伺服系统与位置检测装置
伺服系统
加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大， 系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指 数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大 可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减 速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加 减速升降速时间。
以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制 调节器 — 速度控制
+
—
--
位置 指令
速度控制 调节器
功率 驱动
机械传动机构
实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率， 系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻 尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘 性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的 机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
位置检测装置将检测到的移动部件的实 际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进 行比较，将两者的差值进行位置调节，变换 成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电 动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，
4-1 数控机床常用传感器
Es = KUs sin(90o −θ ) = KUm sinα sin wt cosθ 感应电势： 感应电势： Ec = KUc sin(−θ ) = −KUm cosα cos wt sinθ
S1 Us C2 Uc S2
光电转换原理。 光电转换原理。
莫尔条纹
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
3.莫尔条纹性质 3.莫尔条纹性质
i）平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带 平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带， 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ） ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ P/sin iii）均化误差作用 iii）
五.光栅 光栅
位置检测装置． 位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉 反馈给数控装置，实现闭环控制． 冲，反馈给数控装置，实现闭环控制．
1.结构和种类 1.结构和种类
包括： 包括： 标尺光栅: 标尺光栅:固定在机床活动部件上 指示光栅: 指示光栅:安装在读数头内
光栅读数头示意图
2.原理 2.原理
1. 结构
利用互感原理工作
在结构上与二相线绕式异 步电动机相似， 步电动机相似，由定子和 转子组成。 转子组成。
间接测量角位移
2.基本工作原理 2.基本工作原理
Us
Us = Um sin ω t
S1
S2
U B = KU s sin θ = KU m sin θ sin ω t
θ B2
B1
Z
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
四. 绝对值编码器
第四章 伺服系统的检测装置
感应同步器
感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的. 感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的.
感 应 同 步 器 结 构 图
定尺绕组中的感应电势U 定尺绕组中的感应电势 2 s 滑尺的正,余弦绕组的励磁电压 滑尺的正,余弦绕组的励磁电压Um s
U2 s=K Us cosθ=K Um s cosθ sinωt
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; 工作可靠,抗干扰性强; 工作可靠 (2)使用维护方便,适应机床的工作环境; 使用维护方便, 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; 满足精度和速度的要求; 满足精度和速度的要求 (4)成本低. 成本低. 成本低
通常,数控装置要求位置检测的分辨率为 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～ 测量精度为± ～ / ,能满足数控机床以 ～ l0m/min的最大速度移动. 的最大速度移动. / 的最大速度移动 位置检测装置分类 数字式 增量式 绝对式 增量式 旋转变压器, 旋转变压器, 感应同步器, 感应同步器, 圆型磁尺 直线感应同步 器,磁尺 模拟式 绝对式 多级旋转变压 器,旋转变压 器组合 绝对值式磁尺
按磁性标尺基本形状分类的各种磁尺磁通响应型磁头光 来自 盘编 码 盘�
