第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

1、黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院劉國(guó)華,數(shù)控技術(shù),第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng),,第一節(jié) 概述第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置第四節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),,,,數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái)、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。 數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。 伺

2、服系統(tǒng)既是數(shù)控機(jī)床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。,第一節(jié) 概述,伺服系統(tǒng)的主要功能:從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號(hào)（5V左右，mA級(jí)），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（幾十、上百伏、安培級(jí)），用以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電動(dòng)機(jī)，將電控信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)床主體部件（如工作臺(tái)、主軸

3、或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主體運(yùn)動(dòng)的速度控制和位置控制，達(dá)到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標(biāo)。,,數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng),,,,,,第一節(jié) 概述,CNC裝置,伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服電機(jī),數(shù)控機(jī)床,第一節(jié) 概述,一、數(shù)控機(jī)床對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求,1、精度高 由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床的速度和位移輸出，為保證加工質(zhì)量，要求它有足夠高的定位精度和重復(fù)定位精度。一般要求定位精度為0.001-0.01mm，高檔設(shè)備達(dá)到0.1μm以上。速度控制要

4、求較高的調(diào)節(jié)精度和較強(qiáng)的抗負(fù)載干擾能力，以保證動(dòng)、靜態(tài)精度較高。2、快速響應(yīng)特性好 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，反映系統(tǒng)的跟蹤精度。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)時(shí)間都在20ms以內(nèi)，在短時(shí)間內(nèi)指令變化一次，要求伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)誤差小，反向死區(qū)小，能頻繁啟、停和正、反向運(yùn)動(dòng)。,,第一節(jié) 概述,3、調(diào)速范圍寬 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保證數(shù)

5、控機(jī)床在任何情況下都能得到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍。既滿足高速加工要求，又滿足低速進(jìn)給要求。在低速切削時(shí)，還要求伺服系統(tǒng)能輸出較大的轉(zhuǎn)距。4、系統(tǒng)可靠性好 數(shù)控機(jī)床的使用率很高，常常是24h連續(xù)工作不停機(jī)，因而要求其工作可靠。系統(tǒng)的可靠性常用發(fā)生故障時(shí)間間隔的長(zhǎng)短的平均值作為依據(jù)，即平均無故障時(shí)間。這個(gè)時(shí)間越長(zhǎng)，可靠性越好。,第一節(jié) 概述,執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)控制單元必不可少。驅(qū)動(dòng)控制單元將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件

6、所需要的信號(hào)形式，執(zhí)行元件則將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械位移。 開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件和機(jī)床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 閉環(huán)（半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)控制單元、機(jī)床以及反饋檢測(cè)元件、比較環(huán)節(jié)組成。反饋檢測(cè)元件分為速度反饋和位置反饋兩類，閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用位置反饋元件將工作臺(tái)的實(shí)際位置檢測(cè)后反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)

7、行元件帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。,二、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的基本組成,第一節(jié) 概述,數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成,第一節(jié) 概述,三、數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類,按控制原理和有無位置反饋裝置分為開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。,第一節(jié) 概述,1.開環(huán)和閉環(huán)控制,(1) 開環(huán)伺服系統(tǒng),開環(huán)

8、伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成，無位置檢測(cè)裝置。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)線路變換與放大，傳給步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)指令脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再通過齒輪副和絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。指令脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而決定了工作臺(tái)的移動(dòng)速度；指令脈沖的數(shù)量決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)而決定了工作臺(tái)的位移大小。開環(huán)伺服系統(tǒng)加工精度低。由于無位置檢測(cè)裝置，其精度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距精度和工作頻率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精

9、度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于對(duì)精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型、中小型數(shù)控系統(tǒng)。,第一節(jié) 概述,(2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),有位置檢測(cè)裝置，且裝在機(jī)床工作臺(tái)上，直接檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位移。 利用CNC裝置的指令值與位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)值的差值進(jìn)行位置控制。 精度高，其運(yùn)動(dòng)精度取決于檢測(cè)裝置的精度，與傳動(dòng)鏈的誤差無關(guān)。 位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。

