第六章-數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

1、黑龍江大學機電工程學院黑龍江大學機電工程學院劉國華劉國華黑龍江大學機電工程學院第六章第六章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院 數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件是指以機床運動部件( (如工作臺、主軸和刀具等如工作臺、主軸和刀具等) )的的位置和速度位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。 數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅動機床運動部件實現(xiàn)經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅動機床運動部件實現(xiàn)運

2、動，并保證動作的快速性和準確性。運動，并保證動作的快速性和準確性。 伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之機床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。一。第一節(jié) 概述黑龍江大學機電工程學院伺服系統(tǒng)的主要功能伺服系統(tǒng)的主要功能: :從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號（控信號（5V5V左右，左右，mAmA級），放大成強電的驅動信

3、號級），放大成強電的驅動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅動伺服系統(tǒng)的執(zhí)（幾十、上百伏、安培級），用以驅動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件行元件伺服電動機，將電控信號的變化，轉換成伺服電動機，將電控信號的變化，轉換成電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機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，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。工出所需工件的外形和尺寸的最終目標。黑龍江大學機電工程學院數(shù)控機床的伺服驅動數(shù)控機床

4、的伺服驅動第一節(jié) 概述CNCCNC裝置裝置伺服驅動伺服驅動器器伺服電機伺服電機數(shù)控機床數(shù)控機床黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述一、數(shù)控機床對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求一、數(shù)控機床對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求 1 1、精度高、精度高 由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床的速度和位移輸出，為保證加由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床的速度和位移輸出，為保證加工質量，要求它有足夠高的定位精度和重復定位精度。一般要工質量，要求它有足夠高的定位精度和重復定位精度。一般要求定位精度為求定位精度為0.0010.001-0.01mm-0.01mm，高檔設備達到高檔設備達到0.10.1mm以上。速度以上。速度控制要求較高的調節(jié)精度和較強的抗負載干擾

5、能力，以保證動、控制要求較高的調節(jié)精度和較強的抗負載干擾能力，以保證動、靜態(tài)精度較高。靜態(tài)精度較高。2 2、快速響應特性好、快速響應特性好 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的標志之一，反映系統(tǒng)的跟快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的標志之一，反映系統(tǒng)的跟蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應要快，穩(wěn)定性要好。現(xiàn)代數(shù)控機床的插補時間都在響應要快，穩(wěn)定性要好。現(xiàn)代數(shù)控機床的插補時間都在2020msms以以內，在短時間內指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)誤差內，在短時間內指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)誤差小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停

6、和正、反向運動。小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停和正、反向運動。 黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述3 3、調速范圍寬、調速范圍寬 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)控機床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有機床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進給要求。足夠的調速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進給要求。在低速切削時，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉距。在低速切削時，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉距。4 4、系統(tǒng)可靠性好、系統(tǒng)可靠性好 數(shù)控機床的使用率很高，常

7、常是數(shù)控機床的使用率很高，常常是2424h h連續(xù)工作不停機，因而連續(xù)工作不停機，因而要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時間間隔的長短要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時間間隔的長短的平均值作為依據(jù)，即平均無故障時間。這個時間越長，可靠的平均值作為依據(jù)，即平均無故障時間。這個時間越長，可靠性越好。性越好。 黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述 執(zhí)行元件及其驅動控制單元執(zhí)行元件及其驅動控制單元必不可少。驅動控制單元將進給必不可少。驅動控制單元將進給指令轉化為執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號指令轉化為執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號轉化為相應的機械位移。轉化為相應

8、的機械位移。 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常，由驅動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進電動機。執(zhí)行元件選用步進電動機。 閉環(huán)（半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)閉環(huán)（半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅動控制單元、機床由執(zhí)行元件、驅動控制單元、機床以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測元件分為速度反以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測元件分為速度反饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號和反的實際位置檢測后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號和反

9、饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅動控制單元驅動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。驅動控制單元驅動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本組成二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本組成 黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成 黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述三、數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的分類三、數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的分類 按控制原理和有無位置反饋裝置分為按控制原理和有無位置反饋裝置分為開環(huán)和閉環(huán)伺開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)；按用途和功能分為；按用途和功能分為進給驅動系統(tǒng)和主軸驅動進給

