(yīng)用在閉環(huán) 半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中 1 直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為 永磁式和他勵(lì)式 按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀可分為 平滑電樞型 空心電樞型和有槽電樞型等 按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小分為 大慣量 中慣量和小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī) 2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制例如 他勵(lì)直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞回路的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 由以上兩個(gè)方程可得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 式中n 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r min Ua 電動(dòng)機(jī)電樞回路外加電壓 V Ra 電樞回路電阻 Ia 電樞回路電流 A Ce 反電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 氣隙磁通量 Wb Ke 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) V s rad 從上式可知 對(duì)一給定的直流電動(dòng)機(jī) 要改變它的轉(zhuǎn)速 有三種方法 1 改變電動(dòng)機(jī)電樞電路外加電壓U 即改變電樞電壓 此方法可得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性 適于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)及主軸驅(qū)動(dòng)的低速段 2 改變氣隙磁通量 此方法可得到恒功率特性 適于主軸電動(dòng)機(jī)的高速段 3 改變電樞電路的電阻 此方法得到的機(jī)械特性較軟 因此在數(shù)控機(jī)床上較少采用 若采用調(diào)壓與調(diào)磁兩種方法互相配合 可以獲得很寬的調(diào)速范圍 又可充分利用電動(dòng)機(jī)的容量 在數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置中 直流電動(dòng)機(jī)速度控制多采用晶閘管 可控硅 調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng) 可控硅調(diào)速裝置可控硅 semiconductorcontrolrectifier SCR 又稱晶閘管 是一種大功率半導(dǎo)體器件 由陽(yáng)極A 陰極K和控制極G 又稱門極 組成 當(dāng)陽(yáng)極和陰極間施加正相電壓且控制極出現(xiàn)觸發(fā)脈沖時(shí) 可控硅導(dǎo)通 觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻稱為觸發(fā)角 控制觸發(fā)角即可控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間 從而達(dá)到控制電壓的目的 只通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角 電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的范圍較小 為滿足數(shù)控機(jī)床調(diào)速范圍需求 可采用帶有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng) 為增加調(diào)速特性的硬度 需增加一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié) 實(shí)現(xiàn)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖8 6所示為一典型的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖8 6雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖 當(dāng)給定的速度指令信號(hào)增大時(shí) 調(diào)節(jié)器輸入端會(huì)有較大的偏差信號(hào) 放大器的輸出信號(hào)隨之加大 觸發(fā)脈沖前移 整流器輸出電壓提高 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)上升 同時(shí) 測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓增大 反饋到輸入端使偏差減小 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升減慢 直到速度反饋值等于或接近于給定值時(shí) 系統(tǒng)達(dá)到新的平衡 其缺點(diǎn)在于低速輕載時(shí) 電樞電流出現(xiàn)斷續(xù) 機(jī)械特性變軟 總放大倍數(shù)下降 動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞 直流脈寬調(diào)速 PWM 系統(tǒng)脈寬調(diào)速是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制 