第四章-数控机床的驱动与控制系统-伺服系统与位置检测概要
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数控机床电气控制
二、数控机床的特点
（1）加工精度高，质量稳定。 （2）能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。 （3）生产效率高。 （4）对产品改型设计的适应性强。 （5）有利于制造技术向综合自动化方向发展。 （6）监控功能强，具有故障诊断的能力。 （7）减轻了工人的劳动强度，并改善了劳动条件。
第四节数控机床的产生及发展 一、数控机床的产生
5按低压电器型号分类 （1）刀开关H。 （2）熔断器R。 （3）断路器D。 （4）控制器K。 （5）接触器C。 （6）起动器Q。 （7）控制继电器J。 （8）主令电器L。 （9）电阻器Z。 （10）变阻器B。 （11）调整器T。 （12）电磁铁M。 （13）其他A。
二、低压电器的结构 （一）电磁机构
而且要求刀具由一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线，并能控 制位移的速度。 （3）轮廓控制系统
也称连续控制系统。其特点是能够同时对两个或两个以上的坐 标轴进行连续控制。
2. 按伺服系统控制方式分类 （1）开环伺服系统
数控装置根据信息载体上的指令信号，经控制运算发出指令脉
冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠 螺母副，使执行机构(如工作台)移动或转动。 （2）闭环伺服系统
（2）改变非磁性垫片的厚度。 （3）调节螺丝，可以改变初始气隙的大小。 2电磁式继电器的特性
继电器的主要特性是输入/输出特性，又称为继电特性，
二、中间继电器 中间继电器实质上是一种电压继电器，它是根据输入电压有
无而动作的，一般触点对数多，触点容量额定电流为5～10 A左右。 中间继电器体积小，动作灵敏度高，一般不用于直接控制电
其位置检测元件直接对工作台的实际位置进行检测，理论上
讲，可以消除整个驱动扣传动环节的误差、间隙和失动量，具有很 高的位置控制精度。 （3）半闭环伺服系统
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
《数控机床故障诊断与维护》课程标准
《数控机床故障诊断与维护》课程标准课程代码：学时：64 学分：4一、课程的地位与任务《数控机床故障诊断与维护》是一门专业课程，先修课程有机械制造、气动液压、电控及PLC 技术应用等。
本课程是机电技术的综合应用，对学习机、电技术综合能力的培养有明显的促进作用。
同时也是数控的一门专业主干核心课程，具有实践性强、应用面广的特点。
通过《数控机床故障诊断与维护》的教学，使学生能够获得数控机床的基本理论和基本知识，初步掌握数控机床故障诊断与维护的基本思路、基本方法和基本原则，具有分析并排除数控机床常见故障的能力。
为今后学习后续课程和从事相关工作打下扎实的基础。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容第一章数控机床维修与维护基础第一节数控机床概述(1)数控机床的产生背景(2)数控机床的基本概念(3)数控机床的组成(4)数控机床的工作过程(5)数控机床的种类(6)数控机床的常用数控系统简介第二节数控机床的故障维修基础(1)数控机床的故障定义(2)数控机床常见故障的特点与规律(3)数控机床常见故障的种类(4)数控机床发生故障时的诊断方法第三节数控机床的日常维修维护与保养(1)数控机床日常维修维护工作的内容(2)数控机床机体的维护与保养(3)数控机床电气控制系统的日常维护(4)数控机床维修人员应具备的基本要求(5)数控机床的维修维护的技术资料(6)数控机床故障诊断与维护常用仪器仪表及工具第四节FANUCOi系统数控机床基本操作(1)数控机床面板介绍(2)数控机床的基本操作(3)手动进给操作第二章数控系统硬件故障诊断与维护第一节数控系统硬件概述第二节数控系统硬件的更换方法第三节数控系统硬件故障的诊断方法第四节数控机床的抗干扰措施第三章数控系统软件故障诊断与维护第一节数控系统软件的组成第二节数控系统的参数设置第三节数控系统的参数备份与恢复第四节数控系统软件故障的诊断与处理方法第四章数控机床PLC故障诊断与维护第一节数控机床PLC基础(1)数控机床中PMC的用途(2)数控机床用PLC种类(3)数控机床PLC梯形图程序(4)数控机床PLC梯形图符号第二节数控机床用PLC的操作(1)FANUCOi数控系统的PMC调试功能(2)PMC的基本操作(3)PMC编程实例第三节数控系统PMC故障诊断(1)数控系统PMC的故障类型及原因(2)通过PMC进行故障诊断的方法(3)数控机床PMC控制功能程序分析(4)典型PLC故障的分析与诊断流程第五章数控机床进给伺服系统故障诊断与维护第一节进给伺服系统的概述(1)进给伺服系统的组成(2)数控机床对进给伺服驱动系统的要求(3)进给伺服驱动系统的分类第二节步进电动机伺服系统及工作原理(1)步进进给伺服驱动系统(2)步进电动机进给伺服驱动系统的工作原理(3)步进电动机驱动系统的常见故障与维修第三节交流伺服进给驱动装置的组成及工作原理(1)交流进给伺服系统的特点(2)模拟式交流伺服控制原理(3)数字交流伺服系统控制原理(4)交流伺服系统的维护与调整第四节位置检测装置的组成及工作原理(1)位置检测装置的要求(2)位置检测方式分类(3)位置检测元件及其维护(4)位置检测故障的诊断第六章主轴驱动系统故障诊断与维护第一节数控机床主轴驱动系统基本知识(1)数控机床对主轴传动的要求(2)主轴系统分类及特点(3)主轴伺服系统故障的形式及诊断第二节交流主轴伺服系统概述(1)交流主轴伺服系统的特点(2)交流主轴调速原理(3)交流数字式主轴伺服系统（4）交流模拟式主轴伺服系统第三节交流主轴驱动系统故障诊断与维修（1）交流数字式主轴伺服系统故障的诊断与排除（2）交流模拟式主轴伺服系统故障的诊断与排除（3）主轴伺服系统故障实例及分析第七章数控机床机械结构故障诊断与维护第一节数控机床精度的检验第二节主传动机械结构的维护与维修第三节进给系统机械传动结构的维修第四节换刀装置的维护与故障诊断第五节其它辅助故障诊断与维护2.学时分配本课程在教学过程中，强调基础理论和基本概念的掌握，同时注重学生的实际动手操作，要求能把基础理论应用于实践中，让学生具备处理和排除数控机床基本故障的能力。
