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第8章伺服驱动系统 8 1概述8 1 1伺服驱动系统的概念1 什么是伺服驱动系统伺服驱动系统亦称随动系统 是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作 从而获得精确的位置 速度或力输出的自动控制系统 数控机床的进给伺服系统它是以机床移动部件的位置和速度为控制量 接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令 经过一定的信号变换及电压 功率放大 检测反馈 最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统 伺服驱动系统的作用伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分 伺服驱动系统的作用可归纳如下 1 伺服驱动系统能放大控制信号 具有输出功率的能力 2 伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制 2 数控机床对伺服驱动系统的要求 1 可逆运行在加工过程中 随时都可能实现正向或反向运动 同时要求在方向变化时 不应有反向间隙和运动的损失 2 进给调速范围要宽对一般机床而言 进给速度范围在0 24m min时 即可满足加工要求 具体技术要求如下 在1 24000mm min即1 24000调速范围内 要求均匀 稳定 无爬行 且速降小 在1mm min以下时 具有一定的瞬时速度 但瞬时速度要低 在零速时 即工作台停止运动时 要求电动机有电磁转矩以维持定位精度 使定位误差不超过系统的允许范围 即零速时电动机处于伺服锁定状态 3 具有足够的传动刚性和速度稳定性 4 快速响应无超调快速响应是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标 它反映了系统的跟踪精度 要求跟踪指令信号的响应要快 一方面 在伺服系统处于频繁启动 制动 加速 减速等动态过程中 要求加 减速度足够大 以缩短过渡过程时间 一般在200ms以内 甚至小于几十毫秒 且速度变化不应有超调 另一方面 当负载突变时 过渡过程恢复时间要短 且无振荡 5 高精度为了满足数控加工精度 关键是保证数控机床的定位精度和位移精度 位移精度位移精度是指指令脉冲要求机床进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度 两者误差愈小 伺服系统的位移精度愈高 目前 位移精度可达到全程范围内 5 m 一般数控机床的脉冲当量为0 01 0 005mm 脉冲 高精度的数控机床其脉冲当量可达0 001mm 脉冲 甚至更高 定位精度定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度 进给伺服系统的定位精度一般要求能达到1 m 甚至0 1 m 6 低速大转矩根据数控机床的加工特点 大都是在低速进行重切削 即在低速时进给驱动要有大的转矩输出 应使动力源尽量靠近机床的执行机构 使传动装置机械部分的结构简化 系统刚性增加 传动精度提高 8 1 2伺服系统的组成和工作原理闭环伺服系统结构原理如图8 1所示 图8 1闭环伺服系统结构原理图 数控机床的位置控制过程 安装在工作台的位置检测元件把机械位移变成位置数字量 并由位置反馈电路送到微机内部 该位置反馈量与输入微机的指令位置进行比较 如果比较结果不一致 微机送出差值信号 经驱动电路将差值信号进行变换 放大后驱动电动机 经减速装置带动工作台移动 当比较后的差值信号为零时 电动机停止转动 此时 工作台移到指令所指定的位置 速度控制过程 图8 1中的测速发电机和速度反馈电路组成的反馈回路可实现速度恒值控制 测速发电机和伺服电动机同步旋转 假如因外负载增大而使电动机的转速下降 则测速发电机的转速下降 经速度反馈电路 把转速变化的信号转变成电信号 送到驱动电路 与输入信号进行比较 比较后的差值信号经放大后 产生较大的驱动电压 从而使电动机转速上升 恢复到原先调定转速 使电动机排除负载变动的干扰 维持转速恒定不变 伺服系统结构原理图可以用框图表示如下 图8 2伺服系统框图 闭环伺服系统的主要组成部分 从上述原理图及框图可知 闭环伺服系统主要由以下几个部分组成 1 微型计算机它能接收输入的加工程序和反馈信号 经系统软件运行处理后 由输出口送出指令信号 2 驱动电路接收微机发出的指令 并将输入信号转换成电压信号 经过功率放大后 驱动电动机旋转 转速的大小由指令控制 若要实现恒速控制功能 驱动电路应能接收速度反馈信号 将反馈信号与微机的输入信号进行比较 将差值信号作为控制信号 使电动机保持恒速转动 3 执行元件可以是直流电动机 交流电动机 也可以是步进电动机 采用步进电动机通常是开环控制 4 传动装置包括减速箱和滚珠丝杠等 5 位置检测元件及反馈电路位置检测元件有直线感应同步器 光栅和磁尺等 位置检测元件检测的位移信号由反馈电路转变成计算机能识别反馈信号送入计算机 由计算机进行数据比较后送出差值信号 6 测速发电机及反馈电路测速发电机实际是小型发电机 