數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)課件5-9章

1第5章計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置5.1

硬件結(jié)構(gòu)5.35.4軟件結(jié)構(gòu)概述

5.2可編程控制器2本章概要提要本章主要介紹CNC裝置的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及功能、單片機(jī)數(shù)控裝置以及數(shù)控機(jī)床用可編程控制器。重點(diǎn)：CNC裝置的結(jié)構(gòu)和功能、典型數(shù)控機(jī)床用PLC的指令系統(tǒng)。難點(diǎn)：典型CNC裝置的結(jié)構(gòu)、典型數(shù)控機(jī)床用PLC的基本指令和功能指令系統(tǒng)。3本章概要掌握程度掌握CNC裝置的結(jié)構(gòu)掌握數(shù)控機(jī)床用可編程控制器內(nèi)裝型PLC和獨(dú)立型PLC的特點(diǎn)及功能了解典型數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用了解CNC裝置的特點(diǎn)4★本節(jié)提示數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大腦和核心，而數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計(jì)算機(jī)，即計(jì)算機(jī)控制裝置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控裝置以微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（MicrosoftNumericalControl，簡(jiǎn)稱MNC）為主體，統(tǒng)稱為CNC數(shù)控裝置。數(shù)控裝置（習(xí)慣稱為數(shù)控系統(tǒng)）對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，并完成零件自動(dòng)加工的專用電子計(jì)算機(jī)。5.1概述5

CNC裝置由硬件和軟件兩部分組成，軟件在硬件的支持下運(yùn)行，離開了軟件，硬件也無(wú)法工作。1CNC裝置的結(jié)構(gòu)圖5.1CNC裝置的硬件組成62CNC裝置的特點(diǎn)（1）較高的柔性（2）良好的通用性（3）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能（4）較高的可靠性（5）維修使用方便（6）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

73CNC裝置的功能（1）控制功能（2）準(zhǔn)備功能（G功能）（3）插補(bǔ)功能（4）進(jìn)給功能（5）主軸功能（6）輔助功能（M功能）（7）刀具管理功能（8）補(bǔ)償功能（9）人機(jī)對(duì)話功能（10）自診斷功能（11）通訊功能（12）人機(jī)交互圖形編程功能

81單片機(jī)數(shù)控裝置

圖5.2單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)5.2硬件結(jié)構(gòu)9

單片機(jī)

開關(guān)量控制EPROMRAMI/O顯示器鍵盤通用外部設(shè)備I/OI/O擴(kuò)展A/D光電隔離光電隔離光電隔離D/A數(shù)字量檢測(cè)模擬量檢測(cè)開關(guān)量檢測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器基本系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)外部設(shè)備圖5.3典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)10圖5.4用80C31單片機(jī)組成的簡(jiǎn)易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖112單片機(jī)數(shù)控裝置

CPU紙帶接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能圖5.5單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖12單CPU數(shù)控裝置組成的數(shù)控系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)、外圍I/O設(shè)備和機(jī)床I/O控制部分組成。（1）微型計(jì)算機(jī)（2）I/O接口（3）機(jī)床I/O控制部分133多CPU數(shù)控裝置

（1）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1）共享總線結(jié)構(gòu)管理模塊主存儲(chǔ)器模塊操作面板顯示模塊會(huì)話式編程模塊插補(bǔ)模塊PLC功能模塊位置控制模塊主軸控制模塊圖5.6共享總線的多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖142)共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

軸控制（CPU4）

I/O（CPU1）顯示（CPU2）插補(bǔ)（CPU3）共享存儲(chǔ)器圖5.7共享存儲(chǔ)器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖15（2）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)基本功能模塊1）管理模塊2）插補(bǔ)模塊3）位置控制模塊4）PLC模塊5）命令與數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊6）存儲(chǔ)器模塊

16（3）多CPU結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1）能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快。2）容錯(cuò)能力強(qiáng)，可靠性高。3）有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。

174全功能型CNC系統(tǒng)硬件特點(diǎn)（1）具有多個(gè)微處理器（2）采用閉環(huán)、半閉環(huán)控制（3）功能強(qiáng)（4）用可編程控制器控制強(qiáng)電

18

CNC數(shù)控裝置的軟件是為完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能而專門設(shè)計(jì)和編制的，是數(shù)控加工的一種專用軟件，又稱系統(tǒng)軟件，管理作業(yè)類似于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。

軟件結(jié)構(gòu)取決于CNC裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。硬件為軟件運(yùn)行提供了支持環(huán)境。軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，由硬件能完成的工作原則上也可以由軟件完成。硬件處理速度快，但造價(jià)高，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度慢。因此，在CNC裝置中，軟硬件的分工是由性價(jià)比決定的。5.3軟件結(jié)構(gòu)191CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性

CNC系統(tǒng)的任務(wù)管理輸入I/O處理顯示診斷控制譯碼刀具補(bǔ)償速度處理插補(bǔ)位置控制圖5.8CNC系統(tǒng)任務(wù)分解圖20（2）CNC系統(tǒng)的并行處理

輸入顯示控制診斷I/O譯碼刀具補(bǔ)償速度處理插補(bǔ)位置控制圖5.9CNC裝置各任務(wù)之間的并行處理關(guān)系211）資源分時(shí)共享的處理方法

初始化顯示診斷I/O處理插補(bǔ)準(zhǔn)備輸入插補(bǔ)位控鍵盤中斷優(yōu)先級(jí)圖5.10CPU分時(shí)共享的并行處理222）時(shí)間重疊流水并行處理方法

圖5.11時(shí)間重疊流水并行處理23（3）實(shí)時(shí)中斷處理

常見的中斷類型有以下幾種：1）外部中斷。2）內(nèi)部定時(shí)中斷。

3）硬件故障中斷。4）程序性中斷。242CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式（1）多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)圖5.12多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)圖25表5-1FANUC-BESK7CMCNC系統(tǒng)的各級(jí)中斷功能26表5-2FANUC-BESK7CMCNC系統(tǒng)1級(jí)中斷的13種功能27圖5.13前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)28（2）前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)圖5.14前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)293典型CNC系統(tǒng)簡(jiǎn)介（1）FANUCCNC系統(tǒng)簡(jiǎn)介（2）SIEMENS系統(tǒng)簡(jiǎn)介（3）國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介30

全球生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家有很多，并且都有自己的品牌產(chǎn)品，但無(wú)論是哪個(gè)品牌相互間都有共同點(diǎn)，表現(xiàn)在以下方面：1）具有計(jì)算機(jī)的基本特征，實(shí)現(xiàn)位置控制是數(shù)控系統(tǒng)的根本任務(wù)。2）有系統(tǒng)操作面板（MDI/CRT）和機(jī)床操作面板。在系統(tǒng)操作面板上，除了字母、數(shù)字、符號(hào)和編輯鍵，用于程序的輸入、編輯和數(shù)據(jù)設(shè)定外；還有軟功能鍵，用于系統(tǒng)功能“菜單”的選擇。在機(jī)床操作面板上，除了機(jī)床的一般操作功能開關(guān)外，還有工作方式選擇開關(guān)，用于機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的選擇，如手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入、自動(dòng)方式、回參考點(diǎn)等方式。3）具備串行通信接口，用于和微機(jī)進(jìn)行通信，有些系統(tǒng)還具備以太網(wǎng)功能接口。314）數(shù)控系統(tǒng)的位置控制既有模擬速度指令輸出，又有實(shí)際位置反饋輸入。

5）有I/O模塊單元，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的PLC程序，用于機(jī)床上的輸入/輸出

