第3章_数控机床的伺服系统

1、第第3章章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 认识伺服系统的工作过程认识伺服系统的工作过程3.1伺服系统的组成及分类伺服系统的组成及分类3.2伺服电动机伺服电动机3.3位置检测装置位置检测装置 3.43.1 认识伺服系统的工作过程认识伺服系统的工作过程数控机床控制原理图数控机床控制原理图 1认识伺服系统认识伺服系统在数控机床控制在数控机床控制中的作用中的作用 3.1 认识伺服系统的工作过程认识伺服系统的工作过程数控车床光机正面数控车床光机正面 2认识伺服系统的机械结构认识伺服系统的机械结构3.1 认识伺服系统的工作过程认识伺服系统的工作过程数控车床光机背面数控车床光机背面 2认识伺服系统的

2、机械结构认识伺服系统的机械结构3.2 伺服系统的组成及分类伺服系统的组成及分类 3.2.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 伺服系统是由伺服系统是由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置装置等组成。等组成。 接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和功率放大，经伺服驱动装置和服驱动电路作一定的转换和功率放大，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动工作台、主轴头架等执行部件，实现机械传动机构，驱动工作台、主轴头架等执行部件，实现工作进给和快速运动。工作进给和快速运动。3.2 伺服系统的组成及分类

3、伺服系统的组成及分类 3.2.2 对伺服系统的要求对伺服系统的要求 精度高精度高 速度反应快速度反应快 调速范围大调速范围大 可靠性高可靠性高 低速时扭矩大低速时扭矩大3.2 伺服系统的组成及分类伺服系统的组成及分类 3.2.3 伺服系统的分类伺服系统的分类按反馈比较控制可分为：按反馈比较控制可分为：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）全数字伺服系统按使用的驱动装置分为按使用的驱动装置分为电液伺服系统电液伺服系统和和电气伺服系统电气伺服系统。按使用电机分为按使用电机分为直流伺服电机直流伺服

4、电机和和交流伺服电机交流伺服电机。3.2 伺服系统的组成及分类伺服系统的组成及分类按控制方式分按控制方式分1.1.开环控制数控机床开环控制数控机床3.2 伺服系统的组成及分类伺服系统的组成及分类2.2.闭环控制数控机床闭环控制数控机床3.2 伺服系统的组成及分类伺服系统的组成及分类3.3.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床3.3 伺服电动机伺服电动机v 步进电机是一种将电脉冲信号转换成步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的机电执行元件。机械角位移的机电执行元件。v 步进式伺服驱动系统是典型的步进式伺服驱动系统是典型的开环控开环控制系统制系统。由于没有反馈检测环节，精。由于没有反馈检测环

5、节，精度较差，速度也受到步进电机性能的度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但结构和控制简单、容易调整，限制。但结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。有一定的使用价值。3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统步进电动机的类型步进电动机的类型分分 类类 方方 式式 具具 体体 类类 型型按力矩产生的原理按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。生反应力矩实现步进运行。（2

6、）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2）功率式：输出力矩在）功率式：输出力矩在5-50 Nm以上，可以直接以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载驱动机床工作台等较大的负载按定子数按定子数（1）单定子式（）单定子

7、式（2）双定子式（）双定子式（3）三定子式（）三定子式（4）多定子式多定子式按各相绕组分布按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 1、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理 三相单三拍通电方式三相单三拍通电方式 : 若按若按ABC通电相序连通电相序连续通电，则步进电动机就连续续通电，则步进电动机就连续地沿逆时针方向转动，每换接地沿逆时针方向转动，每换接一次通电相序，步进

8、电动机沿一次通电相序，步进电动机沿逆时针方向转过逆时针方向转过30，即步距，即步距角为角为30。v 步进电动机的通电方式有：步进电动机的通电方式有：（1）单拍）单拍。在各相轮流通电的过程中，每拍只有一相通电。在各相轮流通电的过程中，每拍只有一相通电。 （2）双拍）双拍。采用双相轮流通电方式，。采用双相轮流通电方式， 即每拍都有两相通电，即每拍都有两相通电， 称为双拍。称为双拍。 如三相步进电动如三相步进电动机的通电顺序为机的通电顺序为ABBCCAAB， 则构成三相双三拍工作制。则构成三相双三拍工作制。（3）单双拍，即单双相轮流通电）单双拍，即单双相轮流通电。 如对三相步进电动机来说，如对三相步