將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓 加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端 通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制 改變電樞兩端的平均電壓 達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主要采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖8 7所示 其主要優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬 電流脈動(dòng)小 波形系數(shù)小 電源功率因數(shù)高等 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主要采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖8 7所示 其主要優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬 電流脈動(dòng)小 波形系數(shù)小 電源功率因數(shù)高等 圖8 7直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 8 3 2交流伺服電動(dòng)機(jī)控制1 交流伺服電動(dòng)機(jī)的分類和特點(diǎn) 1 異步型交流伺服電動(dòng)機(jī) IM 指的是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 它有三相和單相之分 也有鼠籠式和線繞式之分 通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 2 同步型交流伺服電動(dòng)機(jī) SM 它的定子與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣 都在定子上裝有對(duì)稱三相繞組 而轉(zhuǎn)子卻不同 按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類 非電磁式又分為磁滯式 永磁式和反應(yīng)式多種 數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn) 與電磁式相比 永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 運(yùn)行可靠 效率較高 缺點(diǎn) 是體積大 啟動(dòng)特性欠佳 永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)是一臺(tái)機(jī)組 由永磁同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子位置傳感器 速度傳感器等組成 2 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 式中 f為定子電源頻率 s為轉(zhuǎn)差率 p為極對(duì)數(shù) n0為同步轉(zhuǎn)速 由上式可知 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有三種 1 改變磁極對(duì)數(shù)p這是一種有級(jí)的調(diào)速方法 它是通過(guò)對(duì)定子繞組接線的切換以改變磁極對(duì)數(shù)p來(lái)進(jìn)行調(diào)速的 2 改變頻差率s調(diào)速這實(shí)際上是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s的處理而獲得的調(diào)速方法 常用的是降低定子電壓調(diào)速 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級(jí)調(diào)速等 3 變頻調(diào)速這是平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉(zhuǎn)速平滑變化的調(diào)速方法 是交流電動(dòng)機(jī)的一種理想調(diào)速方法 電動(dòng)機(jī)從高速到低速其轉(zhuǎn)差率都很小 因而變頻調(diào)速的效率和功率因素都很高 3 變頻調(diào)速技術(shù)變頻器M對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器 其功能是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻CVCF ConstantVoltageConstantFrequency 交流電變換為變壓變頻VVVF VariableVoltageVariableFrequency 交流電 變頻伴隨變壓 對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 變頻器有交 交變頻器與交 直 交變頻器兩大類 如圖8 8所示 圖8 8兩種類型的變頻器 1 正弦波脈寬調(diào)制變頻器 SPWM 正弦波脈寬調(diào)制變頻器 SPWM 是使用最廣泛的的PWM調(diào)制方法 屬于交 直 交靜止變頻裝置 將50Hz交流電經(jīng)整流變壓器變壓到所需電壓 經(jīng)二極管整流和電容濾波 形成定直流電壓 再送入六個(gè)大功率晶體管構(gòu)成的逆變器主電路 輸出三相頻率和電壓均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波 SPWM 圖8 9為雙極型SPWM的通用型主回路 圖8 9雙極型SPWM通用型主回路 2 矢量變換控制的SPWM調(diào)速系統(tǒng)矢量控制是一種新型控制技術(shù) 