第3章-数控机床的伺服系统课件

第3章数控机床的伺服系统

认识伺服系统的工作过程3.1伺服系统的组成及分类3.2伺服电动机3.3位置检测装置

3.41第3章数控机床的伺服系统认识伺服系统的工作过程3.1伺3.1认识伺服系统的工作过程数控机床控制原理图

1．认识伺服系统在数控机床控制中的作用23.1认识伺服系统的工作过程数控机床控制原理图1．认识3.1认识伺服系统的工作过程数控车床光机正面

2．认识伺服系统的机械结构33.1认识伺服系统的工作过程数控车床光机正面2．认识伺3.1认识伺服系统的工作过程数控车床光机背面

2．认识伺服系统的机械结构43.1认识伺服系统的工作过程数控车床光机背面2．认识3.2伺服系统的组成及分类

3.2.1伺服系统的组成伺服系统是由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。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，实现工作进给和快速运动。53.2伺服系统的组成及分类3.2.1伺服系统的组成3.2伺服系统的组成及分类

3.2.2对伺服系统的要求①精度高②速度反应快③调速范围大④可靠性高⑤低速时扭矩大63.2伺服系统的组成及分类3.2.2对伺服系统的要3.2伺服系统的组成及分类

3.2.3

伺服系统的分类按反馈比较控制可分为：1）脉冲数字比较伺服系统2）相位比较伺服系统3）幅值比较伺服系统4）全数字伺服系统按使用的驱动装置分为电液伺服系统和电气伺服系统。按使用电机分为直流伺服电机和交流伺服电机。73.2伺服系统的组成及分类3.2.3伺服系统的分类按3.2伺服系统的组成及分类按控制方式分1.开环控制数控机床83.2伺服系统的组成及分类按控制方式分1.开环控制数控机3.2伺服系统的组成及分类2.闭环控制数控机床93.2伺服系统的组成及分类2.闭环控制数控机床93.2伺服系统的组成及分类3.半闭环控制数控机床103.2伺服系统的组成及分类3.半闭环控制数控机床103.3伺服电动机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。步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。由于没有反馈检测环节，精度较差，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，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。3.3.1步进电动机及其控制系统113.3伺服电动机步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位3.3.1步进电动机及其控制系统步进电动机的类型分类方式

具体类型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。（2）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（N·m）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（2）功率式：输出力矩在5-50N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1）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123.3.1步进电动机及其控制系统步进电动机的类型分类3.3.1步进电动机及其控制系统步进电动机的工作原理1、步进电动机的工作原理三相单三拍通电方式:若按A→B→C……通电相序连续通电，则步进电动机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次通电相序，步进电动机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。133.3.1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通电方式有：（1）单拍。在各相轮流通电的过程中，每拍只有一相通电。（2）双拍。采用双相轮流通电方式，即每拍都有两相通电，称为双拍。如三相步进电动机的通电顺序为AB→BC→CA→AB，则构成三相双三拍工作制。（3）单双拍，即单双相轮流通电。如对三相步进电动机来说，单双拍工作时的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A，一个循环为6拍，称为三相六拍工作制。

3.3.1步进电动机及其控制系统14步进电动机的通电方式有：3.3.1步进电动机及其控制系统1三相单三拍通电方式15三相单三拍通电方式15三相六拍通电方式16三相六拍通电方式163.3.1步进电动机及其控制系统2、步进电动机的主要特点（1）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。（2）体积小，重量轻，价格低。（3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。（4）惯性小，容易调试。

主要缺点：使用不当时，会引起“失步”或“过冲”；运转时有振动和噪音；额定转速较低，最高频率一般不超过1kHz。

173.3.1步进电动机及其控制系统2、步进电动机的主要特点（3.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（1）步距角步进电动机的步距角越小，位置精度越高。对于定子相数为m，转子齿数为Z的步进电动机，其步距角为（2）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。183.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（3.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（3）静态转矩和矩角特性θ为失调角

Mmax为最大静态转矩193.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（3.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（4）启动转矩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Mq。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Mq增加。（4）启动转矩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Mq。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Mq增加。（5）空载启动频率fq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。203.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（3.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（6）运行矩频特性与动态转矩213.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（3.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，

步进电动机控制电路223.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制步进电3.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制1）脉冲分配器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端，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

233.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制1）脉硬件脉冲分配器三相六拍脉冲分配器24硬件脉冲分配器三相六拍脉冲分配器24软件脉冲分配器

单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图

25软件脉冲分配器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4、步进电动机的控制2）步进电动机的驱动电路一般要求驱动电路应能够提供足够幅值、前后沿较陡的励磁电流，而且功耗小，效率高，运行稳定、可靠，易于维护。单电源串电阻驱动电路

