第3章_數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

1、第第3章章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 認識伺服系統(tǒng)的工作過程認識伺服系統(tǒng)的工作過程3.1伺服系統(tǒng)的組成及分類伺服系統(tǒng)的組成及分類3.2伺服電動機伺服電動機3.3位置檢測裝置位置檢測裝置 3.43.1 認識伺服系統(tǒng)的工作過程認識伺服系統(tǒng)的工作過程數(shù)控機床控制原理圖數(shù)控機床控制原理圖 1認識伺服系統(tǒng)認識伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床控制在數(shù)控機床控制中的作用中的作用 3.1 認識伺服系統(tǒng)的工作過程認識伺服系統(tǒng)的工作過程數(shù)控車床光機正面數(shù)控車床光機正面 2認識伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)認識伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)3.1 認識伺服系統(tǒng)的工作過程認識伺服系統(tǒng)的工作過程數(shù)控車床光機背面數(shù)控車床光機背面 2認識伺服系統(tǒng)的

2、機械結(jié)構(gòu)認識伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)3.2 伺服系統(tǒng)的組成及分類伺服系統(tǒng)的組成及分類 3.2.1 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)是由伺服系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機、位置檢測伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機、位置檢測裝置裝置等組成。等組成。 接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路作一定的轉(zhuǎn)換和功率放大，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和服驅(qū)動電路作一定的轉(zhuǎn)換和功率放大，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件，實現(xiàn)機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件，實現(xiàn)工作進給和快速運動。工作進給和快速運動。3.2 伺服系統(tǒng)的組成及分類

3、伺服系統(tǒng)的組成及分類 3.2.2 對伺服系統(tǒng)的要求對伺服系統(tǒng)的要求 精度高精度高 速度反應(yīng)快速度反應(yīng)快 調(diào)速范圍大調(diào)速范圍大 可靠性高可靠性高 低速時扭矩大低速時扭矩大3.2 伺服系統(tǒng)的組成及分類伺服系統(tǒng)的組成及分類 3.2.3 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類按反饋比較控制可分為：按反饋比較控制可分為：1）脈沖數(shù)字比較伺服系統(tǒng)）脈沖數(shù)字比較伺服系統(tǒng)2）相位比較伺服系統(tǒng)）相位比較伺服系統(tǒng)3）幅值比較伺服系統(tǒng)）幅值比較伺服系統(tǒng)4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)）全數(shù)字伺服系統(tǒng)按使用的驅(qū)動裝置分為按使用的驅(qū)動裝置分為電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和和電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)。按使用電機分為按使用電機分為直流伺服電機直流伺服

4、電機和和交流伺服電機交流伺服電機。3.2 伺服系統(tǒng)的組成及分類伺服系統(tǒng)的組成及分類按控制方式分按控制方式分1.1.開環(huán)控制數(shù)控機床開環(huán)控制數(shù)控機床3.2 伺服系統(tǒng)的組成及分類伺服系統(tǒng)的組成及分類2.2.閉環(huán)控制數(shù)控機床閉環(huán)控制數(shù)控機床3.2 伺服系統(tǒng)的組成及分類伺服系統(tǒng)的組成及分類3.3.半閉環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制數(shù)控機床3.3 伺服電動機伺服電動機v 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的機電執(zhí)行元件。機械角位移的機電執(zhí)行元件。v 步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控開環(huán)控制系統(tǒng)制系統(tǒng)。由于沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，精。由于沒有反饋檢測環(huán)

5、節(jié)，精度較差，速度也受到步進電機性能的度較差，速度也受到步進電機性能的限制。但結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易調(diào)整，限制。但結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合具故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。有一定的使用價值。3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機的類型步進電動機的類型分分 類類 方方 式式 具具 體體 類類 型型按力矩產(chǎn)生的原理按力矩產(chǎn)生的原理（1）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實現(xiàn)步進運行。生反應(yīng)力矩實現(xiàn)步進運行。（2

6、）激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組（或轉(zhuǎn)子用永）激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組（或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼），由電磁力矩實現(xiàn)步進運行久磁鋼），由電磁力矩實現(xiàn)步進運行按輸出力矩大小按輸出力矩大?。?）伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾）伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾（Nm）只能驅(qū)動較小的負載，要與液壓扭矩放大）只能驅(qū)動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動機床工作臺等較大的負載器配用，才能驅(qū)動機床工作臺等較大的負載（2）功率式：輸出力矩在）功率式：輸出力矩在5-50 Nm以上，可以直接以上，可以直接驅(qū)動機床工作臺等較大的負載驅(qū)動機床工作臺等較大的負載按定子數(shù)按定子數(shù)（1）單定子式（）單定子

