《機(jī)床數(shù)控技術(shù) 第2版》課件 第5章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

第5章

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它的高性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度。為此，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)裝置、位置控制、速度控制等方面都有很高的要求。學(xué)習(xí)和研究高性能的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)一直是掌握現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵之一。5.1

概

述

伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)通常是指各坐標(biāo)軸的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的連接環(huán)節(jié)，它把數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算生成的位置指令，精確地變換為機(jī)床移動(dòng)部件的位移，直接反映了機(jī)床坐標(biāo)軸跟蹤運(yùn)動(dòng)指令和實(shí)際定位的性能。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求有：1）高精度；2）穩(wěn)定性好；3）響應(yīng)速度快，無超調(diào)；4）電機(jī)調(diào)速范圍寬；5）低速大轉(zhuǎn)矩；6）可靠性高5.2

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。用于驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的稱為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)；用于驅(qū)動(dòng)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的稱為主軸電動(dòng)機(jī)。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)通常用于閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。伺服電動(dòng)機(jī)又分直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)70~80年代中期在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用較多。5.2.1

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或線位移的電磁裝置。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，它就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，通常把它稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。步距角的計(jì)算公式為

式中

——步距角；

——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

m——定子的相數(shù)；

k——拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。如三相三拍時(shí)，k=1；三相六拍時(shí)，k=2。1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是采用定子與轉(zhuǎn)子間電磁吸合原理工作，根據(jù)磁場(chǎng)建立方式，主要分為反應(yīng)式和永磁反應(yīng)式（也稱混合式）兩類。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子無繞組，由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行；混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永久磁鋼，由勵(lì)磁和永磁產(chǎn)生的電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。按輸出力矩大小分為伺服式和功率式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服式只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，功率式可以直接驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，沒有累積誤差?？刂戚斎氲拿}沖數(shù)就能控制其位移量；改變通電頻率可改變其轉(zhuǎn)速。(2)當(dāng)停止送入脈沖，只要維持控制繞組的電流不變，電動(dòng)機(jī)便停在某一位置上不動(dòng)，不需要機(jī)械制動(dòng)。(3)改變通電順序可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。(4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是效率低，拖動(dòng)負(fù)載的能力不大，脈沖當(dāng)量(步距角)不能太小，調(diào)速范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18kHz。3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性(1)步矩誤差。一轉(zhuǎn)內(nèi)各實(shí)際步距角與理論值之間誤差的最大值稱為步距誤差。(2)靜態(tài)矩角特性。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)。(3)啟動(dòng)頻率?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng)不丟步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高啟動(dòng)頻率稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。(4)連續(xù)運(yùn)行頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率，在實(shí)際運(yùn)用中，連續(xù)運(yùn)行頻率比啟動(dòng)頻率高得多。(5)矩頻特性。矩頻特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出的最大轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系曲線，如圖5.5所示。(6)加減速特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速特性用于描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的頻率變化與時(shí)間的關(guān)系，如圖5.6所示。圖5.5步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性圖5.6步進(jìn)電機(jī)的加減速特性5.2.2

伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)具有服從控制信號(hào)要求而動(dòng)作的性能，在信號(hào)來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號(hào)來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號(hào)消失，轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。因此有“伺服”性而得名。伺服電動(dòng)機(jī)分直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)又分小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)和大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)，由于小慣量直流電機(jī)最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最快的響應(yīng)速度，在早期的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用得較多。1.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)分電勵(lì)磁和永久磁鐵勵(lì)磁兩種，但占主導(dǎo)地位的是永久磁鐵勵(lì)磁(永磁)直流伺服電動(dòng)機(jī)。（1）永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，主要由定子、轉(zhuǎn)子、電刷與換向片與檢測(cè)元件等組成，如圖所示。圖5.7永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖1—檢測(cè)元件2—軸承3—電刷4—換向片5—定子6—轉(zhuǎn)子7—線圈（2）永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖所示，當(dāng)電樞繞組通以直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷與換向片保證電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定，從而使轉(zhuǎn)子沿固定方向均勻地帶動(dòng)負(fù)載連續(xù)旋轉(zhuǎn)。只要電樞繞組斷電，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)，不會(huì)出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。2.永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)屬于同步交流伺服電動(dòng)機(jī)，具有響應(yīng)快、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。（1）永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5.11和圖5.12所示，永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由三部分組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件。圖5.11永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)橫剖面1—定子2—永久磁鐵3—軸向通風(fēng)孔

