第六章数控机床的伺服系统

1、第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求 伺服系统的分类及主要特点伺服系统的分类及主要特点 常用伺服驱动装置的特点常用伺服驱动装置的特点 几种典型位置检测装置工作原理几种典型位置检测装置工作原理 闭环和半闭环进给伺服系统闭环和半闭环进给伺服系统 CNC装置装置: 数控系统的数控系统的“大脑大脑”， 发布发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”进给伺服系统进给伺服系统: 数控系统的数控系统的“四肢四肢”， 一种一种 “执行机构执行机构” 。忠实地执行由忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，装置发来的运动命令，驱动刀具或工作台的完成进

2、给运动驱动刀具或工作台的完成进给运动, 最终实现精确的速度与位移量。最终实现精确的速度与位移量。第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统6. 1概述概述一、一、(进给进给)伺服系统的定义伺服系统的定义 Feed Servo System 以机床移动部件（如工作台、主轴或刀架）的位置和速以机床移动部件（如工作台、主轴或刀架）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统或位置随动系度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统或位置随动系统。统。二、伺服系统的作用二、伺服系统的作用接收数控装置发出的进给脉冲或进给位移量信息接收数控装置发出

3、的进给脉冲或进给位移量信息经信号转换和电压、功率放大经信号转换和电压、功率放大变为伺服电机的转动变为伺服电机的转动(或移动或移动 )由伺服电机带动机械传动机构由伺服电机带动机械传动机构6. 1概述概述实现机床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。实现机床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动UmrichterSIMODRIVE 611 digital mit CNCSINUMERIK 840DE/R- ModulNCULeistungsteilBedientafelfront mit PCU 20/50/70Drehstr

4、om-ServomotorenPeripherieSIMATIC S7-300Drehstrom-Hauptspindelmotor6. 1概述概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求三、数控机床对数控进给伺服系统的要求（1）输出位置精度要高）输出位置精度要高 静态：要求定位精度静态：要求定位精度高高 / 重复定位精度高，重复定位精度高， 动态：要求跟随精度高，即跟随误差要小动态：要求跟随精度高，即跟随误差要小 另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。保证尺寸精度保证尺寸精度以保证轮廓精度以保证轮廓精度(动态性能指标动态性能指标) 即即 定位误差要小定位误差

5、要小 / 重复定位误差要小。重复定位误差要小。6. 1概述概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求三、数控机床对数控进给伺服系统的要求（2）响应速度快且无超调：）响应速度快且无超调： 对伺服系统动态性能的要求对伺服系统动态性能的要求 反映了系统对插补指令的跟踪精度；为了保证轮廓切削形状反映了系统对插补指令的跟踪精度；为了保证轮廓切削形状精度和低表面粗糙度，要求响应速度快。精度和低表面粗糙度，要求响应速度快。 通常要求从通常要求从 0Fmax（Fmax0 ) , 其时间应小其时间应小200ms，且不能有超调或超调很小，否则对且不能有超调或超调很小，否则对机械部件不利，有害于加工质量机械部件不利，

6、有害于加工质量。 t F tp即在无超调或超调很小的前提下，执行部件的运动速度即在无超调或超调很小的前提下，执行部件的运动速度的建立时间的建立时间 tp 应尽可能短。应尽可能短。6. 1概述概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求三、数控机床对数控进给伺服系统的要求(3) 良好的稳定性良好的稳定性在系统负载范围内，负载特性要硬在系统负载范围内，负载特性要硬 当负载变化时，输出速度应基本不变。当负载变化时，输出速度应基本不变。即即F尽可能小；尽可能小； 当负载突变时，要求速度的恢复时间短当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即且无振荡。即t尽可能短；尽可能短； 这要求伺服系统有良好的静态与

7、动态刚度。这要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 t F t F 伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的调节过伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的调节过程后，恢复到原有的平衡状态或达到新的平衡状态，即有程后，恢复到原有的平衡状态或达到新的平衡状态，即有较强的抗干扰能力。较强的抗干扰能力。 稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。加工的精度和表面粗糙度。6. 1概述概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求三、数控机床对数控进给伺服系统的要求（4）调速范围要宽）调速范围要宽调速范围：调速范围：minmaxFF

