第四章伺服驱动系统

1、编码器分类
按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器
按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式
按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r
2. 增量式光电脉冲编码器
（1）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件 (光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。
控制信号
CNC系统
驱动电机
光栅尺
反馈信号
检测装置
伺服驱动系统
一、数控机床伺服系统的定义
伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象
的自动控制系统。
CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构”。
伺服系统的组成
检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码 器等。 驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电 动机
定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间
间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W＝2mm。
间隔b2
W2
片宽a2
滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为W1＝
2(a1＋b1)，其中a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1＝W2或W1 ＝W2/3。
L1
对驱动装置进行控制。 工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低
性能指标
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，如 ±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。
系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直 线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"。
二、感应同步器
感应同步器是旋转 变压器演变而来，也是 一种电磁感应式的位移 检测装置。
感应同步器的结构
圆型感应同步器 由定子和转子组成，用 于测量角位移 直线型感应同步器 由定子和转子组成，用 于测量直线位移
直线感应同 步器的结构
利用两个平面形 印刷绕组，其间保 持均匀气隙约为 (0.25±0.05)mm 作相对平行移动， 根据交变磁场和互 感原理而工作的。
分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为
es＝kUmsinθdcosθcosωt ec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt ＝－kUm cosθd sinθcosωt
根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为 e＝es ＋ ec ＝k Um (sinθd cosθ－cosθd sinθ) cosωt ＝k Um sin(θd －θ) cosωt ＝k Um sin(θd－ 2πx /W) cosωt 设初始状态θd＝θ，则e＝0。当滑尺相对定尺有一位移 ，使θ变为θ＋Δ θ ，则感应电势增量为 Δ e≈k Um Δθ cosωt
旋转变压器的内部结构图
2．旋转变压器 的工作原理
根据互感原理工作 的，定子绕组加上励磁 电压，通过电磁耦合， 转子绕组产生感应电功 势。 输出感应电功势大 小与转子位置有关，就 是通过测量被测轴的转 角来间接测量工作台的 位移。
3．旋转变压器的应用

特点 应用
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，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两 组匝数相等、互相垂直的绕组构成。
W1
a1
b1
1
2
1＇
2＇
直线感应同步器的工作原理
根据交变磁场和互感原理而工作的。 滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节 距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压， 则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决 于滑尺与定尺的相对位置。
2τ τ/2 E i2 定尺
滑尺
（3）脉冲编码器的辨向
光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90°)，通过整 形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的 正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A 相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉 冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。
（5）特点 优点： 1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 缺点： 1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高
目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也 应用较多。
四、编码器
一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 置检测，也常用它作为速度检测元件。 位
加工质量，一般要求调速范围 ：最低转速/最高转速 =1/1000~1/10000，且通常是无级调速。


低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进
给驱动要有大的转矩输出。
可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。
§ 4-2 检测装置
检测装置是伺服系统的重要组成部分。
作用
要求
检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，
闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高
半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环
2、按控制对象和使用目的不同分
进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动
主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采 用简易的位置控制。
二、数控机床伺服系统的分类
ec＝－kUmcos(θ＋
π/2)sinωt ＝kUmsinθsinωt
根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为
e＝es＋ec ＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt
＝kUmcos(ωt－θ)
＝kUmcos(ωt－ 2πx/W) 根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测 量定尺和滑尺之间的相对位置。 感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。
式中Δθ= 2π Δx / W
由此可知，在Δx较小的情况下，Δe与Δx成正比，也就是 鉴别Δe幅值，即可测Δx大小。当Δx较大时，通过改变θd， 使θd＝θ,使Δe＝0，根据θd可以确定θ，从而确定位移量Δx。
感应同步器的特点
精度高
输出的电压是许多对极感应电压的平均值
适用性强 电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰 可用于长距离测量 可多根定尺接长 使用寿命长，维护简单 工艺性好，成本低
第四章 伺服驱动系统
4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 概述 检测装置 步进电动机及其驱动系统 直流伺服电动机及其速度控制 交流伺服电动机及其速度控制 主轴驱动 位置控制
§ 4-1 概述
立式铣床
加工中心
带制动器伺服电机
刀库刀具定位电机
主轴电机
机械手旋转定位电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到 mm级，高的达0.01~0.005 mm。

灵敏度高，响应快 提高生产率和保证加工质量，一般
电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变 时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑 的加工表面。

调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和
数控加工与传统加工的比较
本质区别

由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能 控制执行件的位移和轨迹. 由CNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控 制执行件的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一 定的运动规律合成轨迹。
二、数控机床伺服系统的分类
1、按伺服系统控制方式分
开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低
例：感应电势与励磁电压相位差θ =1.8°，节距W=2mm， 由θ= 2πx/W，x=0.01mm
（2）鉴幅方式
根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。
滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即
us＝Umsinθdsinωt uc＝Umcosθdsinωt 式中 θd—励磁电压的给定相位角
（2） 工作原理
光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动 时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光 信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路 的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工 作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲 的频率，即可测出工作轴的转速。
（4） 倍频
倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的 范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内 产生若干个脉冲，达到细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率， 精密机床的测量常采用高倍频。
例：栅距 w = 0.01mm， 十倍频后，最小读数值1mm.
四倍频电路
由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上， 会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条 纹” 。
莫尔条纹的特点 放大作用
莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角θ之间的关系：
B = w / 2sin
由于θ很小，因此
q
2 B w
q
光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下 移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可 以测量光栅的位移。 例：当 w = 0.01mm， θ= 0.01 red，
应用广泛
三、光栅
光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。
1. 光栅的种类
物理光栅 计量光栅 圆光栅 直线光栅