数控技术数控机床的伺服系统

1、2020/6/25,机械与动力工程学院,数 控 技 术,School of Mechanical and Power Engineering,2020/6/25,第六章 数控机床的伺服系统,本章内容： 概述 开环步进式伺服系统 位置检测装置 闭环（交直流）伺服系统,2020/6/25,伺服来自英文单词Servo， “伺服（SERVO）”在中英文里一个音、意都相同的词，顾名思义，它表示“伺候服侍”，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动。在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。伺服系统的发展经历了从液压

2、、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。 采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器，控制电路简单，价格低廉，可靠性高。和普通电机的区别主要在于：脉冲控制。 在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件。其控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是内部有机械换向装置，碳刷易磨损。 在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。闭环系统逐渐取代开环系统。,第一节 概述,2020/6/25,现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人

3、和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75。 在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴得到快速应用，其转子为主轴旋转部分。其转数在30000rpm100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为1m时达到100m/min，甚至200m/min以上, 在分辨率为0.1m时，在24m/min以上。当今数控机床突出高速、

4、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。,2020/6/25,国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。 近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应用。数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接

5、受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。,第一节 概述,2020/6/25,伺服驱动系统与一般机床进给系统的区别 进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控制执行件的位移和轨迹； 伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹。

6、,第一节 概述,2020/6/25,一、伺服系统的组成、作用和特点: 组成 伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。,第一节 概述,数控伺服系统的基本组成,2020/6/25,伺服系统的作用: 接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进给和快速进给。主要通过步进电机、交/直流伺服电动机等进给驱动元件来实现。 伺服系统可被看作是一个独立部分，与数控系统和机床本体并列为数控数

7、控机床的三大组成部分。,第一节 概述,2020/6/25,特点： 能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。 性能： 最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能, 取决于各个组成环节的特性和各个环节性能参数的合理匹配。,第一节 概述,2020/6/25,数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。,第一节 概述,二、 数控机床对进给伺服系统的要求,1可逆运行,可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，

8、机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。 要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。 从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。,2020/6/25,2高精度,数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.010.001，甚至可高达0.1m，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。,第一节 概述,二、数控机

9、床对进给伺服系统的要求,2020/6/25,3调速范围宽,调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。 目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1m的情况下，进给速度能在0240mmin的范围内连续可调。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。,第一节 概述,二、数控机床对进给伺服系统的要求,2020/6/25,4快速响应并无超调,要求有良好的快速

10、响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。 伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。 当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。,第一节 概述,二、数控机床对进给伺服系统的要求,2020/6/25,5低速大转矩,机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。,第一节 概述,二、数控机床对进给伺服系统的要求,2020/6/25,1按控制方式和有无检测反馈环节分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统,第一节 概述,三、伺服系

11、统的分类,2020/6/25,（1）开环伺服系统 组成：步进电机、驱动电路、传动机构 工作原理：在数控机床上它由步进电机、功率步进电机或电液脉冲马达驱动。数控系统发出的指令脉冲信号经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮和滚珠丝杠螺母副驱动执行件(工作台或刀架)移动。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,无位置反馈，开环系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移和齿轮、丝杠等传动件的螺距精度，以及系统的摩擦阻尼特性.开环系统的位移精度一般较低，其定位精度可达0.02mm ，当采用螺距误差补偿后，定位精度提高到0.01mm； 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

12、这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,（1）开环伺服系统,2020/6/25,（2）闭环系统 闭环控制系统是一种包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值精密地响应输入量的自动控制系统。在数控机床上，由于反馈信号所取的位置不同，而分为全闭环系统和半闭环系统。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/2

13、5,全闭环系统 全闭环系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）实际位置，所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动种造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。 全闭环系统除电器方面误差外，还有很多机械传动误差，如丝杠螺母副、导轨副等都包括在反馈回路种，它们的刚性、传动间隙、摩擦阻尼特性都是变化的，有些还是非线性的，所以全闭环系统的设计和调整都有较大的技术难度，价格也较昂贵。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,半闭环伺服系统 半闭环伺服系统同样也是一种闭环系统。只不过在数控机床

14、这种具体应用场合下，它的反馈信号取自系统的中间部位（如驱动伺服电机的轴上），如图所示。这样系统由电机输出轴至最末端件（工作台或刀架）之间的误差（如：联轴器误差、丝杠的弹性变形及螺距误差、导轨副的摩擦阻尼等）没有得到系统的补偿。因此，在数控机床上，半闭环系统只反馈补偿了进给传动系统的部分误差，所以其精度比全闭环系统要低一些。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但由于这种系统舍弃了

