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1、数控机床的驱动与控制系数控机床的驱动与控制系统统4.14.1数控机床的检测装置数控机床的检测装置4.24.2数控机床的伺服驱动装置数控机床的伺服驱动装置12/11/20222第四章数控机床的检测与驱动系统 位位位位置置置置检检检检测测测测装装装装置置置置是是是是数数数数控控控控机机机机床床床床的的的的重重重重要要要要组组组组成成成成部部部部分分分分。在在在在闭闭闭闭环环环环、半半半半闭闭闭闭环环环环控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中，它它它它的的的的主主主主要要要要作作作作用用用用是是是是检检检检测测测测位位位位移移移移和和和和速速速速度度度度，并并并并发发发发出出出出反反反反馈馈馈馈信
2、信信信号号号号，构成闭环或半闭环控制。构成闭环或半闭环控制。构成闭环或半闭环控制。构成闭环或半闭环控制。4.1 4.1 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置12/11/20223第四章数控机床的检测与驱动系统数控机床对位置检测装置的要求：数控机床对位置检测装置的要求：数控机床对位置检测装置的要求：数控机床对位置检测装置的要求：（1 1）工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；（2 2）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；满足精度和速度的要求；（3 3）安装，维护方便，适合机床工作环境；）安装，维护方便
3、，适合机床工作环境；）安装，维护方便，适合机床工作环境；）安装，维护方便，适合机床工作环境；（4 4）成本低。成本低。成本低。成本低。4.1 4.1 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置12/11/20224第四章数控机床的检测与驱动系统位置检测装置分类：位置检测装置分类：位置检测装置分类：位置检测装置分类：（一）（一）（一）（一）直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量和间接测量1.1.直接测量直接测量直接测量直接测量 直直直直接接接接测测测测量量量量是是是是将将将将直直直直线线线线型型型型检检检检测测测测装装装装置置置置安安安安装装装装在在在在移移移移动动动动
4、部部部部件件件件上上上上，用用用用来来来来直直直直接接接接测测测测量量量量工工工工作作作作台台台台的的的的直直直直线线线线位位位位移移移移，作作作作为为为为全全全全闭闭闭闭环环环环伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点：准确性高、可优点：准确性高、可优点：准确性高、可优点：准确性高、可靠性好；靠性好；靠性好；靠性好；缺点：测量装置要和缺点：测量装置要和缺点：测量装置要和缺点：测量装置要和工作台行程等长；工作台行程等长；工作台行程等长；工作台行程等长；在大
5、型数控机床上受在大型数控机床上受在大型数控机床上受在大型数控机床上受到一定限制。到一定限制。到一定限制。到一定限制。12/11/20225第四章数控机床的检测与驱动系统2.2.间接测量间接测量间接测量间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环
6、伺服系统的位置反馈用。的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点：测量方便、无长度限制。优点：测量方便、无长度限制。优点：测量方便、无长度限制。优点：测量方便、无长度限制。缺缺缺缺点点点点：测测测测量量量量信信信信号号号号中中中中增增增增加加加加了了了了由由由由回回回回转转转转运运运运动动动动转转转转变变变变为为为为直直直直线线线线运运运运动动动动的的的的传传传传动动动动链链链链误误误误差差差差，从从从从而而而而影影影影响响响响了了了了测测测测量精度。量精度。量精度。量精度。12/11/20226第四
7、章数控机床的检测与驱动系统（二）数字式测量和模拟式测量（二）数字式测量和模拟式测量1.数字式测量数字式测量它它是是将将被被测测的的量量以以数数字字形形式式来来表表示示，测测量量信信号号一一般般为为脉脉冲冲，可可以以直直接接把把它它送送到到数数控控装装置置进进行行比比较较、处处理理。信号抗干扰能力强、处理简单。信号抗干扰能力强、处理简单。2.模拟量测量模拟量测量它它是是将将被被测测的的量量用用连连续续变变量量来来表表示示，如如电电压压变变化化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。12/11/20227第四章数控机床的检测与驱动系统（三）