8、RN一般要求：一般要求：minmin.minmm1Fmm1010000RN且6. 1概述概述 (5) 低速大扭矩：低速大扭矩： 数控加工的特点是在低速时切削深度和进给量较大。数控加工的特点是在低速时切削深度和进给量较大。(6) 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：综上所述：q对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；q对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。三、数控机床对数控进给伺服系统的要求三、数控机床对数控进给伺服系统的要求6. 1概述概述四、数控机床

9、伺服系统的分类四、数控机床伺服系统的分类按用途和按用途和功能分为：功能分为：进给驱动系统：进给驱动系统：主轴驱动系统；主轴驱动系统；按控制原理按控制原理和有无检测和有无检测反馈环节分：反馈环节分：开环伺服系统开环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统按驱动执行元件按驱动执行元件的动作原理分：的动作原理分：电液伺服系统电液伺服系统电气伺服系统电气伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统控制机床工作台或刀架的进给运动控制机床工作台或刀架的进给运动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。供驱动功率和所需的

10、切削力。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机一、开环进给伺服系统一、开环进给伺服系统开环系统是最简单的进给伺服系统，开环系统是最简单的进给伺服系统，系统的伺服驱动装置主要是系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等液脉冲马达等。 步进电机Z1Z2tf，步进电机步进电机Z1Z2 tf， 1、无位置检测装置。、无位置检测装置。2、系统的位移精度主要决定于、系统的位移精度主要决定于1 1）. .步进电机的角位移精度、步进电机的角位移精度、2 2）. .齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度3 3）. .系统

11、的摩擦阻尼特性。系统的摩擦阻尼特性。 6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机 开环进给伺服系统特点：开环进给伺服系统特点：3、系统的位移精度较低，其定位精度一般可达系统的位移精度较低，其定位精度一般可达0.02mm。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到提高到0.01mm。 此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为也受到限制，在脉冲当量为0.01mm时，一般不超过时，一般不超过5m/min。步进电机步进电机Z1Z2 tf

12、， 4、系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可、系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。靠，成本低廉。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机 开环进给伺服系统特点：开环进给伺服系统特点：ABCAB逆时针旋转30逆时针旋转30B相通电逆时针旋转30A相通电C相通电ABCABC1234C1234ABCABC1234二、步进电机及其工作原理二、步进电机及其工作原理6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕反

13、应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。合工作。定子定子转子转子定子绕组定子绕组二、步进电机及其工作原理二、步进电机及其工作原理（一）步进电机工作原理（一）步进电机工作原理6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机两个相对的磁极组两个相对的磁极组成成一相一相：共有三相定子绕组共有三相定子绕组为简化分析，假设为简化分析，假设转子只有四个齿。转子只有四个齿。AB定子定子转子转子IAIBIC定子绕组定子绕组6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机步进电机的工作方式步

14、进电机的工作方式(通电顺序通电顺序)可分为：可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1 1）三相单三拍：）三相单三拍： 通电顺序为：通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 AB定子定子转子转子IAIBIC定子绕组定子绕组6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机BACCBA3412A A 相通电，形成相通电，形成定子磁极定子磁极( (AA方向磁场方向磁场),),产生产生反应力矩，使转反应力矩，使转子子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐对齐B ACCBA3412B

15、BACCAB相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相轴相轴线对齐线对齐CC相通电，相通电，转子转子1、3齿和齿和C相轴相轴线对齐线对齐3412ABC1324ABC1324A6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机1 1）三相单三拍工作方式：）三相单三拍工作方式：6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转）每次定子绕组只有一相通电

16、，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步；只有一相绕组产生力矩吸引转子，在矩，容易产生失步；只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡平衡位置易产生振荡 。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机ABCABB相通电CA相通电ABCABC1234C相通电ABCABCABCABBC相通电CABCABCA相通电CABCABAB相通电C123412341234123412342)三相六拍工作方式三相六拍工作方式通电顺序为：通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。六拍。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机通电顺序通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）（逆时针）AAC

17、CBCBCAA（顺时针）（顺时针）每步转过每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。 2)三相六拍工作方式三相六拍工作方式6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机3) )双三拍工作方式双三拍工作方式定子绕组通电顺序为定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。特点：

18、始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点三拍通电方式的缺点6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机 实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小 为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如（如三相

