第5章-数控机床的伺服系统

1、第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置目录5.1概述一、伺服系统的组成二、对伺服系统的要求三、伺服系统的分类5.2 伺服系统的驱动一、步进电机二、直流伺服电机三、直流调整技术四、交流伺服电机5.3 位置检测装置一、对位置检测装置的要求与分类二、旋转变压器三、感应同步器四、脉冲编码器五、光栅六、磁栅第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置5.1概述一、伺服系统的组成 伺服系统：伺服系统：是指以是指以机械位置机械位置或或角度角度作为控制对象的自动控制作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换

2、、调节和放系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置( (计算机计算机) )和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说进给伺服系统是数控系统主要的子

3、系统。如果说CNCCNC装置是装置是数控系统的数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进，那么进给伺服系统则是数控系统的给伺服系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由它忠实地执行由CNCCNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。运动方向，进给速度与位移量。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置伺服系统的组成 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱

4、动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置一般闭环系统为三环结构一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流：位置环、速度环、电流环。环。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置伺服系统的组成 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测检测和和反馈反馈部分组成。电力电子驱动装置由部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生驱动信号产生电路电路和和功率放大器功率放大器组成。组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；严格来说：位置控制包括位置、速度和电流

5、控制；速度控制包括速度和电流控制。速度控制包括速度和电流控制。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置二、对伺服系统的要求1精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括程度。包括定位精度和轮廓加工精度定位精度和轮廓加工精度。2稳定性好稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。直接影响数控加工的精度和

6、表面粗糙度。3快速响应快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。映了系统的跟踪精度。4调速范围宽调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。转速和最低转速之比。024m / min。5低速大转矩低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具为恒转矩控制

7、，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。有足够大的输出功率。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置三、伺服系统的分类（1 1）按控制方式和有无检测反馈环节分类）按控制方式和有无检测反馈环节分类1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 2 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 3 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲指令指令伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位位置置检检测测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令第五章

8、数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给进给系统），故系统稳定性好。系统），故系统稳定性好。开环伺服系统的执行元件：开环伺服系统的执行元件：步进电机（适步进电机（适于轻载、负荷变动不大）于轻载、负荷变动不大）开环伺服系统开环伺服系统第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3

9、位置检测装置无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。的性能和精度。一般以一般以功率步进电机功率步进电机作为伺服驱动元件。作为伺服驱动元件。这类系统具有这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。一般用于经济型数控机床。开环伺服系统的特点：开环伺服系统的特

10、点：第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常常用伺服电机用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。测运动部件的实际位置。半闭环伺服系统

11、半闭环伺服系统第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统

12、结构简单、调试方便、精度也较半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。半闭环伺服系统特点：半闭环伺服系统特点：第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC

13、插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈全闭环伺服系统全闭环伺服系统第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当

14、困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。床、超精磨床以及较大型的数控机床等。全闭环伺服系统特点：全闭环伺服系统特点：第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置（2）按使用的执行元件分类1）电液伺服系统）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常常 数小、反应快和速度平稳。数小、反应快和速度平稳。 缺点：缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声

15、、漏油。液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。2）电气伺服系统）电气伺服系统 伺服电机（伺服电机（步进电机步进电机、直流电机和交流电机）、直流电机和交流电机） 优点：优点：操作维护方便，可靠性高。操作维护方便，可靠性高。 直流伺服系统直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。服电机。优点：优点：调速性能好。调速性能好。缺点：缺点：有电刷，速度不高。有电刷，速度不高。 交流伺服系统交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺

16、服交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）系统） 和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响动态响 应好、转速高和容量大。应好、转速高和容量大。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置（3）按被控对象分类）按被控对象分类（1）进给伺服系统）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。统，包括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统）主轴伺服系统 只是一

17、个速度控制系统。只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。轴控制功能。（4）按反馈比较控制方式分类）按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统）全数字伺服系统第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置5.2 伺服系统的驱动伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。是速度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机

18、（调速性能良好）直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机）交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大）步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）直线电机（高速、高精度）第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置1、步进电动机常用的步进电动机多常用的步进电动机多为反应式步进电动机。有为反应式步进电动机。有轴向分相和径向分相两种。轴向分相和径向分相两种。步进电动机每走步进电动机每走一步所转过的角一步所转过的角度称为度称为步距角步距角， 其大小等于错齿其大小等于错齿的角度。错齿角的角度。错齿角度的大小取决