10、驅動系統(tǒng)和主軸驅動系統(tǒng)系統(tǒng)；按驅動執(zhí)行元件的動作原理分為；按驅動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅動電液伺服驅動系統(tǒng)和電氣伺服驅動系統(tǒng)系統(tǒng)和電氣伺服驅動系統(tǒng)。電氣伺服驅動系統(tǒng)又分為。電氣伺服驅動系統(tǒng)又分為直流伺服驅動系統(tǒng)、交流伺服驅動系統(tǒng)及直線電動機直流伺服驅動系統(tǒng)、交流伺服驅動系統(tǒng)及直線電動機伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)。黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述驅動電路驅動電路步進電機步進電機工作臺工作臺脈沖脈沖1.1.開環(huán)和閉環(huán)控制開環(huán)和閉環(huán)控制(1) (1) 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進電機及其驅動電路組成，無位置檢測裝置。開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進電機及其驅動電路組成，無位置檢測裝置。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指

11、令脈沖經(jīng)過驅動線路變換與放大，傳給步進電機。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)過驅動線路變換與放大，傳給步進電機。步進電機每接收一個指令脈沖，就旋轉一個角度，再通過齒輪副和步進電機每接收一個指令脈沖，就旋轉一個角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。絲杠螺母副帶動機床工作臺移動。指令脈沖的頻率決定了步進電機的轉速，進而決定了工作臺的移指令脈沖的頻率決定了步進電機的轉速，進而決定了工作臺的移動速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進電機轉動的角度，進而決定了動速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進電機轉動的角度，進而決定了工作臺的位移大小。工作臺的位移大小。開環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無位置檢測裝置，其精度取決于開

12、環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無位置檢測裝置，其精度取決于步進電機的步距精度和工作頻率以及傳動機構的傳動精度。步進電機的步距精度和工作頻率以及傳動機構的傳動精度。結構簡單，成本較低，適用于對精度和速度要求不高的經(jīng)濟型、結構簡單，成本較低，適用于對精度和速度要求不高的經(jīng)濟型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。中小型數(shù)控系統(tǒng)。黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述(2) (2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測裝置，且裝在機床工作臺上，直接檢測工有位置檢測裝置，且裝在機床工作臺上，直接檢測工作臺的實際位移。作臺的實際位移。 利用利用CNCCNC裝置的指令值與位置檢測裝置的檢測值的差值裝置的指令值與位置檢測裝置的檢測值的

13、差值進行位置控制。進行位置控制。 精度高，其運動精度取決于檢測裝置的精度，與傳動精度高，其運動精度取決于檢測裝置的精度，與傳動鏈的誤差無關。鏈的誤差無關。 位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間位置環(huán)內的許多機械傳動環(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，使系統(tǒng)隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。的設計、安裝和調試都相當困難。 適用于大型或比較精密的數(shù)控設備。適用于大型或比較精密的數(shù)控設備。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黑龍江大學機電工程學院伺服電機伺服電機速度

14、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第一節(jié) 概述(3) (3) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測裝置，且裝在電機或絲杠的端頭，檢測有位置檢測裝置，且裝在電機或絲杠的端頭，檢測角位移，間接獲得工作臺的位移。角位移，間接獲得工作臺的位移。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難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。這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。 半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，半閉環(huán)環(huán)路內不

15、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。開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。適用于中小型數(shù)控機床。適用于中小型數(shù)控機床。 黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需轉矩，包括速度控制動，并提供切削過程所需轉矩，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。環(huán)和位置控制環(huán)。主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機只是一個速度控制系統(tǒng)，控制

16、機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力，且保證任意轉速的調節(jié)。和所需的切削力，且保證任意轉速的調節(jié)。 2.2.進給驅動與主軸驅動進給驅動與主軸驅動黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述2.2.直流伺服驅動與交流伺服驅動直流伺服驅動與交流伺服驅動直流大慣量伺服電動機具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過直流大慣量伺服電動機具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過載能力強，而且由于電動機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構成載能力強，而且由于電動機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構成閉環(huán)后易于調整；直流中小慣量伺服電動機，比較適應數(shù)控機床對閉環(huán)后易于調整；

17、直流中小慣量伺服電動機，比較適應數(shù)控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。直流電動機具有電直流電動機具有電刷和機械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。刷和機械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。在電動機控制領域交流電動機調速技術的突破，交流伺服系統(tǒng)迅在電動機控制領域交流電動機調速技術的突破，交流伺服系統(tǒng)迅速進入電氣傳動調速控制的各個領域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點是速進入電氣傳動調速控制的各個領域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大

