第5章-數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

1、 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 目錄 5.1概述 一、伺服系統(tǒng)的組成 二、對伺服系統(tǒng)的要求 三、伺服系統(tǒng)的分類 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 一、步進(jìn)電機 二、直流伺服電機 三、直流調(diào)整技術(shù) 四、交流伺服電機 5.3 位置檢測裝置 一、對位置檢測裝置的要求與分類 二、旋轉(zhuǎn)變壓器 三、感應(yīng)同步器 四、脈沖編碼器 五、光柵 六、磁柵 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 5.1概述 一、伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)：是指以是指以機械位置機械位置或或角度角度作為控制對象的自動控制作為控制對象的自動

2、控制 系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放 大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置 ( (計算機計算機) )和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機 構(gòu)或伺服單元構(gòu)或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

3、是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNCCNC裝置是裝置是 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的“大腦大腦”，是發(fā)布，是發(fā)布“命令命令”的的“指揮所指揮所”，那么進(jìn)，那么進(jìn) 給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢四肢”，是一種，是一種“執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)”。 它忠實地執(zhí)行由它忠實地執(zhí)行由CNCCNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的 運動方向，進(jìn)給速度與位移量。運動方向，進(jìn)給速度與位移量。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 伺服系統(tǒng)的組成 組成：組成：伺服電機伺服電

4、機 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流：位置環(huán)、速度環(huán)、電流 環(huán)。環(huán)。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 伺服系統(tǒng)的組成 位置、速度和電流環(huán)均由：位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊調(diào)節(jié)控制模塊、檢測檢測 和和反饋反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生驅(qū)動信號產(chǎn)生 電路電路和和功率放大器功率放大器組成

5、。組成。 嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制； 速度控制包括速度和電流控制。速度控制包括速度和電流控制。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 二、對伺服系統(tǒng)的要求 1精度高精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確 程度。包括程度。包括定位精度和輪廓加工精度定位精度和輪廓加工精度。 2穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能 在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。在短

6、暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。 直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。 3快速響應(yīng)快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反 映了系統(tǒng)的跟蹤精度。映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 4調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高 轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024m / min。 5低速大轉(zhuǎn)矩低速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個 速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低

7、速時速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時 為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具 有足夠大的輸出功率。有足夠大的輸出功率。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 三、伺服系統(tǒng)的分類 （1 1）按控制方式和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分類）按控制方式和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分類 1 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng) 2 2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 3 3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 驅(qū)動電路驅(qū)動電路步進(jìn)電機步進(jìn)電機工作臺工作臺 脈沖脈沖 指令指令 伺服電機伺服電機 速度檢測

8、速度檢測 速度控制速度控制 位置控制位置控制 位位 置置 檢檢 測測 伺服電機伺服電機速度控制速度控制位置控制位置控制 工作臺工作臺 脈沖編碼器脈沖編碼器 指令指令 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 電機電機 機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件 A相、相、B 相相 C相、相、 f、n CNC 插補指令插補指令 脈沖頻率脈沖頻率f 脈沖個數(shù)脈沖個數(shù)n 換算換算 脈沖環(huán)脈沖環(huán) 形分配形分配 變換變換 功率功率 放大放大 沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給進(jìn)給 系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性

9、好。 開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件：開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件：步進(jìn)電機（適步進(jìn)電機（適 于輕載、負(fù)荷變動不大）于輕載、負(fù)荷變動不大） 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高， 其精度主要取決于其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu) 的性能和精度。的性能和精度。 一般以一般以功率步進(jìn)電機功率步進(jìn)電機作為伺服驅(qū)動元件。作為伺服驅(qū)動元件。 這類系統(tǒng)具有這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方 便、維修簡單、價

10、格低廉便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度等優(yōu)點，在精度和速度 要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。 一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床。 開環(huán)伺服系統(tǒng)的特點：開環(huán)伺服系統(tǒng)的特點： 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 位置控制調(diào)位置控制調(diào) 節(jié)器節(jié)器 速度控制速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動 檢測與反饋檢測與反饋 單元單元 位置控制單元位置控制單元 速度控制單元速度控制單元 + + - - 電機電機 機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件 CNC 插補插補 指令指令 實際實際 位置位置 反饋反饋