8、（三）增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量1.增量式测量增量式测量2.在在轮轮廓廓控控制制数数控控机机床床上上多多采采用用这这种种测测量量方方式式，增增量量式式测测量量只只测测相相对对位位移移量量，其其优优点点是是测测量量装装置置较较简简单单，对对任任何何一一个个中中间间点点都都可可以以作作为为测测量量的的起起点点，而而位位移移是是由由测测量量信信号号计计数数累累加加所所得得，但但一一旦旦计计数数有有误误，以以后测量所得结果完全错误。后测量所得结果完全错误。2.绝对式测量绝对式测量3.绝绝对对式式测测量量装装置置对对于于被被测测量量的的任任意意一一点点位位置置均均由由固固定定的的零零点
9、点标标起起，每每一一个个被被测测点点都都有有一一个个相相应应的的测测量量值值。测测量量装装置置的的结结构构较较增增量量式式复复杂杂，如如编编码码盘盘中中，对对应应于于码码盘盘的的每每一一个个角角度度位位置置便便有有一一组组二二进进制制位位数数。显显然然，分分辨辨精精度度要要求求愈愈高高，量量程程愈愈大大，则则所所要要求求的的二二进制位数也愈多，结构就愈复杂。进制位数也愈多，结构就愈复杂。12/11/20228第四章数控机床的检测与驱动系统一、位移传感器一、位移传感器 常见的位移传感器：旋转变压器，感应常见的位移传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅测量装置，脉冲编码器等。同步器，光栅测量装置，脉
10、冲编码器等。12/11/20229第四章数控机床的检测与驱动系统 1.旋转变压器旋转变压器一、结构与工作原理一、结构与工作原理旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。子组成。23412/11/202210第四章数控机床的检测与驱动系统 1.旋转变压器旋转变压器旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。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，绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是
11、其输出电压大小与转子位置有关。只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。工作情况。12/11/202211第四章数控机床的检测与驱动系统定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压为为，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为角度时，转子绕组中产生的感应电压为当转子转过当转
12、子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即大，即。V1V1V1定子定子转子转子V2V2V21=900=1=0012/11/202212第四章数控机床的检测与驱动系统二、应用二、应用 旋转变压器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。旋转变压器典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式鉴相式 是根据感应输出电压的相位来检测位移量；是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式鉴幅式 是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。定子定子转子转子VCVSV212/11/202213第四章数控机床的检测与驱动系统二、应用二、应用 1.1
13、.鉴相工作方式鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差90900 0的交流励磁电压，即的交流励磁电压，即 定子定子转子转子VCVSV212/11/202214第四章数控机床的检测与驱动系统 这这两两个个励励磁磁电电压压在在转转子子绕绕组组中中都都产产生生了了感感应应电电压压，如如上上图图所所示示，根根据据线线性性叠叠加加原原理理，转转子子中中的的感感应应电电压压应应为为这这两个电压的代数和：两个电压的代数和：定子定子转子转子VCVSV212/11/202215第四章数控机床的检测与驱动系统 2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式给给定定子
