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HenanPolytechnicUniversity

主講：秦歌答疑時間：周二晚J407機械與動力工程學院2021-05SchoolofMechanicalandPowerEngineering*第六章數控機床的伺服系統本章內容：概述開環步進式伺服系統位置檢測裝置閉環〔交直流〕伺服系統*伺服來自英文單詞Servo，““伺服〔SERVO)〞在中英文里一個音、意都相同的詞，顧名思義，它表示“伺候伺候〞，指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動。在數控機床中，伺服是指有關的傳動或運動參數均嚴格按照數控裝置的控制指令實現，這些參數主要包括運動的速度、運動的方向和運動的起停位置等。伺服系統的開展經歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統包括伺服電機、反響裝置和控制器。在20世紀60年代，最早是直流電機作為主要執行部件。在70年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。控制器的功能是完成伺服系統的閉環控制，包括力矩、速度和位置等。通常說的伺服驅動器已經包括了控制器的根本功能和功率放大局部。第一節概述**第一節概述*

伺服驅動系統與一般機床進給系統的區別進給系統的作用在于保證切削過程能夠連續進行，不能控制執行件的位移和軌跡；伺服系統將指令信號加以轉換和放大，不僅能控制執行件的速度、方向，而且能精確控制其位置、以及幾個執行件按一定的運動規律合成的軌跡。第一節概述*一、伺服系統的組成、作用和特點:組成伺服系統一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執行元件和檢測反響環節等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系；機械傳動部件和執行件組成機械傳動系。第一節概述數控伺服系統的根本組成*伺服系統的作用:接受數控系統發出的進給位移和速度指令信號，經過一定的信號轉換的轉換和電壓、功率放大后，經伺服驅動裝置和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、刀架等執行部件進行工作進給和快速進給。主要通過步進電機、交/直流伺服電動機等進給驅動元件來實現。伺服系統可被看作是一個獨立局部，與數控系統和機床本體并列為數控數控機床的三大組成局部。第一節概述*特點：

能根據指令信號自動精確的控制執行部件運動的位移、方向和速度，使數個執行部件按一定的規律運動以合成一定的運動軌跡。性能：

最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態和靜態性能,取決于各個組成環節的特性和各個環節性能參數的合理匹配。第一節概述*第一節概述二、數控機床對進給伺服系統的要求1．可逆運行

可逆運行要求能靈活地正反向運行。在加工過程中，機床工作臺處于隨動狀態，根據加工軌跡的要求，隨時實現正向或反向運動。要求在方向變化時，不應有反向間隙和運動損失。從能量角度看，應該實現能量的可逆轉換，即在加工運行時，電動機從電網吸收能量改變為機械能；在制動時應把電動機的機械慣性能量變為電能回饋給電網，以實現快速制動。*2．高精度

數控機床是按預定的程序自動進行加工的，不同于普通機床用手動操作來調整和補償各種因素對加工精度的影響，故要求數控機床的實際位移與指令位移之差要小。現代數控機床的位移精度一般為0.01~0.001㎜，甚至可高達0.1μm，以保證加工質量的一致性，保證復雜曲線、曲面零件的加工精度。第一節概述二、數控機床對進給伺服系統的要求*3．調速范圍寬調速范圍是指最高進給速度和最低進給速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材質以及零件加工要求的變化范圍很廣，為了保證在所有加工情況下都能得到最正確的切削條件和加工質量，要求進給速度能在很大的范圍內變化，即有很大的調速范圍。目前最先進水平是在脈沖當量或最小設定單位為1μm的情況下，進給速度能在0～240m／min的范圍內連續可調。在這一調速范圍內，要求速度均勻、穩定，低速時無爬行。還要求在零速時伺服電機處于電磁鎖住狀態，以保證定位精度不變。第一節概述二、數控機床對進給伺服系統的要求*4．快速響應并無超調要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。伺服系統處于頻繁地啟動、制動、加速、減速等動態過程中，為了提高生產率和保證加工質量，那么要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間。當負載突變時，過渡過程前沿要陡，恢復時間要短，且無振蕩。這樣才能得到光滑的加工外表。第一節概述二、數控機床對進給伺服系統的要求*5．低速大轉矩機床加工，大多是低速時進行切削，即在低速時進給驅動要有大的轉矩輸出。第一節概述二、數控機床對進給伺服系統的要求*1．按控制方式和有無檢測反響環節分類〔1〕開環伺服系統