263.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制2）步3.3伺服电动机

3.3.2直流伺服电动机及其速度控制

根据磁场产生的方式，直流电机可分为电磁式和永磁式。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。根据控制方式，直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。273.3伺服电动机3.3.2直流伺服电动机及其速度控3.3.2直流伺服电动机及其速度控制1．结构与工作原理宽调速直流伺服电动机又称大惯量直流伺服电动机，它通过提高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283.3.2直流伺服电动机及其速度控制1．结构与工作原理宽调速直流伺服电动机特点：1）过载能力强，能承受10倍于额定电流的峰值冲击，能产生额定力矩10倍的瞬时转矩。2）力矩／惯量比大，快速性好。3）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，一般能过载运行几十分钟。3.3.2直流伺服电动机及其速度控制29宽调速直流伺服电动机特点：3.3.2直流伺服电动机及其速3.3.2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直流电动机的机械特性公式：在激磁电流I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，是直流伺服驱动系统普遍采用的调速方法。303.3.2直流伺服电动机及其速度控制2.直流伺服电动机3.3.2直流伺服电动机及其速度控制3、直流伺服电动机的工作特性

1）转矩-速度特性曲线

313.3.2直流伺服电动机及其速度控制3、直流伺服电动机的3.3.2直流伺服电动机及其速度控制3、直流伺服电动机的工作特性

2）负载周期曲线在满足负载所需转矩，而又确保电动机不过热的情况下，允许电动机的工作时间。

323.3.2直流伺服电动机及其速度控制3、直流伺服电动机的伺服驱动系统结构框图

3.3.2直流伺服电动机及其速度控制33伺服驱动系统结构框图3.3.2直流伺服电动机及其速度控3.3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机分为异步型和同步型。同步型交流电机可分为永磁式及反应式两大类。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。所以在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式同步电机。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。所以一般用在进给运动中。343.3伺服电动机3.3.3交流伺服电动机及其速度控制3.3.3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（1）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纵剖面

1—定子；2—永久磁铁；1—定子；2—转子；3—定子绕组；4—压板；

3—轴向通风孔；4—转轴5—检测元件；6—接线盒353.3.3交流伺服电动机及其速度控制1．交流伺服电动机的结3.3.3

交流伺服电动机及其速度控制同步电机363.3.3交流伺服电动机及其速度控制同步电机363.3.3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（2）工作原理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ns旋转。根据磁极的同性相斥、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，并带动转子一起旋转，转子也将以同步转速ns旋转。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θ角，若负载越大，θ也随之增大。

373.3.3交流伺服电动机及其速度控制1．交流伺服电动机的结3.3.3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电机同步转速n

=

60f/p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:①改变磁极对数p。②改变转差率调速S。③变频调速f。383.3.3交流伺服电动机及其速度控制2．交流伺服电动机的调3.3.3交流伺服电动机及其速度控制3、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①转矩-速度工作曲线。②高可靠性。③散热容易，便于安装热保护。④转子惯量小，其结构允许高速工作。⑤体积小，质量小。393.3.3交流伺服电动机及其速度控制3、交流伺服电动机的性3.3.3交流伺服电动机及其速度控制变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频器。变频器可分为：1）交-交变频利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。403.3.3交流伺服电动机及其速度控制变频调速的主要环节是为3.3.3交流伺服电动机及其速度控制2）交-直-交变频方式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电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。数控机床上常采用交-直-交变频调速。413.3.3交流伺服电动机及其速度控制2）交-直-交变频方式3.4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系统的精度。一般要求检测元件的分辨率在0.0001～0.1mm之间，测量精度为±（0.001～0.02）mm／m。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，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1/10～1/3选取。

3.4.1概述423.4数控机床的位置检测装置为了提高数控机床的加1）高可靠性和高抗干扰性。2）使用维护方便，适合机床运行环境。3）能够满足精度和速度的要求。4）易于实现高速的动态测量、处理和自动化。5）成本低、寿命长。

3.4.1概述1、对位置检测装置的要求431）高可靠性和高抗干扰性。3.4.1概述1、对位置检测装1）数字式测量和模拟式测量

数字式测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，且便于显示处理。

模拟式测量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。

3.4.1概述2、位置检测装置的分类441）数字式测量和模拟式测量3.4.1概述2、位置检

2）增量式测量和绝对式测量

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。2、位置检测装置的分类3.4.1概述452）增量式测量和绝对式测量2、位置检测装置的分类3.

