數(shù)控技術(shù)第六章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng).ppt

第 6 章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng),機(jī)械電子工程系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化教研室 李德儉 副教授,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,2,目 錄,第一節(jié) 概 述,第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置,第四節(jié) 直流電動機(jī)伺服系統(tǒng),復(fù)習(xí)題,第二節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng),第五節(jié) 交流電動機(jī)伺服系統(tǒng),白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,3,第一節(jié) 概 述,一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的概念及組成 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機(jī)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(jìn)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(yùn)動。數(shù)控機(jī)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(jī)構(gòu)或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,4,伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床主體之間，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)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(jī)床,CNC系統(tǒng),指令,動作,脈沖頻率 脈沖數(shù)量,速度 位置,伺服系統(tǒng)的作用示意圖,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,5,伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,6,伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號（5V左右，mA級），放大成強(qiáng)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(jī)，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成電動機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機(jī)床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床主體運(yùn)動的速度控制和位置控制，達(dá)到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標(biāo)。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,7,伺服系統(tǒng)的組成 組成：伺服電機(jī) 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,8,位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。 嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。,伺服系統(tǒng)的組成,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,9, 精度高 穩(wěn)定性好 快速響應(yīng)好 調(diào)速范圍寬 低速大轉(zhuǎn)矩,調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024m / min。 為適應(yīng)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(jī)床的進(jìn)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(jī)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(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在030m/min，高的可達(dá)240 m/min。,伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。 為了保證數(shù)控機(jī)床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機(jī)床機(jī)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(jìn)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(shè)備的定位精度還應(yīng)在0.1m以內(nèi)。,快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，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(yīng)特性，也就是要求伺服電動機(jī)起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。電動機(jī)轉(zhuǎn)速從0升至1500r/min的時(shí)間控制在0.2s以內(nèi)。,由于機(jī)床在低速切削時(shí)，切深和進(jìn)給都比較大，也就是說吃刀抗力較大，這就要求主軸電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該較大。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的伺服電動機(jī)通常都是與絲杠直接相連，中間沒有減速齒輪，這就要求進(jìn)給電動機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。,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(dá)到新的或者恢復(fù)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(fù)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(fù)載或切削條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，負(fù)載力矩的變化對進(jìn)給速度的影響很小。,二、伺服系統(tǒng)應(yīng)具有的基本性能,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,10,對伺服電機(jī)的要求： （1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時(shí)的速度平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象。 （2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。 （3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上)。 （4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。,三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 位置控制系統(tǒng)是保證位置精度的重要環(huán)節(jié)。 速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電動機(jī)、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(jī)轉(zhuǎn)速。 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)。 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(jī)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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,11,（一）位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 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(biāo)和頻帶寬度。 6.系統(tǒng)對階躍信號輸入的響應(yīng)特性。 7.等速跟蹤狀態(tài)下，負(fù)載擾動所造成的瞬時(shí)誤差和過渡過程時(shí)間。 8.對系統(tǒng)工作制、平均無故障時(shí)間（MTBF）、可靠性、使用壽命的要求。