18、容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅動系統(tǒng)外形尺適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機比直流電動機將更合理。采用交流電動機比直流電動機將更合理。 黑龍江大學機電工程學院第一節(jié) 概述伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展概況伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展概況 在在5050年代年代，數(shù)控機床主要采用液壓驅動，稱為，數(shù)控機床主要采用液壓驅動，稱為液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是剛性好，時間常數(shù)小。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是剛性好，時間常數(shù)小。 6060年代初年代初，日本推出，日本推出步進電機開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)步進電機開環(huán)

19、伺服驅動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結，這種系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設備中被廣泛采用。構簡單，價格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設備中被廣泛采用。 7070年代年代，直流電機伺服系統(tǒng)直流電機伺服系統(tǒng)采用采用閉環(huán)閉環(huán)或或半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制，精度提高，精度提高一個數(shù)量級，調速范圍可達一個數(shù)量級，調速范圍可達1 1：1000010000，運行速度提高到，運行速度提高到15-15-24m/min24m/min。直流電機伺服系統(tǒng)的缺點是結構復雜，價格昂貴。直流電機伺服系統(tǒng)的缺點是結構復雜，價格昂貴。 在在8080年代以后年代以后，微機和微電子技術的迅速發(fā)展，為，微機和微電子技術的迅速發(fā)展，為交流電機

20、伺交流電機伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)的調速控制提供了條件，的調速控制提供了條件，伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是交流伺服伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是交流伺服驅動系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅動系統(tǒng)。黑龍江大學機電工程學院 步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機受驅動步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機受驅動線路控制，將進給脈沖序列轉換成為具有一定方向、大小和速度線路控制，將進給脈沖序列轉換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。的機械轉角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。進給脈沖進給脈沖的頻率代表了驅動速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運動

21、方向的頻率代表了驅動速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運動方向是由步進電機的各相通電順序來決定是由步進電機的各相通電順序來決定。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能測環(huán)節(jié)，精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制。的限制。一、步進電機工作原理一、步進電機工作原理 第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)步進電機驅動模塊步進電機驅動模塊步進電機步進電機黑龍江大學機電工程學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)二、步進電機二、步進電機單定子反應式步進電機利用單定子反應式步進電機利用電磁電磁鐵原理鐵原理，由定子和轉子組成，定，由定子和轉子組成，定

22、子分定子鐵芯和定子勵磁繞組。子分定子鐵芯和定子勵磁繞組。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵芯上的線子繞組是繞置在定子鐵芯上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相控制繞組，構成控制繞組，構成A A、B B、C C三相控三相控制繞組，任一相繞組通電形成一制繞組，任一相繞組通電形成一組定子磁極。組定子磁極。轉子無繞組，有周轉子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。合工作。AB定子定子轉轉子子IAIBICC黑龍江大學機電工程學院黑龍江大學機電工程

23、學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)1.1.三相單三拍工作方式：三相單三拍工作方式：AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時針轉 300逆時針轉 300逆時針轉 300假設轉子上有四個齒，當假設轉子上有四個齒，當A A相通電時，相通電時，轉子轉子1 1、3 3齒被磁極齒被磁極A A產(chǎn)生的電磁引力吸產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使引過去，使1 1、3 3齒與齒與A A相磁極對齊。接相磁極對齊。接著著B B相通電，相通電，A A相斷電，磁極相斷電，磁極B B又把距它又把距它最近的一對齒最近的一對齒2 2、4 4吸引過來，使轉子按吸引過來，使轉子按逆時針方向轉動逆時針方向轉動3030度

24、。然后度。然后C C相通電，相通電，B B相斷電，轉子又逆時針旋轉相斷電，轉子又逆時針旋轉3030度，依次度，依次類推，定子按類推，定子按ABCAABCA順序通電，轉順序通電，轉子就一步步地按逆時針方向轉動，每步子就一步步地按逆時針方向轉動，每步轉轉3030度。度。若改變通電順序，按若改變通電順序，按ACBAACBA使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉動，同樣每步轉動，同樣每步轉3030度。這種控制方式叫三相單三拍方式，度。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單單”是指每次只有是指每次只有一相繞組通電，一相繞組通電，“三拍三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。