19、于度的大小取决于转子上的齿转子上的齿 ，磁极数越多，转磁极数越多，转子上的齿数越多，子上的齿数越多，步距角越小，步步距角越小，步进电动机的位置进电动机的位置精度越高，其结精度越高，其结构也越复杂构也越复杂 。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置步进电机的工作原理（三相三拍三相三拍）第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置步进电机的工作原理（双三拍双三拍）第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置步进电机的工作原理（三相六拍三相六拍）第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.

20、2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置步进电机的工作原理综上所述，可以得到如下结论：综上所述，可以得到如下结论：(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角转过一个确定的角度，即步进电机的步距角；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；转的速度越快，即通电状态的变化频率越

21、高，转子的转速越高；(4)步进电机步距角步进电机步距角与定子绕组的相数与定子绕组的相数m、转子的齿数、转子的齿数Z、通电方式通电方式K有关，可用下式表示：有关，可用下式表示： 360(mzk)式中式中m相相m拍时，拍时，k=1；m相相2m拍时，拍时，k2。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置(1)步距角和静态步距误差步距角和静态步距误差(2)启动频率启动频率fqo空载时空载时(3)连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率fmax(4)加减速特性加减速特性(5)矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩2 2、步进电动机的主要性能、步进电动机的主要性能第

22、五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置提高步进伺服系统精度的措施步进式伺服驱动系统是一个开环系统，在此系统步进式伺服驱动系统是一个开环系统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否。均影响到系统的工作精度。及控制电路的完善与否。均影响到系统的工作精度。要提高系统的工作精度，应从这几个方面考虑：如改要提高系统的工作精度，应从这几个方面考虑：如改善步进电机的性能，减小步距角；采用精密传动副，善步进电机的性能，减小步距角；采用精密传动副，减少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结

23、构减少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结构和工艺的关系而受到和工艺的关系而受到定的限制。为此，需要从控制定的限制。为此，需要从控制方法上采取方法上采取些措施，弥补其不足。些措施，弥补其不足。1传动间隙补偿传动间隙补偿2螺距误差补偿螺距误差补偿3细分线路细分线路第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置二、直流伺服电机常用的直流电动机有：常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）刷绕组） 励磁式直流电机励磁式直流电机 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直流力矩电

24、机 直流进给伺服系统：直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的永磁式直流电机类型中的有槽有槽电枢永磁直流电机（普通型）电枢永磁直流电机（普通型）； 直流主轴伺服系统：直流主轴伺服系统： 励磁式直流电机类型中的励磁式直流电机类型中的他激他激直流电机直流电机。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置1、直流伺服电动机的结构特点以大惯量宽调速直流伺服电动机为例以大惯量宽调速直流伺服电动机为例1）类型：电励磁式和永久磁铁式两种）类型：电励磁式和永久磁铁式两种2）特点）特点励磁式的特点：励磁式的特点：励磁量便于调整，易于安排补偿励磁量便于调整，易于安排补偿绕组和

25、换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可在较宽的速度范围内得到恒转矩特性。可在较宽的速度范围内得到恒转矩特性。永磁式的特点：永磁式的特点：没有换向器和补偿绕组，其换向没有换向器和补偿绕组，其换向性能受到一定限制，但它不需要励磁功率，效率高，性能受到一定限制，但它不需要励磁功率，效率高，且电动机在低速时能输出较大转矩。此外，温升低，且电动机在低速时能输出较大转矩。此外，温升低，电动机直径可以做得小些。电动机直径可以做得小些。3）应用）应用直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有有槽电枢永磁直流电机（普通

26、型）槽电枢永磁直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他他激直流电机激直流电机。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置4 4）大惯量宽调速直流伺服电动机结构形式大惯量宽调速直流伺服电动机结构形式基本结构和工作原理基本结构和工作原理与普通直流电动机基本相与普通直流电动机基本相同，但为满足快速响应的同，但为满足快速响应的要求，从结构上做得细长要求，从结构上做得细长些。些。如图如图 5.15 所示，定子所示，定子为永磁材料，转子直为永磁材料，转子直径大并且有槽，径大并且有槽， 因而热容因而热容量大，

