1复习：复习： 1．伺服驱动系统的分类 2．步进电动机的工作原理和特性是什么？第四节第四节 主轴驱动系统主轴驱动系统 一、交流主轴电动机一、交流主轴电动机 笼型异步电动机由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成在转子铁心上开有许多槽， 每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上 二、异步电动机调频调速二、异步电动机调频调速 感应电动机的转子转速为：n = 60f1(1-s) / p f1 —— 定子供电频率p —— 电动机定子绕组极对数；s —— 转差率 由上式可见，要改变电动机的转速：①改变磁极对数 p，则电动机的转速可作有 级变速；②改变转差率 s；③改变频率 f1在数控机床中，交流电动机的调速通常采用变 频调速的方式 感应电动机每相的感应电动势为：E1=4.44f1W1Φm≈U1f1 —— 电源频率，单位为 Hz；W1—— 每相绕组有效匝数；Φm—— 每极磁通；U1 —— 定子电压，单位为 V 则 Φm=KU1 / f1在降低频率的同时，降低电压 U1，以保持Φm 不变这种 U1 和 f1 的配合变化称为 恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制） 。
当 f1 频率超过异步电动机铭牌的额定 频率，由于电源电压的限制，U1 已达到变频器输出电压的最大值再不能随 f1 而升高，异 步电动机的每极磁通Φm 与 f1 成反比例下降，其转矩 T 也随着 f1 反比例下降但因转速 n 提高，异步电动机的输出功率 P 则在此区域内保持不变（P =T n） ，称为恒功率调速 2异步电动机的机械特性：在同一负载转矩下，有着相同的转速降落 Δn，其转速降落 百分比（Δn/n0）随着频率下降将越来越大，调速性能下降 三、异步电动机的矢量控制三、异步电动机的矢量控制 矢量变换控制的基本想法来自等效的概念，按照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁 场这一等效原则出发，通过坐标变换，将三相交流输出电流变为等效的、彼此独立的励磁 电流和电枢电流，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和 励磁磁通的目的，最后，通过相反的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控制实 际的三相感应电动机 四、变频器在机床上的应用四、变频器在机床上的应用 3五、主轴分段无级调速及控制五、主轴分段无级调速及控制 数控装置可通过三种方式控制主轴驱动一种是通过主轴模拟电压输出接口，输出 0～±10V 模拟电压至主轴驱动装置，电压的正负控制电动机转向，电压的大小控制电动机 的转速。
另一种是输出单极性 0～10 V 模拟电压至主轴驱动装置，通过正转与反转开关量 信号指定正反转第三种是选择数控装置输出 12 位二进制代码或 2 位 BCD 码（4 位 BCD 码）开关量信号至主轴驱动，控制主轴的转速 数控机床常采用 1～4 档齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速方式 数控系统可使用 M41～M44 代码进行齿轮的自动变档首先需要在数控系统参数区设 置 M41～M44 4 档对应的最高主轴转速，这样数控系统根据当前 S 指令值判断档位，并自 动输出相应的 M41～M44 指令至 PLC，控制更换相应的齿轮档，然后数控装置输出相应的 模拟电压 六、主轴准停控制六、主轴准停控制 主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时能控制其停于固定位置 4主轴准停可分为机械准停和电气准停传统的做法是采用机械档块等来定位在现代 数控机床上，一般都采用电气方式使主轴定位，只要数控系统发出 M19 指令，主轴就能准 确定位电气方式的主轴定向控制，是利用装在主轴上的位置编码器和磁性传感器作为位 置反馈部件，由它们输出的信号，使主轴准确停在规定的位置上 七、主轴进给功能七、主轴进给功能 主轴进给功能即主轴的 C 轴功能。
对于车削中心，主轴除了完成传统的回转功能外， 主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控装置的控制下实现 C 轴 与其他进给轴的插补对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床 C 轴 所有的进给插补功能 （1）机械式 （2）双电动机切换 （3）有 C 轴功能的主轴电动机 第五节第五节 检测元件检测元件 一、概述一、概述 1．位置检测装置的要求 1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求3）使用维护方便，适应机床工作环境4）成本低 2．位置检测装置的分类 （1）数字式测量和模拟式测量 1）数字式测量 将被测的量以数字的形式来表示测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装 置进行比较、处理如光栅、光电编码器等 2）模拟式测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，数控机床所用模拟式测量 主要用于小量程的测量如旋转变压器等 （2）增量式测量和绝对式测量 1）增量式测量 特点是只测位移量，如测量单位为 0.01mm，则每移动 0.01mm 就发出一个脉冲信号 任何一个点都可作为测量的起点。
