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1、机电控制技术机电控制技术第九章第九章 位置控制技术位置控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 目目 录录9.1常见的位置检测元件常见的位置检测元件9.2伺服系统伺服系统9.3位置控制技术在数控回转工作台中的应用位置控制技术在数控回转工作台中的应用3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 9.1常见的位置检测元件常见的位置检测元件位置检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它起着检测各控制位置检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它起
2、着检测各控制轴的位移和速度的作用，把检测到的信号反馈回去，构成闭环系统。轴的位移和速度的作用，把检测到的信号反馈回去，构成闭环系统。位置检测元件按检测方式可分为直接测量和间接测量。位置检测元件按检测方式可分为直接测量和间接测量。（1）直接测量。）直接测量。（2）间接测量。）间接测量。是指对机床的直线位移采用直线型检测元件测量。直是指对机床的直线位移采用直线型检测元件测量。直接测量常用的位置检测元件一般包括直线感应同步器、接测量常用的位置检测元件一般包括直线感应同步器、光栅和磁尺激光干涉仪。光栅和磁尺激光干涉仪。是指对机床的直线位移采用回转型检测元件测量。间是指对机床的直线位移采用回转型检测元件
3、测量。间接测量常用的检测元件一般包括圆感应同步器、圆光接测量常用的检测元件一般包括圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、光电脉冲编码器和旋转变压器。栅、圆磁栅、光电脉冲编码器和旋转变压器。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 位置检测元件按测量装置编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。位置检测元件按测量装置编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。（1）增量式测量。）增量式测量。（2）绝对式测量。）绝对式测量。一般在轮廓控制数控机床上多采用增量式测量，这种检测方式只对相对位移量一般在轮廓控制数控机床上多采用增量式测
4、量，这种检测方式只对相对位移量进行测量。其优点是测量装置较简单，任何一个点都可以作为测量的起点，而进行测量。其优点是测量装置较简单，任何一个点都可以作为测量的起点，而移动的距离是由测量信号计数累加所得，一旦计数有误，以后测量所得结果就移动的距离是由测量信号计数累加所得，一旦计数有误，以后测量所得结果就完全错误。增量式测量常用的检测元件一般包括光栅和增量式光电码盘。完全错误。增量式测量常用的检测元件一般包括光栅和增量式光电码盘。绝对式测量是指被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有绝对式测量是指被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。绝对式测量常
5、用的检测元件一般包括接触式码盘和绝对式光一个相应的测量值。绝对式测量常用的检测元件一般包括接触式码盘和绝对式光电码盘。电码盘。绝对式测量较增量式测量复杂，如编码盘中，对应于编码盘的每一个角度位置绝对式测量较增量式测量复杂，如编码盘中，对应于编码盘的每一个角度位置就有一组二进制位数。显然，分辨精度要求越高，量程就越大，所要求的二进就有一组二进制位数。显然，分辨精度要求越高，量程就越大，所要求的二进制位数也越多，结构也就越复杂。制位数也越多，结构也就越复杂。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 位置检测元件
6、按检测信号的类型可分为数字式测量和模拟式测量。位置检测元件按检测信号的类型可分为数字式测量和模拟式测量。（1）数字式测量。）数字式测量。（2）模拟式测量。）模拟式测量。数字式测量是指将被测量以数字形式表示，由于其测量信号一般为脉冲信号，数字式测量是指将被测量以数字形式表示，由于其测量信号一般为脉冲信号，因而可以直接把它送到数控装置中进行比较和处理。这种检测方式抗干扰能力因而可以直接把它送到数控装置中进行比较和处理。这种检测方式抗干扰能力强、处理简单。数字式测量常用的检测元件一般包括光栅、接触式编码盘和电强、处理简单。数字式测量常用的检测元件一般包括光栅、接触式编码盘和电式编码盘。式编码盘。模拟