27、结构上又采用了凸量大，结构上又采用了凸极式和隐极式永磁电机磁极式和隐极式永磁电机磁路的组合，电动机气隙磁路的组合，电动机气隙磁密高。密高。 尾部通常装有低纹尾部通常装有低纹波（纹波系数一般在波（纹波系数一般在以下）的测速发电机。以下）的测速发电机。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置性能特点：性能特点：（）（） 输出力矩大输出力矩大（）（） 过载能力强过载能力强（）（） 动态响应性能好动态响应性能好（）（） 低速运转平稳低速运转平稳（）（） 易于调试易于调试第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置2 2、直流伺

28、服电动机调速、直流伺服电动机调速1 1）直流电动机的转速计算公式：）直流电动机的转速计算公式：式中，式中，U Ua a 、I Ia a、R Ra a分别为电枢回路的电压、电流和电分别为电枢回路的电压、电流和电阻，阻，K Ke e为电势系数（为电势系数（K Ke eC Ce e）。）。2 2）调速方法：）调速方法：（）改变电枢电压（）改变电枢电压（）改变气隙磁通量（）改变气隙磁通量第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置三、交流伺服电机交流伺服电机形式：交流伺服电机形式： 同步型交流伺服电机同步型交流伺服电机 异步型交流感应伺服电机。异步型交流感应伺服电机

29、。直流伺服电机的缺点：直流伺服电机的缺点： 它的电刷和换向器易磨损；它的电刷和换向器易磨损； 电机最高转速的限制，应用环境的限制；电机最高转速的限制，应用环境的限制； 结构复杂，制造困难，成本高。结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：交流伺服电机的优点： 动态响应好；动态响应好； 输出功率大、电压和转速提高输出功率大、电压和转速提高第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理交流同步伺服电机的种类：交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 ，前两种输出，前两种输出功

30、率范围较宽，后前两种输出功率小。功率范围较宽，后前两种输出功率小。（1）永磁交流同步伺服电机的结构）永磁交流同步伺服电机的结构VSVSVSVS定定子转子转子 脉冲编码器脉冲编码器定子三相绕组定子三相绕组 接线盒接线盒永磁交流同步伺服电机结构永磁交流同步伺服电机结构 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置2 2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能VSNns nr S工作原理工作原理 特性曲线特性曲线T（N-cm） 120001000080006000400020000100020003000 n（r/min） 第五章数

31、控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置交流主轴电机的要求：交流主轴电机的要求：大功率大功率低速恒转矩、高速恒功率低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机鼠笼式交流异步伺服电机 交流主轴电机交流主轴电机 普通交流普通交流 异步感应电机异步感应电机 通风孔通风孔 P（KW） 8 6 4 2 02000 4000 6000 8000 12000 n（r/min） 交流主轴电机与普通交流交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图异步感应电机的比较图示意图 交流主轴伺服电机的特性曲线交流主轴伺服电机的特性曲线第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺

32、服系统的驱动5.3 位置检测装置5.3 位置检测装置一、对位置检测装置的要求与分类组成：组成：位置测量装置是由位置测量装置是由检测元件检测元件（传感器）（传感器）和和信号处理装置信号处理装置组成的。组成的。作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位

33、置闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置置检测装置。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 1、检测装置的分类按工作条件和测量要求的不同按工作条件和测量要求的不同, , 测量方式亦有不同的划分方法测量方式亦有不同的划分方法数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5

34、.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 2、数控测量装置的性能指标及要求 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。称作精度。高精度和高速实时测量。 2.分辨率分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度灵敏度 灵敏度高、一致。灵敏度高、一致。 4.迟滞迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反

35、行程的 输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程测量范围和量程 6.零漂与温漂零漂与温漂 其它：其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置二、旋转变压器旋转变压器是一种旋转式的旋转变压器是一种旋转式的小型交流电动机小型交流电动机, , 它由定子和转它由定子和转子组成。如图所示是一种无刷旋子组成。如图所示是一种无刷旋转变压器的结构转变压器的结构, , 左边为分解器左边为分解器, , 右边为变压器。变压器的作用是右边为变压

