第四章伺服系統(tǒng)

1、第第4章章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)l伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Servo System）簡稱伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。4.1伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)4.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)l從基本結(jié)構(gòu)來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電機(jī)，如圖4-1所示?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機(jī)之上，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的交流電或直流電；電機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4-1 伺服

2、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)4.1.2伺服系統(tǒng)的工作原理伺服系統(tǒng)的工作原理l伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、調(diào)整與放大后，由電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。4.1.3伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的類型l一、開環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床工作臺(tái)數(shù)控裝置步進(jìn)

3、電機(jī)圖4-2 開環(huán)伺服系統(tǒng)二、閉環(huán)伺服系統(tǒng)二、閉環(huán)伺服系統(tǒng)速度比較伺服電機(jī)位置比較速度反饋位置反饋測(cè)量元件圖4-3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)三、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)三、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床工作臺(tái)速度比較伺服電機(jī)位置比較測(cè)速機(jī)旋變圖4-4 半閉環(huán)系統(tǒng)4.2伺服電機(jī)伺服電機(jī)l4.2.1步進(jìn)電機(jī)l一、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)l步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。 a圖4-5 單定子徑向分相反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖l圖4-5是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。它與普通電機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中

4、定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖中所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個(gè)均勻分布的齒上的線圈，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)成一相控制繞組 。二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理l步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。圖4-6是一種最簡單的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，下面以它為例來說明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。圖4-6 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖l圖4-6(a)所示步進(jìn)電機(jī)的步距角等于60。如果控制線路不停地按ABCA的順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電順序改為ACBA，同理，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。 l圖4-6

5、(b)中的步進(jìn)電機(jī)，定子仍是A，B，C三相，每相兩極，但轉(zhuǎn)子不是兩個(gè)磁極而是四個(gè)。當(dāng)A相通電時(shí)，是1和3極與A相的兩極對(duì)齊，很明顯，當(dāng)A相斷電、B相通電時(shí)，2和4極將與B相兩極對(duì)齊。這樣，在三相三拍的通電方式中，步距角等于30，在三相六拍通電方式中，步距角則為15。三、步進(jìn)電機(jī)的類型三、步進(jìn)電機(jī)的類型l1、永磁式步進(jìn)電機(jī)l永磁式步進(jìn)電機(jī)是一種由永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的步進(jìn)電機(jī)，也稱為永磁轉(zhuǎn)子型步進(jìn)電機(jī)，有單定子結(jié)構(gòu)和兩定子結(jié)構(gòu)兩種類型。其缺點(diǎn)是步距大，啟動(dòng)頻率低；優(yōu)點(diǎn)是控制功率小，在斷電情況下有定位轉(zhuǎn)矩。這種步進(jìn)電機(jī)從理論上講可以制成多項(xiàng)，而實(shí)際上則以一相或兩相為多，也有制成三相的 l2、反應(yīng)式步

6、進(jìn)電機(jī)l反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是一種定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)均由軟磁材料制成，只有控制繞組，基于磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)，因此有的國家又稱為變磁阻步進(jìn)電機(jī)。它的結(jié)構(gòu)按繞組的排序可分為徑向分相和軸向分相。而軸向分相又有兩種類型：磁通路徑為徑向（和徑向分相結(jié)構(gòu)的磁路相通）；磁通路徑為軸向。按鐵心分段，則有單段式和多段式。l3、永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)l永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相同，而轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵心組成。這種步進(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一樣，可以使其具有小步距和較高的啟動(dòng)頻率，同時(shí)又有永磁式步進(jìn)電機(jī)控制功率小的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是，由于采用磁鋼分成兩段，只是制造工藝和結(jié)構(gòu)比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)復(fù)雜。三