應(yīng)用這種技術(shù) 已使交流調(diào)速系統(tǒng)的靜 動(dòng)態(tài)性能接近或達(dá)到了直流電動(dòng)機(jī)的高性能 在數(shù)控機(jī)床的主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中 矢量控制應(yīng)用日益廣泛 并有取代直流驅(qū)動(dòng)之勢(shì) 矢量變換控制的SPWM調(diào)速系統(tǒng) 是將矢量變換得到相應(yīng)的交流電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制信號(hào) 作為SPWM系統(tǒng)的給定基準(zhǔn)正弦波 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁通的獨(dú)立控制 控制方式與直流電動(dòng)機(jī)相同 可獲得與直流電動(dòng)機(jī)相同的調(diào)速控制特性 滿足了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的恒轉(zhuǎn)矩 寬調(diào)速的要求 也可以滿足主軸驅(qū)動(dòng)中恒功率調(diào)速的要求 因此在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用 矢量變換調(diào)速系統(tǒng)的主要特性如下 速度控制精度和過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)時(shí)間與直流電動(dòng)機(jī)大致相同 調(diào)速精度可達(dá) 0 1 自動(dòng)弱磁控制與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相同 弱磁調(diào)速范圍4 1 過(guò)載能力強(qiáng) 能承受沖擊負(fù)載 突然加減速和突然可逆運(yùn)行 能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行 性能良好的矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)比直流系統(tǒng)效率高約2 不存在直流電動(dòng)機(jī)換向火花問(wèn)題 8 4檢測(cè)元件 位置精度要求不高的數(shù)控設(shè)備 開環(huán)系統(tǒng)即可滿足要求 位置精度要求較高時(shí) 均應(yīng)采用閉環(huán)系統(tǒng) 檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分 在閉環(huán)系統(tǒng)中 其主要作用是檢測(cè)位移量 并發(fā)出反饋信號(hào) 與數(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) 直至偏差等于零為止 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反饋控制的隨動(dòng)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的輸出量是機(jī)械位移 速度或加速度 利用這些量的反饋實(shí)現(xiàn)精確的位移 速度控制目的 數(shù)控系統(tǒng)的檢測(cè)裝置 即傳感器 起著測(cè)量和反饋兩個(gè)作用 它發(fā)出的信號(hào)傳送給數(shù)控裝置或?qū)Ｓ每刂破?構(gòu)成閉環(huán)控制 從一定意義上看 數(shù)控機(jī)床的加工精度主要取決于檢測(cè)裝置的精度 傳感器能分辨出的最小測(cè)量值稱為分辨率 分辨率不僅取決于傳感器本身 也取決于測(cè)量線路 因此 研制和選用性能優(yōu)良的檢測(cè)裝置是非常重要的 數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的主要要求 壽命長(zhǎng) 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 滿足精度和速度要求 使用維護(hù)方便 適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境 成本低 便于與電子計(jì)算機(jī)聯(lián)接 數(shù)控機(jī)床全部采用電傳感器性質(zhì)位置檢測(cè)元件 即能將被測(cè)對(duì)象的位置變化量轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 經(jīng)數(shù)字化處理后再送入計(jì)算機(jī) 8 4 1檢測(cè)元件的分類數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)元件分為位移 速度和電流三種類型 按安裝的位置及耦合方式分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N 按測(cè)量方法分為增量式和絕對(duì)式兩種 按檢測(cè)信號(hào)的類型分為模擬式和數(shù)字式兩大類 按運(yùn)動(dòng)方式分為回轉(zhuǎn)式和直線式檢測(cè)元件 按信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理可分為光電效應(yīng) 光柵效應(yīng) 電磁感應(yīng)原理 壓電效應(yīng) 壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等類檢測(cè)元件 數(shù)控機(jī)床常用的檢測(cè)元件見(jiàn)表8 2 表8 2數(shù)控機(jī)床檢測(cè)元件的分類 位置檢測(cè)元件數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)元件基本分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩大類 