數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

1、數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)2目 錄3第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述v一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的概念及組成一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的概念及組成v數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機床移動部件的位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，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。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)、伺服機構(gòu)或伺服單元。v該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復雜，綜合性強。4v伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)與機床主體之間，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。 伺服系統(tǒng)的作用示意圖見下圖。伺服系統(tǒng)機床CNC系統(tǒng)指令動作脈

2、沖頻率脈沖數(shù)量速度位置伺服系統(tǒng)的作用示意圖5 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6v伺服系統(tǒng)的主要功能功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號（5V左右，mA級），放大成強電的驅(qū)動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅(qū)動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電動機，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）運動，實現(xiàn)對機床主體運動的速度控制和位置控制，達到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標。7v伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成v組成：組成：伺服電機伺服電機v 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路v 電子電力驅(qū)動放大模塊電子電力驅(qū)動放大模塊v 位置調(diào)節(jié)單

3、元位置調(diào)節(jié)單元v 速度調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元v 電流調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元v 檢測裝置檢測裝置v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)、位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。電流環(huán)。8 位置調(diào)解位置調(diào)解速度調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺工作臺電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋MGw 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)動裝置部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由由驅(qū)動信號產(chǎn)驅(qū)動信號產(chǎn)生電路生電路和和功率放大器功率放大器組成。組成。w嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；嚴格來說：位置

4、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。v 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成9v 精度高v 穩(wěn)定性好 v 快速響應好 v調(diào)速范圍寬 v低速大轉(zhuǎn)矩 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。024m / min。為適應不同的加工條件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等不同，數(shù)控機床的進給速度需要在很寬的范圍內(nèi)無級變化。這就要求伺服電機要有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。一般數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在030m/min，高的可達240 m/min。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和

5、輪廓加工精度。為了保證數(shù)控機床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機床機械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統(tǒng)定位精度和進給跟蹤精度，并且還起著主要作用。一般要求定位精度為0.010.001mm；而高檔設備的定位精度還應在0.1m以內(nèi)。 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)除了要有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應特性，也就是要求伺服電動機起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。電動機轉(zhuǎn)速從0升至1500r/min的時間控制在0.2s以內(nèi)。 v由于機床在低速切削時，切深和進給都比較大，也就是說吃刀抗力較

6、大，這就要求主軸電動機輸出的轉(zhuǎn)矩也應該較大?，F(xiàn)代數(shù)控機床的伺服電動機通常都是與絲杠直接相連，中間沒有減速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。進給坐標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，具有足夠大的輸出功率。v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，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。要求伺服系統(tǒng)有較高的可靠性、穩(wěn)定性，并且受電源、環(huán)境、負載等的影響要小。還要具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性。也就是說伺服系統(tǒng)在負載或切削條件發(fā)生變化時，

7、應使進給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，負載力矩的變化對進給速度的影響很小。 v二、伺服系統(tǒng)應具有的基本性能二、伺服系統(tǒng)應具有的基本性能10v對伺服電機的要求：對伺服電機的要求：v（1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象。v（2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。v（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上)。v（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。v三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標術(shù)指標v位置控制系統(tǒng)是保證位置精度的重要環(huán)

8、節(jié)。v速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電動機、速度檢測裝置等構(gòu)成。速度控制系統(tǒng)的核心是速度控制單元，用來控制電動機轉(zhuǎn)速。v一般的位置控制包括位置環(huán)和速度環(huán)，具有位置控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)才是真正的伺服系統(tǒng)。v兩者的共同之處是通過系統(tǒng)的執(zhí)行元件直接或通過機械傳動裝置間接帶動被控制對象，完成給定控制規(guī)律要求的動作。不同之處可以用位移與速度之間的關(guān)系來理解。11（一）位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標（一）位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標1.系統(tǒng)靜態(tài)誤差。2.速度誤差和正弦跟蹤誤差。3.速度品質(zhì)因數(shù)和加速度品質(zhì)因數(shù)。4.最大跟蹤角速度、最低平滑角速度、最大角加速度。5.振幅指標和頻帶寬度。6.系統(tǒng)對階躍信號輸入的響應特性

9、。7.等速跟蹤狀態(tài)下，負載擾動所造成的瞬時誤差和過渡過程時間。8.對系統(tǒng)工作制、平均無故障時間（MTBF）、可靠性、使用壽命的要求。12（二）速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求（二）速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1.被控對象的最高運行速度2.最低平滑速度。3.速度調(diào)節(jié)的連續(xù)性和平滑性要求。4.靜差率或轉(zhuǎn)速降。5.對階躍信號輸入下系統(tǒng)的響應特性。6.負載擾動下的系統(tǒng)響應特性。7.對系統(tǒng)工作制、平均無故障工作時間、可靠性以及使用壽命等要求。1314v四、伺服系統(tǒng)的分類四、伺服系統(tǒng)的分類v1按調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 驅(qū)動電路驅(qū)動電路步進電機步進電機工作臺工作臺脈

