进给伺服驱动系统.ppt

15 35 1 进给伺服驱动系统 15 35 2 教学内容 1 概述 2 旋转变压器 3 感应同步器 4 光电脉冲编码器 6 光栅 7 思考题 5 绝对值编码器 15 35 3 组成 位置测量装置是由检测元件 传感器 和信号处理装置组成 作用 闭环数控系统为反馈控制的随动系统 它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 1 概述 15 35 4 1 1检测装置的分类 1 概述 15 35 5 数控系统中的检测装置分为位移 速度和电流三种类型 根据安装的位置及耦合方式 直接测量和间接测量 按测量方法 增量型和绝对型 按检测信号的类型 模拟式和数字式 根据运动型式 回转型和直线型 按信号转换的原理 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 1 概述 15 35 6 1 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 1 概述 4 迟滞 5 测量范围和量程 6 零漂与温漂 1 精度 2 分辨率 3 灵敏度 15 35 7 1 2检测装置的要求 工作可靠 抗干扰强 使用方便 适应环境 满足精度 速度要求 成本低 大型机床以满足速度要求为主 中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主 1 概述 15 35 8 2 旋转变压器 旋转变压器是一种控制用的微电动机 它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号 旋转变压器是一种小型精密的交流电机 分有刷和无刷两种结构 具有可靠性高 寿命长 不用维修以及输出信号大等优点 是数控机床上常用的位置检测装置之一 2 1旋转变压器的结构和工作原理 15 35 9 定子绕组为变压器的一次侧 转子绕组为变压器的二次侧 励磁电压接到定子绕组上 其频率通常为400Hz 500Hz 1000Hz和5000Hz 1 转子轴2 分解器定子3 分解器转子4 分解器转子线圈5 分解器定子线圈6 变压器定子7 变压器转子8 变压器一次线圈9 变压器二次线圈图1旋转变压器的结构 2 旋转变压器 2 1旋转变压器的结构和工作原理 15 35 10 E2 转子绕组感应电势Vm 幅值a 俩绕组轴线间夹角K 变压比 即两相间匝数比 图2旋转变压器的工作原理 15 35 12 E2 KV1cosa KVmsinwtcosa V1 定子的激磁电压 工作原理 当定子加上激磁电压 交变电压f 2 4khz 时 通过电磁耦合 转子绕组产生感应电势 如上图示 2 旋转变压器 15 35 13 一 鉴相式工作方式图1中 定子两相绕组激磁Vs Vmsinwt 3 1 Vc Vmcoswt 3 2 在转子中工作绕组感应电势为E2 KVscosa Kvcsina KVm sinwtcosa coswtsina KVmsin wt a 3 3 a 定子正弦绕组轴线于转子工作绕组轴线间的夹角w 激磁角频率 2 旋转变压器 15 35 14 说明 感应电势E2与定子绕组中的激磁电压同频率 但相位不同 其差值为a 测量转子输出电压的相位角a 即可测的转子相对定子的空间转角位置 2 旋转变压器 15 35 15 在这种工作方式中 定子二相绕组加的是频率相同 相位相同 而幅值分别按正弦 余弦变化的交变电压 即 Vs Vmsina电sin t 3 4 Vc Vmcosa电sin t 3 5 图3签幅式 二 签幅式工作方式 2 旋转变压器 15 35 16 式中 Vmsina电 Vmcosa电分别为定子二绕组激磁信号的幅值 定子激磁电压在转子中感应出的电势不但与转子和定子的相对位置a机有关 还与激磁的幅值有关 即E2 KVScosa机 Kvcsina机 KVmsin t sina电cosa机 cosa电sina机 6 6 Kvmsina a电 a机 sin t若a机 a电则E2 0 其中a电为电气角 2 旋转变压器 15 35 17 从物理概念上来理解 a机 a电表示定子绕组合成磁通 与转子绕组平行 即磁力线穿过转子绕组线圈 故感应电动势为0 当 垂直于转子线圈平面时 即 a电 a机 90O时 转子绕组中感应电势最大 在实际应用中 根据转子误差电压的大小 不断修正定子激磁信号的a电 即激磁幅值 使其跟踪a机的变化 2 旋转变压器 15 35 18 由上式可知 感应电势E2是以 为角频率的交变信号 其幅值为Vmsin a电 a机 若电气角a电已知 那么只要测出E2的幅值 便可以间接地求出被测角位移大小 鉴幅工作方式时 不断调整a电 让幅值等于零 这样 用a电代替了对a机的测量 a电可通过具体电子线路测得 2 旋转变压器 15 35 19 3 1感应同步器的结构和工作原理 结构 感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置 实际上 它是多极旋转变压的展开形式 感应同步器分旋转式和直线式 前者用于角度测量 