发电机两端的电压值和发电机的转速成正比 故可将转速的变化量转变成电压的变化量 8 1 3伺服系统的分类 1 按驱动方式分可分为液压伺服系统 气压伺服系统和电气伺服系统 2 按执行元件的类别分类可分为直流电动机伺服系统 交流电动机伺服系统和步进电动机伺服系统 3 按有无检测元件和反馈环节分类可分为开环伺服系统 闭环伺服系统和半闭环伺服系统 4 按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系统 速度伺服系统 伺服系统类型对应的数控机床精度 1 步进电动机开环伺服系统的定位精度一般为0 01 0 005mm 2 精度要求高的大型数控设备 通常采用交流或直流伺服电动机 闭环或半闭环伺服系统 闭环伺服系统定位精度可达0 001 0 003mm 8 1 4进给电动机分类进给驱动用的伺服电动机主要有以下几种 1 改进型直流电动机结构上与传统的直流电动机没有区别 只是它的转动惯量很小 过载能力很强 且具有较好的换向性能 早期的数控机床上多用这种电动机 2 小惯量直流电动机它最大限度地减少了电枢的转动惯量 所以获得较好的快速性 在早期的数控机床应用这类电动机也较多 3 步进电动机由于步进电动机制造容易 它所组成的开环进给驱动装置也比较简单易调 在60年代至70年代初 这种电动机在数控机床上曾风行一时 目前 经济型数控机床仍使用步进电动机 另外 在某些机床上也有用作补偿刀具磨损运动以及精密角位移的驱动 4 永磁直流伺服电动机永磁直流电动机能在较大转矩下长期工作以及电动机的转子惯量较大 因此 它能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置 且因为无励磁回路损耗 所以它的外形尺寸比励磁式直流电动机小 它还有一个特点是可在低速下运行 如能在1rpm甚至0 1rpm下平稳运行 因此 这种电动机获得广泛的应用 从70年代到80年代中期 在数控机床的进给驱动装置中 它占据着绝对的优势地位 至今 许多数控机床上仍使用永磁直流伺服电动机 5 无刷直流电动机无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机 是由同步电动机和逆变器组成 而逆变器由装在转子上的转子传感器控制 因此 它实际上是交流调速电动机的一种 由于这种电动机的性能达到直流电动机的水平 又取消换向器和电刷部件 使电动机的寿命大约提高了一个数量级 6 交流调速电动机自80年代中期开始 异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流进给驱动电动机得到了迅速的发展 是数控机床进给驱动的一个方向 某些国家生产的数控机床已全部采用交流进给驱动 8 2开环进给伺服系统数控机床进给伺服系统的负载不大 加工精度要求不高时 可采用开环控制 数控机床开环进给伺服系统的执行组件多采用功率步进电动机 系统没有位置检测反馈回路和速度检测反馈回路 结构简单 成本低 且易于与机床配接 图8 3为采用功率步进电动机的开环进给伺服系统机构示意图 图8 3开环进给伺服系统示意图 8 2 1步进电动机它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置 由于所用电源是脉冲电源 所以也称为脉冲马达 1 步进电动机的分类 1 按步进电动机输出转矩的大小 可分为快速步进电动机和功率步进电动机 2 按励磁绕组可分为三相 四相 五相 六相甚至八相步进电动机 3 按转矩产生的工作原理可分为电磁式 反应式以及混合式步进电动机 4 按步进电动机输出运动的轨迹形式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机 2 步进电动机的特点 1 步进电动机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比 故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量 2 步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比 只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速 3 当停止输入脉冲时 只要维持绕组内电流不变 电动机轴可以保持在某固定位置上 不需要机械制动装置 4 改变通电相序即可改变电动机转向 5 步进电动机存在齿间相邻误差 但是不会产生积累误差 6 步进电动机转动惯量小 启动 停止迅速 7 步进电动机的缺点是效率低 负载能力低 调速范围小 最高输入脉冲频率一般不超过18kHz 8 2 2步进电动机的驱动与控制1 步进电动机的工作原理 该电动机定子有A B C三相 转子上有四个齿 当A相绕组通以直流电时 转子齿1 3在磁力线的作用下迅速与A相磁极对齐 对齐后停止转动 此时 若B相通电 A相断电 磁相B又把距它最近的一对齿2 4吸引过去 使转子按逆时针方向转过30 接着C相通电 B相断电 转子又逆时针转过30 依此类推 定子按A B C A 顺序通电 转子就一步一步地按逆时针方向转动 每步转30 同理 若改变通电顺序 按A C B A 顺序通电 