19、三拍）或三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。（如三相六拍）达到新的平衡位置。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机 转子转子40个齿，若通电为三个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与相三拍，当转子齿与A相定子相定子齿对齐时，转子齿与齿对齐时，转子齿与B相定子相定子齿相差（齿相差（3），与），与C相定子相定子齿相差（齿相差（6）。）。AACBSNSNCB绕组定子铁心转子铁心A相磁通A相各相定子936顺时针方向转子齿展开B相C相AACBSNSNCB绕组定子铁心转子铁心A相磁通A相各相定子936顺时针方向转子齿展开B相C相每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。每给一个

20、脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。 步距角步距角mzk360 m定子相数；定子相数；z转子齿数；转子齿数；k通电方式系数，通电方式系数， m相相m拍拍，k k1；m相相2 2m拍，拍，k2。 一般很小，如：一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等等6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机1 1根据相数分类根据相数分类有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用通电方式采用m m相相m m拍、双拍、双m m拍、拍、m m相相2 2m m拍，拍， m m相相m m拍和拍和m m相相2 2m m拍通电方式中，

21、可采用一拍通电方式中，可采用一/ /二相、二二相、二三相转换通电，三相转换通电， 如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB （二）（二）步进电机的分类步进电机的分类 6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机 根据定子与转子间磁场建立方式，可分两类：根据定子与转子间磁场建立方式，可分两类： 反应式、反应式、 永磁反应式（混合式）。永磁反应式（混合式）。 反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有

22、励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行应力矩实现步进运行 永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。2根据产生力矩的原理分类根据产生力矩的原理分类 6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机可将步进电机分两类：伺服步进电机可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机功率步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十数百伺服步进电机

23、（快速步进电机），输出力矩在几十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。台。功率步进电机输出力矩在功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接驱动工以上，能直接驱动工作台。作台。 3根据输出力矩的大小分类根据输出力矩的大小分类 6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机ABC外壳C段绕组转轴空气隙C段定子C段转子ABC主磁通通路转子齿距铁心绕组定子磁极转子4根据结构分类根据结构分类 步进电机可制成步进电机可制成轴向分相式（多段式）轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式）径向分相式（单段式） 6. 2 开环伺服系统及步进

24、电机开环伺服系统及步进电机（三）步进电机的驱动控制线路（三）步进电机的驱动控制线路 根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功能是，将具有一定频率能是，将具有一定频率f、一定数量和一定方向的进给脉冲转换成、一定数量和一定方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令脉冲的频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令脉冲的 频率、数量和频率、数量和方向对应。方向对应。一个较完善的步进电机的驱动控制线路组成：一个较完

25、善的步进电机的驱动控制线路组成：负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器功率放大器进给脉冲加减至步进电机绕组6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进进给给脉脉冲冲加减至步进电机绕组负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组 1、脉冲混合电路、脉冲混合电路 无论是来自于数控系统

26、的插补信号，还是各种类型的误差补偿无论是来自于数控系统的插补信号，还是各种类型的误差补偿信号、手动进给信号及手动回原点信号等，它们的目的无非是使信号、手动进给信号及手动回原点信号等，它们的目的无非是使工作台作正向进给或负向进给。工作台作正向进给或负向进给。 通过通过脉冲混合电路脉冲混合电路可将上述信号混合为使工作台正向进给的可将上述信号混合为使工作台正向进给的“正向进给正向进给”信号或使工作台负向进结的信号或使工作台负向进结的“负向进给负向进给”信号。信号。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路

27、加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组 当机床在正向进给脉冲的控制下正在沿正方向进给时，由于各种当机床在正向进给脉冲的控制下正在沿正方向进给时，由于各种补偿脉冲的存在，可能还会出现极个别的负向进给脉冲；补偿脉冲的存在，可能还会出现极个别的负向进给脉冲；2、加减脉冲分配电路、加减脉冲分配电路在实际的机床进给控制中，与正方向进给相反的个别负向脉冲指令在实际的机床进给控制中，与正方向进给相反的个别负向脉冲指令的出现，意味着步进电机正在沿着正方向旋转时，再向相反的负方的出现，意味着步进电机正在沿着正方向旋转时，再向相反的负方向旋转极个别几个步距角。向旋转

28、极个别几个步距角。6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组 要做到这一点，必须首先使步进电机从正向旋转方向静止下来，要做到这一点，必须首先使步进电机从正向旋转方向静止下来，然后才能向负方向旋转；待旋转极个别几个步距角后，再恢复至正然后才能向负方向旋转；待旋转极个别几个步距角后，再恢复至正方向继续旋转进给。这从机械加工工艺性方面来看是不允许的即方向继续旋转进给。这从机械加工工艺性方面来看是不允许的即使是允许，控制线