9、进电动机来说， 单双拍工作时的通电顺序为单双拍工作时的通电顺序为AABBBCCCAA，一个循环为一个循环为6拍，称为三相六拍工作制。拍，称为三相六拍工作制。 3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统三相单三拍通电方式三相单三拍通电方式三相六拍通电方式三相六拍通电方式3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统2 2、步进电动机的主要特点、步进电动机的主要特点（1 1）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。 （2

10、2）体积小，重量轻，价格低。）体积小，重量轻，价格低。 （3 3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。 （4 4）惯性小，容易调试。）惯性小，容易调试。 主要缺点主要缺点： v 使用不当时，会引起使用不当时，会引起 “失步失步”或或“过冲过冲”； v 运转时有振动和噪音；运转时有振动和噪音； v 额定转速较低，最高频率一般不超过额定转速较低，最高频率一般不超过1 kHz。 3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统3 3、步进电动机的主要特性、步进电动机的主要特性（1 1）步距角）步距角步进电动机的步距角越小，位置精度越高。步进电动机的步距角

11、越小，位置精度越高。 对于定子相数为对于定子相数为m m，转子齿数为，转子齿数为Z Z的步进电动机，其步距角为的步进电动机，其步距角为（2 2）步距误差）步距误差理论步距角与转子每一步实际的步距角之间发热差值。理论步距角与转子每一步实际的步距角之间发热差值。mZK3603.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统3 3、步进电动机的主要特性、步进电动机的主要特性（3 3）静态转矩和矩角特性）静态转矩和矩角特性 为失调角为失调角 Mmax为最大静态转矩为最大静态转矩tMMMLMmax0初始平衡点静态稳定区定子转子t3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统3 3、步进电

12、动机的主要特性、步进电动机的主要特性（4 4）启动转矩）启动转矩v 相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距态的最大启动转距Mq。v 一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使邻两条曲线的交点上移，会使Mq增加。增加。（4 4）启动转矩）启动转矩v 相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距态的最大启动转距Mq。v 一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相一般地，电机相数的增加会使

13、矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使邻两条曲线的交点上移，会使Mq增加。增加。（5 5）空载启动频率）空载启动频率fqfqv 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率。正常运行所允许的最高频率。3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统3 3、步进电动机的主要特性、步进电动机的主要特性（6 6）运行矩频特性与动态转矩）运行矩频特性与动态转矩3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统4 4、步进电动机的控制、步进电动机的控制步进电动机驱动装置由步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器环形脉

14、冲分配器、功率放大驱动功率放大驱动电路电路两大部分组成，两大部分组成， 功率放大脉冲分配BCAABC步进电动机控制电路步进电动机控制电路 3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统4 4、步进电动机的控制、步进电动机的控制1）脉冲分配器）脉冲分配器v 将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入端，端， 用以控制各相绕组中电流的开通和关断。用以控制各相绕组中电流的开通和关断。三相三拍环形脉冲分配三相三拍环形脉冲分配 环形脉冲分配器165432

15、165342A相驱动B相驱动C相驱动硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器 &C1 1DC1 1DC1 1DQAQBQCCPXX&1三相六拍脉冲分配器三相六拍脉冲分配器 软件脉冲分配器软件脉冲分配器 89C51功率驱动电路步进电动机CBA光耦P1.2光耦光耦P1.1P1.0单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图 3.3.1 步进电动机及其控制系统步进电动机及其控制系统4 4、步进电动机的控制、步进电动机的控制2）步进电动机的驱动电路）步进电动机的驱动电路v 一般要求驱动电路应能够一般要求驱动电路应能够提供足够幅值、前后沿较提供足够幅值、前后沿较陡的励