步进电动机就按顺时针方向转动 同样每步转30 图8 4三相反应式步进电动机的工作原理模型图 由此可见 步进电动机的工作原理类似于电磁铁作用原理 当某相绕组通电时 定子产生磁场 并与转子形成磁路 如果此时定子与转子齿没有对齐 则由于磁力线力图走磁阻最小的路线 而带动转子转动 使定子齿与转子齿对齐 从而实现转动一个角度 步距角 步进电动机绕组的通电状态每改变一次转子转过的角度为步距角 该电动机的步距角为30 厂家对于每种步进电动机给出两种步距角 彼此相差一倍 大步距角 指控制供电拍数与相数相等时的步距角 小步距角 指控制供电拍数是相数两倍时的步距角 三相三拍控制方式 图8 4所示的三相步进电动机的控制方式 每次只有一相绕组通电 叫三相三拍控制方式 工作在这种方式时 切换瞬间步进电动机失去自锁转矩 容易失步 此外 只有一相绕组通电吸引转子 易在平衡位置产生振荡 因此 一般不采用三相三拍控制方式 而采用三相六拍控制方式 三相六拍控制方式 三相六拍控制方式的通电顺序按A AB B BC C CA A 进行 每改变一次通电状态 步进电动机逆时针旋转15 比三相三拍控制方式的步距角小一半 在通电状态改变时总能保持一相绕组通电 因此工作稳定 转换频率也提高一倍 是三相步进电动机较常用的控制方式 双三拍控制方式 如果要采用三相三拍控制方式 可以采用双三拍控制方式 即通电顺序按AB BC CA AB 进行 由于双三拍控制方式每次有两相绕组通电 而且切换时总保持一相通电 故工作较稳定 综上所述 可以得出如下一些结论 1 步进电动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 即步距角 2 改变步进电动机定子绕组的通电顺序 则转子反转 3 步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快 其转子的旋转速度也就越快 即通电状态的变化频率越高 转子的转速越高 4 步进电动机的步距角 与定子的相数m 转子的齿数z 通电方式系数k有关 式中 k为由控制方式确定的拍数与相数的比例系数 即k 拍数 相数 如三相三拍 k 1 三相六拍 k 2 五相十拍 k 2 2 步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式和一般电动机的不同 是采用脉冲控制方式工作的 只有按一定规律对各相绕组轮流通电 步进电动机才能实现转动 数控机床采用的功率步进电动机有三相 四相 五相和六相等 工作方式有单m拍 双m拍 三m拍及2 m拍等 m是电动机的相数 单m拍 每拍只有一相通电 循环拍数为m 双m拍 每拍同时有两相通电 循环拍数为m拍 三m拍 每拍同时有三相通电 循环拍数为m拍 2 m拍 是各拍既有单向通电 也有两相或三相通电 通常为一至二至三相通电 循环拍数为2 m拍 见表8 1 一般电动机的相数越多 工作方式越多 若表8 1中的通电顺序相反 则电动机反转 表8 1反应式步进电动机工作方式 2 步进电动机的驱动与控制系统步进电动机的驱动装置由脉冲分配器 功率放大器等组成 驱动装置是将变频信号源 微机或数控装置等 送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给步进电动机的各项绕组 以驱动步进电动机转子正 反向旋转 变频信号源可提供几赫兹到几万赫兹的频率信号且连续可调的脉冲信号发生器 因此 只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速 1 环行脉冲分配器环行脉冲分配器是用于控制步进电动机的通电方式 使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分 又称为环行分配器或环分器 环行分配器分为软件环分器和硬件环分器 2 功率放大器又称功率驱动器或功率放大电路 来自环行分配器的脉冲电流只有几毫安 而步进电动机的定子绕组需要几安培至几十安培 功率放大器的功能是将来自环行分配器的脉冲电流放大到足以驱动步进电动机旋转 步进电动机使用的功率放大器有电压型和电流型 电压型有单电压型和双电压型 高低压型 电流型有恒流驱动型 斩波驱动型等 步进电动机由于采用脉冲方式工作 且各相需按一定规律分配脉冲 因此 在步进电动机控制系统中 需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑 脉冲的多少需要根据控制对象的运行轨迹计算得到 因此还需要插补运算器 数控机床所用的功率步进电动机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率 所以还要求有功率驱动部分 为了保证步进电动机不失步地启停 要求控制系统具有升降速控制环节 除了上述各环节之外 还有键盘 显示器等输入 输出设备的接口电路 通讯接口电路及其他附属环节 在闭环控制系统中 还有检测元件的接口电路 在早期的数控系统中 上述各环节都是由硬件完成的 前的机床数控系统 由于都采用了小型和微型计算机控制 上述很多控制环节 如升降速控制 脉冲分配 脉冲产生 插补运算等都可以由计算机完成 使步进电动机控制系统的硬件电路大为简化 图8 4为用微型计算机控制步进电动机的控制系统框图 