數(shù)控技術(shù)第4章42節(jié)

第4章進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)

4.1概述4.2位置檢測裝置4.3進給電機及驅(qū)動4.4進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法04.2位置檢測裝置位置檢測裝置：

檢測位移（線位移或角位移）和速度，反饋至數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動器，構(gòu)成伺服驅(qū)動系統(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。（1）組成：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。（2）常用檢測裝置：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵等1（3）精度：系統(tǒng)精度、分辨率系統(tǒng)精度：一定范圍內(nèi)測量累積誤差最大值。直線位測量精度：±0.002～0.02㎜／m；回轉(zhuǎn)角測量精度：±5″／360°系統(tǒng)分辨率：能正確檢測的最小位移量。直線位移分辨率：1μm，高精度0.1μm；回轉(zhuǎn)分辨率：可達2″(0.087″)。大型機床：速度為主；中小型機床、高精度機床：精度為主。數(shù)控機床加工精度主要由檢測系統(tǒng)精度決定。4.2位置檢測裝置2（4）安裝位置半閉環(huán)控制的數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等。安裝在電機或絲杠上，測量電機或絲杠的角位移間接測量工作臺的直線位移。閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等，安裝在工作臺和導(dǎo)軌上，直接測量工作臺的直線位移。4.2位置檢測裝置3（5）數(shù)控機床對檢測裝置的要求受溫度、濕度影響小，工作可靠，抗干擾能力強在機床移動范圍內(nèi)滿足精度和速度要求使用維護方便，適合機床運行環(huán)境成本低易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。4.2位置檢測裝置44.2.1位置檢測裝置分類

數(shù)字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉(zhuǎn)型增量式脈沖編碼器圓光柵絕對式脈沖編碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器圓感應(yīng)同步器圓磁尺多極旋轉(zhuǎn)變壓器3速圓感應(yīng)同步器直線型計量光柵激光干涉儀多通道透射光柵

直線感應(yīng)同步器光柵尺

3速直線感應(yīng)同步器絕對值式磁尺4.2位置檢測裝置5（1）增量式與絕對式

增量式檢測方式功能：測量增量，移動1個測量單位發(fā)出1個測量信號。如：測量單位為0.001mm，每移動0.001mm發(fā)出1個脈沖信號，對脈沖計數(shù)得到位移量。優(yōu)點：裝置較簡單，任何一個對中點均可作測量起點；缺點：一旦計數(shù)有誤，此后測量結(jié)果全錯；發(fā)生故障（如斷電、斷刀等）時不能找到事故前的位置，須將工作臺移至起點重新計數(shù)。增量式檢測裝置：有脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器，光柵，磁柵，激光干涉儀等4.2位置檢測裝置6絕對式檢測方式功能：被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準(zhǔn)，每一被測點都有一個相應(yīng)的對零點的測量值。優(yōu)點：避免了增量式檢測方式的缺陷缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。絕對式檢測裝置：有絕對式脈沖編碼器、三速式絕對編碼器（或稱多圈式絕對編碼器）等

4.2位置檢測裝置7（2）數(shù)字式與模擬式數(shù)字式測量方式以數(shù)字形式表示被測量，測量信號一般為脈沖，可直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。特點：便于顯示、處理；測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（存在累加誤差）檢測裝置簡單，脈沖信號抗干擾能力強。4.2位置檢測裝置8模擬式測量方式用連續(xù)的變量表示被測量，如用相位變化、電壓變化表示。特點：直接對被測量進行檢測；在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量；可用于直接檢測和間接檢測。6.1概述4.2位置檢測裝置9（3）直接測量與間接測量6.1概述直接測量用直線式檢測裝置測直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量。優(yōu)點：測量精度取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的影響。缺點：檢測裝置要與行程等長，對大型數(shù)控機床來說，是一個很大的限制。4.2位置檢測裝置10

間接測量檢測裝置測量只是中間值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的位移量，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋。對機床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測裝置測量，稱為間接測量。優(yōu)點：使用可靠方便，無長度限制，缺點：檢測信號中加入了直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的傳動鏈誤差，影響檢測精度。為提高定位精度，常需要對機床的傳動誤差進行補償。4.2位置檢測裝置114.2.2編碼器編碼器：將測量的角位移以編碼的形式輸出的位置檢測裝置，屬于間接測量的數(shù)字式檢測裝置。輸出信號的形式：絕對式、脈沖增量式內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式：接觸式、光電式、電磁式。4.2位置檢測裝置12工作臺絲杠編碼器電機安裝方式1）與伺服電機同軸聯(lián)接，編碼器在進給傳動鏈前端；安裝方便；2）連在滾珠絲杠末端，包含的傳動鏈誤差比前者多，位置控制精度較高。4.2位置檢測裝置13碼盤及狹縫轉(zhuǎn)軸光敏元件光欄板及辨向用的A組、B組狹縫光源零位標(biāo)志C1.增量式光電編碼器（1）結(jié)構(gòu)4.2位置檢測裝置14（2）原理將機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/44.2位置檢測裝置15AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈

