数控技术第5章_1

§ 5-2 检测装置
透 射 光 栅
光栅检测装置的结构
§ 5-2 检测装置
反射光栅
0
1 1,1
0,0
0,1
1,0
§ 5-2 检测装置
2. 直线透射光栅
（1）组成
光栅检测装置基本结构示意图
§ 5-2 检测装置
（2） 直线透射光栅的工作原理
由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会 出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。
四、编码器
一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位置检测，也常用它作为速度检测元件。
机械工程学院
School of Mechanical Engineering
§ 5-1 概述
一、数控机床伺服系统的定义
伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的
自动控制系统。
CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构”
伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构”。
伺服系统的组成
检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等
Xi’an Jiaotong University
第五章 伺服驱动系统
§ 5-1 概述
§ 5-2 检测装置
§ 5-3 步进电动机及其驱动系统
§ 5-4 直流伺服电动机及其速度控制
§ 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动
机械工程学院
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四倍频电路
§ 5-2 检测装置
（5）特点
• 优点： 1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 • 缺点： 1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也 应用较多。
§ 5-2 检测装置
则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。
§ 5-2 检测装置
2B
B
光栅尺横向莫尔条纹及其参数
B = w / 2sin
q
2
§ 5-2 检测装置
莫尔条纹的特点：
均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之 间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一 均化误差的作用愈显著。 根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系
感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。 例：感应电势与励磁电压相位差θ =1.8°，节距W=2mm， 由θ= 2πx/W , x=0.01mm
§ 5-2 检测装置
（2）鉴幅方式
根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。
滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即
us＝Umsinθdsinωt uc＝Umcosθdsinωt 式中 θd—励磁电压的给定相位角
高精度 要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），
跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高 的达0.01~0.005 mm。
灵敏度高，响应快 提高生产率和保证加工质量，一般电机升
降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速 度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。
L1W1Βιβλιοθήκη a1b11
2
1＇
2＇
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3. 直线感应同步器的工作原理
根据交变磁场和互感原理而工作的。 滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节 距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压， 则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决 于滑尺与定尺的相对位置。
ec＝－kUmcos(θ＋
π/2)cosωt ＝kUmsinθcosωt
§ 5-2 检测装置 根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为 e＝es＋ec ＝kUmcosθsinωt＋kUmsinθcosωt ＝kUmsin(ωt+θ) ＝kUmsin(ωt+2πx/W)
根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测 量定尺和滑尺之间的相对位置。
2τ τ/2 E i2 定尺
滑尺
正弦绕组
i1 Vs Vc
余弦绕组
§ 5-2 检测装置
W
可以看出：滑尺在移动一个节 距的过程中，感应电势变化了一 个周期。 若励磁电压u＝Umsinωt，那 么在定尺绕组产生的感应电势e 为 e＝kUmcosθsin ωt
§ 5-2 检测装置 若励磁电压 u＝Umsinωt 则定尺绕组产生的感应电势e e＝kUmcosθsin ωt
分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为
es＝kUmsinθdcosθsinωt ec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)sinωt
＝－kUm cosθd sinθsinωt
§ 5-2 检测装置 根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为 e＝es ＋ ec ＝k Um (sinθd cosθ－cosθd sinθ) sinωt ＝k Um sin(θd －θ) sinωt ＝k Um sin(θd－ 2πx /W) sinωt 设初始状态θd＝θ，则e＝0。当滑尺相对定尺有一位移 ，使θ变为θ＋Δ θ ，则感应电势增量为 Δ e≈ kUm Δθsinωt
3. 感应同步器输出信号的处理方式
常用的有鉴相方式和鉴幅方式 （1）鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量
滑尺上的正弦、余弦 励磁绕组提供同频率、同幅 值、相位差90°的交流电 压，即
us＝Umsinωt uc＝Umcosωt
us和uc单独励磁，在 定尺绕组上感应电势分别为
es＝kUmcosθsinωt
式中Δθ= 2πΔx/ W
由此可知，在Δx较小的情况下，Δe与Δx成正比，也就是 鉴别Δe幅值，即可测Δx大小。当Δx较大时，通过改变θd， 使θd＝θ,使Δe＝0，根据θd可以确定θ，从而确定位移量Δx。
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4. 感应同步器的特点
• 精度高
• • • •
输出的电压是许多对极感应电压的平均值
调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工
质量，一般要求调速范围 ：最低转速/最高转速 =1/1000~1/10000，且通常是无级调速。
低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱
动要有大的转矩输出。
可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。
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旋转变压器的内部结构图
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2．旋转变压器 的工作原理
根据互感原理工作的， 定子绕组加上励磁电压， 通过电磁耦合，转子绕组 产生感应电动势。 输出感应电动势大小与 转子位置有关，就是通过 测量被测轴的转角来间接 测量工作台的位移。
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3．旋转变压器的应用
满足精度、分辨率、测量范围
性能指标
使用维修方便、成本低
系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如 ±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。
系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直 线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"。
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VS VC
§ 5-2 检测装置 定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙
，定尺节距即为检测周期W，常取W＝2mm。
间隔b2
W2
片宽a2
滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为W1＝
2(a1＋b1)，其中a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1＝W2或W1＝ W2/3。
适用性强 电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰 可用于长距离测量 可多根定尺接长 使用寿命长，维护简单 工艺性好，成本低
应用广泛
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三、光栅
光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。
1. 光栅的种类
物理光栅 计量光栅 圆光栅 直线光栅
透射光栅 反射光栅
主要介绍一下直线计量透射光栅。
式中 Um—励磁电压幅值(V)； ω—励磁电压角频率(rad/s)； k—比例常数，其值与绕组间 最大互感系数有关； θ—滑尺相对定尺在空间的相 位角。 在一个节距W内，位移x与θ的 关系应为 θ＝2πx/W 感应同步器就是利用感应电势 的变化，来检测在一个节距W内的 位移量，为绝对式测量。
§ 5-2 检测装置
§ 5-2 检测装置
莫尔条纹的特点 放大作用
莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角θ之间的关系：
B = w / 2sin
由于θ很小，因此
q
2 w B ≈
q
光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下移 动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可 以测量光栅的位移。 例：当 w = 0.01mm， θ= 0.01 red，
驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机
§ 5-1 概述
二、数控机床伺服系统的分类
1、按伺服系统控制方式分
开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高
半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环
2、按控制对象和使用目的不同分
进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动 主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采 用简易的位置控制。
§ 5-1 概述
伺服驱动系统（Servo System)
CNC系统