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1、第第4章章数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统课时安排：16课时l伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。4.1伺服系统伺服系统4.1.1伺服系统的结构伺服系统的结构l从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电机，如图4-1所示。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电机之上，调节电机转矩的大小，另一方面按电机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电机所需的交流电或直流电；电机则按供电大小拖动机械运
2、转。图4-1伺服系统的基本结构4.1.2伺服系统的工作原理伺服系统的工作原理l伺服系统是以机械运动为驱动设备，电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现驱动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。4.1.3伺服系统的类型伺服系统的类型l一、开环伺服系统机床工
3、作台数控装置步进电机图4-2开环伺服系统二、闭环伺服系统二、闭环伺服系统速度比较伺服电机位置比较速度反馈位置反馈测量元件图4-3闭环伺服系统三、半闭环伺服系统三、半闭环伺服系统机床工作台速度比较伺服电机位置比较测速机旋变图4-4半闭环系统4.2伺服电机伺服电机l4.2.1步进电机l一、步进电机的结构l步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。图4-5单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图l图4-5是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，
4、其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。二、步进电机的工作原理二、步进电机的工作原理l步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图4-6是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。图4-6 步进电机工作原理图l图4-6(a)所示步进电机的步距角等于60。如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACBA，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。l图4-6
5、(b)中的步进电机，定子仍是A，B，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等于30，在三相六拍通电方式中，步距角则为15。l图4-6(b)中的步进电机，定子仍是A，B，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等于30，在三相六拍通电方式中，步距角则为15。三、步进电机的类型三、步进电机的类型l1、永磁式步进电机l
6、永磁式步进电机是一种由永磁体建立励磁磁场的步进电机，也称为永磁转子型步进电机，有单定子结构和两定子结构两种类型。其缺点是步距大，启动频率低；优点是控制功率小，在断电情况下有定位转矩。这种步进电机从理论上讲可以制成多项，而实际上则以一相或两相为多，也有制成三相的 l2、反应式步进电机l反应式步进电机是一种定、转子磁场均由软磁材料制成，只有控制绕组，基于磁导的变化产生反应转矩的步进电机，因此有的国家又称为变磁阻步进电机。它的结构按绕组的排序可分为径向分相和轴向分相。而轴向分相又有两种类型：磁通路径为径向（和径向分相结构的磁路相通）；磁通路径为轴向。按铁心分段，则有单段式和多段式。l3、永磁感应子式
7、步进电机l永磁感应子式步进电机定子结构与反应式步进电机相同，而转子由环形磁钢和两段铁心组成。这种步进电机与反应式步进电机一样，可以使其具有小步距和较高的启动频率，同时又有永磁式步进电机控制功率小的优点。其缺点是，由于采用磁钢分成两段，只是制造工艺和结构比反应式步进电机复杂。三种常用步进电机的性能比较三种常用步进电机的性能比较步距角启动频率运行频率消耗功率定位转矩永磁式大低低小有反应式小高高大无永磁感应式小高高小有四、步进电机的主要特性四、步进电机的主要特性l1、步距角l2、矩角特性、最大静态转矩 Tjmax和启动转矩Tql3、启动频率fq。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行
