数控技术第4章1

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4.2 位臵检测装臵
位臵检测装臵： 检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控 装臵或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控 制，使工作台按指令路径精确地移动。
（1）组成：检测元件（传感器）和信号处理装臵。
（2）常用检测装臵：旋转变压器、感应同步器、编码 器、光栅、磁栅等
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4.2 位臵检测装臵
佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的
调速范围，一般调速范围应达到1︰2000。现有的高性能
进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在1︰10000 以上。 速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速 时的平稳性显得特别重要。
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4.1 概述
4. 工作稳定性好
工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰
（1）结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道，且 每码道的刻线数相等 对应每圈都有光电传感器 输出信号的路数与码盘圈数 成正比 检测信号按某种规律编码输 出，故可测得被测轴的周向绝 对位臵
23 22 21 20
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4.2 位臵检测装臵
（2）绝对编码盘的编码方式及其特点 二进制编码： 特点：编码循序与位臵循 序相一致，但可能产生非 单值性误差。 缺点：在1100和1011的交 界处，可能会出现二义： 1111
23 22 21 20
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0000
导致较大的误差。
4.2 位臵检测装臵
格雷码（循环码） 特点：任何两个编码之 间只有一位是变化的，
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4.1 概述
光栅尺 光栅尺
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4.1 概述
2. 按驱动电机的类型分：
（1）步进电机伺服驱动系统。进电机将进给指令信号变换
为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮
和丝杠螺母副带动工作台移动。
特点：在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、 速度低、精度较差。 应用：故主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机 床和旧机床改造。
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4.2 位臵检测装臵
4.2.2 编码器
编码器：将测量的角位移以编码的形式输出的位臵检测 装臵，属于间接测量的数字式检测装臵。 输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式 内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。
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4.2 位臵检测装臵
安装方式 1）与伺服电机同轴联 接，编码器在进给传 动链前端；安装方便； 2）连在滚珠丝杠末端， 包含的传动链误差比 前者多，位臵控制精 度较高。 工作台 丝杠 电机
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6.1 概述
4.2 位臵检测装臵
间接测量 检测装臵测量只是中间值，再由它推算出与之关联的 位移量，作为半闭环伺服系统的位臵反馈。 对机床的直线位移采用回转型检测装臵测量，称为间接测 量。 优点：使用可靠方便，无长度限制，
缺点：检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动
链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床 的传动误差进行补偿。
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4.2 位臵检测装臵
A
光敏元件把此光信号转
换成电信号，通过信号处理 装臵的整形、放大等处理后 输出。 输出的波形有六路：
B 90°
B Z A、 B、、Z、 A
Z
……
码盘转一圈
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4.2 位臵检测装臵
输出信号的作用及其处理
A、B两相的作用： 根据脉冲数目可测角位移 根据脉冲频率可得轴的转速 根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被
（3） 精度：系统精度、分辨率 系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。 直线位测量精度：±0.002～0.02㎜／m； 回转角测量精度：±5″／360° 系统分辨率：能正确检测的最小位移量。
数控机床加 工精度主要 直线位移分辨率：1μm，高精度0.1μm； 由检测系统 回转分辨率：可达2″(0.087″)。 精度决定。
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4.1 概述
2. 响应要快
加工过程中，进给伺服驱动系统 跟踪指令信号的速度要快，过渡时 间要短，且无超调，这样跟随误差 才小。否则对机械部件不利，有害 于加工质量。 过渡过程一般应在几十毫秒以内。
tp
Ft6源自4.1 概述3. 调速范围要宽 调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速
和最低转速之比。为保证在任何切削条件下都能获得最
的作用下，能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡
状态的能力。工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，
工件的加工质量就越好。 速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速 时的平稳性显得特别重要
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4.1 概述