图8 5步进电动机的CNC系统框图 键盘 用于向计算机输入和编辑控制代码程序 输入的代码由计算机解释 显示器 用于显示控制对象的运动坐标值 故障报警 工作状态及编程代码等各种信息 存储器用来存放监控程序 解释程序 插补运算程序 故障诊断程序 脉冲分配程序 键盘扫描程序 显示驱动程序及用户控制代码程序等 功率放大器 用以对计算机送来的脉冲进行功率放大 以驱动步进电动机带动负载运行 8 3闭环伺服驱动系统闭环伺服驱动系统采用直流伺服电动机和交流伺服电动机 伺服电动机和普通电动机在工作原理方面并无本质的区别 但因控制电动机的性能指标不同 所以在结构上有很大的差别 伺服驱动系统对伺服电动机的要求 精度高 动态响应性能好 8 3 1直流伺服电动机控制直流伺服电动机具有响应迅速 精度和效率高 调速范围宽 负载能力大 控制特性优良等特点 被广泛应用在闭环 半闭环控制的伺服系统中 1 直流伺服电动机的分类按定子磁场产生方式可分为 永磁式和他励式 按电枢的结构与形状可分为 平滑电枢型 空心电枢型和有槽电枢型等 按转子转动惯量的大小分为 大惯量 中惯量和小惯量直流伺服电动机 2 直流伺服电动机的速度控制例如 他励直流伺服电动机电枢回路的电动势平衡方程为 感应电动势为 由以上两个方程可得电动机转速为 式中n 电动机转速 r min Ua 电动机电枢回路外加电压 V Ra 电枢回路电阻 Ia 电枢回路电流 A Ce 反电动势系数 气隙磁通量 Wb Ke 反电动势常数 V s rad 从上式可知 对一给定的直流电动机 要改变它的转速 有三种方法 1 改变电动机电枢电路外加电压U 即改变电枢电压 此方法可得到调速范围较宽的恒转矩特性 适于进给驱动及主轴驱动的低速段 2 改变气隙磁通量 此方法可得到恒功率特性 适于主轴电动机的高速段 3 改变电枢电路的电阻 此方法得到的机械特性较软 因此在数控机床上较少采用 若采用调压与调磁两种方法互相配合 可以获得很宽的调速范围 又可充分利用电动机的容量 在数控机床驱动装置中 直流电动机速度控制多采用晶闸管 可控硅 调速系统和晶体管脉宽调制调速系统 可控硅调速装置可控硅 semiconductorcontrolrectifier SCR 又称晶闸管 是一种大功率半导体器件 由阳极A 阴极K和控制极G 又称门极 组成 当阳极和阴极间施加正相电压且控制极出现触发脉冲时 可控硅导通 触发脉冲出现的时刻称为触发角 控制触发角即可控制可控硅的导通时间 从而达到控制电压的目的 只通过改变晶闸管触发角 电动机进行调速的范围较小 为满足数控机床调速范围需求 可采用带有速度反馈的闭环系统 为增加调速特性的硬度 需增加一个电流反馈环节 实现双环调速系统 图8 6所示为一典型的双环调速系统框图 图8 6双环调速系统框图 当给定的速度指令信号增大时 调节器输入端会有较大的偏差信号 放大器的输出信号随之加大 触发脉冲前移 整流器输出电压提高 电动机转速相应上升 同时 测速发电机输出电压增大 反馈到输入端使偏差减小 电动机转速上升减慢 直到速度反馈值等于或接近于给定值时 系统达到新的平衡 其缺点在于低速轻载时 电枢电流出现断续 机械特性变软 总放大倍数下降 动态品质变坏 直流脉宽调速 PWM 系统脉宽调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制 将直流电压转换成某一频率的矩形波电压 加到直流电动机的电枢两端 通过对矩形波脉冲宽度的控制 改变电枢两端的平均电压 达到调节电动机转速的目的 直流脉宽调速系统主要采用了转速电流双闭环的系统结构 如图8 7所示 其主要优点是频带宽 电流脉动小 波形系数小 电源功率因数高等 直流脉宽调速系统主要采用了转速电流双闭环的系统结构 如图8 7所示 其主要优点是频带宽 电流脉动小 波形系数小 电源功率因数高等 图8 7直流脉宽调速系统结构框图 8 3 2交流伺服电动机控制1 交流伺服电动机的分类和特点 1 异步型交流伺服电动机 IM 指的是交流感应电动机 它有三相和单相之分 也有鼠笼式和线绕式之分 通常多用鼠笼式三相感应电动机 2 同步型交流伺服电动机 SM 它的定子与感应电动机一样 都在定子上装有对称三相绕组 而转子却不同 按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类 非电磁式又分为磁滞式 永磁式和反应式多种 数控机床中多用永磁式同步电动机 优点 与电磁式相比 永磁式优点是结构简单 运行可靠 效率较高 缺点 是体积大 启动特性欠佳 永磁交流伺服电动机是一台机组 由永磁同步电动机 转子位置传感器 速度传感器等组成 2 交流电动机调速交流电动机的转速公式为 式中 f为定子电源频率 s为转差率 p为极对数 n0为同步转速 由上式可知 交流电动机调速方法有三种 1 改变磁极对数p这是一种有级的调速方法 它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数p来进行调速的 2 改变频差率s调速这实际上是对异步电动机转差率s的处理而获得的调速方法 常用的是降低定子电压调速 电磁转差离合器调速 线绕式异步电动机转子串电阻调速或串级调速等 3 变频调速这是平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化的调速方法 