1、第六章第六章数控机床进给伺服系统数控机床进给伺服系统v第一节第一节概述概述v第二节第二节开环步进电机开环步进电机v第三节第三节数控机床数控机床检测装置检测装置v第四节第四节闭环伺服系统闭环伺服系统v第五节第五节闭环伺服系统分析闭环伺服系统分析数控机床的进给伺服系统概述第1页第一节第一节概述概述伺伺服服驱驱动动系系统统是是指指以以位位置置和和速速度度作作为为控控制制对对象象自自动动控制系统。控制系统。伺伺服服系系统统性性能能，在在很很大大程程度度上上决决定定了了当当代代数数控控机机床床性能。性能。如如：数数控控机机床床最最高高移移动动速速度度、跟跟踪踪精精度度、定定位位精精度度等主要指标均取决于
2、伺服系统动态与静态性能。等主要指标均取决于伺服系统动态与静态性能。数数控控进进给给伺伺服服系系统统是是一一个个位位置置控控制制系系统统，分分为为开开环环、半闭环和闭环三种。半闭环和闭环三种。数控机床的进给伺服系统概述第2页一、数控机床对伺服系统要求一、数控机床对伺服系统要求1、精度高、精度高脉冲当量越小，机床精度越高。脉冲当量越小，机床精度越高。0.01-0.001mm;2、快速响应特征好、快速响应特征好快速响应是伺服系统动态品质标志之一。到达最大快速响应是伺服系统动态品质标志之一。到达最大稳态速度时间要求在稳态速度时间要求在200ms以内。以内。3、调速范围大、调速范围大调速范围：电机最高转
3、速调速范围：电机最高转速Nmax和最低转速和最低转速Nmin之比。之比。要求应大于：要求应大于：1:10000 4、负载特征要硬、负载特征要硬当负载改变时，输出速度应基本不变。当负载改变时，输出速度应基本不变。5、系统可靠性要好、系统可靠性要好数控机床的进给伺服系统概述第3页二、数控机床伺服驱动系统基本组成二、数控机床伺服驱动系统基本组成数数控控机机床床进进给给伺伺服服系系统统是是由由：伺伺服服电电路路、伺伺服服驱驱动动装装置置、机机械械传传动动机机构构及及执执行行部部件组成。件组成。进给进给指令指令比较控制步骤比较控制步骤驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件机机床床反馈检测单元反馈检测单
4、元数控机床的进给伺服系统概述第4页三、数控机床伺服驱动系统分类三、数控机床伺服驱动系统分类按其用途和功效分为：按其用途和功效分为：进给驱动系统和主轴驱动系统进给驱动系统和主轴驱动系统按其控制原理和有没有反馈步骤分：按其控制原理和有没有反馈步骤分：开环系统、闭环系统和半闭环系统开环系统、闭环系统和半闭环系统按驱动执行元件动作原理分为：按驱动执行元件动作原理分为：电液伺服系统和电气伺服系统电液伺服系统和电气伺服系统。其中电气伺。其中电气伺服系统又可分为服系统又可分为直流伺服驱动系统和交流伺直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。服驱动系统。数控机床的进给伺服系统概述第5页1、开环控制和闭环控制进给系统
5、特点开环控制和闭环控制进给系统特点（1）开环控制系统）开环控制系统结构较简单，调试、维修、使用方便、成本低结构较简单，调试、维修、使用方便、成本低无位置反馈步骤，系统稳定；无位置反馈步骤，系统稳定；速度及精度较低。速度及精度较低。驱动器驱动器驱动器驱动器步进电机步进电机工作台工作台CNC指令脉冲指令脉冲开环控制系统结构图开环控制系统结构图数控机床的进给伺服系统概述第6页（2）半闭环与闭环进给系统）半闭环与闭环进给系统特点：特点：结构比较复杂，安装调试比较麻烦；结构比较复杂，安装调试比较麻烦；加工精度高，速度快。加工精度高，速度快。+指令指令位置位置检测检测测量与反馈-速度控制单元位置调整器伺服
6、电机工作台半闭环控制半闭环控制数控机床的进给伺服系统概述第7页（3）闭环进给系统）闭环进给系统数控机床的进给伺服系统概述第8页2、进给驱动与主轴驱动、进给驱动与主轴驱动进给驱动用于数控机床工作台或刀架坐标控进给驱动用于数控机床工作台或刀架坐标控制系统，控制机床各坐标轴切削进给运动，制系统，控制机床各坐标轴切削进给运动，并提供切削过程转矩。并提供切削过程转矩。主轴驱动控制机床主轴旋转运动，为机床主主轴驱动控制机床主轴旋转运动，为机床主轴提供驱动率和所需切削力。轴提供驱动率和所需切削力。数控机床的进给伺服系统概述第9页3、直流伺服驱动与交流伺服驱动、直流伺服驱动与交流伺服驱动直流大惯量伺服电机有良
