第六章-數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

1、黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院劉國(guó)華劉國(guó)華黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第六章第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件( (如工作臺(tái)、主軸和刀具等如工作臺(tái)、主軸和刀具等) )的的位置和速度位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。 數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)

2、動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。 伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機(jī)床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機(jī)床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之機(jī)床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。一。第一節(jié) 概述黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院伺服系統(tǒng)的主要功能伺服系統(tǒng)的主要功能: :從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號(hào)（控信號(hào)（5V5V左右，左右，mAmA級(jí)），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)信

3、號(hào)級(jí)），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（幾十、上百伏、安培級(jí)），用以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的執(zhí)（幾十、上百伏、安培級(jí)），用以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件行元件伺服電動(dòng)機(jī)，將電控信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)換成伺服電動(dòng)機(jī)，將電控信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)床主體部件（如工作臺(tái)、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動(dòng)，床主體部件（如工作臺(tái)、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主體運(yùn)動(dòng)的速度控制和位置控制，達(dá)到加實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主體運(yùn)動(dòng)的速度控制和位置控制，達(dá)到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標(biāo)。工出所需工件的外形和尺寸的最終目標(biāo)。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床

4、的伺服驅(qū)動(dòng)第一節(jié) 概述CNCCNC裝置裝置伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器器伺服電機(jī)伺服電機(jī)數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述一、數(shù)控機(jī)床對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求一、數(shù)控機(jī)床對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求 1 1、精度高、精度高 由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床的速度和位移輸出，為保證加由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床的速度和位移輸出，為保證加工質(zhì)量，要求它有足夠高的定位精度和重復(fù)定位精度。一般要工質(zhì)量，要求它有足夠高的定位精度和重復(fù)定位精度。一般要求定位精度為求定位精度為0.0010.001-0.01mm-0.01mm，高檔設(shè)備達(dá)到高檔設(shè)備達(dá)到0.10.1mm以上。速度以上。速度控制要求較高的調(diào)節(jié)精度和較強(qiáng)的抗負(fù)載干擾

5、能力，以保證動(dòng)、控制要求較高的調(diào)節(jié)精度和較強(qiáng)的抗負(fù)載干擾能力，以保證動(dòng)、靜態(tài)精度較高。靜態(tài)精度較高。2 2、快速響應(yīng)特性好、快速響應(yīng)特性好 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，反映系統(tǒng)的跟快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，反映系統(tǒng)的跟蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)不僅跟隨誤差小，而且蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)時(shí)間都在響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)時(shí)間都在2020msms以以內(nèi)，在短時(shí)間內(nèi)指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)誤差內(nèi)，在短時(shí)間內(nèi)指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)誤差小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停

6、和正、反向運(yùn)動(dòng)。小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停和正、反向運(yùn)動(dòng)。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述3 3、調(diào)速范圍寬、調(diào)速范圍寬 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控機(jī)床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有機(jī)床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進(jìn)給要求。足夠的調(diào)速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進(jìn)給要求。在低速切削時(shí)，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉(zhuǎn)距。在低速切削時(shí)，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉(zhuǎn)距。4 4、系統(tǒng)可靠性好、系統(tǒng)可靠性好 數(shù)控機(jī)床的使用率很高，常

7、常是數(shù)控機(jī)床的使用率很高，常常是2424h h連續(xù)工作不停機(jī)，因而連續(xù)工作不停機(jī)，因而要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時(shí)間間隔的長(zhǎng)短要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時(shí)間間隔的長(zhǎng)短的平均值作為依據(jù)，即平均無(wú)故障時(shí)間。這個(gè)時(shí)間越長(zhǎng)，可靠的平均值作為依據(jù)，即平均無(wú)故障時(shí)間。這個(gè)時(shí)間越長(zhǎng)，可靠性越好。性越好。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述 執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)控制單元必不可少。驅(qū)動(dòng)控制單元將進(jìn)給必不可少。驅(qū)動(dòng)控制單元將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號(hào)形式，執(zhí)行元件則將該信號(hào)指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號(hào)形式，執(zhí)行元件則將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械位移。轉(zhuǎn)化為相應(yīng)