是交流电动机的一种理想调速方法 电动机从高速到低速其转差率都很小 因而变频调速的效率和功率因素都很高 3 变频调速技术变频器M对交流电动机实现变频调速的装置称为变频器 其功能是将电网电压提供的恒压恒频CVCF ConstantVoltageConstantFrequency 交流电变换为变压变频VVVF VariableVoltageVariableFrequency 交流电 变频伴随变压 对交流电动机实现无级调速 变频器有交 交变频器与交 直 交变频器两大类 如图8 8所示 图8 8两种类型的变频器 1 正弦波脉宽调制变频器 SPWM 正弦波脉宽调制变频器 SPWM 是使用最广泛的的PWM调制方法 属于交 直 交静止变频装置 将50Hz交流电经整流变压器变压到所需电压 经二极管整流和电容滤波 形成定直流电压 再送入六个大功率晶体管构成的逆变器主电路 输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波 SPWM 图8 9为双极型SPWM的通用型主回路 图8 9双极型SPWM通用型主回路 2 矢量变换控制的SPWM调速系统矢量控制是一种新型控制技术 应用这种技术 已使交流调速系统的静 动态性能接近或达到了直流电动机的高性能 在数控机床的主轴与进给驱动中 矢量控制应用日益广泛 并有取代直流驱动之势 矢量变换控制的SPWM调速系统 是将矢量变换得到相应的交流电动机的三相电压控制信号 作为SPWM系统的给定基准正弦波 即可实现对交流电动机的调速 该系统实现了转矩与磁通的独立控制 控制方式与直流电动机相同 可获得与直流电动机相同的调速控制特性 满足了数控机床进给驱动的恒转矩 宽调速的要求 也可以满足主轴驱动中恒功率调速的要求 因此在数控机床上得到了广泛应用 矢量变换调速系统的主要特性如下 速度控制精度和过渡过程响应时间与直流电动机大致相同 调速精度可达 0 1 自动弱磁控制与直流电动机调速系统相同 弱磁调速范围4 1 过载能力强 能承受冲击负载 突然加减速和突然可逆运行 能实现四象限运行 性能良好的矢量控制的交流调速系统比直流系统效率高约2 不存在直流电动机换向火花问题 8 4检测元件 位置精度要求不高的数控设备 开环系统即可满足要求 位置精度要求较高时 均应采用闭环系统 检测装置是数控机床的重要组成部分 在闭环系统中 其主要作用是检测位移量 并发出反馈信号 与数控装置发出的指令信号相比较 若有偏差 经放大后控制执行部件 使其向着消除偏差的方向运动 直至偏差等于零为止 闭环数控系统为反馈控制的随动系统 该系统的输出量是机械位移 速度或加速度 利用这些量的反馈实现精确的位移 速度控制目的 数控系统的检测装置 即传感器 起着测量和反馈两个作用 它发出的信号传送给数控装置或专用控制器 构成闭环控制 从一定意义上看 数控机床的加工精度主要取决于检测装置的精度 传感器能分辨出的最小测量值称为分辨率 分辨率不仅取决于传感器本身 也取决于测量线路 因此 研制和选用性能优良的检测装置是非常重要的 数控机床对检测装置的主要要求 寿命长 可靠性高 抗干扰能力强 满足精度和速度要求 使用维护方便 适合机床运行环境 成本低 便于与电子计算机联接 数控机床全部采用电传感器性质位置检测元件 即能将被测对象的位置变化量转换成电信号 经数字化处理后再送入计算机 8 4 1检测元件的分类数控系统中的检测元件分为位移 速度和电流三种类型 按安装的位置及耦合方式分为直接测量和间接测量两种 按测量方法分为增量式和绝对式两种 按检测信号的类型分为模拟式和数字式两大类 按运动方式分为回转式和直线式检测元件 按信号转换的原理可分为光电效应 光栅效应 电磁感应原理 压电效应 压阻效应和磁阻效应等类检测元件 数控机床常用的检测元件见表8 2 表8 2数控机床检测元件的分类 位置检测元件数控机床伺服系统中采用的位置检测元件基本分为直线式和旋转式两大类 直线式位置检测元件用来检测运动部件的直线位移量 旋转式位置检测元件用来检测回转部件的转动位移量 常见的位置检测元件如图8 10所示 图8 10常用的位置检测元件 速度检测元件速度检测元件用以检测和调节电动机的转速 其目的是精确控制转速 常用的测速元件是测速发电机 测速发电机与驱动电动机同轴安装 也有用回转式脉冲发生器 脉冲编码器和频率 电压转换线路产生速度检测信号 8 4 2数控测量装置的性能指标及要求测量装置安放在伺服驱动系统中 测量装置所测量的各种物理量是不断变化的 因此传感器的测量输出必须能准确 快速跟随反映这些被测量的变化 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 数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求 2 分辨率分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求 分辨率的提高 对提高系统性能指标 提高运行平稳性都很重要 高分辨率传感器已能满足亚微米和秒 角度 级精度设备的要求 3 灵敏度实时测量装置不但要灵敏度高 而且输出 输入关系中各点的灵敏度应该是一致的 4 迟滞对某一输入量 