25、是指每三次換接為一個循環(huán)。黑龍江大學機電工程學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng) 定子的每個磁極正對轉子的圓弧面上均都均勻分布著定子的每個磁極正對轉子的圓弧面上均都均勻分布著5 5個小個小齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為9 9。 轉子上沒有繞組，只有均勻分布的轉子上沒有繞組，只有均勻分布的4040個小齒，其大小和間距個小齒，其大小和間距與定子上的完全相同。與定子上的完全相同。 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/31/3齒距。齒距。黑龍江大學機電工程學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)（1 1）步距角和靜態(tài)步距誤差）步

26、距角和靜態(tài)步距誤差步進電機步距角步進電機步距角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m m、轉子的齒數(shù)轉子的齒數(shù)z z、通電方式通電方式k k有關，即有：有關，即有：360360/(/(mzkmzk) )。其中：其中：m m相相m m拍時，拍時，k k1 1；m m相相2 2m m拍時，拍時，k k2 2，依此類推。例如，三依此類推。例如，三相三拍，相三拍，z z4040時，時，360360/(3/(340401)1)3 3。一般較小一般較小，如：，如：3 31.51.5,1.5,1.50.750.75,0.72,0.720.360.36等。等。靜態(tài)步距誤差：靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角

27、與實際的步距角之在空載情況下，理論的步距角與實際的步距角之差，一般在差，一般在1010之內。步距誤差主要由步進電機步距制造誤差，之內。步距誤差主要由步進電機步距制造誤差，定子和轉子間氣隙不均勻以及各相電磁轉矩不均勻等因素造成。定子和轉子間氣隙不均勻以及各相電磁轉矩不均勻等因素造成。2.2.步進電機主要特征步進電機主要特征黑龍江大學機電工程學院(2) (2) 啟動頻率啟動頻率 空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不失步的正空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機的指令脈沖

28、頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。隨著在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。隨著負載加大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。負載加大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。(3) (3) 連續(xù)運行頻率連續(xù)運行頻率 步進電機起動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升步進電機起動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負載的性質和大小而異

29、，與驅動電動頻率，它也隨著電機所帶負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。源也有很大關系。 第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院(4)(4)矩頻特性與動態(tài)轉矩矩頻特性與動態(tài)轉矩 矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系，該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)行頻率之間的關系，該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。當步進電機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則轉矩。當步進電機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機所能帶動負載轉矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮電動機所能帶動負載轉矩將逐漸下

30、降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。 M Mf f第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)三三. .步進電機的驅動控制線路步進電機的驅動控制線路 功能：功能：將具有一定頻率將具有一定頻率f f、一定數(shù)量一定數(shù)量N N和方向的進給脈沖轉換和方向的進給脈沖轉換成控制步進電機各相定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻成控制步進電機各相定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。率、變化次數(shù)和通斷電順序。 驅動控制器主要由驅動控制器主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器環(huán)形脈沖分配器和功率放

31、大器組成。組成。黑龍江大學機電工程學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)1.1.環(huán)形脈沖分配器環(huán)形脈沖分配器功能：功能：將進給脈沖指令轉換成步進電機定子繞組通、斷電的電平將進給脈沖指令轉換成步進電機定子繞組通、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)與方向信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)與方向對應。即將數(shù)控裝置的插補脈沖，按步進電機所要求的規(guī)律分配對應。即將數(shù)控裝置的插補脈沖，按步進電機所要求的規(guī)律分配給步進電機的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。給步進電機的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。分類：分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器和軟件

32、環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器：步進電機驅動裝置本身帶有環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器：步進電機驅動裝置本身帶有環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器：驅動裝置本身無環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟軟件環(huán)形分配器：驅動裝置本身無環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。件完成。2.2.功率放大器功率放大器功能：功能：將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以用足夠的功率來驅將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以用足夠的功率來驅動步進電機。動步進電機。黑龍江大學機電工程學院第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)四四. .提高步進伺服系統(tǒng)精度的措施提高步進伺服系統(tǒng)精度的措施1.1.傳動間隙補償傳動間隙補償 傳動元件的齒輪、絲杠制造裝配誤差使機械傳動鏈在改