10、沖脈沖指令指令伺服電機伺服電機速度檢測速度檢測速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測位置檢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15開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)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、nCNC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換算換算脈沖脈沖環(huán)形環(huán)形分配分配變換變換功功率率放放大大無位置反饋（測量），信號流是單向的（數(shù)控裝置進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。開環(huán)系統(tǒng)通常使用步進電動機。在開環(huán)系統(tǒng)中，插補脈沖經(jīng)功率

11、放大后直接控制步進電動機，由輸出脈沖的頻率來控制步進電動機的速度，由輸出脈沖的數(shù)量來控制工作臺的位置。其定位精度一般為0.010.005mm。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(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用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。16 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制位置控制調(diào)節(jié)器調(diào)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)動檢測與反檢測與反饋單元饋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v半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從

12、驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置， 而是由位置檢測元件間接測量工作臺的位置。由位置反饋信號來調(diào)節(jié)伺服電動機的速度。v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)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。v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。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。v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CNC機床中得到了廣泛應用。白城師范學院機電系機自教研室17 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制位置控制調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器速度

13、控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與檢測與反饋單元反饋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v閉環(huán)系統(tǒng)通常使用直流伺服電動機或交流伺服電動機。v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行檢測。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由速度檢測元件來測量電動機的速度，由位置檢測元件來測量工作臺的位置，由速度和位置反饋信號來調(diào)節(jié)伺服電動機的速度和工作臺的位置。因此從理論上講，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。其定位精度一般為0.001

14、0.003mm。v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)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調(diào)試都相當困難。v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。18v2 2按使用的驅(qū)動元件分類按使用的驅(qū)動元件分類 （1）電液伺服系統(tǒng)）電液伺服系統(tǒng)（2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng)v3 3按被控對象分類按被控對象分類 （1）進給伺服系統(tǒng)）進給伺服系統(tǒng) （2）主軸伺服系統(tǒng)）主軸伺服系統(tǒng)v4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)）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) （

15、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)第二節(jié)第二節(jié) 步進電動機伺服系統(tǒng)步進電動機伺服系統(tǒng)v步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置。由于所用的電源是脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達。步進電機用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。v步進電機是一種特殊的電動機，一般電動機通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進電動機卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。v步進電動機的轉(zhuǎn)動，是由電動機繞組的脈沖電流控制的，也就是說由指令脈沖決定的。1920v指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動步數(shù)，即角位移的大小，對步進電動機施加一個電脈沖信號時，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過

16、的角度稱為步距步距角角；指令脈沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動速度。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。改變繞組的通電順序，就可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。在無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。21v一、步進電機的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理一、步進電機的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理1.步進電機的分類步進電機的分類按力矩產(chǎn)生的原理分：磁阻式（反應式）、感應子式和永磁式。按輸出力矩大小分：功率式和伺服式。按結(jié)構(gòu)分：徑向式（單段式）、軸向式 （多段）和印刷繞組式。按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相等。2.步進電動機的結(jié)構(gòu)步進電動機的結(jié)構(gòu)目前，我國使用的步進電機

17、多為反應式步進電機。下圖是一典型的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機的結(jié)構(gòu)原理圖。它與普通電機一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。在定子的每個磁極上面向 轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5 個小齒，齒槽等寬，齒 間夾角為9度。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有均 勻分布的40個齒，其大小 和間距與定子上的完全相同。并與之相差1/3齒距。22 A A B B C C 定子 轉(zhuǎn)子 繞組 233步進電動機工作原理步進電動機工作原理步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理?，F(xiàn)以三相反應式步進電動機為例說明。若按A-B-C-A通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，每換接一次通電相

18、序，步進電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)過30，即步距角為30。反之則為順時針方向旋轉(zhuǎn)。圖6-4 反應式步進電機工作原理AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時針轉(zhuǎn) 300逆時針轉(zhuǎn) 300逆時針轉(zhuǎn) 300當A相通電時，電動機鐵芯AA方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)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30當B相通電時，電動機鐵芯BB方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)30，轉(zhuǎn)子2、4齒與B相磁極對齊。1、3兩齒與A、C兩磁極相對錯開30。當C相通電時，電動機鐵芯CC方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子1、3齒與C相磁極對齊。2、

19、4兩齒與A、B兩磁極相對錯開30。24 三相單三拍：三相單三拍：(正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)) AAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234 B C(反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)) ACBAA25三相雙三拍：三相雙三拍：(正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)) AB AABCCB12341234AABCCBAABCCB1234ABCABC(反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)) ACCBBAAC26AABCCB12341234AABCCBAABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234AABCCB1234請看原理動畫。 AB B BC C CA A(反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)) A AC C CB B BA A三相六拍：三相六拍：(正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)) A27vm相步進電機通電方式相

20、步進電機通電方式v m相單m拍：例 ABC D EAv m相雙m拍： 例 ABBCCD DEEA AB 或 ABCBCDCDE DEAEAB ABCvm相2m拍：例 A AB B BC C CD D DEE EA A或 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEAEA EAB AB28v三種通電方式的特點：三種通電方式的特點：v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。v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(wěn)定。v2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定。白城師范學院機電系機自教研室29v二、步進電機的主要特性二、步進電