〔2〕閉環伺服系統〔3〕半閉環伺服系統指令驅動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令第一節概述三、伺服系統的分類*〔1〕開環伺服系統組成：步進電機、驅動電路、傳動機構工作原理：在數控機床上它由步進電機、功率步進電機或電液脈沖馬達驅動。數控系統發出的指令脈沖信號經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過變速齒輪和滾珠絲杠螺母副驅動執行件(工作臺或刀架)移動。第一節概述三、伺服系統的分類*無位置反響，開環系統的位移精度主要取決于步進電機的角位移和齒輪、絲杠等傳動件的螺距精度，以及系統的摩擦阻尼特性.開環系統的位移精度一般較低，其定位精度可達±0.02mm，當采用螺距誤差補償后，定位精度提高到±0.01mm；一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。這類系統具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。第一節概述三、伺服系統的分類〔1〕開環伺服系統*〔2〕閉環系統閉環控制系統是一種包含功率放大和反響，從而使得輸出變量的值精密地響應輸入量的自動控制系統。在數控機床上，由于反響信號所取的位置不同，而分為全閉環系統和半閉環系統。第一節概述三、伺服系統的分類*

全閉環數控系統全閉環數控系統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行檢測。第一節概述三、伺服系統的分類*第一節概述三、伺服系統的分類*半閉環伺服系統半閉環伺服系統同樣也是一種閉環系統。只不過在數控機床這種具體應用場合下，它的反響信號取自系統的中間部位〔如驅動伺服電機的軸上〕，如下圖。這樣系統由電機輸出軸至最末端件〔工作臺或刀架〕之間的誤差〔如：聯軸器誤差、絲杠的彈性變形及螺距誤差、導軌副的摩擦阻尼等〕沒有得到系統的補償。因此，在數控機床上，半閉環系統只反響補償了進給傳動系統的局部誤差，所以其精度比全閉環系統要低一些。第一節概述三、伺服系統的分類*半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。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，其精度較閉環差，較開環好。但由于這種系統舍棄了傳動系統的剛性和非線性的摩擦阻尼等。故系統調試較容易，穩定性也較好。由于采用高分辨率的測量元件，可以獲得比較滿意的精度和速度，特別是制造伺服電機時，都將測速發電機、旋轉變壓器〔或脈沖編碼器〕直接裝在伺服電機軸的尾部，減少機床制造時的安裝調試麻煩，結構也比較簡單，故這種被廣泛應于中小型數控機床上。半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。*2．按使用的執行元件分類〔1〕電液伺服系統——電液脈沖馬達和電液伺服馬達。優點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小、反響快和速度平穩。缺點：液壓系統需要供油系統，體積大。噪聲、漏油。〔2〕電氣伺服系統——伺服電機〔步進電機、直流電機和交流電機〕優點：操作維護方便，可靠性高。