4—轉(zhuǎn)軸圖5.12永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)縱剖面1—定子2—轉(zhuǎn)子3—壓板4—定子三相繞組5—脈沖編碼器

6—出線盒

轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和轉(zhuǎn)子鐵心組成。此結(jié)構(gòu)氣隙磁密度較高，極數(shù)較多，同一種鐵心和相同的磁鐵塊數(shù)可以裝成不同的極數(shù)，如圖所示。1—鐵心2—永久磁鐵3—非磁性套筒

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，還有一類稱有極靴星形轉(zhuǎn)子，如圖5.15所示，這種轉(zhuǎn)子可采用矩形磁鐵或整體星形磁鐵構(gòu)成。圖5.15有極靴星形轉(zhuǎn)子1—極靴2—籠條3—永久磁鐵4—轉(zhuǎn)子軛5—轉(zhuǎn)軸2)工作原理如圖所示，以一個(gè)二極永磁轉(zhuǎn)子為例，電樞繞組為三相對(duì)稱繞組，當(dāng)通以三相對(duì)稱電流時(shí)，定子的合成磁場(chǎng)為一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，圖中用一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極表示，該旋轉(zhuǎn)磁極以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子旋轉(zhuǎn)磁極與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸引，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子也將以同步轉(zhuǎn)速ns與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)θ角，隨著負(fù)載增加，θ角也隨之增大，負(fù)載減小時(shí)，θ角也減小，只要負(fù)載不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子速度n為式中

f——交流供電電源頻率（定子供電頻率）（Hz）；p——定子和轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖5.17所示。在連續(xù)工作區(qū)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的任何組合都可連續(xù)工作；在斷續(xù)工作區(qū)，電動(dòng)機(jī)可間斷運(yùn)行。圖5.17永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性5.2.3

直線電動(dòng)機(jī)

1.直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理直線電動(dòng)機(jī)的類別不一樣，工作原理也不盡相同。交流異步原理是直線電動(dòng)機(jī)的基本形式。直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5.18所示，在一個(gè)有槽的矩形初級(jí)部件中鑲嵌三相繞組(相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的定子)，在板狀次級(jí)部件中鑲嵌短路棒(相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子)。圖5.18直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖1—直線位移檢測(cè)裝置2—測(cè)量部件3—初級(jí)繞組4—次級(jí)繞組2.直線電動(dòng)機(jī)的特性(1)直線電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的力直接作用于移動(dòng)部件，因此省去了滾珠絲杠和螺母等機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可以減小傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性，提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和精度，避免振動(dòng)的產(chǎn)生。(2)由于動(dòng)態(tài)性能好，可以獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度。(3)如果采用拼裝的次級(jí)部件，還可以實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的直線運(yùn)動(dòng)距離。(4)運(yùn)動(dòng)功率的傳遞是非接觸的，沒有機(jī)械磨損。5.3數(shù)控機(jī)床常用檢測(cè)裝置

5.3.1概述在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，位置控制是指將數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)計(jì)算的理論值與實(shí)際值的檢測(cè)值相比較，用二者的差值去控制進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)，使工作臺(tái)或刀架運(yùn)動(dòng)到指令位置。實(shí)際值的采集，則需要位置檢測(cè)裝置來完成。1.直接測(cè)量和間接測(cè)量2.增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量3.數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量5.3.2

旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器通常有增量式和絕對(duì)式兩種類型。它通常安裝在被測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。1.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器常用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式光電編碼器，如圖5.19所示。光電編碼器由帶聚光鏡的發(fā)光二極管(LED)、光欄板、光電碼盤、光敏元件及信號(hào)處理電路組成。圖5.19增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖及外觀圖1—轉(zhuǎn)軸2—發(fā)光二極管3—光欄板4—零標(biāo)志5—光敏元件6—光電碼盤7—印制電路板8—電源及信號(hào)連接座2.絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器下面以接觸式碼盤和絕對(duì)式光電碼盤分別介紹絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量原理。(1)接觸式碼盤。圖5.21所示為接觸式碼盤示意圖。圖5.21(b)為4位BCD（Binary-CodedDecimal?）碼盤。它是在一個(gè)不導(dǎo)電基體上做出許多金屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示，其它部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。這樣，在每一個(gè)徑向上，都有由“1”、“0”組成的二進(jìn)制代碼。圖5.21接觸式碼盤(2)絕對(duì)式光電碼盤。絕對(duì)式光電碼盤與接觸式碼盤結(jié)構(gòu)相似，只是其中的黑白區(qū)域不表示導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光區(qū)和不透光區(qū)。圖5.22為8碼道光電碼盤示意圖。圖5.22絕對(duì)式光電碼盤3.編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用(1)位移測(cè)量。在數(shù)控機(jī)床中編碼器和伺服電動(dòng)機(jī)同軸連接或連接在滾珠絲杠末端用于工作臺(tái)和刀架的直線位移測(cè)量。(2)主軸控制。當(dāng)數(shù)控車床主軸安裝編碼器后，則該主軸具有C軸插補(bǔ)功能，可實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與z坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制；恒線速切削控制，即隨著刀具的徑向進(jìn)給及切削直徑的逐漸減小或增大，通過提高或降低主軸轉(zhuǎn)速，保持切削線速度不變；主軸定向控制等。(3)測(cè)速。光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此，光電編碼器可代替測(cè)速發(fā)電機(jī)的模擬測(cè)速而成為數(shù)字測(cè)速裝置。(4)編碼器應(yīng)用于交流伺服電動(dòng)機(jī)控制中，用于轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)，提供位置反饋和速度反饋信號(hào)。(5)零標(biāo)志脈沖用于回參考點(diǎn)控制。數(shù)控機(jī)床采用增量式的位置檢測(cè)裝置時(shí)，在接通電源后要先作回參考點(diǎn)的操作。返回參考點(diǎn)是否正確與檢測(cè)裝置中的零標(biāo)志有很大的關(guān)系。5.3.3

旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是利用當(dāng)變壓器的一次側(cè)外施以交流電壓勵(lì)磁時(shí)，其二次側(cè)的輸出電壓將與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格保持某種函數(shù)關(guān)系的一種模擬式角度測(cè)量元件，一般用于精度要求不高的機(jī)床上進(jìn)行角度測(cè)量。1.工作原理實(shí)際應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)變壓器為正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子各有相互垂直的兩個(gè)繞組，如圖所示為正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖。2.旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)從轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的輸出方式來看，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷和無刷兩種類型。在有刷結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子繞組的端點(diǎn)通過電刷和滑環(huán)引出。目前數(shù)控機(jī)床常用的是無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖5.24無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖及外觀圖1—?dú)んw2—轉(zhuǎn)子軸3—旋轉(zhuǎn)變壓器定子4—旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子5—變壓器定子6—變壓器轉(zhuǎn)子7—變壓器一次繞組8—變壓器二次繞組5.3.4感應(yīng)同步器

1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器也是一種電磁式位置檢測(cè)傳感器，主要部件由定尺和滑尺組成，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中。圖5.25所示為直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5.25直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖1—定部件（床身）2—運(yùn)動(dòng)部件（工作臺(tái)或刀架）3—定尺繞組引線4—定尺座5—防護(hù)罩6—滑尺7—滑尺座