7、種常用步進(jìn)電機(jī)的性能比較三種常用步進(jìn)電機(jī)的性能比較步距角啟動(dòng)頻率運(yùn)行頻率消耗功率定位轉(zhuǎn)矩永磁式大低低小有反應(yīng)式小高高大無永磁感應(yīng)式小高高小有四、步進(jìn)電機(jī)的主要特性四、步進(jìn)電機(jī)的主要特性l1、步距角l2、矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 Tjmax和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tql3、啟動(dòng)頻率fq?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。 l4、連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率fmax l5、加減速特性 4.2.2直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)l直流伺服電機(jī)是一種機(jī)床伺服系統(tǒng)中使用較廣的執(zhí)行元件。因其具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，在寬范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑無極調(diào)速，故其往往使用于對(duì)伺服

8、電機(jī)的調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中。在伺服系統(tǒng)中常用的直流伺服電機(jī)多為大功率直流伺服電機(jī)，如低慣量電機(jī)和寬調(diào)速電機(jī)等。這些伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)不同，各有特色，但其工作原理與直流電機(jī)類似。一、直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)l如圖4-7所示，直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：l1、定子 定子磁極磁場(chǎng)由定子的磁極產(chǎn)生。 l2、轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子又稱為電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。l3、電刷與換向片 為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接。圖4-7 直流伺服

9、電機(jī)結(jié)構(gòu)圖二、直流伺服電機(jī)的工作原理二、直流伺服電機(jī)的工作原理l直流電機(jī)的基本原理分析得到調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：l1、改變電樞電壓u 調(diào)速范圍較大，直流伺服電機(jī)常用此方法調(diào)速，即脈寬調(diào)速。 l2、變磁通量（即改變ke的值） 通常采用調(diào)壓與調(diào)磁兩種方法互相配合，以獲得很寬的調(diào)速范圍并充分利用電機(jī)的容量。l3、在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rt 這種辦法并不經(jīng)濟(jì)且轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，僅用于較少的場(chǎng)合。三、直流伺服電機(jī)的類型三、直流伺服電機(jī)的類型l1、低慣量直流伺服電機(jī)l l2、寬調(diào)速直流力矩電機(jī) l3、無刷直流伺服電機(jī) 四、直流伺服電機(jī)的主要特性四、直流伺服電機(jī)的主要特性l1、機(jī)械特性 l2、空載始動(dòng)電壓

10、 l3、調(diào)節(jié)特性 l4、機(jī)電時(shí)間常數(shù) l5、綜合工作特性 4.2.3交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)l交流伺服電機(jī)是最新發(fā)展起來的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的一個(gè)新動(dòng)向。它克服了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)電刷和換向器要經(jīng)常維修、電機(jī)尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)。它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為精密位置控制。一、交流伺服電機(jī)的類型一、交流伺服電機(jī)的類型l1、異步型交流伺服電機(jī)l2、同步型交流伺服電機(jī)l永磁交流伺服系統(tǒng)與直流伺服系統(tǒng)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：l電動(dòng)機(jī)無電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)簡單；l定子繞組散熱快；l慣量小，易于提高系統(tǒng)的

11、快速性；l適應(yīng)于高速大力矩的工作狀態(tài)；l相同功率下，體積和重量較小。二、永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)二、永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) （a）橫剖面圖 （b）縱剖面圖圖4-8 永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)三、永磁同步交流伺服電機(jī)的工作原理三、永磁同步交流伺服電機(jī)的工作原理l三、永磁同步交流伺服電機(jī)的工作原理l永磁式同步交流伺服電機(jī)的工作原理與電磁式同步電機(jī)的工作原理相同，即定子三相繞組產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使定子帶著轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng)。所不同的是轉(zhuǎn)子磁極不是由轉(zhuǎn)子得三相繞組產(chǎn)生的，而是通過永磁鐵產(chǎn)生的。 圖4-9 永磁同步交流伺服電機(jī)的工作原理四、永磁同步交流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)四、永磁同步交流