開關(guān)量的控制。

6)開放式數(shù)控系統(tǒng)建立在通用微機(jī)平臺(tái)上，既可借助微機(jī)軟、硬件技術(shù)

發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，又滿足了數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的要求。開放式數(shù)控系統(tǒng)是

當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)重要的發(fā)展方向。32

可編程控制器簡(jiǎn)稱PC（英文全稱：ProgrammableController），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（英文全稱：ProgrammableLogicController）和可編程序控制器PC幾個(gè)不同時(shí)期。為與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用可編程邏輯控制器這個(gè)老名字PLC。因此，在數(shù)控技術(shù)方面，PC、PMC和PLC可以理解為同一個(gè)概念。5.4可編程控制器331數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的分類（1）內(nèi)裝型PLC34圖5.15具有內(nèi)裝型PLC的CNC機(jī)床系統(tǒng)框圖35（2）獨(dú)立型PLC36圖5.16具有獨(dú)立型PLC的CNC機(jī)床系統(tǒng)框圖372數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的功能3典型數(shù)控機(jī)床用PLC的指令系統(tǒng)

PLC的指令分為基本指令和功能指令兩種。基本指令主要包括讀/寫指令、位邏輯運(yùn)算指令等，它們都是簡(jiǎn)單的、基本的操作。功能指令都是較復(fù)雜的、組合的操作。當(dāng)設(shè)計(jì)順序程序時(shí)，使用最多的是基本指令，F(xiàn)ANUC-PMC-L基本指令共12條。功能指令便于機(jī)床特殊運(yùn)行控制的編程，功能指令有35條。38（1）基本指令基本指令格式如下：

基本指令地址號(hào)位數(shù)基本指令共12條，指令及處理內(nèi)容見下頁(yè)表5-3所示。39表5-3基本指令和處理內(nèi)容40（2）功能指令表5-4功能指令和處理內(nèi)容42本章小結(jié)主要內(nèi)容：本章介紹了CNC裝置的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及功能、單片機(jī)數(shù)控裝置、單CPU數(shù)控裝置、多CPU數(shù)控裝置、CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的分類、功能及典型數(shù)控機(jī)床用PLC的指令系統(tǒng)。要求：了解CNC裝置的特點(diǎn)，掌握CNC裝置的結(jié)構(gòu)、掌握三種數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、掌握CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性、并行處理和實(shí)時(shí)中斷處理、掌握數(shù)控機(jī)床用可編程控制器內(nèi)裝型PLC和獨(dú)立型PLC的特點(diǎn)及功能。43習(xí)題與思考題5-1數(shù)控裝置有何特點(diǎn)？5-2簡(jiǎn)述CNC裝置的功能有哪些？5-3多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)有哪些功能模塊？5-4試述CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中多任務(wù)并行處理的主要方法？5-5簡(jiǎn)述內(nèi)裝型PLC與獨(dú)立型PLC的特點(diǎn)？5-6了解CNC系統(tǒng)控制功能如何由PLC實(shí)現(xiàn)的。44（第5章結(jié)束）第5章計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置45第6章數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置6.1旋轉(zhuǎn)變壓器6.36.4感應(yīng)同步器6.5磁柵6.6編碼器概述6.2光柵46本章概要提要本章主要介紹數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的組成、作用、分類及幾種常用位置檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)和工作原理。重點(diǎn)：位置檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)和工作原理難點(diǎn)：位置檢測(cè)元件的工作原理。47本章概要掌握程度掌握位置檢測(cè)裝置的組成及作用掌握各種檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)和工作原理了解數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求了解位置檢測(cè)裝置的分類了解各種位置檢測(cè)元件的特點(diǎn)及應(yīng)用48★本節(jié)提示數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置(測(cè)量線路)組成。一般安裝在機(jī)床工作臺(tái)上或絲杠軸、電機(jī)軸端。檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)床執(zhí)行部件的位移和速度信號(hào)，并變換成位置控制單元所要求的信號(hào)形式，從而將執(zhí)行部件的現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的半閉環(huán)或閉環(huán)控制。

6.1概述49數(shù)控機(jī)床上使用的檢測(cè)裝置應(yīng)滿足以下要求：

1.高可靠性和高抗干擾性。2.能滿足精度和速度的要求。3.使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境。4.成本低。6.1.1數(shù)控機(jī)床對(duì)位置測(cè)量裝置的要求6.1概述506.1概述6.1.2位置檢測(cè)裝置的分類1.按輸出信號(hào)的形式分?jǐn)?shù)字式:

將被測(cè)量以數(shù)字形式表示，測(cè)量信號(hào)一般為電脈沖。這樣的檢測(cè)裝置有脈沖編碼器、光柵等。模擬式:

將被測(cè)量以連續(xù)變化的物理量來(lái)表示，如電壓的相位變化、幅值變化等。數(shù)控機(jī)床中模擬式檢測(cè)主要用于小量程測(cè)量，這樣的檢測(cè)裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁尺等。516.1概述2.按測(cè)量基點(diǎn)的類型分

增量式：只測(cè)量位移增量，并用數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)表示單位位移的數(shù)量。每移動(dòng)一個(gè)測(cè)量單位就發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以做為測(cè)量起點(diǎn)。但在此系統(tǒng)中，移動(dòng)的距離是靠對(duì)檢測(cè)信號(hào)累積后讀出的，一旦累積有誤，測(cè)量結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外發(fā)生故障后不能再找到原來(lái)的正確位置，必須在故障排除后，將運(yùn)動(dòng)部件移至起點(diǎn)重新計(jì)數(shù)才能找到故障前的正確位置。脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等。絕對(duì)式：測(cè)量的是被測(cè)部件在某一絕對(duì)坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)位置值，并且以二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)碼信號(hào)表示出來(lái)，一般要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號(hào)才能送去進(jìn)行比較和顯示。這樣的檢測(cè)裝置有絕對(duì)式脈沖編碼盤、三速式絕對(duì)編碼盤等。526.1概述3.按檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)形式分直線型:

檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)或刀架上，隨工作臺(tái)或刀架一起移動(dòng)，用來(lái)測(cè)量其直線位移。這類的檢測(cè)裝置有直線光柵、感應(yīng)同步尺、磁柵等，可以構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。直線型檢測(cè)裝置的測(cè)量精度主要取決于測(cè)量元件的精度，不受機(jī)床傳動(dòng)精度的影響?；剞D(zhuǎn)型:

檢測(cè)裝置安裝在絲杠軸或電動(dòng)機(jī)軸端，測(cè)量角位移。當(dāng)檢測(cè)裝置隨軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)部件就移動(dòng)一個(gè)絲杠導(dǎo)程的位移，因此測(cè)得的角位移經(jīng)過(guò)傳動(dòng)比變換后才能得到執(zhí)行部件的直線位移量。這類檢測(cè)裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器等，可以構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。回轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置的測(cè)量精度主要取決于測(cè)量元件和機(jī)床傳動(dòng)鏈兩者的精度。536.2旋轉(zhuǎn)變壓器★本節(jié)提示

旋轉(zhuǎn)變壓器是利用變壓器原理實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的檢測(cè)元件，它可以將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其成某種函數(shù)關(guān)系的電壓信號(hào)，具有輸出信號(hào)幅值大、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏、性能可靠等特點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)環(huán)境條件要求不高，廣泛用于半閉環(huán)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。546.2旋轉(zhuǎn)變壓器6.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)1-轉(zhuǎn)子軸；2-分解器定子；3-分解器轉(zhuǎn)子；4-分解器轉(zhuǎn)子線圈；5-分解器定子線圈；6-變壓器定子；7-變壓器轉(zhuǎn)子；8-變壓器一次線圈；9-變壓器二次線圈圖6.2無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖556.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作的。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)保證了其定子和轉(zhuǎn)子之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器56設(shè)加在定子繞組的激磁電壓為：