29、路也相当复杂。使是允许，控制线路也相当复杂。 一般采用的方法是，通过一般采用的方法是，通过加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路从正向进给脉冲指令从正向进给脉冲指令中抵消相同数量的负向补偿脉冲，如图所示。中抵消相同数量的负向补偿脉冲，如图所示。负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组 一般采用的方法也是，通过一般采用的方法也是，通过加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路从负向进给脉冲指从负向进给脉冲指令中抵消相同数量的正向补偿脉冲，如图所示。令中抵消相同数量的正向补偿脉冲，如图

30、所示。同样，当机床在负向进给脉冲的控制下正在沿负方向进给时，由同样，当机床在负向进给脉冲的控制下正在沿负方向进给时，由于各种补偿脉冲的存在，还可能会出现极个别的正向进给脉冲。于各种补偿脉冲的存在，还可能会出现极个别的正向进给脉冲。负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组3加减速电路加减速电路(自动升降速电路自动升降速电路) 根据步进电机加减速特性，进入步进电根据步进电机加减速特性，进入步进电机定子绕组的电平信号的频率变化要平机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑而且应

31、有一定的时间常数。但由加减滑而且应有一定的时间常数。但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的。有跃变的。 为了保证步进电机能够正常、可靠地工为了保证步进电机能够正常、可靠地工作，上述跃变频率必须首先进行缓冲，作，上述跃变频率必须首先进行缓冲，使之变成符合步进电机加减速特性的脉使之变成符合步进电机加减速特性的脉冲频率，然后再送入步进电机的定子绕冲频率，然后再送入步进电机的定子绕组。组。加减速电路加减速电路就是为此而设置的。就是为此而设置的。t0 t1 t2 t t0 t1 t2 t3 tf bfa 经过该电路后，输出脉冲的个数与输入的经过该电路后，

32、输出脉冲的个数与输入的进给脉冲的个数相等，以保证电机不会丢步。进给脉冲的个数相等，以保证电机不会丢步。负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组4环形分配器环形分配器 作用：把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制作用：把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。五相十拍

33、通电顺序：五相十拍通电顺序： AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB 要求五相电机正转要求五相电机正转环形分配器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现环形分配器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机五相十拍环形分配器逻辑原理000111其中：其中：步进电机步进电机A、B、C三相绕三相绕组的信号从触发器的组的信号从触发器的A(Q)端接出；触发器的端接出；触发器的0状态状态对对A、B、C三相绕组而言三相绕组而言是激磁状态。是激磁状态。步进电机步进电机D、E两相绕组的两相绕组的信号从触发器的信号从触发器

34、的A(Q)端接端接出；触发器的出；触发器的0状态对状态对D、E两相绕组而言是非激磁两相绕组而言是非激磁状态。状态。010010五个五个JK触发器引出五触发器引出五个输出端，分别控制电机个输出端，分别控制电机A、B、C、D、E五相绕五相绕组的通、断电。组的通、断电。负向进给 脉冲正向进给 脉冲脉冲脉冲混合混合电路电路加减加减脉冲脉冲分配分配电路电路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器进给脉冲加减至步进电机绕组从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培电流。因此，需要对从环形分配电机的定子

35、绕组需要几安培电流。因此，需要对从环形分配器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够，前后沿较好的器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够，前后沿较好的励磁电流。励磁电流。5.功率放大器功率放大器6. 2 开环伺服系统及步进电机开环伺服系统及步进电机6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置 检测元件（传感器）检测元件（传感器） 信号处理装置信号处理装置( (测量线路测量线路) ) 实时测量机床执行部件的位移和速度信号，并变换实时测量机床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，从而将运动部件成位置控制单元所要求的信号形式，从而将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环

36、控制，提现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制，提高路径控制精度。高路径控制精度。在设计数控机床伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统在设计数控机床伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择检测装置。时，必须精心选择检测装置。 检测装置检测装置组成：组成： 检测装置作用：检测装置作用：一、概述一、概述6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置分辨率：分辨率： 位移检测装置能够正确检测的最小位移量。位移检测装置能够正确检测的最小位移量。 例：例： 1m, 2位移检测装置的精度指标：位移检测装置的精度指标：测量精度：测量精度： 在一定的测量长度或测量转角范围内，测量在一定的测量长度或测量