3）直接测量和间接测量

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；缺点是检测装置要和行程等长。

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，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链误差，影响测量精度。3.4.1概述2、位置检测装置的分类463）直接测量和间接测量3.4.1概述2、位置检测装置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移，直线型用于检测直线位移。

表3-1

数控机床中常用的位置检测元器件

3.4.1概述47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，3.4位置检测装置1、结构由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电动机。旋转变压器分为有刷和无刷两种。

无刷旋转变压器结构

1—分解器定子线圈；2—分解器转子线圈；3—转子轴；

4—分解器转子；5—分解器定子；6—变压器定子；

7—变压器转子；8—变压器一次绕组；

9—变压器二次绕组3.4.2旋转变压器

483.4位置检测装置1、结构无刷旋转变压器结构

1—分解器3.4.2旋转变压器

2、工作原理两级型旋转变压器的工作原理当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置转动到一角度θ时，转子绕组中产生的感应电动势为u2=ku1sinθ=kUmsinωtsinθ493.4.2旋转变压器2、工作原理两级型旋转变压器的工作

1）相位工作方式给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差π/2的交流激磁电压。在转子正转时，工作绕组中的感应电动势为

u2=kUmcos(ωt-θ)通过测量转子绕组输出电压的相位角θ，就可测得转子相对于定子的空间转角位置。3.4.2旋转变压器正、余弦旋转变压器501）相位工作方式u2=kUmcos(ωt-θ)

2）幅值工作方式

在定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同，但幅值分别为Usm和Ucm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U2为u2=kUmcos（α-θ）sinωt转子感应电压的幅值随转子的偏转角θ而变化，测量出幅值即可求得偏转角θ，被测轴的角位移也就可求得了。3.4.2旋转变压器512）幅值工作方式u2=kUmcos（α-θ）sinωt感应同步器是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。3.4位置检测装置3.4.3感应同步器

特点：测量长度不受限制，工作可靠、抗干扰性强，维护简单、寿命长。52感应同步器是一种电磁式的位置检测传感器，用于直线位移的感应同步器结构示意图1、结构3.4.3感应同步器

定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，两者平行放置，保持0.2～0.3mm的间隙。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组us，一组为余弦励磁绕组uc，在空间位置上相差1/4节距，即π/2相位角。53感应同步器结构示意图1、结构3.4.3感应同步器定尺和

1)相位工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同，但相位差90°的励磁电压，当滑尺移动X距离时，定尺绕组中的感应电压为ud=kUmsin(ωt-θ)=kUmsin(ωt-2πx/τ)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3.4.3感应同步器541)相位工作方式ud=kUmsin(ωt-θ)=kUm

2）幅值工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压，当Δθ很小时，定尺上的感应电压可近似表示为

3.4.3感应同步器ud=kUmsinωtΔθ=kUmsinωt(2π/τ)ΔXΔθ=2πΔX/τ

由此可以看出，当位移增量ΔX很小时，感应电压的幅值和ΔX成正比，因此可以通过测量ud的幅值来测定位移量ΔX的大小。552）幅值工作方式3.4.3感应同步器ud=kUmsi3.4.4

光栅

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量工作台的位移，属直接测量，并组成位置闭环伺服系统。

3.4位置检测装置563.4.4光栅光栅外观光栅是一种高精度的直线位1、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光栅；按形状分为测量角位移的圆光栅和测量直线位移长光栅；检测精度可达1μm以上。光栅种类(a)透射光栅；(b)反射光栅

571、光栅的结构按光线在光栅中是反射

2、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一个很小的角度θ，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称为莫尔条纹。光栅的工作原理

3.4.4光栅

582、光栅的工作原理光栅的工作原理3.4.4光栅莫尔条纹具有以下特点：（1）放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角θ很小时，莫尔条纹的节距W和栅距P之间的关系为

莫尔条纹的节距是光栅栅距的1/θ倍。因为θ很小，所以W>>P。若设P=0.01mm，θ=0.01rad，可得W=1mm，从而把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。3.4.4光栅

59莫尔条纹具有以下特点：莫尔条纹的节距

（2）平均效应莫尔条纹对个别线纹的间距误差就不敏感，这在很大程度上消除了栅距刻制不均匀造成的误差。（3）信息变换作用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。3.4.4光栅

60（2）平均效应3.4.4光栅601）测量移动位置2）确定移动方向3）确定移动速度3.光栅检测装置的应用611）测量移动位置3.光栅检测装置的应用61

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。按其结构特点可分为直线式和角位移式。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、灰尘较多的工作环境使用时，仍具有较高的稳定性。3.4位置检测装置3.4.5磁栅62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。3

1、磁性标尺磁性标尺由磁性标尺基体和磁性膜构成，磁性膜上有用录磁方法录制的波长为λ的磁波。

3.4.5磁栅磁栅测量装置

2、拾磁磁头分为动态磁头和静态磁头。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，所以应采用静态磁头，又称为磁通响应型磁头。631、磁性标尺3.4.5磁栅磁栅测量装置2、拾磁

3、磁栅工作原理当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁通在磁头气隙处进入铁芯，并流过拾磁绕组的磁芯而产生感应电压输出：

磁通响应型单拾磁磁头结构(a)磁场分布；(b)磁头结构

e是由磁头在磁性标尺上的位置所决定。

3.4.5磁栅643、磁栅工作原理磁通响应型单拾磁磁头结构e是

双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的。两磁头按(m±1／4)λ配置（m为正整数），输出电压求和

双磁头结构

输出电压随磁头相对于磁栅的位移量X的变化而变化，根据输出电压相位变化可测出磁栅位移量。3.4.5磁栅65