第4章 数控机床伺服系统
图4-7 永磁直流伺服电动机
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
伺服控制系统
第四章伺服控制系统内容提要第一节概述第二节伺服系统的驱动元件第三节位置控制系统第四节伺服系统的特性对数控机床加工精度的影响第一节概述●伺服系统的概念●数控机床对伺服系统的要求伺服系统的概念伺服系统是一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定值，与输出量进行比较，利用偏差值对系统进行自动调节，以消除误差，使输出量紧密跟踪给定值•伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成•伺服系统的性能直接关系到数控机床执行部件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等•进给系统的作用在于保证切削过程能够继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信息加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置，以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹数控机床对伺服系统的要求●调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。
由于加工所用的刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求有很大的同时要求在调速范围内，速度均匀、稳定，低速时无爬行，在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变●精度高数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不可能像普通机床那样用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移和指令位移之差要小●响应快要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，即灵敏程度要高，达到最大稳定速度的时间要短，这种过渡一般都在200ms以内，甚至几十毫秒响应的快慢反映了系统跟踪精度的高低，且直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏●低速大扭矩数控机床的进给系统常在相对较低的速度下进行切削，故要求伺服系统能够输出大的转矩。
普通加工直径为400mm的车床，纵向和横向的驱动力矩都在10Nm以上为了输出大的扭矩，数控机床的进给传动链应尽量短，传动的摩擦系数尽量小，并减少间隙，提高刚度，减少惯量，提高效率第二节伺服系统的驱动元件 驱动元件(伺服电机)是伺服系统的关键部件，它接受控制系统发来的进给指令信号，并将其转变为角位移或直线位移，以驱动数控机床的进给部件实现所要求的运动对伺服驱动元件的要求●这种运动要能进、能退、能快、能慢，既精确又灵敏。
数控技术第二版课后答案
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床三者如何区别答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床各有何特点答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
数控机床习题有答案
数控机床习题(第一章)1填空题（1）数控机床一般由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各种辅助装置组成。
（2）数控机床采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。
（3）突破传统机床结构的最新一代的数控机床是并联机床。
（4）自适应控制技术的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。
2选择题（1）一般数控钻、镗床属于（ C ）（A）直线控制数控机床（B）轮廓控制数控机床（C）点位控制数控机床（D）曲面控制数控机床（2）（ D ）是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节（A）控制介质（B）数控装置（C）输出装置（D）伺服系统（3）适合于加工形状特别复杂（曲面叶轮）、精度要求较高的零件的数控机床是（ A ）（A）加工中心（B）数控铣床（C）数控车床（D）数控线切割机床（4）闭环控制系统的位置检测装置装在（ D ）（A）传动丝杠上（B）伺服电动机轴上（C）数控装置上（D）机床移动部件上（5）根据控制运动方式的不同，数控机床可分为（B ）（A）开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床（B）点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床（C）经济型数控机床、普及型数控机床和高档型数控机床（D）NC机床和CNC机床3 判断题（1）通常一台数控机床的联动轴数一般会大于或等于可控轴数。
（×）（2）数控机床是通过程序来控制的。
（√）（3）数控机床只用于金属切削类加工。
（×）（4）数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。
（√）（5）机床本体是数控机床的机械结构实体，是用于完成各种切割加工的机械部分。
（√）4 简答题（1）简述数控机床的发展趋势。
P91、高速度与高精度化2、多功能化3、智能化4、高的可靠性（2）简述数控机床各基本组成部分的作用。
数控机床的进给伺服系统概述
M j max