15、传动系统的刚性和非线性的摩擦阻尼等。故系统调试较容易，稳定性也较好。由于采用高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度和速度，特别是制造伺服电机时，都将测速发电机、旋转变压器（或脉冲编码器）直接装在伺服电机轴的尾部，减少机床制造时的安装调试麻烦，结构也比较简单，故这种被广泛应于中小型数控机床上。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。,2020/6/25,2按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油

16、。 （2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,2按使用的执行元件分类 （2）电气伺服系统 1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。 优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,

17、2、按执行元件的类别分类 分为直流伺服系统和交流伺服系统。 20世纪70年代，数控机床大多采用直流伺服驱动。 具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强；适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电动机的电刷和机械换向器限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。 20世纪80年代，交流伺服系统。 最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,3、按伺服系统的用途和功能分类 分

18、为进给驱动系统和主轴驱动系统。 进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。 主轴驱动系统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。 一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,（1）数控脉冲比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉

19、冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。 （2）鉴相式伺服系统 位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。适用于感应式检测元件（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于连续控制的伺服系统。,4、按反馈比较控制方式分类,三、伺服系统的分类,2020/6/25,（3）鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以

20、此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。,（4）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。,2020/6/25,此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统； 按控制信号分类，将伺

21、服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。,第一节 概述,三、伺服系统的分类,2020/6/25,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,步进控制系统的结构 控制器：PLC、定位控制模块、单片机，产生脉冲，进行方向信号的产生； 步进驱动器：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制电机每一项的线圈是否通电； 步进电机：旋转，拖动工作台。,控制器 步进驱动器 步进电机和工作台,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,步进电机流

22、行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,2020/6/25,步进电机是一种将电脉冲信号转化为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。 步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转

23、一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。,步进电机,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,一、步进电机的分类,按运动方式分： 旋转运动、直线运动式步进电机； 按工作原理分： 反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式； 按结构分： 单段式（径向式）、多段式（轴向式）； 按使用场合分： 功率步进电机和控制步进电机； 按使用频率分： 高频率和低频步进电机； 不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在Ncm级，可以

24、作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是Nm级的，可以直接去驱动机床的移动部件。,按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流增大，从而使电动机的转速转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用36相的步进电动机。,一、步进电机的分类,2020/6/25,目前我国使用的步进电机多为径向反应式步进电机。,反应式步进电机结构（径向分布）,第二节 开环步进式伺服系统,

25、2020/6/25,二、步进驱动的原理： 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。,步进电动机有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。,2020/6/25,步进电机的结构（横向视图）,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,步进电机的工作原理：电磁铁作用原理

26、,如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。,由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组，分别为A相、B相、C相。,转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。,如果在定子上的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。,B相通电,A相通电,C相通电,工作原理演示,工作原理演示,2020/6/25,三相三拍的原理介绍 模拟步进电机的动作步骤: 三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一个循环。 三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。 当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁

27、场，吸引转子一步步转动。,2020/6/25,步进电机的工作原理：A-B-C-A 反转,2020/6/25,步进电机的工作原理：A-C-B-A 正转,工 作 原 理 演 示,2020/6/25,当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。,当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁极相对错开300,2020/6/25,当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两

28、磁极相对错开300。,当C相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开300。,2020/6/25,电机正转：A-C-B-A 电机反转：A-B-C-A 结论： （1）电机运行方向和通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向也就改变。 改变电机正反转的话，就是改变通电方向。 （2）电机转速和相序切换频率有关，切换的越快，电机转动的越快。 （3）电机每拍转动的角度，称为步距角，。步距角和电机结构有关。,步进电机的工作原理：,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,步进电机的

29、步距角大小不仅与通电方式有关，还与转子的齿数有关。 计算公式为：,式中： m定子励磁绕组相数;三相时，m=3； Z转子齿数; K通电方式，单为1，双为2.,第二节 开环步进式伺服系统,三相三拍：m=3, z=4, k=1, 则=30。,2020/6/25,上述通电方式称为三相单三拍通电方式。,所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。 “一拍”从一相通电换接到另一相通电称为一拍。 “三拍”每一拍转子转过一个步距角，这样“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,三相三拍的通电次序为：A-B-C-A;AB-BC-CA-AB 三相六拍的通电次序为：

30、A-AB-B-BC-C-CA-A 可见三相三拍与三相六拍相比较， 六拍的步距角小，精度高。,设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（图a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15 ,2020/6/25,工作原理： 当A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、

