第六章 数控机床的伺服系统.ppt

第六章 数控机床的伺服驱动系统,第一节 概述第二节 开环步进式伺服系统第三节 数控机床的检测装置第四节 闭环伺服系统第五节 闭环伺服系统分析,数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。,第一节 概述,数控机床的伺服驱动,第一节 概述,数控机床的伺服驱动,第一节 概述,第一节 概述,一、数控机床对数控伺服系统的要求,1、精度高 由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.001-0.01mm，高档设备达到0.1m以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、静态精度较高。2、快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在20ms以内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。,3、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。4、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是24h连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。,第一节 概述,第一节 概述,执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机。闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。,二、数控机床伺服系统的基本组成,7.1 概述,图6-1 数控机床伺服系统的基本组成,驱动控制单元:电路。信号变换、功率放大电路。,执行元件：驱动元件。步进电动机，伺服电动机。,反馈检测单元：半闭、闭环系统有，开环无。,机床：机械传动，运动执行件。,三、伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置：开环、闭环和半闭环伺服系统；按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）,第一节 概述,第一节 概述,1.开环和闭环控制,(1)开环伺服系统,开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。开环伺服系统加工精度低，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。特点：结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。,第一节 概述,(2)闭环伺服系统,有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使系统的设计、安装和调试都相当困难。适用于大型或比较精密的数控设备。,闭环进给伺服系统结构,第一节 概述,第一节 概述,(3)半闭环伺服系统,有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。适用于中小型数控机床。,第一节 概述,进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩，包括速度控制环和位置控制环。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。,2.进给驱动与主轴驱动,第一节 概述,3.直流伺服驱动与交流伺服驱动,直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。直流电动机具有电刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。,伺服驱动系统的发展概况 在50年代，数控机床主要采用液压驱动，称为液压伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。60年代初，日本推出步进电机开环伺服驱动系统，这种系统结构简单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。70年代，直流电机伺服系统采用闭环或半闭环控制，精度提高一个数量级，调速范围可达1：10000，运行速度提高到15-24m/min。直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。在80年代以后，微机和微电子技术的迅速发展，为交流电机伺服系统的调速控制提供了条件，伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。,第一节 概述,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定。但由于该系统没有反馈检测环节，精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。,一、开环步进伺服系统工作原理,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机驱动模块,步进电机,优点：结构简单，价格便宜，工作可靠；缺点：容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；在低速时容易产生振动；细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给驱动。,20,1.步进电动机的种类和结构,力矩,反应式,激磁式,伺服式,功率式,单定子,双定子,多定子,径向分相,轴向分相,功率,定子,分相,第二节 开环步进式伺服系统,二、步进电动机,第二节 开环步进式伺服系统,单定子反应式步进电机利用电磁铁原理，由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组，构成A、B、C三相控制绕组，任一相绕组通电形成一组定子磁极。转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,22,2.