33、變運動傳動元件的齒輪、絲杠制造裝配誤差使機械傳動鏈在改變運動或旋轉方向時，最初若干個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，或旋轉方向時，最初若干個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進電機的空走，而工作臺無實際移動，從而產(chǎn)生傳動誤差。造成步進電機的空走，而工作臺無實際移動，從而產(chǎn)生傳動誤差。補償方法：先測出并存儲間隙大小，接收反向位移指令時，先不補償方法：先測出并存儲間隙大小，接收反向位移指令時，先不向步進電機輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉換為脈沖數(shù)，驅動向步進電機輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉換為脈沖數(shù)，驅動步進電機轉動，越過傳動間隙，然后按照指令脈沖動作。步進電機轉動，越過傳動間隙，然后按照指

34、令脈沖動作。2.2.螺距誤差補償螺距誤差補償 滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機床工作臺的位移精度。滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機床工作臺的位移精度。補償方法：設置若干個補償點，在每個補償點測量并記錄工作臺補償方法：設置若干個補償點，在每個補償點測量并記錄工作臺位移誤差，確定補償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設備運位移誤差，確定補償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設備運行時，工作臺每經(jīng)過一個補償點，行時，工作臺每經(jīng)過一個補償點，CNCCNC系統(tǒng)就加入補償量，補償系統(tǒng)就加入補償量，補償螺距誤差。螺距誤差。3.3.細分線路：細分線路：將一個步距角細分為若干步的驅動方法。將一個步距角細分為若干步的

35、驅動方法。黑龍江大學機電工程學院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)1 1 直流伺服電機直流伺服電機（1 1）直流伺服電機的結構）直流伺服電機的結構定子定子：產(chǎn)生定子磁極、磁場。：產(chǎn)生定子磁極、磁場。轉子轉子：表面嵌有線圈，通直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶：表面嵌有線圈，通直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶負載旋轉的電磁轉矩。負載旋轉的電磁轉矩。電刷與換向片電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉矩保持恒定的方向，保證轉：為使產(chǎn)生的電磁轉矩保持恒定的方向，保證轉子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉，將電刷與外加直流電源連接，子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。換向片與電樞線圈連接。

36、數(shù)控機床的使用的直流伺服電機主要是數(shù)控機床的使用的直流伺服電機主要是大功率直流伺服電機大功率直流伺服電機：p小慣量直流伺服電機：小慣量直流伺服電機：最大限度地減小電樞的轉動慣量，可以最大限度地減小電樞的轉動慣量，可以獲得較快的響應速度。獲得較快的響應速度。p寬調速直流伺服電機：寬調速直流伺服電機：轉子直徑較大，力矩大，轉動慣量大，轉子直徑較大，力矩大，轉動慣量大，能在較大過載轉矩時長時間工作。能在較大過載轉矩時長時間工作。一、直流伺服電機與速度控制一、直流伺服電機與速度控制黑龍江大學機電工程學院其中：其中：n n為電機轉速，為電機轉速，UaUa為電樞外加電壓，為電樞外加電壓，CeCe為反電動勢

37、常數(shù)，為反電動勢常數(shù)，為電機磁通量，為電機磁通量，RaRa為電樞電阻，為電樞電阻，CmCm為轉矩常數(shù)，為轉矩常數(shù)，M M為電磁轉矩。為電磁轉矩。直流電機的三種調速方法：直流電機的三種調速方法：改變電樞外加電壓改變電樞外加電壓UaUa。該方法可以得到調速范圍較寬的恒轉矩特該方法可以得到調速范圍較寬的恒轉矩特性，機械特性好，性，機械特性好，適用于主軸驅動的低速段和進給驅動適用于主軸驅動的低速段和進給驅動。改變磁通量改變磁通量。改變勵磁線圈電壓使磁通量改變。改變勵磁線圈電壓使磁通量改變 ，適用于主軸，適用于主軸驅動的高速段，不適合于進給驅動。驅動的高速段，不適合于進給驅動。改變電樞電路的電阻改變電樞