36、器。变压器的作用是将分解器转子绕组上的感应电动将分解器转子绕组上的感应电动势传输出来势传输出来, , 这样就省掉了电刷这样就省掉了电刷和滑环。分解器定子绕组为旋转和滑环。分解器定子绕组为旋转变压器的原边变压器的原边, , 分解器转子绕组分解器转子绕组为旋转变压器的副边为旋转变压器的副边, , 励磁电压励磁电压接到原边接到原边, , 励磁频率通常为励磁频率通常为400 400 HzHz、500 Hz500 Hz、1000 Hz1000 Hz、5000 Hz5000 Hz。旋转变压器结构简单旋转变压器结构简单, , 动作灵敏动作灵敏, , 对环境无特殊要求对环境无特殊要求, , 维护方便维护方便,

37、 , 输出信号的幅度大输出信号的幅度大, , 抗干扰性强抗干扰性强, , 工作可靠工作可靠, , 为数控机床经常使用为数控机床经常使用的位移检测元件之一。的位移检测元件之一。 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1 电动机轴电动机轴 2 外壳外壳 3分解器定子分解器定子 4 变压器定子绕组变压器定子绕组 5变压器转子绕组变压器转子绕组 6 变压器转子变压器转子;7 变压器定子变压器定子 8分解器转子分解器转子 9 分解器定子绕组分解器定子绕组 10 分解器转子绕组分解器转子绕组 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压

38、器（旋转变压器（ResolverResolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。）简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷、集电环结构和无刷结构分类：有电刷、集电环结构和无刷结构单对极元件、多对极元件（或称多极元件）单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应工作原理：电磁感应定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R4第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 旋转变压器的结构和工作原理 E2= KV Scos = KV m sintcos =90 E 2 = 0 =0 E2 = KV m SINt式中: E2转子绕

39、组感应电势； V1定子绕组励磁电压 V1=Vmsint； Vm电压信号幅值； 定、转子绕组轴线间夹角； K变压比 （即绕组匝数比）V1=VmsintV1V1E2=0(= 90=0(= 90) ) E E2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E2 2= = KVKVm msinsintt( (= = 0 0) ) 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 旋转变压器的应用1）.鉴相方式 V Vs s=Vmsin=VmsinttV VC C=Vmcos=Vmcost t E E2 2= KV= KV S S cos- KV cos- KV

40、 C Csinsin = KV = KV m m ( (sinsintcos- tcos- coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) )VCE2定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角转子输出信号的相位角(t-)与与转子的偏转角之间有着严格的对转子的偏转角之间有着严格的对应关系。应关系。VS第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 旋转变压器的应用2）.鉴幅方式 V Vs s=Vmsin=Vmsin电电sinsinttV VC C=Vmcos=Vmcos电电sinsint t E E2 2=

41、 KV= KV m m cos cos机机- KV- KV c csinsin机机 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin电电coscos机机- - coscos电电sinsin机机= = KVKV m m sinsin( (电电-机机) ) sinsintt 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感应电势（感应电势（E2）是以）是以为角频率、为角频率、以以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变为幅值的交变电压信号。若电气角电压信号。若电气角电电已知，只要已知，只要测出测出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2= =0)0)，便可间接，便可间接的

42、求出机械角的求出机械角机机 ，从而得出被测，从而得出被测角位移。角位移。 VsVcE2第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置三、感应同步器感应同步器是一种电感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按结磁式位置检测元件，按结构特点构特点般分为直线式和般分为直线式和旋转式两种。直线式感应旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直和定子组成。前者用于直线位移测量，后者用于角线位移测量，后者用于角位移测量。它们的工作原位移测量。它们的工作原理都与旋转变压器相似。理都与旋转

43、变压器相似。感应同步器具有检测精度感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床用于数控机床及各类机床数控改造。数控改造。感应同步器的结构示意图感应同步器的结构示意图第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置感应同步器的结构感应同步器的结构示意图感应同步器的结构示意图定尺和滑尺基板是由与机床定尺和滑尺基板是由与机床热膨胀系数相近的钢板做成，钢热膨胀系数相近的钢板做成，钢板上用绝缘粘结剂贴以铜箔，并板上用绝缘粘结剂贴以铜箔，并