光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：

4.2位置檢測裝置16輸出信號的作用及其處理

A、B兩相的作用：

根據(jù)脈沖數(shù)目可測角位移根據(jù)脈沖頻率可得軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向4.2位置檢測裝置17ABCP90O后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進行四倍頻細分處理，提高分辨率。4.2位置檢測裝置18

（3）增量式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格分辨率α

增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)。市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)到10萬線

/轉(zhuǎn)都有。最大達1600萬線（禁運）。選擇原則伺服系統(tǒng)要求的分辨率；考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。整數(shù)原則。4.2位置檢測裝置192.絕對式光電編碼器每一位置均由唯一對應(yīng)的編碼輸出電源切除后位置信息不會丟失數(shù)控機床無需執(zhí)行回參考點操作就能直接提供當(dāng)前的位置值，沒有累積誤差特點：4.2位置檢測裝置20（1）結(jié)構(gòu)和工作原理碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等對應(yīng)每圈都有光電傳感器輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置檢測裝置21（2）絕對編碼盤的編碼方式及其特點二進制編碼：特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。缺點：在1100和1011的交界處，可能會出現(xiàn)二義：

1111 0000導(dǎo)致較大的誤差。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置檢測裝置22010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120格雷碼（循環(huán)碼）特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律優(yōu)點：最大誤差為一個分辨率。4.2位置檢測裝置23格雷碼的編碼方法從二進制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：將二進制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。例：將二進制碼0101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼4.2位置檢測裝置24（3）絕對式編碼器的規(guī)格及分辨率規(guī)格分辨率α

絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從4道到27道都有。（23道以上禁運）選擇原則

①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；

②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。4.2位置檢測裝置253.編碼器的信號傳輸方式（1）傳輸對象：伺服電機、數(shù)控裝置（2）傳輸方式：并行或串行并行傳輸：每位數(shù)據(jù)需要一根數(shù)據(jù)電纜線。

特點：僅適用于短距離傳輸和特殊要求的場合。串行傳輸：通過一根雙絞線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，分為單工、半雙工和全雙工，同步串行通信或異步串行通信。

特點：用線少、成本低、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)安全可靠。應(yīng)用于遠距離傳輸和高精密的場合。4.2位置檢測裝置264.編碼器的選擇（1）電源。常用的編碼器電源有5V、12V、24V幾種類型。（2）機械允許轉(zhuǎn)速。取決于編碼器測量系統(tǒng)處理時間、分辨率和結(jié)構(gòu)尺寸，處理時間越短，尺寸越小，機械允許轉(zhuǎn)速越高。（3）分辨率。應(yīng)根據(jù)測量精度要求選擇編碼器分辨率，綜合考慮性價比。（4）輸出信號類型。類型決定后續(xù)接收電路。（5）使用環(huán)境。4.2位置檢測裝置27根據(jù)測量對象分：直線光柵（測量直線位移）和圓光柵（測量角位移）根據(jù)用途和材質(zhì)分：玻璃透射光柵、金屬反射光柵。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式分：絕對式光柵和增量式光柵。

光柵：是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測裝置，用于測量運動部件的直線位移和角位移。4.2.3光柵1.光柵的種類4.2位置檢測裝置28（1）直線光柵玻璃透射光柵：在玻璃表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋。特點：光源可采用垂直入射，光電元件直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較簡單；一般為100、125、250條/mm，經(jīng)過電路細分，可做到微米級的分辨率。4.2位置檢測裝置29金屬反射光柵：在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀刻劃制成光柵線紋；常用4、10、25、40、50條/mm