7、好宽调速性能。直流大惯量伺服电机有良好宽调速性能。输输出转矩大，过载能力强，出转矩大，过载能力强，因为电机惯性与机床传动部件惯量相当，组因为电机惯性与机床传动部件惯量相当，组成闭环后易于调整。成闭环后易于调整。直流中小惯量伺服电机适于数控机床对于频直流中小惯量伺服电机适于数控机床对于频繁开启、制动，快速定位、切削要求。繁开启、制动，快速定位、切削要求。交流电机一个最大优点是交流轻易维修，制交流电机一个最大优点是交流轻易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展。造简单，易于向大容量、高速度方向发展。缺点缺点:电刷和换向电刷和换向数控机床的进给伺服系统概述第10页数控机床的进给伺服系统概述第1
8、1页数控机床的进给伺服系统概述第12页数控机床的进给伺服系统概述第13页数控机床的进给伺服系统概述第14页四、数控系统惯用伺服电机四、数控系统惯用伺服电机 1、步进电机、步进电机开环进给驱动装置，在经济型数控机床上用；开环进给驱动装置，在经济型数控机床上用；2、改进型直流电机、改进型直流电机在静态和动态特征较普通直流电机所改变，早期使在静态和动态特征较普通直流电机所改变，早期使用；用；3、小惯量直流电机、小惯量直流电机减小电枢转动惯量，取得好快速性，早期使用；减小电枢转动惯量，取得好快速性，早期使用；4、永磁直流伺服电机、永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长久工作；可在低速下能在较大过载转矩下
9、长久工作；可在低速下(1r/mm甚至甚至0.1r/mm)平稳运转。平稳运转。70年代年代80年代中期广年代中期广泛应用，当前还在使用；泛应用，当前还在使用；数控机床的进给伺服系统概述第15页5、无刷直流电机：、无刷直流电机：实质是交流调速电机一个。性能到达直流电机水平，实质是交流调速电机一个。性能到达直流电机水平，又取消换向器及电刷部件，电机寿命提升一个数量又取消换向器及电刷部件，电机寿命提升一个数量级；级；6、交流调速电机、交流调速电机：自自80年代中期开始，以异步电机和永磁同时电机为年代中期开始，以异步电机和永磁同时电机为基础交流进给驱动得到快速发展，是进给驱动一个基础交流进给驱动得到快速
10、发展，是进给驱动一个发展方向。发展方向。数控机床的进给伺服系统概述第16页第二节第二节开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 一、步进电机一、步进电机步进电机是将电脉冲信号转换成角位移；步进电机是将电脉冲信号转换成角位移；角位移量与电脉冲数成正比；角位移量与电脉冲数成正比；转速与电脉冲频率成正比。转速与电脉冲频率成正比。1、步进电机种类和结构、步进电机种类和结构（1）分类）分类数控机床的进给伺服系统概述第17页分类方式分类方式详细类型按力矩产生原理1）反应式：转子无绕组，由被激磁定子绕组产生反应力矩实现步进运行。2）激磁式：定、转子都有激磁绕组，由电磁力矩实现步进运行按输出力按输出力矩大小矩大小
11、1）伺服式：力矩小，只能驱动较小负载2）功率式：输出力矩大，可直接驱开工作态等较大负载。按定子数按定子数1）单定子式）单定子式2）双定子式）双定子式3）三定子式）三定子式4）多定子式）多定子式按各组绕按各组绕组分布组分布1）径向分相式：电机各相按圆周依次排列）径向分相式：电机各相按圆周依次排列2）轴向分向式：电机各相按轴向依次排列）轴向分向式：电机各相按轴向依次排列数控机床的进给伺服系统概述第18页数控机床的进给伺服系统概述第19页数控机床的进给伺服系统概述第20页数控机床的进给伺服系统概述第21页数控机床的进给伺服系统概述第22页数控机床的进给伺服系统概述第23页SB-58-1SB-58-1
12、型五定子轴向分相反应式步进电机。型五定子轴向分相反应式步进电机。型五定子轴向分相反应式步进电机。型五定子轴向分相反应式步进电机。数控机床的进给伺服系统概述第24页2、反应式步进电机工作原理、反应式步进电机工作原理1）电机电机转速转速取决于绕组与取决于绕组与电源接通或断开改变频率电源接通或断开改变频率；2）电机转动）电机转动方向方向取决于绕组取决于绕组通电次序通电次序；3）电机转过）电机转过角度角度取决于取决于通电次数通电次数。数控机床的进给伺服系统概述第25页4）电动机定子绕组每改变一次通电方式）电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍称为一拍5）每输入一个脉冲信号，转子转过角度）每输入一个脉
13、冲信号，转子转过角度步距角步距角上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍）上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍）单单每次通电时，只有一相绕组通电；每次通电时，只有一相绕组通电；双双每次通电时，有两相绕组通电；每次通电时，有两相绕组通电；三拍三拍经过三次切换绕组通电状态为一个循环；经过三次切换绕组通电状态为一个循环；除此之外通电方式还有：除此之外通电方式还有：三相双三拍：三相双三拍：ABBCCAAB三相单双六拍：三相单双六拍：AABBBCCCAA数控机床的进给伺服系统概述第26页数控机床的进给伺服系统概述第27页设步进电机定子绕组有设步进电机定子绕组有m相；转子齿数为相；转子齿数为Z齿；通电