12、伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)l1、交流伺服電機(jī)在連續(xù)工作區(qū)可連續(xù)工作，斷續(xù)工作區(qū)范圍擴(kuò)大，尤其在高速區(qū)性能優(yōu)越，有利于提高電機(jī)的加、減速能力。l2、高可靠性。用電子逆變器取代了直流電機(jī)換向器和電刷，免去了換向器及電刷的保養(yǎng)和維護(hù)。其工作壽命最終通過軸承決定。l3、較之直流電機(jī)，能量主要損耗在定子繞組與鐵心上，故散熱容易，便于安裝熱保護(hù)。l4、轉(zhuǎn)子慣量小，其結(jié)構(gòu)允許高速工作。l5、體積小、質(zhì)量小。4.2.4變頻電機(jī)變頻電機(jī)l變頻電機(jī)具有直流電機(jī)特性，卻采用交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)。也就是說，雖然外部接入的是直流電，卻采用直流-交流變壓變頻器控制技術(shù)，電機(jī)本體完全按照交流電機(jī)的原理去工作的。因此，變頻電機(jī)也叫“自控變

13、頻同步電機(jī)”，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n取決于控制器的所設(shè)定的頻率f。圖4-10 三相電壓變頻器的電路表4-3 變頻器的分類變頻器交-交變頻器按相數(shù)分類單相三相按環(huán)流情況分類有環(huán)流無環(huán)流按輸出波形分類正弦波方波交-直-交變頻器按無功能量處理方式分類電壓型電流型按調(diào)壓方式分類脈沖幅度調(diào)制型相位控制調(diào)壓直流斬波調(diào)壓脈沖寬度調(diào)制型表4-4 交-交變頻器與交-直-交變頻器的主要特點(diǎn)比較比較內(nèi)容變頻器類型交-交變頻器交-直-交變頻器換能方式一次換能，效率較高二次換能，效率略低換流方式電網(wǎng)電壓換流強(qiáng)迫環(huán)流或負(fù)載換流裝置元件數(shù)量較多較少元件利用率較低較高調(diào)頻范圍輸出最高頻率為電網(wǎng)頻率的1/31/2頻率調(diào)節(jié)范圍寬電網(wǎng)功率

14、數(shù)較低若用可控整流橋調(diào)壓，則低頻低壓時(shí)功率因數(shù)較低；若用斬波器或PWM方式調(diào)壓，則功率因數(shù)高使用場(chǎng)合低速大功率拖動(dòng)可用于各種拖動(dòng)裝置，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源和不停電電源4.3位置檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置l4.3.1位置檢測(cè)裝置概述l檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)重要的組成部分之一。它的作用是檢測(cè)工作臺(tái)的位置和速度，發(fā)送反饋信號(hào)至數(shù)控裝置，使工作臺(tái)按規(guī)定的路徑精確地移動(dòng)。閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的精度主要取決于檢測(cè)系統(tǒng)的精度。因此，研制和選用性能較有的檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床加工精度的重要保證之一。檢測(cè)裝置應(yīng)該滿足的要求檢測(cè)裝置應(yīng)該滿足的要求l（1）工作可靠，抗干擾性強(qiáng)。l（2）能滿足精度和速度的要求。l（3）使用

15、維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境。l（4）易于實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)測(cè)量、處理和自動(dòng)化。l（5）成本低。位置檢測(cè)裝置分類類型數(shù) 字 式模擬式增量式絕對(duì)式增量式絕對(duì)式回轉(zhuǎn)型編碼器圓光柵編碼器旋轉(zhuǎn)變壓器圓感應(yīng)同步器圓形磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器組合三速圓感應(yīng)同步器直線型長光柵激光干涉儀編碼尺多通道透射光柵直線感應(yīng)同步器磁柵、容柵三速感應(yīng)同步器絕對(duì)值式磁尺4.3.2編碼器編碼器l編碼器是數(shù)控機(jī)床中常用的角度檢測(cè)裝置，常與伺服電機(jī)或絲杠同軸安裝，檢測(cè)伺服電機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角。根據(jù)輸出信號(hào)不同，可分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器；根據(jù)工作原理不同，可分為接觸式、光電式和電磁式等。一、絕對(duì)式編碼器一、絕對(duì)式編碼器l1、接