通過(guò)電磁偶合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：

式中，K--變壓比（即繞組匝數(shù)比）；Vm--激磁電壓的幅值；θ--定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間的夾角。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器57圖6-3兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

6.2旋轉(zhuǎn)變壓器586.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用圖6.4四極旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

四極旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個(gè)匝數(shù)相等互相垂直的繞組組成，其中，定子上的兩相繞組，一相為正弦繞組，一相為余弦繞組。轉(zhuǎn)子的兩相繞組，一相為工作繞組，一相為電樞補(bǔ)償繞組。定子繞組通入不同的激磁電壓，旋轉(zhuǎn)變壓器可以有兩種不同的工作方式：鑒相式和鑒幅式。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器591.鑒相式鑒相式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)確定被測(cè)位移大小的檢測(cè)方式。在該工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相繞組，分別通以幅值相同、頻率相同，但相位差π/2的正弦交變電壓，即當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，根據(jù)線性疊加原理，在轉(zhuǎn)子工作繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為這兩相磁通所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)之和，即

6.2旋轉(zhuǎn)變壓器602.鑒幅式鑒幅式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的幅值來(lái)確定被測(cè)位移大小的檢測(cè)方式。在該工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相繞組，分別通以頻率相同、相位相同，但幅值分別按正弦和余弦變化的交變電壓，即

在轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電勢(shì)為

式中，θ--轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角；--電氣角，激磁交變電壓信號(hào)的相位角。6.2旋轉(zhuǎn)變壓器616.3感應(yīng)同步器★

本節(jié)提示

感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，是一種電磁感應(yīng)式的檢測(cè)裝置，根據(jù)電磁耦合原理將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種用來(lái)測(cè)量直線位移，稱直線式感應(yīng)同步器；另一種用來(lái)測(cè)量角位移，稱旋轉(zhuǎn)式（或圓盤式）感應(yīng)同步器，由定子和轉(zhuǎn)子組成，形狀呈圓片形。感應(yīng)同步器對(duì)環(huán)境要求低，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，使用壽命長(zhǎng)大量程接長(zhǎng)方便，可以測(cè)量較大位移。

626.3.1直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。定尺和滑尺的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝相同?；迨怯膳c機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板或非鐵磁的材料做成，基板上用絕緣粘接劑貼有銅箔，并用制造印刷線路板相同的腐蝕方法制成印刷繞組。在定尺的繞組表面涂上一層耐切削液的清漆涂層，以保護(hù)尺面。在滑尺的繞組表面上用絕緣的粘接劑粘貼一層鋁箔作為屏蔽層，以防止機(jī)床切削液腐蝕和靜電感應(yīng)的影響。使用時(shí)定尺安裝在機(jī)床固定部件上，滑尺安裝在移動(dòng)部件上，兩尺平行安置，之間保持約為（0.25±0.05）mm的間隙。6.3感應(yīng)同步器631-基板；2-絕緣層；3-繞組；4-屏蔽層圖6.7直線式感應(yīng)同步器6.3感應(yīng)同步器64

標(biāo)準(zhǔn)直線式感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)度為250mm，滑尺長(zhǎng)度為100mm，圖6.8所示為兩種型號(hào)的定尺，圖6.9所示為兩種型號(hào)的滑尺。如果測(cè)量長(zhǎng)度超過(guò)170mm時(shí)，可將若干根定尺接長(zhǎng)使用。圖6.8感應(yīng)同步器定尺圖6.9感應(yīng)同步器滑尺

6.3感應(yīng)同步器65定尺和滑尺上繞組的節(jié)距相等，均為2τ,定尺上繞組是連續(xù)的,滑尺上則分布著兩個(gè)激磁繞組,分別稱為正弦繞組和余弦繞組,這兩個(gè)激磁繞組在長(zhǎng)度方向上相差1/4節(jié)距。即如果把定尺繞組和滑尺繞組A對(duì)準(zhǔn)，那么滑尺繞組B正好和定尺繞組相差1/4節(jié)距。圖6.10直線式感應(yīng)同步器繞組原理圖

6.3感應(yīng)同步器666.3.2直線式感應(yīng)同步器的工作原理圖6.11感應(yīng)同步器的工作原理

設(shè)滑尺移動(dòng)移動(dòng)距離為，感應(yīng)電勢(shì)將以余弦函數(shù)變化相位角，則有：

即可得：

6.3感應(yīng)同步器67令Vs是加在滑尺任一繞組上的激磁電壓

則在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

式中，K--

電磁耦合系數(shù)；

Vm--激磁電壓的幅值；θ--滑尺相對(duì)于定尺在空間的相位角。6.3感應(yīng)同步器68

當(dāng)滑尺上某一繞組通以給定頻率的激磁交變電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組上產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)是感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)，它能反映滑尺和定尺之間的相對(duì)位移。當(dāng)滑尺繞組上施加不同的激磁交變電壓時(shí)，感應(yīng)同步器的工作方式同樣也有鑒相式工作方式和鑒幅式工作方式兩種。6.3感應(yīng)同步器696.4光柵★

本節(jié)提示光柵是一種光電檢測(cè)裝置，測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，是構(gòu)成進(jìn)給伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制常用的位置檢測(cè)裝置之一。光柵的測(cè)量精度很高，可小于1。光柵對(duì)環(huán)境有一定的要求，灰塵、油污等會(huì)影響工作可靠性，且電路較復(fù)雜，成本較高。

70光柵種類很多，根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同，光柵分為透射光柵和反射光柵，透射光柵是在玻璃的表面制成透明與不透明等間距的光柵線紋，反射光柵是在金屬的鏡面上制成全反射或漫反射等間距的光柵線紋。根據(jù)形狀不同,光柵分為直線光柵和圓光柵，直線光柵用于測(cè)量直線位移，圓光柵用于測(cè)量角位移。在數(shù)控機(jī)床上使用較多的是透射光柵。圖6.12意大利GIVI直線光柵

圖6.13RESR圓光柵

6.4光柵716.4.1直線光柵的結(jié)構(gòu)直線透射光柵由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。1-光源；2-透鏡；3-指示光柵；4-光敏元件；5-驅(qū)動(dòng)線路圖6.14直線光柵的結(jié)構(gòu)示意圖

6.4光柵72圖6.15光柵尺6.4光柵73圖6.16海德漢光柵尺

6.4光柵746.4.2光柵的測(cè)量原理光柵是根據(jù)莫爾條紋的形成原理進(jìn)行測(cè)量工作的。光柵實(shí)際上是一根刻線很密很精確的“尺”。如果用它測(cè)量位移，只要數(shù)出測(cè)試對(duì)象上某個(gè)確定點(diǎn)相對(duì)于光柵移過(guò)的線紋數(shù)即可。但是，由于光柵線紋過(guò)密，直接對(duì)線紋計(jì)數(shù)很困難，因而利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)數(shù)。6.4光柵75圖6.17莫爾條紋的形成6.4光柵76莫爾條紋具有以下特征：1.放大作用

在兩光柵線紋夾角很小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距、柵線角θ（rad）之間有下列關(guān)系，即