8、所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。l4、连续运行的最高工作频率fmaxl5、加减速特性 4.2.2直流伺服电机直流伺服电机l直流伺服电机是一种机床伺服系统中使用较广的执行元件。因其具有良好的启动、制动和调速特性，在宽范围内能够实现平滑无极调速，故其往往使用于对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。这些伺服电机虽然结构不同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。一、直流伺服电机的基本结构一、直流伺服电机的基本结构l如图4-7所示，直流伺服电机的结构主要包括三大部分：l1、定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生
9、。l2、转子 转子又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。l3、电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。图4-7直流伺服电机结构图二、直流伺服电机的工作原理二、直流伺服电机的工作原理l直流电机的基本原理分析得到调节电机的转速有三种方法：l1、改变电枢电压u 调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速，即脉宽调速。l2、变磁通量（即改变ke的值）通常采用调压与调磁两种方法互相配合，以获得很宽的调速范围并充分利用电机的容量。l3、在电枢回路中串联调节电阻
10、Rt 这种办法并不经济且转速只能调低，仅用于较少的场合。三、直流伺服电机的类型三、直流伺服电机的类型l1、低惯量直流伺服电机l l2、宽调速直流力矩电机 l3、无刷直流伺服电机 四、直流伺服电机的主要特性四、直流伺服电机的主要特性l1、机械特性 l2、空载始动电压 l3、调节特性 l4、机电时间常数 l5、综合工作特性 4.2.3交流伺服电机交流伺服电机l交流伺服电机是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。它克服了直流驱动系统中电机电刷和换向器要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等
11、进给驱动系统为精密位置控制。一、交流伺服电机的类型一、交流伺服电机的类型l1、异步型交流伺服电机l2、同步型交流伺服电机l永磁交流伺服系统与直流伺服系统比较，具有以下优点：l电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；l定子绕组散热快；l惯量小，易于提高系统的快速性；l适应于高速大力矩的工作状态；l相同功率下，体积和重量较小。二、永磁同步交流伺服电机的结构二、永磁同步交流伺服电机的结构（a）横剖面图（b）纵剖面图图4-8永磁同步交流伺服电机的结构三、永磁同步交流伺服电机的工作原理三、永磁同步交流伺服电机的工作原理l三、永磁同步交流伺服电机的工作原理l永磁式同步交流伺服电机的工作原理与电磁式
12、同步电机的工作原理相同，即定子三相绕组产生空间旋转磁场和转子磁场相互作用，使定子带着转子一同转动。所不同的是转子磁极不是由转子得三相绕组产生的，而是通过永磁铁产生的。图4-9永磁同步交流伺服电机的工作原理四、永磁同步交流伺服电机的主要特点四、永磁同步交流伺服电机的主要特点l1、交流伺服电机在连续工作区可连续工作，断续工作区范围扩大，尤其在高速区性能优越，有利于提高电机的加、减速能力。l2、高可靠性。用电子逆变器取代了直流电机换向器和电刷，免去了换向器及电刷的保养和维护。其工作寿命最终通过轴承决定。l3、较之直流电机，能量主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装热保护。l4、转子惯量小，
13、其结构允许高速工作。l5、体积小、质量小。4.2.4变频电机变频电机l变频电机具有直流电机特性，却采用交流电机的结构。也就是说，虽然外部接入的是直流电，却采用直流-交流变压变频器控制技术，电机本体完全按照交流电机的原理去工作的。因此，变频电机也叫“自控变频同步电机”，电动机的转速n取决于控制器的所设定的频率f。图4-10三相电压变频器的电路表4-3变频器的分类变频器交-交变频器按相数分类单相三相按环流情况分类有环流无环流按输出波形分类正弦波方波交-直-交变频器按无功能量处理方式分类电压型电流型按调压方式分类脉冲幅度调制型相位控制调压直流斩波调压脉冲宽度调制型表4-4交-交变频器与交-直-交变频
14、器的主要特点比较比较内容变频器类型交-交变频器交-直-交变频器换能方式一次换能，效率较高二次换能，效率略低换流方式电网电压换流强迫环流或负载换流装置元件数量较多较少元件利用率较低较高调频范围输出最高频率为电网频率的1/31/2频率调节范围宽电网功率数较低若用可控整流桥调压，则低频低压时功率因数较低；若用斩波器或PWM方式调压，则功率因数高使用场合低速大功率拖动可用于各种拖动装置，稳频稳压电源和不停电电源4.3位置检测装置位置检测装置l4.3.1位置检测装置概述l检测装置是数控机床闭环和半闭环控制系统重要的组成部分之一。它的作用是检测工作台的位置和速度，发送反馈信号至数控装置，使工作台按规定的路
15、径精确地移动。闭环系统数控机床的精度主要取决于检测系统的精度。因此，研制和选用性能较有的检测装置是数控机床加工精度的重要保证之一。检测装置应该满足的要求检测装置应该满足的要求l（1）工作可靠，抗干扰性强。l（2）能满足精度和速度的要求。l（3）使用维护方便，适合机床的工作环境。l（4）易于实现高速的动态测量、处理和自动化。l（5）成本低。位置检测装置分类类型数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型编码器圆光栅编码器旋转变压器圆感应同步器圆形磁栅多极旋转变压器旋转变压器组合三速圆感应同步器直线型长光栅激光干涉仪编码尺多通道透射光栅直线感应同步器磁栅、容栅三速感应同步器绝对值式磁尺4.3.2编码