8—滑尺繞組引線9—調(diào)整墊10—定尺11—正弦勵(lì)磁繞組12—余弦勵(lì)磁繞組2.感應(yīng)同步器的特點(diǎn)1)精度高。因?yàn)槎ǔ叩墓?jié)距誤差有平均補(bǔ)償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線式感應(yīng)同步器對(duì)機(jī)床位移的測(cè)量是直接測(cè)量，不經(jīng)過任何機(jī)械傳動(dòng)裝置，測(cè)量精度取決于尺子的精度。2)測(cè)量長(zhǎng)度不受限制。當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度大于50mm時(shí)，可以采用多塊定尺接長(zhǎng)的方法進(jìn)行測(cè)量。3)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。因?yàn)楦袘?yīng)同步器定尺和滑尺的繞組是在基板上用光學(xué)腐蝕方法制成的銅箔鋸齒形的印制電路繞組，銅箔與基板之間有一層極薄的絕緣層。4)維修簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦、磨損，使用壽命長(zhǎng)，不怕灰塵、油污及沖擊振動(dòng)。5)工藝性好，成本較低，便于成批生產(chǎn)。5.3.5

光柵尺

光柵尺(又稱光柵)是一種高精度的直線位移傳感器，是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的測(cè)量裝置。由光源、聚光鏡、標(biāo)尺光柵(長(zhǎng)光柵)、指示光柵(短光柵)和硅光電池等光敏元件組成。光柵尺外觀圖如所示。1—光柵尺2—掃描頭3—電纜

數(shù)控機(jī)床中用于直線位移檢測(cè)的光柵尺有透射光柵和反射光柵兩大類，如圖所示。在玻璃表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱為反射光柵。1—光敏元件2、4—透鏡3—狹縫5—光源G1—標(biāo)尺光柵G2—指示光柵

光柵尺上相鄰兩條光柵線紋間的距離稱為柵距或節(jié)距

，線密度是指每毫米長(zhǎng)度上的線紋數(shù)，用k表示，則=1/k。安裝時(shí)，要求標(biāo)尺光柵和指示光柵相互平行，它們之間有0.05mm～0.1mm的間隙，并且其線紋相互偏斜一個(gè)很小的角度θ，兩光柵線紋相交，形成透光和不透光的菱形條紋。在相交處出現(xiàn)的黑色條紋，稱為莫爾條紋。（a）莫爾條紋形成原理

（b）莫爾條紋放大原理

光柵尺輸出有兩種：一種是正弦波信號(hào)，一種是方波信號(hào)。正弦波輸出有電流型和電壓型，對(duì)正弦波輸出信號(hào)需經(jīng)差動(dòng)放大、整形后得到脈沖信號(hào)。下圖所示為HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號(hào)經(jīng)5倍頻處理后的信號(hào)波形。(a)正弦測(cè)量信號(hào)(b)整形后的測(cè)量信號(hào)(c)5倍頻處理后的測(cè)量信號(hào)5.3.6

磁柵

磁柵是一種計(jì)算磁波數(shù)目的位置檢測(cè)元件。它由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路組成。按其結(jié)構(gòu)分為直線形和圓形磁柵，分別用于直線位移和角位移的檢測(cè)。1.磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺通常采用熱脹系數(shù)與普通鋼相同的不導(dǎo)磁材料做基體，在基體上鍍上一層10～30厚的高導(dǎo)磁性材料，形成均勻磁膜。如圖所示。2.拾磁磁頭拾磁磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來把磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)檢測(cè)出來變成電信號(hào)送給檢測(cè)電路。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭，如圖所示。5.4

位置控制和速度控制

位置控制和速度控制是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。位置控制根據(jù)計(jì)算機(jī)插補(bǔ)運(yùn)算得到的位置指令，與位置檢測(cè)裝置反饋來的機(jī)床坐標(biāo)軸的實(shí)際位置相比較，形成位置偏差，經(jīng)變換得到速度給定電壓。速度控制單元根據(jù)位置控制輸出的速度電壓信號(hào)和速度檢測(cè)裝置反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，以驅(qū)動(dòng)機(jī)床傳動(dòng)部件。5.4.1