11、實際實際 速度速度 反饋反饋 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常常 用伺服電機用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢 測運動部件的實際位置。測運動部件的實際位置。 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)， 因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如 開環(huán)系統(tǒng)

12、，但比閉環(huán)要好。開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差 難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可 對這類誤差進(jìn)行補償，因而仍可獲得滿意的精度。對這類誤差進(jìn)行補償，因而仍可獲得滿意的精度。 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較 高，因而在現(xiàn)代高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用。機床中得到了廣泛應(yīng)用。 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點：半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點： 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測

13、裝置 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示， 直接對運動部件的實際位置進(jìn)行檢測直接對運動部件的實際位置進(jìn)行檢測。 位置控制調(diào)位置控制調(diào) 節(jié)器節(jié)器 速度控制速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動 檢測與反饋檢測與反饋 單元單元 位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元 + + - - 電機電機 機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件 CNC 插補插補 指令指令 實際實際 位置位置 反饋反饋 實際實際 速度速度 反饋反饋 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳

14、動環(huán)節(jié)的誤從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤 差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、 剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn) 定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。 該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車 床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點：全閉環(huán)伺服

15、系統(tǒng)特點： 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 （2）按使用的執(zhí)行元件分類 1）電液伺服系統(tǒng)）電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。 優(yōu)點：優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間 常常 數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。 缺點：缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。 2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機（伺服電機（步進(jìn)電機步進(jìn)電機、直流電機和交流電機）、直流電機和交流電機） 優(yōu)點：優(yōu)點：操

16、作維護(hù)方便，可靠性高。操作維護(hù)方便，可靠性高。 直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng) 進(jìn)給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺進(jìn)給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺 服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺 服電機。服電機。 優(yōu)點：優(yōu)點：調(diào)速性能好。調(diào)速性能好。 缺點：缺點：有電刷，速度不高。有電刷，速度不高。 交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng) 交流感應(yīng)異步伺服電機（一般用于主軸伺服交流感應(yīng)異步伺服電機（一般用于主軸伺服 系統(tǒng)）系統(tǒng)） 和永磁同步伺服電機（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。和永磁同步伺服電機（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不

17、需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。 動態(tài)響動態(tài)響 應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 （3）按被控對象分類）按被控對象分類 （1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系指一般概念的位置伺服系 統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。 （2）主軸伺服系統(tǒng)）主軸伺服系統(tǒng) 只是一個速度控制系統(tǒng)。只是一個速度控制系統(tǒng)。 C 軸控制功能。軸控制功能。 （4）按反饋比較控制方式分類）按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

18、）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng)）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng)）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)）全數(shù)字伺服系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 伺服電動機伺服電動機為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分， 是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。 數(shù)控機床中常用的伺服電機數(shù)控機床中常用的伺服電機： 直流伺服電機（調(diào)速性能良好）直流伺服電機（調(diào)速性能良好） 交流伺服電機（主要使用的電機）交流伺服電機（主要使用的電機） 步進(jìn)電機（適于輕載、負(fù)荷變動不

19、大）步進(jìn)電機（適于輕載、負(fù)荷變動不大） 直線電機（高速、高精度）直線電機（高速、高精度） 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 1、步進(jìn)電動機 常用的步進(jìn)電動機多常用的步進(jìn)電動機多 為反應(yīng)式步進(jìn)電動機。有為反應(yīng)式步進(jìn)電動機。有 軸向分相和徑向分相兩種。軸向分相和徑向分相兩種。 步進(jìn)電動機每走步進(jìn)電動機每走 一步所轉(zhuǎn)過的角一步所轉(zhuǎn)過的角 度稱為度稱為步距角步距角， 其大小等于錯齒其大小等于錯齒 的角度。錯齒角的角度。錯齒角 度的大小取決于度的大小取決于 轉(zhuǎn)子上的齒轉(zhuǎn)子上的齒 ， 磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn)磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn) 子上的齒數(shù)越多，子上的齒數(shù)越多， 步距角

20、越小，步步距角越小，步 進(jìn)電動機的位置進(jìn)電動機的位置 精度越高，其結(jié)精度越高，其結(jié) 構(gòu)也越復(fù)雜構(gòu)也越復(fù)雜 。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 步進(jìn)電機的工作原理（三相三拍三相三拍） 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 步進(jìn)電機的工作原理（雙三拍雙三拍） 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 步進(jìn)電機的工作原理（三相六拍三相六拍） 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 步進(jìn)電機的工作原理 綜上所述，