光电盘, 光电盘, 回转型 编码盘 圆光栅 长光栅, 长光栅, 直线型 激光干 编码尺 涉仪
旋转变压器
旋转变压器工作原理
E1=nV1 sinθ = nVm sinωtsinθ 式中 n——变压比; V1——定子的输入电压; Vm——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=n V ms inωt
数控原理与系统之位置检测装置
1111
图6-6 a葛莱码盘
08
1 0000 1000
9
0001
1001
3 0011
11 1011
2 0010
1010 10
6 0110
1110 15
7 0111
1111 14
0101
1101
5
0100 1100
13
4 12
b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任 何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位 数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求 出速度。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
机床数控技术(检测装置、伺服驱动系统)单元习题与答案
一、单项选择题1、编码器在数控机床中的应用有〔〕。
A.位移测量、转速测量与主轴掌握B.主轴掌握、转速测量与回参考点掌握C.位移测量、主轴掌握与回参考点掌握D.位移测量、主轴掌握、转速测量与回参考点掌握正确答案：D2、以下位置检测装置中，属模拟式位置检测装置的是〔〕。
A.旋转变压器B.接触式码盘C.光电编码器D.长光栅正确答案：A3、七位二进制接触式码盘的区分率为〔〕。
A.π/64B.π/256C.π/32D.π/128正确答案：A4、感应同步器滑尺上的正弦绕组和余弦绕组相距〔〕。
A.1/2 个节距B.1/4 个节距C.2 个节距D.1 个节距正确答案：B5、假设光栅尺的线纹密度为50 条/mm，经4 倍频鉴向计数电路处理后，其区分率为〔〕μm。
A.20B.5C.10D.2.5正确答案：B6、以下〔〕不属于通常所述的数控系统三环掌握构造中的伺服环路。
A.加速度环B.位置环C.电流环 D.速度环正确答案：A7、调速性能最好的电机是〔〕。
A.沟通电机B.直流电机C.步进电机D.直线电机正确答案：B8、以下不属于数控机床对主轴伺服系统的要求的是〔〕。
A.主轴与进给轴同步掌握B.角度分度掌握C.轴向定位掌握D.准停掌握正确答案：C9、以下方法能够实现他励直流伺服电机的调速，但是不经济且低速特性较软的是〔〕方式。
A.调整电枢电压UaB.调整电枢回路总电阻RaC.调整励磁磁通ΦD.调整转子线圈的相数正确答案：B10、在步进电机功率放大电路中，承受“高压建流、低压定流”工作方式的驱动电路是〔〕。
A.细分驱动电路B.调频调压电路C.凹凸电压驱动电路D.恒流斩波电路正确答案：C11、步进电动机的转速主要取决于〔〕。
A.电脉冲的总数B.电流的大小C.电脉冲的频率D.电压的凹凸正确答案：C12、设步进电机通电频率为1000Hz，步距角为0.1°，步进电机经过减速比为10 的齿轮减速后，通过螺距为3mm 的丝杠螺母副驱开工作台实现Z 向进给运动，则工件台的Z 方向的移动速度是〔〕m/min。
第五章 数控机床的位置检测装置 曼初宏
第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字 形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电 量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检 测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直 接测量和间接测量。 3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的 零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。
伺服系统包含哪些(基本组成_工作原理_应用)
伺服系统包含哪些(基本组成_工作原理_应用)
伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
下图给出了伺服系统组成原理框图。
图伺服系统组成原理框图
1.比较环节
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信
2.控制器
控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3.执行环节
执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4.被控对象
5.检测环节
检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
伺服系统工作原理伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化而变化的自动控制系统，即伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由计算机数字控制系统、伺服驱动器、伺服电动机、速度和位置传感器等组成。
计算机数字控制系统用来存储零件加工程序，根据编码器反馈回来的信息进行各种插补运算和软件实时控制，向各坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令。
伺服驱动器和伺服电动机接收到计算机数字控制系统的控制命令后，对功率进行放大、变换与调控等处理，能够快速平滑调。
