数控机床的驱动与控制系统

第四章数控机床的驱动与控制系统学

时

章节教学内容重点、难点

2 §4-1 位移、速度、位置传感器理解其应用情况

1 §4-

2 进给伺服驱动系统

4 §4-3.1

典型进给伺服系统(位置控制)

——步进式伺服系统

掌握系统的组成及工作

原理

1 §4-3.

2 闭环、半闭环进给伺服系统

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

位置检测装置分类

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

信号处理装置

a

b z 码盘基片 透镜

光源

光敏元件

透光狭缝 光欄板 节距τ

A

A B B Z Z m+τ/4

图4-6 光栅的构成

❑ 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

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