7、式（2）雙定子式（）雙定子式（3）三定子式（）三定子式（4）多定子式多定子式按各相繞組分布按各相繞組分布（1）徑向分布式：電機各相按圓周依次排列）徑向分布式：電機各相按圓周依次排列（2）軸向分布式：電機各相按軸向依次排列）軸向分布式：電機各相按軸向依次排列3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理 1、步進電動機的工作原理、步進電動機的工作原理 三相單三拍通電方式三相單三拍通電方式 : 若按若按ABC通電相序連通電相序連續(xù)通電，則步進電動機就連續(xù)續(xù)通電，則步進電動機就連續(xù)地沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，每換接地沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，每換接一次通電相序，步進

8、電動機沿一次通電相序，步進電動機沿逆時針方向轉(zhuǎn)過逆時針方向轉(zhuǎn)過30，即步距，即步距角為角為30。v 步進電動機的通電方式有：步進電動機的通電方式有：（1）單拍）單拍。在各相輪流通電的過程中，每拍只有一相通電。在各相輪流通電的過程中，每拍只有一相通電。 （2）雙拍）雙拍。采用雙相輪流通電方式，。采用雙相輪流通電方式， 即每拍都有兩相通電，即每拍都有兩相通電， 稱為雙拍。稱為雙拍。 如三相步進電動如三相步進電動機的通電順序為機的通電順序為ABBCCAAB， 則構(gòu)成三相雙三拍工作制。則構(gòu)成三相雙三拍工作制。（3）單雙拍，即單雙相輪流通電）單雙拍，即單雙相輪流通電。 如對三相步進電動機來說，如對三相步

9、進電動機來說， 單雙拍工作時的通電順序為單雙拍工作時的通電順序為AABBBCCCAA，一個循環(huán)為一個循環(huán)為6拍，稱為三相六拍工作制。拍，稱為三相六拍工作制。 3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)三相單三拍通電方式三相單三拍通電方式三相六拍通電方式三相六拍通電方式3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)2 2、步進電動機的主要特點、步進電動機的主要特點（1 1）轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速嚴格受脈沖的數(shù)量和頻率控制，）轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速嚴格受脈沖的數(shù)量和頻率控制，有脈沖就走，無脈沖則停，旋轉(zhuǎn)方向由通電順序決定。有脈沖就走，無脈沖則停，旋轉(zhuǎn)方向由通電順序決定。 （2

10、2）體積小，重量輕，價格低。）體積小，重量輕，價格低。 （3 3）驅(qū)動簡單，工作可靠，誤差不長期積累。）驅(qū)動簡單，工作可靠，誤差不長期積累。 （4 4）慣性小，容易調(diào)試。）慣性小，容易調(diào)試。 主要缺點主要缺點： v 使用不當時，會引起使用不當時，會引起 “失步失步”或或“過沖過沖”； v 運轉(zhuǎn)時有振動和噪音；運轉(zhuǎn)時有振動和噪音； v 額定轉(zhuǎn)速較低，最高頻率一般不超過額定轉(zhuǎn)速較低，最高頻率一般不超過1 kHz。 3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)3 3、步進電動機的主要特性、步進電動機的主要特性（1 1）步距角）步距角步進電動機的步距角越小，位置精度越高。步進電動機的步距角

11、越小，位置精度越高。 對于定子相數(shù)為對于定子相數(shù)為m m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z Z的步進電動機，其步距角為的步進電動機，其步距角為（2 2）步距誤差）步距誤差理論步距角與轉(zhuǎn)子每一步實際的步距角之間發(fā)熱差值。理論步距角與轉(zhuǎn)子每一步實際的步距角之間發(fā)熱差值。mZK3603.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)3 3、步進電動機的主要特性、步進電動機的主要特性（3 3）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性 為失調(diào)角為失調(diào)角 Mmax為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩tMMMLMmax0初始平衡點靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)定子轉(zhuǎn)子t3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)3 3、步進電

12、動機的主要特性、步進電動機的主要特性（4 4）啟動轉(zhuǎn)矩）啟動轉(zhuǎn)矩v 相鄰兩條曲線的交點所對應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機運行狀相鄰兩條曲線的交點所對應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機運行狀態(tài)的最大啟動轉(zhuǎn)距態(tài)的最大啟動轉(zhuǎn)距Mq。v 一般地，電機相數(shù)的增加會使矩角特性曲線變密，相一般地，電機相數(shù)的增加會使矩角特性曲線變密，相鄰兩條曲線的交點上移，會使鄰兩條曲線的交點上移，會使Mq增加。增加。（4 4）啟動轉(zhuǎn)矩）啟動轉(zhuǎn)矩v 相鄰兩條曲線的交點所對應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機運行狀相鄰兩條曲線的交點所對應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機運行狀態(tài)的最大啟動轉(zhuǎn)距態(tài)的最大啟動轉(zhuǎn)距Mq。v 一般地，電機相數(shù)的增加會使矩角特性曲線變密，相一般地，電機相數(shù)的增加會使