21、機的主要特性v步進電機輸出的角位移量與輸入的指令脈沖數(shù)成正比，在時間上與輸入的脈沖同步；而步進電機的轉(zhuǎn)速與指令脈沖頻率成正比。v在步進電機負載能力允許的 情況下，這種線性關(guān)系不會 因為負載的變化等因素而變 化，所以可以在較寬的范圍 內(nèi)，通過對指令脈沖頻率和 數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機床運 動速度和位置的控制。 00步進電動機的控制特性曲線30（1）步距角和靜態(tài)步距誤差）步距角和靜態(tài)步距誤差步進電機的步距角步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它取決于電機結(jié)構(gòu)和控制方式。步距角可由下式計算： =360/mzk 式中：m是定子勵磁繞組數(shù)；Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；k是控制方式確定的拍數(shù)

22、與相數(shù)的比例系數(shù)。按通電方式的不同分別為：2m拍 k =2 ，其它 k =1。若步進電動機通電的脈沖頻率為f，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為在一轉(zhuǎn)內(nèi)各步距誤差的最大值，被定為步距誤差。它的大小是由制造精度等因素決定的。（2）矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩）矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩矩角特性矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律?？蛰d時，若步進電機某相繞組通電，根據(jù)步進電機的工作原理，電磁轉(zhuǎn)矩會使得轉(zhuǎn)子齒槽與該相定子齒槽相對齊，這時，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電機軸上加一逆時針方向的負載轉(zhuǎn)矩M，則步進電機轉(zhuǎn)子就要逆時針方向轉(zhuǎn)過一個角度才能重新穩(wěn)定下來，這時

23、轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩Mj和負載轉(zhuǎn)矩M相等。我們稱Mj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，為失調(diào)角失調(diào)角。不斷改變M值，就得到Mj與的函數(shù)曲線，如圖所示。我們稱Mj=f（）曲線為轉(zhuǎn)矩-失調(diào)角特性曲線，或稱為矩角特性。31v圖中A，B，C三相的矩角特性曲線在相位上互差1/3周期。曲線上峰值所對應的轉(zhuǎn)矩叫做最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，用Mjmax表示，它表示步進電機承受負載的能力。其值愈大，自鎖轉(zhuǎn)矩愈大，靜態(tài)誤差愈小。換句話說，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax愈大，電機帶負載的能力愈強，運行的快速性和穩(wěn)定性愈好。32MjmaxMjMqABCO曲線A和B的交點所對應的力矩Mq是電機運行狀態(tài)的最大起動轉(zhuǎn)矩。當負載力矩Mf小于Mq時

24、，電機才能正常起動運行，否則，將造成失步，電機也不能正常啟動。（3）起動頻率）起動頻率fq空載時，步進電機由靜止突然起動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為起動起動頻率或突跳頻率頻率或突跳頻率。若起動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常起動?？蛰d起動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。（4）連續(xù)運行的最高工作頻率）連續(xù)運行的最高工作頻率fmxa步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率fmxa，稱為最高工作頻率最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。33（5）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩

25、矩頻特性矩頻特性Md=F（f）所描述的 是步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸 出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的 關(guān)系。如圖所示。該特性曲線 上每一頻率 f 所對應的轉(zhuǎn)矩為 動態(tài)轉(zhuǎn)矩Md?？梢妱討B(tài)轉(zhuǎn)矩的 基本趨勢是隨連續(xù)運行頻率的增大而降低。（6）加減速特性）加減速特性步進電機的加減速特性加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。34Md/N*mf / 103HZ35步進電動機控制框圖四、步進電動機的控制方法四、步進電動機的控制方法步進電動機的驅(qū)動電源是專用的，是由環(huán)形分配器和功率放大器組成的。v三、三相反應式步進電動機的特點三、三相反應式

26、步進電動機的特點 不受各種干擾因素的影響 誤差不會長期積累 控制簡單CNC自動升降速環(huán)形分配器功率放大器電動機繞組-向+向如電壓、電流、溫度等，只要沒有引起反應式步進電機產(chǎn)生失步，就都不會影響步距角。 雖然反應式步進電機存在著步距誤差，但每轉(zhuǎn)一周的積累誤差為零，所以步距誤差不會長期積累。 步進電機既是驅(qū)動元件，又是將脈沖變?yōu)榻俏灰频淖儞Q元件，所以省去了位置檢測元件及其相應的線路。 v環(huán)形分配器環(huán)形分配器 v 環(huán)形分配器的功能是把來自CNC的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來驅(qū)動相應的勵磁繞組，進而實現(xiàn)步進電動機按規(guī)定的方式進行工作。v脈沖分配有兩種方式：一種是由專門的硬件脈沖分配器來

27、完成的硬件脈沖分配：硬件脈沖分配器是由門電路及邏輯電路構(gòu)成的，它提供符合步進電動機控制指令所需要的順序脈沖。3637v特點特點：需要專用硬件資源，運行效率高。v另一種是由計算機的軟件來完成的軟件脈沖分配：v軟件脈沖分配是用軟件來實現(xiàn)脈沖分配的。它是預先將邏輯序列按地址的順序存入到ROM當中。在工作時，就根據(jù)計算的指令步數(shù)求出每一步相應的地址，從ROM中取出該節(jié)拍的控制信息，由I/O接口送入功率放大器。根據(jù)指令的步數(shù)循環(huán)執(zhí)行這一序列表，步進電動機就按設定的節(jié)拍連續(xù)運行。3839v特點特點：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運行效率低，用于速度要求不高處v五、步進電機伺服系統(tǒng)的功率驅(qū)動五、步進電機伺服系統(tǒng)的