步进电机的工作原理,磁力线力图沿磁阻最小（磁导最大）路径闭合,定子：多相绕组 转子：多齿,用电脉冲信号进行控制，将其转换成角位移,电磁吸引原理,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：,三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,三相单三拍：,（1）三相绕组联接方式：Y 型,（2）三相绕组中的通电顺序为：,各相绕组轮流通电一次的操作称为一个通电周期,每个通电周期使转子转过一个齿距角,第二节 开环步进式伺服系统,24,三相单三拍工作方式,假设转子只有4个齿,第二节 开环步进式伺服系统,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐,C,C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐,A,B,C,1,3,2,4,A,B,C,1,3,2,4,A,第二节 开环步进式伺服系统,三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。,失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。,丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。,第二节 开环步进式伺服系统,27,三相六拍工作方式,通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。,第二节 开环步进式伺服系统,28,通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半。特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,三相六拍工作方式,第二节 开环步进式伺服系统,29,A相吸1，3B相吸2，4,C相吸1，3B相吸2，4,C相吸1，3A相吸2，4,双三拍工作方式,第二节 开环步进式伺服系统,30,定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,双三拍工作方式,第二节 开环步进式伺服系统,31,结论,1.步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度即步进电机的步距角；2.改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；3.步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高，转子的转速越高；4.步进电机的步距角与定子绕组的相数m，转子的齿数z，通电方式K有关，由如下关系：式中，三相三拍时（m相m拍）时：K1；三相六拍（m相2m拍）时：K2。,第二节 开环步进式伺服系统,第二节 开环步进式伺服系统,（1）步距角和静态步距误差步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，即有：360/(mzk)。其中：m相m拍时，k1；m相2m拍时，k2，依此类推。例如，三相三拍，z40时，360/(3401)3。一般较小，如：31.5,1.50.75,0.720.36等。静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差，一般在10之内。步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。,3.步进电机主要特性,(2)启动频率fqo 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。(3)连续运行的最高工作频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,第二节 开环步进式伺服系统,(4)矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。,（5）加、减速特性,第二节 开环步进式伺服系统,第二节 开环步进式伺服系统,三.步进电机的驱动控制线路,功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。驱动控制器主要由环形脉冲分配器和功率放大器组成。,37,功用：控制电动机定子绕组按一定顺序改变通电状态使转子克服阻力旋转,脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器 功率放大器,组成：,第二节 开环步进式伺服系统,38,加减速电路(自动升降速电路),根据步进电机加减速特性，进入步进电机定子绕组的电信号的频率变化要平滑而且应有一定的时间常数。但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的。,为了保证步进电机能够正常、可靠地工作，上述跃变频率必须首先进行缓冲，使之变成符合步进电机加减速特性的脉冲频率，然后再送入步进电机的定子绕组。加减速电路就是为此而设置。,经过该电路后，输出脉冲的个数与输入的进给脉冲的个数相等，以保证电机不会丢步。,2-9,第二节 开环步进式伺服系统,39,环形分配器,功能：将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。,实现方法：,硬件环形分配器,软件环形分配器,第二节 开环步进式伺服系统,40,硬件环形分配器,硬件环形分配驱动与数控装置的连接,可由D触发器或JK触发器构成（早期），亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。,TTL集成电路,CMOS集成电路,第二节 开环步进式伺服系统,41,例：CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式。,CMOS集成电路,三相六拍接线图,第二节 开环步进式伺服系统,42,软件环形分配器,由数控装置中的软件完成环形分配，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。,第二节 开环步进式伺服系统,43,软件环形分配器的设计方法:查表法、比较法、移位寄存器法等，常用查表法。,两坐标步进电机伺服进给系统框图,第二节 开环步进式伺服系统,44,16进制,步进电机环形分配器的输出状态表,第二节 开环步进式伺服系统,45,功率放大器,作用：是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号。,电机绕组是电感，流经其中的电流不能突变，产生延时，影响电机性能；且截止时会产生很高的反相电动势，威胁功率器件的安全。,能够提供快速升降的电流，电流波形尽量接近方波；截止期间，具有快速放电回路，降低相绕组两端的反相电动势，加快电流衰减；功耗低，效率高,对驱动电路的要求：,第二节 开环步进式伺服系统,46,种类：所用的功率放大器件：中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；,步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。