，分辨率低。特點：標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)易于與機床材料一致；標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整較方便；安裝面積較??；易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；不易碰碎。4.2位置檢測裝置30直線光柵的結(jié)構(gòu)由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭（即指示光柵）兩部分組成。光柵讀數(shù)頭中有光源、透鏡、掃描光柵、光電池和信號處理電路等。4.2位置檢測裝置31（2）圓光柵在玻璃圓盤外環(huán)端面上，做成黑白相間、呈輻射狀條紋，相互間夾角（柵距角）相等。根據(jù)不同使用要求，在圓周上的條紋數(shù)不同。一般有3種形式。①六十進制，如10800、21600、32400、64800等；②十進制，如1000、2500、5000等③二進制，如512、1024、2048等4.2位置檢測裝置32（3）絕對式直線光柵尺

利用光電轉(zhuǎn)換原理將運動部件位置值以編碼形式輸出，每個位置均有唯一對應(yīng)代碼輸出。

有兩條刻線軌道—增量軌和絕對軌。絕對軌用于確定運動部件位置值信息，條紋一般采用復(fù)雜的排列算法，如偽隨機編碼方式等，以提高數(shù)據(jù)容量和安全性。增量軌條紋為等距條紋，用于信號細分，提供更高分辨率的信號。精度可達±3μm/m，分辨率可達5nm

4.2位置檢測裝置33（4）增量式直線光柵尺利用光電轉(zhuǎn)換原理將位移的增量值以脈沖形式輸出，通過對脈沖計數(shù)從而計算出位移值和位置值。有兩條刻線軌道—增量軌和參考點軌。增量軌條紋進行位移量的計算。參考點軌用于回零操作。4.2位置檢測裝置344.2位置檢測裝置2.光柵的工作原理（1）成像掃描。透射光生成位置測量信號。指示光柵和標(biāo)尺光柵的光線投射到規(guī)則排列的光電池上。當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵相對運動時，光電池接收到的光強不斷變化，產(chǎn)生近似正弦變化的周期電信號。35（2）干涉掃描。利用精密光柵的衍射和干涉形成位置測量信號。4.2位置檢測裝置36ωW4.2位置檢測裝置37光學(xué)玻璃上均勻地刻上平行的線條，一般每毫米刻50、100、200、250條線。注：條數(shù)越多，測量精度越高。柵距ω：線條之間的距離，稱為柵距。用ω表示。

莫爾條紋節(jié)距W：交叉點之間的距離。

38當(dāng)θ角很小時：

所以，節(jié)距W與柵距ω的關(guān)系為：：是柵距的放大倍數(shù)，其最大可達倍。

394.2.4旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機檢測裝置，主要用于半閉環(huán)控制的數(shù)控機床。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低（特別是高溫、高粉塵地方）、輸出信號幅度大、抗干擾能力強。缺點：信號處理比較復(fù)雜。分類：按有無電刷分：接觸式和無接觸式兩種按極對數(shù)分：單對極和多對極4.2位置檢測裝置401.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)

與兩相繞線式異步電機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。4.2位置檢測裝置41（1）有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出。特點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小缺點：電刷與滑環(huán)是機械滑動接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。

4.2位置檢測裝置42（2）無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器由本體和附加變壓器組成。附加變壓器原、副邊鐵心及線圈成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。本體的轉(zhuǎn)子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊線圈間接地送出。4.2位置檢測裝置43

無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質(zhì)量、成本均有所增加。

4.2位置檢測裝置442.旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器利用繞組間的互感原理。當(dāng)定子加上一定頻率的激磁電壓時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。Φ2＝kΦ1sinθU2＝nUm

sinωt

sinθ4.2位置檢測裝置45Um—激磁電壓幅值n—繞組匝數(shù)比θ—轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角定子繞組勵磁電壓：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電勢：4.2位置檢測裝置46（1）鑒相工作方式定子的兩個繞組通同幅值、頻率，但相位差π/2的交流激磁電壓。

U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2

3.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式4.2位置檢測裝置47U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ=kUmcos（ωt-θ）

Um——激磁電壓幅值；

k——電磁耦合系數(shù)，k<1；θ——相位角，即：轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時：

U2＝kUmcos（ωt+θ）相位角的測量：轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角ωt+θ和θ間有對應(yīng)關(guān)系，檢測出ωt+θ

，可得θ（被測軸角位移）。實際應(yīng)用時，把定子余弦繞組激磁電壓的相位ωt作為基準(zhǔn)相位，與ωt+θ比較，確定θ大小。4.2位置檢測裝置48（2）鑒幅工作方式定子的兩個繞組分別通同頻率、同相位、幅值分別按正弦、余弦變化的交流激磁電壓，即：

U1s＝Umsin

sinωt