8、的機(jī)械位移。 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件和機(jī)床組成。通常，由驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件和機(jī)床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。執(zhí)行元件選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 閉環(huán)（半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)閉環(huán)（半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)控制單元、機(jī)床由執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)控制單元、機(jī)床以及反饋檢測(cè)元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測(cè)元件分為速度反以及反饋檢測(cè)元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測(cè)元件分為速度反饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺(tái)饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺(tái)的實(shí)際位置檢測(cè)后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號(hào)和反的實(shí)際位置檢測(cè)后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號(hào)和反

9、饋信號(hào)進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)饋信號(hào)進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的基本組成二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的基本組成 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述三、數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類三、數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類 按控制原理和有無(wú)位置反饋裝置分為按控制原理和有無(wú)位置反饋裝置分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)伺開(kāi)環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)；按用途和功能分為；按用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給

10、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)；按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為；按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅(qū)動(dòng)電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及直線電動(dòng)機(jī)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)工作臺(tái)脈沖脈沖1.1.開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制(1) (1) 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成，無(wú)位置檢測(cè)裝置。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成，無(wú)位置檢測(cè)裝置。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指

11、令脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)線路變換與放大，傳給步進(jìn)電機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)線路變換與放大，傳給步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再通過(guò)齒輪副和步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再通過(guò)齒輪副和絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。指令脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而決定了工作臺(tái)的移指令脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而決定了工作臺(tái)的移動(dòng)速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)而決定了動(dòng)速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)而決定了工作臺(tái)的位移大小。工作臺(tái)的位移大小。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無(wú)位置檢測(cè)裝置，其精度取決于開(kāi)

12、環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無(wú)位置檢測(cè)裝置，其精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距精度和工作頻率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。步進(jìn)電機(jī)的步距精度和工作頻率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于對(duì)精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于對(duì)精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。中小型數(shù)控系統(tǒng)。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述(2) (2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測(cè)裝置，且裝在機(jī)床工作臺(tái)上，直接檢測(cè)工有位置檢測(cè)裝置，且裝在機(jī)床工作臺(tái)上，直接檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位移。作臺(tái)的實(shí)際位移。 利用利用CNCCNC裝置的指令值與位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)值的差值裝置的指令值與位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)值的

13、差值進(jìn)行位置控制。進(jìn)行位置控制。 精度高，其運(yùn)動(dòng)精度取決于檢測(cè)裝置的精度，與傳動(dòng)精度高，其運(yùn)動(dòng)精度取決于檢測(cè)裝置的精度，與傳動(dòng)鏈的誤差無(wú)關(guān)。鏈的誤差無(wú)關(guān)。 位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)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)定，使系統(tǒng)隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。 適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。指令指令伺服電機(jī)伺服電機(jī)速度檢測(cè)速度檢測(cè)速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測(cè)位置檢測(cè)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院伺服電機(jī)伺服電機(jī)速度

14、控制速度控制位置控制位置控制工作臺(tái)工作臺(tái)脈沖編碼器脈沖編碼器指令指令第一節(jié) 概述(3) (3) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測(cè)裝置，且裝在電機(jī)或絲杠的端頭，檢測(cè)有位置檢測(cè)裝置，且裝在電機(jī)或絲杠的端頭，檢測(cè)角位移，間接獲得工作臺(tái)的位移。角位移，間接獲得工作臺(tái)的位移。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但可對(duì)以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不

15、包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。適用于中小型數(shù)控機(jī)床。適用于中小型數(shù)控機(jī)床。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩，包括速度控制動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。環(huán)和位置控制環(huán)。主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制