14、子的的两两个个绕绕组组分分别别通通以以频频率率相相同同、相相位位相相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即则转子上的叠加电压为则转子上的叠加电压为12/11/202216第四章数控机床的检测与驱动系统1）结构与工作原理）结构与工作原理感感应应同同步步器器和和旋旋转转变变压压器器均均为为电电磁磁式式检检测测装装置置，属属模模拟拟式式测测量量，二二者者工工作作原原理理相相同同，其其输输出出电电压压随随被被测测直直线线位位移或角位移而改变。移或角位移而改变。感感应应同同步步器器按按其其结结构构特特点点一一般般分分为为直直线线式式和和旋旋转转式式两
15、两种：种：直直线线式式感感应应同同步步器器由由定定尺尺和和滑滑尺尺组组成成，用用于于直直线线位位移移测测量量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。2.感应同步器感应同步器12/11/202217第四章数控机床的检测与驱动系统 结构：结构：定尺定尺滑尺滑尺余弦绕组余弦绕组正弦绕组正弦绕组V2VsVc2/4212/11/202218第四章数控机床的检测与驱动系统 定 尺滑 A 尺 Bt241位 Ct221置 Dt243E t2EAV2MN正弦绕
16、组余弦绕组BDCOP 工作原理：工作原理：12/11/202219第四章数控机床的检测与驱动系统应用：应用：工作方式：鉴相式和鉴幅式。工作方式：鉴相式和鉴幅式。特点：特点：1 1）精度高；）精度高；2 2）测量长度不受限制；）测量长度不受限制；3 3）对环境的适应性强；）对环境的适应性强；4 4）维护简单，寿命长。）维护简单，寿命长。12/11/202220第四章数控机床的检测与驱动系统3.光栅光栅 根根据据光光线线在在光光栅栅中中是是透透射射还还是是反反射射分分为为透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅，透透射射光光栅栅分分辨辨率率较较反反射射光光栅栅高高，其其检检测测精精度度可可达达1m以以
17、上上。从从形形状状上上看看，又又可可分分为为圆圆光光栅栅和和直直线线光光栅栅。圆圆光光栅栅用用于于测测量量转转角角位位移移，直直线线光光栅栅用用于于检检测测直直线线位位移移。两两者者工工作作原原理理基基本本相相似似，本本节节着着重重介介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。光栅尺的结构光栅尺的结构直直线线光光栅栅通通常常包包括括一一长长和和一一短短两两块块配配套套使使用用，其其中中长长的的称称为为标标尺尺光光栅栅或或长长光光栅栅，一一般般固固定定在在机机床床移移动动部部件件上上，要要求求与与行行程程等等长长。短短的的为为指指示示光光栅栅或或短短光光栅栅，装装在
18、在机机床床固固定定部部件件上上。两两光光栅栅尺尺是是刻刻有有均均匀匀密密集集线线纹纹的的透透明明玻玻璃璃片片，线线纹纹密密度度为为25、50、100、250条条/mm等等。线线纹纹之之间间距距离离相相等等，该该间间距距称称为为栅栅距距，测测量量时时它它们们相相互平行放置，并保持互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。的间隙。12/11/202221第四章数控机床的检测与驱动系统22原理：原理：如如果果将将指指示示光光栅栅在在其其自自身身的的平平面面内内转转过过一一个个很很小小的的角角度度，这这样样两两块块光光栅栅的的刻刻线线相相交交，当当平平行行光光线线垂垂直直照照射射标标尺尺光光栅栅时时
19、，则则在在相相交交区区域域出出现现明明暗暗交交替替、间间隔隔相相等等的的粗粗大大条条纹纹，称称为为摩摩尔尔条条纹纹。当当两两光光栅栅尺尺沿沿与与刻刻线线垂垂直直的的方方向向相相对对移移动动时时，莫莫尔尔条条纹纹沿沿刻刻线线方方向向移移动动，当当光光栅栅尺尺移移动动一一个个栅栅距距，莫莫尔尔条条纹纹正正好好移移动动一一个个节节距距。这这样样只只要要通通过过光光电电元元件件检检测测出出莫莫尔尔条条纹纹移移动动的的数数目目和和方方向向，就就可可以以知知道道光光栅栅移移过过了了多多少少个个栅栅距距和和移移动动的的方方向。向。12/11/202222第四章数控机床的检测与驱动系统23工作原理：工作原理：
20、12/11/202223第四章数控机床的检测与驱动系统 特点：特点：1.放大作用放大作用用用W（mm）表表示示莫莫尔尔条条纹纹的的宽宽度度，P(mm)表表示示栅栅距距，(rad)为为光光栅栅线线纹纹之之间间的的夹角，如图所示则有夹角，如图所示则有莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度W与与角角成成反反比比，越小，放大倍数越大。越小，放大倍数越大。WPWP12/11/202224第四章数控机床的检测与驱动系统 2.均化误差作用均化误差作用莫莫尔尔条条纹纹是是由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线共共同同组组成成，例例如如，200条条/mm的的光光栅栅，10mm宽宽的的光光栅栅就就由由2000条条线线纹纹组组成成，这