13、矩角特性曲線變密，相鄰兩條曲線的交點上移，會使鄰兩條曲線的交點上移，會使Mq增加。增加。（5 5）空載啟動頻率）空載啟動頻率fqfqv 空載時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的空載時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率。正常運行所允許的最高頻率。3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)3 3、步進電動機的主要特性、步進電動機的主要特性（6 6）運行矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩）運行矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)4 4、步進電動機的控制、步進電動機的控制步進電動機驅(qū)動裝置由步進電動機驅(qū)動裝置由環(huán)形脈沖分配器環(huán)形脈

14、沖分配器、功率放大驅(qū)動功率放大驅(qū)動電路電路兩大部分組成，兩大部分組成， 功率放大脈沖分配BCAABC步進電動機控制電路步進電動機控制電路 3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)4 4、步進電動機的控制、步進電動機的控制1）脈沖分配器）脈沖分配器v 將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按照運行通電方式將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按照運行通電方式所要求的順序和分配規(guī)律，分配到各相驅(qū)動電路輸入所要求的順序和分配規(guī)律，分配到各相驅(qū)動電路輸入端，端， 用以控制各相繞組中電流的開通和關(guān)斷。用以控制各相繞組中電流的開通和關(guān)斷。三相三拍環(huán)形脈沖分配三相三拍環(huán)形脈沖分配 環(huán)形脈沖分配器165432

15、165342A相驅(qū)動B相驅(qū)動C相驅(qū)動硬件脈沖分配器硬件脈沖分配器 &C1 1DC1 1DC1 1DQAQBQCCPXX&1三相六拍脈沖分配器三相六拍脈沖分配器 軟件脈沖分配器軟件脈沖分配器 89C51功率驅(qū)動電路步進電動機CBA光耦P1.2光耦光耦P1.1P1.0單片機控制的三相步進電動機驅(qū)動電路框圖單片機控制的三相步進電動機驅(qū)動電路框圖 3.3.1 步進電動機及其控制系統(tǒng)步進電動機及其控制系統(tǒng)4 4、步進電動機的控制、步進電動機的控制2）步進電動機的驅(qū)動電路）步進電動機的驅(qū)動電路v 一般要求驅(qū)動電路應(yīng)能夠一般要求驅(qū)動電路應(yīng)能夠提供足夠幅值、前后沿較提供足夠幅值、前后沿較陡的勵

16、磁電流，而且功耗陡的勵磁電流，而且功耗小，效率高，小，效率高，運行穩(wěn)定、運行穩(wěn)定、可靠，易于維護?？煽?，易于維護。脈沖放大器控制信號步進電動機EVTVDRC單電源串電阻驅(qū)動電路單電源串電阻驅(qū)動電路 3.3 伺服電動機伺服電動機 3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制 v 根據(jù)磁場產(chǎn)生的方式，直流電機可分為根據(jù)磁場產(chǎn)生的方式，直流電機可分為電磁式電磁式和和永磁式永磁式。永磁式。永磁式用氧化體、鋁鎳鈷、稀土鈷等軟磁性材料建立激磁磁場。用氧化體、鋁鎳鈷、稀土鈷等軟磁性材料建立激磁磁場。v 根據(jù)控制方式，直流伺服電機可分為根據(jù)控制方式，直流伺服電機可分為磁場控制方式磁場控制方

17、式和和電樞控制方電樞控制方式式。一般電磁式直流伺服電機大多也用電樞控制方式。一般電磁式直流伺服電機大多也用電樞控制方式。3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制 1結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理v 寬調(diào)速直流伺服電動機又稱大慣寬調(diào)速直流伺服電動機又稱大慣量直流伺服電動機，量直流伺服電動機， 它通過提高它通過提高輸出力矩來提高力矩慣量比。輸出力矩來提高力矩慣量比。ZYSC系列永磁式直流寬調(diào)速伺服測速機組系列永磁式直流寬調(diào)速伺服測速機組寬調(diào)速直流伺服電動機特點：寬調(diào)速直流伺服電動機特點：1）過載能力強，能承受）過載能力強，能承受10倍于額定電流的峰值沖擊，倍于額定電流的峰值沖