10、 適用于大型或比較精密的數(shù)控設(shè)備。,第一節(jié) 概述,(3) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng),有位置檢測(cè)裝置，且裝在電機(jī)或絲杠的端頭，檢測(cè)角位移，間接獲得工作臺(tái)的位移。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。適用于中小型數(shù)控機(jī)床。,第一節(jié) 概述

11、,進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。,2.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng),第一節(jié) 概述,2.直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng),直流大慣量伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且由于電動(dòng)機(jī)慣性與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣量相當(dāng)，

12、構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整；直流中小慣量伺服電動(dòng)機(jī)，比較適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和機(jī)械換向器，限制了它向大容量、高電壓、高速度方向發(fā)展。在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服系統(tǒng)迅速進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電動(dòng)機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用

13、交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)將更合理。,第一節(jié) 概述,伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展概況 在50年代，數(shù)控機(jī)床主要采用液壓驅(qū)動(dòng)，稱為液壓伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是剛性好，時(shí)間常數(shù)小。 60年代初，日本推出步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使用維修方便，在數(shù)控設(shè)備中被廣泛采用。 70年代，直流電機(jī)伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制，精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，調(diào)速范圍可達(dá)1：10000，運(yùn)行速度提高到15-24m/min。直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的缺點(diǎn)

14、是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 在80年代以后，微機(jī)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為交流電機(jī)伺服系統(tǒng)的調(diào)速控制提供了條件，伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸取代了直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。,步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動(dòng)線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動(dòng)速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運(yùn)動(dòng)方向是由步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序來決定。但由于該系

15、統(tǒng)沒有反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。,一、步進(jìn)電機(jī)工作原理,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,步進(jìn)電機(jī),第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),二、步進(jìn)電機(jī)單定子反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用電磁鐵原理，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子分定子鐵芯和定子勵(lì)磁繞組。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵芯上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組，構(gòu)成A、B、C三相控制繞組，任一相繞

16、組通電形成一組定子磁極。轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸合工作。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),1.三相單三拍工作方式：,假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對(duì)齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對(duì)齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)30度。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30度，依次類推，定子按A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)

17、針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)30度。,若改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)30度。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個(gè)循環(huán)。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),定子的每個(gè)磁極正對(duì)轉(zhuǎn)子的圓弧面上均都均勻分布著5個(gè)小齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為9°。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有均勻分布的40個(gè)小齒，其大小和間距與定子上的完全相同。三相定子磁

18、極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開1/3齒距。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),（1）步距角和靜態(tài)步距誤差步進(jìn)電機(jī)步距角α與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，即有：α＝360°/(mzk)。其中：m相m拍時(shí)，k＝1；m相2m拍時(shí)，k＝2，依此類推。例如，三相三拍，z＝40時(shí)，α＝360°/(3×40×1)＝3°。α一般較小，如：3°／1.5°,1.5&#

19、176;／0.75°,0.72°／0.36°等。靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實(shí)際的步距角之差，一般在10′之內(nèi)。步距誤差主要由步進(jìn)電機(jī)步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。,2.步進(jìn)電機(jī)主要特征,(2) 啟動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就

20、不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低。隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。(3) 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)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。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),(4)矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)

21、矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),三.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路,功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。 驅(qū)動(dòng)

22、控制器主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),1.環(huán)形脈沖分配器功能：將進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)與方向?qū)?yīng)。即將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通、斷電。分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置本身帶有環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動(dòng)裝置本身無環(huán)

23、形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。2.功率放大器功能：將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)放大，以用足夠的功率來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。,第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng),四.提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施,1.傳動(dòng)間隙補(bǔ)償 傳動(dòng)元件的齒輪、絲杠制造裝配誤差使機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，最初若干個(gè)指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺(tái)無實(shí)際移動(dòng)，從而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。補(bǔ)償方法：先測(cè)出并存儲(chǔ)間隙大小，接收反向位移指令時(shí)，先不向步進(jìn)電機(jī)輸