数控机床位置检测装置的分类方法
数控机床位置检测装置的分类方法数控机床位置检测装置的分类方法对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用以下不同的检测方式。
下面就一起随店铺来了解下数控机床位置检测装置的分类方法吧。
1、增量式和绝对式测量增量式检测方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移(即最小设定单位)的数量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。
其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。
但在此系统中，移距是靠对测量信号累积后读出的，一旦累计有误，此后的测量结果将全错。
另外在发生故障时(如断电)不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。
脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置。
绝对式测量方式测出的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表示出来，一般都要经过转换成脉冲数字信号以后，才能送去进行比较和显示。
采用此方式，分辨率要求愈高，结构也愈复杂。
这样的测量装置有绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘(或称多圈式绝对编码盘)等。
2、数字式和模拟式测量数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示。
测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控系统进行比较、处理。
这样的检测装置有脉冲编码器、光栅。
数字式检测有如下的'特点：(1)被测量转换成脉冲个数，便于显示和处理;(2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关;但存在累计误码差;(3)检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。
模拟式检测是将被测量用连续变量来表示，如电压的幅值变化，相位变化等。
在大量程内做精确的模拟式检测时，对技术有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。
模拟式检测装置有测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。
模拟式检测的主要特点有：(1)直接对被测量进行检测，无须量化。
(2)在小量程内可实现高精度测量。
进给伺服系统介绍
格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不 进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。 例题： 将二进制码0101转换成对应的格雷码：
010（1二进制码）
01（ 0 右移一位并舍去）末位
011（1雷格码）
绝对式码盘的规格及分辨率
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
二、NC机床对数控进给伺服系统的要求
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：
R NF maF xmin
一般要求：
R N 10 且 0 . 1 m m 0 F m m 0 1 i m in n m m i
Z
其中，A、 B、 Z 是 A、 B、 Z 的取反信号。
90°
……
码盘转一圈
A
输出信号的作用及其处理
A、B两相的作用
90O
根据脉冲的数目可得出被测轴
的角位移；
B
根据脉冲的频率可得被测轴的
转速；
根 据 A、B 两 相 的 相 位 超 前 滞
后关系可判断被测轴旋转
CP
方向。
后 续 电 路 可 利 用 A、B 两 相 的 90°相位差进行细分处理 （四倍频电路实现）。
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。
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
伺服系统的检测元件
5.2 旋转变压器
单极对旋转变压器的工作情况。如图5-2所示，设一次 绕组匝数为N1，二次绕组匝数为N2，n=N1/N2为变压比， 当一次侧输入交变电压
U1=Umsinωt
（5-1）
二次侧产生感应电势
U2=nU1=nUmsinωtsinθ
(5-2)
式中， U2为转子绕组感应电势；
U1为定子的激磁电压；
U2=nUmsinωt
(5-3)
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5.2 旋转变压器
正弦余弦旋转变压器的工作原理，如图5-3渐示。正弦余 弦旋转变压器定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组， 定子上的两个绕组分别为正弦绕组(激磁电压为U1s)和余弦 绕组(激磁电压为U1c)，转子绕组中的一个绕组输出电压为 U2，另一个绕组接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。
(4)由于感应同步器感应电势低，阻抗低，应加强屏蔽以防止干 扰。