37、转角范围内，测量的累积误差最大值。的累积误差最大值。例：例： 0.0020.02m, 10360不同数控机床对检测装置精度、速度要求：不同数控机床对检测装置精度、速度要求： 大型机床：速度为主；大型机床：速度为主； 中小型机床、高精度机床：精度为主。中小型机床、高精度机床：精度为主。一、概述一、概述数控机床对位置测量装置的要求数控机床对位置测量装置的要求:1.工作可靠性，抗干扰能力强：工作可靠性，抗干扰能力强：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；抗干扰能力强；2.能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求:位置检测装置分辨

38、率应高于数控机床的分辨率（一个数量级位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。3. .使用维护方便，适应机床工作环境；使用维护方便，适应机床工作环境；4.成本低。成本低。6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置一、概述一、概述6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置半闭环控制的数控机床使用的位置测量装置：半闭环控制的数控机床使用的位置测量装置：旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，通过测量电机旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，通过测量电机或丝杠的角位移间

39、接测量工作台的直线位移。或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床使用的位置测量装置：闭环控制系统的数控机床使用的位置测量装置：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。量工作台的直线位移。一、概述一、概述光栅光栅光栅尺身尺身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆光栅光栅编码器编码器安装方式安装方式1 1、和伺服电机、和伺服电机同轴联接，编码同轴联接，编码器在进给传动链器在进给传动链前端；安装方便。前端；安装方便。2 2、连在滚珠丝、连在滚珠丝杠末端，包含的杠末端，包含的传动链误差比

40、前传动链误差比前者多，位置控制者多，位置控制精度较高；精度较高；工作台丝杠编码器电机二. 感应同步器：感应同步器：分类分类 ：直线式感应直线式感应同步器：同步器：旋转式感应旋转式感应同步器：同步器：用于测量直线位移用于测量直线位移用于测量转角位移用于测量转角位移电磁式的位移检测传感器电磁式的位移检测传感器6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置（固定在床身上）（固定在床身上）（安装在移动部件上）（安装在移动部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.250.05mm0.250.05mm 节距节距2（2mm） 绝缘粘结剂绝缘粘结剂 铜箔铜箔 铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板(钢、铜钢、铜

41、)定尺定尺滑尺滑尺 sin cos滑尺滑尺 节距节距(0.5mm)41感应绕组感应绕组正弦励正弦励磁绕组磁绕组余弦励余弦励磁绕组磁绕组1. 直线式感应直线式感应同步器的结构：同步器的结构：二. 感应同步器：感应同步器：6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器 感应同步器的工作原理：感应同步器的工作原理： 电磁耦合原理电磁耦合原理工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压 由于电磁耦合作用，在定尺绕组上产生感应电压由于电磁耦合作用，在定尺绕组上产生感应电压当滑尺和定尺之间发生相对位移时当滑尺和定尺之间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化，定

42、尺上由于电磁耦合的变化，定尺上感应绕组中的感应电压也发生变化感应绕组中的感应电压也发生变化感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系通过测量定尺绕组中的感应电压，通过测量定尺绕组中的感应电压，借以进行位移量的检测借以进行位移量的检测6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器U0U0移动距离移动距离USUSUSUSUS定尺定尺滑尺滑尺感应同步器中感应同步器中 定尺绕组中定尺绕组中感应电压的感应电压的变化情况变化情况以滑尺上正弦励磁绕组为例：以滑尺上正弦励磁绕组为例：6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感

43、应同步器 定 尺 滑 A 尺 B241 位 C221 置 D243 E 2 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器3.3.感应同步器的信号处理原理感应同步器的信号处理原理当滑尺正旋绕组上加激磁电压当滑尺正旋绕组上加激磁电压us后，与之相耦合的定尺后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：绕组上的感应电压为： uos= K uS cos K 电磁感应系数电磁感应系数 定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 相位角相位角与相对位移量与相对位移量 x的关系：的关系：

44、 2:2= x:2:2= x: = x= x当滑尺余旋绕组上加激磁电压当滑尺余旋绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合的定尺后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：绕组上的感应电压为：uoc = K uc cos（+/2） =K ucsin6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器当滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压当滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压us 、 uc 时，由于时，由于感应同感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为：绕组上的总感应电压为：uo = uos +