24、出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，越過傳動(dòng)間隙，然后按照指令脈沖動(dòng)作。2.螺距誤差補(bǔ)償 滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機(jī)床工作臺(tái)的位移精度。補(bǔ)償方法：設(shè)置若干個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，在每個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)測(cè)量并記錄工作臺(tái)位移誤差，確定補(bǔ)償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)每經(jīng)過一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，CNC系統(tǒng)就加入補(bǔ)償量，補(bǔ)償螺距誤差。3.細(xì)分線路：將一個(gè)步距角細(xì)分為若干步的驅(qū)動(dòng)方法。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),1 直流伺服

25、電機(jī)（1）直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子：產(chǎn)生定子磁極、磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。數(shù)控機(jī)床的使用的直流伺服電機(jī)主要是大功率直流伺服電機(jī)：小慣量直流伺服電機(jī)：最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以獲得較快的響應(yīng)速度。寬調(diào)速直流伺服電機(jī)：轉(zhuǎn)子直徑較大，力

26、矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，能在較大過載轉(zhuǎn)矩時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作。,一、直流伺服電機(jī)與速度控制,其中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Ua為電樞外加電壓，Ce為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ為電機(jī)磁通量，Ra為電樞電阻，Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，M為電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的三種調(diào)速方法：改變電樞外加電壓Ua。該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機(jī)械特性好，適用于主軸驅(qū)動(dòng)的低速段和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。改變磁通量Φ。改變勵(lì)磁線圈電壓使磁通量改變 ，適用于主軸驅(qū)動(dòng)的高速段，不適合于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。改變電樞電路

27、的電阻Ra。該方法得到的機(jī)械特性較軟，不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，也不適合于數(shù)控機(jī)床。目前應(yīng)用最多的是晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓加到直流電機(jī)的電樞上，通過對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。,2 直流伺服電機(jī)速度調(diào)節(jié),直流電機(jī)機(jī)械特性公式：,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),二、交流伺服電機(jī)與速度控制,直流電機(jī)缺點(diǎn)：電刷和換向器有磨損，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花；換向器由多

28、種材料制成，制作工藝復(fù)雜；電機(jī)最高速度受限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有直流伺服電動(dòng)機(jī)上述的缺點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)子慣量比直流伺服電動(dòng)機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。同樣體積下，交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高10％－20％。交流伺服電動(dòng)機(jī)的容量可以做得比直流伺服電動(dòng)機(jī)大，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。從80年代后期開始，交流伺服電動(dòng)機(jī)逐漸替代直流伺服電動(dòng)機(jī)占據(jù)主要位置。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),1.交流伺服電機(jī)的類型交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)

29、上為一兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其定子兩相繞組在空間相距90°電角度，一相作為勵(lì)磁繞組，運(yùn)行時(shí)接到交流電源上，另一相作為控制繞組，輸入控制電壓。主要有：永磁式交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式交流伺服電機(jī)共同點(diǎn)：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起運(yùn)轉(zhuǎn)。不同點(diǎn)：永磁式伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴(yán)格的同步關(guān)系，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速；而感應(yīng)式伺服電機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速

30、低于磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速差越大。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：,2.交流電機(jī)的速度控制,f1— 定子電源頻率（Hz）； p — 磁極對(duì)數(shù)； s — 轉(zhuǎn)差率。異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對(duì)數(shù)及變頻三種。（1）變磁極對(duì)數(shù)：通過對(duì)定子繞組接線的切換改變磁極對(duì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不能無級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。（2）改變轉(zhuǎn)差率：只適合于異步型交流電機(jī)的調(diào)速，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率

31、也大，效率低。（3）變頻調(diào)速：通過改變電機(jī)電源的頻率而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速?gòu)母咚俚降退俣伎梢员３钟邢薜霓D(zhuǎn)差率，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),（r/min）,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。變頻器分：交—交 變頻 ：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，該方法所得的交流電波動(dòng)比較大，且最大頻

32、率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。 交—直—交 變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖方波電壓，該調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。數(shù)控機(jī)床常采用交—直—交變頻調(diào)速。其中，SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交—直—交型電壓型變頻器，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。,三、直線電機(jī)的特點(diǎn)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)方式的最大區(qū)別是：取消了從電機(jī)到工