21、可以得到如下結(jié)論：綜上所述，可以得到如下結(jié)論： (1)步進(jìn)電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便步進(jìn)電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便 轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進(jìn)電機的步距角轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進(jìn)電機的步距角； (2)改變步進(jìn)電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨改變步進(jìn)電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨 之改變；之改變； (3)步進(jìn)電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快其轉(zhuǎn)子旋步進(jìn)電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快其轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；轉(zhuǎn)的速度越快，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)電機步距角步進(jìn)電機步距

22、角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Z、 通電方式通電方式K有關(guān)，可用下式表示：有關(guān)，可用下式表示： 360(mzk) 式中式中m相相m拍時，拍時，k=1；m相相2m拍時，拍時，k2。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 (1)步距角和靜態(tài)步距誤差步距角和靜態(tài)步距誤差 (2)啟動頻率啟動頻率fqo空載時空載時 (3)連續(xù)運行的最高工作頻率連續(xù)運行的最高工作頻率fmax (4)加減速特性加減速特性 (5)矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩 2 2、步進(jìn)電動機的主要性能、步進(jìn)電動機的主要性能 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.

23、1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施 步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng) 中，步進(jìn)電機的質(zhì)量、機械傳動部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量以中，步進(jìn)電機的質(zhì)量、機械傳動部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量以 及控制電路的完善與否。均影響到系統(tǒng)的工作精度。及控制電路的完善與否。均影響到系統(tǒng)的工作精度。 要提高系統(tǒng)的工作精度，應(yīng)從這幾個方面考慮：如改要提高系統(tǒng)的工作精度，應(yīng)從這幾個方面考慮：如改 善步進(jìn)電機的性能，減小步距角；采用精密傳動副，善步進(jìn)電機的性能，減小步距角；采用精密傳動副， 減少傳動鏈中傳動間隙等。但這些因素往往由于結(jié)構(gòu)減少傳動

24、鏈中傳動間隙等。但這些因素往往由于結(jié)構(gòu) 和工藝的關(guān)系而受到和工藝的關(guān)系而受到定的限制。為此，需要從控制定的限制。為此，需要從控制 方法上采取方法上采取些措施，彌補其不足。些措施，彌補其不足。 1傳動間隙補償傳動間隙補償 2螺距誤差補償螺距誤差補償 3細(xì)分線路細(xì)分線路 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 二、直流伺服電機 常用的直流電動機有：常用的直流電動機有： 永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印 刷繞組）刷繞組） 勵磁式直流電機勵磁式直流電機 混合式直流電機混合式直流電機 無刷直流電機無刷直流電機 直流力矩

25、電機直流力矩電機 直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)： 永磁式直流電機類型中的永磁式直流電機類型中的有槽有槽 電樞永磁直流電機（普通型）電樞永磁直流電機（普通型）； 直流主軸伺服系統(tǒng)：直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵磁式直流電機類型中的勵磁式直流電機類型中的他激他激 直流電機直流電機。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 1、直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點 以大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機為例以大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機為例 1）類型：電勵磁式和永久磁鐵式兩種）類型：電勵磁式和永久磁鐵式兩種 2）特點）特點 勵磁式的特點：勵磁式的特點：勵磁量便于調(diào)整，易于安排補償

26、勵磁量便于調(diào)整，易于安排補償 繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低，繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低， 可在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)矩特性。可在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)矩特性。 永磁式的特點：永磁式的特點：沒有換向器和補償繞組，其換向沒有換向器和補償繞組，其換向 性能受到一定限制，但它不需要勵磁功率，效率高，性能受到一定限制，但它不需要勵磁功率，效率高， 且電動機在低速時能輸出較大轉(zhuǎn)矩。此外，溫升低，且電動機在低速時能輸出較大轉(zhuǎn)矩。此外，溫升低， 電動機直徑可以做得小些。電動機直徑可以做得小些。 3）應(yīng)用）應(yīng)用 直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機類型中的直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：