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
数控机床的伺服驱动系统
1
数控机床的伺服驱动系统
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，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
数控机床的伺服驱动系统
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，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
数控机床的伺服系统
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4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
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特点：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。
例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程 如下：
1101 （二进制码） 1101（不进位相加，舍去末位）
1011 （葛莱码）
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第一节 常用的位置检测装置
五、光栅
位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉冲， 反馈给数控装置，实现闭环控制．
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
2019/8/8
Us
S1
S2
θ B2
B1
Z
5
第一节 常用的位置检测装置
3.应用
i）.鉴相式
根据旋转变压器转子绕组中感应电势的 相位来确定被测位移大小的检测方式。
励磁电压：
Us = Um sin wt , Uc = Um cos wt
感应电势： Es = KUs sin(90 q ) = KUm sin wt cosq Ec = KUc sin(q ) = KUm cos wt sinq
Us = Um sin wt 定尺绕组上的感应电动势为：
E合系数
q — 与位移x相对应的角度。当滑尺相对定尺
移动的距离为x时，则对应于感应电势呈 余弦函数变化，θ角为：
q = 2 x = x 2
感应同步器的工作原理图
2019/8/8
9
第一节 常用的位置检测装置
感应电势：
U = Es Ec
= KUm sin wt cosq KUm cos wt sinq = KUm sin(wt q )
K为定子和转子线圈匝数之比，即变压比. 只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。
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Us C2
S1
Uc S2
C1
θ -θ B2
B1 Z
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第一节 常用的位置检测装置
利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。
1. 结构
P
由定尺和滑尺组成，定 尺不动，滑尺移动。
工作原理与旋转变压器 基本相同
定尺和滑尺绕组结构示意图
2019/8/8
间接测量直线位 移或角位移。
8
第一节 常用的位置检测装置
2. 工作原理 设US 是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压：
第四章 数控机床的位置检测与伺服控制
第一节 常用的位置检测装置 第二节 数控机床的伺服系统概述 第三节 步进电机及其驱动装置 第四节 交流伺服系统
2019/8/8
1
第一节 常用的位置检测装置
作用：
检测位移和速度，并发出反馈信号，构成 闭环或半闭环控制。
要求：
（1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易安装、维护，适应机床工作环境； （4） 成本低。
Us C2
S1
Uc S2
C1
θ -θ B2
感应电势： U = Es Ec
= KUm sin sin wt cosq KUm cos sin wt sinq
= KUm sin wt sin( q ) 当改变α ，使U=0，则θ=α
B1 Z
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第一节 常用的位置检测装置
二、感应同步器
ii）.鉴幅式
通过对旋转变压器转子绕组中感应电 势幅值的检测来实现位移检测的。
励磁电压：
Us = (Um cos)sin wt Uc = (Um sin)sin wt
感应电势： Es = KUs sin(90 q ) = KUm sin sin wt cosq Ec = KUc sin(q ) = KUm cos cos wt sinq
3. 应用 i）. 鉴相式
励磁电压：
感应电势：
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第一节 常用的位置检测装置
ii）. 鉴幅式
励磁电压：
Us = (Um sin)sin wt Uc = (Um cos)sin wt
感应电势： E = KUm sin sin wt cosq KUm cos sin wt sinq = KUm sin wt sin( q )
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2
第一节 常用的位置检测装置
分类：
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3
第一节 常用的位置检测装置
一、旋转变压器
1. 结构
Us Uc
θ
E