7、式测量是指将被测量用连续变量表示，如电压变化、相位变化等。这种检测模拟式测量是指将被测量用连续变量表示，如电压变化、相位变化等。这种检测方式所采用的信号处理方法相对来说较复杂。模拟式测量常用的检测元件一般包方式所采用的信号处理方法相对来说较复杂。模拟式测量常用的检测元件一般包括感应同步器、磁栅和旋转变压器。括感应同步器、磁栅和旋转变压器。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 伺服控制系统对检测元件的要求主要可分为以下几点：伺服控制系统对检测元件的要求主要可分为以下几点：（1）高可靠性和高抗干扰性。）高可
8、靠性和高抗干扰性。（2）满足精度和速度要求。）满足精度和速度要求。（3）使用维护方便，适合机床运行环境。）使用维护方便，适合机床运行环境。（4）成本低。）成本低。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 9.1.1感应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元件，是利用两个平面形绕组的互感感应同步器是一种电磁式位置检测元件，是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的，它是由旋转变压器演化而来的，其极数随位置不同而变化的原理组成的，它是由旋转变压器演化而来的，其极数(定定尺或定子绕组中被滑
9、尺或转子绕组覆盖的有效导体数尺或定子绕组中被滑尺或转子绕组覆盖的有效导体数)多，通常为多，通常为360极、极、720极，最多达可极，最多达可2000极，在电与磁方面均能对误差起补偿作用，所以具有很高极，在电与磁方面均能对误差起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同步器的励磁频率一般为的精度。感应同步器的励磁频率一般为210kHz，输出电压为几毫伏。，输出电压为几毫伏。1.感应同步器的分类感应同步器的分类 感应同步器可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称为直线感应同感应同步器可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称为直线感应同步器，它是由定尺和滑尺组成的，可用于测量直线位移。测量转角位移的称
10、为步器，它是由定尺和滑尺组成的，可用于测量直线位移。测量转角位移的称为圆感应同步器，它是由定子和转子组成的，可用于测量角位移。圆感应同步器，它是由定子和转子组成的，可用于测量角位移。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 1）直线感应同步器）直线感应同步器直线感应同步器由长尺和短尺组成。长尺又称为定尺。定尺是一个连续绕组，直线感应同步器由长尺和短尺组成。长尺又称为定尺。定尺是一个连续绕组，表面涂有防切削液，安装在固定部件上；短尺又称为滑尺，滑尺表面粘贴了一表面涂有防切削液，安装在固定部件上；短尺又称为滑尺
11、，滑尺表面粘贴了一层铝箔，接地时可防止静电感应，安装在两者平行放置的移动部件上，且之间层铝箔，接地时可防止静电感应，安装在两者平行放置的移动部件上，且之间保持保持0.050.25mm的间隙。如图的间隙。如图9-1所示为直线感应同步器的外形。所示为直线感应同步器的外形。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 直线感应同步器两个单元绕组之间的距离称为节距，滑尺和定尺的节距均为直线感应同步器两个单元绕组之间的距离称为节距，滑尺和定尺的节距均为2，如图，如图9-2中所示。标准直线感应同步器的定尺长为中所示。标准直
12、线感应同步器的定尺长为250mm，滑尺长为，滑尺长为100mm，节距长为，节距长为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺上有两。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺上有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距，由于定尺绕组是均匀的，因而滑尺上的两节距，由于定尺绕组是均匀的，因而滑尺上的两组绕组在空间位置上相差组绕组在空间位置上相差1/4节距，即节距，即/2相位角。相位角。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技
