數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)

1、第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)1 本章學習的內(nèi)容本章學習的內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中的位置檢測裝置中的位置檢測裝置 數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動 數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控裝置數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控裝置4-1 概概 述述第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)組成：組成：一、計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成及各部分功能程序程序輸入設(shè)備輸入設(shè)備計算機計算機數(shù)字控數(shù)字控制裝置制裝置（CNC裝置）裝置）可可 編編 程程 控控制器（制器（PLC）主軸控制單元主軸控制單元速度控制單元速度控制單元輸出設(shè)備輸出設(shè)備主軸電機主軸電機進給電機進給

2、電機位置檢測器位置檢測器機機床床第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)（二）（二） 各部分功能各部分功能1. 用戶程序用戶程序 它是零件加工程序。根據(jù)零件圖紙，用它是零件加工程序。根據(jù)零件圖紙，用手工編程或自動編程的方法編制出數(shù)控加工手工編程或自動編程的方法編制出數(shù)控加工程序并存儲在一種信息載體上。程序并存儲在一種信息載體上。2. 輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備 CNC系統(tǒng)對數(shù)控設(shè)備進行自動控制所需系統(tǒng)對數(shù)控設(shè)備進行自動控制所需的各種外部控制信息及加工數(shù)據(jù)的各種外部控制信息及加工數(shù)據(jù),都是通過輸都是通過輸入設(shè)備存入入設(shè)備存入CNC裝置的存儲器中。輸入裝置的存儲器中。輸入CNC

3、裝置的有零件加工程序、控制參數(shù)、補償數(shù)裝置的有零件加工程序、控制參數(shù)、補償數(shù)據(jù)等。據(jù)等。 輸出設(shè)備主要的功能為顯示、打印、輸輸出設(shè)備主要的功能為顯示、打印、輸出加工程序、控制參數(shù)、補償參數(shù)等。出加工程序、控制參數(shù)、補償參數(shù)等。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)3. CNC裝置裝置 CNC裝置由硬件和軟件組成。裝置由硬件和軟件組成。 硬件主要由微處理器、存儲器、位置硬件主要由微處理器、存儲器、位置控制、輸入控制、輸入/輸出接口、可編程控制器、圖輸出接口、可編程控制器、圖形控制、電源等模塊組成。形控制、電源等模塊組成。 軟件由管理軟件和控制軟件組成。管軟件由管理軟件和控

4、制軟件組成。管理軟件系指零件加工程序的輸入輸出、系統(tǒng)理軟件系指零件加工程序的輸入輸出、系統(tǒng)的顯示功能和診斷功能。控制軟件則包括譯的顯示功能和診斷功能?？刂栖浖t包括譯碼處理、刀具補償、插補運算、位置控制和碼處理、刀具補償、插補運算、位置控制和速度控制。速度控制。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)4. 4. 可編程控制器可編程控制器(PLC)(PLC) 數(shù)控設(shè)備用可編程控制器主要完成數(shù)控數(shù)控設(shè)備用可編程控制器主要完成數(shù)控設(shè)備的各種執(zhí)行機構(gòu)的邏輯順序控制，即用設(shè)備的各種執(zhí)行機構(gòu)的邏輯順序控制，即用PLCPLC程序代替用繼電器控制線路，實現(xiàn)數(shù)控設(shè)程序代替用繼電器控制線路，

5、實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的輔助功能、主軸轉(zhuǎn)速功能、刀具功能的備的輔助功能、主軸轉(zhuǎn)速功能、刀具功能的譯碼和控制。譯碼和控制。 數(shù)控設(shè)備用數(shù)控設(shè)備用PLCPLC有內(nèi)裝型和獨立型兩種。有內(nèi)裝型和獨立型兩種。內(nèi)裝型內(nèi)裝型PLCPLC從屬于從屬于CNCCNC裝置，裝置，PLCPLC硬件電路可與硬件電路可與CNCCNC裝置其它電路制作在同一塊印刷板上，也裝置其它電路制作在同一塊印刷板上，也可以作成獨立的電路板。獨立型可以作成獨立的電路板。獨立型PLCPLC獨立獨立CNCCNC裝置，本身具有完備的硬、軟件功能，可以裝置，本身具有完備的硬、軟件功能，可以獨立完成所規(guī)定的控制任務(wù)獨立完成所規(guī)定的控制任務(wù)。第四章第四章 數(shù)控