28、功率驅(qū)動v在實際的控制過程當中，環(huán)形分配器的輸出信號很小，而步進電動機的繞組電流又很大。所以需要進行功率放大。過去采用單電壓驅(qū)動電路，后來采用高低壓驅(qū)動電路，現(xiàn)在則比較多的采用了恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓和細分驅(qū)動電路等形式的驅(qū)動電路。40v提速（限流）電阻Rc：改變時間常數(shù)，提高響應速度v續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護v特點：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。v應用：小功率步進電機驅(qū)動41LCLRR1.1.單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路422. 雙電壓驅(qū)動雙電壓驅(qū)動電路電路 這種驅(qū)動電路供給步進電動機繞組的電壓有兩種：一種是低電壓U2，一般為12V或24V；另一種是高電

29、壓U1，電壓為80V以上。見圖。在相序輸入信號IN、IL到來時，VT1、VT2同時導通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當電流達到規(guī)定值時， VT1關(guān)斷、 VT2仍然導通（tN的脈寬小于tL），則自動切換到低壓U2該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)距，其缺點是電流波形有谷點，波形如圖。43 斬波驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路 由于雙電壓驅(qū)動電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉(zhuǎn)矩和效率，所以需要采用斬波驅(qū)動電路。原理見圖。輸入信號若為正脈沖，則VT1、VT2同時導通，

30、由于U1電壓較高，繞組回路中又沒串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當電流達到規(guī)定值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導通，電流又上升。如此反復進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流，其電流波形如圖。44 v六、步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)六、步進電機的細分驅(qū)動技術(shù) v把額定電流分成n個極分別進行通電，轉(zhuǎn)子就會以n個通電極別所決定的步數(shù)來完成原有一個步距角所轉(zhuǎn)過的角度，使原來的每個脈沖走過一個步

31、距角，變成了每個脈沖走1/n個步距角，即把原來一個步距角細分成n份，從而提高了步進電機的精度。v三相步進電動機線性細分后，原來一相的一個大脈沖由現(xiàn)在的n個階梯脈沖所代替。 v通過細分驅(qū)動可得到更小的脈沖當量，因而提高了定位精度。基本上消除了步進電機的低速振動問題，使步進電機低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有噪聲。v請看原理動畫2。 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控機床的位置檢測裝置數(shù)控機床的位置檢測裝置v組成：組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。v作用：作用：閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反饋控制的隨動系統(tǒng)，它的輸出量是機械位移、速度或加速度，利用這些量的反饋實現(xiàn)精確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置（即傳

32、感器）起著測量和反饋測量和反饋兩個作用，它發(fā)出的信號傳送給數(shù)控裝置或?qū)Ｓ每刂破?，?gòu)成閉環(huán)控制。從一定意義上看，數(shù)控機床的加工精度和定位精度主要取決于檢測裝置的精度。傳感器能分辨出的最小測量值稱為分辨率分辨率。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于測量線路。白城師范學院機電系機自教研室45v數(shù)控機床上使用的檢測裝置應滿足以下要數(shù)控機床上使用的檢測裝置應滿足以下要求：求：v準確性好，滿足精度要求，工作可靠，能長期保持精度。v滿足速度、精度和機床工作行程的要求。v可靠性好，抗干擾性強，適應機床工作環(huán)境的要求。v使用、維護和安裝方便，成本低。v對大型機床以滿足速度為主，對中、小型機床和高精度機床以滿足精

33、度為主。46v檢測裝置的分類v數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。v根據(jù)安裝的位置及耦合方式直接測量和間接測量。v按測量方法增量型和絕對型。v按檢測信號的類型模擬式和數(shù)字式。v根據(jù)運動型式 回轉(zhuǎn)型和直線型。v按信號轉(zhuǎn)換的原理光電效應、光柵效應、電磁感應原理、壓電效應、壓阻效應和磁阻效應等。474849分 類 增 量 式 絕 對 式 位移傳感器 回轉(zhuǎn)型脈沖編碼器、自整角機 、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應同步器 、光柵角度傳感器 、圓光柵、圓磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器 、絕對脈沖編碼器 絕對值式光柵 、 三速圓感應同步器 、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器 直線型直線應同步器 、光柵尺、磁柵尺 、激光干涉儀 霍

34、耳位置傳感器 三速感應同步器 、絕對值磁尺、光電編碼尺 、磁性編碼器 速度傳感器 交、直流測速發(fā)電機 、 數(shù)字脈編碼式速度傳感器 、霍耳速度傳感器 速度角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器 電流傳感器 霍耳電流傳感器 v一、旋轉(zhuǎn)變壓器一、旋轉(zhuǎn)變壓器v旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電動機，它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號。v在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的一次側(cè)，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的二次側(cè)。勵磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。v旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求