13、术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 当给滑尺任意一绕组加励磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产当给滑尺任意一绕组加励磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电动势，该感应电动势的大小取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑生感应电动势，该感应电动势的大小取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上的正弦绕组加励磁电压时，定尺绕组中产生的感应电动势与定尺和滑尺的尺上的正弦绕组加励磁电压时，定尺绕组中产生的感应电动势与定尺和滑尺的相对位置关系，如图相对位置关系，如图9-3所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目
14、录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2）圆感应同步器）圆感应同步器圆感应同步器的定子固定在不动体上，转子与转轴相连。利用定子和转圆感应同步器的定子固定在不动体上，转子与转轴相连。利用定子和转子两个平面形绕组的互感随位置而变化的电磁感应原理，将机械转角位移精确子两个平面形绕组的互感随位置而变化的电磁感应原理，将机械转角位移精确地转换成电信号。如图地转换成电信号。如图9-4所示为圆感应同步器的外形。所示为圆感应同步器的外形。由于圆感应同步器具有精度高、性能稳定、抗干扰性强、结构简单、耐油、由于圆感应同步器具有精度高、性能稳定、抗干扰性强、结构简单、耐油、耐污，对环境的适应
15、性强、易于维护和使用寿命长等一系列优点，因而它在机耐污，对环境的适应性强、易于维护和使用寿命长等一系列优点，因而它在机械加工、测量仪器、自动控制和数字显示等系统中得到极其广泛的应用。械加工、测量仪器、自动控制和数字显示等系统中得到极其广泛的应用。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2.感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式 根据励磁绕组中励磁供根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器电方式的不同，感应同步器可分为鉴相方式和鉴幅方式。可分为鉴相方式和鉴幅方式。1）鉴相方式）鉴相方式鉴相方式是将正弦
16、绕组鉴相方式是将正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但相位相差同、幅值相同但相位相差/2的交流励磁电压。的交流励磁电压。在这种工作方式下，将在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相分别通以幅值相同、频率相同、相位相差同、相位相差90的交流电的交流电压，如图压，如图9-5所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2）鉴幅方式）鉴幅方式鉴幅方式则是将滑尺的鉴幅方式则是将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通正弦绕组和余弦绕组
17、分别通以相位相同、频率相同但幅以相位相同、频率相同但幅值不同的交流励磁电压。值不同的交流励磁电压。在这种工作方式下，将在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压，同，但幅值不同的交流电压，如图如图9-6所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 1）精度高）精度高由于感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械由于感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本
18、身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采转换装置，测量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采用专门的工艺方法制作精确。再加上它的极对数多，定尺绕组内的感应用专门的工艺方法制作精确。再加上它的极对数多，定尺绕组内的感应电动势是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所电动势是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所以测量精度高。目前，直线感应同步器的精度可达以测量精度高。目前，直线感应同步器的精度可达0.001mm，重复精，重复精度可达度可达0.0002mm。3.感应同步器的使用特点感应同步器的使用特点2）可拼接成各种需要的长度）可拼接成各种需要的长度根据测量长