21、这样样栅栅距距之之间间的的固固有有相相邻邻误误差差就就被被平平均均化化了了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。消除了栅距之间不均匀造成的误差。3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当当光光栅栅尺尺移移动动一一个个栅栅距距P时时，莫莫尔尔条条纹纹也也刚刚好好移移动动了了一一个个条条纹纹宽宽度度W。只只要要通通过过光光电电元元件件测测出出莫莫尔尔条条纹纹的的数数目目，就就可可知知道道光光栅栅移移动动了了多多少少个个栅栅距距，工工作作台台移移动动的的距距离离可可以以计计算算出出来来。若若光光栅栅移移动动方方向向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。相反，则莫尔条纹移动方向也相反
22、。12/11/202225第四章数控机床的检测与驱动系统光栅测量系统：光栅测量系统：12/11/202226第四章数控机床的检测与驱动系统27编编码码器器是是一一种种旋旋转转式式测测量量元元件件，通通常常装装在在被被检检测测轴轴上上（或或同同步步带带联联接接）；随随被被测测轴轴一一起起转转动动，可可将将被被测测轴轴的的角角位位移移转转换换为为增增量量脉脉冲冲形形式式或或绝绝对对式式的的代代码码形形式式。根根据据内内部部结结构构和和检检测测方方式式，编编码码器器可可分分为为接接触触式式、光光电电式式和和电电磁磁式式3种种。其其中中，光光电电编编码码器器在在数数控控机机床床上上应应用用较较多多，由
23、由霍霍尔尔效效应应构构成成的的电电磁磁编编码码器器则则可可用用作作速速度度检检测测元件。元件。4.编码器编码器12/11/202227第四章数控机床的检测与驱动系统28光光电电式式编码编码器器光光电电式式编编码码器器是是一一种种光光电电式式转转角角检检测测装装置置。编编码码器器用用透透明明及及不不透透明明区区域域按按一一定定编编码码构构成成，根根据据其其编编码码方方式式不同，可分不同，可分为为增量式光增量式光电编码电编码器和器和绝对绝对式光式光电编码电编码器。器。增增量量式式光光电电编编码码器器可可通通过过光光电电转转换换将将被被测测轴轴的的角角位位移移增增量量转转换换成成相相应应的的脉脉冲冲
24、数数字字量量，然然后后由由微微机机数数控控系系统统或计数器计数得到角位移量和直线位移量。或计数器计数得到角位移量和直线位移量。12/11/202228第四章数控机床的检测与驱动系统291-旋旋转轴转轴2-轴轴承承3-透光窄透光窄缝缝4-光光栅编码栅编码器器5-光源光源6-聚光聚光镜镜7-光光澜澜板板8-光敏元件光敏元件增量式光电编码器增量式光电编码器12/11/202229第四章数控机床的检测与驱动系统30光电编码器需解决的两个问题：光电编码器需解决的两个问题：1、正反向辨别、正反向辨别2、掉电位置记忆、掉电位置记忆为为了了测测量量出出转转向向，光光澜澜板板的的两两个个窄窄缝缝距距离离比比编编
25、码码器器两两个个窄窄缝缝之之间间的的距距离离小小1/4节节距距，使使两两个个光光敏敏元元件件的输出信号相差的输出信号相差/2相位。相位。如如果果将将其其输输出出的的脉脉冲冲信信号号经经频频率率电电压压变变换换后后，得得到到与与转转轴轴转转速速成成正正比比的的电电压压信信号号，它它就就是是速速度度反反馈信号。馈信号。12/11/202230第四章数控机床的检测与驱动系统31在在数数控控车车床床主主轴轴末末端端通通常常就就使使用用增增量量式式光光栅栅编编码码器器，来来检检测测主主轴轴的的位位置置，以以保保证证切切削削螺螺纹纹时时不不会会乱扣。乱扣。12/11/202231第四章数控机床的检测与驱动
26、系统32它它与与接接触触式式编编码码器器结结构构相相似似，它它与与增增量量式式编编码码器器相相比比特特点点是是：由由于于某某种种原原因因停停机机后后再再开开机机，还还能能找找到到正确位置，但因其正确位置，但因其结结构的限制，分辨率不能做得很高。构的限制，分辨率不能做得很高。绝绝对对式式光光栅栅编编码码器器与与增增量量式式编编码码器器的的共共同同特特点点是是：没没有有接接触触磨磨损损，编编码码器器寿寿命命长长，允允许许转转速速高高，精精度度较较高。高。绝对绝对式式编码器编码器12/11/202232第四章数控机床的检测与驱动系统33绝对绝对式式编码器编码器12/11/202233第四章数控机床的