直線式位置檢測(cè)元件用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的直線位移量 旋轉(zhuǎn)式位置檢測(cè)元件用來(lái)檢測(cè)回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)位移量 常見(jiàn)的位置檢測(cè)元件如圖8 10所示 圖8 10常用的位置檢測(cè)元件 速度檢測(cè)元件速度檢測(cè)元件用以檢測(cè)和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 其目的是精確控制轉(zhuǎn)速 常用的測(cè)速元件是測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)同軸安裝 也有用回轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器 脈沖編碼器和頻率 電壓轉(zhuǎn)換線路產(chǎn)生速度檢測(cè)信號(hào) 8 4 2數(shù)控測(cè)量裝置的性能指標(biāo)及要求測(cè)量裝置安放在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 測(cè)量裝置所測(cè)量的各種物理量是不斷變化的 因此傳感器的測(cè)量輸出必須能準(zhǔn)確 快速跟隨反映這些被測(cè)量的變化 傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 主要如下 1 精度符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱作精度 數(shù)控用傳感器要滿足高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量的要求 2 分辨率分辨率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求 分辨率的提高 對(duì)提高系統(tǒng)性能指標(biāo) 提高運(yùn)行平穩(wěn)性都很重要 高分辨率傳感器已能滿足亞微米和秒 角度 級(jí)精度設(shè)備的要求 3 靈敏度實(shí)時(shí)測(cè)量裝置不但要靈敏度高 而且輸出 輸入關(guān)系中各點(diǎn)的靈敏度應(yīng)該是一致的 4 遲滯對(duì)某一輸入量 傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量不一致 稱為遲滯 數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求遲滯小 5 測(cè)量范圍和量程傳感器的測(cè)量范圍要滿足系統(tǒng)的要求 并留有余地 6 零漂與溫漂傳感器的漂移量是其重要性能標(biāo)志 它反映了隨時(shí)間和溫度的變化 傳感器測(cè)量精度的微小變化 此外 對(duì)測(cè)量裝置還要求工作可靠 抗干擾性強(qiáng) 使用維護(hù)方便 成本低等 8 4 3旋轉(zhuǎn)變壓器 1 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理如圖8 10所示 勵(lì)磁電壓U1接在變壓器的一次側(cè) 勵(lì)磁頻率通常為400Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz及5000Hz 當(dāng)勵(lì)磁電壓加在定子繞組上時(shí) 通過(guò)電磁耦合 在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓e 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 圖8 10旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器和普通變壓器的比較 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似 區(qū)別在于普通變壓器的一次 二次繞組是相對(duì)固定的 所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù) 而旋轉(zhuǎn)變壓器的一次 二次繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變 因而其輸出電壓的大小也隨之變化 旋轉(zhuǎn)變壓器分為單級(jí)和多級(jí)型式 單級(jí)型式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作情況如圖8 11所示 如果轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相互垂直 即轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角為零時(shí) 則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓為零 如果轉(zhuǎn)子繞組自垂直位置偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí) 轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 式中 k 變壓器電壓耦合系數(shù) Um 勵(lì)磁電壓的幅值 勵(lì)磁電壓的角頻率 轉(zhuǎn)子繞組軸線的偏轉(zhuǎn)角 U1 定子繞組勵(lì)磁電壓 由上式可知 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子繞組平行時(shí) 即偏轉(zhuǎn)角度 90 時(shí) 