典型的测量元件有光栅、增量编码器等 2）绝对式测量 对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量5值，常以数据形式表示典型的测量元件有绝对式光电编码器等 （3）直接测量和间接测量 1）直接测量 将检测装置直接安装在执行部件上，如光栅用来直接测量工作台的直线位移 2）间接测量 将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量 执行部件的直线位移典型的测量元件有旋转变压器等 二、光栅二、光栅 光栅利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来检测机床工 作台的位移量 1．直线透射光栅的组成 1一光栅尺一光栅尺(标尺光栅标尺光栅) 2一指示光栅一指示光栅 3一光电接收元件一光电接收元件 4一光源一光源2．莫尔条纹的原理光栅读数时利用莫尔条纹的形成原理进行的将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中 间保持 0.05～0.1mm 的间隙，并使指示光栅和标尺光栅的线纹相互交叉保持一个很小的夹 角θ 两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹的间距 B，设光栅的栅距为 W，两光栅线 纹的夹角为θ，则它们的近似关系为W B＝ θθ6如果两块光栅相对移动一个栅距，则光栅某一固定点的光强按明一暗一明规律变化一 个周期，即莫尔条纹移动一个莫尔条纹的间距。
因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹 数目，就可以知道光栅移动了多少栅距，也就知道了运动部件的准确位移量 3．透射光栅的工作原理标尺光栅与工作台装在一起，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路做成 一个单独的部件（光栅读数头）固定在机床上，其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需 的电脉冲信号 三、光电编码器三、光电编码器 光电编码器一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被 测轴的角位移转换成电脉冲信号 1．增量式光电编码器 1一光源一光源 2一聚光镜一聚光镜 3一光栏板一光栏板 4一光电码盘一光电码盘 5一光电元件一光电元件 测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周的条纹数有关，即分辨角α= 360°/ 条纹数实际应用的增量式光电编码器的光栏板上有 A 组和 B 组条纹，每组条纹的间隙与光电 码盘相同，而 A 组与 B 组的条纹彼此错开 1/4 节距，两组条纹相对应的光电元件所产生的 信号彼此相差 90°相位，用于辨向当光电码盘正转时，A 信号超前 B 信号 90°，当光 电码盘反转时，B 信号超前 A 信号 90° 7在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹 C，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称 一转信号或零标志脉冲。
零标志脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则 可用于主轴准停以及螺纹加工 2．绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同，绝对式光电编码 器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置 四、旋转变压器四、旋转变压器 旋转变压器是利用电磁感应原理的一种角度测量元件，由定子和转子组成，励磁电压 接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于旋转变压器的一次、二次绕 组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小也随之而变化 8e = k U1sinθ= k Umsinωt sinθk —— 旋转变压器的电压比；θ—— 两绕组轴线间夹角；Um —— 励磁电压的幅值；ω —— 励磁电压的角频率实际应用时往往较多地使用正弦余弦旋转变压器，其定子和转子各有互相垂直的两个 绕组转子绕组中的一个绕组输出电压（另一个未画出的绕组短接）为e3 = e1+e2 =kUmcos（ωt -θ）感应电压的相位严格地随转子的偏角θ而变化，用测量相位作为间接测量转角θ 本章小结：本章小结： 本章主要介绍 CNC 系统的结构和基本原理、伺服驱动电机的工作原理及特性、交流 变频调速控制的工作原理、检测元件的原理与应用。
练习与作业：练习与作业： P176 7。