16、機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 2.2.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述2.2.直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)直流大慣量伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)直流大慣量伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且由于電動(dòng)機(jī)慣性與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣量相當(dāng)，構(gòu)成載能力強(qiáng)，而且由于電動(dòng)機(jī)慣性與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣量相當(dāng)，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整；直流中小慣量伺服電動(dòng)機(jī)，比較適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)閉環(huán)后易于調(diào)整；

17、直流中小慣量伺服電動(dòng)機(jī)，比較適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。直流電動(dòng)機(jī)具有電直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和機(jī)械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。刷和機(jī)械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服系統(tǒng)迅在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服系統(tǒng)迅速進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是速進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電動(dòng)機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大

18、容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)將更合理。采用交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)將更合理。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第一節(jié) 概述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展概況伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展概況 在在5050年代年代，數(shù)控機(jī)床主要采用液壓驅(qū)動(dòng)，稱為，數(shù)控機(jī)床主要采用液壓驅(qū)動(dòng)，稱為液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是剛性好，時(shí)間常數(shù)小。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是剛性好，時(shí)間常數(shù)小。 6060年代初年代初，日本推出，日本推出步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)

19、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設(shè)備中被廣泛采用。構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設(shè)備中被廣泛采用。 7070年代年代，直流電機(jī)伺服系統(tǒng)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)采用采用閉環(huán)閉環(huán)或或半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制，精度提高，精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，調(diào)速范圍可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)，調(diào)速范圍可達(dá)1 1：1000010000，運(yùn)行速度提高到，運(yùn)行速度提高到15-15-24m/min24m/min。直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 在在8080年代以后年代以后，微機(jī)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為，微機(jī)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為交流電機(jī)

20、伺交流電機(jī)伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)的調(diào)速控制提供了條件，的調(diào)速控制提供了條件，伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是交流伺服伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動(dòng)線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動(dòng)速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運(yùn)動(dòng)

21、方向的頻率代表了驅(qū)動(dòng)速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運(yùn)動(dòng)方向是由步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序來(lái)決定是由步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序來(lái)決定。但由于該系統(tǒng)沒(méi)有反饋檢。但由于該系統(tǒng)沒(méi)有反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，精度主要由步進(jìn)電機(jī)來(lái)決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能測(cè)環(huán)節(jié)，精度主要由步進(jìn)電機(jī)來(lái)決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。的限制。一、步進(jìn)電機(jī)工作原理一、步進(jìn)電機(jī)工作原理 第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)二、步進(jìn)電機(jī)二、步進(jìn)電機(jī)單定子反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用單定子反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用電磁電磁鐵原理鐵原理，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定

22、子分定子鐵芯和定子勵(lì)磁繞組。子分定子鐵芯和定子勵(lì)磁繞組。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵芯上的線子繞組是繞置在定子鐵芯上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組，構(gòu)成控制繞組，構(gòu)成A A、B B、C C三相控三相控制繞組，任一相繞組通電形成一制繞組，任一相繞組通電形成一組定子磁極。組定子磁極。轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有周轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸合工作。合工作。AB定子定子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子IAIBICC黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院黑龍江大學(xué)機(jī)電工程

23、學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)1.1.三相單三拍工作方式：三相單三拍工作方式：AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時(shí)針轉(zhuǎn) 300逆時(shí)針轉(zhuǎn) 300逆時(shí)針轉(zhuǎn) 300假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，當(dāng)假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，當(dāng)A A相通電時(shí)，相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒被磁極齒被磁極A A產(chǎn)生的電磁引力吸產(chǎn)生的電磁引力吸引過(guò)去，使引過(guò)去，使1 1、3 3齒與齒與A A相磁極對(duì)齊。接相磁極對(duì)齊。接著著B(niǎo) B相通電，相通電，A A相斷電，磁極相斷電，磁極B B又把距它又把距它最近的一對(duì)齒最近的一對(duì)齒2 2、4 4吸引過(guò)來(lái)，使轉(zhuǎn)子按吸引過(guò)來(lái)，使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)3030度