后者用于长度测量 两者工作原理相同 3 感应同步器 15 35 20 直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成 标准感应同步器结构 尺寸如上图所示 定尺和滑尺之间有均匀的气隙 在全行程上保持0 25 0 05mm时 定尺长250mm 表面上制有连续平面绕组 绕组节距P为2mm 滑尺上制有两组分段绕组 分别称为正弦绕组 sin绕组 和余弦绕组 cos绕组 它们相对于定尺绕组在空间错开1 4节距 1 4P 定尺和滑尺绕组的结构示意图如图4所示 3 感应同步器 图4直线感应同步器 15 35 22 15 35 23 定尺和滑尺的基板通常采用与机床床身材料的热膨胀系数相近的钢板 用绝缘粘结剂把铜箔粘在钢板上 近精密的照相腐蚀工艺制成印刷绕组 再在尺子表面上涂一层保护层 滑尺表面有时还粘上一层带绝缘的铝箔 以防止静电感应 3 感应同步器 15 35 24 如图4所示 当滑尺的两个绕组中的任一绕组通过激磁交变电压时 由于电磁感应 在定尺绕组中会产生感应电势 该感应电势取决于滑尺和定尺的相对位置 感应电势的频率与激磁信号的频率相同 幅值由激磁信号的幅值和感应同步器的物理结构决定 工作原理 3 感应同步器 图5定尺 滑尺绕组示意图 15 35 26 当滑尺绕组与定尺绕组完全重合时 定尺绕组中感应电势最大 如果滑尺相对于定尺从重合处逐渐向左 或右 平行移动 感应电势就随之逐渐减小 在两绕组刚好处于想差1 4节距的位置时 感应电势为0 滑尺移动到1 2节距位置时 感应电势又处于最大 但极性相反 图6一个节矩内感应电势的变化 3 感应同步器 15 35 27 当移动到3 4节距位置时 又变为0 移动了一个节距后 又出现了初始情况 滑尺相对定尺不同位置 在一个节距内 定尺感应电势变化如下图 从图中可见 感应电势近似于余弦函数变化了一个周期 图7一个节矩内感应电势的变化 3 感应同步器 15 35 28 若设滑尺绕组节距为P 它对应的感应电势以余弦函数变化了2 滑尺移动距离为x时 则对应感应电势以余弦函数将变化相位角 由此例关系 2 x P 可得 2 x P 3 7 3 感应同步器 15 35 29 由此可见 在一个节距内 与x是一一对应的 通过测量定尺感应电势相位 即可测量出定尺相对滑尺的位移x 3 感应同步器 15 35 30 令Vs表示滑尺上一相绕组的激磁电压Vs Vmsin t式中Vm为Vs的幅值 则定尺绕组感应电势V0为V0 KVScos KVmcos sin t 3 8 式中 K为耦合系数 由式 3 7 求得 3 感应同步器 15 35 31 感应同步器作为位置检测装置安装在数控机床上 它有两种工作方式 鉴相方式和鉴幅方式 一 鉴相方式 在这种工作方式下 给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通以幅值相等 频率相同 相位相差900的交流电压 Vs Vmsin tVc Vmcos t 3 9 3 2感应同步器的应用 3 感应同步器 15 35 32 激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V0 KVmsin tcos KVmcos tsin KVmsin t 3 10 式中 由式 3 7 求得 即 2 x P 3 感应同步器 15 35 33 在这种工作方式下 给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 Vs Vmsina电sin t a电相当于式 3 10 中的 Vc Vmcosa电cos t 二 鉴幅方式 3 感应同步器 15 35 34 此时 若滑尺相对定尺移动一个距离x 其对应的相移为a机 那么在定尺上感应电势为V0 KVmsina电sin tcosa机 KVmcosa电sin tsina机 KVmsin t sina电cosa机 cosa电sina机 KVmsin tsin a机 a电 3 11 由上式可知 若电气角a电已知 只要测量出V0的幅值KVmsin a机 a电 便可间接地求出a机 3 感应同步器 15 35 35 若a机 a电 则V0 0 V0等于零 说明电气角a电的大小就是角位移a机的值 3 感应同步器 15 35 36 假定激磁电压的a电与定尺 滑尺的实际位置a机不一致时 设a机 a电 a 则由式 3 11 得V0 KVmsin tsin a电 a a电 KVmsin tsin a在 a很小时 sin a a 故上式可近似表示为V0 KVmsin t a又 a 2 x P 由式3 7得到 所以V0 K2 PVmsin t x 3 12 3 感应同步器 15 35 37 上式表明 当位移 x很小时 V0幅值与 x的幅值成正比 这就是对位移增量进行高精度细分的依据 例如 当 x 0 01mm时 使V0达到某一门槛电平 并产生一个脉冲信号 用这个脉冲信号又去控制修改激磁电压线路 使其产生合适的Vs和Vc 从而使V0重新为零 该方法与旋转变压器幅值工作方式相同 在这里使用这种方法 把位移量转化为数字量 脉冲 