由于θ很小，，則

若=0.01mm，θ=0.01rad，則上式可得W=1mm，即把光柵柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。由此可見，莫爾條紋具有放大作用。6.4光柵772.莫爾條紋的變化規(guī)律當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋也相應(yīng)地移過(guò)一個(gè)條紋間距。由于光的衍射和干涉作用，其光強(qiáng)的變化規(guī)律近似正弦函數(shù)，若光柵向相反方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也向相反方向移動(dòng)。莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵的移動(dòng)方向垂直，這樣，測(cè)量光柵水平移動(dòng)的微小距離就用檢測(cè)垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。6.4光柵783.均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵線紋共用形成，例如每毫米100條線紋的光柵，10mm寬的一條莫爾條紋就由1000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。6.4光柵796.4.3光柵測(cè)量裝置的信號(hào)處理光柵測(cè)量裝置的信號(hào)處理電路包括差動(dòng)放大器、整形器、鑒相倍頻和門電路。由4個(gè)光電元件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2只差動(dòng)放大器輸入端，從差動(dòng)放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過(guò)對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過(guò)對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。6.4光柵80圖6.18光柵測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理電路框圖

6.4光柵81高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，目前光柵檢測(cè)裝置多采用電子細(xì)分方法。

（a）在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列安放4個(gè)光電元件

（b）波形圖

6.4光柵82光柵尺光柵尺6.4光柵836.5磁柵★

本節(jié)提示磁柵是用電磁方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測(cè)裝置，按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和角位移式，分別用于長(zhǎng)度和角度的檢測(cè)。磁柵加工工藝簡(jiǎn)單，需要時(shí)還可以將原來(lái)的磁化信號(hào)抹去，重新錄制。目前可以做到系統(tǒng)精度±0.01mm，分辨率5um。磁柵對(duì)使用環(huán)境的條件要求較低，在油污、灰塵較多的工作環(huán)境使用時(shí)，仍具有較高的穩(wěn)定性。

846.5.1磁柵尺的結(jié)構(gòu)磁柵尺用于測(cè)量直線位移，由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路組成。

圖6.22磁柵檢測(cè)裝置的構(gòu)成

6.5磁柵851.磁柵標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料上涂一層1～2μm的磁性材料，形成一層均勻的磁性薄膜，然后采用錄磁的方法在磁性薄膜上錄制的具有一定波長(zhǎng)的磁信號(hào)。信號(hào)可為正弦波或方波，波長(zhǎng)一般為0.05mm,0.1mm,0.2mm,1mm等。6.5磁柵862.磁頭是進(jìn)行磁—電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸送到檢測(cè)電路中去。磁頭有兩種，動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。動(dòng)態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)式磁頭，只有在磁頭與磁尺間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才能讀取磁化信號(hào)，并有電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)的大小取決于運(yùn)動(dòng)速度，靜止時(shí)沒有信號(hào)輸出。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭，在低速甚至靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，所以數(shù)控機(jī)床上采用靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。6.5磁柵87靜態(tài)磁頭由鐵心上兩個(gè)產(chǎn)生磁通方向相反的勵(lì)磁繞組和兩個(gè)串聯(lián)的拾磁繞組組成。1-磁性膜；2-基體；3-磁尺；4-磁頭；5-鐵心；6-勵(lì)磁繞組；7-拾磁繞組圖6.23磁柵結(jié)構(gòu)原理6.5磁柵88將高頻勵(lì)磁電流通人勵(lì)磁繞組時(shí)，在磁頭上產(chǎn)生磁通Φ1。當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)，磁尺上的磁信號(hào)產(chǎn)生的磁通Φ0進(jìn)入磁頭鐵心，并被高頻勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通Φ1所調(diào)制。于是在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為式中：U0--感應(yīng)電壓幅值；λ--磁尺磁化信號(hào)的節(jié)距；x--選定某一N極作為位移零點(diǎn)時(shí)，磁頭相對(duì)于磁尺的位移；ω--輸出線圈感應(yīng)電壓的頻率，它比勵(lì)磁電流的頻率高一倍。

6.5磁柵89使用單磁頭輸出信號(hào)小,而且對(duì)磁柵標(biāo)尺上磁化信號(hào)的節(jié)距和波形精度要求高,為此,實(shí)際使用時(shí)將幾十個(gè)磁頭以一定方式聯(lián)接起來(lái),組成多磁頭串聯(lián)方式,如圖6.24所示。圖6.24多間隙磁頭工作原理

6.5磁柵90采用雙磁頭是為了辨別磁頭在磁尺上的移動(dòng)方向，通常兩磁頭間距為(m±1/4)λ(m為任意正整數(shù))配置，如圖6.25所示。從兩磁頭的輸出繞組上得到的是兩路相位差900的電壓信號(hào)，根據(jù)兩個(gè)磁頭輸出信號(hào)的超前或滯后，可確定其移動(dòng)方向。磁柵尺的辨向原理與光柵尺是一樣的。

圖6.25辨向磁頭的配置6.5磁柵916.5.2磁柵尺的工作原理

磁尺檢測(cè)是模擬測(cè)量，檢出信號(hào)是一模擬信號(hào)，必須經(jīng)檢測(cè)電路處理變換，才能獲得表示位移量的脈沖信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)方法不同，檢測(cè)電路分為鑒幅型和鑒相型兩種。數(shù)控機(jī)床上常采用的是鑒相式測(cè)量。如圖6.26所示。6.5磁柵92圖6.26磁柵檢測(cè)裝置的工作原理

6.5磁柵93對(duì)圖6.26所示的兩組磁頭A和B的勵(lì)磁繞組分別通以同頻率、同幅值、相位相差900的激磁電流，取磁尺上的某N點(diǎn)為起點(diǎn)，若A磁頭離開起點(diǎn)的距離為x，則A和B磁頭上拾磁繞組輸出的輸出電壓為：在求和電路中相加，則得磁頭總輸出電壓為：

6.5磁柵94磁柵檢測(cè)裝置原理的方框圖如圖6.26所示,由脈沖發(fā)生器發(fā)出400kHz脈沖序列,經(jīng)80分頻,得到5kHz的勵(lì)磁信號(hào),再經(jīng)帶通濾波器變成正弦波后分成兩路:一路經(jīng)功率放大器送到第一組的磁頭的勵(lì)磁線圈;另一路經(jīng)45°移相,后由功率放大器送到第二組的勵(lì)磁線圈,從兩組磁頭讀出信號(hào)(U1,U2),由求和電路去求和,即可得到相位隨位移X而變化的合成信號(hào),將該信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形后變成10kHz的方波,再與一相激磁電流(基準(zhǔn)相位)鑒相以細(xì)分內(nèi)插的原理,即可得到分辨率為5μm(磁尺上的磁化信號(hào)節(jié)距200μm)的位移測(cè)量脈沖,該脈沖可送至顯示計(jì)數(shù)器或位置檢測(cè)控制回路。6.5磁柵956.6編碼器★

本節(jié)提示脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電脈沖，是一種常用的角位移測(cè)量裝置。脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，光電式的精度和可靠性都優(yōu)于其它兩種，因而廣泛使用于數(shù)控機(jī)床上。