16、器编码器l编码器是数控机床中常用的角度检测装置，常与伺服电机或丝杠同轴安装，检测伺服电机或丝杠的转角。根据输出信号不同，可分为绝对式编码器和增量式编码器；根据工作原理不同，可分为接触式、光电式和电磁式等。一、绝对式编码器一、绝对式编码器l1、接触式l若采用n位码盘，则能分辨的角度为360/2n,位数n越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。图4-114位二进制循环码盘2、光电式、光电式l光电式绝对编码器的码盘由透明区及不透明区按一定编码构成。码盘上的码道条数就是数码的位数。光源发出的光经过柱面镜聚光后投射到码盘上，通过透明区的光线经过狭缝形成一束很窄的光束投射到光电管上，此时处于亮区的光电管输出
17、为“1”，处于暗区的光电管输出为“0”，光电管组输出按一定规律编码的数字信号表示了码盘轴的转角大小。其结构如图4-12所示。1-发光二极管2柱面透镜3码盘4刻线板5光电管图4-12光电式绝对编码器结构示意图二、增量式编码器二、增量式编码器l增量式编码器的结构如图4-13所示。在增量式编码器的码盘边缘等间隔地制出n个透光槽，发光二极管发出的光透过槽孔被光电管所接受，当码盘转过1/n圈时，光电管即发出一个数字脉冲，计数器对脉冲的个数进行加减增量计数，从而判断码盘转动的相对角度。在码盘上还须设置一个基准点，以得到码盘的相对位置。图4-13增量式编码器结构示意图1发光二极管2柱面透镜3零位标记槽4码盘
18、5刻线板4.3.3旋转变压器旋转变压器l旋转变压器是一种常用的角位移检测元件，由于它结构简单，工作可靠，对环境要求低，信号输出幅度大，抗干扰能力强，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。一、旋转变压器的工作原理一、旋转变压器的工作原理l旋转变压器是一种测量角度用的小型交流电机，有定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压，励磁频率通常用400Hz、500 Hz、3000 Hz及5000Hz。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之
19、比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变而变化，因而其输出电压的大小也随之变化。图4-14旋转变压器的工作原理二、旋转变压器的工作方式二、旋转变压器的工作方式l以正弦余弦旋转变压器为例，如图4-16所示，若把转子的一个绕组短截，而定子的两个绕组分别通以励磁电压，应用叠加原理，可得到两种典型工作方式。图4-16一个转子绕组短接的旋转变压器1、鉴相式工作方式、鉴相式工作方式l鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电压的相位来确定被测位移大小的检测方式。给定子的两个绕组分别通以同幅、同频，但相位相差/2的交流励磁电压，2鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式l鉴幅式工
20、作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电压幅值的检测来实现位移检测的。给定子的两个绕组分别通以同频、同相位但幅值不同的交流励磁电压，4.3.4感应同步器感应同步器l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。前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。测量直线位移的称为直线式感应同步器也称长感应同步器，测量转角位移的称为旋转式感应同步器也称圆感应同步器。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比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床
21、数显改造。图4-17直线式感应同步器图4-18旋转式感应同步器感应同步器的优点是：感应同步器的优点是：l（1）具有较高的精度与分辨力。l（2）抗干扰能力强。l（3）使用寿命长，维护简单。l（4）可以作长距离位移测量。l（5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。4.3.5光栅光栅l在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件。光栅与前面讲的旋转变压器、感应同步器不同，它不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要励磁电压，而是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。光栅作为光电检测装置，有物理光栅和计量光栅之分，在数字检测系统中，通常使用计量光栅进行高精度位移的检测，尤其是在闭环伺