19、度的要求，采用多块定尺拼接使用。由于相邻定尺间的根据测量长度的要求，采用多块定尺拼接使用。由于相邻定尺间的距离可以调整，因而使拼接后总长度的精度与单块定尺的精度相同（或距离可以调整，因而使拼接后总长度的精度与单块定尺的精度相同（或略低于）。定尺间绕组的连接方式有两种：当定尺的数量少于略低于）。定尺间绕组的连接方式有两种：当定尺的数量少于10个时，个时，将定尺的各绕组串联；当定尺的数量多于将定尺的各绕组串联；当定尺的数量多于10个时，先将定尺的各绕组分个时，先将定尺的各绕组分成两组串联，再将这两组并联，以不使定尺绕组的阻抗过高为原则。成两组串联，再将这两组并联，以不使定尺绕组的阻抗过高为原则。3
20、/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3）对环境的适应性强）对环境的适应性强感应同步器为非接触式电磁耦合元件，可选耐温性能好的非导磁性感应同步器为非接触式电磁耦合元件，可选耐温性能好的非导磁性材料作为保护层，加强了其抗温防湿的能力，同时在绕组的每个周期的材料作为保护层，加强了其抗温防湿的能力，同时在绕组的每个周期的任何时候都可以给出与绝对位置相对应的单值电压信号，而不受环境干任何时候都可以给出与绝对位置相对应的单值电压信号，而不受环境干扰的影响。直线感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相扰的影响
21、。直线感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。近，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。4）使用寿命长）使用寿命长由于感应同步器的定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所由于感应同步器的定尺与滑尺之间不直接接触，因而没有磨损，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必须用钢带或折罩覆盖，以免切屑划伤定尺与滑尺内的绕组。以必须用钢带或折罩覆盖，以免切屑划伤定尺与滑尺内的绕组。5）注意安装间隙）注意安装间隙3/4/2023机
22、电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 9.1.2光光栅栅光栅是一种非接触式位置检测装置，可以将机械位移或模拟量转变为数字光栅是一种非接触式位置检测装置，可以将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环位置控制。是数控机床和数控系统常用的装置，实现闭环位置控制。是数控机床和数控系统常用的位置检测元件。它是利用等节距刻线间隔均匀的光的透射和衍射现象制成的光位置检测元件。它是利用等节距刻线间隔均匀的光的透射和衍射现象制成的光电位置检测元件，具有检测范围大、测量精度高、响应速度快等优点。光栅的电位置检
23、测元件，具有检测范围大、测量精度高、响应速度快等优点。光栅的检测精度可达检测精度可达1m以上。以上。1.光栅的分类光栅的分类光栅按形状分可分为圆光栅和长光栅。圆光栅呈盘状，用于角位移的检光栅按形状分可分为圆光栅和长光栅。圆光栅呈盘状，用于角位移的检测，圆光栅一般是在具有一定直径的玻璃圆盘上，用真空镀膜的方法镀上一层测，圆光栅一般是在具有一定直径的玻璃圆盘上，用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属薄膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用精密照相腐蚀工艺，不透光的金属薄膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用精密照相腐蚀工艺，制成沿圆周方向等距的透光部分和不透光部分相间的辐射状线纹。长光栅呈尺制成沿圆周方
24、向等距的透光部分和不透光部分相间的辐射状线纹。长光栅呈尺状，用于直线位移的检测。光栅的分类图如图状，用于直线位移的检测。光栅的分类图如图9-8所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2.光栅的结构光栅的结构 光栅是由光源、光栅副和光敏元件组成的，如图光栅是由光源、光栅副和光敏元件组成的，如图9-9所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制
25、技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3.光栅的工作原理光栅的工作原理 当标尺光栅与指示光栅平行安装，两者间相距一定的距离，指示光栅相对当标尺光栅与指示光栅平行安装，两者间相距一定的距离，指示光栅相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，并有平行光垂直照射时，由于光线通过衍射于标尺光栅倾斜一个很小的角度，并有平行光垂直照射时，由于光线通过衍射后发生干涉，在光栅副的另一面将产生和刻线接近于垂直的明暗相间的条纹，后发生干涉，在光栅副的另一面将产生和刻线接近于垂直的明暗相间的条纹，这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。而光电接收元件又将莫尔条纹的光照的强这些明暗相间的条纹称为莫尔