16、磁电流，而且功耗陡的励磁电流，而且功耗小，效率高，小，效率高，运行稳定、运行稳定、可靠，易于维护。可靠，易于维护。脉冲放大器控制信号步进电动机EVTVDRC单电源串电阻驱动电路单电源串电阻驱动电路 3.3 伺服电动机伺服电动机 3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 v 根据磁场产生的方式，直流电机可分为根据磁场产生的方式，直流电机可分为电磁式电磁式和和永磁式永磁式。永磁式。永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。v 根据控制方式，直流伺服电机可分为根据控制方式，直流伺服电机可分为磁场控制方式磁场控制方

17、式和和电枢控制方电枢控制方式式。一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 1结构与工作原理结构与工作原理v 宽调速直流伺服电动机又称大惯宽调速直流伺服电动机又称大惯量直流伺服电动机，量直流伺服电动机， 它通过提高它通过提高输出力矩来提高力矩惯量比。输出力矩来提高力矩惯量比。ZYSC系列永磁式直流宽调速伺服测速机组系列永磁式直流宽调速伺服测速机组宽调速直流伺服电动机特点：宽调速直流伺服电动机特点：1）过载能力强，能承受）过载能力强，能承受10倍于额定电流的峰值冲击，倍于额定电流的峰值冲

18、击， 能产生额定力矩能产生额定力矩10倍的瞬时转矩。倍的瞬时转矩。 2）力矩惯量比大，快速性好。）力矩惯量比大，快速性好。 3）低速时输出力矩大。）低速时输出力矩大。 4）调速范围宽，与高性能伺服驱动单元组成速度控制系）调速范围宽，与高性能伺服驱动单元组成速度控制系统时，调速比超过统时，调速比超过1 10000。 5）转子热容量大，电动机的过载性能好，一般能过载运）转子热容量大，电动机的过载性能好，一般能过载运行几十分钟。行几十分钟。 3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制2. 直流伺服电动机速度控制方法

19、直流伺服电动机速度控制方法aa2eeMURnMCC C 直流电动机的机械特性公式直流电动机的机械特性公式 ： 在激磁电流在激磁电流I保持恒定的条件下，改变电枢电压调速，保持恒定的条件下，改变电枢电压调速，起动力矩大，机械特性好，具有恒转矩特性，是直流伺服驱起动力矩大，机械特性好，具有恒转矩特性，是直流伺服驱动系统普遍采用的调速方法。动系统普遍采用的调速方法。3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制3 3、直流伺服电动机的工作特性、直流伺服电动机的工作特性 1 1）转矩）转矩- -速度特性曲线速度特性曲线 连续工作区；间断工作区；瞬时工作区n / (rmin1)温度极限换

20、向极限最高转速瞬时换向极限最大转矩15001000500020004000600080001000012000M / (Ncm)3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制3 3、直流伺服电动机的工作特性、直流伺服电动机的工作特性 2 2）负载周期曲线）负载周期曲线v 在满足负载所需转矩，在满足负载所需转矩，而又确保电动机不过热而又确保电动机不过热的情况下，允许电动机的情况下，允许电动机的工作时间。的工作时间。 伺服驱动系统结构框图伺服驱动系统结构框图 CNC装置测速Un直流伺服驱动装置010 V编码器MTGTG3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控

21、制3.3 伺服电动机伺服电动机 3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制v 交流伺服电机分为交流伺服电机分为异步型异步型和和同步型同步型。 v 同步型同步型交流电机可分为交流电机可分为永磁式永磁式及及反应式反应式两大类。两大类。v 永磁式同步电机永磁式同步电机与电磁式相比，其优点是结构简单、运行可靠与电磁式相比，其优点是结构简单、运行可靠效率高。采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电效率高。采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电机在外形尺寸、重量及转子惯量方面都比直流电机大幅减小。机在外形尺寸、重量及转子惯量方面都比直流电机大幅减小。所以在数控机床所以在

22、数控机床进给驱动进给驱动系统中多数采用系统中多数采用永磁式同步电机永磁式同步电机。v 异步型交流伺服电机异步型交流伺服电机与直流电机相比，重量轻，价格便宜；缺与直流电机相比，重量轻，价格便宜；缺点是其转速受负载的变化影响较大，同时不能经济地实现范围点是其转速受负载的变化影响较大，同时不能经济地实现范围较广的平滑调速。所以一般用在较广的平滑调速。所以一般用在进给运动进给运动中。中。3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制1交流伺服电动机的结构与工作原理交流伺服电动机的结构与工作原理（1）结构）结构 永磁式交流伺服电动机横剖面永磁式交流伺服电动机横剖面 永磁式交流伺服电动机