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,12,（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(yùn)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(yīng)特性。 6.負(fù)載擾動下的系統(tǒng)響應(yīng)特性。 7.對系統(tǒng)工作制、平均無故障工作時(shí)間、可靠性以及使用壽命等要求。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,13,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,14,四、伺服系統(tǒng)的分類 1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),白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,15,開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),無位置反饋（測量），信號流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)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(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的性能和精度。,開環(huán)系統(tǒng)通常使用步進(jìn)電動機(jī)。 在開環(huán)系統(tǒng)中，插補(bǔ)脈沖經(jīng)功率放大后直接控制步進(jìn)電動機(jī)，由輸出脈沖的頻率來控制步進(jìn)電動機(jī)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,16,半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動部件的實(shí)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(jī)的速度。,半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)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。,由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)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(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。,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(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,17,全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng)通常使用直流伺服電動機(jī)或交流伺服電動機(jī)。,全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動部件的實(shí)際位置進(jìn)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(jī)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(jī)的速度和工作臺的位置。因此從理論上講，可以消除整個(gè)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0.0010.003mm。,由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)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(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。,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(jī)床等。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,18,2按使用的驅(qū)動元件分類 （1）電液伺服系統(tǒng) （2）電氣伺服系統(tǒng) 3按被控對象分類 （1）進(jìn)給伺服系統(tǒng) （2）主軸伺服系統(tǒng) 4按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng),第二節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng),步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用的電源是脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電機(jī)用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電動機(jī)，一般電動機(jī)通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進(jìn)電動機(jī)卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。 步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，是由電動機(jī)繞組的脈沖電流控制的，也就是說由指令脈沖決定的。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,19,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,20,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(jìn)電動機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角；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(jìn)電動機(jī)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(shí)，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)。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,21,一、步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理 1.步進(jìn)電機(jī)的分類 按力矩產(chǎn)生的原理分： 磁阻式（反應(yīng)式）、感應(yīng)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(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。下圖是一典型的單定子、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，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(gè)磁極上面向 轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5 個(gè)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(gè)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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,22,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,23,3步進(jìn)電動機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理?，F(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例說明。,若按A-B-C-A通電相序連續(xù)通電，則步進(jìn)電機(jī)就連續(xù)地沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，每換接一次通電相序，步進(jìn)電機(jī)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30，即步距角為30。反之則為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。,圖6-4 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理,當(dāng)A相通電時(shí)，電動機(jī)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(cuò)開30,當(dāng)B相通電時(shí)，電動機(jī)鐵芯BB方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)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(cuò)開30。,當(dāng)C相通電時(shí)，電動機(jī)鐵芯CC方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子1、3齒與C相磁極對齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對錯(cuò)開30。