第一節概述三、伺服系統的分類*2．按使用的執行元件分類〔2〕電氣伺服系統1〕直流伺服系統進給運動系統采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統采用他激直流伺服電機。優點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。2〕交流伺服系統交流感應異步伺服電機〔一般用于主軸伺服系統〕和永磁同步伺服電機〔一般用于進給伺服系統〕。優點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環境下工作。動態響應好、轉速高和容量大。第一節概述三、伺服系統的分類*2、按執行元件的類別分類分為直流伺服系統和交流伺服系統。20世紀70年代，數控機床大多采用直流伺服驅動。具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過載能力強；適應數控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電動機的電刷和機械換向器限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的開展。20世紀80年代，交流伺服系統。最大優點是交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向開展，適合于在較惡劣的環境中使用。同時，從減少伺服驅動系統外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機比直流電動機將更合理。第一節概述三、伺服系統的分類*3、按伺服系統的用途和功能分類分為進給驅動系統和主軸驅動系統。進給驅動系統用于數控機床工作臺或刀架坐標的控制系統，來控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的轉矩。主軸驅動系統控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力。一般地，對于進給驅動系統，主要關心它的轉矩大小、調節范圍的大小和調節精度的上下，以及動態響應速度的快慢。對于主軸驅動系統，主要關心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節范圍及速度調節范圍。第一節概述三、伺服系統的分類*〔1〕數控脈沖比較伺服系統該系統是閉環伺服系統中的一種控制方式。它是將數控裝置發出的數字〔或脈沖〕指令信號與檢測裝置測得的以數字〔或脈沖〕形式表示的反響信號直接進行比較，獲得位置誤差，實現閉環控制。結構簡單，容易實現，整機工作穩定，在一般數控伺服系統中應用十分普遍。〔2〕鑒相式伺服系統位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反響信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位置與指令位置的偏差，實現閉環控制。適用于感應式檢測元件〔如旋轉變壓器、感應同步器〕的工作狀態，可得到滿意的精度。此外，由于載波頻率較高，響應塊，抗干擾性強，更適于連續控制的伺服系統。4、按反響比較控制方式分類三、伺服系統的分類*〔3〕鑒幅式伺服系統鑒幅式伺服系統是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此信號作為位置反響信號，一般還要將此幅值信號轉換成信號才與指令數字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號構成閉環控制系統。*

此外，還可按驅動方式分類，將伺服系統分為液壓伺服驅動系統、電氣伺服驅動系統和氣壓伺服驅動系統；按控制信號分類，將伺服系統分為數字伺服系統、模擬伺服系統和數字模擬混合伺服系統等。第一節概述三、伺服系統的分類*第二節開環步進式伺服系統*步進控制系統的結構控制器：PLC、定位控制模塊、單片機，產生脈沖，進行方向信號的產生；步進驅動器：收到脈沖，分配脈沖和功率放大，控制電機每一項的線圈是否通電；步進電機：旋轉，拖開工作臺。控制器步進驅動器步進電機和工作臺第二節開環步進式伺服系統*應用范圍：簡易型數控機床、普通機床的數控改造。第二節開環步進式伺服系統*第二節開環步進式伺服系統*第二節開環步進式伺服系統**步進電機是一種將電脈沖信號轉化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續轉動，而步進電機那么隨輸入的脈沖按節拍一步一步地轉動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做步距角。

步進電機第二節開環步進式伺服系統*

一、步進電機的分類按運動方式分：旋轉運動、直線運動式步進電機；按工作原理分：反響式〔磁阻式〕、電磁式、永磁式；按結構分：單段式〔徑向式〕、多段式〔軸向式〕；按使用場合分：功率步進電機和控制步進電機；按使用頻率分：高頻率和低頻步進電機；不同的步進電機，其工作原理、驅動裝置也不完全一樣。第二節開環步進式伺服系統*按其輸出轉矩的大小來分，可以分為快速步進電動機和功率步進電動機。快速步進電動機連續工作頻率高而輸出轉矩較小，一般在N?cm級，可以作為控制小型精密機床的工作臺(例線切割機床)也可以和液壓轉矩放大器組成電液脈沖馬達去驅動數控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉矩就比較大是N?m級的，可以直接去驅動機床的移動部件。

按其勵磁相數，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數的增加，在相同頻率的情況下，每相導通電流的時間增加，各相平均電流增大，從而使電動機的轉速—轉矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數的增加，電動機的尺寸就增加，結構亦復雜，目前多用3～6相的步進電動機。