35、，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，但測量精度較低，一般用于精度要求不高或大型機床的粗測及中測系統(tǒng)。白城師范學院機電系機自教研室501.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)有電刷集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu)。每一類又分為單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）。5118762旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意1-1-轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2-2-軸承軸承 3-3-機殼機殼 4-4-轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心 5-5-定子鐵心定子鐵心 6-6-端蓋端蓋 7-7-電刷電刷 8-8-集電環(huán)集電環(huán) 定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R42.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器的基本相似，區(qū)別在于普通變壓器

36、的一次、二次繞組是相對固定的，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、二次繞組之間是隨著轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置變化的，因而其輸出電壓的大小也隨之而變化。也就是說當定子繞組加上交流電壓時，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個繞組磁軸線在空間的相對位置。轉(zhuǎn)子繞組電壓的頻率與定子繞組的相同，但幅值隨轉(zhuǎn)子與定子的相對角位移的正弦函數(shù)而變化。所以只要測出轉(zhuǎn)子的輸出電壓的幅值，就可求出轉(zhuǎn)子相對定子的角位移白城師范學院機電系機自教研室52。5354v當轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時，=0，不產(chǎn)生感應電壓；當兩磁軸平行時，=90，感應電壓最大；當兩磁軸為任意角度時，感應電壓為：v式中：

37、 K變壓比(轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組v 的匝數(shù)比)，v U1勵磁電壓，v Um勵磁電壓的幅值， v 勵磁電壓的角頻率。3.旋轉(zhuǎn)變壓器的應用旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式v（1）鑒相工作方式）鑒相工作方式55v該方式是通過旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位確定被測角位移，即給定子的兩個繞組分別通以同幅、同頻但相位差為90的勵磁電壓，這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應電壓是疊加在一起的。因而轉(zhuǎn)子中的感應電壓為兩個電壓的代數(shù)和，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴格的對應關(guān)系，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。56 V Vs s=Vmsin=Vmsintt V Vc c

38、=Vmcos=Vmcost t E E2 2=KV=KV m m cos- KV cos- KV c csinsin =KV =KV m m ( (sinsintcos- tcos- coscostsintsin) ) = =KVKV m m sinsin( (t-t-) )VsVcE2定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 v（2）鑒幅工作方式）鑒幅工作方式57w該方式是通過旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值確定被測角位移，即給定子的兩個繞組分別通以同相、同頻但幅值不同的交流勵磁電壓，轉(zhuǎn)子輸出電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅值即可求得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角值。58 Vs=Vmsin電sint Vc=Vmc

39、os電sint E2=KV m cos機- KV csin機 =KV m sint(sin電cos機- cos電sin機 =KV m sin(電-機) sintVsVcE2定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 感應電勢（感應電勢（E2）是以）是以為角頻為角頻率、以率、以V Vm m sin(sin(電電 - -機機 ) )為幅值為幅值的交變電壓信號。若電氣角的交變電壓信號。若電氣角電電已已知，只要測出知，只要測出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可間接的求出機械角便可間接的求出機械角機機 ，從，從而得出被測角位移。而得出被測角位移。 v二、感應同步器二、感應同步器1.1.

40、感應同步器的結(jié)構(gòu)和特點感應同步器的結(jié)構(gòu)和特點感應同步器是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娦盘枺枰赃M行位置檢測的反饋控制，在數(shù)控機床上使用極為普遍。按其用途可分為兩大類：直線感應同步器和圓感應同步器。前者用于直線位移的測量，后者用于轉(zhuǎn)角的測量。在結(jié)構(gòu)上，兩者都包括固定和運動兩大部分，對旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對直線式分別稱為定尺和滑尺。白城師范學院機電系機自教研室59v感應同步器是一種電磁感應式多極位置傳感元件，由旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來。它的極對數(shù)可以做得很多，一般取360對極、720對極，最多的達2000對極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面對誤差都起補償作用，所以具有很高的精度。感應同步器的

41、勵磁頻率一般取210kHz。v（1）圓感應同步器）圓感應同步器v它由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組（ sin繞組和 cos 繞組做成分段式，兩相繞組交差分布，相差90電相角。屬于同一相的各相繞組用導線串聯(lián)起來白城師范學院機電系機自教研室60），。白城師范學院機電系機自教研室61v（2）直線式感應同步器）直線式感應同步器考慮到接長和安裝，通考慮到接長和安裝，通常定尺繞組做成連續(xù)式常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組單相繞組 滑尺上配置斷續(xù)繞組，并且分滑尺上配置斷續(xù)繞組，并且分為正弦勵磁繞組和余弦勵磁繞為正弦勵磁繞組和余弦勵磁繞組，這兩個繞組在空間上錯開組，這兩個繞組在空間上錯開

42、90電相角。電相角。 62v感應同步器的使感應同步器的使用特點用特點v 精度高v 可拼接成各種需要的長度 v 對環(huán)境的適應性強 v 使用壽命長 v 注意安裝間隙根據(jù)測量長度的要求，根據(jù)測量長度的要求，采用多塊定尺接長，相采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整，鄰定尺間隔也可以調(diào)整，使拼接后總長度的精度使拼接后總長度的精度保持（或略低于）單塊保持（或略低于）單塊定尺的精度。尺與尺之定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式有兩間的繞組連接方式有兩種：當定尺少于種：當定尺少于10塊時，塊時，將各繞組串聯(lián)連接，當將各繞組串聯(lián)連接，當多于多于10塊時，先將各繞塊時，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后組分成兩組串