14、齿；通电方式系数为方式系数为k则每输入一个脉冲电信号，转子步距角则每输入一个脉冲电信号，转子步距角有：有：通电拍数相同时通电拍数相同时k=1；不一样时不一样时k=2。步进电机步距角越小，位置精度越高步进电机步距角越小，位置精度越高。由上式知道：磁极数越多，转子齿数越多，步距角就由上式知道：磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。越小。m:相数相数,z:齿数齿数;k:m相相m拍时拍时k取取1,m相相2m拍时拍时k取取2;数控机床的进给伺服系统概述第28页 最常见一个小步距角三相反应式步进电机如图所表示。最常见一个小步距角三相反应式步进电机如图所表示。数控机床的进给伺服系统概述第29页设定子有设定
15、子有A、B、C三相绕组，转子上均匀分布三相绕组，转子上均匀分布40个齿，个齿，定子上每个极有定子上每个极有5个齿，与转子上齿宽和齿距相同个齿，与转子上齿宽和齿距相同采取单三拍运行方式：采取单三拍运行方式：三相六拍运行方式：三相六拍运行方式：若输入一个脉冲，转子转过若输入一个脉冲，转子转过转转，故电动机转速故电动机转速n为：为：假如每秒输入假如每秒输入f个脉冲，电动机转子个脉冲，电动机转子每秒每秒钟转钟转f 控制脉冲频率控制脉冲频率控制脉冲频率控制脉冲频率数控机床的进给伺服系统概述第30页定子和转子都分为定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有段，呈轴向分布；有16个个齿均匀分布在圆周上，齿均匀分布
16、在圆周上，齿距齿距=360/16=22.5；各相定子彼此径向错开；各相定子彼此径向错开1/5个齿齿距；个齿齿距；SB-58-1SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。型五定子轴向分相反应式步进电机。型五定子轴向分相反应式步进电机。型五定子轴向分相反应式步进电机。数控机床的进给伺服系统概述第31页如按如按5相相5拍通电，则步距角为：拍通电，则步距角为：如如 按按 5相相 10拍拍 通通 电电，即即 ABABCBCBCDCDCDE.，步距角为：步距角为：数控机床的进给伺服系统概述第32页比比如如：110BF003代代表表该该步步进进电电机机为为反反应应式式，外外径径110mm，三相控制绕组三
17、相控制绕组反应式步进电机型号表示：反应式步进电机型号表示：定子绕组相数定子绕组相数BF：反应式反应式BGY：混合式混合式电动机外径（单位：电动机外径（单位：mm）数控机床的进给伺服系统概述第33页3、步进电机工作特点：、步进电机工作特点：1）步步进进电电机机受受脉脉冲冲电电流流控控制制，转转子子角角位位移移和和角角速速度度与与输输入入脉脉冲冲数数量量和和脉脉冲冲频频率率成成正正比比，改改变变相相通通电电次序能够改变步进电机旋转方向；次序能够改变步进电机旋转方向；2）步进电机有自整角能力，不需机械制动；）步进电机有自整角能力，不需机械制动；3）步距无累积误差；）步距无累积误差；4）步步进进电电机
18、机效效率率低低，脉脉冲冲当当量量不不能能太太小小，调调速速范范围围不大。不大。数控机床的进给伺服系统概述第34页四、步进电机主要特征四、步进电机主要特征1、步距误差、步距误差步距误差直接影响执行部件定位精度。步距误差直接影响执行部件定位精度。单单相相通通电电时时，步步距距误误差差由由定定子子和和转转子子分分齿齿精精度和各相定子错位角度精度确定；度和各相定子错位角度精度确定；多多相相通通电电时时，步步距距误误差差还还和和各各相相电电流流大大小小、磁路性能等原因相关。磁路性能等原因相关。数控机床的进给伺服系统概述第35页2、单相通电矩角特征、单相通电矩角特征单相通电时电磁转矩与失调角之间关系称为单
19、相通电单相通电时电磁转矩与失调角之间关系称为单相通电时矩角特征。其大至上是一条正弦曲线。时矩角特征。其大至上是一条正弦曲线。Mjmax-最大静态转矩最大静态转矩,表明了电机能承受最大静态负表明了电机能承受最大静态负载转矩。载转矩。各相绕组单相通电矩角特征不能相差太大。各相绕组单相通电矩角特征不能相差太大。失调角失调角 eM eMjmax数控机床的进给伺服系统概述第36页多相通电时矩角特征，可依据单相通电矩角特征以向量多相通电时矩角特征，可依据单相通电矩角特征以向量和方式算出。和方式算出。当步进电机励磁绕组相数大于当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数时，多相通电多数能提升输出转矩。能提升