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,24,三相單三拍：(正轉(zhuǎn)) A, B, C,(反轉(zhuǎn)) ACBA,A,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,25,三相雙三拍：(正轉(zhuǎn)) AB,AB,CA,BC,(反轉(zhuǎn)) ACCBBAAC,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,26,請看原理動畫。, AB, B, BC, C, CA, A,(反轉(zhuǎn)) A AC C CB B BA A,三相六拍：(正轉(zhuǎn)) A,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,27,m相步進(jìn)電機(jī)通電方式 m相單m拍： 例 ABC D EA m相雙m拍： 例 ABBCCD DEEA AB 或 ABCBCDCDE DEAEAB ABC m相2m拍： 例 A AB B BC C CD D DEE EA A 或 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEAEA EAB AB,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,28,三種通電方式的特點(diǎn)： 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(shí)有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定。 2m拍： 步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運(yùn)行穩(wěn)定。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,29,二、步進(jìn)電機(jī)的主要特性 步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量與輸入的指令脈沖數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸入的脈沖同步；而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與指令脈沖頻率成正比。 在步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力允許的 情況下，這種線性關(guān)系不會 因?yàn)樨?fù)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(shí)現(xiàn)對機(jī)床運(yùn) 動速度和位置的控制。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,30,（1）步距角和靜態(tài)步距誤差 步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)和控制方式。步距角可由下式計(jì)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)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(jìn)電動機(jī)通電的脈沖頻率為f，則步進(jìn)電動機(jī)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 矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。 空載時(shí)，若步進(jìn)電機(jī)某相繞組通電，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(shí)，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電機(jī)軸上加一逆時(shí)針方向的負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就要逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度才能重新穩(wěn)定下來，這時(shí)轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩Mj和負(fù)載轉(zhuǎn)矩M相等。我們稱Mj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，為失調(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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,31,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(yīng)的轉(zhuǎn)矩叫做最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，用Mjmax表示，它表示步進(jìn)電機(jī)承受負(fù)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(jī)帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性愈好。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,32,曲線A和B的交點(diǎn)所對應(yīng)的力矩Mq是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最大起動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載力矩Mf小于Mq時(shí)，電機(jī)才能正常起動運(yùn)行，否則，將造成失步，電機(jī)也不能正常啟動。,（3）起動頻率fq 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然起動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為起動頻率或突跳頻率。若起動時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常起動。空載起動時(shí)，步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行的最高工作頻率fmxa 步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率fmxa，稱為最高工作頻率。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(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,33,（5）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性Md=F（f）所描述的 是步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸 出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)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(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 動態(tài)轉(zhuǎn)矩Md。可見動態(tài)轉(zhuǎn)矩的 基本趨勢是隨連續(xù)運(yùn)行頻率的增大而降低。 （6）加減速特性 步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)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(shí)間的關(guān)系。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,34,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,35,步進(jìn)電動機(jī)控制框圖,四、步進(jìn)電動機(jī)的控制方法 步進(jìn)電動機(jī)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。,三、三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 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(jī)繞組,-向,+向,如電壓、電流、溫度等，只要沒有引起反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生失步，就都不會影響步距角。,雖然反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(yīng)的線路。,環(huán)形分配器 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(yīng)的勵磁繞組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)按規(guī)定的方式進(jìn)行工作。 脈沖分配有兩種方式： 一種是由專門的硬件脈沖分配器來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(jìn)電動機(jī)控制指令所需要的順序脈沖。