38、電路的電阻RaRa。該。該方法得到的機械特性較軟，不能實現(xiàn)方法得到的機械特性較軟，不能實現(xiàn)無級調速，也不適合于數(shù)控機床。無級調速，也不適合于數(shù)控機床。目前應用最多的是目前應用最多的是晶體管脈寬調制（晶體管脈寬調制（PWMPWM）調速系統(tǒng)）調速系統(tǒng)：利用大功：利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓加率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓加到直流電機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的到直流電機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，調節(jié)電機的轉速。平均電壓，調節(jié)電機的轉速。2 2 直流伺服電機速度調節(jié)直流伺服電機速度調節(jié)直流電機機

39、械特性公式：直流電機機械特性公式：MCCRCUnmeaea2 第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院二、交流伺服電機與速度控制二、交流伺服電機與速度控制直流電機缺點：直流電機缺點：電刷和換向器有磨損，有時會產(chǎn)生火花；電刷和換向器有磨損，有時會產(chǎn)生火花；換向器由多種材料制成，制作工藝復雜；換向器由多種材料制成，制作工藝復雜；電機最高速度受限制；電機最高速度受限制；結構復雜，成本較高。結構復雜，成本較高。 交流伺服電動機沒有直流伺服電動機上述的缺點，而且轉子交流伺服電動機沒有直流伺服電動機上述的缺點，而且轉子慣量比直流伺服電動機小，慣量比直流伺服電動機小，動態(tài)響應好動態(tài)響應好。同樣體積下，交流

40、伺。同樣體積下，交流伺服電動機的輸出功率可比直流伺服電動機提高服電動機的輸出功率可比直流伺服電動機提高10102020。交。交流伺服電動機的流伺服電動機的容量可以做得比直流伺服電動機大容量可以做得比直流伺服電動機大，達到更高，達到更高的轉速。從的轉速。從8080年代后期開始，交流伺服電動機逐漸替代直流伺年代后期開始，交流伺服電動機逐漸替代直流伺服電動機占據(jù)主要位置。服電動機占據(jù)主要位置。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院1.1.交流伺服電機的類型交流伺服電機的類型交流伺服電動機在結構上為一兩相感應電動機，其定子兩相繞交流伺服電動機在結構上為一兩相感應電動機，其定子兩相繞組在空間相距組在

41、空間相距9090電角度，電角度，一相作為勵磁繞組一相作為勵磁繞組，運行時接到交流，運行時接到交流電源上，電源上，另一相作為控制繞組另一相作為控制繞組，輸入控制電壓。，輸入控制電壓。主要有：主要有：永磁式交流伺服電機永磁式交流伺服電機和和感應式交流伺服電機感應式交流伺服電機共同點：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉磁場使得轉子跟隨定共同點：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉磁場使得轉子跟隨定子旋轉磁場一起運轉。子旋轉磁場一起運轉。不同點：永磁式伺服電機的轉速與外加交流電源的頻率存在著不同點：永磁式伺服電機的轉速與外加交流電源的頻率存在著嚴格的同步關系，即嚴格的同步關系，即電機的轉速等于旋轉磁場的同步轉速電機

42、的轉速等于旋轉磁場的同步轉速；而感；而感應式伺服電機由于應式伺服電機由于需要轉速差才能產(chǎn)生電磁轉矩需要轉速差才能產(chǎn)生電磁轉矩，因此，電機的，因此，電機的轉速低于磁場同步轉速，負載越大，轉速差越大。轉速低于磁場同步轉速，負載越大，轉速差越大。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院交流異步電機的轉速表達式為：交流異步電機的轉速表達式為： 2.2.交流電機的速度控制交流電機的速度控制 spfn1601f f1 1 定子電源頻率（定子電源頻率（HzHz）；）； p p 磁極對數(shù)；磁極對數(shù)； s s 轉差率。轉差率。異步電機的調速方法，可以有異步電機的調速方法，可以有變轉差率、變極對數(shù)及變頻變轉差率

43、、變極對數(shù)及變頻三種。三種。（1 1）變磁極對數(shù)：通過對定子繞組接線的切換改變磁極對數(shù)來實）變磁極對數(shù)：通過對定子繞組接線的切換改變磁極對數(shù)來實現(xiàn)，現(xiàn)，只能產(chǎn)生二種或三種轉速，不能無級調速，應用范圍較窄只能產(chǎn)生二種或三種轉速，不能無級調速，應用范圍較窄。（2 2）改變轉差率：只適合于異步型交流電機的調速，）改變轉差率：只適合于異步型交流電機的調速，低速時轉差低速時轉差率大，轉差損耗功率也大，效率低率大，轉差損耗功率也大，效率低。（3 3）變頻調速：通過改變電機電源的頻率而改變電機的轉速。）變頻調速：通過改變電機電源的頻率而改變電機的轉速。變變頻調速從高速到低速都可以保持有限的轉差率，具有高效率