31、4齿，转子逆时针旋转150。随着A相断电，只有B相通电。,1,3,A吸1、3两齿 A吸1、3两齿 B吸2、4两齿,B吸2、4两齿,B吸2、4两齿 C吸1、3,2,4,C吸1、3 A吸2、4,C吸1、3,工作原理演示,2020/6/25,转子又逆时针转150，2、4齿与B相磁极对齐，如果继续按BC C CA A。相序通电，步进电机就沿着逆时针方向，以150的步距角一步一步移动。 这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作较平稳。,实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。,2020/6/25,通电方式,三相双三拍：(正转) AB

32、BCCAAB (反转) ACCBBAAC,三相六拍： (正转) A AB B BC C CA A (反转) A AC C CB B BA A,三相单三拍：(正转) ABCA (反转) ACBA,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,ABCA,2020/6/25,ABBCCAAB,工作原理演示,2020/6/25,A AB B BC C CA A,2020/6/25,m相步进电机通电方式 m相单m拍：例 ABC D EA m相双m拍： 例 ABBCCD DEEA AB 或 ABCBCDCDE DEAEAB ABC m相2m拍：例 A AB B BC C CD D DEE EA A 或

33、AB ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 三种通电方式的特点： 单m拍：每次一相通电,切换瞬间失去自锁力矩易失步,在平衡位置易振荡； 双m拍：每次同时有二相通电,切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定； 2m拍：步距角小一半，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定；,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,步进电机转速计算：,式中：n转速（r/min); f脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数； 用度数表示的步距角。,式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,关于步进电机概念 步距角：步

34、进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角 脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移 转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电相序。 最大静转矩：步进电机最大的承载能力。 启动频率：步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行的最高频率。超过了启动频率，转子跟不上定子的磁场旋转，会产生失步。 连续运行频率：当电机启动后，能逐渐不失步连续升速的最高频率。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,4.步进电机的主要特性 1）步距角和静态步距误差 步距角： m: 线圈相数； z: 转子齿数； q: 2m拍 q=2 ，其它 q=1。 步距误差：实际步距角与理论步距角之差，

35、一般为10。 2）输出扭矩：必须大于负载转距。 3）最高启动、停止脉冲频率： 步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。,2020/6/25,4.步进电机的主要特性 4）连续运行的最高工作频率： 步进电机连续运行所能接受的最高工作频率，此值必须小于步进电机实际运行的最高工作频率。 5）步进运行和低频振荡 步进运行：当脉冲间隔大于步进电机的过渡过程时，电机呈步进运行状态 低频振荡：当脉冲频率接近步进电机的固有频率时，将产生振荡（必要时可设可调阻尼器）,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,5.步进电机的优点 1）由于每步的精度在百分之三到百分之五，

36、而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 2） 优秀的起停和反转响应； 3） 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 4） 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本； 5） 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 6） 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,6.步进电机的缺点 1） 如果控制不当容易产生共振； 2） 难以运转到较高的转速； 3） 难以获得较大的转矩； 4） 在体积重量方面没有优势，能源利用率低；

37、5） 超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,三、提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施,影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施。,第二节 开环步进式伺服系统,2020/6/25,传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目

38、的。 螺矩误差补偿 虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。 方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。,三、提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施,2020/6/25,第三节 数控机床的检测装置,2020/6/25,检测装置是闭环伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测工作台或丝杠的直线位移（角位移）和线速度（角速度）并形成反馈控制。 检测系统的选择： 大型机床：速度响应要高； 中小型和高精度机床：以满足精度要求为主,第

39、三节 数控机床的检测装置,2020/6/25,进给伺服系统对位置测量装置的要求 高可靠性和高抗干扰性： 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； 能满足精度和速度的要求： 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。 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。,第三节 数控机床的检测装置,2020/6/25,常用位置检测装置分类表,第三节 数控机床的检测装置,2020/6/25,第三节 数控机床的检测装置,常用位置检测装置分类:,2020/6/25,一、旋转变压器 旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测

40、装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。由于旋转变压器以上特点，可完全替代光 电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、 机器人系统、机械工具、 汽车、电力、 冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、 兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、 化工、轻工、建筑等领域的角度、位置 检测系统中。也可用于坐标变换、三角 运算和角度数据传输、作为两相移相器 用在角度-数字转换装置中。,第三节 数控机床的检测装置旋转变压器,2020/6/25,一、旋转变压器 1.旋转变压器的结构和工作原理 旋转变压器(又称同步分解器)是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器