27、永磁式直流電機類型中的有有 槽電樞永磁直流電機（普通型）槽電樞永磁直流電機（普通型）； 直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機類型中的直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機類型中的他他 激直流電機激直流電機。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 4 4）大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機結(jié)構(gòu)形式大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機結(jié)構(gòu)形式 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通直流電動機基本相與普通直流電動機基本相 同，但為滿足快速響應(yīng)的同，但為滿足快速響應(yīng)的 要求，從結(jié)構(gòu)上做得細(xì)長要求，從結(jié)構(gòu)上做得細(xì)長 些。些。 如圖如圖 5.15 所示，定子所示，定子 為永磁材料

28、，轉(zhuǎn)子直為永磁材料，轉(zhuǎn)子直 徑大并且有槽，徑大并且有槽， 因而熱容因而熱容 量大，結(jié)構(gòu)上又采用了凸量大，結(jié)構(gòu)上又采用了凸 極式和隱極式永磁電機磁極式和隱極式永磁電機磁 路的組合，電動機氣隙磁路的組合，電動機氣隙磁 密高。密高。 尾部通常裝有低紋尾部通常裝有低紋 波（紋波系數(shù)一般在波（紋波系數(shù)一般在 以下）的測速發(fā)電機。以下）的測速發(fā)電機。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 性能特點：性能特點： （）（） 輸出力矩大輸出力矩大 （）（） 過載能力強過載能力強 （）（） 動態(tài)響應(yīng)性能好動態(tài)響應(yīng)性能好 （）（） 低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn) （）（）

29、易于調(diào)試易于調(diào)試 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 2 2、直流伺服電動機調(diào)速、直流伺服電動機調(diào)速 1 1）直流電動機的轉(zhuǎn)速計算公式：）直流電動機的轉(zhuǎn)速計算公式： 式中，式中，U Ua a 、I Ia a、R Ra a分別為電樞回路的電壓、電流和電分別為電樞回路的電壓、電流和電 阻，阻，K Ke e為電勢系數(shù)（為電勢系數(shù)（K Ke eC Ce e）。）。 2 2）調(diào)速方法：）調(diào)速方法： （）改變電樞電壓（）改變電樞電壓 （）改變氣隙磁通量（）改變氣隙磁通量 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置

30、三、交流伺服電機 交流伺服電機形式：交流伺服電機形式： 同步型交流伺服電機同步型交流伺服電機 異步型交流感應(yīng)伺服電機。異步型交流感應(yīng)伺服電機。 直流伺服電機的缺點：直流伺服電機的缺點： 它的電刷和換向器易磨損；它的電刷和換向器易磨損； 電機最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；電機最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。 交流伺服電機的優(yōu)點：交流伺服電機的優(yōu)點： 動態(tài)響應(yīng)好；動態(tài)響應(yīng)好； 輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 1永磁交流同步伺服電機的

31、結(jié)構(gòu)和工作原理 交流同步伺服電機的種類：交流同步伺服電機的種類： 勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式 ，前兩種輸出，前兩種輸出 功率范圍較寬，后前兩種輸出功率小。功率范圍較寬，后前兩種輸出功率小。 （1）永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)）永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu) V S V S V S V S 定定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 脈沖編碼器脈沖編碼器 定子三相繞組定子三相繞組 接線盒接線盒 永磁交流同步伺服電機結(jié)構(gòu)永磁交流同步伺服電機結(jié)構(gòu) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 2 2）永磁交流同步伺服電機工作原理和性能）永磁交流同步伺服電機工作

32、原理和性能 V S N ns nr S 工作原理工作原理 特性曲線特性曲線 T（N-cm） 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0100020003000 n（r/min） 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 交流主軸電機的要求：交流主軸電機的要求： 大功率大功率 低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率 鼠籠式交流異步伺服電機鼠籠式交流異步伺服電機 交流主軸電機交流主軸電機 普通交流普通交流 異步感應(yīng)電機異步感應(yīng)電機 通風(fēng)孔通風(fēng)孔 P（KW） 8 6 4 2 0 2000 4000 6000 8000 1200