以达到测量和控制的目的 3 感应同步器 15 35 38 精度高工作可靠 抗干扰性强维修简单 寿命长测量距离长工艺性好 成本低 便于成批生产 3 3感应同步器检测装置的优点 3 感应同步器 15 35 39 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 是数控机床上使用很广泛的位置检测装置 同时也用于速度检测 作为速度检测装置 脉冲编码器分光电式 接触式和电磁感应式三种 从精度和可靠性方面来看 光电式脉冲编码器优于其他两种 数控机床上主要使用光电式脉冲编码器 4 1脉冲编码器结构 4 光电脉冲编码器 1 电路板2 圆光栅3 指示光栅4 轴5 光敏元件6 光源7 连接法兰 图8光电脉冲编码器的结构 15 35 41 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 光电脉冲编码器的结构如图8所示 在一个圆盘的圆周上刻有相同间距线纹 分为透明和不透明的部分 称为圆光栅与工作轴一起旋转 与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片 称为指示光栅 上面制有相差1 4节距的两个狭缝 在同一圆周上 称为辩向狭缝 4 光电脉冲编码器 15 35 42 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 数控机床上常用的有 2000P r 2500P r和3000P r等 这种检测方式的特点是 检测方式是非接触式的 无摩擦和磨损 驱动力矩小 由于光电变换性能的提高 可得到较快的响应速度 其缺点是抗污染能力差 容易损坏 4 光电脉冲编码器 15 35 43 此外还有一个零位狭缝 一转发出一个脉冲 脉冲编码器通过十字连接头或键与伺服电机相连 它的法兰盘固定在电机端面上 罩上防护罩 构成一个完整的检测装置 4 光电脉冲编码器 15 35 44 4 2光电脉冲编码器的工作原理 4 光电脉冲编码器 15 35 45 当圆光栅旋转时 光线透过两个光栅的线纹部分 形成明暗相间的条纹 光电元件接受这些明暗相间的光电信号 并转换为交替变化的电信号 该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B 见图9 A和B信号相位相差90o 经放大和整形变为方波 通过两个光栅的信号 还有一个 一转脉冲 称为Z相脉冲 该脉冲也是通过上述处理得来的 Z脉冲用来产生机床的基准点 4 光电脉冲编码器 15 35 46 脉冲编码器输出信号有A A B B Z Z等信号 这些信号作为位移测量脉冲 以及经过频率 电压变换换作为速度反馈信号 进行速度调节 图9脉冲编码器输出波形 4 光电脉冲编码器 15 35 47 光电脉冲编码器在数控机床上 用在数字比较的伺服系统中 作为位置检测装置 将检测信号反馈给数控装置 光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有两种方式 一是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 二是适应有计数控制和计数要求的计数器 形成方向控制信号和计数脉冲 4 光电脉冲编码器 15 35 48 图10适应带加减计数要求的电路图 4 光电脉冲编码器 15 35 49 将A1脉冲和它的反向信号 A1脉冲进行微分 图中为上升沿微分 作为加 减计数脉冲 B1脉冲信号被用作加 减计数脉冲 正走时 A脉冲超前B脉冲 由y2门输出加计数脉冲 此时y1门输出为低电平 反走时 B脉冲超前A脉冲 由y1门输出减计数脉冲 此时y2门输出为低电平 脉冲编码器的输出脉冲信号A A B B经过差分驱动和差分接收进入CNC装置 再经过整形放大电路变为A1 B1 两路脉冲 4 光电脉冲编码器 图11脉冲编码器应用 15 35 51 5 绝对值编码器 5 1绝对值编码器的种类和工作原理 一 绝对值编码器的种类 绝对值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置 它能指示绝对位置 没有累计误差 电源切除后 位置信息不丢失 常用的编码器有编码盘和编码尺 通称为码盘 从编码器使用的计数制来分类 有二进制编码 二进制循环码 葛莱码 二 十进制码等编码器 15 35 52 从结构来分类 有接触式 光电式和电磁式等几种 最常用的是光电式二进制循环码编码器 若码盘顺时针转动 就可依次得到按规定编码的数字信号输出代表二进制的 1 或 0 等数字信号 如果电刷安装不准就会造成误差 5 绝对值码器 15 35 53 图12接触式码盘 图示码盘 每个码道上有一个电刷与之接触 最里面一层有一导电公用区 与各码道导电部分联在一起 而与绝缘部分分开 二 工作原理 5 绝对值码器 15 35 54 三 混合式绝对值编码器 这种编码器是把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上 在圆盘的最外圈是高密度的增量条纹 