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,36,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,37,特點(diǎn)：需要專用硬件資源，運(yùn)行效率高。,另一種是由計(jì)算機(jī)的軟件來完成的軟件脈沖分配： 軟件脈沖分配是用軟件來實(shí)現(xiàn)脈沖分配的。它是預(yù)先將邏輯序列按地址的順序存入到ROM當(dāng)中。在工作時(shí)，就根據(jù)計(jì)算的指令步數(shù)求出每一步相應(yīng)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(jìn)電動機(jī)就按設(shè)定的節(jié)拍連續(xù)運(yùn)行。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,38,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,39,特點(diǎn)：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運(yùn)行效率低，用于速度要求不高處,五、步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的功率驅(qū)動 在實(shí)際的控制過程當(dāng)中，環(huán)形分配器的輸出信號很小，而步進(jìn)電動機(jī)的繞組電流又很大。所以需要進(jìn)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(xì)分驅(qū)動電路等形式的驅(qū)動電路。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,40,提速（限流）電阻Rc：改變時(shí)間常數(shù)，提高響應(yīng)速度 續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護(hù) 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。 應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,41,1.單電壓功率放大電路,42,2. 雙電壓驅(qū)動電路 這種驅(qū)動電路供給步進(jìn)電動機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是低電壓U2，一般為12V或24V；另一種是高電壓U1，電壓為80V以上。見圖。,在相序輸入信號IN、IL到來時(shí)，VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)， VT1關(guān)斷、 VT2仍然導(dǎo)通（tN的脈寬小于tL），則自動切換到低壓U2,該電路的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是電流波形有谷點(diǎn)，波形如圖。,43, 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(diǎn)，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點(diǎn)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(jìn)電動機(jī)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(shí)導(dǎo)通，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(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，?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(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔茫拐坞娐窡o信號輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。,如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個(gè)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。,44,六、步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù) 把額定電流分成n個(gè)極分別進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)子就會以n個(gè)通電極別所決定的步數(shù)來完成原有一個(gè)步距角所轉(zhuǎn)過的角度，使原來的每個(gè)脈沖走過一個(gè)步距角，變成了每個(gè)脈沖走1/n個(gè)步距角，即把原來一個(gè)步距角細(xì)分成n份，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的精度。 三相步進(jìn)電動機(jī)線性細(xì)分后，原來一相的一個(gè)大脈沖由現(xiàn)在的n個(gè)階梯脈沖所代替。 通過細(xì)分驅(qū)動可得到更小的脈沖當(dāng)量，因而提高了定位精度?；旧舷瞬竭M(jìn)電機(jī)的低速振動問題，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有噪聲。 請看原理動畫2。,第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置,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。 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(jī)械位移、速度或加速度，利用這些量的反饋實(shí)現(xiàn)精確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置（即傳感器）起著測量和反饋兩個(gè)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(jī)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。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于測量線路。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,45,數(shù)控機(jī)床上使用的檢測裝置應(yīng)滿足以下要求： 準(zhǔn)確性好，滿足精度要求，工作可靠，能長期保持精度。 滿足速度、精度和機(jī)床工作行程的要求。 可靠性好，抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境的要求。 使用、維護(hù)和安裝方便，成本低。 對大型機(jī)床以滿足速度為主，對中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足精度為主。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,46,檢測裝置的分類 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。 根據(jù)安裝的位置及耦合方式直接測量和間接測量。 按測量方法增量型和絕對型。 按檢測信號的類型模擬式和數(shù)字式。 根據(jù)運(yùn)動型式 回轉(zhuǎn)型和直線型。 按信號轉(zhuǎn)換的原理光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,47,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,48,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,49,一、旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電動機(jī)，它將機(jī)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。 在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動機(jī)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。 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，維護(hù)方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強(qiáng)，但測量精度較低，一般用于精度要求不高或大型機(jī)床的粗測及中測系統(tǒng)。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,50,1.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）。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,51,旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意 1-轉(zhuǎn)軸 2-軸承 3-機(jī)殼 4-轉(zhuǎn)子鐵心 5-定子鐵心 6-端蓋 7-電刷 8-集電環(huán),2.