23、纵剖面永磁式交流伺服电动机纵剖面 1定子；定子；2永久磁铁；永久磁铁； 1定子；定子；2转子；转子；3定子绕组；定子绕组；4压板；压板； 3轴向通风孔；轴向通风孔；4转轴转轴 5检测元件；检测元件；6接线盒接线盒 3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制同步电机同步电机3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制1交流伺服电动机的结构与工作原理交流伺服电动机的结构与工作原理（2）工作原理）工作原理v 当定子三相绕组通以交流电后，产生一当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，以同步转速旋转磁场，以同步转速ns旋转。根据磁旋转。根据磁极的同性相斥、异

24、性相吸的原理，定子极的同性相斥、异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转，转子也将以同步并带动转子一起旋转，转子也将以同步转速转速ns旋转。旋转。v 当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个的轴线将与定子磁极的轴线相差一个角，若负载越大，角，若负载越大，也随之增大。也随之增大。 3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制2交流伺服电动机的调速原理交流伺服电动机的调速原理060(1)(1)fnSnSp交流电机同步转速交流电机同步转速 n = 60

25、f/p异步电动机的转速为异步电动机的转速为改变电动机转速可采用以下几种方法改变电动机转速可采用以下几种方法: 改变磁极对数改变磁极对数p。 改变转差率调速改变转差率调速S。 变频调速变频调速f。 3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制3、交流伺服电动机的性能、交流伺服电动机的性能永磁式交流伺服电动机的工作曲线永磁式交流伺服电动机的工作曲线 转矩转矩-速度工作曲线。速度工作曲线。 高可靠性。高可靠性。 散热容易，便于安装热保护。散热容易，便于安装热保护。 转子惯量小，其结构允许高速工作。转子惯量小，其结构允许高速工作。 体积小，质量小。体积小，质量小。3.3.3 交流伺

26、服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制v 变频调速的主要环节是为电变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频机提供频率可变电源的变频器。变频器可分为：器。变频器可分为：1）交）交-交变频交变频v 利用可控硅整流器直接将工利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉频交流电变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变交流电的基波就是所需的变频电压。频电压。3.3.3 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制2）交）交-直直-交变频方式交变频方式v 先将交流电整流成直流电，

27、然先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。就是所需的变频电压。v 所得交流电的波动小，调频范所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。围比较宽，调节线性度好。v 数控机床上常采用交数控机床上常采用交-直直-交变交变频调速。频调速。 3.4 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置 为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。一般要求检测元件的分辨率在系统的精度。一般要求检测元件的分辨率在0.00010.00

28、010.1mm0.1mm之之间，测量精度为间，测量精度为（0.0010.0010.020.02）mmmmm m。 系统分辨率的提高，对机床加工精度有一定的影响，但不系统分辨率的提高，对机床加工精度有一定的影响，但不宜过小，宜过小，分辨率的选取和脉冲当量的选择方法一样，按机床加分辨率的选取和脉冲当量的选择方法一样，按机床加工精度的工精度的1/101/3选取。选取。 3.4.1 概述概述1 1）高可靠性和高抗干扰性。）高可靠性和高抗干扰性。2 2）使用维护方便，适合机床运行环境。）使用维护方便，适合机床运行环境。3 3）能够满足精度和速度的要求。）能够满足精度和速度的要求。4 4）易于实现高速的动

29、态测量、处理和自动化。）易于实现高速的动态测量、处理和自动化。5）成本低、寿命长。成本低、寿命长。 3.4.1 概述概述1、对位置检测装置的要求、对位置检测装置的要求 1 1）数字式测量和模拟式测量）数字式测量和模拟式测量 数字式测量数字式测量是以量化后的数字形式表示被测的量。是以量化后的数字形式表示被测的量。 特点：测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示特点：测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示处理。处理。 模拟式测量模拟式测量是将被测的量用连续的变量（如电压变化、是将被测的量用连续的变量（如电压变化、相位变化）表示。主要用于小量程的测量。相位变化）表示。主要用于小量程的测量。 3