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 其值為 通常使用的是正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有相互垂直的兩個(gè)繞組 如圖8 12所示 為了講述方便 圖中轉(zhuǎn)子只畫了一個(gè)繞組 如果用兩個(gè)相位差為90 的勵(lì)磁電壓分別加在兩個(gè)定子繞組上 勵(lì)磁電壓的公式為 圖8 12正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖 則U1和U2在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為 由上式可知 感應(yīng)電壓是關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦和余弦函數(shù) 所以稱為正弦余弦變壓器 2 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式以正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器為例 在定子的兩個(gè)繞組分別通以勵(lì)磁電壓 應(yīng)用疊加原理 可以得到兩種典型的工作方式 鑒相工作方式給定子的兩個(gè)繞組分別通以同幅 同頻但相位差為90 的勵(lì)磁電壓 這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是疊加在一起的 因此轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓為 同理 假如轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn) 可得 由此可見(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 只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角 就可以知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角 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流勵(lì)磁電壓 即 其中 幅值分別是正 余弦函數(shù) 則在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的疊加感應(yīng)電壓為 同理 如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動(dòng) 可得 可見(jiàn) 轉(zhuǎn)子輸出電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化 測(cè)量出幅值即可求得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角值 3 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及安裝圖8 12是無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖 圖8 13無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖1 轉(zhuǎn)子軸承 2 殼體 3 分解器定子 4 變壓器定子 5 變壓器一次繞組 6 變壓器轉(zhuǎn)子線軸 7 變壓器二次繞組 8 分解器 無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器由兩部分組成 一部分叫分解器 其結(jié)構(gòu)是由定子和轉(zhuǎn)子組成 定子與轉(zhuǎn)子上均為兩相交流分布繞組 相隔90 另一部分叫做變壓器 它的一次繞組與分解器轉(zhuǎn)子軸固定在一起 并與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn) 它的二次繞組在定子線軸上 分解器定子繞組接外加的勵(lì)磁電壓 它的轉(zhuǎn)子繞組輸出的信號(hào)接到變壓器一次繞組 從變壓器的二次繞組引出最后輸出信號(hào) 無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有高可靠性 壽命長(zhǎng) 不用維修以及輸出信號(hào)大等優(yōu)點(diǎn) 是數(shù)控機(jī)床主要使用的位置檢測(cè)元件之一 8 4 4脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器 其作用是把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖 是一種常用的角位移檢測(cè)元件 1 脈沖編碼器的工作原理脈沖編碼器分為光電式 接觸式和電磁感應(yīng)式三種 數(shù)控機(jī)床上常使用光電式脈沖編碼器 圖8 15是光電盤工作原理示意圖 在碼盤的邊緣上開有間距相等的透光窄縫隙 在碼盤的兩側(cè)分別安裝光源與光敏元件 圖8 15光電盤工作原理示意圖 當(dāng)碼盤隨被測(cè)工作軸一起旋轉(zhuǎn)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 使光敏元件的電阻值改變 這樣就把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的強(qiáng)弱變化 然后 經(jīng)放大 整形處理后 光電盤輸出脈沖信號(hào) 脈沖的個(gè)數(shù)就等于轉(zhuǎn)過(guò)的縫隙數(shù) 如果將脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中記數(shù) 