6、機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)5.伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動部分和執(zhí)行機構(gòu)兩大伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動部分和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。伺服系統(tǒng)主要指數(shù)控設(shè)備的主軸驅(qū)動部分。伺服系統(tǒng)主要指數(shù)控設(shè)備的主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動，是和進給驅(qū)動，是CNC系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)的作用是把來自系統(tǒng)的作用是把來自CNC裝置的各種指令裝置的各種指令（脈沖信號），轉(zhuǎn)換成數(shù)控設(shè)備移動部件的（脈沖信號），轉(zhuǎn)換成數(shù)控設(shè)備移動部件的運動。運動。 在數(shù)控機床的伺服驅(qū)動機構(gòu)中，常用的在數(shù)控機床的伺服驅(qū)動機構(gòu)中，常用的驅(qū)動元件有功率步進電機、直流伺服電機和驅(qū)動元件有功率步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機

7、，后二者都帶有感應(yīng)同步器、交流伺服電機，后二者都帶有感應(yīng)同步器、編碼器等位置檢測元件。編碼器等位置檢測元件。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。 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） 工作可靠，抗干擾能力強；工作可靠，抗干擾能力強；（2） 滿足精度和速度的要求；滿足精度

8、和速度的要求；（3）安裝，維護方便，適合機床工作環(huán)境；安裝，維護方便，適合機床工作環(huán)境；（4） 成本低。成本低。4.2 4.2 位移位移 速度速度 位置檢測裝置位置檢測裝置第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)1)1)直線位移測量直線位移測量 它是將檢測裝它是將檢測裝置直接安裝在機床置直接安裝在機床拖板上，直接測量拖板上，直接測量機床坐標的直線位機床坐標的直線位移量，因此也稱直移量，因此也稱直接測量，作為全閉接測量，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。反饋用。缺點缺點: 是測量裝置要和工作臺行程等長，所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

9、定限制。以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)2)2)轉(zhuǎn)動角度測量轉(zhuǎn)動角度測量 它是將檢測裝置安裝在驅(qū)動電動機軸它是將檢測裝置安裝在驅(qū)動電動機軸上或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位上或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床坐標的直線位移量，因移來間接測量機床坐標的直線位移量，因此也稱為間接測量，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)此也稱為間接測量，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。的位置反饋用。 優(yōu)點優(yōu)點: :是測量方便可靠、無長度限制。是測量方便可靠、無長度限制。 缺點缺點: :是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€

10、運動的傳動鏈誤差，從而影響轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響其測量精度。其測量精度。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)1)1)數(shù)字式測量數(shù)字式測量 它是將被測位移量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，它是將被測位移量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，即數(shù)字形式來表示，具有信號處理簡單，即數(shù)字形式來表示，具有信號處理簡單，抗干擾性強等優(yōu)點?？垢蓴_性強等優(yōu)點。 2)2)模擬式測量模擬式測量 它是將被測位移量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的它是將被測位移量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬電量來表示，如電壓幅值變化、相位模擬電量來表示，如電壓幅值變化、相位的變化等。因此，它對信號處理的方法相的變化等。因此，它對信號處理的方法相對來說比

11、較復雜，并且需增加濾波器等，對來說比較復雜，并且需增加濾波器等，來提高抗干擾性。來提高抗干擾性。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)1)1)增量式測量增量式測量 它只測相對位移量，其特點是測量裝它只測相對位移量，其特點是測量裝置較簡單，對任何一個中間點都可作為測置較簡單，對任何一個中間點都可作為測量的起點，而移動距離是由測量信號計數(shù)量的起點，而移動距離是由測量信號計數(shù)累加所得，一旦計數(shù)有誤，以后測量所得累加所得，一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果則完全錯誤。因此，在增量式檢測系結(jié)果則完全錯誤。因此，在增量式檢測系統(tǒng)中基點特別重要。統(tǒng)中基點特別重要。第四章第四章 數(shù)控機床