27、检测与驱动系统34绝对绝对式式编码器编码器12/11/202234第四章数控机床的检测与驱动系统35分分类类：线线速度型速度型角速度型角速度型常用的速度常用的速度传传感器：感器：测测速速发电发电机机脉冲脉冲编码编码器器二、速度二、速度传传感器感器12/11/202235第四章数控机床的检测与驱动系统36特点：特点：输输出出电压电压与与转转速速严严格成格成线线性关系；性关系；输输出出电势电势与与转转速比的斜率大。速比的斜率大。结结构与工作原理：构与工作原理：1.交流交流测测速速发电发电机机12/11/202236第四章数控机床的检测与驱动系统37结结构与工作原理：构与工作原理：2.直流直流测测速
28、速发电发电机机12/11/202237第四章数控机床的检测与驱动系统38位位置置检检测测元元件件与与位位移移检检测测元元件件不不同同，它它所所测测量量的的不不是是一一段段距距离离的的变变化化量量，而而是是通通过过检检测测，确确定定是是否否已已到到达达某某一一位位置置。因因此此，它它不不需需要要产产生生连连续续变变化化的的模模拟拟量量，只只需需要要产产生生能能反反映映某某种种状状态态的的开开关关量量即即可可。这这种种检检测测元元件件常常用用于于数数控控机机床床更更换换刀刀具具、工工件件或或工工作作台台到到位位或或行行程程限限制等辅助机能的信号检测。制等辅助机能的信号检测。三、三、位置检测元件位置
29、检测元件12/11/202238第四章数控机床的检测与驱动系统39位位置置检检测测元元件件分分为为接接触触式式和和接接近近式式两两种种。接接触触式式位位置置检检测测元元件件必必须须与与被被测测物物接接触触才才能能产产生生信信号号，如如微微动动开开关关、行行程程开开关关等等，而而接接近近式式无无需需直直接接接接触触，检检测测元元件件与与被被测测物物之之间间通通过过光光电电、电电磁磁或或超超声声波波等等获获得得信信号，如电磁式接近开关。号，如电磁式接近开关。接触式可靠性高、寿命有限接触式可靠性高、寿命有限，用于限位，用于限位接近式无磨损、寿命长。接近式无磨损、寿命长。三、三、位置检测元件位置检测元
30、件12/11/202239第四章数控机床的检测与驱动系统40数控机床常用的几种位置检测元件数控机床常用的几种位置检测元件12/11/202240第四章数控机床的检测与驱动系统414.2伺服伺服驱动驱动装置装置（一）概述（一）概述（一）概述（一）概述伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统是以机械位置或角度作为控制量是以机械位置或角度作为控制量是以机械位置或角度作为控制量是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。的自动控制系统。的自动控制系统。的自动控制系统。伺服伺服驱动驱动电路电路伺服驱伺服驱动装置动装置(电机电机)机械机械传动传动机构机构执行执行部件部件CNC伺服驱动系统伺服驱动系统12/11/2
31、02241第四章数控机床的检测与驱动系统424.2伺服伺服驱动驱动装置装置（一）概述（一）概述（一）概述（一）概述 在在在在数数数数控控控控机机机机床床床床中中中中，CNCCNC控控控控制制制制器器器器经经经经过过过过插插插插补补补补运运运运算算算算生生生生成成成成的的的的进进进进给给给给脉脉脉脉冲冲冲冲或或或或进进进进给给给给位位位位移移移移量量量量指指指指令令令令输输输输入入入入到到到到伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统，由由由由伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动电电电电路路路路经经经经变变变变换换换换和和和和传传传传递递递递放放放放大大大大后后后后，经经经经伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动装
32、装装装置置置置和和和和机机机机械械械械传传传传动动动动部部部部件件件件，驱驱驱驱动动动动机机机机床床床床的的的的工工工工作作作作台台台台，主主主主轴轴轴轴头头头头架架架架等等等等执执执执行行行行部部部部件件件件实实实实现现现现工工工工作作作作进进进进给给给给和和和和快速运动，转化为机床机械部件高精度运动。快速运动，转化为机床机械部件高精度运动。快速运动，转化为机床机械部件高精度运动。快速运动，转化为机床机械部件高精度运动。12/11/202242第四章数控机床的检测与驱动系统434.2伺服伺服驱动驱动装置装置（一）概述（一）概述（一）概述（一）概述 伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统既既既既是是