18、擊， 能產(chǎn)生額定力矩能產(chǎn)生額定力矩10倍的瞬時轉(zhuǎn)矩。倍的瞬時轉(zhuǎn)矩。 2）力矩慣量比大，快速性好。）力矩慣量比大，快速性好。 3）低速時輸出力矩大。）低速時輸出力矩大。 4）調(diào)速范圍寬，與高性能伺服驅(qū)動單元組成速度控制系）調(diào)速范圍寬，與高性能伺服驅(qū)動單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速比超過統(tǒng)時，調(diào)速比超過1 10000。 5）轉(zhuǎn)子熱容量大，電動機的過載性能好，一般能過載運）轉(zhuǎn)子熱容量大，電動機的過載性能好，一般能過載運行幾十分鐘。行幾十分鐘。 3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制2. 直流伺服電動機速度控制方法

19、直流伺服電動機速度控制方法aa2eeMURnMCC C 直流電動機的機械特性公式直流電動機的機械特性公式 ： 在激磁電流在激磁電流I保持恒定的條件下，改變電樞電壓調(diào)速，保持恒定的條件下，改變電樞電壓調(diào)速，起動力矩大，機械特性好，具有恒轉(zhuǎn)矩特性，是直流伺服驅(qū)起動力矩大，機械特性好，具有恒轉(zhuǎn)矩特性，是直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)普遍采用的調(diào)速方法。動系統(tǒng)普遍采用的調(diào)速方法。3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制3 3、直流伺服電動機的工作特性、直流伺服電動機的工作特性 1 1）轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)矩- -速度特性曲線速度特性曲線 連續(xù)工作區(qū)；間斷工作區(qū)；瞬時工作區(qū)n / (rmin1)溫度極限換

20、向極限最高轉(zhuǎn)速瞬時換向極限最大轉(zhuǎn)矩15001000500020004000600080001000012000M / (Ncm)3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控制3 3、直流伺服電動機的工作特性、直流伺服電動機的工作特性 2 2）負載周期曲線）負載周期曲線v 在滿足負載所需轉(zhuǎn)矩，在滿足負載所需轉(zhuǎn)矩，而又確保電動機不過熱而又確保電動機不過熱的情況下，允許電動機的情況下，允許電動機的工作時間。的工作時間。 伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 CNC裝置測速Un直流伺服驅(qū)動裝置010 V編碼器MTGTG3.3.2 直流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機及其速度控

21、制3.3 伺服電動機伺服電動機 3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制v 交流伺服電機分為交流伺服電機分為異步型異步型和和同步型同步型。 v 同步型同步型交流電機可分為交流電機可分為永磁式永磁式及及反應(yīng)式反應(yīng)式兩大類。兩大類。v 永磁式同步電機永磁式同步電機與電磁式相比，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠與電磁式相比，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠效率高。采用高剩磁感應(yīng)、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電效率高。采用高剩磁感應(yīng)、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電機在外形尺寸、重量及轉(zhuǎn)子慣量方面都比直流電機大幅減小。機在外形尺寸、重量及轉(zhuǎn)子慣量方面都比直流電機大幅減小。所以在數(shù)控機床所以在

22、數(shù)控機床進給驅(qū)動進給驅(qū)動系統(tǒng)中多數(shù)采用系統(tǒng)中多數(shù)采用永磁式同步電機永磁式同步電機。v 異步型交流伺服電機異步型交流伺服電機與直流電機相比，重量輕，價格便宜；缺與直流電機相比，重量輕，價格便宜；缺點是其轉(zhuǎn)速受負載的變化影響較大，同時不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍點是其轉(zhuǎn)速受負載的變化影響較大，同時不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速。所以一般用在較廣的平滑調(diào)速。所以一般用在進給運動進給運動中。中。3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制1交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 永磁式交流伺服電動機橫剖面永磁式交流伺服電動機橫剖面 永磁式交流伺服電動機

23、縱剖面永磁式交流伺服電動機縱剖面 1定子；定子；2永久磁鐵；永久磁鐵； 1定子；定子；2轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子；3定子繞組；定子繞組；4壓板；壓板； 3軸向通風(fēng)孔；軸向通風(fēng)孔；4轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 5檢測元件；檢測元件；6接線盒接線盒 3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制同步電機同步電機3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制1交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理（2）工作原理）工作原理v 當定子三相繞組通以交流電后，產(chǎn)生一當定子三相繞組通以交流電后，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極的同性相斥、異

24、性相吸的原理，定子極的同性相斥、異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁場磁極相互吸引，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁場磁極相互吸引，并帶動轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也將以同步并帶動轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也將以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。v 當轉(zhuǎn)子軸加上外負載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子磁極當轉(zhuǎn)子軸加上外負載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子磁極的軸線將與定子磁極的軸線相差一個的軸線將與定子磁極的軸線相差一個角，若負載越大，角，若負載越大，也隨之增大。也隨之增大。 3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制2交流伺服電動機的調(diào)速原理交流伺服電動機的調(diào)速原理060(1)(1)fnSnSp交流電機同步轉(zhuǎn)速交流電機同步轉(zhuǎn)速 n = 60