26、条纹。而光电接收元件又将莫尔条纹的光照的强弱变化转变为电信号。弱变化转变为电信号。1）莫尔条纹的形成）莫尔条纹的形成由于两个光栅间有微小的倾斜角由于两个光栅间有微小的倾斜角，使其刻线相互交叉，交叉点处刻线重，使其刻线相互交叉，交叉点处刻线重叠，遮光面积小，透光效应好，形成亮带，即明条纹。而在刻线不相交处，刻叠，遮光面积小，透光效应好，形成亮带，即明条纹。而在刻线不相交处，刻线重叠少，透光效应差，形成暗带，即暗条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，线重叠少，透光效应差，形成暗带，即暗条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距即栅距相等，而产生的莫尔条纹的方向和光栅刻线方向大致垂直，其几何关相等，而产生
27、的莫尔条纹的方向和光栅刻线方向大致垂直，其几何关系如图系如图9-10所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2）莫尔条纹的特点）莫尔条纹的特点当当很小时，莫尔条纹的节距为很小时，莫尔条纹的节距为这表明莫尔条纹的节距是栅距的这表明莫尔条纹的节距是栅距的1倍，当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿垂倍，当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿垂直于光栅移动的方向移动。当光栅移动一个栅距直
28、于光栅移动的方向移动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就相应准确地时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距移动一个节距W，因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移动，因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移动了多少个栅距，由于栅距在制造光栅时是已知的，因而光栅的移动距离可以通了多少个栅距，由于栅距在制造光栅时是已知的，因而光栅的移动距离可以通过电气系统自动地测量出来。过电气系统自动地测量出来。当光栅的线纹密度为当光栅的线纹密度为100条条/min，即栅距为，即栅距为0.01mm时，人们是无法用肉时，人们是无法用肉眼来分辨的，但是它的莫尔条纹却清晰可见，所以莫尔条纹是一种简单的放大
29、眼来分辨的，但是它的莫尔条纹却清晰可见，所以莫尔条纹是一种简单的放大机构。其放大倍数取决于两光栅刻线的交角机构。其放大倍数取决于两光栅刻线的交角，如，如=0.01mm、W=10mm，则其放大倍数则其放大倍数1=W=1000倍，这是莫尔条纹系统的独具特点。倍，这是莫尔条纹系统的独具特点。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 4.光栅读数头光栅读数头 光栅读数头是位置信号的检测装置，是光栅与电子线路的转接部件，即是光栅读数头是位置信号的检测装置，是光栅与电子线路的转接部件，即是位移位移光信号光信号电信号的变
30、换器。电信号的变换器。5.光栅的位移光栅的位移数字变换电路数字变换电路光栅测量系统的组成如图光栅测量系统的组成如图9-11所示。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元所示。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接收，然后经过位移件接收，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者逆时针数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者逆时针方向的反向脉冲，输入可逆计数器。方向的反向脉冲，输入可逆计数器。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 下面介绍这种四倍频细分电路的工作原理，如图下面介绍这种四倍频细分电路的工作原