传感器的正行程的输出量与反行程的输出量不一致 称为迟滞 数控伺服系统的传感器要求迟滞小 5 测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求 并留有余地 6 零漂与温漂传感器的漂移量是其重要性能标志 它反映了随时间和温度的变化 传感器测量精度的微小变化 此外 对测量装置还要求工作可靠 抗干扰性强 使用维护方便 成本低等 8 4 3旋转变压器 1 旋转变压器的工作原理如图8 10所示 励磁电压U1接在变压器的一次侧 励磁频率通常为400Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz及5000Hz 当励磁电压加在定子绕组上时 通过电磁耦合 在转子绕组中产生感应电压e 转子绕组作为变压器的二次侧 通过电磁耦合得到感应电压 图8 10旋转变压器工作原理 旋转变压器和普通变压器的比较 旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似 区别在于普通变压器的一次 二次绕组是相对固定的 所以输出电压和输入电压之比是常数 而旋转变压器的一次 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变化 旋转变压器分为单级和多级型式 单级型式旋转变压器的工作情况如图8 11所示 如果转子绕组与定子绕组相互垂直 即转子的偏转角为零时 则转子绕组感应电压为零 如果转子绕组自垂直位置偏转一个角度时 转子绕组中产生的感应电势为 式中 k 变压器电压耦合系数 Um 励磁电压的幅值 励磁电压的角频率 转子绕组轴线的偏转角 U1 定子绕组励磁电压 由上式可知 当转子转到与定子绕组平行时 即偏转角度 90 时 转子绕组中的感应电动势最大 其值为 通常使用的是正弦余弦旋转变压器 其定子和转子绕组中各有相互垂直的两个绕组 如图8 12所示 为了讲述方便 图中转子只画了一个绕组 如果用两个相位差为90 的励磁电压分别加在两个定子绕组上 励磁电压的公式为 图8 12正弦余弦旋转变压器原理图 则U1和U2在转子绕组上产生的感应电动势分别为 由上式可知 感应电压是关于转子转角的正弦和余弦函数 所以称为正弦余弦变压器 2 旋转变压器的工作方式以正弦余弦旋转变压器为例 在定子的两个绕组分别通以励磁电压 应用叠加原理 可以得到两种典型的工作方式 鉴相工作方式给定子的两个绕组分别通以同幅 同频但相位差为90 的励磁电压 这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压是叠加在一起的 因此转子中的感应电压为 同理 假如转子逆向旋转 可得 由此可见 转子输出电压的相位角和转子的偏转角 之间有严格的对应关系 只要检测出转子输出电压的相位角 就可以知道转子的转角 鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以同频率 同相位但幅值不同的交流励磁电压 即 其中 幅值分别是正 余弦函数 则在转子上产生的叠加感应电压为 同理 如果转子逆向转动 可得 可见 转子输出电压的幅值随转子的偏转角而变化 测量出幅值即可求得转子转角值 3 旋转变压器的结构及安装图8 12是无刷旋转变压器的结构图 图8 13无刷旋转变压器的结构图1 转子轴承 2 壳体 3 分解器定子 4 变压器定子 5 变压器一次绕组 6 变压器转子线轴 7 变压器二次绕组 8 分解器 无刷旋转变压器由两部分组成 一部分叫分解器 其结构是由定子和转子组成 定子与转子上均为两相交流分布绕组 相隔90 另一部分叫做变压器 它的一次绕组与分解器转子轴固定在一起 并与转子一起旋转 它的二次绕组在定子线轴上 分解器定子绕组接外加的励磁电压 它的转子绕组输出的信号接到变压器一次绕组 从变压器的二次绕组引出最后输出信号 无刷旋转变压器具有高可靠性 寿命长 不用维修以及输出信号大等优点 是数控机床主要使用的位置检测元件之一 8 4 4脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器 其作用是把机械转角变成电脉冲 是一种常用的角位移检测元件 1 脉冲编码器的工作原理脉冲编码器分为光电式 接触式和电磁感应式三种 数控机床上常使用光电式脉冲编码器 图8 15是光电盘工作原理示意图 在码盘的边缘上开有间距相等的透光窄缝隙 在码盘的两侧分别安装光源与光敏元件 图8 15光电盘工作原理示意图 当码盘随被测工作轴一起旋转时 每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化 使光敏元件的电阻值改变 这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化 然后 经放大 整形处理后 光电盘输出脉冲信号 脉冲的个数就等于转过的缝隙数 如果将脉冲信号送到计数器中记数 计数显示就反映了码盘转过的角度 为了判别旋转方向 可在码盘两侧再装一套光电转换装置 分别用A和B表示 两套光电转换装置在光电元件上形成两条明暗变化的光线 产生两组近似于正弦波的电流信号A与B 两者的相位差90 经放大和整形电路处理后变成方波 如图8 15所示 图8 