25、f/p異步電動機的轉(zhuǎn)速為異步電動機的轉(zhuǎn)速為改變電動機轉(zhuǎn)速可采用以下幾種方法改變電動機轉(zhuǎn)速可采用以下幾種方法: 改變磁極對數(shù)改變磁極對數(shù)p。 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速S。 變頻調(diào)速變頻調(diào)速f。 3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制3、交流伺服電動機的性能、交流伺服電動機的性能永磁式交流伺服電動機的工作曲線永磁式交流伺服電動機的工作曲線 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩-速度工作曲線。速度工作曲線。 高可靠性。高可靠性。 散熱容易，便于安裝熱保護。散熱容易，便于安裝熱保護。 轉(zhuǎn)子慣量小，其結(jié)構(gòu)允許高速工作。轉(zhuǎn)子慣量小，其結(jié)構(gòu)允許高速工作。 體積小，質(zhì)量小。體積小，質(zhì)量小。3.3.3 交流伺

26、服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制v 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電機提供頻率可變電源的變頻機提供頻率可變電源的變頻器。變頻器可分為：器。變頻器可分為：1）交）交-交變頻交變頻v 利用可控硅整流器直接將工利用可控硅整流器直接將工頻交流電變成頻率較低的脈頻交流電變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，這個脈動反組輸出負脈沖，這個脈動交流電的基波就是所需的變交流電的基波就是所需的變頻電壓。頻電壓。3.3.3 交流伺服電動機及其速度控制交流伺服電動機及其速度控制2）交）交-直直-交變頻方式交變頻方式v 先將交流電整流成直流電，

27、然先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。就是所需的變頻電壓。v 所得交流電的波動小，調(diào)頻范所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。v 數(shù)控機床上常采用交數(shù)控機床上常采用交-直直-交變交變頻調(diào)速。頻調(diào)速。 3.4 數(shù)控機床的位置檢測裝置數(shù)控機床的位置檢測裝置 為了提高數(shù)控機床的加工精度，必須提高檢測元件和檢測為了提高數(shù)控機床的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度。一般要求檢測元件的分辨率在系統(tǒng)的精度。一般要求檢測元件的分辨率在0.00010.00

28、010.1mm0.1mm之之間，測量精度為間，測量精度為（0.0010.0010.020.02）mmmmm m。 系統(tǒng)分辨率的提高，對機床加工精度有一定的影響，但不系統(tǒng)分辨率的提高，對機床加工精度有一定的影響，但不宜過小，宜過小，分辨率的選取和脈沖當量的選擇方法一樣，按機床加分辨率的選取和脈沖當量的選擇方法一樣，按機床加工精度的工精度的1/101/3選取。選取。 3.4.1 概述概述1 1）高可靠性和高抗干擾性。）高可靠性和高抗干擾性。2 2）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境。）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境。3 3）能夠滿足精度和速度的要求。）能夠滿足精度和速度的要求。4 4）易于實現(xiàn)高速的動

29、態(tài)測量、處理和自動化。）易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量、處理和自動化。5）成本低、壽命長。成本低、壽命長。 3.4.1 概述概述1、對位置檢測裝置的要求、對位置檢測裝置的要求 1 1）數(shù)字式測量和模擬式測量）數(shù)字式測量和模擬式測量 數(shù)字式測量數(shù)字式測量是以量化后的數(shù)字形式表示被測的量。是以量化后的數(shù)字形式表示被測的量。 特點：測量裝置簡單，信號抗干擾能力強，且便于顯示特點：測量裝置簡單，信號抗干擾能力強，且便于顯示處理。處理。 模擬式測量模擬式測量是將被測的量用連續(xù)的變量（如電壓變化、是將被測的量用連續(xù)的變量（如電壓變化、相位變化）表示。主要用于小量程的測量。相位變化）表示。主要用于小量程的測量。 3

30、.4.1 概述概述2、位置檢測裝置的分類、位置檢測裝置的分類 2 2）增量式測量和絕對式測量）增量式測量和絕對式測量 增量式測量增量式測量只測量位移增量，每移動一個測量單位就發(fā)出只測量位移增量，每移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號。一個測量信號。 優(yōu)點：檢測裝置簡單，任何一個對中點都可以作為測量起優(yōu)點：檢測裝置簡單，任何一個對中點都可以作為測量起點，在輪廓控制數(shù)控機床上大都采用這種測量方式。點，在輪廓控制數(shù)控機床上大都采用這種測量方式。 絕對式測量絕對式測量對于被測量的任意一點位置均由固定的零點作對于被測量的任意一點位置均由固定的零點作基準，每一被測點都有一個相應(yīng)的測量值。基準，每一被測點都有