45、uoc = K uS cos K uc sin K 电磁感应系数电磁感应系数 定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 相位角相位角与相对位移量与相对位移量 x的关系：的关系： = x= x 由于相对位移量由于相对位移量 x 与与 相位角相位角呈线性关系，只要能呈线性关系，只要能测出相位角测出相位角，就可求得位移量，就可求得位移量 x 。 根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压us、 uc供电方式的不供电方式的不同和对输出电压检测方式的不同，同和对输出电压检测方式的不同，感应同步器感应同步器可有两种工作可有两种工作方式：鉴相工作方式

46、、鉴幅工作方式。方式：鉴相工作方式、鉴幅工作方式。6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器4.4.感应同步器的鉴相工作方式感应同步器的鉴相工作方式 在该种在该种工作方式工作方式中，中，滑尺正、余旋绕组通以滑尺正、余旋绕组通以是频率相同、是频率相同、幅值相同，相位差为幅值相同，相位差为 /2/2的交流励磁电压的交流励磁电压 正旋绕组正旋绕组励磁电压励磁电压: : u uS = Um sint 余旋绕组余旋绕组励磁电压励磁电压: : u uC = Um cost定尺定尺 绕组上的总感应电压为：绕组上的总感应电压为：uo = uos + uos = K u uS co

47、s K u uc sin= K Um sint cosK Um cost sin= K Um sin（t ）结论：结论：在在鉴相工作方式鉴相工作方式中中, , 通过测量通过测量感应电压感应电压uo与与正旋绕组正旋绕组励励磁电压磁电压uS相位差相位差，就可求得滑尺与定尺相对位移量就可求得滑尺与定尺相对位移量 x x 。6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器 例如：例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压间的相位差为定尺感应输出电压与滑尺励磁电压间的相位差为3.63.60 0，表，表明滑尺移动了多少明滑尺移动了多少mmmm？(0.02mm) (0.02mm) xx22

48、2mm6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器4.4.感应同步器的鉴幅工作方式感应同步器的鉴幅工作方式 在该种在该种工作方式工作方式中，中，滑尺正、余旋绕组通以滑尺正、余旋绕组通以是频率相同、是频率相同、相位相同，但幅值不同的交流励磁电压相位相同，但幅值不同的交流励磁电压 正旋绕组正旋绕组励磁电压励磁电压: : uS = Um sin1 sint 余旋绕组余旋绕组励磁电压励磁电压: : uC = Um cos1 sint 电气相位角电气相位角1 = x 1（ x 1是指令位移值是指令位移值） 定尺定尺 绕组上的总感应电压为：绕组上的总感应电压为：uo = uos

49、 + uos = K u uS cos K u uc sin= K Um sin1sint cos K Um cos1 sint sin= K Um sin（1）sint令令1 = = K Um sin sint当当很小时，很小时， K Um sint而而 = x / = K Um x / sint结论：结论：在在鉴幅工作方式鉴幅工作方式中中, , 通过测量通过测量感应电压感应电压uo的幅值的幅值，就可求得滑尺与就可求得滑尺与定尺相对位移量定尺相对位移量 x x 。6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器5.几点说明：几点说明：* 感应同步器的测量周期为其绕组的

50、节距感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）*感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。的细分精度。*现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便方便 地采用现代的数字处理技术。地采用现代的数字处理技术。* *感应同步器的特点：感应同步器的特点：精度高精度高对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。测量距

51、离长：通过接长可满足大行程测量的要求。测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器* *感应同步器的感应同步器的使用注意事项：使用注意事项：在安装方面：在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响） 在电气方面：在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。要保证激磁电压波形的对称性和保真性。 对鉴相系统：对鉴相系统： 激磁电压的幅值

52、、频率相等；相位差激磁电压的幅值、频率相等；相位差90900 0 对鉴幅系统：对鉴幅系统： 对对Um sin1、Um cos1调制的精确性调制的精确性 当失真度大于当失真度大于2%时，将严重影响测量精度时，将严重影响测量精度6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置二二. 感应同步器感应同步器三、三、脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。换为增量脉冲形式或绝对式的代码形

