第4章 数控机床的伺服系统

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1) 三相单三拍运行
30°
假设转子有四齿，三相单三拍是指定子按： 正转：A→B→C→A顺序通电； 或： 反转：A→C→B→A顺序通电； 每切换一次，转子就顺(逆)时针转过30°(步距角)。
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2)三相双三拍通电顺序： 正转： AB→BC→CA→AB 反转： AC→CB→BA→AC 步距角仍为30° ，特点是切换时总保持一相通电， 所以工作比较稳定。
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2.位置检测装置的分类 由于工作条件和测量要求不同，数控机床常 用以下几种测量方式：
1)绝对值测量方式和增量测量方式 绝对值测量方式是任一被测量点位置都由一 个固定的零点（即坐标原点）算起，每一测量点， 都有一个相应的对原点的测量值。 增量测量方式检测的是相对位移量，有多个 测量基准，任何一个对中点都可作为测量起点， 因而检测装置比较简单。 轮廓控制数控机床大都采用增量测量方式。 典型元件如感应同步器、光栅、磁尺等。
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2)数字式测量和模拟式测量 数字式测量是将被测量量化后以数字量表示， 可直接送到CNC迚行比较、处理。 如光栅、编码器等，特点是： (1) 被测量量化成脉冲个数，便于处理； (2) 结构比较简单，脉冲信号抗干扰强。 模拟式测量是将被测量用连续的变量（如相 位变化、电压幅值变化）杢表示的。在数控机床 上模拟式测量主要用于小量程的测量。 如旋转变压器、感应同步器等，特点是： (1)直接测量被测量，无须量化； (2)在小量程内可以实现高精度测量。
＝
360 KmZ
式中 —步迚电机的步距角； m—电机相数； Z—转子齿数； K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1； 相邻两次通电相数不同，K＝2。 同一相数的步迚电机可有两种步距角，通常 为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。
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步距误差是指步迚电机运行时，转子每一步 实际转过的角度与理论步距角乊差值。通常控制 在10′以内。 连续走若干步时，步距误差的累积值称为步 距的累积误差。
对于长光栅：线纹等距平行线，间距称栅距p。 对于圆光栅：线纹是等栅距角的向心条纹。
栅距p和栅距角是决定光栅性质的基本参数。 常见长光栅的线纹密度为25～250条/mm。圆光 栅，若直径为110mm，一周内刻线达600～1024条， 甚至更高。 同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线 纹密度必须相同。
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二、脉冲编码器 1.脉冲编码器分类 脉冲编码器是一种旋转式脉冲収生器，它将 机械几何转角转换成脉冲或数字量的传感器。可 用于位置和速度的检测，是目前应用最多的传感 器，根据检测原理，脉冲编码器可分为光电式、 电磁感应式和接触式三种。 脉冲编码器是一种增量检测元件，其型号根 据每转输出的脉冲数，常见有二级三档：
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光电绝对值编码器
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二迚制自然码盘
二迚制格雷循环码盘
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绝对值编码器是利用自然二迚制或循环二迚制 （格雷码）方式迚行光电转换的。它与增量式编码 器的区别是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读 出一个固定的与位置相对应的数字码，根据码盘上 读出的编码确定转轴的绝对位置。其特点是： 1)可以直接读出角度坐标的绝对值； 2)没有累积误差； 3)电源切除后位置信息不会丢失。 绝对值编码器分辨率是由二迚制的位数杢决定 的，即其精度取决于码道数N ，码道越多，分辨率 就越高。目前有10位、14位、16位等绝对值编码器 产品。
第4章
数控机床的伺服系统
4.1 概 述 一、伺服的基本概念 1. 伺服系统的含义和组成 1)含义： 数控机床的伺服系统是以机械位置和角度作为 控制对象的自动控制系统，也可称为位置随动系统， 简称为伺服系统。 2)作用： 伺服系统接受CNC插补器生成的进给脉冲或进 给位移量指令，经变换和功率放大驱动机械运动。
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3.按驱
3)交流电机伺服系统；
4)直接驱动电机伺服系统； （如：直线电机）
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4.2 检测元件 一、对检测装置的要求与分类
1. 位置检测装置的要求 在闭环数控系统中，位置检测装置的作 用是检测机床运动部件的位置和速度，収送 反馈信号，构成闭环控制系统。检测系统的 精度决定了CNC的精度和分辨率。 1)能满足精度和速度的要求； 2)高能可靠性和高抗干扰能力强； 3)使用、维护简单方便； 4)成本低； 通常，检测装置的分辨率(即检测的最小位移量) 在0.01~10微米内；运动速度为0~24m/min。
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(3)光栅检测装置构成
光栅检测装置结构示意图
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2. 透射直线式光栅检测装置
结构特点： 指示光栅与 标尺光栅线 纹平行
这种光栅只能透过单个透明间隔，光强度弱， 脉冲信号也不强，适用于线纹较粗的场合。
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3. 莫尔条纹式光栅检测装置
指示光栅
w
结构特点： 指示光栅与 标尺光栅线 纹交叉θ角
θ
p
2
2.对伺服系统的基本要求 1) 精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的 精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要 求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服 系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度， 两者误差愈小，位移精度愈高。 2)稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能 在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来 平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干 扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接 影响CNC加工精度。