30、.4.1 概述概述2、位置检测装置的分类、位置检测装置的分类 2 2）增量式测量和绝对式测量）增量式测量和绝对式测量 增量式测量增量式测量只测量位移增量，每移动一个测量单位就发出只测量位移增量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。一个测量信号。 优点：检测装置简单，任何一个对中点都可以作为测量起优点：检测装置简单，任何一个对中点都可以作为测量起点，在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。点，在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。 绝对式测量绝对式测量对于被测量的任意一点位置均由固定的零点作对于被测量的任意一点位置均由固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。基准，每一被测点都有

31、一个相应的测量值。 2、位置检测装置的分类、位置检测装置的分类3.4.1 概述概述 3 3）直接测量和间接测量）直接测量和间接测量 直接测量直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上。测量直线是将检测装置直接安装在执行部件上。测量直线位移量常用光栅、感应同步器等检测装置。位移量常用光栅、感应同步器等检测装置。 优点：直接反映工作台的直线位移量，测量精度高；缺点优点：直接反映工作台的直线位移量，测量精度高；缺点是检测装置要和行程等长。是检测装置要和行程等长。 间接测量间接测量是通过测量与工作台直线运动相关联的回转运动，是通过测量与工作台直线运动相关联的回转运动，间接地测量工作台的直线位移，常用旋转

32、变压器等。间接地测量工作台的直线位移，常用旋转变压器等。 使用可靠方便，无长度限制；缺点是测量信号加入了传动使用可靠方便，无长度限制；缺点是测量信号加入了传动链误差，影响测量精度。链误差，影响测量精度。3.4.1 概述概述2、位置检测装置的分类、位置检测装置的分类根据伺服系统位置检测的特点，把传感器分为回转型和直根据伺服系统位置检测的特点，把传感器分为回转型和直线型，回转型用于检测角位线型，回转型用于检测角位移，直线型用于检测直线位移。移，直线型用于检测直线位移。 表表3-1 数控机床中常用的位置检测元器件数控机床中常用的位置检测元器件 3.4.1 概述概述3.4 位置检测装置位置检测装置1、

33、结构结构v 由定子和转子组成，是由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流一种旋转式的小型交流电动机。旋转变压器分电动机。旋转变压器分为有刷和无刷两种。为有刷和无刷两种。 无刷旋转变压器结构无刷旋转变压器结构1分解器定子线圈；分解器定子线圈；2分解器转子线圈；分解器转子线圈；3转子轴；转子轴；4分解器转子；分解器转子；5分解器定子；分解器定子；6变压器定子；变压器定子；7变压器转子；变压器转子；8变压器一次绕组；变压器一次绕组；9变压器二次绕组变压器二次绕组3.4.2 旋转变压器旋转变压器 3.4.2 旋转变压器旋转变压器 2、工作原理工作原理两级型旋转变压器的工作原理两级型旋转变压器的工作原理

34、 v 当转子绕组的磁轴与当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置定子绕组的磁轴位置转动到一角度转动到一角度时，时，转子绕组中产生的感转子绕组中产生的感应电动势为应电动势为u2=ku1sin=kUmsint sin1 1）相位工作方式）相位工作方式 给定子的两个绕组通以相同幅给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差值、相同频率，但相位差/2/2的交的交流激磁电压。流激磁电压。在转子正转时，工作在转子正转时，工作绕组中的感应电动势为绕组中的感应电动势为 u2=kUmcos(t-) 通过测量转子绕通过测量转子绕组输出电压的相位组输出电压的相位角角，就可测得转子，就可测得转子相对于定子的空间相对于

35、定子的空间转角位置。转角位置。3.4.2 旋转变压器旋转变压器45 U1sU1cRU2转子定子正、余弦旋转变压器正、余弦旋转变压器2 2）幅值工作方式）幅值工作方式 在定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同，但幅值分在定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同，但幅值分别为别为Usm和和Ucm的交流激磁电压。当转子正转时，的交流激磁电压。当转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子的感应电压经叠加，转子的感应电压U2为为 u2=kUmcos（-）sint 转子感应电压的幅值随转子的偏转角转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅而变化，测量出幅值即可求得偏转角值即可求得偏转角，被测轴的角位移也就可求