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5.4 光 栅
光栅按用途分有两大类，一类是物理光栅(亦称衍射光栅)， 另一类是计量光栅。物理光栅的刻线细密，线纹密度一般为 200～500条/mm，线纹相互平行且距离相等，称此距离 为栅距。物理光栅是利用光的衍射原理，常用于光谱分析和 光波波长的测定。计量光栅是利用光的透射和反射现象，用 于数控机床检测系统。因此，这里所讨论的光栅是指计量光 栅。
式中，n为任意正整数。
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5.3 感应同步器
（2）圆感应同步器 圆感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等
材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导 电绕组，绕组用厚O.05mm的铜箔构成。基板和绕组之间 有绝缘层。绕组表面还加有一层与绕组绝缘的屏蔽层，材料 为铝箔或铝膜。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕 组(sin绕组和cos绕组)，做成分段式，两相绕组交差分布， 相差90°电角度，如图5-6所示。
第五章 位置检测装置
5.1.3 位置检测装置的分类
绝对式：对于被测量的任意一点位置均由固定的零 点标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。
优点：能指示绝对位置，没有累计误差，电源切断 后信息不丢失。
缺点：装置结构较为复杂。
9
5.2 旋转变压器
旋转变压器是一种基于电磁感应原理的角度测 量元件，在结构上与两相绕组式异步电动机相似， 由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边， 转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕 组上，激磁频率通常为400Hz~5000Hz，转子绕组 产生的感生电压反映回转角的变化。其结构简单、 动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出 信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。
幅值工作方式 ：给滑尺绕组通入相位相同、频 率相同，但幅值不同的励磁电压。
22
5.3.2 感应同步器的应用
(1)感应同步器的鉴相测量系统
23
5.3.2 感应同步器的应用
设滑尺绕组节距为P，则滑尺移动x时，有
x , 2 x
2 P
P
U s U m sin t Uc U m cost Uo kUs cos kUc sin
按测量方式分：增量式测量和绝对式测量。 增量式 ：只测量位移量。测量单位为0.01mm，每移
动0.01mm发出一个脉冲信号。 优点：装置简单，任何一个对中点都可作为测量的
起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方 式。 缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计 数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全 错误。如发生某种故障，无法恢复。
6
5.1.3 位置检测装置的分类
模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来 表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用 模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步 器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。
(完整版)数控技术试题库(含答案)
1、数控机床自动编程有两种：软件编程和软件编程。
[APT、CAM]2、使用作位置检测装置的半闭环进给系统，一方面用它作实际位移反馈信号，另一方面作测速信号。
[旋转变压器]3、在数控编程时，是按照______来进行编程，而不需按照刀具的在机床中的具体位置。
[工件原点]4、数控车床自动换刀装置的刀架动作是刀架抬起、____ __、_____ __、_____ _。
[刀架转位、刀架定位、夹紧刀架]5、按照伺服系统类型，可将数控机床的控制系统分为、和。
[开环、半闭环、闭环]6、数控机床有着不同的运动方式，编写程序时，我们总是一律假定并规定为正。
[工件不动刀具运动、刀具远离工件的方向]7、普通数控铣床程序与加工中心编程的主要区别于。
[换刀程序]8、数控机床是由、、、、组成的。
[数控程序、计算机、外部设备、输入/出通道、操作面板]9、按所用的进给伺服系统的不同数控机床可为、、。
[开环、半闭环、闭环]10、NC机床的含义是数控机床，CNC是_ FMS是CIMS是。
[计算机数控机床、柔性制造系统、计算机集成制造系统]11、数控机床程序编制可分为、。
[手工编程、自动编程]12、脉冲编码器是一种位置检测元件，按照编码方式，可分为和两种。
[光学式、增量式、绝对式]13、一个零件加工的程序是由遵循一定结构、句法和格式规则的若干个组成的，而每个是由若干个组成的。
[程序段、程序段、指令字]14、圆弧插补加工时，通常把与时钟走向一致的圆弧叫使用_______指令，反之使用_______指令。