44、利用照像腐蚀的办法做成图示的利用照像腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。感应同步器定尺和滑印刷绕组。感应同步器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为尺绕组的节距相等，均为2、这、这是衡量感应同步器精度的主要参是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。数，工艺上要保证其节距的精度。一块标准型感应同步器定尺长度一块标准型感应同步器定尺长度为为250mm，节距为，节距为2mm，其绝对，其绝对精度可达精度可达2.5m，分辨率可达，分辨率可达0.25m。如果把定尺绕组和滑尺绕组如果把定尺绕组和滑尺绕组A对准，那么滑尺绕组对准，那么滑尺绕组B正好和定正好和定尺绕组相差尺绕组相差14节距。也就是说，节距。

45、也就是说，A绕组与绕组与B绕组在空间上相差绕组在空间上相差l4节距。节距。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 感应同步器的结构和工作原理感应同步器的工感应同步器的工作原理作原理如右图，滑尺的两个绕组中的任一绕如右图，滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，由于电磁效组通以交变激磁电压时，由于电磁效应定尺绕组上必然产生相应的感应电势。应定尺绕组上必然产生相应的感应电势。感应电势的大小取决于滑尺相对定尺的位感应电势的大小取决于滑尺相对定尺的位置。右图中给出了滑尺绕组置。右图中给出了滑尺绕组( (滑尺滑尺) )相对于相对于定尺绕组定尺绕组( (定尺

46、定尺) )处于不问的位置时，定尺处于不问的位置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。绕组中感应电势的变化情况。A A点表示滑尺点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从A A点点逐渐向左逐渐向左( (或右或右) )平行移动，感应电势就随平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开之逐渐减小，在两绕组刚好错开1 14 4节距节距的位置的位置B B点，感应电势减为零；若再继续移点，感应电势减为零；若再继续移动，移到动，移到1/21/2节距的节距的C C点，感应电势相应地点，感应电势相应地变

47、为与变为与A A位置相同，但极性相反，到达位置相同，但极性相反，到达3 34 4节距的节距的D D点时，感应电势再一次变为零；其点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达后，移动了一个节距到达E E点，情况就又与点，情况就又与A A点相同了，相当于又回到了点相同了，相当于又回到了A A点。点。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 感应同步器的应用1. 鉴相方式滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位相差90 的交流电压Us = Um sin tUc = Um cos t励磁信号将在空间产生一个以为频率移动的行波。磁场切割定尺

48、导片, 并在其中感应出电势, 该电势随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差。按照叠加原理可以直接求出感应电势Uo = KUm sin tcos - KUm cos tsin = KUm sin ( t - )在一个节距内, 与滑尺移动距离是一一对应的, 通过测量定尺感应电势相位,便可测出定尺相对滑尺的位移。第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 感应同步器的应用2. 鉴幅方式滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同, 但幅值不同的交流电压Us = Um sin 1 sin tUc = Um cos 1 sin t式中的1 相当于

49、式( 2. 9) 中的。此时, 如果滑尺相对定尺移动一个距离d, 其对应的相移为2 , 那么在定尺上的感应电势为Uo = KUm sin 1 sin tcos 2 - KUm cos 1 sin tsin 2= KUm sin tsin( 1 - 2 )第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置四、脉冲编码器脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。位置检测和速度检测装置。脉冲编码器分为：脉冲编码器分为：

50、光电式、接触式光电式、接触式和电磁感应和电磁感应式。式。脉冲编码器是一种增量检测装置，脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和和3000 P/r等；在高速、等；在高速、高精度数字伺服系统中应用高分辨率的高精度数字伺服系统中应用高分辨率的脉冲编码器脉冲编码器, 如如20 000 P / r、25 000 P /r和和30 000 P / r 等等, 现在已有使用每转发现在已有使用每转发10 万个脉冲的脉冲编码器万个脉冲的脉冲编码器, 该编码器装置内该编码器装置内部采用了微处理器。部采用了微处理器。 1