31、一個相應(yīng)的測量值。 2、位置檢測裝置的分類、位置檢測裝置的分類3.4.1 概述概述 3 3）直接測量和間接測量）直接測量和間接測量 直接測量直接測量是將檢測裝置直接安裝在執(zhí)行部件上。測量直線是將檢測裝置直接安裝在執(zhí)行部件上。測量直線位移量常用光柵、感應(yīng)同步器等檢測裝置。位移量常用光柵、感應(yīng)同步器等檢測裝置。 優(yōu)點：直接反映工作臺的直線位移量，測量精度高；缺點優(yōu)點：直接反映工作臺的直線位移量，測量精度高；缺點是檢測裝置要和行程等長。是檢測裝置要和行程等長。 間接測量間接測量是通過測量與工作臺直線運動相關(guān)聯(lián)的回轉(zhuǎn)運動，是通過測量與工作臺直線運動相關(guān)聯(lián)的回轉(zhuǎn)運動，間接地測量工作臺的直線位移，常用旋轉(zhuǎn)

32、變壓器等。間接地測量工作臺的直線位移，常用旋轉(zhuǎn)變壓器等。 使用可靠方便，無長度限制；缺點是測量信號加入了傳動使用可靠方便，無長度限制；缺點是測量信號加入了傳動鏈誤差，影響測量精度。鏈誤差，影響測量精度。3.4.1 概述概述2、位置檢測裝置的分類、位置檢測裝置的分類根據(jù)伺服系統(tǒng)位置檢測的特點，把傳感器分為回轉(zhuǎn)型和直根據(jù)伺服系統(tǒng)位置檢測的特點，把傳感器分為回轉(zhuǎn)型和直線型，回轉(zhuǎn)型用于檢測角位線型，回轉(zhuǎn)型用于檢測角位移，直線型用于檢測直線位移。移，直線型用于檢測直線位移。 表表3-1 數(shù)控機床中常用的位置檢測元器件數(shù)控機床中常用的位置檢測元器件 3.4.1 概述概述3.4 位置檢測裝置位置檢測裝置1、

33、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)v 由定子和轉(zhuǎn)子組成，是由定子和轉(zhuǎn)子組成，是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電動機。旋轉(zhuǎn)變壓器分電動機。旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷和無刷兩種。為有刷和無刷兩種。 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)1分解器定子線圈；分解器定子線圈；2分解器轉(zhuǎn)子線圈；分解器轉(zhuǎn)子線圈；3轉(zhuǎn)子軸；轉(zhuǎn)子軸；4分解器轉(zhuǎn)子；分解器轉(zhuǎn)子；5分解器定子；分解器定子；6變壓器定子；變壓器定子；7變壓器轉(zhuǎn)子；變壓器轉(zhuǎn)子；8變壓器一次繞組；變壓器一次繞組；9變壓器二次繞組變壓器二次繞組3.4.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 3.4.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 2、工作原理工作原理兩級型旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理兩級型旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

34、 v 當轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與當轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸位置定子繞組的磁軸位置轉(zhuǎn)動到一角度轉(zhuǎn)動到一角度時，時，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為應(yīng)電動勢為u2=ku1sin=kUmsint sin1 1）相位工作方式）相位工作方式 給定子的兩個繞組通以相同幅給定子的兩個繞組通以相同幅值、相同頻率，但相位差值、相同頻率，但相位差/2/2的交的交流激磁電壓。流激磁電壓。在轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，工作在轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，工作繞組中的感應(yīng)電動勢為繞組中的感應(yīng)電動勢為 u2=kUmcos(t-) 通過測量轉(zhuǎn)子繞通過測量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位組輸出電壓的相位角角，就可測得轉(zhuǎn)子，就可測得轉(zhuǎn)子相對于定子的空間相對于

35、定子的空間轉(zhuǎn)角位置。轉(zhuǎn)角位置。3.4.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器45 U1sU1cRU2轉(zhuǎn)子定子正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器2 2）幅值工作方式）幅值工作方式 在定子的正、余弦繞組上分別通以頻率相同，但幅值分在定子的正、余弦繞組上分別通以頻率相同，但幅值分別為別為Usm和和Ucm的交流激磁電壓。當轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，的交流激磁電壓。當轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓U2為為 u2=kUmcos（-）sint 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅而變化，測量出幅值即可求得偏轉(zhuǎn)角值即可求得偏轉(zhuǎn)角，被測軸的角位移也就可求