33、0 n（r/min） 交流主軸電機與普通交流交流主軸電機與普通交流 異步感應(yīng)電機的比較圖示意圖異步感應(yīng)電機的比較圖示意圖 交流主軸伺服電機的特性曲線交流主軸伺服電機的特性曲線 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 5.3 位置檢測裝置 一、對位置檢測裝置的要求與分類 組成：組成：位置測量裝置是由位置測量裝置是由檢測元件檢測元件（傳感器）（傳感器） 和和信號處理裝置信號處理裝置組成的。組成的。 作用：作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并 變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件變換成位置控制單元所要求

34、的信號形式，將運動部件 現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它 是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。 閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置 檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機床進(jìn)給伺服系檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機床進(jìn)給伺服系 統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位 置檢測裝置置檢測裝置。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 1、檢測裝置

35、的分類 按工作條件和測量要求的不同按工作條件和測量要求的不同, , 測量方式亦有不同的劃分方法測量方式亦有不同的劃分方法 數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移位移、速度速度和和電流電流三種類型。三種類型。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 2、數(shù)控測量裝置的性能指標(biāo)及要求 傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。 1.精度精度 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。高精度和高速實時測量。稱作精度。高精度

36、和高速實時測量。 2.分辨率分辨率 分辯率應(yīng)適應(yīng)機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辯率應(yīng)適應(yīng)機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。 3.靈敏度靈敏度 靈敏度高、一致。靈敏度高、一致。 4.遲滯遲滯 對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的 輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。 5.測量范圍和量程測量范圍和量程 6.零漂與溫漂零漂與溫漂 其它：其它： 可靠，抗干擾性強、使用維護(hù)方便、成本低等?？煽?，抗干擾性強、使用維護(hù)方便、成本低等。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 二、旋轉(zhuǎn)變

37、壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)式的旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)式的 小型交流電動機小型交流電動機, , 它由定子和轉(zhuǎn)它由定子和轉(zhuǎn) 子組成。如圖所示是一種無刷旋子組成。如圖所示是一種無刷旋 轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu), , 左邊為分解器左邊為分解器, , 右邊為變壓器。變壓器的作用是右邊為變壓器。變壓器的作用是 將分解器轉(zhuǎn)子繞組上的感應(yīng)電動將分解器轉(zhuǎn)子繞組上的感應(yīng)電動 勢傳輸出來勢傳輸出來, , 這樣就省掉了電刷這樣就省掉了電刷 和滑環(huán)。分解器定子繞組為旋轉(zhuǎn)和滑環(huán)。分解器定子繞組為旋轉(zhuǎn) 變壓器的原邊變壓器的原邊, , 分解器轉(zhuǎn)子繞組分解器轉(zhuǎn)子繞組 為旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊為旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊, , 勵磁電壓勵磁電

38、壓 接到原邊接到原邊, , 勵磁頻率通常為勵磁頻率通常為400 400 HzHz、500 Hz500 Hz、1000 Hz1000 Hz、5000 Hz5000 Hz。 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單, , 動作靈敏動作靈敏, , 對環(huán)境無特殊要求對環(huán)境無特殊要求, , 維護(hù)方便維護(hù)方便, , 輸出信號的幅度大輸出信號的幅度大, , 抗干擾性強抗干擾性強, , 工作可靠工作可靠, , 為數(shù)控機床經(jīng)常使用為數(shù)控機床經(jīng)常使用 的位移檢測元件之一。的位移檢測元件之一。 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意 1 電動機軸電動機軸 2 外殼外殼 3分解器定子分解器定子 4 變壓器定子繞組變壓器定子

39、繞組 5變壓器轉(zhuǎn)子繞組變壓器轉(zhuǎn)子繞組 6 變壓器轉(zhuǎn)子變壓器轉(zhuǎn)子;7 變壓器定子變壓器定子 8分解器轉(zhuǎn)子分解器轉(zhuǎn)子 9 分解器定子繞組分解器定子繞組 10 分解器轉(zhuǎn)子繞組分解器轉(zhuǎn)子繞組 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器（ResolverResolver）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。 分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu)分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu) 單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）單對極元件、多對極元件（或稱多極元件） 工作原理：電磁感應(yīng)工作原理：

40、電磁感應(yīng) 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 S S1 R1S S2 S S3 S S4 R2 R3 R4 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理 E2= KV S cos = KV m sintcos =90 E 2 = 0 =0 E2 = KV m SINt 式中: E2轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢； V1定子繞組勵磁電壓 V1=Vmsint； Vm電壓信號幅值； 定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角； K變壓比 （即繞組匝數(shù)比） V1=Vmsint V1 V1 E2=0(= 90=0(= 90) ) E E2 2=KV=KVm mSINSINttcosco