44、、寬范頻調速從高速到低速都可以保持有限的轉差率，具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，可以認為是一種理想的調速方法。圍和高精度的調速性能，可以認為是一種理想的調速方法。第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)（r/minr/min）黑龍江大學機電工程學院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)變頻調速的主要環(huán)節(jié)：變頻調速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機提供變頻電源的變頻器為交流電機提供變頻電源的變頻器。變頻器分：變頻器分：交交交交 變頻變頻 ：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，該方法所得的交流電波）變成頻率較低的脈動交流電，該方法所得的交流電波動比較大，且最

45、大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。動比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。 交交直直交交 變頻：變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖方波電壓，該調頻方式所得交流電的波動小，壓變成矩形脈沖方波電壓，該調頻方式所得交流電的波動小，調頻范圍比較寬，調節(jié)線性度好。調頻范圍比較寬，調節(jié)線性度好。數(shù)控機床常采用交數(shù)控機床常采用交直直交變頻調速交變頻調速。其中，。其中，SPWMSPWM（正弦（正弦波脈寬調制）變頻器波脈寬調制）變頻器是目前應用最廣、最基本的一種交是目前應用最廣、最基本的一種交直直交型電壓型變頻器，交型電壓型變頻器，在交流調速

46、系統(tǒng)中獲得廣泛應用在交流調速系統(tǒng)中獲得廣泛應用。黑龍江大學機電工程學院三、直線電機的特點三、直線電機的特點機床進給系統(tǒng)采用直線電機直接驅動，與原旋轉電機傳動方式的最大機床進給系統(tǒng)采用直線電機直接驅動，與原旋轉電機傳動方式的最大區(qū)別區(qū)別是：取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床是：取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式稱為進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式稱為“直接驅動直接驅動”，也稱，也稱“零傳動零傳動”。直接驅動避免了絲杠傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛。直接驅動避免了絲杠傳動中的反向間隙、慣性、摩擦

47、力和剛性不足等缺點。性不足等缺點。 定子(初級)籠形轉子(次級)初級次級第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例：直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生磁場，次級在磁場切當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生磁場，次級在磁場切割下，將感應出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用割下，將感應出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。反之，則初級

48、做直線運動。 黑龍江大學機電工程學院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點特點：將指令脈沖信號和位置檢測反饋信號都轉換為相應的同頻：將指令脈沖信號和位置檢測反饋信號都轉換為相應的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號，在位置控制單元進行相位率的某一載波的不同相位的脈沖信號，在位置控制單元進行相位比較，相位差反映了指令位置與實際位置的偏差。比較，相位差反映了指令位置與實際位置的偏差。位置檢測元件位置檢測元件采用旋轉變壓器、感應同步器或磁柵，工作在相位采用旋轉變壓器、感應同步器或磁柵，工作在相位工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。脈沖調相器：脈沖調相器：將數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉換為相位變化信號。將數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉換為相

49、位變化信號。鑒相器鑒相器：鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間的相位：鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間的相位差及其相位超前、滯后關系，并變成相應的誤差電壓信號作為速差及其相位超前、滯后關系，并變成相應的誤差電壓信號作為速度單元的輸入信號。度單元的輸入信號。四、鑒相式伺服系統(tǒng)四、鑒相式伺服系統(tǒng)黑龍江大學機電工程學院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)五、鑒幅式伺服系統(tǒng)五、鑒幅式伺服系統(tǒng)以以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并作為位置，并作為位置反饋信號與指令信號進行比較，構成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號與指令信號進行比較，構成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置檢

50、測元件工作在幅值工作方式，感應同步器、旋轉變壓器和位置檢測元件工作在幅值工作方式，感應同步器、旋轉變壓器和磁柵。磁柵。 鑒幅器：對位置檢測裝置輸出的代表工作臺實際位移的電壓信號鑒幅器：對位置檢測裝置輸出的代表工作臺實際位移的電壓信號進行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負與工作臺移動方向相進行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負與工作臺移動方向相對應、幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號。對應、幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號。 黑龍江大學機電工程學院第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) 結構較簡單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測裝置，以半閉結構較簡單，常用光電

