数控机床主轴进给系统的改造论文

摘 要 数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升 加工 质量都有着很重要的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。无级变速系统主要有伺 服主轴系统和直流主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩 )带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化 。 众所周知，高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一 (高速主轴、数控系统、送给驱动 )。 随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断地向高速、高精、高效、高智能化发展，内装式电主轴单元已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一。 本课题 选用 变频器 和编码器来匹配 机床 现有的 主轴 调速系统 ，从而组成电主轴系统， 更有效的控制主轴的转速，提高生产效率。 关键词 数控技术 变频器 编码器 主轴系统 of i it to to of in is of a to s is of it in to by a is an in an to to to to a s t to be to of to to to to no to no to or to to a to a or to a u by in to a to s is no to of to is in by a to of to to a to to of a of at to a of of of to to in to to of of a to in 录 数控车床主轴进给系统的改造 绪论 。 6 一 数控技术的发展 。 。 7 （一） 数控技术的发展 。 。 8 （二） 数控技术的发展趋势 。 8 （三） 国内外研究现状 。 9 二 变频器的原理及作 用 。 。 11 (一 )变频器 的 节 能。 11 (二 ) 变频节能的原理 。 。 12 (三 )调速原理 。 13 三 编码器 的原理及作用 。 16 （一）编码器的分类 。 16 （二）编码器的作用 。 17 四 机床进给系统和主轴系统的发展趋势 。 。 。 。 19 五 主轴箱装配工艺工程 。 。 。 23 六 伺服进给系统的组成及特点 。 。 25 （一）伺服进给系统的组成 。 25 （二）进给伺服驱动系统的分类 。 25 （ 三 ）伺服进给系统技术要求 。 26 参考文献 。 29 致谢 。 30 数控车床主轴进给系统的改造 绪 论 一课题背景 数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国 民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升 加工 质量都有着很重要的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。无级变速系统主要有伺服主轴系统和直流主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动 和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩 )带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化 。 众所周知，高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一 (高速主轴、数控系统、送给驱动 )。 一 数控技术的发展 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造 技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在 “ 高精尖 ” 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 （一） 数控技术的发展 第一代 数控 系统 ： 1952年至 1959年，采用电子管元件。 第二代 数控 系统 ： 1959年开始，采用 晶体 管 元件。 第三代 数控 系统 ： 1965年开始，采用 集成电路 。 第四代 数控 系统 ： 1970年开始，采用大规模 集成电路 及小型 通用 计算机。 第五代 数控 系统 ： 1974年开始，采用微处理机和微型计算机。 （二）数控技术的发展趋势 1)趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展 20世纪 90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用 丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实 现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心 (空军共同领导的 “ 下一代工作站 /机床控制器体系结构 ”欧共体的 “ 自动化系统中开放式体系结构 ”日本的 放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多 品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随 结构可以保持不变。 2)趋势之二：数控系统向软数控方向发展 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 传统数控系统，如 系统、 50 系统、 10M/T/是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目 前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。 “入 结构的开放式数控系统，如 1640。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的 分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 “入 结 构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡和 种运动控制卡通常选用高速 为 有很强的运动控制和 本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国 司用 轴运动控制卡构造的 本 司用三菱电机的 4构造的 40 。 开 放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的 硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在 T 平台上，利用开放的发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比， 开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国 司的 国 司的 3)趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给 伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。 世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 4)趋势之四：数控系统向网络化方向发展 数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓 术。 随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称 “e ，是机械制造 企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。 数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工机床 )、线 (面(工段车间独立制造岛、 体 (布式网络集成制造系统 )的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 5)趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展 随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率在 P(t) 99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间000 小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为 10:1(数控的可靠比主机高一个数量级 )。此时数控系统的 时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。 当前国外数控装置的 000小时以上，驱动装置达 30000 小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。 6)趋势之六：数控系统向复合化方向发展 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 柔性制造范畴的机 床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。 普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如 1002D 系统就有车床版本和铣床版本之分。复合化的要求促使数控系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。 