12、的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)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，每一個被檢點都位置均由固定的零點標起，每一個被檢點都有一個相應(yīng)的測量值。有一個相應(yīng)的測量值。 裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復雜，如編碼盤，裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復雜，如編碼盤，對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組二進對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。制位數(shù)。 顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，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(jié)構(gòu)也就愈則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)也就愈復雜。復雜。 第四章第四章 數(shù)控機床的

13、驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 常用的有光電盤、編碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓常用的有光電盤、編碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)綜合上述各種分類方法，可用綜合上述各種分類方法，可用下下表表示。表表示。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。子組成。 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞

14、組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵磁電壓。其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感轉(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，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)變壓器通過測量電動機或被測軸的轉(zhuǎn)角來間旋轉(zhuǎn)變壓器通過測量電動機或被測軸的轉(zhuǎn)角來間接測量工作臺的位移。接測量工作臺的位移。 旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。極工作情況。234第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)如圖所示，定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，設(shè)加

15、如圖所示，定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，設(shè)加到定子繞組勵磁電壓為到定子繞組勵磁電壓為 ，當，當轉(zhuǎn)子繞組的磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過一定角度時，轉(zhuǎn)子繞組的磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過一定角度時，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過900，兩磁軸平行，此時轉(zhuǎn)子繞組，兩磁軸平行，此時轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓最大，即中感應(yīng)電壓最大，即 。sinsin2tKUUmtKUUmsin2tUUmsin1U1U1U1定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子U2U2U21=00= 1=900第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)二、應(yīng)用二、應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)變壓器典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。旋轉(zhuǎn)變壓器典型工作方式

16、，鑒相式和鑒幅式。鑒相式鑒相式 是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位相位來檢測位移量；來檢測位移量；鑒幅式鑒幅式 是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值幅值來檢測位移量。來檢測位移量。 1 . 1 . 鑒相工作方式鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差位差90900 0的交流勵磁電壓，即的交流勵磁電壓，即 tVVtVVmcmscossin第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，如上圖所示，根據(jù)線性疊加原理，轉(zhuǎn)應(yīng)電壓

17、，如上圖所示，根據(jù)線性疊加原理，轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個電壓的代數(shù)和：子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個電壓的代數(shù)和：cossin2csKVKVV)cos(coscossinsintKVtKVtKVmmm定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子VCVSV2第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 由式可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的由式可見，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(yīng)關(guān)系，這樣，只要偏轉(zhuǎn)角之間有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，這樣，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測軸子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測軸連接在一

18、起，所以，被測軸的角位移就知道連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了了。 2. 鑒幅工作方式鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即流激磁電壓，即tVVtVVmcmssincossinsin第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)由式可見，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)由式可見，轉(zhuǎn)子感應(yīng)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)角。角而變化，測量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角。 如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機床的滾珠如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機床的

19、滾珠絲杠上，當角從絲杠上，當角從00到到3600時，絲杠上的螺母帶時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導程，間接測量了執(zhí)行部動工作臺移動了一個導程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長個計數(shù)器，累計所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長度。度。則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為cossin2csKVKVVtKVtKVmmsin)cos()coscossin(sinsin第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)1）結(jié)構(gòu)與工作原理）結(jié)構(gòu)與工作原理 感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測

20、裝置，感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。測直線位移或角位移而改變。 感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式直線式和和旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)式式兩種：兩種： 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。位移測量。 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。移測量。 以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。理。 2

21、. 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 直線感應(yīng)同步器相當于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，如圖所直線感應(yīng)同步器相當于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，如圖所示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持移動部件上，兩者平行放置，保

22、持0.250.05mm間隙。間隙。 感應(yīng)同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的感應(yīng)同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為節(jié)距均為2mm ，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標準感，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標準感應(yīng)同步器定尺長應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長，滑尺長100mm，節(jié)距為，節(jié)距為2mm。定尺上。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞繞組，另一為余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差組與定尺繞

