数控技术使用第五章节伺服驱动系统原始

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1、数控技术,第五章 伺服驱动系统, 5-1 概述 5-2 检测装置 5-3 步进电动机及其驱动系统 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 5-6 主轴驱动 5-7 位置控制,立式铣床, 5-1 概述,主轴电机,伺服电机,刀库刀具定位电机,机械手旋转定位电机,带制动器伺服电机,加工中心,伺服驱动系统（Servo System),CNC系统,驱动电机,检测装置,控制信号,反馈信号,光栅尺,伺服驱动系统,一、数控机床伺服系统的定义 伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢”

2、 ， “执行机构”。 伺服系统的组成 检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。 驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机,数控加工与传统加工的比较,本质区别 由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹. 由CNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合成轨迹。,二、数控机床伺服系统的分类 1、按伺服系统控制方式分 开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高 半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环 2、按控制对象和使用目

3、的不同分 进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动 主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。,二、数控机床伺服系统的分类（续）,3、按反馈比较控制方式分 脉冲比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统。 4、按所用驱动元件的类型分 步进电动机驱动系统 直流伺服驱动系统 交流伺服驱动系统 直线电动机驱动系统,三、数控机床对伺服系统的要求,高精度 要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.010.005 mm。 灵敏度高，响应快 提高生产率和

4、保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。 调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围 ：最低转速/最高转速=1/10001/10000，且通常是无级调速。 低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。, 5-2 检测装置,性能指标 系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如0.0020.02mm/m，10“/360等。 系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如

5、目前直线位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率为2“。,检测装置是伺服系统的重要组成部分。 作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环， 对驱动装置进行控制。 要求 工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低,检测装置的分类,按检测信号分：数字式、模拟式 按测量基准分：增量式、绝对式 按安装位置关系分：直接测量、间接测量,常见检测装置,一、旋转变压器,旋转变压器是一种角度测量装置。,1旋转变压器的结构,在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。,定子绕组为变压器的一次绕组 转子绕组为变压器的二次绕组。,根据转子绕组两种不同的引出方

6、式旋转变压器分 有刷式 无删式,旋转变压器的内部结构图,根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势。 输出感应电功势大小与转子位置有关，就是通过测量被测轴的转速来间接测量工作台的位移。,2旋转变压器 的工作原理,3旋转变压器的应用,特点 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 应用 实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数相等、互相 垂直的绕组构成。,二、感应同步器,感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。 感应同步器的结构 圆型感应同步器 由

7、定子和转子组成，用 于测量角位移 直线型感应同步器 由定子和转子组成，用 于测量直线位移,2. 直线感应同 步器的结构,利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为(0.250.05)mm 作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的。,定尺为连续绕组，节距W22(a2b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W2mm。,滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为W12(a1b1)，其中a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1W2或W1W2/3。,滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励

8、磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。,3. 直线感应同步器的工作原理 根据交变磁场和互感原理而工作的。,可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。 若励磁电压uUmsint，那么在定尺绕组产生的感应电势e为 ekUmcoscos t,若励磁电压 uUmsint 则定尺绕组产生的感应电势e ekUmcoscos t 式中 Um励磁电压幅值(V)； 励磁电压角频率(rad/s)； k比例常数，其值与绕组间 最大互感系数有关； 滑尺相对定尺在空间的相 位角。 在一个节距W内，位移x与的关系应为 2x/W 感应同步器就是利用感应电势的

9、变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。,滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90的交流电压，即 usUmsint ucUmcost us和uc单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为 eskUmcoscost eckUmcos( /2)sint kUmsinsint,3. 感应同步器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式,（1）鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量,根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为 eesec kUmcoscostkUmsinsint kUmcos(t) kUmcos(t 2x/W) 根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，

10、即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。 感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。 例：感应电势与励磁电压相位差=1.8，节距W=2mm， 由= 2x/W=0.01mm,滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即 usUmsindsint ucUmcosdsint 式中 d励磁电压的给定相位角 分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为 eskUmsindcoscost eckUmcosdcos(/2)cost kUm cosd sincost,（2）鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。,根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为 ees ec k Um (

11、sind coscosd sin) cost k Um sin(d ) cost k Um sin(d 2x /W) cost 设初始状态d，则e0。当滑尺相对定尺有一位移，使变为，则感应电势增量为 ek Um x cost 式中= 2 x / W 由此可知，在x较小的情况下，e与x成正比，也就是鉴别e幅值，即可测x大小。当x较大时，通过改变d，使d,使e0，根据d可以确定，从而确定位移量x。,4.感应同步器的特点,精度高 输出的电压是许多对极感应电压的平均值 适用性强 电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰 可用于长距离测量 可多根定尺接长 使用寿命长，维护简单 工艺性好，成本低 应用广泛,三

12、、光栅,光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。 1. 光栅的种类,主要介绍一下直线计量透射光栅。,光栅检测装置的结构,透射光栅,反射光栅,光栅检测装置基本结构示意图,2. 直线透射光栅 （1）组成,（2） 直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。,莫尔条纹的特点 放大作用,莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角之间的关系：,光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。 例：当 w = 0.01mm， = 0.01 red， 则 B

13、= 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。,光栅尺横向莫尔条纹及其参数,均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。 根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系,莫尔条纹的特点（续）：,（3） 辨向 为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90，由此来确定运动方向。 （4） 倍频 倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的

14、目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。 例：栅距 w = 0.01mm， 十倍频后，最小读数值1mm.,四倍频电路,（5）特点 优点： 1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 缺点： 1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。,四、编码器 一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位置检测，也常用它作为速度检测元件。 1、编码器分类 按码盘

15、信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式 按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r,2. 增量式光电脉冲编码器 （1）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。,光电编码器在旋转工作台上的安装,（2） 工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。,（3）脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。,（4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是