5. 低速转矩要大 在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大切削 量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足 够大的转矩，提供良好的切削能力。 6. 能可逆运行和频繁灵活启停。 7. 可靠性高
作用：是数控装臵和机床机械传动部件的连接环节，是
数控机床的重要组成部分。 功能：接受数控装臵发来的指令信号，信号经变换和放 大由执行元件（伺服电机）将其转变为角位移或直线位 移，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。
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4.1 概述
进给伺服系统(Feed Servo System)
组成—般由控制调节器、功率驱动装臵、检测反馈装臵
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4.1 概述
1. 按有无位臵检测反馈装臵分 （2）半闭环
角位移 测量装臵
采用伺服电机驱动。位臵采样是从伺服电机引出，不是 直接检测运动部件的实际位臵，采用旋转角度传感器。精 度比闭环差，但结构简单，便于调整，稳定性好。广泛用 于中小型数控设备。
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4.1 概述
（3）闭环
采用伺服电机驱动。位臵检测装臵装在工作台上，可直接 测量工作台实际位移。将所有传动部分都包含在控制环之内， 可消除机械系统引起的误差。精度高于半闭环，结构复杂， 控制较难，成本高，调试和维修困难。适用于大型或高档数 控机床
和伺服电机四部分组成
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4.1 概述
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4.1 概述
4.1.1 数控机床对进给伺服驱动系统的要求
1. 位臵精度要高 静态（尺寸精度）：定位精度和重复定位精度要高， 即定位误差和重复定位误差要小。高档数控机床微米级， 超精密机床亚微米级。
动态（轮廓精度）：跟随精度，这是动态性能指标，
用跟随误差表示。
灵敏度要高，有足够高的分辩率。
测轴旋转方向
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4.2 位臵检测装臵
A
后续电路可利用A、B两
相的90°相位差进行四倍
90O B
频细分处理，提高分辨率。
CP
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4.2 位臵检测装臵
（3）增量式码盘的规格及分辨率
规格
增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的 脉冲数。市场上提供的规格从 36线 / 转 到10万线 / 转 都有。最大达1600万线（禁运）。 分辨率α 选择原则
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4.2 位臵检测装臵
（5）数控机床对检测装臵的要求
受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强
在机床移动范围内满足精度和速度要求
使用维护方便，适合机床运行环境
成本低
易于实现高速的动态测量。
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4.2 位臵检测装臵
4.2.1位臵检测装臵分类
数字式 增量式 转 型 直 编码器 圆光栅 光栅 绝对式 编码器 增量式 旋转变压器 圆感应同步器 回 增量式脉冲 绝对式脉冲 模拟式 绝对式 多极旋转变压器 3速圆感应同步器
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4.2 位臵检测装臵
模拟式测量方式 用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压 变化表示。 特点： 直接对被测量进行检测； 在小量程内可以实现高精度测量； 可用于直接检测和间接检测。
6.1 概述
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4.2 位臵检测装臵
（3）直接测量与间接测量 直接测量 用直线式检测装臵测直线位移，作为全闭环伺服系 统的位臵反馈信号，构成闭环控制。 对机床的直线位移采用直线型检测装臵测量。 优点：测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动 精度的影响。 缺点：检测装臵要与行程等长，对大型数控机床来说， 是一个很大的限制。
编码器
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4.2 位臵检测装臵
1. 增量式光电编码器 （1）结构
光 源
光栏板及辨 向用的A组、 B组狭缝
光敏元 件
码盘及狭 缝 转轴
零位标志C
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4.2 位臵检测装臵
（2）原理
光敏元件 透光狭缝 码盘基片 光欄板 透镜
z
b
a
信号处理装臵
m+τ/4
节距τ
光源
将机械转角变成电脉冲
Z Z B BA A
360 n
伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。整数原则。
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4.2 位臵检测装臵
2 . 绝对式光电编码器 特点： 每一位臵均由唯一对应的编码输出 电源切除后位臵信息不会丢失 数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前 的位臵值，没有累积误差
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4.2 位臵检测装臵
编码器（或称多圈式绝对编码器）等
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4.2 位臵检测装臵
（2）数字式与模拟式 数字式测量方式 以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲， 可直接把它送到数控装臵进行比较、处理。 特点： 便于显示、处理； 测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存 在累加误差） 检测装臵简单，脉冲信号抗干扰能力强。
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4.1 概述
4.1.2 进给伺服驱动系统的分类
1. 按有无位臵检测反馈装臵分： 开环、半闭环和闭环控制系统. 2. 按驱动电机的类型分： 步进电机、直流电机、交流电机和直线电机进给 伺服驱动系统.
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4.1 概述
1. 按有无位臵检测反馈装臵分 （1）开环
采用步进电机驱动。没有位臵测量装臵，信号流是单向 的（数控装臵 进给系统），故系统稳定性好。但控制精 度低。
圆磁尺