23、組相差1/4節(jié)距。節(jié)距。 定尺滑尺余弦繞組正弦繞組V2VsVc2t2t/4第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 定 尺滑 A 尺 Bt241位 Ct221置 Dt243E t2EAV2MN正弦繞組余弦繞組BDCOP 工作原理：工作原理： 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)二、應(yīng)用二、應(yīng)用 感應(yīng)同步器典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。感應(yīng)同步器典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式鑒相式 是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式鑒幅式 是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移

24、量。 1 . 1 . 鑒相工作方式鑒相工作方式 給正、余弦兩繞組分別通以幅值相同、頻率相給正、余弦兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差同、相位差90900 0的交流勵磁電壓，即的交流勵磁電壓，即tVVtVVmcmscossin第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)在定尺的感應(yīng)電壓應(yīng)為：在定尺的感應(yīng)電壓應(yīng)為：21VVV)sin(sincoscossintKVtKVtKVmmmtKVVmsincos1tKVVmcossin2滑尺直線位移量滑尺直線位移量x x與與 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：ttxx22第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)2.

25、鑒幅工作方式鑒幅工作方式 給滑尺的兩個繞組分別通以頻率相同、給滑尺的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即流激磁電壓，即tVVtVVmcmssincossinsin在定尺繞組的感應(yīng)電勢為：在定尺繞組的感應(yīng)電勢為：sin()sinmmVKVt 為定尺、滑尺實際相位角。為定尺、滑尺實際相位角。m第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)2. 鑒幅工作方式鑒幅工作方式 設(shè)設(shè) sinsinmVKVt 感應(yīng)電勢與感應(yīng)電勢與 成正比，即成正比，即V隨給定的位移隨給定的位移量量 與工作臺實際位移與工作臺實際位移

26、 的差值的差值 成正比變化。成正比變化。m則：則：(sin)mVKVt 當當 較小時，有較小時，有( )x1()mx( )x第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)感應(yīng)同步器的特點：感應(yīng)同步器的特點：1 1）精度高）精度高極對數(shù)多，平均效應(yīng)產(chǎn)生的測量精度比制造精度高，極對數(shù)多，平均效應(yīng)產(chǎn)生的測量精度比制造精度高，定、滑尺間無機械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，測量結(jié)果只受本身精度定、滑尺間無機械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，測量結(jié)果只受本身精度的影響。的影響。2 2）測量長度不受限制，可多塊尺相接安裝。）測量長度不受限制，可多塊尺相接安裝。3 3）對環(huán)境的適應(yīng)性強）對環(huán)境的適應(yīng)性強金屬基尺與安裝部件材料的膨脹系數(shù)

27、相近，溫度變化金屬基尺與安裝部件材料的膨脹系數(shù)相近，溫度變化時，熱膨脹相同，不影響測量精度。時，熱膨脹相同，不影響測量精度。4 4）維護簡單，壽命長）維護簡單，壽命長定、滑尺無接觸，無磨損，安裝簡單。要裝防護罩。定、滑尺無接觸，無磨損，安裝簡單。要裝防護罩。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)3. 光柵光柵 光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射光柵種類較多。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，其檢測精度可達柵高，其檢測精度可達1m以上。從形狀上看，又可以上。從形狀上看，

28、又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉(zhuǎn)角位移，分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。光柵尺的結(jié)構(gòu)光柵尺的結(jié)構(gòu)直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上

29、。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的在機床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條條/mm等。等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相互平行放置，并保持互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。的間隙。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)30原理：原理： 如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個很小的角度，這樣兩塊光柵的刻線相交，個很小的角度，這樣兩塊光柵的刻線相交，當平行光線垂直照射標尺光柵時，則在相交當平行

30、光線垂直照射標尺光柵時，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為稱為摩爾條紋摩爾條紋。當兩光柵尺沿與刻線垂直的。當兩光柵尺沿與刻線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋沿刻線方向移動，方向相對移動時，莫爾條紋沿刻線方向移動，當光柵尺移動一個當光柵尺移動一個柵距柵距，莫爾條紋正好移動，莫爾條紋正好移動一個一個節(jié)距節(jié)距。這樣只要通過光電元件檢測出莫。這樣只要通過光電元件檢測出莫爾條紋移動的數(shù)目和方向，就可以知道光柵爾條紋移動的數(shù)目和方向，就可以知道光柵移過了多少個柵距和移動的方向。移過了多少個柵距和移動的方向。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的