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，由定子和转子组成。
间接测量角位移
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第一节 常用的位置检测装置
2.基本工作原理
Us = Um sin w t UB = KUs sin q = KUm sin q sin w t
1.特点及分类
直接把被测转角用数字代码表示出来，即每一个角 度位置均有其对应的测量代码；它能表示绝对位置， 没有累积误差；电源切除后，位置信息不丢失。分光 电式、接触式和电磁式三种。
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第一节 常用的位置检测装置
2.结构与工作原理
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第一节 常用的位置检测装置
用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个 别电刷错位，而出现很大的数值误差。例如当电刷由位置 0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111） 之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除 这种误差，可采用葛莱码盘。
当改变α ，使U=0，则θ=α, 而α为已知量，同旋转变压器有：
q = = 2 x = x P
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第一节 常用的位置检测装置
三、增量式脉冲编码器
是一种旋转式脉冲发生器；增量式测量角位移或者速度
1. 结构及工作原理
光电脉冲编码器结构示意图
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。
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第一节 常用的位置检测装置
2**. 鉴向电路
0° 施密特 触发器
A
上升沿 微分
D
门电路
电路
G（正转）
反向电路 C
上升沿 微分 E 门电路 F（反转） 电路
90° 施密特 B 触发器
光电 脉冲编码器鉴向线路 （上升沿微分，异或门）
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13
第一节 常用的位置检测装置
四、绝对值编码器
1.结构和种类
包括： 标尺光栅 固定在机床活动部件上 指示光栅 安装在读数头内
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光栅读数头示意图
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第一节 常用的位置检测装置
2.原理
光电转换
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
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莫尔条纹
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第一节 常用的位置检测装置
3.莫尔条纹性质
例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程 如下：
1101 （二进制码） 1101（不进位相加，舍去末位）
1011 （葛莱码）
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第一节 常用的位置检测装置
五、光栅
位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉冲， 反馈给数控装置，实现闭环控制．
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
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Us
S1
S2
θ B2
B1
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第一节 常用的位置检测装置
3.应用
i）.鉴相式
根据旋转变压器转子绕组中感应电势的 相位来确定被测位移大小的检测方式。
励磁电压：
Us = Um sin wt , Uc = Um cos wt
感应电势： Es = KUs sin(90 q ) = KUm sin wt cosq Ec = KUc sin(q ) = KUm cos wt sinq
Us = Um sin wt 定尺绕组上的感应电动势为：
E合系数
q — 与位移x相对应的角度。当滑尺相对定尺
移动的距离为x时，则对应于感应电势呈 余弦函数变化，θ角为：
q = 2 x = x 2
感应同步器的工作原理图
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第一节 常用的位置检测装置
感应电势：
U = Es Ec
= KUm sin wt cosq KUm cos wt sinq = KUm sin(wt q )
K为定子和转子线圈匝数之比，即变压比. 只需要测出转子感应电压的相位，就知道转轴的角度。
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Us C2
S1
Uc S2
C1
θ -θ B2
B1 Z
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第一节 常用的位置检测装置
利用互感原理工作将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。
1. 结构
P
由定尺和滑尺组成，定 尺不动，滑尺移动。
工作原理与旋转变压器 基本相同
定尺和滑尺绕组结构示意图