31、理，如图9-12所示为四倍频电路的组成所示为四倍频电路的组成示意图和波形图。具体的分析过程如下：示意图和波形图。具体的分析过程如下：3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 6.光栅的安装与应用光栅的安装与应用 通常，标尺光栅固定在机床的运动部件通常，标尺光栅固定在机床的运动部件(如工作台或丝杠如工作台或丝杠)上，光栅读数头上，光栅读数头安装在机床的固定部件安装在机床的固定部件(如机床底座如机床底座)上，两者随着工作台的移动而相对移动。上，两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，
32、当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，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。如图指示光栅便在标尺光栅上移动。如图9-13所示，粗黑线段标记处为光栅安装部所示，粗黑线段标记处为光栅安装部位。位。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 9.1.3磁磁栅栅 磁栅是利用电磁特性，将一定波长的方波或正弦波信号用拾磁磁头记录在磁栅是利用电磁特性，将一定波长的方波或正弦波信号用拾磁磁头记录在磁性材料制成的磁性标尺上，然后根据与磁性标尺相对移动的拾磁磁头所读取磁性材
33、料制成的磁性标尺上，然后根据与磁性标尺相对移动的拾磁磁头所读取的信号，对位移进行检测的数字式传感器。的信号，对位移进行检测的数字式传感器。磁栅传感器由磁栅、磁头和控制电路等组成。如图磁栅传感器由磁栅、磁头和控制电路等组成。如图9-14所示为磁栅传感所示为磁栅传感器的示意图。器的示意图。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 1.磁栅磁栅 磁栅是在非导磁材料磁栅是在非导磁材料(如玻璃、不锈钢、钢、铝或其他合成材料如玻璃、不锈钢、钢、铝或其他合成材料)的基体上，的基体上，镀一层均匀的磁膜，并录上间距相等、正负
34、极性交错的磁信号栅条而制成的。镀一层均匀的磁膜，并录上间距相等、正负极性交错的磁信号栅条而制成的。磁栅按磁性标尺基体的形状可分为带状磁栅、线状磁栅和圆形磁栅，前二磁栅按磁性标尺基体的形状可分为带状磁栅、线状磁栅和圆形磁栅，前二种用于直线位移测量，后一种用于角位移测量，如图种用于直线位移测量，后一种用于角位移测量，如图9-15所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2.磁头磁头 磁头是进行磁一电转换的变换器，它把反映位置变化的磁信号转换成电信磁头是进行磁一电转换的变换器，它把反映位置变化的磁信号
35、转换成电信号，输送到控制电路中去。磁头有动态磁头号，输送到控制电路中去。磁头有动态磁头(又称为速度响应式磁头又称为速度响应式磁头)和静态磁和静态磁头头(又称为磁通响应式磁头又称为磁通响应式磁头)两种形式。两种形式。根据数控机床的要求，必须在低速运动和静止时也能进行位置检测，故采根据数控机床的要求，必须在低速运动和静止时也能进行位置检测，故采用静态磁头。如图用静态磁头。如图9-16所示为静态磁头的结构示意图。所示为静态磁头的结构示意图。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 根据检测方法不同，控制电路分为鉴
36、幅检测电路和鉴相检测电路。鉴相检测电根据检测方法不同，控制电路分为鉴幅检测电路和鉴相检测电路。鉴相检测电路如图路如图9-17所示所示3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 9.1.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器 光电脉冲编码器是一种光学旋转式角位移检测元件，光电脉冲编码器是由光电脉冲编码器是一种光学旋转式角位移检测元件，光电脉冲编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光电脉冲编码器的优点是非接触式的、无摩擦和光栅盘和光电检测装置组成。光电脉冲编码器的优点是非接触式的、无摩擦和磨损、驱动力矩小、响应速度快，缺点
37、是抗污染能力差、容易损坏。光电脉冲磨损、驱动力矩小、响应速度快，缺点是抗污染能力差、容易损坏。光电脉冲编码器按编码化方式可分为增量式光电脉冲编码器和绝对式光电脉冲编码器。编码器按编码化方式可分为增量式光电脉冲编码器和绝对式光电脉冲编码器。1.增量式光电脉冲编码器增量式光电脉冲编码器 增量式光电脉冲编码器的结构如增量式光电脉冲编码器的结构如图图9-20所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2.绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器 绝对式光电脉冲编码器是把被测转角通过读取编码盘上的图案信息直