41、件,是一种旋转式的小型交流电机.在结构上和二相绕线式异步电动机相似,由定子和转子组成。 分为有刷和无刷两种。旋转变压器的特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统较为常用的位置传感器。 在有刷结构中，定子和转子上均为两相交流分布绕组。二相绕组轴线相互垂直，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出。 无刷旋转变压器没有电刷和滑环，由分解器和变压器两部分组成。,第三节 数控机床的检测装置旋转变压器,2020/6/25,旋转变压器的结构和工作原理 结构：由定子和转子组成的旋转式小型交流电机，如图所示。,图示的是一种无刷旋转变压器的结构，左边为分解器，右边为变压器。 分解器结构与有刷旋转变压器基本相

42、同。,2020/6/25,旋转变压器的结构和工作原理 有刷旋转变压器：转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。,有刷旋转变压器的结构,2020/6/25,旋转变压器的结构和工作原理 旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气间隙内的磁通分布呈正（余）弦规律。当定子绕组上加一定频率的交变激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置角。两者平行时感应电动势最大；两者垂直时感应电动势为零。当两者呈一定角度时，其互感产

43、生的感应电动势随着转子偏转的角度呈正（余）弦规律变化。,第三节 数控机床的检测装置旋转变压器,2020/6/25,E2= KV1cos=KVmsintcos =90 E 2 = 0 =0 E 2 = KVmSint 式中: E 2转子绕组感应电势； V1定子绕组励磁电压 V1=Vmsint； Vm电压信号幅值； 定、转子绕组轴线间夹角； K变压比（即绕组匝数比）,1.旋转变压器的结构和工作原理,工作原理： 根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。,2020/6/25,旋转变压器的工作方式 鉴相方式 鉴幅方式,定子和转子空间结构,1）鉴相方

44、式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的正弦交流电压：,2020/6/25,2）鉴幅方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：,Uc=Vmcossin,第三节 数控机床的检测装置旋转变压器,2020/6/25,旋转变压器的应用 1. 鉴相式,2. 鉴幅式,需要将被测角位移限制在 以内，才能唯一确定 的大小，属于动态跟随检测和增量式检测。,第三节 数控机床的检测装置旋转变压器,2020/6/25,. 感应同步器,感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。它是利用滑尺上的励磁绕组和定尺

45、上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置电信号来实现位移检测的。 感应同步器是一种电磁式高精度位移检测装置，按其结构特点一般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；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。它们的工作原理都与旋转变压器相似。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床数显改造。,第三节 数控机床的检测装置感应同步器,2020/6/25,. 感应同步器,1. 感应同步器的结构及分类 原理：利用两个平面印刷电路绕组的互感随两者的位置

46、变化而变化，类似于变压器的原边和副边。 直线式感应同步器由作相对平行移动的定尺和滑尺组成。滑尺上制有两组分段绕组，分别称为正弦和余弦绕组。它们相对于定尺绕组错开1/4节距。,当在滑尺绕阻施加激励交变电压时，在定尺绕阻可感应出与两尺位置有关系的交变电压。根据激励电压的不同，可分为鉴相式和鉴幅式两种。,第三节 数控机床的检测装置感应同步器,2020/6/25,感应同步器结构 相当于展开的多级旋转变压器。,第三节 数控机床的检测装置感应同步器,2020/6/25,2. 感应同步器工作原理 相当于旋转变压器的原理如图,1）鉴相方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的交流电压

47、：,分别在定尺绕组上产生感应电压：,若设滑尺绕组节距为2，它对应的感应电动势以余弦函数规律变化了2，当滑尺移动为x时，则对应的感应电动势以余弦规律变化相位角：,2020/6/25,2）鉴幅方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：,Uc=Vmcossint,第三节 数控机床的检测装置感应同步器,2020/6/25,感应同步器的特点 安装： 定尺与滑尺之间的间隙应控制在0.250.05mm范围内，间隙变化控制范围0.01mm. 特点： 精度高：分辨率可达0.05um; 测量范围大，广泛用于数控机床、雷达天线定位跟踪等; 环境适应性强; 维护简单、

48、寿命长; 应用时根据测量范围不同，可以将多块定尺拼接。,第三节 数控机床的检测装置感应同步器,2020/6/25,三、光栅,在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。它是将机械位移或模拟量转化为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。光栅位移传感器经常应用于机床与现代加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。,第三节 数控机床的检测装置光栅尺,2020/6/25,三、光