41、s E E2 2= = KVKVm msinsintt( (= = 0 0) ) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 1）.鑒相方式 V Vs s=Vmsin=Vmsintt V VC C=Vmcos=Vmcost t E E2 2= KV= KV S S cos- KV cos- KV C C sinsin = KV = KV m m ( (sinsintcos- tcos- coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) VCE2 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 轉(zhuǎn)子輸出信

42、號的相位角轉(zhuǎn)子輸出信號的相位角(t-)與與 轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對 應(yīng)關(guān)系。應(yīng)關(guān)系。 VS 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 2）.鑒幅方式 V Vs s=Vmsin=Vmsin電 電sin sintt V VC C=Vmcos=Vmcos電 電sin sint t E E2 2= KV= KV m m cos cos機 機- KV - KV c c sinsin機 機 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin電 電cos cos機 機- - coscos電 電sin s

43、in機 機 = = KVKV m m sinsin( (電 電- -機 機) ) sinsintt 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 感應(yīng)電勢（感應(yīng)電勢（E2）是以）是以為角頻率、為角頻率、 以以V Vm m sin( sin(電 電 - - 機 機 ) )為幅值的交變 為幅值的交變 電壓信號。若電氣角電壓信號。若電氣角電 電已知，只要 已知，只要 測出測出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2= =0)0)，便可間接，便可間接 的求出機械角的求出機械角機 機 ，從而得出被測 ，從而得出被測 角位移。角位移。 Vs VcE2 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5

44、.3 位置檢測裝置 三、感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是一種電感應(yīng)同步器是一種電 磁式位置檢測元件，按結(jié)磁式位置檢測元件，按結(jié) 構(gòu)特點構(gòu)特點般分為直線式和般分為直線式和 旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng) 同步器由定尺和滑尺組成；同步器由定尺和滑尺組成； 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子 和定子組成。前者用于直和定子組成。前者用于直 線位移測量，后者用于角線位移測量，后者用于角 位移測量。它們的工作原位移測量。它們的工作原 理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。 感應(yīng)同步器具有檢測精度感應(yīng)同步器具有檢測精度 比較高、抗干擾性強、壽比較高、抗干擾性強、壽 命長、維護(hù)方便、成本

45、低、命長、維護(hù)方便、成本低、 工藝性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)工藝性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng) 用于數(shù)控機床及各類機床用于數(shù)控機床及各類機床 數(shù)控改造。數(shù)控改造。 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)示意圖感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)示意圖 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)示意圖感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)示意圖 定尺和滑尺基板是由與機床定尺和滑尺基板是由與機床 熱膨脹系數(shù)相近的鋼板做成，鋼熱膨脹系數(shù)相近的鋼板做成，鋼 板上用絕緣粘結(jié)劑貼以銅箔，并板上用絕緣粘結(jié)劑貼以銅箔，并 利用照像腐蝕的辦法做成圖示的利用照像腐蝕的辦法做成圖示的 印刷繞組。感應(yīng)同步器定尺和滑印刷繞組

46、。感應(yīng)同步器定尺和滑 尺繞組的節(jié)距相等，均為尺繞組的節(jié)距相等，均為2、這、這 是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參 數(shù)，工藝上要保證其節(jié)距的精度。數(shù)，工藝上要保證其節(jié)距的精度。 一塊標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器定尺長度一塊標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器定尺長度 為為250mm，節(jié)距為，節(jié)距為2mm，其絕對，其絕對 精度可達(dá)精度可達(dá)2.5m，分辨率可達(dá)，分辨率可達(dá) 0.25m。 如果把定尺繞組和滑尺繞組如果把定尺繞組和滑尺繞組 A對準(zhǔn)，那么滑尺繞組對準(zhǔn)，那么滑尺繞組B正好和定正好和定 尺繞組相差尺繞組相差14節(jié)距。也就是說，節(jié)距。也就是說， A繞組與繞組與B繞組在空間上相差繞組在空間上相差l4 節(jié)距。