一、步進電機的分類*目前我國使用的步進電機多為徑向反響式步進電機。反響式步進電機結構〔徑向分布〕第二節開環步進式伺服系統*

二、步進驅動的原理：步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的電磁裝置，是一種特殊的電動機。步進電動機有定位和運轉兩種根本狀態，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的鼓勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態。*步進電機的結構〔橫向視圖〕第二節開環步進式伺服系統*

步進電機的工作原理：電磁鐵作用原理如下圖，三相反響式步進電機工作原理圖。由轉子和定子組成。定子上有A、B、C三對磁極繞組，分別為A相、B相、C相。轉子是硅鋼片軟磁材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。如果在定子上的三對繞組中通直流電流，就會產生磁場。B相通電A相通電C相通電工作原理演示工作原理演示*三相三拍的原理介紹模擬步進電機的動作步驟:三相是指步進電機有三相定子繞組，三拍是指每三次轉換為一個循環。三相步進電機，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對應產生N/S極磁場；轉子為帶齒的鐵心〔反響式〕或磁鋼〔混合式〕。當定子三相依次通電時，三對磁極依次產生氣隙磁場，吸引轉子一步步轉動。*

步進電機的工作原理：A-B-C-A反轉*

步進電機的工作原理：A-C-B-A正轉工作原理演示*BACBCABACBCABACBCA12341234逆時針回轉300逆時針回轉300當A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通電，那么A、B、C三對磁極依次產生磁場吸引轉子轉動。√當A相通電時，B相和C相不通電，電機鐵心的AA軸方向產生磁通，在磁拉力的作用下，轉子1、3齒與A相磁極對齊，2、4兩齒與B、C兩磁極相對錯開300*√當B相通電時，C相和A相斷電，電機鐵心的BB軸方向產生磁通，在磁拉力的作用下，轉子沿逆時針方向旋轉300，2、4齒與B相磁極對齊。1、3兩齒與C、A兩磁極相對錯開300。√當C相通電時，A相和B相斷電，電機鐵心的CC軸方向產生磁通，在磁拉力的作用下，轉子沿逆時針方向旋轉300，1、3齒與C相磁極對齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對錯開300。

若按ABC。。。通電相序連續通電，則步進電機就連續地沿逆時針方向轉動，每換接一次相序，步進電機沿逆時針方向轉動300，即步距角為300。

若按A

C

B。。。進行，則轉子沿順時針方向旋轉。*電機正轉：A-C-B-A電機反轉：A-B-C-A結論：〔1〕電機運行方向和通電的相序有關，改變通電的相序，電機的運行方向也就改變。改變電機正反轉的話，就是改變通電方向。〔2〕電機轉速和相序切換頻率有關，切換的越快，電機轉動的越快。〔3〕電機每拍轉動的角度，稱為步距角，θ。步距角和電機結構有關。

步進電機的工作原理：第二節開環步進式伺服系統*步進電機的步距角大小不僅與通電方式有關，還與轉子的齒數有關。計算公式為：mzk360=

式中：m——定子勵磁繞組相數;三相時，m=3；Z——轉子齒數;K——通電方式，單為1，雙為2.第二節開環步進式伺服系統三相三拍：m=3,z=4,k=1,那么θ=30°。*上述通電方式稱為三相單三拍通電方式。所謂“單〞是指每次只有一相繞組通電的意思。√“一拍〞——從一相通電換接到另一相通電稱為一拍。√“三拍〞——每一拍轉子轉過一個步距角，這樣“三拍〞是指通電換接三次后完成一個通電周期。第二節開環步進式伺服系統*三相三拍的通電次序為：A-B-C-A;AB-BC-CA-AB三相六拍的通電次序為：A-AB-B-BC-C-CA-A可見三相三拍與三相六拍相比較，六拍的步距角小，精度高。設A相首先通電，轉子齒與定子A、A′對齊〔圖a〕。然后在A相繼續通電的情況下接通B相。這時定子B、B′極對轉子齒2、4產生磁拉力，使轉子順時針方向轉動，但是A、A′極繼續拉住齒1、3，因此，轉子轉到兩個磁拉力平衡為止。這時轉子的位置如圖3b所示，即轉子從圖(a)位置順時針轉過了15°。接著A相斷電，B相繼續通電。這時轉子齒2、4和定子B、B′極對齊〔圖c〕，轉子從圖(b)的位置又轉過了15°