33、是是数数数数控控控控机机机机床床床床控控控控制制制制器器器器与与与与刀刀刀刀具具具具、主主主主轴轴轴轴间间间间的的的的信信信信息息息息传传传传递递递递环环环环节节节节又又又又是是是是能能能能量量量量放放放放大大大大与与与与传传传传递递递递的的的的环环环环节节节节，它它它它的的的的性性性性能能能能在在在在很很很很大大大大程程程程度度度度上上上上决决决决定定定定了了了了数数数数控控控控机机机机床床床床的的的的性性性性能能能能。因因因因此此此此伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统一一一一直直直直是是是是现现现现代代代代数控机床的关键技术之一。数控机床的关键技术之一。数控机床的关键技术之一。数控机床的关键
34、技术之一。12/11/202243第四章数控机床的检测与驱动系统44（二）伺服系统的基本技术要求（二）伺服系统的基本技术要求（二）伺服系统的基本技术要求（二）伺服系统的基本技术要求1 1、精度高、精度高、精度高、精度高 伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统的的的的精精精精度度度度是是是是指指指指输输输输出出出出量量量量能能能能复复复复现现现现输输输输入入入入量量量量的的的的精精精精确确确确程程程程度度度度。作作作作为为为为数数数数控控控控加加加加工工工工，对对对对定定定定位位位位精精精精度度度度和和和和轮轮轮轮廓廓廓廓加加加加工工工工精精精精度度度度要要要要求求求求都都都都比比比比较较较较高高高高
35、，定位精度一般为定位精度一般为定位精度一般为定位精度一般为0.01-0.001mm0.01-0.001mm，甚至，甚至，甚至，甚至0.1um0.1um。22、稳定性好、稳定性好、稳定性好、稳定性好 稳稳稳稳定定定定性性性性是是是是指指指指系系系系统统统统在在在在给给给给定定定定输输输输入入入入或或或或外外外外界界界界干干干干扰扰扰扰作作作作用用用用下下下下，能能能能在在在在短短短短暂暂暂暂的的的的调调调调节节节节过过过过程程程程后后后后，达达达达到到到到新新新新的的的的或或或或者者者者恢恢恢恢复复复复到到到到原原原原来来来来的的的的平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态。对对对对伺伺伺伺服服服服系系
36、系系统统统统要要要要求求求求有有有有较较较较强强强强的的的的抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰能能能能力力力力，保保保保证证证证进进进进给给给给速速速速度度度度均均均均匀匀匀匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。12/11/202244第四章数控机床的检测与驱动系统45（二）伺服系统的基本技术要求（二）伺服系统的基本技术要求（二）伺服系统的基本技术要求（二）伺服系统的基本技术要求3 3、能够快速响应、能够快速响应、能够快速响应、能够快速响应 快快快
37、快速速速速响响响响应应应应是是是是伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统动动动动态态态态品品品品质质质质的的的的重重重重要要要要指指指指标标标标，它它它它反反反反映映映映了了了了系系系系统统统统的的的的跟跟跟跟踪踪踪踪精精精精度度度度。为为为为了了了了保保保保证证证证轮轮轮轮廓廓廓廓切切切切削削削削形形形形状状状状精精精精度度度度和和和和低低低低的的的的加加加加工工工工表表表表面面面面粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度，要要要要求求求求伺伺伺伺服服服服系系系系统跟踪指令信号的响应要快。统跟踪指令信号的响应要快。统跟踪指令信号的响应要快。统跟踪指令信号的响应要快。4 4、调速范围宽、调速范围宽、调速范围宽、调速
38、范围宽 不不不不 仅仅仅仅 能能能能 满满满满 足足足足 低低低低 速速速速 切切切切 削削削削 进进进进 给给给给 要要要要 求求求求，如如如如5mm/min5mm/min，还还还还要要要要求求求求满满满满足足足足高高高高速速速速进进进进给给给给要要要要求求求求，如如如如20000mm/min20000mm/min。12/11/202245第四章数控机床的检测与驱动系统46（三）（三）（三）（三）伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况 在在在在5050年年年年代代代代，数数数数控控控控机机机机床床床床主主主主要要要要采采采采用用用用液液液液压