,功率放大器,工作原理,单电压驱动高低电压驱动 恒流斩波调频调压 细分电路,第二节 开环步进式伺服系统,47,t1t2：V1、V2均导通，U1高压供电，L中的I迅速上升起动时间短，适于高频起动,信号E:Eb1V1 电源：U1高压电源 60V80V Eb2V2 U2 低压电源 12V,t2t3:：V1导通，U2低压供电，I降到稳态值并保持,1高低电压切换驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,48,1高低电压切换驱动电路特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值。,输入脉冲信号为“0”时，T1、T2均截止，IL=0,输入信号为“1”时，T1 导通,而T2在高压控制电路下导通 时间t1较短(100-600 s),绕组在高压 U1下电流 迅速增大至额定值，此时低压 U2无效。,电路分析：,第二节 开环步进式伺服系统,49,t1之后，T2截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流Ie,输入脉冲信号消失(为“0”)，T1、T2均截止，L上电流经放电回路：LRD2U1U2D1L 迅速下降,U1,U2,1高低电压切换驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,50,缺点：晶体管多，电源多，线路复杂（脉宽变换），成本高,优点：功率损耗低，起动快 力矩大，适用频率高,适于：大功率，高频工作的步进电动机,存在的问题：,绕组上电流Il 随外加电压(U1、U2)变化而变化，当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定,绕组电流波形下凹，使电机输出转矩降低,3)R的存在使效率降低,1高低电压切换驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,51,2恒流斩波电路,在绕组回路中串接电流检测电路：,当绕组电流下降至一定下限时，由检测电路发生信号、控制高压管再度接通，使绕组 电流回升；,当电流增至某一上限时，再次断开高压管。,第二节 开环步进式伺服系统,52,2恒流斩波电路,特点：电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。一个步进周期内，高压管多次通断，使电流在上、下限间波动，接近恒定值。,为了提高系统的高频响应，提高供电电压、加快电流上升前沿，但这样可能会引起步进电动机低频振荡加剧，甚至失步。,存在的问题：,第二节 开环步进式伺服系统,53,特点：步进电机在低频段运行时，供电电压降低，在高频段运行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速的增加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩。,3调频调压驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,54,4细分驱动电路,定义：将通向定子的额定电流分成n等份，转子以n次通电方式最终达到额定电流，使原来每个脉冲走一个步距角，变成了每次通电走1/n个步距角，即将原来一个步距角细分为n等份，从而提高了步进电动机的精度，这种控制方法称为步进电动机的细分控制，或称为细分驱动。,细分方案的本质：通过一定的措施生成阶梯电压或电流，然后通向定子绕组。,55,可变细分控制功率放大电路,特点：将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机各相绕组电流的大小和比例。提高步进电机的精度和分辨率，且运转平稳。,第二节 开环步进式伺服系统,第二节 开环步进式伺服系统,四.提高步进伺服系统精度的措施,1.传动间隙补偿 传动元件的齿轮、丝杠制造装配误差使机械传动链在改变运动或旋转方向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电机的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。2.螺距误差补偿 滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。设备运行时，工作台每经过一个补偿点，CNC系统就加入补偿量，补偿螺距误差。3.细分线路：将一个步距角细分为若干步的驱动方法。,第三节 数控机床的检测装置,作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；（3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4）成本低。,概述,（一）直接测量和间接测量 1.直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,第三节 数控机床的检测装置,（二）数字式测量和模拟式测量1.数字式测量 将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。2.模拟量测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。对信号处理的方法相对来说比较复杂。,第三节 数控机床的检测装置,（三）增量式测量和绝对式测量1.增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。2.绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。,第三节 数控机床的检测装置,（一）结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。工作原理与普通变压器基本相似，根据互感原理工作,其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。,一、旋转变压器,有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,第三节 数控机床的检测装置,1.旋转变压器的结构有电刷集电环结构和无刷结构。每一类又分为单对极元件、多对极元件（或称多极元件）。,62,旋转变压器结构示意1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心 6-端盖 7-电刷 8-集电环,2.旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理和普通变压器的基本相似，区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数；而旋转变压器的一次、二次绕组之间是随着转子的角位移发生相对位置变化的，因而其输出电压的大小也随之而变化。也就是说当定子绕组加上交流电压时，转子绕组输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组磁轴线在空间的相对位置。转子绕组电压的频率与定子绕组的相同，但幅值随转子与定子的相对角位移的正弦函数而变化。所以只要测出转子的输出电压的幅值，就可求出转子相对定子的角位移,63,。,64,65,当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，=0，不产生感应电压；当两磁轴平行时，=90，感应电压最大；当两磁轴为任意角度时，感应电压为：式中：K变压比(转子绕组与定子绕组 的匝数比)，U1励磁电压，Um励磁电压的幅值，励磁电压的角频率。,3.旋转变压器的应用旋转变压器的工作方式（1）鉴相工作方式,66,该方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的相位确定被测角位移，即给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位差为90的励磁电压，这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压是叠加在一起的。因而转子中的感应电压为两个电压的代数和，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的转角。,67,Vs=Vmsint Vc=Vmcost E2=KV m cos-KV csin=KV m(sintcos-costsin)=KV m sin(t-),（2）鉴幅工作方式,68,该方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的幅值确定被测角位移，即给定子的两个绕组分别通以同相、同频但幅值不同的交流励磁电压，转子输出电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转子转角值。,69,Vs=Vmsin电sint Vc=Vmcos电sint E2=KV m cos机-KV csin机=KV m sint(sin电cos机-cos电sin机=KV m sin(电-机)sint,感应电势（E2）是以为角频率、以Vm sin(电-机)为幅值的交变电压信号。若电气角电已知，只要测出E2 幅值(利用E2=0)，便可间接的求出机械角机，从而得出被测角位移。,二、感应同步器1.感应同步器的结构和特点感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角变为电信号，借以进行位置检测的反馈控制，在数控机床上使用极为普遍。按其用途可分为两大类：直线感应同步器和圆感应同步器。前者用于直线位移的测量，后者用于转角的测量。在结构上，两者都包括固定和运动两大部分，对旋转式分别称为定子和转子；对直线式分别称为定尺和滑尺。,70,感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件，由旋转变压器演变而来。它的极对数可以做得很多，一般取360对极、720对极，最多的达2000对极。由于多极结构，在电与磁两方面对误差都起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同步器的励磁频率一般取210kHz。（1）圆感应同步器它由定子和转子组成。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组（sin绕组和 cos 绕组做成分段式，两相绕组交差分布，相差90电相角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来,71,），,。,72,（2）直线式感应同步器,考虑到接长和安装，通常定尺绕组做成连续式单相绕组,滑尺上配置断续绕组，并且分为正弦励磁绕组和余弦励磁绕组，这两个绕组在空间上错开90电相角。,73,感应同步器的使用特点 精度高 可拼接成各种需要的长度 对环境的适应性强 使用寿命长 注意安装间隙,根据测量长度的要求，采用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整，使拼接后总长度的精度保持（或略低于）单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式有两种：当定尺少于10块时，将各绕组串联连接，当多于10块时，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联，以不使定尺绕组阻抗过高为原则。,直线式感应同步器金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。感应同步器为非接触式电磁耦合器件，可选耐温性能好的非导磁性材料作保护层，加强了其抗温防湿的能力，同时在绕组的每个周期内，任何时候都可以给出与绝对位置相对应的单值电压信号，不受环境干扰的影响。,由于感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采用专门的工艺方法制作精确。再加上它的极对数多，定尺上的感应电压信号是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所以测量精度高。目前直线感应同步器的精度可达0.001mm,重复精度0.0002mm,灵敏度0.00005m。直径为302mm的感应同步器的精度可达0.5,重复精度0.1，灵敏度0.05。,由于感应同步器定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必须用钢带或折罩覆盖，以免切屑划伤滑尺与定尺的绕组。,感应同步器安装时要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在（0.020.25）mm0.05mm以内，滑尺在移动过程中，由于晃动所引起的间隙变化也必须控制在0.01mm之内。如果间隙过大，必将影响测量信号的灵敏度。,2.感应同步器的工作原理,74,当滑尺上励磁绕组和定尺上的绕组位置重合时，耦合磁通最大，感应电动势也最大。,当继续平行移动滑尺时，感应电动势逐渐减小，当移动到1/4节距位置处，在感应绕组内的感应电动势为零。,继续移动到半个节距处，可得到与初始位置极性相反的最大感应电动势。