43、聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過高為使定尺繞組阻抗過高為原則。原則。 直線式感應同步器金屬基直線式感應同步器金屬基尺與安裝部件的材料的膨尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當環(huán)境溫度脹系數(shù)相近，當環(huán)境溫度變化時，兩者的變化規(guī)律變化時，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測量精度。相同，而不影響測量精度。感應同步器為非接觸式電感應同步器為非接觸式電磁耦合器件，可選耐溫性磁耦合器件，可選耐溫性能好的非導磁性材料作保能好的非導磁性材料作保護層，加強了其抗溫防濕護層，加強了其抗溫防濕的能力，同時在繞組的每的能力，同時在繞組的每個周期內(nèi)，任何時候都可個周期內(nèi)，任何時候都可以給出與絕

44、對位置相對應以給出與絕對位置相對應的單值電壓信號，不受環(huán)的單值電壓信號，不受環(huán)境干擾的影響。境干擾的影響。 由于感應同步器是直接對機床由于感應同步器是直接對機床位移進行測量，中間不經(jīng)過任位移進行測量，中間不經(jīng)過任何機械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只何機械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專門的工上的平面繞組，采用專門的工藝方法制作精確。再加上它的藝方法制作精確。再加上它的極對數(shù)多，定尺上的感應電壓極對數(shù)多，定尺上的感應電壓信號是多周期的平均效應，從信號是多周期的平均效應，從而減少了制造繞組局部誤差的而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測量精度高。目

45、前影響，所以測量精度高。目前直線感應同步器的精度可達直線感應同步器的精度可達0.001mm,重復精度重復精度0.0002mm,靈敏度靈敏度0.00005m。直徑為直徑為302mm的感應同步器的的感應同步器的精度可達精度可達0.5,重復精度重復精度0.1，靈敏度靈敏度0.05。 由于感應同步器定尺與由于感應同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，滑尺之間不直接接觸，因而沒有磨損，所以壽因而沒有磨損，所以壽命長。但是感應同步器命長。但是感應同步器大多裝在切屑或切削液大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以容易入侵的部位，所以必須用鋼帶或折罩覆蓋，必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定以免切屑劃傷滑尺與

46、定尺的繞組。尺的繞組。 感應同步器安裝時要注意感應同步器安裝時要注意定尺與滑尺之間的間隙，定尺與滑尺之間的間隙，一般在（一般在（0.020.25）mm0.05mm以內(nèi)，滑以內(nèi)，滑尺在移動過程中，由于晃尺在移動過程中，由于晃動所引起的間隙變化也必動所引起的間隙變化也必須控制在須控制在0.01mm之內(nèi)。之內(nèi)。如果間隙過大，必將影響如果間隙過大，必將影響測量信號的靈敏度。測量信號的靈敏度。 2.2.感應同步器的工作原理感應同步器的工作原理63當滑尺上勵磁當滑尺上勵磁繞組和定尺上繞組和定尺上的繞組位置重的繞組位置重合時，耦合磁合時，耦合磁通最大，感應通最大，感應電動勢也最大。電動勢也最大。當繼續(xù)平行移

47、動當繼續(xù)平行移動滑尺時，感應電滑尺時，感應電動勢逐漸減小，動勢逐漸減小，當移動到當移動到1/4節(jié)節(jié)距位置處，在感距位置處，在感應繞組內(nèi)的感應應繞組內(nèi)的感應電動勢為零。電動勢為零。繼續(xù)移動到繼續(xù)移動到半個節(jié)距處，半個節(jié)距處，可得到與初可得到與初始位置極性始位置極性相反的最大相反的最大感應電動勢。感應電動勢。在在3/4節(jié)距節(jié)距處，感應處，感應電動勢又電動勢又 變?yōu)榱?。變?yōu)榱?。移動到下一個節(jié)移動到下一個節(jié)距時，又回到與距時，又回到與初始位置完全相初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，同的耦合狀態(tài)，感應電動勢最大。感應電動勢最大。這樣，感應電動這樣，感應電動勢隨滑尺相對于勢隨滑尺相對于定尺的移動而呈定尺的移動而

48、呈周期性變化。周期性變化。64n(1) (1) 鑒相型系統(tǒng)鑒相型系統(tǒng)n當在正弦繞組加勵磁電壓Us=Umsint，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為：n式中 K耦合系數(shù)，n 與位移X對應的角度，定、滑尺相對移動一個節(jié)距P=2，從0變到2，即65v同理，在余弦繞組加勵磁電壓Uc=Umcost，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為：v應用迭加原理，定尺上的感應電動勢為：v下張片子中上面這張圖是鑒相檢測系統(tǒng)方框圖；下面這張圖是脈沖相位變換器方框圖。6667v（2）鑒幅式系統(tǒng)）鑒幅式系統(tǒng)v v v v 鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖比較器數(shù)模轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)速度單元工作臺測量及信號處理電路伺服電機進給指令進入比較器的信號