36、得了。，被測軸的角位移也就可求得了。3.4.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 感應(yīng)同步器是感應(yīng)同步器是一種電磁式的位置檢測傳感器，用于直線位一種電磁式的位置檢測傳感器，用于直線位移的測量，主要部件包括定尺和滑尺。移的測量，主要部件包括定尺和滑尺。3.4 位置檢測裝置位置檢測裝置3.4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 特點特點：測量長度：測量長度不受限制，工作可靠、不受限制，工作可靠、抗干擾性強，維護簡抗干擾性強，維護簡單、壽命長。單、壽命長。感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)3.4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 定尺和滑尺分別安定尺和滑尺分別安裝在機床床身和移動部裝在機床床身和移動部件上，兩

37、者平行放置，件上，兩者平行放置，保持保持0.20.3mm的間的間隙?；呱嫌袃山M勵磁隙?；呱嫌袃山M勵磁繞組，一組為正弦勵磁繞組，一組為正弦勵磁繞組繞組us，一組為余弦勵，一組為余弦勵磁繞組磁繞組uc，在空間位置，在空間位置上相差上相差1/4節(jié)距，即節(jié)距，即/2相位角。相位角。 1)1)相位工作方式相位工作方式 給滑尺的正弦繞組和余給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以弦繞組分別通以頻率相同、頻率相同、幅值相同，但相位差幅值相同，但相位差9090的勵磁電的勵磁電壓，當滑尺移動壓，當滑尺移動X X距離時，定尺繞組中的感距離時，定尺繞組中的感應(yīng)電壓為應(yīng)電壓為ud=kUmsin(t-)=kUmsin(t

38、-2x/) 通過鑒別定尺電壓的相位，可測得滑尺與定尺間的相對位移。通過鑒別定尺電壓的相位，可測得滑尺與定尺間的相對位移。2、工作原理、工作原理3.4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器2 2）幅值工作方式）幅值工作方式給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以相位相同、頻率相位相同、頻率相同，但幅值不同相同，但幅值不同的勵磁電的勵磁電壓，當壓，當很小時，定尺上的感很小時，定尺上的感應(yīng)電壓可近似表示為應(yīng)電壓可近似表示為 3.4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器ud=kUmsint= kUmsint(2/)X =2X/ 由此可以看出，當位移增量由此可以看出，當位移增量X很小時，感應(yīng)電壓的幅

39、值很小時，感應(yīng)電壓的幅值和和X成正比，因此可以通過測量成正比，因此可以通過測量ud的幅值來測定位移量的幅值來測定位移量X的的大小。大小。 3.4.4 光柵光柵 光柵外觀光柵外觀 光柵是一種高精度的直線位移傳感器，在數(shù)控機床上用于測光柵是一種高精度的直線位移傳感器，在數(shù)控機床上用于測量工作臺的量工作臺的位移，屬直接測量，并組成位置閉環(huán)伺服系統(tǒng)。位移，屬直接測量，并組成位置閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 3.4 位置檢測裝置位置檢測裝置1、光柵的結(jié)構(gòu)、光柵的結(jié)構(gòu) 按光線在光柵中是反射還是透射分為反射光柵和透射按光線在光柵中是反射還是透射分為反射光柵和透射光柵；按形狀分為測量角位移的光柵；按形狀分為測量角位移的圓光

40、柵和圓光柵和測量直線位移測量直線位移長光長光柵柵；檢測精度可達；檢測精度可達1m 以上。以上。光柵種類光柵種類(a)透射光柵透射光柵；(b)反射光柵反射光柵 2 2、光柵的工作原理、光柵的工作原理安裝組件時，指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成安裝組件時，指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一個很小的角度一個很小的角度，兩光柵尺上的線紋相互交叉。，兩光柵尺上的線紋相互交叉。 在光源的照射下，明暗相間與光柵線紋幾乎垂直的條紋在光源的照射下，明暗相間與光柵線紋幾乎垂直的條紋稱為稱為莫爾條紋莫爾條紋。光柵的工作原理光柵的工作原理 3.4.4 光柵光柵 莫爾條紋具有以下特點：莫爾條紋具有以下特點：（1

41、）放大作用放大作用。當兩光柵尺線紋之間的夾角。當兩光柵尺線紋之間的夾角很小時，很小時，莫爾條紋的節(jié)距莫爾條紋的節(jié)距W和柵距和柵距P之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 PPWsin莫爾條紋的節(jié)距是光柵柵距的莫爾條紋的節(jié)距是光柵柵距的1/倍。因為倍。因為很小，所以很小，所以WP。若設(shè)。若設(shè)P=0.01mm，=0.01rad，可得可得W=1mm，從而把從而把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。倍的莫爾條紋的寬度。 3.4.4 光柵光柵 （2 2）平均效應(yīng)平均效應(yīng) 莫爾條紋對個別線紋的間距誤差就不敏感，這在很大程度上莫爾條紋對個別線紋的間距誤差就不敏感，這在很大程度上消除了柵距刻制