96光電脈沖編碼器按工作原理又可分為增量式光電脈沖編碼器和絕對(duì)式光電脈沖編碼器兩種。增量式光電脈沖編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式光電脈沖編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。這兩種在數(shù)控機(jī)床中均有應(yīng)用，常用的是增量式光電脈沖編碼器，絕對(duì)式光電脈沖編碼器應(yīng)用于特殊要求的場(chǎng)合。6.6編碼器976.6.1增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器能把旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)的位置檢測(cè)裝置。1-旋轉(zhuǎn)軸；2-滾動(dòng)軸承；3-透光狹縫；4-光電碼盤；5-光源；6-聚光鏡；7-光欄板；8-光敏元件圖6.28增量式脈沖編碼器原理圖6.6編碼器98在光源的照射下，光線透過(guò)光電碼盤和光欄板上的狹縫，形成明暗相間近似于正弦信號(hào)的光信號(hào)。光敏元件接收這些光信號(hào)，并把轉(zhuǎn)換成近似正弦波的電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理電路整形、放大、分頻變換成電脈沖信號(hào)。通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖的數(shù)目，即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移。通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖的頻率，即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速。測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)數(shù)字顯示裝置進(jìn)行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。6.6編碼器99圖6.29增量式光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)

6.6編碼器100實(shí)際應(yīng)用的增量式光電脈沖編碼器的光欄板有兩組狹縫A、和B、，A組與B組的狹縫在同一圓周上彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，這樣，當(dāng)A組狹縫全部遮住光電碼盤狹縫時(shí)，B組狹縫剛好遮住光電碼盤上狹縫的一半，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)相位相差90o，如圖5-20所示。根據(jù)信號(hào)A和信號(hào)B的發(fā)生順序，即可判斷光電編碼器軸的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，則對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，則對(duì)應(yīng)反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關(guān)系來(lái)判斷方向的。另外還有一個(gè)狹縫稱為零位狹縫，光電碼盤轉(zhuǎn)一周時(shí)，由此狹縫發(fā)出一個(gè)脈沖。這個(gè)脈沖用來(lái)產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)，該脈沖以差動(dòng)形式C和輸出。光電碼盤轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)狹縫的角度，A信號(hào)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，如果光電碼盤上有1000條刻線，則編碼器旋轉(zhuǎn)一周，A信號(hào)就有1000個(gè)脈沖，其測(cè)量角度的分辨率為0.36o。6.6編碼器101圖6.30光電脈沖編碼器的輸出波形

6.6編碼器1026.6.2絕對(duì)式脈沖編碼器絕對(duì)式光電脈沖編碼器可將被測(cè)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼來(lái)指示絕對(duì)位置而沒有累計(jì)誤差，是一種直接編碼式的測(cè)量裝置。6.6編碼器103（a）二進(jìn)制碼盤（b）葛萊碼盤圖6.31絕對(duì)值式碼盤6.6編碼器104絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，一般做成二進(jìn)制編碼，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心圓環(huán)組成，稱為碼道。碼道的數(shù)量與二進(jìn)制的位數(shù)相同，靠近圓心的碼道代表高位數(shù)碼，最外圈是最低位。每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道，碼道的分辨率為3600/2n。它的特點(diǎn)是可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失。6.6編碼器105本章小結(jié)主要內(nèi)容：本章介紹了數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的組成、作用及分類；旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

要求：掌握數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的組成及原理；各種檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)和工作原理。了解數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求及各種位置檢測(cè)裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用。106習(xí)題與思考題1．簡(jiǎn)述位置檢測(cè)裝置在數(shù)控機(jī)床中的作用。2．?dāng)?shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置有哪些要求？3．位置檢測(cè)裝置可以分為哪幾類？4.分析旋轉(zhuǎn)變壓器與感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理。5.鑒相式工作方式和鑒幅式工作方式勵(lì)磁電壓有何不同？6.莫爾條紋有哪些特性？為什么實(shí)際測(cè)量時(shí)利用莫爾條紋進(jìn)行測(cè)量？7．已知一光柵尺的柵距為0.02mm，標(biāo)尺光柵與指示光柵間的夾角為0.057，求莫爾條紋的寬度。9．磁柵有哪些部件組成？被測(cè)位移量與感應(yīng)電壓的有什么關(guān)系？10．增量式脈沖編碼器和絕對(duì)式脈沖編碼器各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？11．舉例說(shuō)明那些檢測(cè)裝置可以用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，那些可以用于半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

107數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用108第7章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)7.1

步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.37.4直流伺服電機(jī)及其速度控制

7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)7.6位置控制概述

7.2交流伺服電機(jī)及其速度控制109本章概要提要本章主要介紹伺服系統(tǒng)的概念及分類、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類；位置控制的概念及工作原理。重點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類。難點(diǎn)：伺服系統(tǒng)的概念、分類，位置控制的概念及工作原理。110本章概要掌握程度掌握數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)的基本概念掌握步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及分類了解位置控制的概念及工作原理111★本節(jié)提示伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入信號(hào)的變化而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，以獲得精確的位置、速度或力的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接收來(lái)自數(shù)控裝置輸出的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及功率放大后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床移動(dòng)部件相應(yīng)移動(dòng)的控制系統(tǒng)。

7.1概述112伺服系統(tǒng)SV(servodrive)是根據(jù)輸入信號(hào)的變化而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，以獲得精確的位置、速度或力的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)。7.1概述7.1.1伺服系統(tǒng)的概念一般伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖7.1所示。圖7.1伺服系統(tǒng)的組成圖113由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、受控對(duì)象和測(cè)量、反饋元件組成。輸入的指令信號(hào)與反饋信號(hào)通過(guò)比較元件將進(jìn)行比較，得到控制系統(tǒng)動(dòng)作的偏差信號(hào)；偏差信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)元件變換、放大后，控制執(zhí)行元件按要求產(chǎn)生動(dòng)作；執(zhí)行元件將輸入的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作；測(cè)量反饋元件用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量并將其反饋到比較元件。

7.1概述114

“伺服(servo)”表示“伺侯服務(wù)”的意思。是按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，使機(jī)床各坐標(biāo)軸按數(shù)控指令運(yùn)動(dòng)，加工出合格零件。是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的各種機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改進(jìn)以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方而都提出很高的要求。。7.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求7.1概述115數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求總體上可概括為以下幾方面；

1．可逆運(yùn)行2.調(diào)速范圍寬：1：240003．具有的速度穩(wěn)定性4.快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)5.高精度：0．01um～0.005um6．低速大轉(zhuǎn)矩

7.1概述1167.1.3伺服系統(tǒng)的分類

1.按伺服系統(tǒng)控制方式可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)三類。7.1概述（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)圖7.2為開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖1177.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類

（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

圖7.3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖1187.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類（3）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆現(xiàn)代化管理:

生產(chǎn)自動(dòng)化圖7.4全閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1197.1概述7.1.3伺服系統(tǒng)的分類1.按用途和功能分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩類

2.按伺服電機(jī)類型分直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)伺服三類3.按驅(qū)動(dòng)裝置類型分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩類。4.按反饋比較控制方式分相位伺服系統(tǒng)和幅值伺服系統(tǒng)類1207.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展7.1概述1959年，日本富士通FANUC公司開發(fā)研制了電液脈沖馬達(dá)

20世紀(jì)50年代，伺服機(jī)構(gòu)開始用于數(shù)控機(jī)床；

日本安川電機(jī)廠于1963年研制成功一種無(wú)槽小直徑轉(zhuǎn)子新型直流電動(dòng)機(jī)1969年，大慣量直流伺服電機(jī)問(wèn)世。

通用電氣公司1983年研制成功采用籠型異步交流伺服電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)

日本安川公司1963年研制成功一種采用無(wú)槽小直徑轉(zhuǎn)子的新型直流電動(dòng)機(jī)121步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或直線位移的轉(zhuǎn)換裝置，因?yàn)槠漭斎氲倪M(jìn)給脈沖是不連續(xù)變化的數(shù)字量，而輸出的角位移或直線位移是連續(xù)變化的模擬量，所以步進(jìn)電機(jī)也稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和繞組組成7.2.1步進(jìn)電機(jī)組成及其工作原理1.步進(jìn)電機(jī)的組成、工作原理及工作方式122三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7.5所示圖7.5三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制123（2）步進(jìn)電機(jī)的工作原理