三相六拍通電方式——即按AABBBCCCA相序通電。（見下圖）*B相通電BC相通電C相通電AB相通電A相通電CA相通電工作原理：

當A相通電，1、3齒與A相磁極對齊。當A、B兩相同時通電，因A極吸引1、3齒，B極吸引2、4齒，轉子逆時針旋轉150。隨著A相斷電，只有B相通電。13A吸1、3兩齒A吸1、3兩齒B吸2、4兩齒B吸2、4兩齒B吸2、4兩齒C吸1、324C吸1、3A吸2、4C吸1、3工作原理演示*轉子又逆時針轉150，2、4齒與B相磁極對齊，如果繼續按BCCCAA。。。相序通電，步進電機就沿著逆時針方向，以150的步距角一步一步移動。這種通電方式采用單、雙相輪流通電，在通電換接時，總有一相通電，所以工作較平穩。實際使用的步進電機，一般都要求有較小的步距角，因為步距角越小所到達的位置精度越高。*通電方式

三相雙三拍：(正轉)AB

BC

CA

AB(反轉)AC

CB

BA

AC

三相六拍：

(正轉)A

AB

B

BC

C

CA

A(反轉)A

AC

C

CB

B

BA

A三相單三拍：(正轉)ABC

A(反轉)A

CBA第二節開環步進式伺服系統*ABC

A*AB

BC

CA

AB工作原理演示*A

AB

B

BC

C

CA

A*m相步進電機通電方式

m相單m拍：例ABC

D

E

A

m相雙m拍：例AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍：例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB三種通電方式的特點：單m拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩；雙m拍：每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運行穩定；

2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩定；第二節開環步進式伺服系統*步進電機轉速計算：360

o=n

60f=6

fo式中：n——轉速〔r/min);f——脈沖頻率，即每秒輸入步進電機的脈沖數；——用度數表示的步距角。式中，當轉子的步距角一定時，步進電機的轉速與輸入的脈沖頻率成正比。第二節開環步進式伺服系統*關于步進電機概念步距角：步進電機每接受一個指令脈沖，轉子相應的轉角脈沖當量：步進電機每接受一個指令脈沖，工作臺相應的位移轉速、轉角和轉向的決定因素：脈沖頻率、脈沖數和通電相序。最大靜轉矩：步進電機最大的承載能力。啟動頻率：步進電機由靜止突然啟動，進入不失步的正常運行的最高頻率。超過了啟動頻率，轉子跟不上定子的磁場旋轉，會產生失步。連續運行頻率：當電機啟動后，能逐漸不失步連續升速的最高頻率。第二節開環步進式伺服系統*4.步進電機的主要特性1〕步距角和靜態步距誤差步距角：αm:線圈相數；z:轉子齒數；q:2m拍q=2，其它q=1。步距誤差：實際步距角與理論步距角之差，一般為10°。2〕輸出扭矩：必須大于負載轉距。3〕最高啟動、停止脈沖頻率：步進電機所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負載實際啟、停所需的脈沖頻率。*4.步進電機的主要特性4〕連續運行的最高工作頻率：步進電機連續運行所能接受的最高工作頻率，此值必須小于步進電機實際運行的最高工作頻率。5〕步進運行和低頻振蕩步進運行：當脈沖間隔大于步進電機的過渡過程時，電機呈步進運行狀態低頻振蕩：當脈沖頻率接近步進電機的固有頻率時，將產生振蕩〔必要時可設可調阻尼器〕第二節開環步進式伺服系統*5.步進電機的優點1〕由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；2〕優秀的起停和反轉響應；3〕由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；4〕電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開環控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制本錢；5〕僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。6〕由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。第二節開環步進式伺服系統*6.步進電機的缺點1〕如果控制不當容易產生共振；2〕難以運轉到較高的轉速；3〕難以獲得較大的轉矩；4〕在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低；5〕超過負載時會破壞同步，高速工作時會發出振動和噪聲。第二節開環步進式伺服系統*三、提高步進電機開環伺服系統傳動精度的措施