31、驅(qū)動與控制系統(tǒng)31工作原理：工作原理： 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 特點：特點： 1. 放大作用放大作用 用用W（mm）表示莫爾條）表示莫爾條紋的寬度，紋的寬度，P(mm)表示柵距，表示柵距，為光柵線紋之間的夾角，為光柵線紋之間的夾角，如圖所示則有如圖所示則有 莫爾條紋寬度莫爾條紋寬度W與角成反比，與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。越小，放大倍數(shù)越大。 PPWsinWPWP第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 2. 均化誤差作用均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，例如，200條條

32、/mm的光柵，的光柵，10mm寬的光柵就寬的光柵就由由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。勻造成的誤差。3. 莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例 當光柵尺移動一個柵距當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度剛好移動了一個條紋寬度W。只要通過光電。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算

33、出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。移動方向也相反。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 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)：光柵測量系統(tǒng)：第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)如圖所示，由光源、聚光鏡、光柵測量系統(tǒng)如圖所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅(qū)動線路組成。讀數(shù)頭光柵尺、光電元件和驅(qū)動線路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經(jīng)過光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經(jīng)過聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，照射光柵尺。光電聚光鏡

34、后變?yōu)槠叫泄馐丈涔鈻懦?。光電元件（常使用硅光電池）接受透過光柵尺光元件（常使用硅光電池）接受透過光柵尺光強信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。由強信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。由于此信號比較微弱，在長距離傳遞時，很容于此信號比較微弱，在長距離傳遞時，很容易被各種干擾信號淹沒，造成傳遞失真，驅(qū)易被各種干擾信號淹沒，造成傳遞失真，驅(qū)動線路的作用就是將電壓信號進行電壓和功動線路的作用就是將電壓信號進行電壓和功率放大。除標尺光柵與工作臺一起移動外，率放大。除標尺光柵與工作臺一起移動外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動線路均裝在一個殼體內(nèi)，作成一個單獨部

35、件線路均裝在一個殼體內(nèi)，作成一個單獨部件固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數(shù)頭，固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉(zhuǎn)換器，其作用把光柵莫爾條紋的又叫光電轉(zhuǎn)換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號變成電信號。光信號變成電信號。(圓光柵工作原理相同圓光柵工作原理相同)第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)圓光柵圓光柵第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)37 編碼器是一種編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被測量元件，通常裝在被檢測軸上（或同步帶聯(lián)檢測軸上（或同步帶聯(lián)接）；隨被測軸一起轉(zhuǎn)接）；隨被測軸一起轉(zhuǎn)4. 編碼器編碼器動，可將被測軸的

36、角位移轉(zhuǎn)換為增量動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式，編碼器可分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式，編碼器可分為接觸式接觸式、光電式光電式和和電磁式電磁式3種。其中，種。其中，光電編碼器在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，光電編碼器在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁編碼器則可用由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁編碼器則可用作速度檢測元件。作速度檢測元件。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)38（一）接觸式編碼器（一）接觸式編碼器 接觸式編碼器是一種接觸式編碼器是一種絕對絕對式的檢測式的檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼裝

37、置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，因此這種測量方式對應(yīng)的測量代碼，因此這種測量方式即使斷電或切斷電源，也能讀出轉(zhuǎn)動即使斷電或切斷電源，也能讀出轉(zhuǎn)動角度。角度。 接觸式編碼器體積小，輸出信號功接觸式編碼器體積小，輸出信號功率大，但易磨損，壽命短且轉(zhuǎn)速不能率大，但易磨損，壽命短且轉(zhuǎn)速不能太高。太高。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)39（二）（二） 光電式編碼器光電式編碼器 光電式編碼器是一種光電式轉(zhuǎn)角檢光電式編碼器是一種光電式轉(zhuǎn)角檢測裝置。編碼器用透明及不透明區(qū)域測裝置。編碼器用透明及不透明區(qū)