圖7.6是最常用的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制124(3).步進(jìn)電機(jī)的工作方式從—相通電換接到另一相通電稱為一拍，每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，如上述的步進(jìn)電機(jī)，三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行、換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式，步距角是30。單是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次換接為一個(gè)循環(huán)，即A、B、C三拍。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有—相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性較差，故實(shí)際應(yīng)用中很少采用單拍工作方式。而采用三相雙三拍通電方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB→…(逆時(shí)針?lè)较?或AC→CB→BA→AC→…(順時(shí)針為向)的順序通電，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)。

7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制1257.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制

2.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)（1）步進(jìn)電機(jī)受脈沖控制，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，轉(zhuǎn)子角位移和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，通電狀態(tài)變化頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高。。（2）改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電順序，可以改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。（3）步進(jìn)電機(jī)有一定步矩精度，沒有累積誤差。（4）當(dāng)停止輸入脈沖時(shí)，只要控制繞組的電流不變，步進(jìn)電機(jī)可保持在固定的位置，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置。（5）步進(jìn)電機(jī)的受脈沖頻率的限制，調(diào)速范圍小。1267.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)（1）步距角

步距角是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。它反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨能力，步距角與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、通電方式及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下:

（7-1）a一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

m一電動(dòng)機(jī)相數(shù)；

z--轉(zhuǎn)子齒數(shù)，

k一—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同時(shí)k=1；相鄰兩次通電相數(shù)不同．k＝2。1277.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇（2）靜態(tài)矩角特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)保持通電狀態(tài)不變時(shí)稱為靜態(tài)，如果此時(shí)在電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱為失調(diào)角。此時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所受的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系叫矩角特性，如圖7.8所圖7.8單相通電時(shí)的矩角特性示,該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩，在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)于在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置。128（3）空載啟動(dòng)頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載情況下，不失步啟動(dòng)所能允許的最高頻率稱為空載啟動(dòng)頻率，又稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，既要克服負(fù)載力矩，又要克服慣性力矩，加給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作，所以啟動(dòng)頻率不能太高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在帶負(fù)載(慣性負(fù)載)情況下的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大(在允許范圍內(nèi))．啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。（4）連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升麗不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率，其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率．它也隨著電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)、大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大的關(guān)系。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇129（5）運(yùn)行矩頻特性矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。圖7.9所示曲線稱為步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，由圖可知，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)所能帶動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)隨輸入脈沖頻率的增加而逐漸下降。

7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇圖7.9步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線130（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(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系，如圖7.10所示。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)由啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；反之，變化速度必須逐漸下降。上升和下降的時(shí)間不能過(guò)小，否則易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。.7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇圖7.10加減速特性131

2.步進(jìn)電機(jī)的選擇

（1）考慮系統(tǒng)精度和速度的要求。脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的精度越高，但運(yùn)行速度越低，選擇時(shí)應(yīng)兼顧精度和速度的要求來(lái)確定脈沖當(dāng)量，再根據(jù)脈沖當(dāng)量來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比

（2）考慮啟動(dòng)矩頻特性曲線和工作矩頻特性曲線。啟動(dòng)矩頻特性曲線指反映啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系；工作矩頻特性曲線反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以在啟動(dòng)矩頻特性曲線查啟動(dòng)頻率，在實(shí)際中，只要啟動(dòng)頻率小于或等于該值，電機(jī)就能直接帶負(fù)載啟動(dòng)。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制7.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性及選擇132

7.2.3步進(jìn)電機(jī)的控制線路步進(jìn)電機(jī)的控制線路框圖如圖7.10所示。圖7.10步進(jìn)電機(jī)的控制線路框圖7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制1331.脈沖混合電路脈沖混合電路用來(lái)將來(lái)自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號(hào)、各種類型的誤差補(bǔ)償信號(hào)、手動(dòng)進(jìn)給信號(hào)及手動(dòng)回原點(diǎn)信號(hào)等信號(hào)混合為使工作臺(tái)正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號(hào)或使工作臺(tái)反向進(jìn)給的“反向進(jìn)給”信號(hào)。2.加減脈沖分配電路主要是將從正在進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的反向補(bǔ)償脈沖，這也正是加減脈沖分配電路的功能。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制1343.加減速電路又稱自動(dòng)升降速電路。將躍變頻率進(jìn)行緩沖，使之變成符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速特性的脈沖頻率，然后再送人步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組。4.環(huán)形分配器環(huán)形分配器是把來(lái)自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的數(shù)量及方向相對(duì)應(yīng)。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制135環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯線路?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有集成度高、抗干擾性強(qiáng)的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用，也可以用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。5.功率放大器功率放大器又稱功率驅(qū)動(dòng)器或功率放大電路。從環(huán)形分配器來(lái)的進(jìn)給控制信號(hào)的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組需要幾安培電流，因此，需要功率放大器將來(lái)自環(huán)形分配器的脈沖電流放大到足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。7.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制1367.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

7.3.1直流伺服電機(jī)及工作特性1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理圖7.11(a)為直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，7.11(b)為電路原理如圖。圖7.11137

2直流伺服電機(jī)的類型（1）按電柜的結(jié)構(gòu)與形狀可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等；按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小可分為大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)；按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式可分為永磁式和他勵(lì)式；

(2)寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，是通過(guò)提高輸出力矩來(lái)提高力矩／慣量比的，其結(jié)構(gòu)如圖7.12所示；7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

138圖7.12寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—轉(zhuǎn)子2—定子3—電刷4—測(cè)速電機(jī)5—換向器7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

139大慣量直流飼服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖7.13所示圖7.13大慣量直流飼服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

1403直流伺服電機(jī)的工作特性(1)直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性。直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性是指電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。采用電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路如圖7.14所示：圖7.14直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞等效電路如圖7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

141直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線，如圖7.15所示。（a）機(jī)械特性曲線（b）調(diào)節(jié)特性曲線圖7.15直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性曲線7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

142(2)直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)給電動(dòng)機(jī)電樞加上階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，其本質(zhì)是由對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的描述。直流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因在于電動(dòng)機(jī)中存在有機(jī)械慣性和電磁慣性兩種慣性。機(jī)械慣性是由直流伺服電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的，是造成機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的原因；電磁慣量是由電樞回路中的電感引起的，是造成電磁過(guò)渡過(guò)程的原因。一般而言，電磁過(guò)渡過(guò)程比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程要短得多。在直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析中，可忽略電磁過(guò)渡過(guò)程，而把直流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為一機(jī)械慣性環(huán)節(jié)。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

1437.3.2直流伺服電機(jī)的速度控制方法調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：①改變電樞電壓即當(dāng)電樞電阻、磁通量都不變時(shí)，通過(guò)附加的調(diào)壓設(shè)備調(diào)節(jié)電樞電壓。一般都將電樞的額定電壓向下調(diào)低，是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)常采用這種方法進(jìn)行調(diào)速。②改變磁通量調(diào)節(jié)激滋回路的電阻，見圖7-11(b)，使激磁回路電流減小，磁通量也減小，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)高。這種方法調(diào)速的快速性變差，但速度調(diào)節(jié)容易控制，常用于數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速。③在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻這種方法電阻上的損耗大，且轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，故不經(jīng)濟(jì)。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

