(机床)数控技术：第五章 伺服驱动系统

光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线 路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为 平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光 强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离 传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就 是将电压信号进行电压和功率放大。
⑴进给驱动 控制机床各坐标轴的切削进给运 动，是一种精密的位置跟踪与定位系统，它包 括速度控制和位置控制。
⑵主轴驱动 控制机床主轴的旋转运动和切削 过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。
⑶辅助驱动 控制刀库、料库等辅助系统，多 采用简单的位置控制。
闭环进给伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块
速度控制单元
• 物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。 • 计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度
直线位移和角度位移
计量光栅的种类及结构
种类： 1.直线光栅
⑴玻璃透射光栅 ⑵金属反射光栅 2.圆光栅 测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环 端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、 相互间的夹角相等。 结构：标尺光栅+读数头
指令
位置比较
+ －
速度控制
速度反馈
位置反馈
伺服电机
工作台
图6-3 半闭环伺服系统简图
开环进给伺服系统
开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈 回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精 度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。 如图6-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉 冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。
– 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
– 系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量 • 动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量
的响应特性。
常用位置检测元件及分类
一 、旋转变压器 模拟型，增量式
二、感应同步器
非接触式模拟式测量。 两个其间保持均匀气隙的平面形印刷绕组，相对平行移动时，
一、数控机床伺服系统的分类
• 按伺服系统调节理论，可分为开环、闭环和半闭环系统。 • 按驱动部件的动作原理：
– 电液控制系统 – 电气控制Baidu Nhomakorabea统
• 步进电动机驱动系统 • 直流伺服系统 • 交流伺服系统 • 按反馈比较控制方式，有脉冲比较伺服系统、相位比较伺 服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。 • 按控制对象和使用目的，主要分为进给、主轴、辅助驱动
位置环
速度环 速度检测
测量反馈
伺服电机
工作台 位置检测
闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测 装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给 CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控 制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。
半闭环进给伺服系统
半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上， 用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件， 将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标 运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得 到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。 目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统 较多。
（二）感应同步器的工作原理
感应同步器根据电磁感 应原理而工作。感应电势的 变化，来检测在一个节距w 内的位移量。
（三）感应同步器输出信号的处理方式
⒈鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移。
⒉鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的幅值变化来检测位移
（四）感应同步器的特点
1. 精度高 其输出的电压是许多对极感应电压的平均值， 在误差均化的作用下，使所得到的测量精度比元件本 身的制造精度高得多。
第五章 伺服驱动系统
第一节 伺服系统概述 第二节 伺服系统中常用的检测装置 第三节 步进电机极其驱动系统 第四节 直流电机与速度控制 第五节 交流电机与速度控制 第六节 主轴控制 第七节 位置控制
第一节 伺服系统概述
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象 的自动控制系统。
一、数控机床伺服系统的分类 二、数控机床对伺服系统的要求
2. 可用于长距离位移测量 直线型感应同步器可方便地 利用多根定尺接长来满足较大测量范围的要求。
3. 对环境的适应性强 它是利用电磁感应原理产生信号， 所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与位置一一对应， 不易受干扰。
4. 使用寿命长，维护简单。 5. 工艺性好，成本低。
三、光栅
光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光 电检测装置。
工作台
指令脉冲 驱动器
步进电机
齿轮箱
图6-2开环伺服系统简图
二、数控机床对伺服系统的要求
数控机床对伺服系统的要求可归纳为以下几方面： 1. 高精度 要求伺服系统的定位误差特别是重复定位误 差小，跟随误差小。 2. 快速响应，无超调 加工过程中，要求加减速度足够 大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。 3. 电机调速范围宽 加工工件的种类、加工用刀具的不 同，为保证在任何条件下都能得到最佳切削状态，要求 进给驱动必须具有足够宽的调速范围。 4. 低速大扭矩 根据机床加工的特点，大都是在低速进 行重切削，即在低速时，进给驱动系统能够提供足够大 的扭矩。 5. 可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命 长平均故障间隔时间长。
第二节 伺服系统中常用的检测装置
检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。 它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构 成半闭环、闭环系统。
检测装置的性能
检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性上。 • 静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、
迟滞、零漂与温漂。 检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。
根据交变磁场和互感原理而工作的。 • 直线型感应同步器：测量直线位移,由定尺和滑尺组成； • 圆形感应同步器: 测量角位移,由转子和定子组成。 （一）感应同步器的结构 （二）感应同步器的工作原理 （三）感应同步器输出信号的处理方式 （四）感应同步器的特点
（一）感应同步器的结构
定尺为连续绕组 滑尺为分段绕组，分为正弦绕组和余弦绕组两部分 节距一定，滑尺的正弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。