33、作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，故這種傳動(dòng)方式稱為“直接驅(qū)動(dòng)”，也稱“零傳動(dòng)”。直接驅(qū)動(dòng)避免了絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛性不足等缺點(diǎn)。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),直線電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例：當(dāng)初級(jí)繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，次級(jí)在磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)

34、動(dòng)；反之，則初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),特點(diǎn)：將指令脈沖信號(hào)和位置檢測(cè)反饋信號(hào)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號(hào)，在位置控制單元進(jìn)行相位比較，相位差反映了指令位置與實(shí)際位置的偏差。位置檢測(cè)元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵，工作在相位工作狀態(tài)。脈沖調(diào)相器：將數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào)。鑒相器：鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)的相位，判別兩者之間的相位差及其相位超前、滯后關(guān)系，并變成相應(yīng)的誤差電壓信

35、號(hào)作為速度單元的輸入信號(hào)。,四、鑒相式伺服系統(tǒng),第三節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),五、鑒幅式伺服系統(tǒng),以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置檢測(cè)元件工作在幅值工作方式，感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁柵。 鑒幅器：對(duì)位置檢測(cè)裝置輸出的代表工作臺(tái)實(shí)際位移的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、檢波、整流，變成正、負(fù)與工作臺(tái)移動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)、幅值與工作臺(tái)位移成正比的直流電壓信號(hào)。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服系

36、統(tǒng),六、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用光電編碼器、光柵作位置檢測(cè)裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式較為普遍。 特點(diǎn)：指令脈沖信號(hào)與位置檢測(cè)裝置的反饋脈沖信號(hào)在比較器中以脈沖數(shù)字的形式進(jìn)行比較。,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,作用：檢測(cè)位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號(hào)至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺(tái)按指令路徑精確地移動(dòng)。組成：檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置。常用檢測(cè)裝置：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器

37、、光柵、磁柵等。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求如下：（1）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；（2）滿足精度和速度的要求；（3）易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；（4）成本低。,一、概述,（一）直接測(cè)量和間接測(cè)量 1.直接測(cè)量 將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，用來直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一

38、定限制。2. 間接測(cè)量 將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便、無長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,（二）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量1. 數(shù)字式測(cè)量 將被測(cè)的量以數(shù)字形式來表示

39、，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。2. 模擬量測(cè)量 將被測(cè)的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來說比較復(fù)雜。,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,（三）增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量1.增量式測(cè)量 在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)相對(duì)位移量，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由

40、測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。 2.絕對(duì)式測(cè)量 絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對(duì)應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,（一）結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝

41、置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。工作原理與普通變壓器基本相似，根據(jù)互感原理工作,其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器通過測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。,二、旋轉(zhuǎn)變壓器,有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測(cè)位移量。,根據(jù)光線在光柵中是透射還是

42、反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。 直線光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等

43、，該間距稱為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。,三、光柵,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,（二）工作原理　　 當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一小角度放置時(shí)，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。,直線光柵莫爾條紋,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,,,,,,1）放大性,,,,

44、,,,2）平均效應(yīng) 莫爾條紋是由若干條線紋共同形成的，對(duì)個(gè)別光柵線紋之間的誤差具有平均效應(yīng)，能消除柵距不均勻所造成的影響。,3）移動(dòng)規(guī)律 光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)B，當(dāng)光柵移動(dòng)方向變化時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也變化。,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,脈沖編碼器是一種光學(xué)式位置檢測(cè)元件，編碼盤直接裝在轉(zhuǎn)軸上，以測(cè)出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號(hào)為電脈沖。脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈

45、沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。特點(diǎn)：檢測(cè)方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力小，響應(yīng)速度快。按編碼的方式，可分為增量式和絕對(duì)值式兩種。,四、脈沖編碼器,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,光電式脈沖編碼器由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號(hào)處理電路等組成。光電盤是用玻璃材料表面制成向心透光窄縫，窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與

46、工作軸連在一起 ，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過處理后輸出脈沖信號(hào)。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)角。測(cè)出單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。,（一）增量式編碼器,第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置,絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒有累積誤差，電源