47、節(jié)距。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理 感應(yīng)同步器的工感應(yīng)同步器的工 作原理作原理 如右圖，滑尺的兩個繞組中的任一繞如右圖，滑尺的兩個繞組中的任一繞 組通以交變激磁電壓時，由于電磁效組通以交變激磁電壓時，由于電磁效 應(yīng)定尺繞組上必然產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢。應(yīng)定尺繞組上必然產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢。 感應(yīng)電勢的大小取決于滑尺相對定尺的位感應(yīng)電勢的大小取決于滑尺相對定尺的位 置。右圖中給出了滑尺繞組置。右圖中給出了滑尺繞組( (滑尺滑尺) )相對于相對于 定尺繞組定尺繞組( (定尺定尺) )處于不問的位置時，定尺處于不問的位置

48、時，定尺 繞組中感應(yīng)電勢的變化情況。繞組中感應(yīng)電勢的變化情況。A A點表示滑尺點表示滑尺 繞組與定尺繞組重合，這時定尺繞組中的繞組與定尺繞組重合，這時定尺繞組中的 感應(yīng)電勢最大；如果滑尺相對于定尺從感應(yīng)電勢最大；如果滑尺相對于定尺從A A點點 逐漸向左逐漸向左( (或右或右) )平行移動，感應(yīng)電勢就隨平行移動，感應(yīng)電勢就隨 之逐漸減小，在兩繞組剛好錯開之逐漸減小，在兩繞組剛好錯開1 14 4節(jié)距節(jié)距 的位置的位置B B點，感應(yīng)電勢減為零；若再繼續(xù)移點，感應(yīng)電勢減為零；若再繼續(xù)移 動，移到動，移到1/21/2節(jié)距的節(jié)距的C C點，感應(yīng)電勢相應(yīng)地點，感應(yīng)電勢相應(yīng)地 變?yōu)榕c變?yōu)榕cA A位置相同，但極

49、性相反，到達(dá)位置相同，但極性相反，到達(dá)3 34 4 節(jié)距的節(jié)距的D D點時，感應(yīng)電勢再一次變?yōu)榱?；其點時，感應(yīng)電勢再一次變?yōu)榱?；?后，移動了一個節(jié)距到達(dá)后，移動了一個節(jié)距到達(dá)E E點，情況就又與點，情況就又與 A A點相同了，相當(dāng)于又回到了點相同了，相當(dāng)于又回到了A A點。點。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 感應(yīng)同步器的應(yīng)用 1. 鑒相方式 滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位相 差90 的交流電壓 Us = Um sin t Uc = Um cos t 勵磁信號將在空間產(chǎn)生一個以為頻率移動的行波。磁場切割定尺 導(dǎo)片

50、, 并在其中感應(yīng)出電勢, 該電勢隨著定尺與滑尺相對位置的不同而產(chǎn) 生超前或滯后的 相位差。按照疊加原理可以直接求出感應(yīng)電勢 Uo = KUm sin tcos - KUm cos tsin = KUm sin ( t - ) 在一個節(jié)距內(nèi), 與滑尺移動距離是一一對應(yīng)的, 通過測量定尺感應(yīng) 電勢相位,便可測出定尺相對滑尺的位移。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 感應(yīng)同步器的應(yīng)用 2. 鑒幅方式 滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、相位相同, 但幅值不同的交流電壓 Us = Um sin 1 sin t Uc = Um cos 1 sin

51、 t 式中的1 相當(dāng)于式( 2. 9) 中的。此時, 如果滑尺相對定 尺移動一個距離d, 其對應(yīng)的相移為2 , 那么在定尺上的感應(yīng)電 勢為 Uo = KUm sin 1 sin tcos 2 - KUm cos 1 sin tsin 2 = KUm sin tsin( 1 - 2 ) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 四、脈沖編碼器 脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu) 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生 器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為 位置檢測和速度檢測裝置。位置檢測和

52、速度檢測裝置。 脈沖編碼器分為：脈沖編碼器分為：光電式、接觸式光電式、接觸式 和電磁感應(yīng)和電磁感應(yīng)式。式。 脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，脈沖編碼器是一種增量檢測裝置， 它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。 2000P/r、2500 P/r和和3000 P/r等；在高速、等；在高速、 高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中應(yīng)用高分辨率的高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中應(yīng)用高分辨率的 脈沖編碼器脈沖編碼器, 如如20 000 P / r、25 000 P /r 和和30 000 P / r 等等, 現(xiàn)在已有使用每轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)在已有使用每轉(zhuǎn)發(fā)10 萬個脈沖的脈沖編碼器萬個脈沖的脈沖編碼器, 該編碼