16、觸式l若采用n位碼盤，則能分辨的角度為360/2n,位數(shù)n越大，能分辨的角度越小，測(cè)量精度越高。圖4-11 4位二進(jìn)制循環(huán)碼盤2、光電式、光電式l光電式絕對(duì)編碼器的碼盤由透明區(qū)及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成。碼盤上的碼道條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。光源發(fā)出的光經(jīng)過柱面鏡聚光后投射到碼盤上，通過透明區(qū)的光線經(jīng)過狹縫形成一束很窄的光束投射到光電管上，此時(shí)處于亮區(qū)的光電管輸出為“1”，處于暗區(qū)的光電管輸出為“0”，光電管組輸出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字信號(hào)表示了碼盤軸的轉(zhuǎn)角大小。其結(jié)構(gòu)如圖4-12所示。1-發(fā)光二極管 2柱面透鏡 3碼盤4刻線板 5光電管圖4-12 光電式絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖二、增量式編碼器二、增量式編

17、碼器l增量式編碼器的結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。在增量式編碼器的碼盤邊緣等間隔地制出n個(gè)透光槽，發(fā)光二極管發(fā)出的光透過槽孔被光電管所接受，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過1/n圈時(shí)，光電管即發(fā)出一個(gè)數(shù)字脈沖，計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行加減增量計(jì)數(shù)，從而判斷碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)角度。在碼盤上還須設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，以得到碼盤的相對(duì)位置。圖4-13 增量式編碼器結(jié)構(gòu)示意圖1發(fā)光二極管 2柱面透鏡 3零位標(biāo)記槽 4碼盤 5刻線板4.3.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器l旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的角位移檢測(cè)元件，由于它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，對(duì)環(huán)境要求低，信號(hào)輸出幅度大，抗干擾能力強(qiáng)，且其精度能滿足一般的檢測(cè)要求，因此被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上。一、旋轉(zhuǎn)變壓器的工

18、作原理一、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理l旋轉(zhuǎn)變壓器是一種測(cè)量角度用的小型交流電機(jī)，有定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400Hz、500 Hz、3000 Hz及5000Hz。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變而變化，因而其輸出電壓的大小也隨之變化。圖4-14 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理二、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式二、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式l以正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器為例，如圖

19、4-16所示，若把轉(zhuǎn)子的一個(gè)繞組短截，而定子的兩個(gè)繞組分別通以勵(lì)磁電壓，應(yīng)用疊加原理，可得到兩種典型工作方式。圖4-16 一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組短接的旋轉(zhuǎn)變壓器1、鑒相式工作方式、鑒相式工作方式l鑒相式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓的相位來確定被測(cè)位移大小的檢測(cè)方式。給定子的兩個(gè)繞組分別通以同幅、同頻，但相位相差/2的交流勵(lì)磁電壓， 2鑒幅式工作方式鑒幅式工作方式l鑒幅式工作方式是通過對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓幅值的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)的。給定子的兩個(gè)繞組分別通以同頻、同相位但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓， 4.3.4感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器l感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測(cè)元件，按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般

20、分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線位移測(cè)量，后者用于角位移測(cè)量。測(cè)量直線位移的稱為直線式感應(yīng)同步器也稱長感應(yīng)同步器，測(cè)量轉(zhuǎn)角位移的稱為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器也稱圓感應(yīng)同步器。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步器具有檢測(cè)精度比較高、抗干擾性強(qiáng)、壽命長、維護(hù)方便、成本低、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及各類機(jī)床數(shù)顯改造。圖4-17 直線式感應(yīng)同步器圖4-18 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是：感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是：l（1）具有較高的精度與分辨力。 l（2）抗干擾能力強(qiáng)。 l（3）使用壽命長，維護(hù)簡單。 l（4）可以作長距離