49、有兩路，一路來自進給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機床工作臺移動的位移量。另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實際移動的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前，數(shù)控裝置和測量元件的信號處理電路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，工作臺不移動。出現(xiàn)進給脈沖信號后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大后，由伺服電機帶動工作臺移動。同時，工作在鑒幅狀態(tài)的感應同步器的定尺感應出電壓信號，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進入比較器與進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器輸出為零，工作臺不動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距

50、離還不等于指令信號要求移動的距離，伺服電機繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。v三、脈沖編碼器三、脈沖編碼器1.脈沖編碼器的分類和結(jié)構(gòu)脈沖編碼器的分類和結(jié)構(gòu)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，可作為位置檢測和速度檢測裝置。脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應式。從精度和可靠性方面來看，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。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。數(shù)控機床上常用的有：2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。白城師范學院機電系機自教研室68v這種檢測方式的特點是：這種檢測方式的特點是：v檢測方式是非接觸式的，無摩擦

51、和磨損，驅(qū)動力矩?。籿由于光電變換性能的提高，可得到較快的響應速度。v其缺點是抗污染能力差，容易損壞。白城師范學院機電系機自教研室691234567光電脈沖編碼器光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)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-護罩；7-印刷電路板2.2.光電脈沖編碼器的工作原理光電脈沖編碼器的工作原理白城師范學院機電系機自教研室70信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距Z Z B B A Am+/4兩個光電元件兩個光電元件錯開錯開90相位相位角安裝。當圓角安裝。當圓盤旋轉(zhuǎn)一個節(jié)盤旋轉(zhuǎn)一個節(jié)距時，在光源距時，在光源照射下，就在照射下

52、，就在光電元件上得光電元件上得到一個光電波到一個光電波形輸出形輸出A相比相比B相導前相導前90。若。若A相導相導前前B相時為正方向旋轉(zhuǎn)，則相時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相導前相導前A相時就是負方向旋轉(zhuǎn)。相時就是負方向旋轉(zhuǎn)。利用利用A相與相與B相的相應關(guān)系可相的相應關(guān)系可以判別編碼器的旋轉(zhuǎn)方向以判別編碼器的旋轉(zhuǎn)方向A、B信號為具有信號為具有90相位差的正弦波，這相位差的正弦波，這組信號經(jīng)放大器放大組信號經(jīng)放大器放大與整形，得下圖所示與整形，得下圖所示的輸出方波的輸出方波3. 3. 光電脈沖編碼器的應用光電脈沖編碼器的應用光電脈沖編碼器在數(shù)控機床上，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測裝置。光電脈沖編碼器

53、將位置檢測信號反饋給CNC裝置有幾種方式：一是適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。二是適應有計數(shù)控制端和方向控制端的計數(shù)器，形成正走、反走計數(shù)脈沖和方向控制電平。7172v應用一：應用一：v適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。A相信號a+B相信號整形整形dbcef-可逆計數(shù)&單穩(wěn)反向abcdefabcdef光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號A、A、B、B經(jīng)過差分驅(qū)動傳輸進入CNC裝置，仍為A相信號和B相信號。將A、B信號整形后，變成規(guī)整的方波（電路中a、b點）。當光電脈沖編碼器正轉(zhuǎn)時，A相信號超前B相信號，經(jīng)過單穩(wěn)電路變成d點的窄脈沖，與B相比反向后c

54、點的信號e相，由e點輸出正向計數(shù)脈沖。f點由于在窄脈沖出現(xiàn)時，b點的信號為低電平，所以f點也保持低電平。這時可逆計數(shù)器進行加計數(shù)。當光電脈沖編碼器反轉(zhuǎn)時，B相信號超前A相信號，在d點窄脈沖出現(xiàn)時，因為c點是低電平，所以e點保持低電平。f點輸出窄脈沖，作為反向減計數(shù)脈沖。這時可逆計數(shù)器進行減計數(shù)。這樣就實現(xiàn)了不同旋轉(zhuǎn)方向時，數(shù)字脈沖由不同通道輸出，分別進入可逆計數(shù)器做進一步的誤差處理工作。73v應用二：應用二：v適應有計數(shù)控制端和方向控制端的計數(shù)器，形成正走、反走計數(shù)脈沖和方向控制電平。ABA1B1CD13高電平“1”低電平“0”高電平“1”高電平“1”ABA1B1CD13A相脈沖B相脈沖整形整

55、形單穩(wěn)單穩(wěn)B1D S R12Q3脈沖方向計數(shù)有方向端的可逆計數(shù)器A1CQ正走時，A脈沖超前B脈沖，B方波和A1窄脈沖進入C“與非門”，A方波和B1窄脈沖進入D“與非門”，則C門和D門分別輸出高電平和負脈沖。光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號A、A、B、B經(jīng)過差分驅(qū)動傳輸進入CNC裝置，為A相信號和B相信號，該兩相信號為本電路的輸入脈沖。經(jīng)整形和單穩(wěn)后變成A1、B1窄脈沖。這兩個信號使由1、2“與非門”組成的“R-S”觸發(fā)器置“0”，（此時，Q端輸出“0”，代表正方向），使3“與非門”輸出正走計數(shù)脈沖。反走時， B脈沖超前A脈沖，B方波和A1窄脈沖；A方波和B1窄脈沖同樣進入C、 D“與非門”，但由于