影響步進電機開環系統傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環系統傳動精度的措施適當提高系統組成環節的精度；采取各種精度補償措施。第二節開環步進式伺服系統*三、提高步進電機開環伺服系統傳動精度的措施*第三節數控機床的檢測裝置*檢測裝置是閉環伺服系統的重要組成局部。它的作用是檢測工作臺或絲杠的直線位移〔角位移〕和線速度〔角速度〕并形成反響控制。檢測系統的選擇：大型機床：速度響應要高；中小型和高精度機床：以滿足精度要求為主第三節數控機床的檢測裝置*進給伺服系統對位置測量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強；能滿足精度和速度的要求：位置檢測裝置分辨率應高于數控機床的分辨率〔一個數量級〕；位置檢測裝置最高允許的檢測速度應數控機床的最高運行速度。使用維護方便，適應機床工作環境；本錢低。第三節數控機床的檢測裝置*常用位置檢測裝置分類表第三節數控機床的檢測裝置*第三節數控機床的檢測裝置

常用位置檢測裝置分類:*

一、旋轉變壓器

旋轉變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，適用于所有使用旋轉編碼器的場合，特別是高溫、嚴寒、潮濕、高速、高震動等旋轉編碼器無法正常工作的場合。由于旋轉變壓器以上特點，可完全替代光電編碼器，被廣泛應用在伺服控制系統、機器人系統、機械工具、汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領域的角度、位置檢測系統中。也可用于坐標變換、三角運算和角度數據傳輸、作為兩相移相器用在角度--數字轉換裝置中。第三節數控機床的檢測裝置——旋轉變壓器*一、旋轉變壓器1.旋轉變壓器的結構和工作原理旋轉變壓器(又稱同步分解器)是利用電磁感應原理的一種模擬式測角器件,是一種旋轉式的小型交流電機.在結構上和二相繞線式異步電動機相似,由定子和轉子組成。分為有刷和無刷兩種。旋轉變壓器的特點是鞏固、耐熱、耐沖擊、抗干擾、本錢低，是數控系統較為常用的位置傳感器。在有刷結構中，定子和轉子上均為兩相交流分布繞組。二相繞組軸線相互垂直，轉子繞組的端點通過電刷和滑環引出。無刷旋轉變壓器沒有電刷和滑環，由分解器和變壓器兩局部組成。第三節數控機床的檢測裝置——旋轉變壓器*旋轉變壓器的結構和工作原理結構：由定子和轉子組成的旋轉式小型交流電機，如下圖。圖示的是一種無刷旋轉變壓器的結構，左邊為分解器，右邊為變壓器。分解器結構與有刷旋轉變壓器根本相同。*旋轉變壓器的結構和工作原理有刷旋轉變壓器：轉子繞組通過滑環和電刷直接引出，其特點是結構簡單，體積小，但因電刷與滑環是機械滑動接觸的，所以旋轉變壓器的可靠性差，壽命也較短。