[G02、G03]15、对步进电机施加一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，这个角度叫做______，电机的总角位移和输入脉冲的_______成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的______。
[步距角、数量、频率]16、插补是指。
[将工件轮廓的形状描述出来，边根据计算结果向各坐标发出进给指令]插补的任务：跟据进给速度的要求，完成在轮廓起点与终点之间的中间点的坐标值的计算。
伺服系统中的常用检测装置-精选文档
标准感应同步器的外形尺寸
2019/2/27
26
sin cos cos
sin
sin
cos sin
cos
圆型感应同步器的绕组
2019/2/27 27
5.3.1 感应同步器的工作原理
直线感应同步器的结构
2019/2/27
28
感应同步器工作原理
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当滑尺的两个绕组中的任一绕组中通过激磁交变电压时：
ud Es Ec
E KV sin sin tcos S m
E KV cos sin tsin C m
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KVm sin(
2 x) sin t 2
KVm sin t sin
4）当滑尺再向D点移动时，定尺电压又逐渐变为零。
5）当移动一个节距，到达E点时，又与A点的情况相同。
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5.3.2 感应同步器测量系统
感应同步器也有：鉴相测量系统和鉴幅测量系统。 1）鉴相测量系统 给感应同步器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相 同，相位差为90°的励磁信号：
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5.1.1 对位移检测装置的要求
（1）除了对电磁感应有较强的抗干扰能力外，还要求不怕 油、水的污染，也要求检测元件被环境温度影响较小。 （2）在机床执行部件移动范围内，满足精度和速度响应时 间要求
直线位移检测装置的分辨率一般在0.0001-0.01mm之间， 其测量精度可达±0.001-0.02mm/m。 由于机床在实际加工中有铁屑和切削液的存在，所以检测 元件在拖板上安装时也必须有一定的防护罩。
数控机床的位置检测装置
二、位置检测装置的分类(3)
直接测量和间接测量
直接测量 将检测装置直接安装在执行部件上。测量 直线位移量，常用光栅，感应同步器等检测装置。其 优点是直接反映工作台的直线位移量，测量精度高。 缺点是检测装置要和行程等长，这对大型数控机床是 一个很大的限制。
间接测量 通过测量与工作台直线运动相关联的回转 运动间接地测量工作台的直线位移，检测装置常用旋 转变压器等。间接测量使用可靠方便，无长度限制， 其缺点是测量信号加入了直线运动转变为回转运动的 传动链误差，从而影响测量精度。
三、常见位置检测装置结构及工作原理(1)
光电脉冲编码器(1)
光电脉冲编码器是一种常用角位移传感器， 属间接测量元件。它通常与驱动电动机同轴 连接。光电编码器随着电动机轴旋转，可以 连续发出脉冲信号。数控系统通过对该信号 的接收、处理和计数，即可得到电动机的旋 转角度，从而算出当前工作台的位移。
直线感应同步器的结构图例
三、常见位置检测装置结构及工作原理(6)
旋转变压器的结构与工作原理（1）
旋转变压器是一种控制用的微电机，它将机械转角变 换成电信号输出。在结构上与两相式异步电动机相似， 由定子和转子组成。定子绕组为变压器的初级，转子 绕组为变压器的次级，励磁电压接到定子绕组上。旋 转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求， 维护方便，抗干扰性强，工作可靠，因此在数控机床 上广泛应用。
光电脉冲编码器原理图图例
三、常见位置检测装置结构及工作原理(3)
光电脉冲编码器(3)
光电编码器的指示光栅（固定不动）上有两段条纹组Ａ和Ｂ， 每组条纹的间距（称为节距）与圆光栅相同，而Ａ组与Ｂ组的 条纹彼此错开1/4节距，两组条纹相对应的光电元件所感应的信 号的相位彼此相差90º。当电动机正转时，Ａ信号超前Ｂ信号90º， 当电动机反转时Ｂ信号超前Ａ信号90º。数控装置正是利用这一 相位关系判断电动机的转动方向，同时利用Ａ信号（或Ｂ信号） 的脉冲数计算电动机的转角。因此采用光电编码器所构成的位 置闭环控制的分辨率主要取决于圆光栅一圈的条纹数。
第三节 数控机床的位置检测装置
直线型
长光栅、激光干涉仪 长光栅、
编码尺
绝对值式磁尺
20:40:43
一、旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。 旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。 1.旋转变压器的结构及其特点 1.旋转变压器的结构及其特点 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大， 工作可靠，广泛应用于数控机床上。 强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 旋转变压器在结构上和两相线饶式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子 旋转变压器在结构上和两相线饶式异步电动机相似， 定子和转子组成。 组成 绕组为变压器的一次绕组，转子绕组为变压器的二次绕组。 绕组为变压器的一次绕组，转子绕组为变压器的二次绕组。 接线方式： 接线方式： 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。 转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式， 转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变 压器分有有刷式和无刷式两种结构。 压器分有有刷式和无刷式两种结构。