計(jì)數(shù)顯示就反映了碼盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度 為了判別旋轉(zhuǎn)方向 可在碼盤兩側(cè)再裝一套光電轉(zhuǎn)換裝置 分別用A和B表示 兩套光電轉(zhuǎn)換裝置在光電元件上形成兩條明暗變化的光線 產(chǎn)生兩組近似于正弦波的電流信號(hào)A與B 兩者的相位差90 經(jīng)放大和整形電路處理后變成方波 如圖8 15所示 圖8 16脈沖編碼器輸出波形 若A相超前于B相 對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)作正向旋轉(zhuǎn) 若B相超前于A相 對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)作反向旋轉(zhuǎn) 若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖 可以形成代表正向位移和反向位移的脈沖序列 脈沖編碼器除有A相和B相輸出信號(hào)外 還有Z相一轉(zhuǎn)輸出信號(hào) 它是用來(lái)產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)的 通常 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)與各軸的脈沖編碼器Z相輸出信號(hào)的位置是一致的 2 脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與選用光電脈沖編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出脈沖數(shù)的多少來(lái)分 有多種型號(hào) 脈沖編碼器的選用是根據(jù)機(jī)床滾珠絲杠的螺距來(lái)確定的 數(shù)控機(jī)床上最常用的見(jiàn)表8 3所示 表8 3光電式脈沖編碼器 光電脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 17所示 圖8 17光電脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖1 印刷電路板 2 光源 3 圓光柵 4 指示光柵 5 光電池組 6 底座 7 護(hù)罩 8 軸 高精度脈沖編碼器要求提高光電盤圓周等分狹縫的密度 實(shí)際上變成了圓光柵線紋 它的制造工藝是在一塊具有一定直徑的玻璃圓盤上用真空鍍膜的方法鍍上一層不透光的金屬薄膜 再涂上一層均勻的感光材料 然后用照相腐蝕工藝 制成沿圓周等距的透光和不透光相間的輻射狀線紋 一個(gè)相鄰的透光與不透光線紋構(gòu)成一個(gè)節(jié)距p 在圓盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋 用來(lái)產(chǎn)生一轉(zhuǎn)脈沖信號(hào) 辯向指示光柵上有兩段線紋組A和B 每一組線紋間的節(jié)距相同 而A組與B組的線紋彼此錯(cuò)開1 4節(jié)距 指示光柵固定在底座上 與圓光柵的線紋平行放置 兩者間保持很小間距 當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí) 光線透過(guò)這兩光柵的線紋部分 形成明暗相間的條紋 被光電元件接受 并變換成測(cè)量脈沖 其分辨率取決于圓光柵的一圈線紋數(shù)和測(cè)量線路的細(xì)分倍數(shù) 脈沖編碼器主要技術(shù)性能見(jiàn)表8 4 編碼器通過(guò)十字連接頭與伺服電動(dòng)機(jī)連接 它的法蘭盤固定在電動(dòng)機(jī)端面上 罩上保護(hù)罩構(gòu)成完整的驅(qū)動(dòng)部件 表8 4脈沖編碼器主要技術(shù)性能 8 4 5絕對(duì)值脈沖編碼器圖8 15所示光電盤結(jié)構(gòu)是最初的光電脈沖編碼器 因?yàn)楣怆姳P讀數(shù)方法測(cè)得的角度值都是相對(duì)于上一次讀數(shù)的增量值 所以是一種增量式角位移檢測(cè)裝置 其輸出信號(hào)是脈沖 通過(guò)計(jì)量脈沖的數(shù)目和頻率即可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速 絕對(duì)值編碼器與增量式脈沖編碼器不同 絕對(duì)值編碼器是通過(guò)讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置 碼盤的讀取方式有接觸式 光電式和電磁式等幾種 光電編碼器是目前使用最廣泛的角位移檢測(cè)裝置 碼盤采用絕對(duì)值編碼 圖8 18 a 是光電絕對(duì)值編碼器的編碼盤原理圖 圖8 18 b 是結(jié)構(gòu)圖 圖8 18光電式絕對(duì)值編碼器 圖8 18 a 中 碼盤上有四條碼道 所謂碼道就是碼盤上的同心圓 按照二進(jìn)制分布規(guī)律 把每條碼道加工成透明和不透明相間的形式 碼盤的一側(cè)安裝光源 另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管 每個(gè)光電管對(duì)準(zhǔn)一條碼道 當(dāng)光源照射碼盤時(shí) 如果是透明區(qū) 則光線被光電管接受 并轉(zhuǎn)變成電信號(hào) 輸出信號(hào)為 1 如果是不透明區(qū) 光電管接受不到光線 輸出信號(hào)為 0 被測(cè)工作軸帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí) 光電管輸出的信息就是代表了軸的對(duì)應(yīng)位置 即絕對(duì)位置 光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤 格雷碼數(shù)碼見(jiàn)表8 5 格雷碼的特點(diǎn) 格雷碼的特點(diǎn)是每一相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進(jìn)制數(shù) 