20、输出转矩。所以功率较大步进电机多数采取多于三相励磁绕组，所以功率较大步进电机多数采取多于三相励磁绕组，且多相通电。且多相通电。步进电机多相通电时转矩步进电机多相通电时转矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543电机相数电机相数54321432132121同时通电同时通电相数相数数控机床的进给伺服系统概述第37页3、开启转矩、开启转矩Mq当电机所带负载当电机所带负载MLMq时，电机可不失步开启。时，电机可不失步开启。ABCMq e数控机床的进给伺服系统概述第38页2、最高开启频率和最高工作频率、最高开启频率和最高工作频率最高开启频率最高开启频率fg：步步进进电
21、电机机由由静静止止突突然然开开启启，并并不不失失步步地地进进入入稳稳速速运运行行，所所允允许许开开启启频频率率最最高高值值。最最高开启频率高开启频率fg与步进电机惯性负载与步进电机惯性负载J相关。相关。最高工作频率：最高工作频率：步进电机连续运行时所能接收最高频率。步进电机连续运行时所能接收最高频率。数控机床的进给伺服系统概述第39页3、输出转矩、输出转矩频率特征频率特征Md(N.m)f(Hz)在步进电机正常运转时，若输入脉冲频率逐步增加，在步进电机正常运转时，若输入脉冲频率逐步增加，则电机所能带动负载转矩将逐步下降。则电机所能带动负载转矩将逐步下降。数控机床的进给伺服系统概述第40页五、步进
22、电机开环进给伺服系统五、步进电机开环进给伺服系统1、传动计算目标：、传动计算目标：计算齿轮传动比计算齿轮传动比i，确定齿数确定齿数(Z1、Z2)，以以满足脉冲当量满足脉冲当量要求。要求。提升步进电机负载能力。提升步进电机负载能力。数控机床的进给伺服系统概述第41页（1）直线进给系统直线进给系统已已知知：进进给给系系统统脉脉冲冲当当量量mm；步步进进电电机机步步距距角角；滚珠丝杠导程滚珠丝杠导程t mm；求：求：齿轮传动比齿轮传动比i。数控机床的进给伺服系统概述第42页1）为了求得所需脉冲当量；）为了求得所需脉冲当量；2）满足结构要求和增大转矩作用。）满足结构要求和增大转矩作用。步进电机进给系统
23、使用齿轮传动作用：步进电机进给系统使用齿轮传动作用：数控机床的进给伺服系统概述第43页（2）圆周进给系统圆周进给系统已知：脉冲当量为已知：脉冲当量为，蜗杆为蜗杆为Zk头，蜗轮为头，蜗轮为ZW点，点，则：则：数控机床的进给伺服系统概述第44页2、步进电机驱动电路、步进电机驱动电路3、步进电机驱动控制线路步进电机驱动控制线路功效：功效：将含有一定频率、一定数量和方向进给脉冲将含有一定频率、一定数量和方向进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电电平信号。转换成控制步进电机各相定子绕组通断电电平信号。一个较完善步进电机驱动控制线路包含脉冲混合电一个较完善步进电机驱动控制线路包含脉冲混合电路、加减速
24、电路、环形分配器和功率放大器路、加减速电路、环形分配器和功率放大器数控机床的进给伺服系统概述第45页（1）脉冲混合电路）脉冲混合电路功功效效：将将一一些些信信号号混混合合为为使使工工作作台台正正向向进进给给“正正向向进进给给”信号或使工作台负向进给信号或使工作台负向进给“负向进给负向进给”信号。信号。（2）加减脉冲分配电路）加减脉冲分配电路功功效效：从从正正向向进进给给方方向向进进给给脉脉冲冲指指令令中中抵抵消消相相同同数数量量反方向赔偿脉冲。反方向赔偿脉冲。数控机床的进给伺服系统概述第46页（3）加减速电路）加减速电路由同时器、可逆计数器、数模转换电路由同时器、可逆计数器、数模转换电路和和R
25、C变频振荡器组成。变频振荡器组成。数控机床的进给伺服系统概述第47页包含三部分：包含三部分：1）升速过程（）升速过程（fa=fb)2）均匀过程（均匀过程（fa=fb后）后）3）降速过程）降速过程在在整整个个过过程程中中，进进给给脉脉冲冲Pa时时可可逆逆计计数数器器作作加加法法计计数数，RC变变频频振振荡荡器器输输出出脉脉冲冲Pb,使使其其作作减减法法计计数数。因因为为RC变变频频振振荡荡器器输输出出脉脉冲冲Pb是是进进入入步步进进电电机机工工作作脉脉冲冲，所所以以，经经过过加加法法减减速速电电路路确确保保不不会会产产生生丢步。丢步。数控机床的进给伺服系统概述第48页（4）环形分配器）环形分配器