20:40:43
若 θ机
与转子绕组平行， 当 与转子绕组平行，即没有磁力线穿 θ 过转子绕组，因此感应电压为0， 垂直于转子绕组平面时， 过转子绕组，因此感应电压为 ，当磁通φ 垂直于转子绕组平面时，即（ 机 - θ电 = ±90 ） 转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小， 时，转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修正定 即励磁幅值）， ），使其跟踪 变化。 子励磁信号 θ电 （即励磁幅值），使其跟踪 θ 机 变化。 由上式可知，感应电压 E2 是以ω 为角频率的交变信号，其幅值为U msin（θ 机 − θ电） 为角频率的交变信号， 由上式可知， 已知， 的幅值， 的值， 若电气角 θ电 已知，那么只要测出 E2 的幅值，便可以间接地求出 θ 机 的值，即可以测 出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为0时 出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为 时，说明电气角的大小就是被测角位移 θ 的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时， 让感应电压的幅值为0， 电 的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时，不断调整 ，让感应电压的幅值为 ，用 θ电 θ电 θ机 的测量， 可通过具体电子线路测得。 代替对 的测量， 可通过具体电子线路测得。
河南科技大学机电工程学院
其性能决定了进给伺服系统的性能。
控制 电机
伺服电机 分类
步进电机（Stepping Motor） 直流伺服电机（DC Motor将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。
（一） 步进电机结构和工作原理
结构：主要由定子、转子和励磁绕组三 部分组成。 定子上有六个磁极，每个磁极上绕有 励磁绕组，每相对的两个磁极组成一 相，分成A、B、C三相。定子和转子
要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工 的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时 要求有大的转矩输出。
三、进给伺服系统的分类
按其控制原理和有 无位置反馈装置
开环系统 半闭环系统 全闭环系统
1、开环系统：没有任何测量反馈装置
功率步进 电机
这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉 等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。
进给伺服系 统的组成
➢ 伺服驱动器（位置、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
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
作用：接受CNC发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动器作
why？
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势； 频率越高，反向电动势越大，相电流减小，从而导致力矩下降。
本节课程讲授主要内容：
进给伺服系统的基本概念 伺服电机及其调速 位置检测装置
第一节 概述 一、 伺服系统的组成
伺服系统名词解释
伺服系统名词解释
伺服系统（Servo System）是一种能够控制和调节机械运动的自动控制系统。
它通常由伺服电机、编码器、控制器和反馈装置组成。
伺服电机是一种具有高精度和高响应性能的电动机，通过提供恒定的转矩和转速来驱动机械装置。
编码器是用于测量电机转动位置和速度的装置，将这些信息反馈给控制器。
控制器是伺服系统的核心部分，负责接收编码器反馈信号，并根据设定的控制算法来计算控制信号。
控制器将控制信号发送给伺服电机，以实现所需的运动控制。
反馈装置是用于检测机械装置的位置、速度、加速度等信息的装置，将这些信息反馈给控制器，以便控制器可以实时调整控制信号，从而实现精确的运动控制和位置控制。
伺服系统广泛应用于工业自动化、机械加工、机器人、航空航天等领域。
它具有高精度、高速度、高可靠性和灵活性的特点，能够实现各种复杂的运动控制任务。
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9.2 开环步进电动机驱动系统
开环伺服系统不设位置检测反馈装置， 不构成运动 反馈控制回路， 电动机按数控装置发出的指令脉冲工作， 对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。 其典型代表 是步进电动机开环进给伺服系统， 如图9.1所示。
数控 装置
指令脉冲 环形 分配器
步进电动机
步进电动机 功率放大器
第9章 伺服系统与位置检测装置
9.1 伺服系统概述 9.2 开环步进电动机驱动系统 9.3 直流伺服系统 9.4 交流伺服系统 9.5 位置检测装置 习题