7)趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展 由于在加工自由曲面时， 3轴联动控 制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而 5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削 3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发 5轴、 6轴联动数控系统，随着 5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及， 5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。 (三 )国内外研究现状 国内外研究现状 由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码器、通讯电缆、直流母线制动器组合 成的，用以将电网电能变为电主轴单元的机械能，同时实现电主轴准停。准速、准位的系统称之为电主轴系统。电主轴系统品质的优劣是大型数控铣、加工中心、数控车品质优劣的关键之一。对闭环式配置的电主轴系统而言尤为重要。目前我国已能自行开发设计各类高速电主轴。但闭环式驱动控制器及高水平的编码器尚不过关。选用优质的进口编码器和驱动控制器来匹配我国自行开发的电主轴单元，从而组成电主轴系统，以供应国内数控机床之急需，从而降低主机成本，提高主机的市场竞争力是一条可行之路。 2003年，洛阳轴研科技股份有限公司分别与德国博世 司、德国 成功地实现了 土乐 )电源 +0,000r/大面积推广中西结合的电主轴系统创出了一条路。 2003 年 7月洛阳轴研科技股份有限公司与德国博世 中国有限公司 )电子传动与控制事业部达成联合开发 协议的推动下首轮于国产电主轴单元同类型产品价格远低于进口电主轴，故 进口系统低得多，从而为国产数控机床的发展提供了新的选择。 最近，国外主要的系统开发商在 6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在 6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控 系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术 革命。 我国数控机床制造业在年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到，库存超过个月。从年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造 市场一派繁荣。从年月份的上海数控机床展览会和年月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题：低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；高技术水平、全功能产品主要靠进口；配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。而对与我国来说 ,应 制定符合中国国情的总体发展战略，对 21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。通过对数控技术和产业发展趋势的分 析和对我国数控 领域存在问题的研究，我们认为以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾， 坚持可持续发站道路将是一种符合我国国情的发展数控技术和产业的总体战略。 二 变频器的原理及作用 变频器的作用主要是：节能和调速，并能实现自动控制的高精度控制。 (一 )变频器 的 节能 电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总装机容量约为 4 亿千瓦，年耗电量约为 6000 亿 占工业用电的 7080%。我国以中小型电机为主，约占 80%，而中小型电机耗损的电量 却占总损耗量的 90%。电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为 75%，比国外低 10%；系统运行效率为 3040%，比国际先进水平低 2030%。因此在我国中小型电机具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。 由于异步电机结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠，可用于恶劣的环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。特别是对各行各业的泵类和风机的拖动上非彼莫属，因此，拖动泵类和风机的电机节能工作倍受重视。 随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和 应用使变频器的节能效果更为显著。它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。相对于其它调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等），变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日臻完善，它已成为交流电机调速的最新潮流。变频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。 使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降 低生产成本，因而使用变频器是厂、矿企业节能降耗的首选产品。 变频电机节电器是一种革命性的新一代电机专用控制产品，基于微处理器数字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电机运行工程中的电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需求精确匹配，从而有效避免电机因出力过度造成的电能浪费。 交流电动机是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的 85%，它具有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受到限制或借助机械方式来实现调速。 变频器就负载类型而言 主要有两方面的典型应用： 1、恒转矩应用； 2、变转矩应用。就应用的目的而言主要有： 1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。 2、以节能为主要目的 以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能，改造效果非常显著。 (二 ) 变频节能 的原理 1)变频节能： 为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行， 除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。 当电机转速从 到 ，其电机轴功率 （ 1） 3 由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。 2)动态调整节能： 迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次 /秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。 3)通过变频自身的 V/： 在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节 V/少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。 4)变频自带软启动节能： 在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从 0 机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。 5)提高功率因数节能： 电动机由定子绕组和转子绕组 通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。 (三 )调速原理 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 1)电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ 1: r/电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为 例如： 2 极电机 50000 r/4 极电机 50500 r/电机的旋转速度同频率成比例 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为 2 的倍数，例如极数为 2， 4， 6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。 另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。 因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 n = 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极对数 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。 例如：为了使电机的旋 转速度减半，把变频器的输出频率从 505时变频器的输出电压就需要从 40000V 2)当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？ 1: 工频电源 由电网提供的动力电源（商用电源） 2: 起动电流 当电机开始运转时，变频器的输出电流 变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动 电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐 渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。 