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(dāng)定子繞組加上交流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)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(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,52,。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,53,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,54,當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時(shí)，=0，不產(chǎn)生感應(yīng)電壓；當(dāng)兩磁軸平行時(shí)，=90，感應(yīng)電壓最大；當(dāng)兩磁軸為任意角度時(shí)，感應(yīng)電壓為： 式中： K變壓比(轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組 的匝數(shù)比)， U1勵磁電壓， Um勵磁電壓的幅值， 勵磁電壓的角頻率。,3.旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式 （1）鑒相工作方式,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,55,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(gè)繞組分別通以同幅、同頻但相位差為90的勵磁電壓，這兩個(gè)勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是疊加在一起的。因而轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓為兩個(gè)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(yán)格的對應(yīng)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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,56,Vs=Vmsint Vc=Vmcost E2=KV m cos- KV csin =KV m (sintcos- costsin) =KV m sin(t-),（2）鑒幅工作方式,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,57,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(gè)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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,58,Vs=Vmsin電sint Vc=Vmcos電sint E2=KV m cos機(jī)- KV csin機(jī) =KV m sint(sin電cos機(jī)- cos電sin機(jī) =KV m sin(電-機(jī)) sint,感應(yīng)電勢（E2）是以為角頻率、以Vm sin(電 -機(jī) )為幅值的交變電壓信號。若電氣角電已知，只要測出E2 幅值(利用E2 =0)，便可間接的求出機(jī)械角機(jī) ，從而得出被測角位移。,二、感應(yīng)同步器 1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 感應(yīng)同步器是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娦盘?，借以進(jìn)行位置檢測的反饋控制，在數(shù)控機(jī)床上使用極為普遍。 按其用途可分為兩大類：直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)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(yùn)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(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,59,感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)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(dá)2000對極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面對誤差都起補(bǔ)償作用，所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵磁頻率一般取210kHz。 （1）圓感應(yīng)同步器 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(dǎo)線串聯(lián)起來,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,60,），,。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,61,（2）直線式感應(yīng)同步器,考慮到接長和安裝，通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組,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組，這兩個(gè)繞組在空間上錯(cuò)開90電相角。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,62,感應(yīng)同步器的使用特點(diǎn) 精度高 可拼接成各種需要的長度 對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 使用壽命長 注意安裝間隙,根據(jù)測量長度的要求，采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整，使拼接后總長度的精度保持（或略低于）單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式有兩種：當(dāng)定尺少于10塊時(shí)，將各繞組串聯(lián)連接，當(dāng)多于10塊時(shí)，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過高為原則。,直線式感應(yīng)同步器金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測量精度。感應(yīng)同步器為非接觸式電磁耦合器件，可選耐溫性能好的非導(dǎo)磁性材料作保護(hù)層，加強(qiáng)了其抗溫防濕的能力，同時(shí)在繞組的每個(gè)周期內(nèi)，任何時(shí)候都可以給出與絕對位置相對應(yīng)的單值電壓信號，不受環(huán)境干擾的影響。,由于感應(yīng)同步器是直接對機(jī)床位移進(jìn)行測量，中間不經(jīng)過任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專門的工藝方法制作精確。再加上它的極對數(shù)多，定尺上的感應(yīng)電壓信號是多周期的平均效應(yīng)，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測量精度高。目前直線感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.001mm,重復(fù)精度0.0002mm,靈敏度0.00005m。直徑為302mm的感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5,重復(fù)精度0.1，靈敏度0.05。,由于感應(yīng)同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒有磨損，所以壽命長。但是感應(yīng)同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。,感應(yīng)同步器安裝時(shí)要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在（0.020.25）mm0.05mm以內(nèi)，滑尺在移動過程中，由于晃動所引起的間隙變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如果間隙過大，必將影響測量信號的靈敏度。,2.感應(yīng)同步器的工作原理,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,63,當(dāng)滑尺上勵磁繞組和定尺上的繞組位置重合時(shí)，耦合磁通最大，感應(yīng)電動勢也最大。,當(dāng)繼續(xù)平行移動滑尺時(shí)，感應(yīng)電動勢逐漸減小，當(dāng)移動到1/4節(jié)距位置處，在感應(yīng)繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢為零。,繼續(xù)移動到半個(gè)節(jié)距處，可得到與初始位置極性相反的最大感應(yīng)電動勢。,在3/4節(jié)距處，感應(yīng)電動勢又 變?yōu)榱恪?移動到下一個(gè)節(jié)距時(shí)，又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，感應(yīng)電動勢最大。這樣，感應(yīng)電動勢隨滑尺相對于定尺的移動而呈周期性變化。