24、。然后度。然后C C相通電，相通電，B B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3030度，依次度，依次類推，定子按類推，定子按ABCAABCA順序通電，轉(zhuǎn)順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，每步子就一步步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)3030度。度。若改變通電順序，按若改變通電順序，按ACBAACBA使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)3030度。這種控制方式叫三相單三拍方式，度。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單單”是指每次只有是指每次只有一相繞組通電，一相繞組通電，“三拍三拍”是指每三次換接為一個(gè)循環(huán)。

25、是指每三次換接為一個(gè)循環(huán)。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng) 定子的每個(gè)磁極正對(duì)轉(zhuǎn)子的圓弧面上均都均勻分布著定子的每個(gè)磁極正對(duì)轉(zhuǎn)子的圓弧面上均都均勻分布著5 5個(gè)小個(gè)小齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為9 9。 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的4040個(gè)小齒，其大小和間距個(gè)小齒，其大小和間距與定子上的完全相同。與定子上的完全相同。 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開(kāi)三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開(kāi)1/31/3齒距。齒距。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)（1 1）步距角和靜態(tài)步距誤差）步

26、距角和靜態(tài)步距誤差步進(jìn)電機(jī)步距角步進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z z、通電方式通電方式k k有關(guān)，即有：有關(guān)，即有：360360/(/(mzkmzk) )。其中：其中：m m相相m m拍時(shí)，拍時(shí)，k k1 1；m m相相2 2m m拍時(shí)，拍時(shí)，k k2 2，依此類推。例如，三依此類推。例如，三相三拍，相三拍，z z4040時(shí)，時(shí)，360360/(3/(340401)1)3 3。一般較小一般較小，如：，如：3 31.51.5,1.5,1.50.750.75,0.72,0.720.360.36等。等。靜態(tài)步距誤差：靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角

27、與實(shí)際的步距角之在空載情況下，理論的步距角與實(shí)際的步距角之差，一般在差，一般在1010之內(nèi)。步距誤差主要由步進(jìn)電機(jī)步距制造誤差，之內(nèi)。步距誤差主要由步進(jìn)電機(jī)步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。2.2.步進(jìn)電機(jī)主要特征步進(jìn)電機(jī)主要特征黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(2) (2) 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖

28、頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低。隨著在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低。隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。(3) (3) 連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異

29、，與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。源也有很大關(guān)系。 第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(4)(4)矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下

30、降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。 M Mf f第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)三三. .步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路 功能：功能：將具有一定頻率將具有一定頻率f f、一定數(shù)量一定數(shù)量N N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)變化頻成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。率、變化次數(shù)和通斷電順序。 驅(qū)動(dòng)控制器主要由驅(qū)動(dòng)控制器主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器環(huán)形脈沖分配器和功率放

31、大器組成。組成。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)1.1.環(huán)形脈沖分配器環(huán)形脈沖分配器功能：功能：將進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)定子繞組通、斷電的電平將進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)與方向信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)與方向?qū)?yīng)。即將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配對(duì)應(yīng)。即將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通、斷電。給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通、斷電。分類：分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器和軟件

32、環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置本身帶有環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置本身帶有環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動(dòng)裝置本身無(wú)環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動(dòng)裝置本身無(wú)環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。件完成。2.2.功率放大器功率放大器功能：功能：將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，以用足夠的功率來(lái)驅(qū)將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，以用足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié) 開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)四四. .提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施1.1.傳動(dòng)間隙補(bǔ)償傳動(dòng)間隙補(bǔ)償 傳動(dòng)元件的齒輪、絲杠制造裝配誤差使機(jī)械傳動(dòng)鏈在改