38、接转绝对式光电脉冲编码器是把被测转角通过读取编码盘上的图案信息直接转换成相应代码的位置检测元件。绝对式光电脉冲编码器的编码盘可分为光电式换成相应代码的位置检测元件。绝对式光电脉冲编码器的编码盘可分为光电式编码盘、接触式编码盘和电磁式编码盘三种。编码盘、接触式编码盘和电磁式编码盘三种。光电式编码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上光电式编码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图二进制编码。如图9-21所示为四位二进制光电式编码盘。图中四位二进制光电所示为四位二进制光电式编码盘。图中四位二进制光电式编码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字编
39、码道，在同一个编码道上印式编码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字编码道，在同一个编码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制黑白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的制的“0”和和“1”。在该四位二进制光电式编码盘上，有四圈数字编码道，每。在该四位二进制光电式编码盘上，有四圈数字编码道，每一圈数字编码道表示二进制编码中的一位，里侧为高位，外侧为低位，显然，一圈数字编码道表示二进制编码中的一位，里侧为高位，外侧为低位，显然，该四位二进制光电式编码盘在该四位二进制光电式编码盘在360范围内可编码范围内可编码24=16个。个。3/4/
40、2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3.光电脉冲编码器的应用光电脉冲编码器的应用 1）光电脉冲编码器在直线位移测量中的应用）光电脉冲编码器在直线位移测量中的应用在半闭环系统中，将增量式光电脉冲编码器安装在进给电动机的非输出轴在半闭环系统中，将增量式光电脉冲编码器安装在进给电动机的非输出轴端，根据该增量式光电脉冲编码器反馈的脉冲数量端，根据该增量式光电脉冲编码器反馈的脉冲数量(对应电
41、动机轴的角位移对应电动机轴的角位移)、传动比及滚珠丝杠的导程传动比及滚珠丝杠的导程(单头螺纹即为螺距单头螺纹即为螺距)就可以计算出移动部件的直线位就可以计算出移动部件的直线位移量。移量。2）光电脉冲编码器在螺纹加工控制中的应用）光电脉冲编码器在螺纹加工控制中的应用为了加工螺纹，在数控机床的主轴上应安装光电脉冲编码器。通常安装为了加工螺纹，在数控机床的主轴上应安装光电脉冲编码器。通常安装在主轴上的光电编码器与主轴间的传动比为在主轴上的光电编码器与主轴间的传动比为1，利用该光电脉冲编码器可以保，利用该光电脉冲编码器可以保证在切削螺纹时，同步控制主轴旋转与坐标轴的进给，即主轴每转动一周，刀证在切削螺
42、纹时，同步控制主轴旋转与坐标轴的进给，即主轴每转动一周，刀具准确地移动一个螺纹的导程，从而保证被加工螺纹螺距的准确性。具准确地移动一个螺纹的导程，从而保证被加工螺纹螺距的准确性。3）光电脉冲编码器在永磁式交流同步伺服电动机中的应用）光电脉冲编码器在永磁式交流同步伺服电动机中的应用3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 9.2伺服系统伺服系统1.伺服控制系统的基本要求伺服控制系统的基本要求按照数控机床加工的运动方式分可分为点位控制、点位直线控制和轮廓按照数控机床加工的运动方式分可分为点位控制、点位直线控制和
43、轮廓控制。下面从对伺服系统要求的角度，分析点位控制和轮廓控制。控制。下面从对伺服系统要求的角度，分析点位控制和轮廓控制。1）点位控制）点位控制点位控制使机床只能够实现由一个位置点到另一个位置点的精确移动，点位控制使机床只能够实现由一个位置点到另一个位置点的精确移动，在移动和定位的过程中不进行任何加工。工件的运动轨迹并不影响加工的孔在移动和定位的过程中不进行任何加工。工件的运动轨迹并不影响加工的孔距精度，如坐标钻床、坐标镗床以及冲床等就是采用点位控制。点位控制只距精度，如坐标钻床、坐标镗床以及冲床等就是采用点位控制。点位控制只控制行程终点的坐标值，而不控制点与点之间的运动轨迹，因此，几个坐标控制
44、行程终点的坐标值，而不控制点与点之间的运动轨迹，因此，几个坐标轴之间的运动不需要有任何联系。在点位控制的结构中，不需要加工轨迹的轴之间的运动不需要有任何联系。在点位控制的结构中，不需要加工轨迹的计算装置。为了尽可能地减少机床的运动和定位时间，通常在快速移动后，计算装置。为了尽可能地减少机床的运动和定位时间，通常在快速移动后，采用三级减速，以减少定位误差，保证良好的定位精度。采用三级减速，以减少定位误差，保证良好的定位精度。点位控制对伺服系统的基本要求是保证实现高的定位精度和快的定位效点位控制对伺服系统的基本要求是保证实现高的定位精度和快的定位效率。率。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置