53、式。根据内部结构和检测方式码盘可分为根据内部结构和检测方式码盘可分为: :接触式接触式光电式光电式电磁式电磁式: : 在数控机床上应用较多在数控机床上应用较多: : 由霍尔效应构成由霍尔效应构成, ,可用作速度检测元件可用作速度检测元件6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置1. 光电式编码器光电式编码器 结构及工作原理结构及工作原理 abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4信号处理装置6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置三、脉冲编码器三、脉冲编码器 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板形成

54、忽明忽暗的光下，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：输出的波形有六路：AA 、ZZBB、其中，其中， 是是 的取反信号的取反信号。ZBA、ZBA、AB90Z码盘转一圈码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理:码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；

55、根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据脉冲的频率可得被测轴的转速； 根据根据A、B两相的两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。ABCP90O后续电路可利用后续电路可利用A、B两相的两相的90相位差进行细分处理相位差进行细分处理( (四倍频电路）。四倍频电路）。码盘及狭缝码盘及狭缝转轴转轴光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A A组、组、B B组狭缝组狭缝光源光源零位标志零位标志CZ相的作用相的作用:Z码盘转一圈被测轴的周向定位基准信号被测轴的周向定位基准信号被测轴的旋转圈数记数信号被测轴的旋转圈数记数信号ZBA、的作用的作用:后续电路可利用

56、后续电路可利用A、 两两相实现差分输入，以消除远相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。距离传输的共模干扰。A码盘及狭缝码盘及狭缝转轴转轴光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A A组、组、B B组狭缝组狭缝光源光源零位标志零位标志Cq光电式编码器光电式编码器的规格及分辨率的规格及分辨率 规格规格 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数； 现在市场上提供的规格从现在市场上提供的规格从 36线线/ 转转 到到 10万线万线 /转转 都有；都有； 选择：选择：伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。考虑

57、机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角）分辨率（分辨角） 设增量式码盘的规格为设增量式码盘的规格为 n 线线/转：转：n3606.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置三、脉冲编码器三、脉冲编码器分辨角分辨角360/狭缝数。如条纹数为狭缝数。如条纹数为1024，则，则360/10240.352。光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步提高分辨力。一步提高分辨力。例如：配置例如：配置2000脉冲脉冲r光电编码器的伺服电机直接驱动光电编码器的伺服电机直接驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，相当于倍频处理后，相当于8

58、000脉冲脉冲r的角度分辨力，对应工作台的直线分辨力由倍频前的的角度分辨力，对应工作台的直线分辨力由倍频前的0.004mm提高到提高到0.001mrn。6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置三、脉冲编码器三、脉冲编码器1位移测量（进给系统）位移测量（进给系统） 增量式光电码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号，增量式光电码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号，根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；再根据传动比及根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；再根据传动比及滚珠丝杠的螺距即可得出移动部件的直线位移。滚珠丝杠的螺距即可得出移动部件的直线位移。 在数控回转工作台回转轴末端安装编码器，可测量回转在

59、数控回转工作台回转轴末端安装编码器，可测量回转工作台角位移。数控回转工作台与直线轴联动时，可加工工作台角位移。数控回转工作台与直线轴联动时，可加工空间曲线。空间曲线。 在交流电机变频控制中，与电动机同轴联接的编码器可在交流电机变频控制中，与电动机同轴联接的编码器可检测转子磁极相对定子绕组的角度位置，用于变频控制检测转子磁极相对定子绕组的角度位置，用于变频控制。 6.3 数控机床的检测装置数控机床的检测装置三、脉冲编码器三、脉冲编码器四、编码器在数控机床中的应用四、编码器在数控机床中的应用 2主轴控制主轴控制 ：采用主轴位置脉冲编码器，主轴具有位置控制：采用主轴位置脉冲编码器，主轴具有位置控制功

60、能。功能。（1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制 螺纹加工中，螺纹加工中， 1）对编码器输出脉冲计数，保证主轴每转）对编码器输出脉冲计数，保证主轴每转1 1周，刀具准确周，刀具准确移动移动1 1个螺距（导程）个螺距（导程） 2）一般的螺纹加工要经过几次切削完成，每次重复切削，）一般的螺纹加工要经过几次切削完成，每次重复切削，进刀位置必须相同。进刀位置必须相同。 为保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到光电编码器中为保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到光电编码器中的的1 1转脉冲（零点脉冲）后，才开始螺纹切削的计算。转脉冲（零点脉冲）后，才开始螺纹切削的计算。6.3