中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码 每1 4同心圆被葛莱码分割为16个等分段 圆盘最里面有发一转信号狭缝 5 绝对值码器 15 35 55 光栅用于光谱分析和光波波长的测定 是测量数控机床工作台位移的光电检测元件 光栅分为物理光栅和计量光栅 6 1光栅的结构 6 光栅 物理光栅 刻线细密 用于光谱分析和光波波长的测定 计量光栅 比较而言刻线较粗 但栅距也较小 在0 004 0 25mm之间 测量的位置精度非常高 分辨率也很高 达0 1 m 主要用在数字检测系统 15 35 56 光栅传感器为动态测量元件 按运动方式分为长光栅和圆光栅 长光栅用来测量直线位移 圆光栅用来测量角度位移 根据光线在光栅中的运动路径分为透射光栅和反射光栅 一般光栅传感器都是做成增量式的 也可以做成绝对值式的 目前光栅传感器应用在高精度数控机床的伺服系统中 其精度仅次于激光式测量 在加工中心等高精度数控机床上应用较广 6 2长光栅检测装置的结构 6 光栅 15 35 57 6 2长光栅检测装置的结构 光栅是由光源 聚光镜 主光栅 指示光栅和光敏元件等构成 主光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固定部件上 两者相对移动 相互平行 它们之间保持0 05mm或0 1mm的间隙 6 光栅 15 35 58 光栅是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成 标尺光栅一般固定再机床活动部件上 如工作台上 光栅读数头装在机床固定部件上 指示光栅装在光栅读数头中 当光栅读数头相对与标尺光栅移动时 指示光栅便在标尺光栅上相对移动 6 光栅 6 2长光栅检测装置的结构 15 35 59 光栅的线纹相互平行 线纹之间的距离称为栅距 对于圆光栅 这些线纹是圆心角相等的向心条纹 两条向心纹线之间的夹角称为栅距角 栅距和栅距角是光栅的重要参数 对于长光栅 金属反射光栅的线纹密度为25 50 mm 玻璃透射光栅为100 250 mm 对于圆光栅 一周内刻有10800条线纹 圆光栅直径为 270mm 360进制 6 光栅 15 35 60 光栅尺是指标尺光栅和指示光栅 它们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 光栅的线纹相互平行 线纹之间的距离 栅距 相等 一 光栅尺 6 光栅 15 35 61 对于圆光栅 这些线纹是等栅距角的向心条纹 栅距和栅距角是光栅的重要参数 对于长光栅 线纹密度一般为25 50 mm 金属反射光栅 100 250 mm 玻璃透射光栅 对于圆光栅 一周内10800条 直径为 270mm 360进制 线纹 6 光栅 15 35 62 光栅读数头又叫光电转换器 它把光栅莫尔条纹变成电信号 读数头都是由光源 透镜 指示光栅 光敏元件和驱动线路组成 图中的标尺光栅不属于光栅读数头 但它要穿过光栅读数头 且保证与指示光栅有准确的相互位置关系 光栅读数头还有分光读数头 反射读数头和镜像读数头等几种 二 光栅读数头 6 光栅 15 35 63 当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹成一小角度 放置两个光栅尺时 造成两光栅尺上线纹相互交叉 在光源的照射下 交叉点附近的小区域内黑线重叠 形成黑色条纹 其他部分为明亮条纹 这种明 暗相间的条纹称为 莫尔条纹 莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列 严格地说 是与两片光栅线纹交角地平分线相垂直 6 2工作原理 6 光栅 15 35 64 图14横向莫尔条纹 6 光栅 15 35 65 莫尔条纹特性 1 用平行光束照射光栅时 莫尔条纹由亮带到暗带 再由暗带到亮带 透过地光强度分布近似于余弦函数 2 起放大作用 6 光栅 用W表示莫尔条纹宽度 P表示栅距 表示光栅线纹间的夹角 则W P sin 由于 角很小 sin 则W P 若P 0 01mm 0 01弧度 则由上式可得W 1mm 即把光栅距转换成放大100倍的莫尔条纹宽度 15 35 66 3 起平均误差作用 莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成 例如100线 mm的光栅 10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成 这样栅距之间的相邻误差就被平均化了 消除了栅距不均匀造成的误差 6 光栅 15 35 67 当光栅移动一个栅距时 莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度W 若光栅移动方向相反 则莫尔条纹移动方向也相反 莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直 这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用