位置控制從理論上來說，位置控制的類型可以有很多，但目前在數(shù)控機(jī)床位置進(jìn)給控制中，為了加工出光滑的零件表面，不允許出現(xiàn)位置超調(diào)，采用“比例型”和“比例加前饋型”的位置控制器，可以較容易地達(dá)到上述要求。就閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)而言，位置控制的實(shí)質(zhì)是位置隨動(dòng)控制，其控制原理如圖所示。1.脈沖比較法組成脈沖比較器由可加減的可逆計(jì)數(shù)器和脈沖分離器組成，如圖所示。它是將脈沖信號(hào)PC與反饋的脈沖信號(hào)Pf相比較，得到脈沖偏差信號(hào)Pe。2．脈沖比較法原理當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)要求工作臺(tái)向一個(gè)方向進(jìn)給時(shí)，經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到一系列進(jìn)給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺(tái)的指令進(jìn)給量，頻率代表了工作臺(tái)的進(jìn)給速度，方向代表了工作臺(tái)的進(jìn)給方向。以增量式光電編碼器為例，隨著伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢而升降。5.4.2

速度控制

速度控制也稱驅(qū)動(dòng)裝置。數(shù)控機(jī)床中的驅(qū)動(dòng)裝置又因驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的不同而不同。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有高低壓切換、恒流斬波等。直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有脈寬調(diào)制(PWM)、晶閘管(SCR)控制。交流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有他控變頻控制和自控變頻控制。1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置由前述可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是脈沖控制方式。只要控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)指令脈沖的數(shù)量即可控制工作臺(tái)移動(dòng)的位移量，控制其指令脈沖的頻率即可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)移動(dòng)速度的控制。1)環(huán)形分配環(huán)形分配用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式，其作用就是將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖按一定的順序和分配方式控制各相繞組的通、斷電。如圖所示。

實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種：一種是由包括在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部的環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，稱為硬件環(huán)形分配。兩種環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接如圖5.39和5.40所示。圖5.39硬件環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接圖5.40軟件環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接2)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行功率放大，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得足夠大的功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常采用高、低壓雙電壓驅(qū)動(dòng)。恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源也稱電流驅(qū)動(dòng)電源。圖5.41所示為恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源電路及波形圖。圖5.41恒流斬波電源電路及波形2.直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速，所以在調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中常采用直流伺服驅(qū)動(dòng)。PWM基本原理如圖5.42所示。（a）原理圖

（b）控制電壓、電樞電壓和電流的波形圖5.42PWM脈寬調(diào)制原理圖若脈沖的周期固定為T，在一個(gè)周期內(nèi)高電平持續(xù)的時(shí)間（導(dǎo)通時(shí)間）為Ton，高電平持續(xù)的時(shí)間與脈沖周期的比值稱為占空比λ，則圖中直流電機(jī)電壓的平均值為：1）PWM系統(tǒng)的組成原理圖5.43為PWM系統(tǒng)組成原理圖。該系統(tǒng)由控制部分、功率晶體管放大器和全波整流器三部分組成?？刂撇糠职ㄋ俣日{(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器、三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。圖5.43PWM系統(tǒng)原理2）晶體管脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器的作用是將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的矩形脈沖，即為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)且與之成比例的脈寬電壓。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，電壓量為電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓量，該電壓量是由系統(tǒng)插補(bǔ)器輸出的速度指令轉(zhuǎn)化而來。經(jīng)過脈寬調(diào)制器變?yōu)橹芷诠潭?、脈寬可變的脈沖信號(hào)，脈沖寬度的變化隨著速度指令而變化。由于脈沖周期不變，脈沖寬度的改變將使脈沖平均電壓改變。3.