26、设计环形分配器时，先确定步进电机工作状态。设计环形分配器时，先确定步进电机工作状态。惯用步进电机工作方式：惯用步进电机工作方式：运转方式运转方式三相三拍三相三拍三相六拍三相六拍四相四拍四相四拍四相八拍四相八拍五相五拍五相五拍五相十拍五相十拍拍号拍号ABCABCABCDABCDABCDEABCDE11001001100110011000110002010110011011100110011100300101000110110001100110041000111001011110001011105001110000111100000110610110110011171001001000118110
27、110011911001000110110011111000数控机床的进给伺服系统概述第49页数控机床的进给伺服系统概述第50页（5）功率放大器）功率放大器由环形分配器输出脉冲功率很小由环形分配器输出脉冲功率很小(只有几十毫只有几十毫安安)，不能直接驱动步进电机绕组，需进行功，不能直接驱动步进电机绕组，需进行功率放大，使脉冲电流达率放大，使脉冲电流达110A才行。才行。数控机床的进给伺服系统概述第51页1）单电压供电功放器）单电压供电功放器缺点：缺点：因因为为R0存存在在，无无功功功功率率耗耗增增大大。适适合合用用于于小功率步进电机。小功率步进电机。数控机床的进给伺服系统概述第52页3、提升步
28、进伺服系统精度办法、提升步进伺服系统精度办法（1）传动间隙赔偿）传动间隙赔偿当收到反向位移指令后，由间隙赔偿软件或赔偿电路当收到反向位移指令后，由间隙赔偿软件或赔偿电路产生一定数量赔偿脉冲，使步进电机转动越过传动间产生一定数量赔偿脉冲，使步进电机转动越过传动间隙，然后再按指令脉冲使执行部件作准确位移。隙，然后再按指令脉冲使执行部件作准确位移。（2）螺距误差赔偿）螺距误差赔偿详细做法：详细做法：1）安置两个赔偿杆分别负责正误差和负误差赔偿。）安置两个赔偿杆分别负责正误差和负误差赔偿。2）在两个赔偿杆上，依据丝杠全程误差分析及上述误差）在两个赔偿杆上，依据丝杠全程误差分析及上述误差赔偿原理，设置赔
29、偿开关或挡块；赔偿原理，设置赔偿开关或挡块；3）当机床工作台移动时，安装在机床上微动开关每于挡）当机床工作台移动时，安装在机床上微动开关每于挡块接触一次，就发出一个误差赔偿信号，对螺距误差块接触一次，就发出一个误差赔偿信号，对螺距误差进行赔偿，以消除螺距累计误差。进行赔偿，以消除螺距累计误差。数控机床的进给伺服系统概述第53页数控机床的进给伺服系统概述第54页（3）细分线路）细分线路n把把步步进进电电机机一一步步再再分分得得细细一一些些。换换句句话话说说，采采取取十十细细分分线线路路后后，在在进进给给速速度度不不变变情情况况下下，可可使脉冲当量缩小到原来使脉冲当量缩小到原来1/10.数控机床的
30、进给伺服系统概述第55页第三节第三节数控机床检测装置数控机床检测装置1、检测装置作用、检测装置作用检测装置是数控机床闭环伺服系统主要组成部分检测装置是数控机床闭环伺服系统主要组成部分其作用是：其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，组成检测位移和速度，发送反馈信号，组成闭环控制。闭环控制。闭环控制数控机床加工精度主要取决于闭环控制数控机床加工精度主要取决于检测系统精检测系统精度。度。数控机床的进给伺服系统概述第56页2、数控机床对位置检测装置要求、数控机床对位置检测装置要求1)、高可靠性和高抗干扰性；、高可靠性和高抗干扰性；2)、使用维护方便，适合机床运行环境；、使用维护方便，适合机床运行环境
31、；3)、满足精度与速度要求和机床工作行程要求；、满足精度与速度要求和机床工作行程要求；4)、成本低；、成本低；5)、便于与数控系统相联。、便于与数控系统相联。不一样类型数控机床对检测装置精度和适应速度要不一样类型数控机床对检测装置精度和适应速度要求是不一样：求是不一样：对于大型机床以满足速度要求为主；对于大型机床以满足速度要求为主；对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。数控机床的进给伺服系统概述第57页3、检测装置分类、检测装置分类（1）按检测信号类型分）按检测信号类型分（2）按测量方式分类）按测量方式分类（3）按测量取得值来分类）按测量取
32、得值来分类绝对式测量和绝对式测量和增量式测量：增量式测量：数控机床的进给伺服系统概述第58页绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对值式磁尺绝对值式磁尺直线感应同时器直线感应同时器磁尺磁尺容栅容栅编码尺编码尺长光栅长光栅直线干直线干涉仪涉仪直直线线型型多极旋转变压器多极旋转变压器旋转变压器旋转变压器圆感应同时器圆感应同时器圆磁栅圆磁栅编码盘编码盘圆光栅圆光栅回回转转型型模拟式模拟式数字式数字式惯用位置检测元件惯用位置检测元件数控机床的进给伺服系统概述第59页一、旋转变压器一、旋转变压器1、旋转变压器结构、旋转变压器结构分为定子和转子分为定子和转子依据转子绕组两种不一样引出方式分为有