通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。 3)当变频器调速到大于 50机的输出转矩将降低 常的电机是按 50额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速 . (T= 对于电机来说 , T=K*I*X, (K:常数 , I:电流 , X:磁通 ), 因此转矩 T 会跟着磁通同时 , 小于 50 由于 I* 所以 U/f=E/ 磁通(X)为常数 . 转矩 T 和电流成正比 . 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载 (转矩 )能力 . 并称为恒转矩调速 (额定电流不变 最大转矩不变 )结论 : 当变频器输出频率从 50 电机的输出转矩会减小 . 5)其他和输出转矩有关的因素发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。载波频率 : 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率 , 最高环境温度下能保证持续输出的数值 . 降低载波频率 , 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值 海拔高度增加 , 对散热和绝缘性能都有影响 000 以上每 1000米降容 5%就可以了 . 6)矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？ 转矩提升此功能增加变频 器的输出电压（主要是低频时），以补偿 定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。 改善电机低速输出转矩不足的技术使用 矢量控制 ，可以使电机在低速 ,如 (无速度传感器时 )1 4极电机，其转速大约为 30r/的输出转矩可以达到电机在 50电输出的转矩（最大约为额定转矩的 150）。对于常规的 V/机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的 这个功能叫做 转矩提升 （ *1）。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。矢量控制 把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。 矢量控制 可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。 三 编码器 的原理及作用 （一）编码器的分类 根据检测原理，编码器可分为光学式、 磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 1） 增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、 相； A、 0，从而可方便地判断出旋转方向，而 于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 2） 绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光 和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 码盘必须有 前国内已有 16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换 的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 1可以直接读出角度坐标的绝对值； 2没有累积误差； 3 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、 14位等多种。 3） 混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的 输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠 ,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘 与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90的两路脉冲信号。在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式 （二）编码器的作用 主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮 1:1地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方 面的直接联系，为了加工螺纹，就要求给定进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。 主轴编码器用于测量主轴的旋转速度。检测元件安装在主轴上，而这种检测元件通常就是光电脉冲发生器。有两种安装方式，一种是与主轴通过弹性联轴器同轴安装；另一种方式是通过中间轴上的齿轮 1： 1 的同步传动。总之，主轴编码器反映主轴的旋转速度。 在光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式 。 1）分辨率 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数 /转（ 码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在 5006000增量式光电编码器，最高可以达到几万 流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为 2500外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到 2倍频或 4倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。 2）精度 增量式光电编码器的精度与 分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。 3）输出信号的稳定性 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和 使用中都要给予充分考虑。 4）响应频率 编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。 5）信号输出形式 在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形 也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。 四 机床进给系统和主轴系统的发展趋势 （一） 微电子技术发展促进了控制智能化 随着微电子技术、大规模集成电路制造工艺和计算机技术的发展，高性能的微处理器（ 大 规模集成电路（ 片、表面安装器件（ 为实现数字化控制提供了硬件基础，不仅使控制电路体积大大缩小，而且通过控制软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不增加或很少增加硬件设备的前提下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控制高度智能化和柔性的优点。 二 电力电子技术开创了机床驱动新局面 （二） 电力电子技术的日新月异的发展，也为交流电动机调速性能的不断提高奠定了基础。电力电子技术是以电力为对象的电子技术，它的主要任务是对电能进行控制和变换。它是用半导体电力电子器件进行功率变换、控制及开关电 路的应用技术。 现代电力电子技术有如下特点： 大容量化（即高电压、大电流）； 高频化（即开关速度高）； 易驱动（电压驱动）； 低压降（即损耗低）； 模块化； 功率集成化（即将驱动、保护、检测甚至控制等功能集成于一体）； 全控化（即器件的自关断性）； 控制技术数字化，从而使以 制为代表的采用数字控制的电力电子装置性能日趋完善。各种 及谐振软开关技术的深入研究，使逆变器的性能从单目标优化逐步向系统整体性能优化方向发展。第三代智能功率模块（ 出现，大幅度改善了逆变器的性能 ，大大缩小了体积。下一代的功率模块将具备直接与控制信号接口的能力，内部集成了多个高速光耦、多路驱动电源、电压、电流的检测和保护等功能，被称之为“In ，从而使逆变器构成将更简单、更可靠，体积也将更小。 （三） 现代控制理论使交流调速成为现实 由于交流电动机的数学模型较直流电动机复杂得多，具有非线性、强耦合、多变量的特点，应用经典控制理论很难控制交流电动机，而现代控制理论的发展对交流电动机控制技术的发展起到了极大的推动作用。 采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以 进行电动机参数的在线辨识；采用滑模变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。如能将各种智能控制理论有机地结合起来，必将开创交流调速的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精确的对象模型和参数，使系统具有很强的鲁棒性。其中，模糊控制能强迫电流以类似于 应方式趋于期望点，做到快速响应，但当误差较小时，难以控制精确定位，且易振荡；而神经元网络控制却具有能精确地实现伺服信号跟踪且无超调，但由于神经网络具有固有的梯度计算，使响应时间变长，电流响应较早退出饱和。因此，如能将上述两者有机地结合起来，使 其在不同的误差域内发挥各自优点，取长补短，则可望实现期望控制。 （四） 利用串行伺服总线的数字化通信使机床驱动系统更上一层楼 至用一根光缆（它具有直径小、重量轻、抗干扰能力强的特点）可直接连接多台伺服驱动器。如果建立一个国际上公认的 数字伺服驱动器之间统一数据交换接口（类似于德国的 则有提供产品互换的可