有刷旋轉變壓器的結構*旋轉變壓器的結構和工作原理旋轉變壓器是根據互感原理工作的。它的結構設計與制造保證了定子與轉子之間的空氣間隙內的磁通分布呈正〔余〕弦規律。當定子繞組上加一定頻率的交變激磁電壓時，通過互感在轉子繞組中產生感應電動勢，其輸出電壓的大小取決于定子和轉子兩個繞組軸線在空間的相對位置θ角。兩者平行時感應電動勢最大；兩者垂直時感應電動勢為零。當兩者呈一定角度時，其互感產生的感應電動勢隨著轉子偏轉的角度呈正〔余〕弦規律變化。第三節數控機床的檢測裝置——旋轉變壓器*E2=KV1cosα=KVmsinωtcosαα=90°E2=0α=0°E2=KVmSinωt式中:E2—轉子繞組感應電勢；V1—定子繞組勵磁電壓V1=Vmsinωt；Vm—電壓信號幅值；α—定、轉子繞組軸線間夾角；K—變壓比〔即繞組匝數比〕1.旋轉變壓器的結構和工作原理V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmSINωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

工作原理：根據互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應電動勢最大；垂直時互感為零，副邊感應電動勢最小，如圖。*旋轉變壓器的工作方式鑒相方式鑒幅方式定子和轉子空間結構1〕鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：*2〕鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規律變化的交變電壓：Uc=Vmcosθsinωθ第三節數控機床的檢測裝置——旋轉變壓器*

旋轉變壓器的應用1.鑒相式2.鑒幅式

需要將被測角位移限制在±π以內，才能唯一確定θ的大小，屬于動態跟隨檢測和增量式檢測。第三節數控機床的檢測裝置——旋轉變壓器*.感應同步器感應同步器是一種電磁式位置檢測元件，按其結構特點一般分為直線式和旋轉式兩種。直線式感應同步器由定尺和滑尺組成；旋轉式感應同步器由轉子和定子組成。前者用于直線位移測量，后者用于角位移測量。它們的工作原理都與旋轉變壓器相似。感應同步器具有檢測精度比較高、抗干擾性強、壽命長、維護方便、本錢低、工藝性好等優點，廣泛應用于數控機床及各類機床數顯改造。

第三節數控機床的檢測裝置——感應同步器*.感應同步器1.感應同步器的結構及分類原理：利用兩個平面印刷電路繞組的互感隨兩者的位置變化而變化，類似于變壓器的原邊和副邊。

定尺sincos節距2τ（2mm）節距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺當在滑尺繞阻施加鼓勵交變電壓時，在定尺繞阻可感應出與兩尺位置有關系的交變電壓。根據鼓勵電壓的不同，可分為鑒相式和鑒幅式兩種。第三節數控機床的檢測裝置——感應同步器*感應同步器結構

相當于展開的多級旋轉變壓器。第三節數控機床的檢測裝置——感應同步器*2.感應同步器工作原理相當于旋轉變壓器的原理如圖1〕鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的交流電壓：分別在定尺繞組上產生感應電壓：*2〕鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規律變化的交變電壓：Uc=Vmcosθsinωt第三節數控機床的檢測裝置——感應同步器*感應同步器的特點安裝：定尺與滑尺之間的間隙應控制在0.25±0.05mm范圍內，間隙變化控制范圍0.01mm.特點：精度高：分辨率可達0.05um;測量范圍大，廣泛用于數控機床、雷達天線定位跟蹤等;環境適應性強;維護簡單、壽命長;應用時根據測量范圍不同，可以將多塊定尺拼接。第三節數控機床的檢測裝置——感應同步器*三、光柵尺光柵尺位移傳感器〔簡稱光柵尺〕，是利用光柵的光學原理工作的測量反響裝置。光柵尺位移傳感器經常應用于機床與現在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。例如，在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償刀具的運動誤差的作用。第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*三、光柵尺第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*三、光柵尺光柵尺外形圖第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*1、種類：