16脉冲编码器输出波形 若A相超前于B相 对应电动机作正向旋转 若B相超前于A相 对应电动机作反向旋转 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 脉冲编码器除有A相和B相输出信号外 还有Z相一转输出信号 它是用来产生机床的基准点的 通常 数控机床的机械原点与各轴的脉冲编码器Z相输出信号的位置是一致的 2 脉冲编码器结构与选用光电脉冲编码器按每转发出脉冲数的多少来分 有多种型号 脉冲编码器的选用是根据机床滚珠丝杠的螺距来确定的 数控机床上最常用的见表8 3所示 表8 3光电式脉冲编码器 光电脉冲编码器结构示意图如图8 17所示 图8 17光电脉冲编码器结构示意图1 印刷电路板 2 光源 3 圆光栅 4 指示光栅 5 光电池组 6 底座 7 护罩 8 轴 高精度脉冲编码器要求提高光电盘圆周等分狭缝的密度 实际上变成了圆光栅线纹 它的制造工艺是在一块具有一定直径的玻璃圆盘上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属薄膜 再涂上一层均匀的感光材料 然后用照相腐蚀工艺 制成沿圆周等距的透光和不透光相间的辐射状线纹 一个相邻的透光与不透光线纹构成一个节距p 在圆盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹 用来产生一转脉冲信号 辩向指示光栅上有两段线纹组A和B 每一组线纹间的节距相同 而A组与B组的线纹彼此错开1 4节距 指示光栅固定在底座上 与圆光栅的线纹平行放置 两者间保持很小间距 当圆光栅旋转时 光线透过这两光栅的线纹部分 形成明暗相间的条纹 被光电元件接受 并变换成测量脉冲 其分辨率取决于圆光栅的一圈线纹数和测量线路的细分倍数 脉冲编码器主要技术性能见表8 4 编码器通过十字连接头与伺服电动机连接 它的法兰盘固定在电动机端面上 罩上保护罩构成完整的驱动部件 表8 4脉冲编码器主要技术性能 8 4 5绝对值脉冲编码器图8 15所示光电盘结构是最初的光电脉冲编码器 因为光电盘读数方法测得的角度值都是相对于上一次读数的增量值 所以是一种增量式角位移检测装置 其输出信号是脉冲 通过计量脉冲的数目和频率即可测出工作轴的转角和转速 绝对值编码器与增量式脉冲编码器不同 绝对值编码器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置 码盘的读取方式有接触式 光电式和电磁式等几种 光电编码器是目前使用最广泛的角位移检测装置 码盘采用绝对值编码 图8 18 a 是光电绝对值编码器的编码盘原理图 图8 18 b 是结构图 图8 18光电式绝对值编码器 图8 18 a 中 码盘上有四条码道 所谓码道就是码盘上的同心圆 按照二进制分布规律 把每条码道加工成透明和不透明相间的形式 码盘的一侧安装光源 另一侧安装一排径向排列的光电管 每个光电管对准一条码道 当光源照射码盘时 如果是透明区 则光线被光电管接受 并转变成电信号 输出信号为 1 如果是不透明区 光电管接受不到光线 输出信号为 0 被测工作轴带动码盘旋转时 光电管输出的信息就是代表了轴的对应位置 即绝对位置 光电编码盘大多采用格雷码编码盘 格雷码数码见表8 5 格雷码的特点 格雷码的特点是每一相邻数码之间仅改变一位二进制数 这样 即使制作和安装不十分准确 产生的误差最多也只是最低位的一位数 表8 5格雷码编码盘的数码 四位二进制码盘能分辨的最小角度 分辨率 为 码道越多 分辨率越高 目前 码盘码道可做成18条 能分辨的最小角度为 8 4 6光栅测量装置计量光栅有长光栅和圆光栅两种 是数控机床和数显系统常用的检测元件 光栅是利用光的透射 衍射现象制成的光电检测元件 也称光电脉冲发生器 它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成 通常 标尺光栅固定在机床活动部件上 如工作台或丝杠上 光栅读数头装在机床的固定部件上 如机床底座 当工作台移动时 标尺光栅和光栅读数头产生相对移动 1 光栅尺的构造与种类光栅包括标尺光栅和指示光栅 它们是一条刻有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 这些线纹相互平行 线纹之间的距离相等 该间距称为栅距 对于圆光栅 这些线纹是等栅距角的向心条纹 栅距和栅距角是决定光栅性质的基本参数 常用的透射长光栅线纹密度有25 50 100和250条 mm等四种 某些特殊用途的光栅可达1000条 mm 对于直径为70mm圆光栅 一周内刻线为100 768条 若直径为199mm 一周刻线600 1024条 同一光栅检测装置 其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相等 2 光栅读数头图8 19是光栅读数头的组成原理图 无论是长光栅还是圆光栅 其读数头都是由光源 透镜 指示光栅 光敏元件和检测电路组成 图8 19光栅读数头的组成原理图 读数头光源采用白炽灯泡 白炽灯泡发出辐射光线 经过透镜后变为平行光束 照射光栅尺 光敏元件接受透过光栅尺的光强信号 并将其转换成相应的电压信号 由于光敏元件产生的电压信号比较微弱 在长距离传递时 