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,64,(1) 鑒相型系統(tǒng) 當(dāng)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(yīng)電動勢為： 式中 K耦合系數(shù)， 與位移X對應(yīng)的角度，定、滑尺相對移動一個(gè)節(jié)距P=2，從0變到2，即,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,65,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(yīng)電動勢為： 應(yīng)用迭加原理，定尺上的感應(yīng)電動勢為： 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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,66,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,67,（2）鑒幅式系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖,進(jìn)入比較器的信號有兩路，一路來自進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機(jī)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(shí)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(jìn)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(jī)帶動工作臺移動。,同時(shí)，工作在鑒幅狀態(tài)的感應(yīng)同步器的定尺感應(yīng)出電壓信號，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進(jìn)入比較器與進(jìn)給脈沖進(jìn)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(shí)際移動的距離還不等于指令信號要求移動的距離，伺服電機(jī)繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時(shí)停止。,三、脈沖編碼器 1.脈沖編碼器的分類和結(jié)構(gòu) 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)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(yīng)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(jī)床上常用的有：2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,68,這種檢測方式的特點(diǎn)是： 檢測方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動力矩?。?由于光電變換性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。 其缺點(diǎn)是抗污染能力差，容易損壞。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,69,光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu) 1-光源； 2-圓光柵； 3-指示光柵； 4-光電池組； 5-機(jī)械部件； 6-護(hù)罩；7-印刷電路板,2.光電脈沖編碼器的工作原理,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,70,兩個(gè)光電元件錯(cuò)開90相位角安裝。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)節(jié)距時(shí)，在光源照射下，就在光電元件上得到一個(gè)光電波形輸出,A相比B相導(dǎo)前90。若A相導(dǎo)前B相時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相導(dǎo)前A相時(shí)就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。利用A相與B相的相應(yīng)關(guān)系可以判別編碼器的旋轉(zhuǎn)方向,A、B信號為具有90相位差的正弦波，這組信號經(jīng)放大器放大與整形，得下圖所示的輸出方波,3. 光電脈沖編碼器的應(yīng)用 光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給CNC裝置有幾種方式： 一是適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖。 二是適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,71,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,72,應(yīng)用一： 適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)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(jìn)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(diǎn)）。,當(dāng)光電脈沖編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A相信號超前B相信號，經(jīng)過單穩(wěn)電路變成d點(diǎn)的窄脈沖，與B相比反向后c點(diǎn)的信號e相，由e點(diǎn)輸出正向計(jì)數(shù)脈沖。,f點(diǎn)由于在窄脈沖出現(xiàn)時(shí)，b點(diǎn)的信號為低電平，所以f點(diǎn)也保持低電平。這時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)。,當(dāng)光電脈沖編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，B相信號超前A相信號，在d點(diǎn)窄脈沖出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)閏點(diǎn)是低電平，所以e點(diǎn)保持低電平。,f點(diǎn)輸出窄脈沖，作為反向減計(jì)數(shù)脈沖。這時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了不同旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，數(shù)字脈沖由不同通道輸出，分別進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器做進(jìn)一步的誤差處理工作。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,73,應(yīng)用二： 適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。,正走時(shí)，A脈沖超前B脈沖，B方波和A1窄脈沖進(jìn)入C“與非門”，A方波和B1窄脈沖進(jìn)入D“與非門”，則C門和D門分別輸出高電平和負(fù)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(jìn)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(gè)信號使由1、2“與非門”組成的“R-S”觸發(fā)器置“0”，（此時(shí)，Q端輸出“0”，代表正方向），使3“與非門”輸出正走計(jì)數(shù)脈沖。,反走時(shí)， 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(jìn)入C、 D“與非門”，但由于其信號相位不同，使C門和D門分別輸出負(fù)脈沖和高電平。,從而將 “R-S”觸發(fā)器置“1”，（此時(shí)，Q端輸出“1”，代表負(fù)方向），使3“與非門”輸出反走計(jì)數(shù)脈沖。不論正走、反走，與非門3都是計(jì)數(shù)脈沖輸出門、 “R-S”觸發(fā)器的Q端輸出方向控制信號。,四、絕對式編碼器 1.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(jì)數(shù)制來分類，有二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（葛萊碼）、余三碼和二一十進(jìn)制碼等編碼器。 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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,74,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,75,2.結(jié)構(gòu)及工作原理 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“0”表示，涂黑的部分不透光，用“1”表示。,二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是圖案轉(zhuǎn)移點(diǎn)不明確，將在使用中產(chǎn)生較多的誤差,葛萊編碼盤是改進(jìn)后的，它的特點(diǎn)是每相鄰十進(jìn)制數(shù)之間只有一位二進(jìn)制碼不同。