45、控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2）轮廓控制）轮廓控制数控车床、铣床和加工中心的数控系统，要求刀具在相对工件移动的数控车床、铣床和加工中心的数控系统，要求刀具在相对工件移动的过程中，一边进给一边进行切削加工，进给控制的过程也是工件切削加工的过程中，一边进给一边进行切削加工，进给控制的过程也是工件切削加工的过程。伺服系统控制工作台行进的轨迹，就是工件要求加工的轮廓，因此，过程。伺服系统控制工作台行进的轨迹，就是工件要求加工的轮廓，因此，称为轮廓控制。称为轮廓控制。轮廓控制对伺服系统的基本要求除了要保证精确定位外，还必须随时控制进轮廓控制对伺
46、服系统的基本要求除了要保证精确定位外，还必须随时控制进给轴伺服电动机的转向和转速，以保证数控加工轨迹能准确地复现指令的要给轴伺服电动机的转向和转速，以保证数控加工轨迹能准确地复现指令的要求。同时由于轮廓控制中伺服系统可能频繁地处于过渡过程，因而动态误差求。同时由于轮廓控制中伺服系统可能频繁地处于过渡过程，因而动态误差将上升，从而影响加工精度。特别在圆弧切削加工中，由于实际进给过程速将上升，从而影响加工精度。特别在圆弧切削加工中，由于实际进给过程速度的跟随误差，将直接造成轮廓形状与尺寸的误差。度的跟随误差，将直接造成轮廓形状与尺寸的误差。对于两轴及两轴以上联动的数控系统，不仅要求每个驱动轴要尽可
47、能增大系统对于两轴及两轴以上联动的数控系统，不仅要求每个驱动轴要尽可能增大系统速度增益以减少速度跟随误差，而且必须使各轴的速度增益接近，才能保证两速度增益以减少速度跟随误差，而且必须使各轴的速度增益接近，才能保证两轴以上联动时的加工精度。在速度增益较小时，这个要求更为严格。轴以上联动时的加工精度。在速度增益较小时，这个要求更为严格。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 工作频率是指伺服系统允许输入信号的频率范围。工作频率是指伺服系统允许输入信号的频率范围。响应特性是指伺服系统的输出量跟随输入指令变化的反
48、应速度。它决定了伺服系响应特性是指伺服系统的输出量跟随输入指令变化的反应速度。它决定了伺服系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度和运动系统的阻统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度和运动系统的阻尼、质量等。尼、质量等。稳定性是指当作用在伺服系统上的干扰消失以后，伺服系统能够恢复到原来稳定稳定性是指当作用在伺服系统上的干扰消失以后，伺服系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或当给伺服系统输入一个新的指令后，其再次达到稳定运行状态的状态的能力；或当给伺服系统输入一个新的指令后，其再次达到稳定运行状态的能力。能力。系统精度是指伺服系统的输出量复现输入信号要求的精确程
49、度。该精度是以误差系统精度是指伺服系统的输出量复现输入信号要求的精确程度。该精度是以误差的形式表现的，即动态误差、稳态误差和静态误差。的形式表现的，即动态误差、稳态误差和静态误差。1）系统精度）系统精度2）稳定性）稳定性3）响应特性）响应特性4）工作频率）工作频率2.伺服系统的技术要求伺服系统的技术要求伺服系统的技术要求包含以下四项：伺服系统的技术要求包含以下四项：3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 3.伺服系统常见的控制方式伺服系统常见的控制方式 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
50、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。1）开环伺服系统）开环伺服系统开环伺服系统是无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电动机或开环伺服系统是无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电动机或液压脉冲马达。开环伺服系统组成如图液压脉冲马达。开环伺服系统组成如图9-23所示。所示。3/4/2023机电控制技术第第9章章位置控制技术位置控制技术目录目录目录目录 上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统由于开环控制的精度不能很好地满足伺服系统的要求，为了提高伺服系统由于开环控制的精度不能很好地满足伺服系统的要求，为了提高伺服系统的控制