36、得了。，被测轴的角位移也就可求得了。3.4.2 旋转变压器旋转变压器 感应同步器是感应同步器是一种电磁式的位置检测传感器，用于直线位一种电磁式的位置检测传感器，用于直线位移的测量，主要部件包括定尺和滑尺。移的测量，主要部件包括定尺和滑尺。3.4 位置检测装置位置检测装置3.4.3 感应同步器感应同步器 特点特点：测量长度：测量长度不受限制，工作可靠、不受限制，工作可靠、抗干扰性强，维护简抗干扰性强，维护简单、寿命长。单、寿命长。感应同步器结构示意图感应同步器结构示意图1、结构、结构3.4.3 感应同步器感应同步器 定尺和滑尺分别安定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部装在机床床身和移动部件上，两

37、者平行放置，件上，两者平行放置，保持保持0.20.3mm的间的间隙。滑尺上有两组励磁隙。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组，一组为正弦励磁绕组绕组us，一组为余弦励，一组为余弦励磁绕组磁绕组uc，在空间位置，在空间位置上相差上相差1/4节距，即节距，即/2相位角。相位角。 1)1)相位工作方式相位工作方式 给滑尺的正弦绕组和余给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以弦绕组分别通以频率相同、频率相同、幅值相同，但相位差幅值相同，但相位差9090的励磁电的励磁电压，当滑尺移动压，当滑尺移动X X距离时，定尺绕组中的感距离时，定尺绕组中的感应电压为应电压为ud=kUmsin(t-)=kUmsin(t

38、-2x/) 通过鉴别定尺电压的相位，可测得滑尺与定尺间的相对位移。通过鉴别定尺电压的相位，可测得滑尺与定尺间的相对位移。2、工作原理、工作原理3.4.3 感应同步器感应同步器2 2）幅值工作方式）幅值工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同、频率相位相同、频率相同，但幅值不同相同，但幅值不同的励磁电的励磁电压，当压，当很小时，定尺上的感很小时，定尺上的感应电压可近似表示为应电压可近似表示为 3.4.3 感应同步器感应同步器ud=kUmsint= kUmsint(2/)X =2X/ 由此可以看出，当位移增量由此可以看出，当位移增量X很小时，感应电压的幅

39、值很小时，感应电压的幅值和和X成正比，因此可以通过测量成正比，因此可以通过测量ud的幅值来测定位移量的幅值来测定位移量X的的大小。大小。 3.4.4 光栅光栅 光栅外观光栅外观 光栅是一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于测光栅是一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于测量工作台的量工作台的位移，属直接测量，并组成位置闭环伺服系统。位移，属直接测量，并组成位置闭环伺服系统。 3.4 位置检测装置位置检测装置1、光栅的结构、光栅的结构 按光线在光栅中是反射还是透射分为反射光栅和透射按光线在光栅中是反射还是透射分为反射光栅和透射光栅；按形状分为测量角位移的光栅；按形状分为测量角位移的圆光

40、栅和圆光栅和测量直线位移测量直线位移长光长光栅栅；检测精度可达；检测精度可达1m 以上。以上。光栅种类光栅种类(a)透射光栅透射光栅；(b)反射光栅反射光栅 2 2、光栅的工作原理、光栅的工作原理安装组件时，指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成安装组件时，指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一个很小的角度一个很小的角度，两光栅尺上的线纹相互交叉。，两光栅尺上的线纹相互交叉。 在光源的照射下，明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹在光源的照射下，明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹称为称为莫尔条纹莫尔条纹。光栅的工作原理光栅的工作原理 3.4.4 光栅光栅 莫尔条纹具有以下特点：莫尔条纹具有以下特点：（1