49、栅,光栅尺在现代工业的贡献也是非常巨大的，不仅仅将现在加工精度进一步完善，更重要的是提高了现在加工时的工作效率。现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度越来越高的时候，在各种机床上，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。 光栅由标尺和光栅读数头两部分组成。标尺一般固定在机床活动部件上（如工作台上），光栅读数头安装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。光栅读数头相对于标尺光栅运动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。,第三节 数控机床的检测装置光栅尺,2020/6/25,三、光栅,光栅尺外形图,第

50、三节 数控机床的检测装置光栅尺,2020/6/25,1、种类：,光栅的分类：物理光栅和计量光栅； 光栅的运动方式：长光栅和圆光栅； 光线的走向：透射光栅和反射光栅。,第三节 数控机床的检测装置光栅尺,三、光栅尺,2020/6/25,2、 结构：光源、指示光栅、标尺光栅、光电元件。,3 、原理 1） 指示光栅与标尺光栅刻度等宽； 2） 平行装配，且无摩擦； 3） 两尺条纹之间有一定夹角； 4） 当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线垂直的横向条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个纹距。,动画演示,第三节 数控机床的检测装置光栅尺,2020/6/25,第三节 数控机床

51、的检测装置光栅尺,2020/6/25,第三节 数控机床的检测装置光栅尺,2020/6/25,光栅：刻有刻线的光学玻璃。 栅距：光栅上相邻两刻线间的距离。 工作原理：莫尔条纹的工作原理。,严格来说： 横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,因很小,W=d/,2020/6/25,莫尔条纹性质： 在平行光照射下,透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数； 放大作用：W=d/sin，当很小时, W=d/ 例如 d = 0.01, = 0.01rad, 得W =1mm, 放大100； 平均效应：莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀

52、所造成的影响； 移动规律：光栅相对移动一个d，莫尔条纹移动一个W，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化。,第三节 数控机床的检测装置光栅尺,2020/6/25,四、 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。 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。,第三节 数控机床的检测装置脉冲编码器,2020/6/25,增量式编码器 组成：光源、光电

53、盘、光电接收元件； 工作原理： 信号处理：信号接收、放大、整形及反馈； 方向辨别：DA、DB空间相差90o； 基准脉冲：由DC产生； 缺点：停电或停机后，无法找到原始位置。,2020/6/25,2. 绝对式编码器,分类：机械式、光电式、磁电式。 组成及原理：编码盘、信号产生元件、信号接收元件。,2020/6/25,光电编码器 1 ）构成： 光源、指示光栅、圆光栅、光电元件。,第三节 数控机床的检测装置脉冲编码器,2020/6/25,第四节 闭环伺服系统,2020/6/25,执行元件是伺服系统的重要组成部分，伺服系统对执行元件有如下要求： 调速范围宽、稳定，低速运行的稳定性和均匀性好； 具有足够

54、的负载能力； 可减少电动机的转动惯量； 可频繁启动、停止及换向。 目前常用的有直流伺服电动机和交流伺服电动机。,闭环伺服系统的执行元件,第四节 闭环伺服系统,2020/6/25,其工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场。 常用的直流电动机有： 永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组） 励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）； 直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。 20世纪80-90年代中期，永磁式直流伺服

55、电机在NC机床中广泛采用。,一、直流伺服电机及其调速系统,2020/6/25,1直流伺服电机的结构,第四节 闭环伺服系统直流伺服电机,2020/6/25,2.常用的直流伺服电机 小惯量直流伺服电机 结构特点： 1）转子为光滑无槽的铁芯，线圈由粘合剂粘结。 2）长径比大、惯量小。 性能特点： 1）转动惯量小，约为普通直流电机的1/10，快速响应性好。 2）电枢反应小，换向性好，电机时间常数小（只有几毫秒）。 3）由于转子无槽，结构均衡性好，低速平稳性好。 4）最大扭矩为额定值的10倍，过载能力强。 缺点：由于惯量小，必须配齿轮减速葙，才能拖动负载。,第四节 闭环伺服系统直流伺服电机,2020/6

56、/25,2.常用的直流伺服电机 宽调速（大惯量）直流伺服电机 结构特点：转子惯量大，响应特性由大功率驱动系统保证 性能特点 1）输出转矩大：不需齿轮减速箱即可直接驱动负载。 2）过载能力强：转子热容量大，过载能力强（过载转矩可达510倍） 3）动态响应好：电流过载能力强、瞬时加速转矩大，动态响应好。 4）调速范围宽且运转平稳：低速时输出转矩大，调速范围宽，运转平稳 。 5）易于调试：由于惯量大，受负载影响小，可不加负载调试。,第四节 闭环伺服系统直流伺服电机,2020/6/25,由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的