22、服系统中。光栅的检测精度较高，可达1m以上。一、光栅的类型与结构一、光栅的类型与结构l常见的光栅从光线走向可分为透射式光栅和反射式光栅；从形状上可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。l光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之
23、间的间隙（一般取0.05mm或0.1mm）要求。图4-19光栅读数头图4-20光栅读镜头结构原理图（a）分光读数头（b）反射读数头（c）镜像读数头二、光栅的工作原理二、光栅的工作原理l常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。图4-21是其工作原理图。把两光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在刻线的重合出，光从缝隙透过形成亮带；两光栅刻线彼此错开处，由于相互挡光作用而成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。莫尔条纹具有以下性质：莫尔条纹具有以下性质：l（1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成
24、的，对光栅刻线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。l（2）当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动。光栅反响移动，莫尔条纹亦反向移动。l（3）莫尔条纹的间距时放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变，由于较小，所以其关系可用下式表示：l式中，L莫尔条纹间距；ld光栅栅距；l两光栅刻线夹角（rad）。l由此可知，越小，L越大，相当于把微小的栅距扩大了1/倍。可见，计量光栅起到光学放大器的作用。l（4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。4.3.6磁尺磁尺l磁尺又称磁栅，也是一种电磁监测装置。它利用磁记录原理，将一定波长的矩形
25、波或正弦波由信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量基准。检测时，磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，并通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来，或转化为控制信号输入给数控机床。磁尺具有精度高、复制简单以及安装调整方便等优点，而且在油污、灰尘较多的工作环境使用时，仍具有较高的稳定性。它作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上。图4-22磁尺结构原理图图4-23磁通响应式磁头的结构4.3.7测速电机测速电机l测速电机也称为测速发电机，是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，为准确反映伺服电动机的转速，其输出电压与输入的转速成正比关系，如图4-26
26、 所示。在数控系统的速度控制单元和位置控制单元中都得到应用。图4-26测速发电机输出电压与转速的关系数控系统系统对测速发电机的要求数控系统系统对测速发电机的要求l（1）输出电压与转速保持良好的线性关系；l（2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小；l（3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向；l（4）温度变化对输出特性的影响小；l（5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大；l（6）摩擦转矩和惯性要小。测速电机的分类测速电机的分类l测速发电机按输出信号的形式，可分为交流测速发电机和直流测速发电机两大类。直流测速发电机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。l电磁式l表示符号如图
27、4-27（a）所示。定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。l2永磁式l表示符号如图4-27（b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用矫顽力较高的永磁材料。图4-27直流测速发电机（a）电磁式（b）永磁式l实际上直流测速发电机的输出特性并不是严格的线性特性，而与线性特性之间存在有误差。当直流测速发电机带负载时，负载电流流经电枢，产生电枢反应的去磁作用，使电机气隙磁通减小。因此，在相同转速下，负载时电枢绕组的感应电动势比在空载时电枢绕组的感应电动势小。负载电阻越小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应的去磁作用越强，气隙磁通减小的越多，输出电压下降越显著。致使输出特性向下弯曲，如图4-29中虚线所示。图4-29直流测速发电机的输出特性l当同时考虑电枢反应和电刷接触压降的影响，直流测速发电机的输出特性应如图4-30中的虚线所示。在负载电阻很小或转速很高时，输出电压与转速之间出现明显非线性关系。因此，在实际使用时，宜选用较大的负载电阻和适当的转子转速。图4-30直流测速发电机的输出特性The end!