数控机床驱动与控制标准系统

第四章数控机床的驱动与控制系统

第一节位移、速度、位置传感器

数控机床若按伺服系统有无检测装置进行分类，可分为开环系统和闭环(或半环)系统。也就是说检测装置是闭环(半闭环)系统的重要部件之一，它的作用是测量工作实际位移并反馈送至数控装置，使工作台按规定的路径精确移动。因此对于闭环系统来说，检测装置决定了它的定位精度和加工精度。数控机床对检测装置的主要要求为：

(1)工作可靠，抗干扰性强；

(2)使用维护方便，适应机床的工作环境；

(3)满足精度和速度的要求；

(4)成本低。

通常，数控装置要求位置检测的分辨率为0.001～0.0lmm；测量精度为±0.002～±0.02mm／m，能满足数控机床以1～l0m／min的最大速度移动．

位置检测装置的分类列表于4－1中。本章仅就其中常用的检测装置(旋转变压器感应同步器光栅、磁栅、编码盘)的结构和原理予以讲述。

旋转变压器

是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。

工作原理

当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴自垂直位置转动一角度θ时，绕组中产生的感应电势应为

E1＝nV1sinθ ＝nV m sinωt sinθ

式中n——变压比；

V1——定子的输入电压；

V m——定子最大瞬时电压。

当转子转到两磁轴平行时(即θ＝90o)，转子绕组中感应电势最大，即

E1＝nV m sinωt

旋转变压器的应用

V3＝nV m sinωt sinθ1 + nV m cosωt cosθ1

＝nV m cos(ωt –θ1)

✧感应同步器

感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移的测量，后者用于角度位移的测量。

它们的工作原理都与旋转变压器相似。感应同步器具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于高精度的数控机床。本节主要以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行讲述。

1. 感应同步器的结构及分类

❑ 结构

❑ 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。

✧ 光栅

在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为检测元件。光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上可分为圆光栅和直线光栅两大类。圆光栅用于测量转角位移；直线光栅用于检测直线位移。光栅的检测精度较高，一般可达几微米。本节主要以直线光栅为例讲述其构成和工作原理。 光栅检测装置的构成

光栅检测装置是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件。它主要由光源、长光栅、短光栅和光电元件等组成 工作原理

常见光栅的工作原理都是基于物理上的莫尔条纹形成原理。莫尔条纹的形成原因对粗光栅来说，主要是挡光积分效应；对细光栅来说，则是光线通过线纹衍射后，发生干涉的结果

✧ 脉冲编码器

脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。 1. 增量脉冲编码器

结构及工作原理

2. 绝对式编码器

❑ 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；

B Z 图4-6 光栅的构成

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

向绝对位置。

❑ 绝对编码盘的编码方式及特点

二进制编码：

✓ 特点：编码循序与位置循序相一致，但可能

产生非单值性误差。 ✓ 误差分析：

3. 光电编码器的特点

❑ 非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好； ❑ 允许测量转速高，精度较高；。 ❑ 光电转换，抗干扰能力强；

❑ 体积小，便于安装，适合于机床运行环境； ❑ 结构复杂，价格高，光源寿命短；

❑ 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。

第二节 进给伺服驱动系统

一. 概述

1. 进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装

置。

2. 驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，

在数控机床上常用的电机有：

❑ 步进电机 ❑ 直流伺服电机 ❑ 交流伺服电机 ❑ 直线电机。

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3.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度

控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样

才能获得高性能的系统指标。

4.速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对

其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量

(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使

驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。

5.进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：

❑功率相对较小；

❑控制精度要求高；

❑控制性能要求高，尤其是动态性能。

二.步进电机及其驱动装置

步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控

制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部

分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相

当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如

经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。

三.直流伺服电机及驱动

直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比

于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁

场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：

他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。

20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。

直流伺服电机的特点

过载倍数大，时间长；

具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。

低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。

可提高了机床的加工精度。

调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1∶2000。

带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；

电机允许温度可达150°～180℃，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度

由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。

电刷、维护不便

四.交流伺服电机及驱动

由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主

导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：

❑电刷和换向器易磨损，维护麻烦

❑结构复杂，制造困难，成本高

而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%，且可达到的转速比直流电

机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的

方案。