41、）放大作用放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角。当两光栅尺线纹之间的夹角很小时，很小时，莫尔条纹的节距莫尔条纹的节距W和栅距和栅距P之间的关系为之间的关系为 PPWsin莫尔条纹的节距是光栅栅距的莫尔条纹的节距是光栅栅距的1/倍。因为倍。因为很小，所以很小，所以WP。若设。若设P=0.01mm，=0.01rad，可得可得W=1mm，从而把从而把光栅的栅距转换成放大光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。倍的莫尔条纹的宽度。 3.4.4 光栅光栅 （2 2）平均效应平均效应 莫尔条纹对个别线纹的间距误差就不敏感，这在很大程度上莫尔条纹对个别线纹的间距误差就不敏感，这在很大程度上消除了栅距刻制

42、不均匀造成的误差。消除了栅距刻制不均匀造成的误差。 （3）信息变换作用信息变换作用 莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。（4）光强分布规律光强分布规律 当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗相间的莫尔条当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗相间的莫尔条纹。由亮纹到暗纹，再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。纹。由亮纹到暗纹，再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。 3.4.4 光栅光栅 1 1）测量移动位置）测量移动位置2 2）确定移动方向）确定移动方向3 3）确定移动速度）确定移动速度3.光栅检测装置的应用光栅检测装置的应用P1P2P3P4硅光电池差动放

43、大器整形器差动放大器整形器方向判别门电路可逆计数器控制回路正向脉冲反向脉冲标尺光栅指示光栅聚光镜光源磁栅是一种利用电磁特性和录磁栅是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行检测的装置。磁原理对位移进行检测的装置。 按其结构特点可分为按其结构特点可分为直线式直线式和和角位移式角位移式。 具有精度高、复制简单以及安具有精度高、复制简单以及安装调整方便等优点，而且在油污、装调整方便等优点，而且在油污、灰尘较多的工作环境使用时，仍具灰尘较多的工作环境使用时，仍具有较高的稳定性。有较高的稳定性。3.4 位置检测装置位置检测装置3.4.5 磁栅磁栅 1 1、磁性标尺、磁性标尺 磁性标尺由磁性标尺基磁性标尺由磁

44、性标尺基体和磁性膜构成，磁性膜上体和磁性膜构成，磁性膜上有用录磁方法录制的波长为有用录磁方法录制的波长为的磁波的磁波。 3.4.5 磁栅磁栅磁栅测量装置磁栅测量装置 2 2、拾磁磁头、拾磁磁头 分为分为动态磁头动态磁头和和静态磁头静态磁头。由于位置检测要求当磁尺与磁头。由于位置检测要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时也能测量位移或位置，所以应相对运动速度很低或处于静止时也能测量位移或位置，所以应采用静态磁头，又称为采用静态磁头，又称为磁通响应型磁头磁通响应型磁头。 3 3、磁栅工作原理、磁栅工作原理当磁头靠近磁尺时，当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁通在磁尺上的磁通在磁头气隙磁头气隙处进入铁

45、芯，并流过拾磁处进入铁芯，并流过拾磁绕组的磁芯而产生感应电绕组的磁芯而产生感应电压输出：压输出： m2sinsineEt磁通响应型单拾磁磁头结构磁通响应型单拾磁磁头结构(a)磁场分布；磁场分布；(b)磁头结构磁头结构 e e是由磁头在磁性标尺是由磁头在磁性标尺上的位置所决定。上的位置所决定。 3.4.5 磁栅磁栅双磁头双磁头是为了识别是为了识别磁栅的移动方向而设置磁栅的移动方向而设置的。两磁头按的。两磁头按(m(m1 14)4)配置（配置（m为正整为正整数），输出电压求和数），输出电压求和 02sin()UUt双磁头结构双磁头结构 输出电压随磁头相对于磁栅的位移量输出电压随磁头相对于磁栅的位移量X X的变化而变化，根据的变化而变化，根据输出电压相位变化输出电压相位变化可测出磁栅位移量。可测出磁栅位移量。3.4.5 磁栅磁栅多间隙磁头多间隙磁头 由于单磁头读由于单磁头读取磁性标尺上的磁取磁性标尺上的磁化信号输出电压很化信号输出电压很小，而且对磁尺上小，而且对磁尺上磁化信号的节距磁化信号的节距和和波形要求高，因