51、234567图5. 14 光电脉冲编码器的结构1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 旋转编码器图片第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 内圆周钢带光栅第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 外圆周钢带光栅第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 绝对式旋转编码器第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装

52、置 带EnDat接口的绝对式编码器第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 光电脉冲编码器的工作原理 节距节距PAB90 90 光电脉冲编码器的输出波形 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 光电脉冲编码器的应用abcdefA相信号a+B相信号整形整形dbcef-可逆计数&单稳反向abcdef应用一：适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 光电脉冲编码器的应用 应用二：适应有计数控制端和方向控制端的计数

53、器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。 A1CQA相脉冲B相脉冲整形整形单稳单稳B1D S R12Q3脉冲方向计数有方向端的可逆计数器ABA1B1CD13高电平“1”低电平“0”高电平“1”高电平“1”ABA1B1CD13第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置五、光栅 1874英国 L.Rayleigh 1950年德国Heidenhai 性能好，制造费用低 精度 微米级、亚微米级和纳米级 测量速度从60m/min，到480m/min 测量长度 1m 到 100m 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 分类

54、分类光栅的分类：光栅的分类：物理光栅光的衍射物理光栅光的衍射 计量光栅透射和反射计量光栅透射和反射光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 光栅原理莫尔条纹莫尔条纹 两条线或两个物体之间以恒定的角两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉度和频率发生干涉 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 直线光栅莫尔条纹第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置

55、圆弧莫尔条纹播放中播放中单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置辐射形莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 长光栅检测装置的结构光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件件, , 主要由光栅尺主要由光栅尺( ( 包括标尺光栅和指示光栅包括标尺光栅和指示光栅) )

56、和和光栅读数头两部分组成光栅读数头两部分组成, ,光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 长光栅检测装置的结构通常通常, , 标尺光栅固定在机床的运动部件标尺光栅固定在机床的运动部件( ( 如工作台或如工作台或丝杠丝杠) ) 上上, , 光栅读数头安装在机床的固定部件光栅读数头安

57、装在机床的固定部件( ( 如机床底如机床底座座) ) 上上, , 两者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数两者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中头中, ,安装着一个指示光栅安装着一个指示光栅, , 当光栅读数头相对于标尺光当光栅读数头相对于标尺光栅移动时栅移动时, , 指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时, , 要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙间隙( ( 一般取一般取0.05mm0.05mm或或0.1mm) 0.1mm) 要求。要求。光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密

58、集线纹的透光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅, , 这些线纹相互这些线纹相互平行平行, , 各线纹之间的距离相等各线纹之间的距离相等, , 称此距离为栅距。对于圆称此距离为栅距。对于圆光栅光栅, , 这些线纹是等栅距角的向心条纹。这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角栅距和栅距角是是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为为25 25 条条/mm/mm、50 50 条条/mm/mm、100 100 条条/mm/mm、250 250 条条/mm/m

59、m。对于圆。对于圆光栅光栅, , 若直径为若直径为70 mm, 70 mm, 则一周内刻线则一周内刻线100 100 768768条条; ; 若直若直径为径为110 mm, 110 mm, 则一周内刻线达则一周内刻线达600 600 1024 1024 条条, , 甚至更高。甚至更高。同一个光栅元件同一个光栅元件, , 其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同相同。 第五章数控机床的伺服系统 5.1 概述5.2 伺服系统的驱动5.3 位置检测装置 长光栅工作原理（以透射投影为例） 莫尔条纹：将指示光栅在其自身的平面内转将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度

60、过一个很小的角度, 使两块光栅的刻使两块光栅的刻线相交线相交, 当平行光线垂直照射标尺光当平行光线垂直照射标尺光栅时栅时, 则在相交区域出现明暗交替、则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹间隔相等的粗大条纹, 称为莫尔条纹。称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等由于两块光栅的刻线密度相等, 即栅即栅距距相等相等, 使产生的莫尔条纹的方向与使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直光栅刻线方向大致垂直, 其几何关系其几何关系如图所示。当如图所示。当很小时很小时, 莫尔条纹的节莫尔条纹的节距为距为 这表明这表明, 莫尔条莫尔条纹的节距是栅距的纹的节距是栅距的1 / 倍。当标尺光倍。当标尺光栅移动