很容易被各种干扰信号淹没 造成传递失真 因此使用检测电路对光敏元件输出的信号进行电压和功率放大 根据不同要求 读数头常安装两个或四个光敏元件 供检测电路辩向和对测量值进行细分 除上面介绍的光栅读数头是垂直入射式读数头外 还有分光读数头 反射读数头和镜像读数头等 3 光栅读数 莫尔条纹光栅读数是利用莫尔条纹的形成原理进行的 如图8 20所示 将指示光栅和标尺光栅合在一起 中间保持0 01 0 1mm的间隙 线纹相互交叉 保持一个很小的夹角 当光源照射光栅时 在a a线上 两块光栅的线纹彼此重合 形成一条横向透光亮带 在b b线上 两块光栅上的线纹彼此错开 形成一条不透光的暗带 这些横向明暗相间出现的亮带和暗带就是莫尔条纹 图8 20莫尔条纹形成原理图 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 则它们之间的几何关系为 因为夹角很小 所以可取 故上式可改写成 由上式可见 越小 B就越大 相当于把栅距W扩大了1 倍后 转化为莫尔条纹 例如 栅距W 0 01mm 夹角 0 001rad 则莫尔条纹的间距B等于10mm 这说明 不需要复杂的光学系统和电子系统处理 就可以把光栅的栅距W放大1000倍并转变成横向移动的莫尔条纹 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 暗 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 光电元件只需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 光栅具有精度高 响应速度较快等特点 是一种非接触式检测装置 但它对外界环境条件要求高 使用时注意加强维护和保养 8 4 7磁尺测量装置磁尺测量装置是将一定波长的方波或正弦波信号用记录磁头记录在用磁性材料制成的磁性标尺上 作为测量基准 在测量时 拾磁磁头相对磁性标尺移动 并将磁性标尺上的磁化信号转换成电信号 再送到检测电路中去 把拾磁磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转换成控制信号输送到数控装置 磁尺的构造 磁尺测量装置由磁性标尺 拾磁磁头和检测电路组成 磁性标尺磁性标尺 简称磁尺 由两部分构成 即磁性标尺基体和磁性膜 磁性标尺的基体一般由非导磁材料 如玻璃 不锈钢 铜 铝或其它合金材料 制成 磁性膜是采用涂敷 化学沉积或电镀等工艺方法 在磁性标尺基体上产生一层厚度为10 20 m的磁性材料 由于该磁性材料均匀分布在磁性标尺的基体上 且成膜状 故称磁性膜 磁性膜上有用录磁方法录制的波长为 的磁波 对于长磁性标尺来说 磁尺波长一般取0 05 0 10 0 20 1mm 在实际应用中 为防止磁头对磁性膜的磨损 一般在磁性膜上均匀地涂上一层1 2mm的耐磨塑料保护层 以提高磁性标尺的寿命 拾磁磁头磁头是进行磁电转换的元件 它将反映位置变化的磁化信号检测出来 并转换成电信号输送给检测电路 机床要求在低速甚至在静止时也能检测出磁性标尺上的磁信号 所以不能使用一般录音机用的磁头 机床上使用的磁头叫做磁通响应型磁头 其结构如图8 21所示 图8 21磁通响应型磁头的结构 磁通响应型磁头有两组绕组 绕在截面尺寸较小的横臂上的绕组W1是励磁绕组 绕在截面尺寸较大的坚杆上的绕组W2是输出绕组 横臂铁心材料是可饱和铁心 所以励磁电流在一个周期内可使铁心材料饱和两次 铁心材料饱和后 磁阻很大 磁路被阻断 铁心材料非饱和时 磁阻减小 磁路开通 可见 励磁绕组的作用相当于磁开关 只要有周期变化的励磁电流存在 输出绕组的磁路中磁通量产生周期变化 输出绕组就会有电压信号输出 电压值为 式中e 输出绕组中的感应电动势 Em 输出电动势的峰值 磁性标尺的波长 X 磁头在磁性标尺上的位移量 输出感应电动势的频率 是励磁电流频率的二倍 由上式可见 和磁性标尺与磁头相对速度无关 而是由磁头在磁性标尺上的位置决定 多间隙磁通响应型磁头使用单个磁头读取磁性标尺上的磁信号 不但输出信号小 而且以对磁性标尺上的磁化信号的波长和波形要求也高 所以实际上总是将几十个磁头以一定方式串联 构成多间隙磁头 多间隙磁头中所有磁头之间的间隙均为 2 这样得到的总输出是每个磁头输出信号的叠加 这样不但增大了输出信号的强度 同时也降低了对磁性标尺的精度要求 多间隙磁通响应型磁头的原理图如图8 22所示 图8 22多间隙磁通响应型原理图 8 4 8感应同步器感应同步器是一种电磁式位置检测元件 按其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成 用于直线位移量的检测 旋转式感应同步器由转子和定子组成 用于角度位移量的检测 感应同步器具有检测精度高 抗干扰性强 寿命长 维护方便 成本低 工艺性好等优点 广泛应用于高精度数控机床 感应同步器结构感应同步器的结构如图8 23所示 其定尺和滑尺的基板采用与机床膨胀系数相近的钢板制成 钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔 并利用腐蚀的方法作成图8 23所示的矩形绕组 长尺叫定尺 短尺叫滑尺 图8 23感应同步器结构图 标准感应