這樣 即使制作和安裝不十分準(zhǔn)確 產(chǎn)生的誤差最多也只是最低位的一位數(shù) 表8 5格雷碼編碼盤的數(shù)碼 四位二進(jìn)制碼盤能分辨的最小角度 分辨率 為 碼道越多 分辨率越高 目前 碼盤碼道可做成18條 能分辨的最小角度為 8 4 6光柵測(cè)量裝置計(jì)量光柵有長(zhǎng)光柵和圓光柵兩種 是數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測(cè)元件 光柵是利用光的透射 衍射現(xiàn)象制成的光電檢測(cè)元件 也稱光電脈沖發(fā)生器 它主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成 通常 標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床活動(dòng)部件上 如工作臺(tái)或絲杠上 光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床的固定部件上 如機(jī)床底座 當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí) 標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng) 1 光柵尺的構(gòu)造與種類光柵包括標(biāo)尺光柵和指示光柵 它們是一條刻有均勻密集線紋的透明玻璃片或長(zhǎng)條形金屬鏡面 對(duì)于長(zhǎng)光柵 這些線紋相互平行 線紋之間的距離相等 該間距稱為柵距 對(duì)于圓光柵 這些線紋是等柵距角的向心條紋 柵距和柵距角是決定光柵性質(zhì)的基本參數(shù) 常用的透射長(zhǎng)光柵線紋密度有25 50 100和250條 mm等四種 某些特殊用途的光柵可達(dá)1000條 mm 對(duì)于直徑為70mm圓光柵 一周內(nèi)刻線為100 768條 若直徑為199mm 一周刻線600 1024條 同一光柵檢測(cè)裝置 其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相等 2 光柵讀數(shù)頭圖8 19是光柵讀數(shù)頭的組成原理圖 無(wú)論是長(zhǎng)光柵還是圓光柵 其讀數(shù)頭都是由光源 透鏡 指示光柵 光敏元件和檢測(cè)電路組成 圖8 19光柵讀數(shù)頭的組成原理圖 讀數(shù)頭光源采用白熾燈泡 白熾燈泡發(fā)出輻射光線 經(jīng)過(guò)透鏡后變?yōu)槠叫泄馐?照射光柵尺 光敏元件接受透過(guò)光柵尺的光強(qiáng)信號(hào) 并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào) 由于光敏元件產(chǎn)生的電壓信號(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 因此使用檢測(cè)電路對(duì)光敏元件輸出的信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大 根據(jù)不同要求 讀數(shù)頭常安裝兩個(gè)或四個(gè)光敏元件 供檢測(cè)電路辯向和對(duì)測(cè)量值進(jìn)行細(xì)分 除上面介紹的光柵讀數(shù)頭是垂直入射式讀數(shù)頭外 還有分光讀數(shù)頭 反射讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭等 3 光柵讀數(shù) 莫爾條紋光柵讀數(shù)是利用莫爾條紋的形成原理進(jìn)行的 如圖8 20所示 將指示光柵和標(biāo)尺光柵合在一起 中間保持0 01 0 1mm的間隙 線紋相互交叉 保持一個(gè)很小的夾角 當(dāng)光源照射光柵時(shí) 在a a線上 兩塊光柵的線紋彼此重合 形成一條橫向透光亮帶 在b b線上 兩塊光柵上的線紋彼此錯(cuò)開 形成一條不透光的暗帶 這些橫向明暗相間出現(xiàn)的亮帶和暗帶就是莫爾條紋 圖8 20莫爾條紋形成原理圖 兩條暗帶或兩條亮帶之間的距離叫莫爾條紋的間距B 設(shè)光柵的柵距為W 兩光柵線紋的夾角為 則它們之間的幾何關(guān)系為 因?yàn)閵A角很小 所以可取 故上式可改寫成 由上式可見(jiàn) 越小 B就越大 相當(dāng)于把柵距W擴(kuò)大了1 倍后 轉(zhuǎn)化為莫爾條紋 例如 柵距W 0 01mm 夾角 0 001rad 則莫爾條紋的間距B等于10mm 這說(shuō)明 不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)處理 就可以把光柵的柵距W放大1000倍并轉(zhuǎn)變成橫向移動(dòng)的莫爾條紋 如果兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距 則光柵某一固定點(diǎn)的光強(qiáng)按明 暗 明規(guī)律變化一個(gè)周期 即莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋的間距 因此 光電元件只需讀出移動(dòng)的莫爾條紋數(shù)目 就可以知道光柵移動(dòng)了多少柵距 也就知道了運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確位移量 光柵具有精度高 響應(yīng)速度較快等特點(diǎn) 是一種非接觸式檢測(cè)裝置 但它對(duì)外界環(huán)境條件要求高 使用時(shí)注意加強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng) 8 4 7磁尺測(cè)量裝置磁尺測(cè)量裝置是將一定波長(zhǎng)的方波或正弦波信號(hào)用記錄磁頭記錄在用磁性材料制成的磁性標(biāo)尺上 作為測(cè)量基準(zhǔn) 在測(cè)量時(shí) 