21、位移測(cè)量。 l（5）工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。4.3.5光柵光柵l在高精度的數(shù)控機(jī)床上，目前大量使用光柵作為反饋檢測(cè)元件。光柵與前面講的旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同，它不是依靠電磁學(xué)原理進(jìn)行工作的，不需要?jiǎng)?lì)磁電壓，而是利用光學(xué)原理進(jìn)行工作，因而不需要復(fù)雜的電子系統(tǒng)。光柵作為光電檢測(cè)裝置，有物理光柵和計(jì)量光柵之分，在數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)中，通常使用計(jì)量光柵進(jìn)行高精度位移的檢測(cè)，尤其是在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。光柵的檢測(cè)精度較高，可達(dá)1m以上。一、光柵的類型與結(jié)構(gòu)一、光柵的類型與結(jié)構(gòu)l常見的光柵從光線走向可分為透射式光柵和反射式光柵；從形狀上可分為圓光柵和長光柵。圓光柵用于角位移的檢測(cè)，長光柵用于直線

22、位移的檢測(cè)。l光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測(cè)元件，它主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床的活動(dòng)部件上(如工作臺(tái)或絲杠)，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的固定部件上(如機(jī)床底座)，二者隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而相對(duì)移動(dòng)。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個(gè)指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動(dòng)。當(dāng)安裝光柵時(shí)，要嚴(yán)格保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙（一般取0.05mm或0.1mm）要求。圖4-19 光柵讀數(shù)頭圖4-20 光柵讀鏡頭結(jié)構(gòu)原理圖（a）分光讀數(shù)頭 （b）反射讀數(shù)頭（c） 鏡像讀數(shù)頭二、光柵的工作原理二、光柵的工作原理l常見光柵的工

23、作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。圖4-21是其工作原理圖。把兩光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角。在刻線的重合出，光從縫隙透過形成亮帶；兩光柵刻線彼此錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而成暗帶。這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋，條紋方向與刻線方向近似垂直。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：莫爾條紋具有以下性質(zhì)：l（1）莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)光柵刻線的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。l（2）當(dāng)兩光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)。光柵反響移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。

24、l（3）莫爾條紋的間距時(shí)放大了的光柵柵距，它隨著光柵刻線夾角而改變，由于較小，所以其關(guān)系可用下式表示：l式中，L莫爾條紋間距；ld光柵柵距；l兩光柵刻線夾角（rad）。l由此可知，越小，L越大，相當(dāng)于把微小的柵距擴(kuò)大了1/倍?？梢?，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。l（4）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。4.3.6磁尺磁尺l磁尺又稱磁柵，也是一種電磁監(jiān)測(cè)裝置。它利用磁記錄原理，將一定波長的矩形波或正弦波由信號(hào)用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測(cè)量基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過檢測(cè)電路將磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位置或位移量用數(shù)字顯示出來，或轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)輸入給數(shù)控機(jī)床。磁尺具有精度高、復(fù)制簡單以及安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在油污、灰塵較多的工作環(huán)境使用時(shí)，仍具有較高的穩(wěn)定性。它作為檢測(cè)元件可用在數(shù)控機(jī)床和其他測(cè)量機(jī)上。圖4-22 磁尺結(jié)構(gòu)原理圖圖4-23 磁通響應(yīng)式磁頭的結(jié)構(gòu)4.3.7測(cè)速電機(jī)測(cè)速電機(jī)l測(cè)速電機(jī)也稱為測(cè)速發(fā)電機(jī)，是一種檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)，為準(zhǔn)確反映伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，如圖4-26 所示。在數(shù)控系統(tǒng)的速度控制單元和位置控制單元中都得到應(yīng)用。圖4-