33、變運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)元件的齒輪、絲杠制造裝配誤差使機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，最初若干個(gè)指令脈沖只能起到消除間隙的作用，或旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，最初若干個(gè)指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺(tái)無(wú)實(shí)際移動(dòng)，從而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。造成步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺(tái)無(wú)實(shí)際移動(dòng)，從而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。補(bǔ)償方法：先測(cè)出并存儲(chǔ)間隙大小，接收反向位移指令時(shí)，先不補(bǔ)償方法：先測(cè)出并存儲(chǔ)間隙大小，接收反向位移指令時(shí)，先不向步進(jìn)電機(jī)輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)向步進(jìn)電機(jī)輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，越過(guò)傳動(dòng)間隙，然后按照指令脈沖動(dòng)作。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，越過(guò)傳動(dòng)間隙，然后按照指

34、令脈沖動(dòng)作。2.2.螺距誤差補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償 滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機(jī)床工作臺(tái)的位移精度。滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機(jī)床工作臺(tái)的位移精度。補(bǔ)償方法：設(shè)置若干個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，在每個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)測(cè)量并記錄工作臺(tái)補(bǔ)償方法：設(shè)置若干個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，在每個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)測(cè)量并記錄工作臺(tái)位移誤差，確定補(bǔ)償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設(shè)備運(yùn)位移誤差，確定補(bǔ)償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)每經(jīng)過(guò)一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，行時(shí)，工作臺(tái)每經(jīng)過(guò)一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，CNCCNC系統(tǒng)就加入補(bǔ)償量，補(bǔ)償系統(tǒng)就加入補(bǔ)償量，補(bǔ)償螺距誤差。螺距誤差。3.3.細(xì)分線路：細(xì)分線路：將一個(gè)步距角細(xì)分為若干步的驅(qū)動(dòng)方法。將一個(gè)步距角細(xì)分為若干步的

35、驅(qū)動(dòng)方法。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)1 1 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)（1 1）直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)）直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子定子：產(chǎn)生定子磁極、磁場(chǎng)。：產(chǎn)生定子磁極、磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶：表面嵌有線圈，通直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。電刷與換向片電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。換向片與電樞線圈連接。

36、數(shù)控機(jī)床的使用的直流伺服電機(jī)主要是數(shù)控機(jī)床的使用的直流伺服電機(jī)主要是大功率直流伺服電機(jī)大功率直流伺服電機(jī)：p小慣量直流伺服電機(jī)：小慣量直流伺服電機(jī)：最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以獲得較快的響應(yīng)速度。獲得較快的響應(yīng)速度。p寬調(diào)速直流伺服電機(jī)：寬調(diào)速直流伺服電機(jī)：轉(zhuǎn)子直徑較大，力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，轉(zhuǎn)子直徑較大，力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，能在較大過(guò)載轉(zhuǎn)矩時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作。能在較大過(guò)載轉(zhuǎn)矩時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作。一、直流伺服電機(jī)與速度控制一、直流伺服電機(jī)與速度控制黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院其中：其中：n n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為電機(jī)轉(zhuǎn)速，UaUa為電樞外加電壓，為電樞外加電壓，CeCe為反電動(dòng)勢(shì)

37、常數(shù)，為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，為電機(jī)磁通量，為電機(jī)磁通量，RaRa為電樞電阻，為電樞電阻，CmCm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，M M為電磁轉(zhuǎn)矩。為電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的三種調(diào)速方法：直流電機(jī)的三種調(diào)速方法：改變電樞外加電壓改變電樞外加電壓UaUa。該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機(jī)械特性好，性，機(jī)械特性好，適用于主軸驅(qū)動(dòng)的低速段和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)適用于主軸驅(qū)動(dòng)的低速段和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。改變磁通量改變磁通量。改變勵(lì)磁線圈電壓使磁通量改變。改變勵(lì)磁線圈電壓使磁通量改變 ，適用于主軸，適用于主軸驅(qū)動(dòng)的高速段，不適合于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的高速段，不適合于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。改變電樞電路的電阻改變電樞