拾磁磁頭相對(duì)磁性標(biāo)尺移動(dòng) 并將磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 再送到檢測(cè)電路中去 把拾磁磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位置或位移量用數(shù)字顯示出來(lái)或轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)輸送到數(shù)控裝置 磁尺的構(gòu)造 磁尺測(cè)量裝置由磁性標(biāo)尺 拾磁磁頭和檢測(cè)電路組成 磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺 簡(jiǎn)稱磁尺 由兩部分構(gòu)成 即磁性標(biāo)尺基體和磁性膜 磁性標(biāo)尺的基體一般由非導(dǎo)磁材料 如玻璃 不銹鋼 銅 鋁或其它合金材料 制成 磁性膜是采用涂敷 化學(xué)沉積或電鍍等工藝方法 在磁性標(biāo)尺基體上產(chǎn)生一層厚度為10 20 m的磁性材料 由于該磁性材料均勻分布在磁性標(biāo)尺的基體上 且成膜狀 故稱磁性膜 磁性膜上有用錄磁方法錄制的波長(zhǎng)為 的磁波 對(duì)于長(zhǎng)磁性標(biāo)尺來(lái)說(shuō) 磁尺波長(zhǎng)一般取0 05 0 10 0 20 1mm 在實(shí)際應(yīng)用中 為防止磁頭對(duì)磁性膜的磨損 一般在磁性膜上均勻地涂上一層1 2mm的耐磨塑料保護(hù)層 以提高磁性標(biāo)尺的壽命 拾磁磁頭磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的元件 它將反映位置變化的磁化信號(hào)檢測(cè)出來(lái) 并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路 機(jī)床要求在低速甚至在靜止時(shí)也能檢測(cè)出磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào) 所以不能使用一般錄音機(jī)用的磁頭 機(jī)床上使用的磁頭叫做磁通響應(yīng)型磁頭 其結(jié)構(gòu)如圖8 21所示 圖8 21磁通響應(yīng)型磁頭的結(jié)構(gòu) 磁通響應(yīng)型磁頭有兩組繞組 繞在截面尺寸較小的橫臂上的繞組W1是勵(lì)磁繞組 繞在截面尺寸較大的堅(jiān)桿上的繞組W2是輸出繞組 橫臂鐵心材料是可飽和鐵心 所以勵(lì)磁電流在一個(gè)周期內(nèi)可使鐵心材料飽和兩次 鐵心材料飽和后 磁阻很大 磁路被阻斷 鐵心材料非飽和時(shí) 磁阻減小 磁路開通 可見(jiàn) 勵(lì)磁繞組的作用相當(dāng)于磁開關(guān) 只要有周期變化的勵(lì)磁電流存在 輸出繞組的磁路中磁通量產(chǎn)生周期變化 輸出繞組就會(huì)有電壓信號(hào)輸出 電壓值為 式中e 輸出繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Em 輸出電動(dòng)勢(shì)的峰值 磁性標(biāo)尺的波長(zhǎng) X 磁頭在磁性標(biāo)尺上的位移量 輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率 是勵(lì)磁電流頻率的二倍 由上式可見(jiàn) 和磁性標(biāo)尺與磁頭相對(duì)速度無(wú)關(guān) 而是由磁頭在磁性標(biāo)尺上的位置決定 多間隙磁通響應(yīng)型磁頭使用單個(gè)磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào) 不但輸出信號(hào)小 而且以對(duì)磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)的波長(zhǎng)和波形要求也高 所以實(shí)際上總是將幾十個(gè)磁頭以一定方式串聯(lián) 構(gòu)成多間隙磁頭 多間隙磁頭中所有磁頭之間的間隙均為 2 這樣得到的總輸出是每個(gè)磁頭輸出信號(hào)的疊加 這樣不但增大了輸出信號(hào)的強(qiáng)度 同時(shí)也降低了對(duì)磁性標(biāo)尺的精度要求 多間隙磁通響應(yīng)型磁頭的原理圖如圖8 22所示 圖8 22多間隙磁通響應(yīng)型原理圖 8 4 8感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測(cè)元件 按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成 用于直線位移量的檢測(cè) 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成 用于角度位移量的檢測(cè) 感應(yīng)同步器具有檢測(cè)精度高 抗干擾性強(qiáng) 壽命長(zhǎng) 維護(hù)方便 成本低 工藝性好等優(yōu)點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于高精度數(shù)控機(jī)床 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖8 23所示 其定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床膨脹系數(shù)相近的鋼板制成 鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔 并利用腐蝕的方法作成圖8 23所示的矩形繞組 長(zhǎng)尺叫定尺 短尺叫滑尺 圖8 23感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圖 標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)