1442.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖7．16為晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)—電流環(huán)、外環(huán)—速度環(huán)和晶閘管整流放大器等組成。圖7.16晶閘管直流調(diào)速速度單元結(jié)構(gòu)圖7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

145晶閘管(SCR)速度單元分為控制回路和主回路兩部分?？刂苹芈樊a(chǎn)生觸發(fā)脈沖，該脈沖的相位即觸發(fā)角，作為整流器進(jìn)行整流的控制信號(hào)。主回路為功率級(jí)的整流器，將電網(wǎng)交流電變?yōu)橹绷麟?；相?dāng)于將控制回路信號(hào)的功率放大。得到較高電壓與放大電流以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這樣就將程序段中的F值一步步變成了伺服電機(jī)的電壓，完成調(diào)速任務(wù)。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

1463.晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理(1).晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)與晶閘管相比，晶體管控制簡(jiǎn)單，開關(guān)特性好?？朔司чl管調(diào)速系統(tǒng)的波形脈動(dòng)，特別是輕載低速調(diào)速特性差的問(wèn)題。

1)晶體管脈寬調(diào)制(PwM)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)圖7．17為脈寬調(diào)制系統(tǒng)組成原理圖，該系統(tǒng)由控制回路和主回路構(gòu)成?？刂撇糠职ㄋ俣日{(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路等；主回路包括晶體管開關(guān)式放大器和功率整流器等。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

147圖7.17脈寬調(diào)制系統(tǒng)組成原理圖7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

1487.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

7.4.1交流伺服電機(jī)的分類及特點(diǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)通常分為交流同步伺服電動(dòng)機(jī)和交流異步伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的．即在電源電壓和頻率不變時(shí)．它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。交流異步伺服電動(dòng)機(jī)也稱交流感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，價(jià)格便宜。它的缺點(diǎn)是其轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，所以一般不用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1497.4.2交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的交流伺服電動(dòng)機(jī)大多采用三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7.19和7.20所示，由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件三部分組成。電樞在定子上，定子具有齒槽，內(nèi)有三相交流繞組，形狀與普通交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子相同。電動(dòng)機(jī)外形呈多邊形，且無(wú)外殼。轉(zhuǎn)子由多塊永磁鐵和沖片組成，磁場(chǎng)波形為正弦波。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

150圖7.19三相交流永磁同步7.20永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的橫剖面圖電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1-定子2-永久磁鐵；1-定子;2-轉(zhuǎn)子;3-轉(zhuǎn)子永久

3-軸向通氣孔；4-轉(zhuǎn)軸

磁鐵;4-定子繞組;5-檢測(cè)元件;6-接線盒

7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

1512永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)工作原理如圖7.21所示，永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件三部分組成，其工作過(guò)程是當(dāng)定子三相繞組通上交流電后，就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極的同性相斥、異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁場(chǎng)磁極相互吸引，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，圖7.21交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

152(2)交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能如圖7.22所示為永磁式交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一速度特性曲線。曲線分為連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū)兩部分。在連續(xù)工作區(qū)，速度和轉(zhuǎn)矩的任何組合，都可連續(xù)工作。但連續(xù)工作區(qū)的劃分受到一定條件的限制，劃定條件有兩個(gè):一是供給電動(dòng)機(jī)的電流是理想的正弦波;二是電動(dòng)機(jī)工作在某一特定溫度下。在斷續(xù)工作區(qū)，電動(dòng)機(jī)可間斷運(yùn)行,斷續(xù)工作區(qū)比較大時(shí)，有利于提高電動(dòng)機(jī)的加、減速能力。永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是啟動(dòng)難。這是由于轉(zhuǎn)子本身的慣量、定子與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差過(guò)大，使轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)所受的電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零所致，因此電動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)。解決的辦法是在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或在速度控制單元中采取先低速后高速的控制方法7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

153圖7.22交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有磁極，在很低的頻率下也能運(yùn)行，因此，在相同的條件下，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)要寬。同時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受力．能作出更快的響應(yīng)。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

1543.交流主軸電動(dòng)機(jī)交流主軸電動(dòng)機(jī)是基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)而專門設(shè)計(jì)的。通常為增加輸出功率、縮小電動(dòng)機(jī)體積，采用定子鐵芯在空氣中直接冷卻的方法，沒有機(jī)殼，且在定子鐵芯上做有通風(fēng)孔。因此電動(dòng)機(jī)外形多呈多邊形而不是常見的圓形。在電動(dòng)機(jī)軸尾部安裝檢測(cè)用的碼盤。交流主軸電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理相同。在電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組通以三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

1557.4.3交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特性參數(shù)①額定功率電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行所能輸出的最大功率為額定功率，約為額定轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)速的乘積。⑦額定轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下長(zhǎng)時(shí)間工作所能輸出的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩；③額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速由額定功率和額定轉(zhuǎn)矩決定。④瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)所能輸出的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩。⑤最高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速。⑥轉(zhuǎn)于慣量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為轉(zhuǎn)子慣量。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

1567.4.4交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法數(shù)控機(jī)床上常采用交直交變頻調(diào)速。在交直交變頻中，根據(jù)中間直流電路上的儲(chǔ)能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。SPWM變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交直交型電壓型變頻器，也稱為正弦波PWM變頻器，具有輸入功率因數(shù)高和輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)，也適用于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。7.4交流伺服電機(jī)及其速度控制

1577.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

7．5．1概述直線電動(dòng)機(jī)是指可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，可作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖7.23所示。在世界上出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不久之后就出現(xiàn)了其雛形，但由于受制造技術(shù)水平和應(yīng)用能力的限制，一直未能在制造業(yè)領(lǐng)域作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)而使用。近年來(lái)隨著大功率電子器件、新型交流變頻調(diào)速技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)在高速數(shù)控機(jī)床中得到了一定的應(yīng)用。158圖7.231-導(dǎo)軌;2-次線;3-初線;4-險(xiǎn)測(cè)系統(tǒng)7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

159世界上第一臺(tái)使用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的高速加工中心是德國(guó)Ex-Ccll-O公司于1993年生產(chǎn)的，采用了德國(guó)Indramennt公司開發(fā)成功的感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，美國(guó)Ingersoll公司和Ford汽車公司合作，在HVM800型臥式加工中心采用了美Anorad公司生產(chǎn)的永磁式直線電動(dòng)機(jī)。日本的FAVUC公司于1994年購(gòu)買了Anorad公司的專利權(quán)，開始在亞洲市場(chǎng)銷售直線電動(dòng)機(jī)。在1996年9月芝加哥國(guó)際制造技術(shù)博覽會(huì)((IMTs’96)上，直線電動(dòng)機(jī)如雨后春筍般展現(xiàn)在人們面前，這預(yù)示著直線電動(dòng)機(jī)開辟的機(jī)床新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

1607．5．2.直線電動(dòng)機(jī)工作原理直線電動(dòng)機(jī)的工作原理可以視為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿圓周方向拉開展平的產(chǎn)物，如圖7.24所示。對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子部分，稱為直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí);對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，稱為直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)。當(dāng)多相交變電流通入多相對(duì)稱繞組時(shí)，就會(huì)在直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)，從而使初級(jí)和次級(jí)之間相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)然，二者之間也存在一個(gè)垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直線電動(dòng)機(jī)可以分為直流直線電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)直線電動(dòng)機(jī)和交流直線電動(dòng)機(jī)3大類。在機(jī)床上主要使用交流直線電動(dòng)機(jī)。7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

161(a)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī);(b)直線電動(dòng)機(jī)圖7.247.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