,在3/4节距处，感应电动势又 变为零。,移动到下一个节距时，又回到与初始位置完全相同的耦合状态，感应电动势最大。这样，感应电动势随滑尺相对于定尺的移动而呈周期性变化。,75,(1)鉴相型系统当在正弦绕组加励磁电压Us=Umsint，它在定尺绕组中产生的感应电动势为：式中 K耦合系数，与位移X对应的角度，定、滑尺相对移动一个节距P=2，从0变到2，即,76,同理，在余弦绕组加励磁电压Uc=Umcost，它在定尺绕组中产生的感应电动势为：应用迭加原理，定尺上的感应电动势为：下张片子中上面这张图是鉴相检测系统方框图；下面这张图是脉冲相位变换器方框图。,77,78,（2）鉴幅式系统 鉴幅式伺服系统原理框图,进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。,出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。,同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。,若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。,根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,三、光栅,第三节 数控机床的检测装置,（二）工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。,直线光栅莫尔条纹,第三节 数控机床的检测装置,1）放大性,2）平均效应 莫尔条纹是由若干条线纹共同形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响。,3）移动规律 光栅相对移动一个W，莫尔条纹移动一个B，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化。,第三节 数控机床的检测装置,脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。特点：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。按编码的方式，可分为增量式和绝对值式两种。,四、脉冲编码器,第三节 数控机床的检测装置,光电式脉冲编码器由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成。光电盘是用玻璃材料表面制成向心透光窄缝，窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过处理后输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。,（一）增量式编码器,第三节 数控机床的检测装置,绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对值式编码器利用其圆盘上的图案来表示数值。,(二)绝对值式编码器,第三节 数控机床的检测装置,第四节 闭环伺服系统,1 直流伺服电机（1）直流伺服电机的结构定子：产生定子磁极、磁场。转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。数控机床的使用的直流伺服电机主要是大功率直流伺服电机：小惯量直流伺服电机：最大限度地减小电枢的转动惯量，可以获得较快的响应速度。宽调速直流伺服电机：转子直径较大，力矩大，转动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作。,一、闭环伺服系统的执行元件,其中：n为电机转速，Ua为电枢外加电压，Ce为反电动势常数，为电机磁通量，Ra为电枢电阻，Cm为转矩常数，M为电磁转矩。直流电机的三种调速方法：改变电枢外加电压Ua。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。改变磁通量。改变励磁线圈电压使磁通量改变，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。改变电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。目前应用最多的是晶体管脉宽调制（PWM）调速系统：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压加到直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，调节电机的转速。,直流伺服电机速度调节,直流电机机械特性公式：,第四节 闭环伺服系统,2.交流伺服电动机,直流电机缺点：电刷和换向器有磨损，有时会产生火花；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；电机最高速度受限制；结构复杂，成本较高。交流伺服电动机没有直流伺服电动机上述的缺点，而且转子惯量比直流伺服电动机小，动态响应好。同样体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高1020。交流伺服电动机的容量可以做得比直流伺服电动机大，达到更高的转速。从80年代后期开始，交流伺服电动机逐渐替代直流伺服电动机占据主要位置。,第四节 闭环伺服系统,交流伺服电机的类型交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间相距90电角度，一相作为励磁绕组，运行时接到交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制电压。主要有：永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。,第四节 闭环伺服系统,交流异步电机的转速表达式为：,交流电机的速度控制,f1 定子电源频率（Hz）；p 磁极对数；s 转差率。异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。（1）变磁极对数：通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数来实现，只能产生二种或三种转速，不能无级调速，应用范围较窄。（2）改变转差率：只适合于异步型交流电机的调速，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。（3）变频调速：通过改变电机电源的频率而改变电机的转速。变频调速从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。,（r/min