因此，圖案的切換只用一位數(shù)進(jìn)行。所以能把誤讀控制在一個(gè)數(shù)單位之內(nèi)，提高了可靠性,絕對值式編碼器一般都做成二進(jìn)制編碼，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(jìn)制的倍數(shù)相同?？拷鼒A心的碼道代表高倍數(shù)碼，越往外倍數(shù)越低，最外圈是最低位。,五、光柵 光柵用于光譜分析和光波波長的測定，是測量數(shù)控機(jī)床工作臺位移的光電檢測元件。 光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵。 物理光柵刻線細(xì)密，用于光譜分析和光波波長的測定。 計(jì)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(dá)0.1m，主要用在數(shù)字檢測系統(tǒng)。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,76,1.光柵的種類 光柵傳感器為動態(tài)測量元件，按運(yùn)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(yùn)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(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)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(jī)床上應(yīng)用較廣。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,77,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,78,光柵測量系統(tǒng),光柵是由光源、聚光鏡、主光柵、指示光柵和光敏元件等構(gòu)成。,主光柵和指示光柵分別安裝在機(jī)床的移動部件及固定部件上，兩者相對移動，相互平行，它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。主光柵和指示光柵的刻線錯(cuò)開一定的角度，以得到莫爾條紋。,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刻出均勻密集的線紋。 光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離稱為柵距。對于圓光柵，這些線紋是圓心角相等的向心條紋。兩條向心紋線之間的夾角稱為柵距角。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。 對于長光柵，金屬反射光柵的線紋密度為2550/mm；玻璃透射光柵為100250/mm對于圓光柵，一周內(nèi)刻有10800條線紋（圓光柵直徑為270mm，360進(jìn)制）。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,79,。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,80,光柵的結(jié)構(gòu) 1-防護(hù)墊 2-光柵讀數(shù)頭 3-標(biāo)尺光柵 4-防護(hù)罩,光柵讀數(shù)頭 1-光源 2-準(zhǔn)直鏡 3-指示光柵 4-光敏元件 5-驅(qū)動線路,什么叫莫爾條紋？ 柵距相同的主光柵和指示光柵，刻線面相對的重疊在一起，中間留有適當(dāng)小的間隙，并且兩者刻線錯(cuò)開一定的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。這樣由于光的干涉效應(yīng)，就會產(chǎn)生和柵線接近于垂直的明暗相間的條紋，這些條紋就是莫爾條紋。 嚴(yán)格地說，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。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,81,圖6-25 莫爾條紋,莫爾條紋中相鄰兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的間距,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,82,莫爾條文寬度B的理論公式,莫爾條紋,莫爾條紋的特征（特點(diǎn)）： （1）莫爾條紋的變化規(guī)律 兩片兩光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移過的柵距數(shù)同步。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,83,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,84,（2）放大作用 用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，在兩光柵柵線夾角較小的情況下，如圖6-25所示則有 莫爾條紋寬度W與角成反比， 越小，放大倍數(shù)越大。就不需要經(jīng)過復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，便能將光柵的柵距放大，從而大大減化了電子放大線路。,（3）均化柵距誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,85,（4） 辨向作用 當(dāng)光柵尺移動一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地移動一個(gè)間距 W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個(gè)柵距，工作臺移動的距離可以計(jì)算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反（見圖6-25）。 若標(biāo)尺光柵不動，將指示光柵轉(zhuǎn)一很小的角度，兩者移動方向及光柵夾角關(guān)系如下表所示。因莫爾條紋移動方向與光柵移動方向垂直，可用檢測垂直方向?qū)挻蟮哪獱枟l紋代替光柵水平方向移動的微小距離。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,86,莫爾條紋移動方向與光柵移動方向及光柵夾角的關(guān)系表,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,87,請看動畫,3.提高光柵檢測分辨精度的細(xì)分電路 利用莫爾條紋的特點(diǎn)，光敏元件可以把光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，根據(jù)電壓信號的變化，我們就可測量出光柵的相對位移情況，如位移大小、位移方向和移動速度等。 在光柵測量系統(tǒng)中，為了提高分辨率和測量精度，不可能僅靠增大柵線的密度來實(shí)現(xiàn)。工程上采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)。細(xì)分技術(shù)有光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分等方法。伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是電子細(xì)分法。最基礎(chǔ)的是4倍頻光柵位移-數(shù)字變換電路。這種電路的組成就是后面這張圖。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,88,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,89,然后經(jīng)過位移-數(shù)字變換電路形成正走、反走時(shí)的正向、反向脈沖,光柵移動時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接受,a、c信號是相位差為180的兩個(gè)信號，送入差動放大器放大，得到sin信號。將信號幅度放大到足夠大。,同理b、d信號送入到另一個(gè)差動放大器，得到cos信號。,然后將這4個(gè)方波信號再經(jīng)過微分變成4個(gè)窄脈沖，由與門電路把0、90、180和270四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的移動方向形成正向脈沖或反向脈沖。最后再計(jì)算出脈沖個(gè)數(shù)，來測量光柵的實(shí)際位移。,sin、cos信號經(jīng)過整形器的整形變成兩個(gè)方波，這兩個(gè)方波信號再經(jīng)過反向又得到兩個(gè)方波信號。,由4塊光電池發(fā)出的信號分別為a、b、c和d，相位彼此相關(guān)90,六、磁柵 磁柵（磁尺）是一種高精度的位置檢測裝置，可用于長度和角度的測量，具有精度高，加工工藝比較簡單，安裝調(diào)試方便及使用條件要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)。在油污和粉塵較多的工作條件下使用具有較好的穩(wěn)定性。磁柵按其結(jié)構(gòu)可分為直線磁柵和圓磁柵，分別用于直線位移和角度位移的測量。高精度的磁柵可用于各種測量機(jī)、精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床。,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,90,白城師范學(xué)院機(jī)電系機(jī)自教研室,91,91,磁柵由磁尺、磁頭和檢測電路等三部分組成。它是利用錄磁原理工作的。,磁柵位置檢測裝置方框圖,先用錄磁磁頭將按一定周