光柵的分類：物理光柵和計量光柵；光柵的運動方式：長光柵和圓光柵；光線的走向：透射光柵和反射光柵。第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺三、光柵尺*2、結構：光源、指示光柵、標尺光柵、光電元件。3、原理1〕指示光柵與標尺光柵刻度等寬；2〕平行裝配，且無摩擦；3〕兩尺條紋之間有一定夾角；4〕當指示光柵與標尺光柵相對運動時，會產生與光柵線垂直的橫向條紋，該條紋為莫爾條紋，當移動一個柵距時，莫爾條紋也移動一個紋距。動畫演示第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*光柵：刻有刻線的光學玻璃。柵距：光柵上相鄰兩刻線間的距離。工作原理：莫爾條紋的工作原理。嚴格來說：橫向莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。因θ很小W=d/θ*莫爾條紋性質：在平行光照射下,透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數；放大作用：W=d/sinθ，當θ很小時,W=d/θ例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100；平均效應：莫爾條紋是由假設干條線紋共同干預形成的，對個別光柵線紋之間的誤差具有平均效應，能消除柵距不均勻所造成的影響；移動規律：光柵相對移動一個d，莫爾條紋移動一個W，當光柵移動方向變化時，莫爾條紋的移動方向也變化。第三節數控機床的檢測裝置——光柵尺*四、脈沖編碼器脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉式數字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據內部結構和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數控機床上應用較多，而由霍爾效應構成的電磁碼盤那么可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。第三節數控機床的檢測裝置——脈沖編碼器*增量式編碼器組成：光源、光電盤、光電接收元件；工作原理：信號處理：信號接收、放大、整形及反響；方向區分：DA、DB空間相差90o；基準脈沖：由DC產生；缺點：停電或停機后，無法找到原始位置。*2.絕對式編碼器分類：機械式、光電式、磁電式。組成及原理：編碼盤、信號產生元件、信號接收元件。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010020212223*光電編碼器1〕構成：光源、指示光柵、圓光柵、光電元件。第三節數控機床的檢測裝置——脈沖編碼器*第四節閉環伺服系統*執行元件是伺服系統的重要組成局部，伺服系統對執行元件有如下要求：調速范圍寬、穩定，低速運行的穩定性和均勻性好；具有足夠的負載能力；可減少電動機的轉動慣量；可頻繁啟動、停止及換向。目前常用的有直流伺服電動機和交流伺服電動機。閉環伺服系統的執行元件第四節閉環伺服系統*其工作原理是建立在電磁力定律根底上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場。常用的直流電動機有：永磁式直流電機〔有槽、無槽、杯型、印刷繞組〕勵磁式直流電機混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機直流進給伺服系統：永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機〔普通型〕；直流主軸伺服系統：勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。20世紀80-90年代中期，永磁式直流伺服電機在NC機床中廣泛采用。一、直流伺服電機及其調速系統*1．直流伺服電機的結構極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉子）換向極主磁極定子轉子線圈圖7.5永磁直流伺服電機的結構

圖7.6直流主軸電機結構示意圖第四節閉環伺服系統——直流伺服電機*2.常用的直流伺服電機小慣量直流伺服電機結構特點：1〕轉子為光滑無槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結。2〕長徑比大、慣量小。性能特點：1〕轉動慣量小，約為普通直流電機的1/10，快速響應性好。2〕電樞反響小，換向性好，電機時間常數小〔只有幾毫秒〕。3〕由于轉子無槽，結構均衡性好，低速平穩性好。4〕最大扭矩為額定值的10倍，過載能力強。缺點：由于慣量小，必須配齒輪減速葙，才能拖動負載。第四節閉環伺服系統——直流伺服電機*2.常用的直流伺服電機寬調速〔大慣量〕直流伺服電機結構特點：轉子慣量大，響應特性由大功率驅動系統保證性能特點1〕輸出轉矩大：不需齒輪減速箱即可直接驅動負載。2〕過載能力強：轉子熱容量大，過載能力強〔過載轉矩可達5～10倍〕3〕動態響應好：電流過載能力強、瞬時加速轉矩大，動態響應好。4〕調速范圍寬且運轉平穩：