38、電路的電阻RaRa。該。該方法得到的機(jī)械特性較軟，不能實(shí)現(xiàn)方法得到的機(jī)械特性較軟，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，也不適合于數(shù)控機(jī)床。無(wú)級(jí)調(diào)速，也不適合于數(shù)控機(jī)床。目前應(yīng)用最多的是目前應(yīng)用最多的是晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（PWMPWM）調(diào)速系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng)：利用大功：利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓加率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓加到直流電機(jī)的電樞上，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的到直流電機(jī)的電樞上，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。平均電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2 2 直流伺服電機(jī)速度調(diào)節(jié)直流伺服電機(jī)速度調(diào)節(jié)直流電機(jī)機(jī)

39、械特性公式：直流電機(jī)機(jī)械特性公式：MCCRCUnmeaea2 第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院二、交流伺服電機(jī)與速度控制二、交流伺服電機(jī)與速度控制直流電機(jī)缺點(diǎn)：直流電機(jī)缺點(diǎn)：電刷和換向器有磨損，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花；電刷和換向器有磨損，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花；換向器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜；換向器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜；電機(jī)最高速度受限制；電機(jī)最高速度受限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 交流伺服電動(dòng)機(jī)沒(méi)有直流伺服電動(dòng)機(jī)上述的缺點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)沒(méi)有直流伺服電動(dòng)機(jī)上述的缺點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)子慣量比直流伺服電動(dòng)機(jī)小，慣量比直流伺服電動(dòng)機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。同樣體積下，交流

40、伺。同樣體積下，交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高10102020。交。交流伺服電動(dòng)機(jī)的流伺服電動(dòng)機(jī)的容量可以做得比直流伺服電動(dòng)機(jī)大容量可以做得比直流伺服電動(dòng)機(jī)大，達(dá)到更高，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。從的轉(zhuǎn)速。從8080年代后期開(kāi)始，交流伺服電動(dòng)機(jī)逐漸替代直流伺年代后期開(kāi)始，交流伺服電動(dòng)機(jī)逐漸替代直流伺服電動(dòng)機(jī)占據(jù)主要位置。服電動(dòng)機(jī)占據(jù)主要位置。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1.1.交流伺服電機(jī)的類型交流伺服電機(jī)的類型交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上為一兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其定子兩相繞交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上為一兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其定子兩相繞組在空間相距組在

41、空間相距9090電角度，電角度，一相作為勵(lì)磁繞組一相作為勵(lì)磁繞組，運(yùn)行時(shí)接到交流，運(yùn)行時(shí)接到交流電源上，電源上，另一相作為控制繞組另一相作為控制繞組，輸入控制電壓。，輸入控制電壓。主要有：主要有：永磁式交流伺服電機(jī)永磁式交流伺服電機(jī)和和感應(yīng)式交流伺服電機(jī)感應(yīng)式交流伺服電機(jī)共同點(diǎn)：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使得轉(zhuǎn)子跟隨定共同點(diǎn)：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起運(yùn)轉(zhuǎn)。子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起運(yùn)轉(zhuǎn)。不同點(diǎn)：永磁式伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著不同點(diǎn)：永磁式伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴(yán)格的同步關(guān)系，即嚴(yán)格的同步關(guān)系，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速電機(jī)

42、的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速；而感；而感應(yīng)式伺服電機(jī)由于應(yīng)式伺服電機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機(jī)的，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速差越大。轉(zhuǎn)速低于磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速差越大。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： 2.2.交流電機(jī)的速度控制交流電機(jī)的速度控制 spfn1601f f1 1 定子電源頻率（定子電源頻率（HzHz）；）； p p 磁極對(duì)數(shù)；磁極對(duì)數(shù)； s s 轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率。異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻變轉(zhuǎn)差率

