河南科技大学教案

河南科技大学教案首页

课程名称数控技术及装备任课教师张丰收

第四章进给伺服系统计划学时10

教学目的和要求：

通过本章的学习，使学生掌握数控机床伺服机构和位置检测装置的工作原理和选用方法。

要求了解伺服系统的组成和分类，掌握步进电机及其驱动装置和常用数控机床的位置检测装置的工作原理。

重点：

伺服电机及其驱动；常用位置检测装置的工作原理。

难点：

数控机床常用伺服电机及其驱动和调速控制。

思考题：

4-1．试述进给他伺系统的组成以及各组成环节的作用和联系。

4-2．简述闭环进给伺服系统的控制原理。

4-3．简述步进电机的工作原理和使用特性。

4-4．哪些因素影响开环进给伺服系统的精度，哪些措施可以提高系统的精度？4-5．试述位置检测装置的类型有哪些？常用的有哪些？

第一节概述

一.进给伺服系统的定义及组成

1.定义：

进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。

2.组成：

进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。

二、NC机床对数控进给伺服系统的要求

1.调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)

调速范围：

一般要求：

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。

2.输出位置精度要高

静态：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。(尺寸精度)

动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 (轮廓精度)

灵敏度要高，有足够高的分辩率。

3.负载特性要硬

在系统负载范围内，

当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F尽可能小；

当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t尽可能短；

应有足够的过载能力。

这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。

4.响应速度快且无超调

这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间tp应尽可能短。

通常要求从 0→Fmax（Fmax→0），其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量

5.能可逆运行和频繁灵活启停。

6.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。

综上所述：

⑴.对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；

⑵.对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严

第二节进给伺服系统的位置检测装置

一、概述

组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。

作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。

闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。

1. 进给伺服系统对位置测量装置的要求

⑴高可靠性和高抗干扰性：

受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；

⑵能满足精度和速度的要求：

位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；

位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。

⑶使用维护方便，适应机床工作环境；

⑷成本低。

3. 位置检测装置的分类

按输出信号的形式分类：数字式和模拟式

按测量基点的类型分类：增量式和绝对式

按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型

常用位置检测装置分类表

二、感应同步器

1.感应同步器的结构及分类

①结构

②.分类

2.感应同步器的工作原理

感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。

感应同步器的工作原理

感应同步器的信号处理原理

滑尺正旋绕组上加激磁电压U s后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： U os=KU S cosθ1

滑尺余旋绕组上加激磁电压U c后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： U oc=KU c cos（θ1+π/2）

=－K U c sinθ1

滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：

Uo =Uos+ Uos=KUScosθ1－K Ucsinθ1

K—电磁感应系数

θ1 —定尺绕组上的感应电压的相位角

滑尺与定尺相对位移量 x 的求取：

∵ 2τ: 2π= x : θ1

∴ x = τθ1 ／π

结论：相对位移量 x 与相位角θ1 呈线性关系，只要能测出相位角θ1 ，就可求得位移量 x 。

根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统——-鉴相型系统和鉴幅型系统

3.鉴相型系统的工作原理

在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为π/2的交变电压： U S = U m sinωt U C = U m cosωt

则： U o =U os+ U os=KU S cosθ1－K U c sinθ1

= K U m sinωt cosθ1－K U m cosωt sinθ1

= K U m sin（ωt －θ1）

结论：只要能测出U o与U S相位差θ 1 ，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。

4.鉴幅型系统的工作原理