2019/8/8
间接测量直线位 移或角位移。
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第一节 常用的位置检测装置
2. 工作原理 设US 是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压：
第四章 数控机床的位置检测与伺服控制
第一节 常用的位置检测装置 第二节 数控机床的伺服系统概述 第三节 步进电机及其驱动装置 第四节 交流伺服系统
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第一节 常用的位置检测装置
作用：
检测位移和速度，并发出反馈信号，构成 闭环或半闭环控制。
要求：
（1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易安装、维护，适应机床工作环境； （4） 成本低。
Us C2
S1
Uc S2
C1
θ -θ B2
感应电势： U = Es Ec
= KUm sin sin wt cosq KUm cos sin wt sinq
= KUm sin wt sin( q ) 当改变α ，使U=0，则θ=α
B1 Z
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第一节 常用的位置检测装置
二、感应同步器
ii）.鉴幅式
通过对旋转变压器转子绕组中感应电 势幅值的检测来实现位移检测的。
励磁电压：
Us = (Um cos)sin wt Uc = (Um sin)sin wt
感应电势： Es = KUs sin(90 q ) = KUm sin sin wt cosq Ec = KUc sin(q ) = KUm cos cos wt sinq
3. 应用 i）. 鉴相式
励磁电压：
感应电势：
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第一节 常用的位置检测装置
ii）. 鉴幅式
励磁电压：
Us = (Um sin)sin wt Uc = (Um cos)sin wt
感应电势： E = KUm sin sin wt cosq KUm cos sin wt sinq = KUm sin wt sin( q )
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第一节 常用的位置检测装置
分类：
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第一节 常用的位置检测装置
一、旋转变压器
1. 结构
Us Uc
θ
E
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，由定子和转子组成。
间接测量角位移
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第一节 常用的位置检测装置
2.基本工作原理
Us = Um sin w t UB = KUs sin q = KUm sin q sin w t
1.特点及分类
直接把被测转角用数字代码表示出来，即每一个角 度位置均有其对应的测量代码；它能表示绝对位置， 没有累积误差；电源切除后，位置信息不丢失。分光 电式、接触式和电磁式三种。
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第一节 常用的位置检测装置
2.结构与工作原理
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第一节 常用的位置检测装置
用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个 别电刷错位，而出现很大的数值误差。例如当电刷由位置 0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111） 之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除 这种误差，可采用葛莱码盘。
当改变α ，使U=0，则θ=α, 而α为已知量，同旋转变压器有：
q = = 2 x = x P
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第一节 常用的位置检测装置
三、增量式脉冲编码器
是一种旋转式脉冲发生器；增量式测量角位移或者速度
1. 结构及工作原理
光电脉冲编码器结构示意图
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。
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第一节 常用的位置检测装置
2**. 鉴向电路
0° 施密特 触发器
A
上升沿 微分
D
门电路
电路
G（正转）
反向电路 C
上升沿 微分 E 门电路 F（反转） 电路
90° 施密特 B 触发器
光电 脉冲编码器鉴向线路 （上升沿微分，异或门）
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第一节 常用的位置检测装置
四、绝对值编码器
1.结构和种类
包括： 标尺光栅 固定在机床活动部件上 指示光栅 安装在读数头内
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光栅读数头示意图
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第一节 常用的位置检测装置
2.原理
光电转换
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
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莫尔条纹
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第一节 常用的位置检测装置
3.莫尔条纹性质