43、、變極對(duì)數(shù)及變頻三種。三種。（1 1）變磁極對(duì)數(shù)：通過(guò)對(duì)定子繞組接線的切換改變磁極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)）變磁極對(duì)數(shù)：通過(guò)對(duì)定子繞組接線的切換改變磁極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)，只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不能無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不能無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。（2 2）改變轉(zhuǎn)差率：只適合于異步型交流電機(jī)的調(diào)速，）改變轉(zhuǎn)差率：只適合于異步型交流電機(jī)的調(diào)速，低速時(shí)轉(zhuǎn)差低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。（3 3）變頻調(diào)速：通過(guò)改變電機(jī)電源的頻率而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。）變頻調(diào)速：通過(guò)改變電機(jī)電源的頻率而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變變頻調(diào)速?gòu)母咚俚降退俣伎梢员３钟邢薜霓D(zhuǎn)差率，具有高效率

44、、寬范頻調(diào)速?gòu)母咚俚降退俣伎梢员３钟邢薜霓D(zhuǎn)差率，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)（r/minr/min）黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。變頻器分：變頻器分：交交交交 變頻變頻 ：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz50Hz）變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，該方法所得的交流電波）變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，該方法所得的交流電波動(dòng)比較大，且最

45、大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。動(dòng)比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。 交交直直交交 變頻：變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖方波電壓，該調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，壓變成矩形脈沖方波電壓，該調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。數(shù)控機(jī)床常采用交數(shù)控機(jī)床常采用交直直交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速。其中，。其中，SPWMSPWM（正弦（正弦波脈寬調(diào)制）變頻器波脈寬調(diào)制）變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交直直交型電壓型變頻器，交型電壓型變頻器，在交流調(diào)速

46、系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院三、直線電機(jī)的特點(diǎn)三、直線電機(jī)的特點(diǎn)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)方式的最大機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)方式的最大區(qū)別區(qū)別是：取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床是：取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，故這種傳動(dòng)方式稱為進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，故這種傳動(dòng)方式稱為“直接驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)”，也稱，也稱“零傳動(dòng)零傳動(dòng)”。直接驅(qū)動(dòng)避免了絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛。直接驅(qū)動(dòng)避免了絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦

47、力和剛性不足等缺點(diǎn)。性不足等缺點(diǎn)。 定子(初級(jí))籠形轉(zhuǎn)子(次級(jí))初級(jí)次級(jí)第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)直線電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例：直線電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例：當(dāng)初級(jí)繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，次級(jí)在磁場(chǎng)切當(dāng)初級(jí)繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，次級(jí)在磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相作用割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)動(dòng)；就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)動(dòng)；反之，則初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)。反之，則初級(jí)

48、做直線運(yùn)動(dòng)。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)特點(diǎn)：將指令脈沖信號(hào)和位置檢測(cè)反饋信號(hào)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻：將指令脈沖信號(hào)和位置檢測(cè)反饋信號(hào)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號(hào)，在位置控制單元進(jìn)行相位率的某一載波的不同相位的脈沖信號(hào)，在位置控制單元進(jìn)行相位比較，相位差反映了指令位置與實(shí)際位置的偏差。比較，相位差反映了指令位置與實(shí)際位置的偏差。位置檢測(cè)元件位置檢測(cè)元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵，工作在相位采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵，工作在相位工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。脈沖調(diào)相器：脈沖調(diào)相器：將數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào)。將數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相

49、位變化信號(hào)。鑒相器鑒相器：鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)的相位，判別兩者之間的相位：鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)的相位，判別兩者之間的相位差及其相位超前、滯后關(guān)系，并變成相應(yīng)的誤差電壓信號(hào)作為速差及其相位超前、滯后關(guān)系，并變成相應(yīng)的誤差電壓信號(hào)作為速度單元的輸入信號(hào)。度單元的輸入信號(hào)。四、鑒相式伺服系統(tǒng)四、鑒相式伺服系統(tǒng)黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)五、鑒幅式伺服系統(tǒng)五、鑒幅式伺服系統(tǒng)以以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并作為位置，并作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置檢