9.1 伺服系统概述
1. 基本概念 伺服（Servo）系统又叫随动系统， 是一种能够跟 随指令信号的变化而动作的自动控制装置， 根据实现 方法不同， 可以分为机械随动（仿形）系统、 液压伺 服系统、 电气伺服系统等， 目前的数控机床均采用电 气伺服系统。
步进电动机的步距角越小， 位置精度越高。 对于 定子相数为m， 转子齿数为Z的步进电动机， 其步距 角为
360
mZK
由此可知， 定子磁极对数和转子齿数越多， 步距 角就越小。 如图9.3 所示， 定子为三相， 转子有40个 齿， 则三相三拍工作时
360 3
3 40 1
三相六拍工作时
360 1.5
图9.4 步进电动机的矩角特性
M / (N·m)
O
f / Hz
图9.5 步进电动机的矩频特性
· 低频区： 步进电动机的运行为连续的单步运动， 每次换相时， 转子都要来回振荡若干次， 如图9.6(a) 所示。
· 高频区： 这时脉冲间隔短， 前一步还没有振荡 结束， 后一个脉冲就已经到来， 从而使步进电动机连 续平滑地转动， 运转比较平稳， 如图9.6(b)所示。
3. 步进电动机的工作原理
图９.2所示为反应式步进电动机的工作原理示意图。 其定子、 转子是用硅钢片等软磁材料制成的， 定子上 有A、 B、 C三对磁极， 分别绕有A、 B、 C三相绕组。 三对磁极在空间上相互错开120°。
A B
A B C
C
U
(a)
C B 逆 时 针 回 转 30°
2 4
A 1B
步进电动机的主要缺点是： 使用不当时， 会引起 “失步”或“过冲”； 运转时有振动和噪音； 额定转速较低， 最高频率一般不超过1 kHz。
2. 步进电动机的分类 1） 反应式步进电动机 反应式步进电动机的定子和转子由硅钢片或其他软 磁材料制成， 定子上有励磁绕组， 绕组相数一般为二、 三、 四、 五、 六相， 步距角一般为0.36°～3°。
在数控机床中， CNC装置是发布命令的“大脑”， 而伺服系统则是数控机床的“四肢”， 是一种执行机构， 它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。
伺服系统由伺服驱动装置、 伺服电动机、 位置检测 装置等组成。
来将电能转换为机械能， 拖动机械部件移动或转动。
2. 数控机床对进给伺服系统的要求 数控机床对进给伺服系统的要求是： （1） 调速范围宽， 在大的速度范围内运转稳定。 （2） 负载特性硬， 抗扰动能力强， 能保证切削过 程中受负载冲击时速度不变， 尤其在低速时应有足够 的负载能力。 （3）反应速度快。 （4） 准确度高。
（2） 双拍。 采用双相轮流通电方式， 即每拍都 有两相通电， 称为双拍。 如三相步进电动机的通电顺 序为AB→BC→CA→AB， 则构成三相双三拍工作制。
（3） 单双拍， 即单双相轮流通电。 如对三相步 进电动机来说， 单双拍工作时的通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA→A， 一个循环为6拍， 称 为三相六拍工作制。
9.2.1 步进电动机 1. 步进电动机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位
移的机电执行元件。
概括起来， 步进电动机具有如下优点： （1） 转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和 频率控制， 有脉冲就走， 无脉冲则停， 旋转方向由通 电顺序决定。 （2） 体积小， 重量轻， 价格低。 （3） 驱动简单， 工作可靠， 误差不长期积累。 （4） 精度高， 惯性小， 容易调试。
3 40 2
A
3°
C
B
C B
6° A
图9.3 三相反应式步进电动机
4. 步进电动机的主要特性 （1） 步距角α。 步进电动机每步转过的角度称为步 距角。 （2） 步距误差Δα。 （3） 距角特性。 （4） 矩频特性。 （5） 运行特性。
定子
转子
ML t
M
Mmax －
－
M
初始
平衡点
＋
0
t
静态稳定区
· 共振区: 当脉冲频率介于低频和高频之间且接近 电动机本身固有的振荡频率时， 电动机将产生强烈的 振荡， 甚至“走一步退两步”， 左右摇摆， 无法正 常工作， 这种情况应设法避免。
转角 3
2
转角 3
C通 电
2
B通 电
A通 电
低频区； (b) 高频区
2） 永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的定子由软磁材料制成， 定子 上有励磁绕组； 转子由永久磁铁制成， 步距角一般为 15°、 22.5°、 30°、 45°等。
3） 混合式步进电动机 混合式步进电动机又叫永磁反应式步进电动机， 它在结构和性能上， 兼有反应式步进电动机和永磁式 步进电动机两者的特点， 即具有反应式步进电动机步 距角小、 工作频率高的特点， 又具有永磁式步进电动 机控制功率小、 运行稳定、 断电后有保持转矩的特点， 更适合应用于数控系统中。
3C A
逆 时 针 回 转 30°
B相 通 电
A C 1 B
A C 2 B
1 3
42 B 3 C
B 4
C
A
A
A相 通 电 逆 时 针 回 转 30°C相 通 电 (b)
图9.2 反应式步进电动机工作原理
步进电动机的通电方式有以下三种。
（1） 单拍。 在各相轮流通电的过程中， 每拍只 有一相通电， 称为单拍。
齿轮箱
工作台
电源
图9.1 步进电动机开环进给伺服系统结构图
图9.1中， 数控装置发出指令脉冲通过环形分配器 和功率放大器驱动步进电动机， 每发出一个指令脉冲， 步进电动机就转过一个角度， 此角度叫做步进电动机 的步距角。 步进电动机通过齿轮箱、 滚珠丝杠驱动工 作台运动， 其运动的位移量与指令脉冲数成正比， 运 动速度与脉冲的频率成正比。