53、器裝置內(nèi)該編碼器裝置內(nèi) 部采用了微處理器。部采用了微處理器。 12345 67 圖5. 14 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu) 1-光源 2-圓光柵 3-指示光柵 4-光電池組 5-機械部件 6-護(hù)罩 7-印刷電路板 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 旋轉(zhuǎn)編碼器圖片 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 內(nèi)圓周鋼帶光柵 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 外圓周鋼帶光柵 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 絕

54、對式旋轉(zhuǎn)編碼器 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 帶EnDat接口的絕對式編碼器 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 光電脈沖編碼器的工作原理 節(jié)距節(jié)距P AB 90 90 光電脈沖編碼器的輸出波形 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 光電脈沖編碼器的應(yīng)用 a b c d e f A相信號a + B相信號 整形 整形 d b c e f - 可逆 計數(shù) ; 若直若直 徑為徑為110 mm, 110 mm, 則一周內(nèi)刻線達(dá)則一周內(nèi)刻線達(dá)600 6

55、00 1024 1024 條條, , 甚至更高。甚至更高。 同一個光柵元件同一個光柵元件, , 其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度必須其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度必須 相同相同。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 長光柵工作原理（以透射投影為例） 莫爾條紋： 將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn) 過一個很小的角度過一個很小的角度, 使兩塊光柵的刻使兩塊光柵的刻 線相交線相交, 當(dāng)平行光線垂直照射標(biāo)尺光當(dāng)平行光線垂直照射標(biāo)尺光 柵時柵時, 則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、 間隔相等的粗大條紋間隔相等的粗大條

56、紋, 稱為莫爾條紋。稱為莫爾條紋。 由于兩塊光柵的刻線密度相等由于兩塊光柵的刻線密度相等, 即柵即柵 距距相等相等, 使產(chǎn)生的莫爾條紋的方向與使產(chǎn)生的莫爾條紋的方向與 光柵刻線方向大致垂直光柵刻線方向大致垂直, 其幾何關(guān)系其幾何關(guān)系 如圖所示。當(dāng)如圖所示。當(dāng)很小時很小時, 莫爾條紋的節(jié)莫爾條紋的節(jié) 距為距為 這表明這表明, 莫爾條莫爾條 紋的節(jié)距是柵距的紋的節(jié)距是柵距的1 / 倍。當(dāng)標(biāo)尺光倍。當(dāng)標(biāo)尺光 柵移動時柵移動時, 莫爾條紋就沿與光柵移動莫爾條紋就沿與光柵移動 光柵的工作原理光柵的工作原理 方向垂直的方向移動。當(dāng)光柵移動一個柵距方向垂直的方向移動。當(dāng)光柵移動一個柵距時時, 莫爾條紋就相應(yīng)

57、準(zhǔn)確地莫爾條紋就相應(yīng)準(zhǔn)確地 移動一個節(jié)距移動一個節(jié)距p, 也就是說也就是說, 兩者一一對應(yīng)。因此兩者一一對應(yīng)。因此, 只要讀出移過莫爾條紋只要讀出移過莫爾條紋 的數(shù)目的數(shù)目, 就可知道光柵移過了多少個柵距。而柵距在制造光柵時是已知就可知道光柵移過了多少個柵距。而柵距在制造光柵時是已知 的的, 所以光柵的移動距離就可以通過光電檢測系統(tǒng)對移過的莫爾條紋進(jìn)所以光柵的移動距離就可以通過光電檢測系統(tǒng)對移過的莫爾條紋進(jìn) 行計數(shù)、處理后自動測量出來。行計數(shù)、處理后自動測量出來。 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 透射式光柵原理 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 透射式光柵原理 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 機械結(jié)構(gòu) 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 反射式光柵原理 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 反射式光柵原理 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 增量式光柵 增量式光柵刻線 第五章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 5.1 概述 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動 5.3 位置檢測裝置 絕對