56、其信號相位不同，使C門和D門分別輸出負脈沖和高電平。從而將 “R-S”觸發(fā)器置“1”，（此時，Q端輸出“1”，代表負方向），使3“與非門”輸出反走計數(shù)脈沖。不論正走、反走，與非門3都是計數(shù)脈沖輸出門、 “R-S”觸發(fā)器的Q端輸出方向控制信號。v四、絕對式編碼器四、絕對式編碼器1.1.絕對式編碼器的種類絕對式編碼器的種類絕對式編碼器是一種直接編碼、絕對測量的檢測裝置。與增量脈沖編碼器不同，它是通過讀取絕對編碼盤、編碼尺（通稱為碼盤）的代碼（圖案）信號指示絕對位置。電源切除后，位置信息不丟失，也沒有積累差。從編碼器使用的計數(shù)制來分類，有二進制編碼、二進制循環(huán)碼（葛萊碼）、余三碼和二一十進制碼等編碼

57、器。從結(jié)構(gòu)原理來分類，有接觸式、光電式和電磁式等絕對值式編碼器。7475v2.結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理v絕對式編碼器通過讀取編碼盤上的圖案來表示數(shù)值。其結(jié)構(gòu)及工作原理是：圖中空白的部分透光，用圖中空白的部分透光，用“0”表示，涂黑的部分不透表示，涂黑的部分不透光，用光，用“1”表示。表示。二進制編碼器的主要缺二進制編碼器的主要缺點是圖案轉(zhuǎn)移點不明確，點是圖案轉(zhuǎn)移點不明確，將在使用中產(chǎn)生較多的將在使用中產(chǎn)生較多的誤差誤差葛萊編碼盤是改進后葛萊編碼盤是改進后的，它的特點是每相的，它的特點是每相鄰十進制數(shù)之間只有鄰十進制數(shù)之間只有一位二進制碼不同。一位二進制碼不同。因此，圖案的切換只因此，圖案的

58、切換只用一位數(shù)進行。所以用一位數(shù)進行。所以能把誤讀控制在一個能把誤讀控制在一個數(shù)單位之內(nèi)，提高了數(shù)單位之內(nèi)，提高了可靠性可靠性絕對值式編碼器一般都做成二進制編絕對值式編碼器一般都做成二進制編碼，碼盤的圖案由若干同心圓環(huán)（碼碼，碼盤的圖案由若干同心圓環(huán)（碼道）組成。碼道的數(shù)量與二進制的倍道）組成。碼道的數(shù)量與二進制的倍數(shù)相同?？拷鼒A心的碼道代表高倍數(shù)數(shù)相同。靠近圓心的碼道代表高倍數(shù)碼，越往外倍數(shù)越低，最外圈是最低碼，越往外倍數(shù)越低，最外圈是最低位。位。v五、光柵五、光柵v光柵用于光譜分析和光波波長的測定，是測量數(shù)控機床工作臺位移的光電檢測元件。v光柵分為物理光柵和計量光柵。v物理光柵物理光柵刻線

59、細密，用于光譜分析和光波波長的測定。v計量光柵計量光柵比較而言刻線較粗，但柵距也較小，在0.0040.25mm之間，測量的位置精度非常高，分辨率也很高，達0.1m，主要用在數(shù)字檢測系統(tǒng)。761.光柵的種類光柵的種類光柵傳感器為動態(tài)測量元件，按運動方式分為長光柵和圓光柵：長光柵用來測量直線位移；圓光柵用來測量角度位移。根據(jù)光線在光柵中的運動路徑分為透射光柵和反射光柵。一般光柵傳感器都是做成增量式的，也可以做成絕對值式的。目前光柵傳感器應用在高精度數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測量。在加工中心等高精度數(shù)控機床上應用較廣。 白城師范學院機電系機自教研室77白城師范學院機電系機自教研室78

60、P1 P2 P3 P4 指示光柵 標尺光柵 硅光電池 聚光鏡 光源 光柵測量系統(tǒng)光柵是由光源、光柵是由光源、聚光鏡、主光聚光鏡、主光柵、指示光柵柵、指示光柵和光敏元件等和光敏元件等構(gòu)成。構(gòu)成。主光柵和指示光柵主光柵和指示光柵分別安裝在機床的分別安裝在機床的移動部件及固定部移動部件及固定部件上，兩者相對移件上，兩者相對移動，相互平行，它動，相互平行，它們之間保持們之間保持0.05mm或或0.1mm的間隙。主光柵和的間隙。主光柵和指示光柵的刻線錯指示光柵的刻線錯開一定的角度，以開一定的角度，以得到莫爾條紋。得到莫爾條紋。 v主光柵和指示光柵通稱為光柵尺，它們是在真空鍍膜的玻璃片或長條形金屬鏡面上光