1627．5．3.直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)上，可以有如圖7.25所示的短次級(jí)和短初級(jí)兩種形式。為了減少發(fā)熱量和降低成本，高速機(jī)床用直線電動(dòng)機(jī)一般采用如圖7.25(b)所示的短初級(jí)結(jié)構(gòu)。(a)短次級(jí);(b)短初級(jí)圖7.257.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

1637．5．4.直線電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)使用直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有以下特點(diǎn):①電動(dòng)機(jī)、電磁力直接作用于運(yùn)動(dòng)體(工作臺(tái))上，而不用機(jī)械連接，沒有機(jī)械滯后或齒節(jié)周期誤差，精度完全取決于檢測(cè)精度。②直線電動(dòng)機(jī)上裝配全數(shù)字伺服系統(tǒng)，可以達(dá)到極好的伺服性能。在任何速度下都能實(shí)現(xiàn)非常平穩(wěn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。③直線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在動(dòng)力傳動(dòng)中沒有低效率的中介傳動(dòng)部件而能達(dá)到高效率，可獲得很好的動(dòng)態(tài)剛度(動(dòng)態(tài)剛度即為在脈沖負(fù)荷作用下，伺服系統(tǒng)保持其位置的能力)。④直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)機(jī)械零件相互接觸，因此無(wú)機(jī)械磨損，不需要定期維護(hù)，可使用多段拼接技術(shù)來(lái)滿足超長(zhǎng)行程機(jī)床的要求。7.5直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

1647．6．1位置控制的基本原理位置控制環(huán)是伺服系統(tǒng)的外環(huán)，它接收數(shù)控裝置插補(bǔ)器每個(gè)插補(bǔ)采樣周期發(fā)出的指令，同時(shí)，還接收每個(gè)位置采樣周期測(cè)量反饋裝置測(cè)出的實(shí)際位置值，然后與位置給定值進(jìn)行比較(給定值減去反饋值)得出位置誤差，該誤差作為速度環(huán)的給定。實(shí)際上，根據(jù)伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益(放大倍數(shù))、倍率及其它要求，對(duì)位置環(huán)的給定、反饋和誤差信號(hào)還要進(jìn)行處理。早期的位量控制，其速度環(huán)和電流環(huán)均采用模擬控制。

現(xiàn)代全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，不進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換：位量環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的給定信號(hào)、反饋信號(hào)、誤差信號(hào)以及增益和其它控制參數(shù)，均由系統(tǒng)中的微處理器進(jìn)行數(shù)字處理：可以使控制參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化，因而控制精度高．穩(wěn)定性好。同時(shí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)前饋控制、自適應(yīng)控制、智能控制等現(xiàn)代先進(jìn)控制方法都是十分有利的。

7.6位置控制

165圖7.27為模擬位置控制系統(tǒng)原理圖，圖中速度外的電流環(huán)沒畫。7.6位置控制

圖7.27模擬位置控制系統(tǒng)原理圖1661．?dāng)?shù)字脈沖比較位置控制系統(tǒng)的組成數(shù)字脈沖比較是構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)位置控制的一種常用方法。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常采用由光電脈沖編碼器等組成的位置檢測(cè)裝置；在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，多采用光柵及其電路作為位置檢測(cè)裝置、通過(guò)檢測(cè)裝置進(jìn)行位置檢測(cè)和反饋，實(shí)現(xiàn)脈沖比較；圖7.28為數(shù)字脈沖比較位置控制的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的位置環(huán)包括光電脈沖編碼器、脈沖處理電路和比較器環(huán)節(jié)等。

7．6．2數(shù)字脈沖比較位置控制伺服系統(tǒng)

7.6位置控制

167圖7.28數(shù)字脈沖比較位置控制的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)7.6位置控制

1682．位置環(huán)的工作原理位置環(huán)的工作按負(fù)反饋、誤差原理工作，有誤差就運(yùn)動(dòng)，沒有誤差就停止。具體如下：1)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，指令脈沖F＝0，工作臺(tái)不動(dòng)，則反饋脈沖Pr為零，經(jīng)比較器比較，得誤差(也稱偏差)e＝F—Pf=0。即速度環(huán)給定為零，伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)，工作臺(tái)仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。2)指令為正向脈沖時(shí)，F(xiàn)＞0，工作臺(tái)在沒有移動(dòng)之前，反饋脈沖Pf仍為零，經(jīng)比較器比較，得誤差e＝F—Pf＞0，則速度控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使工作臺(tái)向正向進(jìn)給，隨著電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)出的反饋脈沖信號(hào)通過(guò)采樣進(jìn)入比較器，按負(fù)反饋原理，誤差減小。如沒有滯后，一個(gè)插補(bǔ)周期給定和反饋脈沖應(yīng)該相等，但誤差一定存在、有誤差就運(yùn)動(dòng)：當(dāng)誤差為零時(shí)，工作臺(tái)達(dá)到指令所規(guī)定的位置。7.6位置控制

169如按插補(bǔ)周期不斷地給指令，工作臺(tái)就不斷地運(yùn)動(dòng)；誤差為一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)，工作臺(tái)為恒速運(yùn)動(dòng)；加速時(shí)。指令值由零不斷增加，誤差也不斷加大，使工作臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)。減速時(shí)出誤差逐漸減小，使工作臺(tái)減速運(yùn)動(dòng)。3)指令為負(fù)向脈沖時(shí)，F(xiàn)＜0，其控制過(guò)程與指令為正脈沖時(shí)類似。只是此時(shí)e＝F—Pf＜0，使工作臺(tái)向反向進(jìn)給。4)比較器輸出的位置偏差信號(hào)是一個(gè)數(shù)字量，對(duì)于模擬控制的速度環(huán)要進(jìn)行D／A變換才能變?yōu)槟M給定電壓、使速度控制環(huán)工作。

7.6位置控制

1707．6．3全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)圖7.29為全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的原理圖：圖中，電流環(huán)、位量環(huán)均設(shè)有數(shù)字化測(cè)量傳感器；速度環(huán)的測(cè)量也是數(shù)字化測(cè)量，它是通過(guò)位置測(cè)量傳感器得出測(cè)量結(jié)果的。從圖中還可以看到，速度控制和電流控制是由專用CPU(在圖中“進(jìn)給控制”框)完成。位置反饋、比較等處理工作通過(guò)高速通信總線由位控CPU完成。其位置偏差再由通信總線傳給速度環(huán)；此外，各種參數(shù)控制及調(diào)節(jié)也由微處理器實(shí)現(xiàn)*特別是正弦脈寬調(diào)制變頻器的矢量變換控制更是內(nèi)微處理器完成。7.6位置控制

171圖7.29全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的原理圖7.6位置控制

172復(fù)習(xí)思考題7-1簡(jiǎn)述伺服系統(tǒng)的概念及組成，對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求是什么？7-2伺服系統(tǒng)有哪些分類方法？7-3說(shuō)明直流進(jìn)給、主軸伺服電機(jī)的工作原理及特性曲線。7-4說(shuō)明交流進(jìn)給、主軸伺服電機(jī)的工作原理及特性曲線。7-5說(shuō)明直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的晶閘管速度控制原理；7-6說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的工作原理；7-7說(shuō)明直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的“脈寬調(diào)制”速度控制原理；7-8說(shuō)明交流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制原理及速度控制方法；7-9簡(jiǎn)述直線電動(dòng)機(jī)的工作原理；7-10說(shuō)明位置控制的基本原理；7.6位置控制

173（第7章結(jié)束）第7章數(shù)控加工技術(shù)概述174第8章數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)8.1數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)8.38.4數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)概