第四章 数控机床的驱动与控制系统
学 时 | 章 节 | 教 学 内 容红外线烘干箱 | 重点、难点 |
稳压电源模块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 | |
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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。 超微电极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＝nV1 sinθ ＝ nVm sinωt sinθ
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＝nVmsinωt
旋转变压器的应用
V3＝nVmsinωt sinθ1 + nVmcosωt cosθ1
＝nVmcos(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
节距2τ（2mm）
节距（0.5mm）
绝缘粘胶
铜箔
铝箔
耐切削液涂层
基板(钢、铜)
定尺
滑尺
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
好记忆学习枕转动，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
❑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。
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❑ 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
❑蜂鸣器电路非接触测量，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
1.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：
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