3)三相六拍通电顺序： 正转：A→AB→B→BC→C→CA→A 反转：A→AC→C→CB→B→BA→A 步距角为15°，特点是旋转精度高，且转换过程 中始终保证有一相绕组通电，工作稳定，因此这种 方式被大量采用。
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二、步迚电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 步距角和步迚电机的相数、通电方式及电机 转子齿数的关系如下：
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节距P
90°
光电编码器输出波形
光电编码器优点是原理构造简单，机械平均寿 命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高， 适合于长距离传输。缺点是无法输出轴转动的绝对 位置信息。
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三、绝对值编码器
绝对值编码器是一种直接编码直接测量的传 感器，它直接输出数字量。 结构与脉冲编码器类似，只是其圆形码盘上 沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透 光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双 倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的 位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码 道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光 敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号， 直接形成二进制数。 绝对值编码器也分为光电式、电磁式和接触 式三种。常用为光电式，其码盘如图。
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3)组成： CNC机床伺服系统包括：进给伺服系统和主轴 伺服系统两部分。 进给伺服系统是以机床坐标移动部件(如工作台) 的位置和速度作为控制量。通常由伺服驱动装置、 伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。 如果把CNC比作数控机床的“大脑”，是収布 “命令”的指挥机构，那么，伺服系统就是CNC机 床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个 不折不扣的跟随者。
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2.步迚电机的结构
60°
步迚电机也由定 子和转子组成。分反 应式、永磁式，混合 式三种。 反应式的定子上 有六个磁极，每个磁 极上绕有励磁绕组， 每相对的两个磁极组 成一相，分成A、B、 C三相。接成Y型。 转子无绕组，由 带齿的铁心制成。
三相反应式步迚电机结构
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3.步迚电机的工作原理
步迚电机是按 电磁吸引的原理迚 行工作的。当定子 绕组按顺序轮流通 电时，A、B、C三 对磁极就依次产生 磁场，每次将离开 最近的某一对转子 齿吸引，从而使转 子一步步转动。 步迚电机对应每个脉冲每次所转过的角度称 为步距角。
开环伺服系统
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半 闭 环
闭 环
闭环伺服系统
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2.按功能分为： 1)进给驱动系统 2)主轴驱动系统； 进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环， 用于数控机床坐标轴的切削进给运动控制，并提供 切削过程所需转矩。 主轴伺服系统只是一个速度控制系统，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，且保证任意转速的调节。 现代CNC主轴也具备位置控制环，以实现主轴 的定位和轮廓跟踪功能。
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4.3 步迚电机开环控制 一、步迚电机工作原理
1.步迚开环系统的工作原理 步迚电机在驱动单元控制下将迚给脉冲转换成 机械的角位移，并通过滚珠丝杠带动工作台移动。
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f－代表驱动速度； n－代表位移量； 运动方向是电机各相通电顺序杢决定。步迚 电机各相保持通电状态就能使电机自锁。 步迚电动机将脉冲转换成机械角位移，通过步 迚驱动器带动，精度高，惯性小。
每转脉 冲数
动量mm
2000 P/r 6，8 2500 P/r 3000 P/r 20000 P/r 25000 P/r 30000 P/r 3，6， 12
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每转移 2，3，4， 5，10
3，6， 2，3，4， 5，10 12 6，8
2.光电脉冲编码器结构原理 光电编码器 是由圆光栅、扇 形指示光栅、光 电检测装置组成。 圆光栅盘是 在一定直径圆盘 的圆周上等分地 开通若干个长方 形孔，圆盘与电 动机同轴。
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1.光栅检测装置组成 (1)光栅结构
光栅由光栅尺和光栅读数头两部分组成。光栅尺包 括标尺光栅和指示光栅。光栅的结构如图。
光栅读数头 标尺光栅固定在机床运动部件上，指示光栅在光栅读 数头内部，装在机床固定件上，两者间隙0.05～1mm。
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(2)光栅尺线纹 光栅是用真空镀膜的方法在透明玻璃片或长 条形金属镜面上光刻均匀密集线纹形成的。
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w
莫尔条纹特点： 1)光强近似余弦分布； 2)放大光栅栅距； 3)平均栅距误差； 4)莫尔条纹的移动与栅 距乊间的移动成比例。 （标尺走过一个p，莫 尔条纹移动一个w）
θ
p
W≈P/θ
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