33、刷式和无依据转子绕组两种不一样引出方式分为有刷式和无刷式两种结构。刷式两种结构。2、旋转变压器工作原理、旋转变压器工作原理设加在定子绕组设加在定子绕组S1S2激磁电压为激磁电压为Vs=Vmsint转子绕组感应电动势为转子绕组感应电动势为VB=KVssin=KVmsinsintK：电磁耦合系数电磁耦合系数Vm：Vs幅值幅值：转子转角转子转角数控机床的进给伺服系统概述第60页二、感应同时器二、感应同时器n感感应应同同时时器器是是一一个个电电磁磁式式位位置置检检测测元元件件，按按其其结结构构分为直线式和旋转式。分为直线式和旋转式。n直直线线式式感感应应同同时时器器由由定定尺尺和和滑滑尺尺组组成成（直
34、直线线位位移移测测量量）旋旋转转式式感感应应同同时时器器由由定定子子和和转转子子组组成成。（角角位位移测量）移测量）1、结构特点结构特点定尺定尺滑尺滑尺：连续绕组：连续绕组正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组定尺和滑尺节距相同，定尺和滑尺节距相同，标准型感应同时器节距为：标准型感应同时器节距为：2=2mm两相绕组在空间相差两相绕组在空间相差1/2个节距个节距数控机床的进给伺服系统概述第61页2、工作原理、工作原理nA点点表表示示滑滑尺尺绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组重重合合，定定尺尺绕绕组组中中感应电势最大。感应电势最大。nB点点表表示示两两绕绕组组错错开开1/4节节距，感应电势减为零。距，感应电势
35、减为零。nC点点表表示示两两绕绕组组错错开开1/2节距，感应电势负最大。节距，感应电势负最大。nD点点表表示示两两绕绕组组错错开开3/4节节距距，感感应应电电势势再再次次变变为零。为零。数控机床的进给伺服系统概述第62页滑尺在移动一个节距过程中，感应同时器滑尺在移动一个节距过程中，感应同时器定尺绕组感应电势近似于余弦函数改变了定尺绕组感应电势近似于余弦函数改变了一个周期。一个周期。设设VS是加在滑尺任一绕组上激磁交变电压是加在滑尺任一绕组上激磁交变电压：VS=Vmsin t定尺绕组上感应电势为：定尺绕组上感应电势为：VB=KVScos=KVmcos sin t式中：式中：K-电磁耦合系数电磁耦
36、合系数Vm-V幅值幅值-反应定尺和滑尺相对移动距离反应定尺和滑尺相对移动距离x数控机床的进给伺服系统概述第63页三、光栅三、光栅1、光栅种类及结构、光栅种类及结构（1）光栅种类）光栅种类按反射原理分：按反射原理分：1）透视光栅）透视光栅在玻璃表面制成透明与不透明间隔相等线纹。在玻璃表面制成透明与不透明间隔相等线纹。其特点为：其特点为：光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构较简较简单；单；每毫米上线纹数多。每毫米上线纹数多。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。数控机床的进给伺服系统概述第64页2）反射光栅）反射光栅在金属镜
37、面上制成全反射与漫反射间隔相等线纹。在金属镜面上制成全反射与漫反射间隔相等线纹。其特点为：其特点为：长光栅热胀系数轻易做成与机休材料一致；长光栅热胀系数轻易做成与机休材料一致；长光栅安装和调整比较方便；长光栅安装和调整比较方便；安装面积较小；安装面积较小；易于接长；易于接长；不易碰碎；不易碰碎；形成莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。形成莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。数控机床的进给伺服系统概述第65页按形状分：按形状分：（2）光栅位置检测装置结构）光栅位置检测装置结构光栅系统精度主要取决于光栅制造精度，即光栅任光栅系统精度主要取决于光栅制造精度，即光栅任光栅系统精度主要取决于光栅
38、制造精度，即光栅任光栅系统精度主要取决于光栅制造精度，即光栅任意两点间误差意两点间误差意两点间误差意两点间误差累积误差。累积误差。累积误差。累积误差。数控机床的进给伺服系统概述第66页2、光栅工作原理、光栅工作原理（1）摩尔条纹）摩尔条纹白色代表不透光，黑色代表透光白色代表不透光，黑色代表透光两条刻线之间间隔称为栅距。两条刻线之间间隔称为栅距。若若1毫米内刻毫米内刻100条线纹，则栅距为条线纹，则栅距为0.01mmWW为摩尔条纹宽度。为摩尔条纹宽度。可见：摩尔条纹可将原来很小栅距放大。可见：摩尔条纹可将原来很小栅距放大。数控机床的进给伺服系统概述第67页莫尔条纹特点莫尔条纹特点（1）放大作用）