51、編碼器、光柵作位置檢測裝置，以半閉環(huán)的控制結構形式較為普遍。環(huán)的控制結構形式較為普遍。 特點：指令脈沖信號與位置檢測裝置的反饋脈沖信號在比較器特點：指令脈沖信號與位置檢測裝置的反饋脈沖信號在比較器中以中以脈沖數(shù)字脈沖數(shù)字的形式進行比較。的形式進行比較。 反饋脈沖反饋脈沖數(shù)數(shù)/ /模模轉換器轉換器脈沖處理脈沖處理伺服伺服電機電機工作臺工作臺位置檢測裝置位置檢測裝置（光電編碼器）（光電編碼器）伺服放大器伺服放大器位置檢測信息位置檢測信息P Pf f指令脈沖指令脈沖PcPc比較器比較器PePe黑龍江大學機電工程學院第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置作用作用：檢測位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號至數(shù)

52、控：檢測位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號至數(shù)控裝置，構成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令路徑精確裝置，構成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令路徑精確地移動。地移動。組成組成：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。常用檢測裝置：常用檢測裝置：旋轉變壓器、感應同步器、編碼器、光柵、磁柵旋轉變壓器、感應同步器、編碼器、光柵、磁柵等。等。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：（1 1）工作可靠，抗干擾能力強；）工作可靠，抗干擾能力強；（2 2）滿足精度和速度的要求；）滿足精度和速度的要求；（3 3）易于安裝，維護方便

53、，適應機床工作環(huán)境；）易于安裝，維護方便，適應機床工作環(huán)境；（4 4）成本低。）成本低。 一、概述一、概述黑龍江大學機電工程學院（一）直接測量和間接測量（一）直接測量和間接測量 1.1.直接測量直接測量 將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構成位的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構成位置閉環(huán)控制。置閉環(huán)控制。優(yōu)點優(yōu)點是準確性高、可靠性好，是準確性高、可靠性好，缺點缺點是測量裝置要是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。和工作臺行程等長，所以在

54、大型數(shù)控機床上受到一定限制。2.2.間接測量間接測量 將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點優(yōu)點是測量方便、無長度限制。是測量方便、無長度限制。缺點缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。誤差，從而影響了測量精度。第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置黑龍江大學機電工程學院第四節(jié) 數(shù)控機床的

55、檢測裝置（二）數(shù)字式測量和模擬式測量（二）數(shù)字式測量和模擬式測量1.1.數(shù)字式測量數(shù)字式測量 將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。處理簡單。2.2.模擬量測量模擬量測量 將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。對信號處理的方法相對來說比較復雜。對信號處理的方法相對來說比較復雜。黑龍江大學機電工程學院第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置（三）增量式測量和絕對式

56、測量（三）增量式測量和絕對式測量1.1.增量式測量增量式測量 在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作相對位移量，優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結果完全錯誤。有誤，以后測量所得結果完全錯誤。 2.2.絕對式測量絕對式測量 絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起

57、，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增起，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結構就愈復雜。二進制位數(shù)也愈多，結構就愈復雜。 黑龍江大學機電工程學院第四節(jié) 數(shù)控機床的檢測裝置（一）結構與工作原理（一）結構與工作原理 旋轉變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉子組成。工旋轉變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉子組成。工作原理

58、與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作作原理與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作, ,其中定子繞其中定子繞組作為變壓器的一次側，接受勵磁電壓。轉子繞組作為變壓器組作為變壓器的一次側，接受勵磁電壓。轉子繞組作為變壓器的二次側，通過電磁耦合得到感應電壓，只是其輸出電壓大小的二次側，通過電磁耦合得到感應電壓，只是其輸出電壓大小與轉子位置有關。旋轉變壓器通過測量電動機或被測軸的轉角與轉子位置有關。旋轉變壓器通過測量電動機或被測軸的轉角來間接測量工作臺的位移。來間接測量工作臺的位移。二、旋轉變壓器二、旋轉變壓器有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。 鑒相式是根據(jù)感應輸

59、出電壓的相位來檢測位移量；鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量； 鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。黑龍江大學機電工程學院 根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1m1m以上。從形以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。直線光柵用于檢測直線位移。 直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為