42、不均勻造成的誤差。消除了柵距刻制不均勻造成的誤差。 （3）信息變換作用信息變換作用 莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。（4）光強分布規(guī)律光強分布規(guī)律 當用平行光束照射光柵時，就會形成明、暗相間的莫爾條當用平行光束照射光柵時，就會形成明、暗相間的莫爾條紋。由亮紋到暗紋，再由暗紋到亮紋的光強分布近似余弦函數(shù)。紋。由亮紋到暗紋，再由暗紋到亮紋的光強分布近似余弦函數(shù)。 3.4.4 光柵光柵 1 1）測量移動位置）測量移動位置2 2）確定移動方向）確定移動方向3 3）確定移動速度）確定移動速度3.光柵檢測裝置的應(yīng)用光柵檢測裝置的應(yīng)用P1P2P3P4硅光電池差動放

43、大器整形器差動放大器整形器方向判別門電路可逆計數(shù)器控制回路正向脈沖反向脈沖標尺光柵指示光柵聚光鏡光源磁柵是一種利用電磁特性和錄磁柵是一種利用電磁特性和錄磁原理對位移進行檢測的裝置。磁原理對位移進行檢測的裝置。 按其結(jié)構(gòu)特點可分為按其結(jié)構(gòu)特點可分為直線式直線式和和角位移式角位移式。 具有精度高、復(fù)制簡單以及安具有精度高、復(fù)制簡單以及安裝調(diào)整方便等優(yōu)點，而且在油污、裝調(diào)整方便等優(yōu)點，而且在油污、灰塵較多的工作環(huán)境使用時，仍具灰塵較多的工作環(huán)境使用時，仍具有較高的穩(wěn)定性。有較高的穩(wěn)定性。3.4 位置檢測裝置位置檢測裝置3.4.5 磁柵磁柵 1 1、磁性標尺、磁性標尺 磁性標尺由磁性標尺基磁性標尺由磁

44、性標尺基體和磁性膜構(gòu)成，磁性膜上體和磁性膜構(gòu)成，磁性膜上有用錄磁方法錄制的波長為有用錄磁方法錄制的波長為的磁波的磁波。 3.4.5 磁柵磁柵磁柵測量裝置磁柵測量裝置 2 2、拾磁磁頭、拾磁磁頭 分為分為動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭和和靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭。由于位置檢測要求當磁尺與磁頭。由于位置檢測要求當磁尺與磁頭相對運動速度很低或處于靜止時也能測量位移或位置，所以應(yīng)相對運動速度很低或處于靜止時也能測量位移或位置，所以應(yīng)采用靜態(tài)磁頭，又稱為采用靜態(tài)磁頭，又稱為磁通響應(yīng)型磁頭磁通響應(yīng)型磁頭。 3 3、磁柵工作原理、磁柵工作原理當磁頭靠近磁尺時，當磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁通在磁尺上的磁通在磁頭氣隙磁頭氣隙處進入鐵

45、芯，并流過拾磁處進入鐵芯，并流過拾磁繞組的磁芯而產(chǎn)生感應(yīng)電繞組的磁芯而產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出：壓輸出： m2sinsineEt磁通響應(yīng)型單拾磁磁頭結(jié)構(gòu)磁通響應(yīng)型單拾磁磁頭結(jié)構(gòu)(a)磁場分布；磁場分布；(b)磁頭結(jié)構(gòu)磁頭結(jié)構(gòu) e e是由磁頭在磁性標尺是由磁頭在磁性標尺上的位置所決定。上的位置所決定。 3.4.5 磁柵磁柵雙磁頭雙磁頭是為了識別是為了識別磁柵的移動方向而設(shè)置磁柵的移動方向而設(shè)置的。兩磁頭按的。兩磁頭按(m(m1 14)4)配置（配置（m為正整為正整數(shù)），輸出電壓求和數(shù)），輸出電壓求和 02sin()UUt雙磁頭結(jié)構(gòu)雙磁頭結(jié)構(gòu) 輸出電壓隨磁頭相對于磁柵的位移量輸出電壓隨磁頭相對于磁柵的位移量X X的變化而變化，根據(jù)的變化而變化，根據(jù)輸出電壓相位變化輸出電壓相位變化可測出磁柵位移量?？蓽y出磁柵位移量。3.4.5 磁柵磁柵多間隙磁頭多間隙磁頭 由于單磁頭讀由于單磁頭讀取磁性標尺上的磁取磁性標尺上的磁化信號輸出電壓很化信號輸出電壓很小，而且對磁尺上小，而且對磁尺上磁化信號的節(jié)距磁化信號的節(jié)距和和波形要求高，因