39、放大作用Wc莫尔条纹宽度；莫尔条纹宽度；栅距；栅距；光栅线纹间交角。光栅线纹间交角。因为因为很小，很小，Wc能够比能够比大很多倍。大很多倍。比如：比如：=0.01mm，=0.001rad时，时，莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度Wc=10mm，其放大倍数相当于其放大倍数相当于1000倍，从而减化了放大电路。倍，从而减化了放大电路。数控机床的进给伺服系统概述第68页（2）平均效应）平均效应起平均误差作用起平均误差作用莫尔条纹是由许多根线纹组成。如：光栅莫尔条纹是由许多根线纹组成。如：光栅为为100线线/mm一条一条10mm长莫尔条纹由：长莫尔条纹由：100线线/mm10mm=1000条光栅线纹组成，光栅条
40、光栅线纹组成，光栅上线纹间距误差就平均化。上线纹间距误差就平均化。数控机床的进给伺服系统概述第69页（3）莫尔条纹移动规律与栅距之间移动成）莫尔条纹移动规律与栅距之间移动成百分比百分比当光栅向左、右移动一个栅距当光栅向左、右移动一个栅距，莫尔条莫尔条纹也对应地向上、下移动一个纹也对应地向上、下移动一个WC。莫尔条纹移动有以下规律：莫尔条纹移动有以下规律：若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转一个小角度（一个小角度（+），），然后向左移动，则然后向左移动，则莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅向右移动，条纹向下移动。假如将指示向右移动
41、，条纹向下移动。假如将指示光栅按顺时针方向转过一个小角度光栅按顺时针方向转过一个小角度(-)，则情况与上述相反则情况与上述相反。数控机床的进给伺服系统概述第70页当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹亮度也当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹亮度也改变了一个周期。改变了一个周期。E光强度光强度x位移位移光电接收元件光电接收元件数控机床的进给伺服系统概述第71页（）光栅辨向（）光栅辨向采取一个光电元件所得到光栅信号只能计数，但采取一个光电元件所得到光栅信号只能计数，但不能辨识运动方向，为了确定运动方向，最少要不能辨识运动方向，为了确定运动方向，最少要有两个光电元件。如图所表示。有两个光电元件。如图所表示。光电
42、元件光电元件S1光电元件光电元件S2两个光电元件位置间隔两个光电元件位置间隔1/4个摩尔条纹间距。个摩尔条纹间距。产生光电强度相差产生光电强度相差900ExS1S2S2经过判断经过判断S1和和S2超前或滞以超前或滞以后确定移动后确定移动方向。方向。数控机床的进给伺服系统概述第72页（3）光栅位移）光栅位移数字变换电路数字变换电路n为为了了提提升升光光栅栅检检测测装装置置精精度度，能能够够提提升升刻刻线线精精度度和和增增加加刻刻线线密密度度。但但刻刻线线密密度度达达200线线/mm以以上上细细光光栅栅刻刻线线制制造造较较困困难难，成成本本也也高高。所所以以，通通常常采采取取倍倍频频方方法法来来提
43、提升升光光栅栅分分辨辨精精度度，见见图图6-26采采取取四四倍倍频频方方案案。光光电电元元件件由由四四块块光光电电池池组组成成，产产生生信信号号，相相位位相差相差90度。该电路还将模拟位移转化为数字量。度。该电路还将模拟位移转化为数字量。设光栅刻线密度为：设光栅刻线密度为：50线线/mm，采取采取4个光电元件和个光电元件和4个隙缝，每隔个隙缝，每隔1/4光栅节距产生一个脉冲。即使光光栅节距产生一个脉冲。即使光栅栅距为栅栅距为0.02mm，但但4倍频后，每一脉冲都相当于倍频后，每一脉冲都相当于5m，即分辨精度提升即分辨精度提升4倍。另外，还采取倍。另外，还采取8、10、20倍频及其它倍频线路。倍
44、频及其它倍频线路。数控机床的进给伺服系统概述第73页xE数控机床的进给伺服系统概述第74页四、脉冲编码器四、脉冲编码器脉冲编码器是一个旋转式脉冲发生器。它将脉冲编码器是一个旋转式脉冲发生器。它将转角电脉冲，是一个惯用角位移传感器。转角电脉冲，是一个惯用角位移传感器。1、增量式编码器、增量式编码器增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在圆增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在圆盘周围上分成等距透光和不透光部分相间辐盘周围上分成等距透光和不透光部分相间辐射状线纹，该圆盘与工作轴一起旋转。射状线纹，该圆盘与工作轴一起旋转。数控机床的进给伺服系统概述第75页辨向指示光栅上有两段线纹组辨向指示光栅上有两段线纹