50、測(cè)元件工作在幅值工作方式，感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和位置檢測(cè)元件工作在幅值工作方式，感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁柵。磁柵。 鑒幅器：對(duì)位置檢測(cè)裝置輸出的代表工作臺(tái)實(shí)際位移的電壓信號(hào)鑒幅器：對(duì)位置檢測(cè)裝置輸出的代表工作臺(tái)實(shí)際位移的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負(fù)與工作臺(tái)移動(dòng)方向相進(jìn)行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負(fù)與工作臺(tái)移動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)、幅值與工作臺(tái)位移成正比的直流電壓信號(hào)。對(duì)應(yīng)、幅值與工作臺(tái)位移成正比的直流電壓信號(hào)。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測(cè)裝置，以半閉結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用光電

51、編碼器、光柵作位置檢測(cè)裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。 特點(diǎn)：指令脈沖信號(hào)與位置檢測(cè)裝置的反饋脈沖信號(hào)在比較器特點(diǎn)：指令脈沖信號(hào)與位置檢測(cè)裝置的反饋脈沖信號(hào)在比較器中以中以脈沖數(shù)字脈沖數(shù)字的形式進(jìn)行比較。的形式進(jìn)行比較。 反饋脈沖反饋脈沖數(shù)數(shù)/ /模模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器脈沖處理脈沖處理伺服伺服電機(jī)電機(jī)工作臺(tái)工作臺(tái)位置檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置（光電編碼器）（光電編碼器）伺服放大器伺服放大器位置檢測(cè)信息位置檢測(cè)信息P Pf f指令脈沖指令脈沖PcPc比較器比較器PePe黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置作用作用：檢測(cè)位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號(hào)至數(shù)

52、控：檢測(cè)位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號(hào)至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺(tái)按指令路徑精確裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺(tái)按指令路徑精確地移動(dòng)。地移動(dòng)。組成組成：檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置。：檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置。常用檢測(cè)裝置：常用檢測(cè)裝置：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵等。等。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求如下：數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求如下：（1 1）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；（2 2）滿足精度和速度的要求；）滿足精度和速度的要求；（3 3）易于安裝，維護(hù)方便

53、，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；）易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；（4 4）成本低。）成本低。 一、概述一、概述黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（一）直接測(cè)量和間接測(cè)量（一）直接測(cè)量和間接測(cè)量 1.1.直接測(cè)量直接測(cè)量 將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，而構(gòu)成位的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。置閉環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在

54、大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。2.2.間接測(cè)量間接測(cè)量 將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線位移，作為半測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈?zhǔn)菧y(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。誤差，從而影響了測(cè)量精度。第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的

55、檢測(cè)裝置（二）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量（二）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量1.1.數(shù)字式測(cè)量數(shù)字式測(cè)量 將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。處理簡(jiǎn)單。2.2.模擬量測(cè)量模擬量測(cè)量 將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置（三）增量式測(cè)量和絕對(duì)式

56、測(cè)量（三）增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量1.1.增量式測(cè)量增量式測(cè)量 在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)相對(duì)位移量，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以作相對(duì)位移量，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。 2.2.絕對(duì)式測(cè)量絕對(duì)式測(cè)量 絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起

57、，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對(duì)應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組量式復(fù)雜，如編碼盤中，對(duì)應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。 黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置（一）結(jié)構(gòu)與工作原理（一）結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。工旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。工作原理

58、與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作作原理與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作, ,其中定子繞其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。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，只是其輸出電壓大小的二次側(cè)，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。二、旋轉(zhuǎn)變壓器二、旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。 鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸

59、出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量；鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量； 鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來(lái)檢測(cè)位移量。鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來(lái)檢測(cè)位移量。黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1m1m以上。從形以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。直線光柵用于檢測(cè)直線位移。 直線光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為