38、域按一定編碼構(gòu)成，根據(jù)其編碼方式不按一定編碼構(gòu)成，根據(jù)其編碼方式不同，可分為增量式光電編碼器和絕對同，可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。式光電編碼器。 增量式光電編碼器可通過光電轉(zhuǎn)換增量式光電編碼器可通過光電轉(zhuǎn)換將被測軸的角位移增量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的將被測軸的角位移增量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)字量，然后由微機數(shù)控系統(tǒng)或脈沖數(shù)字量，然后由微機數(shù)控系統(tǒng)或計數(shù)器計數(shù)得到角位移量和直線位移計數(shù)器計數(shù)得到角位移量和直線位移量。量。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)40增量式光電編碼器增量式光電編碼器第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)41光電編碼器需解

39、決的兩個問題：光電編碼器需解決的兩個問題： 1、正反向辨別、正反向辨別 2、掉電位置記憶、掉電位置記憶 為了測量出轉(zhuǎn)向，光為了測量出轉(zhuǎn)向，光瀾板的兩個窄縫距離比瀾板的兩個窄縫距離比編碼器兩個窄縫之間的編碼器兩個窄縫之間的距離小距離小1/4節(jié)距，使兩個節(jié)距，使兩個光敏元件的輸出信號相光敏元件的輸出信號相差差/2相位。相位。 如果將其輸出的脈沖如果將其輸出的脈沖信號經(jīng)頻率信號經(jīng)頻率電壓變換電壓變換后，得到與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速成后，得到與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，它就正比的電壓信號，它就是速度反饋信號。是速度反饋信號。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)42 C相產(chǎn)生的脈沖叫基準脈沖

40、相產(chǎn)生的脈沖叫基準脈沖,也叫零點脈也叫零點脈沖沖,在數(shù)控車床主軸末端通常就使用增量式在數(shù)控車床主軸末端通常就使用增量式光柵編碼器，來檢測主軸的位置，以保證切光柵編碼器，來檢測主軸的位置，以保證切削螺紋時不會亂扣。削螺紋時不會亂扣。 例如，例如，J1CJK6146型數(shù)控車床主軸編碼器型數(shù)控車床主軸編碼器就采用增量式光柵編碼器就采用增量式光柵編碼器LF-90BM-CO5D；MJ-520數(shù)控車床主軸編碼器采用的是數(shù)控車床主軸編碼器采用的是Y615-720型增量式圓光柵編碼器。此外，增量式型增量式圓光柵編碼器。此外，增量式光柵編碼器也可以用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)光柵編碼器也可以用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)或加

41、工中心等數(shù)控機床上的主軸準停信號。或加工中心等數(shù)控機床上的主軸準停信號。第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 它是一種直接編碼式的測量元件。它把被它是一種直接編碼式的測量元件。它把被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼指示絕對位置，沒測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。有積累誤差。 編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。 接觸式易磨損，不易高速；光電式和電磁接觸式易磨損，不易高速；光電式和電磁式是非接觸式，允許用于高速。因此，最常式是非接觸式，允許用于高速。因此，最常用的是光電式編碼盤。用的是光電式編碼盤。 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)

42、動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng) 四位編碼盤，其分辨角四位編碼盤，其分辨角360360/2/24 422.522.5。 如 用如 用 n n 位 編 碼 盤 ， 即 分 辨 角位 編 碼 盤 ， 即 分 辨 角 360360/2/2n n，所以，所以n n越大，分辨角度就越小，越大，分辨角度就越小，精確度也就越高。精確度也就越高。 目前接觸式碼盤一般可以做到目前接觸式碼盤一般可以做到9 9位二進位二進制，而光電式碼盤可做到制，而光電式碼盤可做到1818位二進制。位二進制。 494. 42621443602360181124703125. 051236023609189 時，時，對于對于時，時，對于對于nn第四章第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)2 2格雷碼盤格雷碼盤 在實際應(yīng)用中，二進制碼盤盤上圖案變在實際應(yīng)用中，二進制碼盤盤上圖案變化較大，對碼盤制