45、组A和和B，每一组线纹间每一组线纹间节距与圆光栅相同，而节距与圆光栅相同，而A组和组和B组线纹彼此错开组线纹彼此错开1/4节节距。指示光栅固定在底座上，与圆光栅线纹平行放置，距。指示光栅固定在底座上，与圆光栅线纹平行放置，二者保持一定距离。二者保持一定距离。光线透过圆光栅光线透过圆光栅和指示光栅线纹，和指示光栅线纹，在光电元件上形在光电元件上形成明暗交替改变成明暗交替改变条纹，产生近似条纹，产生近似于正弦波电流信于正弦波电流信号号A和和B，二者相二者相位相差位相差90度。度。数控机床的进给伺服系统概述第76页若若A相超前于相超前于B相相电机作电机作正向旋转；正向旋转；若若B相超前于相超前于A相
46、相电机作电机作反向旋转反向旋转；C相是一转脉冲，产生机床相是一转脉冲，产生机床基准点，又称零点脉冲。基准点，又称零点脉冲。在应用时，从脉冲编码器输出在应用时，从脉冲编码器输出A和，和，B和四个方波引入位和四个方波引入位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移量测置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移量测量脉冲；经频率一电压变换变成正比于频率电压，作为量脉冲；经频率一电压变换变成正比于频率电压，作为速度反馈信号，速度控制单元进行速度调整。速度反馈信号，速度控制单元进行速度调整。数控机床的进给伺服系统概述第77页2、绝对值式编码器、绝对值式编码器n增增量量式式脉脉冲冲编编码码有有个个缺缺
47、点点：在在加加工工过过程程中中，若若遇遇因因故故障障而而停停顿顿加加工工时时，一一旦旦故故障障排排除除后后，就就不不能能找找到到事事故故前前执执行行部部件件正正确确位位置置。采采取取绝绝对对值值编编码码器器就就能能够够处处理这个问题。理这个问题。n绝绝对对式式编编码码器器能能够够直直接接把把被被测测转转角角过过位位移移转转换换成成对对应应代代码码，指指示示是是绝绝对对位位置置而而无绝对误差。无绝对误差。注：白色部分透光注：白色部分透光表示表示0；黑色部分透光黑色部分透光表示表示1；圆盘内端圆盘内端(靠轴端靠轴端)是二进制高位，外端是二进是二进制高位，外端是二进制低位。制低位。数控机床的进给伺服
48、系统概述第78页（1）分类）分类接触式、光电式和电磁式等接触式、光电式和电磁式等（2）工作原理）工作原理经过读取编码盘上图案来表示轴位置。经过读取编码盘上图案来表示轴位置。采取编码有：二进制编码、二进制循环码、二采取编码有：二进制编码、二进制循环码、二十十进制码等；进制码等；（3）二进制与二进制循环码比较）二进制与二进制循环码比较二二进进制制编编码码方方式式缺缺点点：图图案案转转移移点点不不明明确确，轻轻易易产产生读数错误。生读数错误。二二进进制制循循环环编编码码：图图案案切切换换每每次次只只有有一一位位数数，能能把把误读控制在一个数单位内，提升可靠性。误读控制在一个数单位内，提升可靠性。数控
49、机床的进给伺服系统概述第79页4、绝对值式编码特点、绝对值式编码特点1）能够直接读出角度坐标绝对值；）能够直接读出角度坐标绝对值；2）没有累积误差；）没有累积误差；3）电源切除后，位置信息不会丢失；）电源切除后，位置信息不会丢失；4）允许最高转速比增量式编码器高。）允许最高转速比增量式编码器高。数控机床的进给伺服系统概述第80页第四节第四节闭环伺服系统闭环伺服系统优点：优点：工作可靠、抗干扰性强，伺服精度高。工作可靠、抗干扰性强，伺服精度高。缺点：缺点：结构复杂，调试、使用与维护也相对更困难。结构复杂，调试、使用与维护也相对更困难。一、闭环伺服系统执行元件一、闭环伺服系统执行元件执行元件是它主
50、要组成部分，它作用是把驱动线路电执行元件是它主要组成部分，它作用是把驱动线路电信号转化为机械运动，整个伺服系统调速性能、动态信号转化为机械运动，整个伺服系统调速性能、动态特征，运行精度均与执行元件相关。特征，运行精度均与执行元件相关。数控机床的进给伺服系统概述第81页伺服系统对执行元件有以下要求：伺服系统对执行元件有以下要求：调速范围宽且含有良好稳定性，尤其是调速范围宽且含有良好稳定性，尤其是低速运行稳定性和均匀性。低速运行稳定性和均匀性。负载特征硬，即使在低速时也有足够负负载特征硬，即使在低速时也有足够负载能力。载能力。尽可能降低电机转动惯量，以提升系统尽可能降低电机转动惯量，以提升系统快速