39、压压压驱驱驱驱动动动动，称称称称为为为为液液液液压压压压伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。6060年年年年代代代代初初初初，在在在在日日日日本本本本首首首首次次次次推推推推出出出出了了了了步步步步进进进进电电电电机机机机开开开开环环环环伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统，这这这这种种种种系系系系统统统统的的的的优优优优点点点点是是是是结结结结构构构构简简简简单单单单，价价价价格格格格低低低低廉廉廉廉，使使使使用用用用维修方便，所以在
40、数控设备中被广泛采用维修方便，所以在数控设备中被广泛采用维修方便，所以在数控设备中被广泛采用维修方便，所以在数控设备中被广泛采用.随随随随着着着着生生生生产产产产的的的的发发发发展展展展，对对对对伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统的的的的精精精精度度度度、速速速速度度度度等等等等性性性性能能能能指指指指标标标标要要要要求求求求更更更更高高高高，输输输输出出出出功功功功率率率率要要要要求求求求更更更更大大大大，而而而而步步步步进进进进电电电电机机机机开开开开环伺服驱动系统不能满足要求。环伺服驱动系统不能满足要求。环伺服驱动系统不能满足要求。环伺服驱动系统不能满足要求。7070年年年
41、年代代代代，直直直直流流流流电电电电机机机机伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统采采采采用用用用闭闭闭闭环环环环或或或或半半半半闭闭闭闭环环环环控控控控制制制制，精精精精度度度度提提提提高高高高一一一一个个个个数数数数量量量量级级级级，调调调调速速速速范范范范围围围围可可可可达达达达1 1：1000010000，运运运运行行行行速速速速度提高到度提高到度提高到度提高到15-24m/min15-24m/min。12/11/202246第四章数控机床的检测与驱动系统47（三）（三）（三）（三）伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况 直直直直流流流流电电
42、电电机机机机伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统的的的的缺缺缺缺点点点点是是是是结结结结构构构构复复复复杂杂杂杂，价价价价格格格格昂昂昂昂贵。贵。贵。贵。在在在在8080年年年年代代代代以以以以后后后后，微微微微机机机机和和和和微微微微电电电电子子子子技技技技术术术术的的的的迅迅迅迅速速速速发发发发展展展展，为为为为交交交交流流流流电电电电机机机机伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统的的的的调调调调速速速速控控控控制制制制提提提提供供供供了了了了条条条条件件件件，伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统发发发发展展展展的的的的趋趋趋趋势势势势是是是是交交交交流流流流伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统
43、统统逐逐逐逐渐渐渐渐取取取取代代代代了了了了直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统。据据据据国国国国外外外外资资资资料料料料统统统统计计计计：19751975年年年年，直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统占占占占80%80%，交交交交流流流流伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统占占占占20%20%；19851985年年年年，交交交交流流流流伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统占占占占80%80%，直直直直流流流流伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系统占系统占系统占系统占20%20%。12/11/202247第四章数控机
44、床的检测与驱动系统48（四）（四）数控机床对伺服电动机的要求数控机床对伺服电动机的要求为为了了满满足足数数控控机机床床对对伺伺服服系系统统的的要要求求，对对电电气气伺伺服服驱驱动动系系统统的的执执行行元元件件伺伺服服电电动动机也必须有较高的要求；机也必须有较高的要求；电电动动机机从从最最低低进进给给速速度度到到最最高高进进给给速速度度范范围围内内都都能能平平滑滑地地运运转转；转转速速波波动动要要小小，尤尤其其在在最最低低速速度度转转速速时时，如如0.1rmin或或更更低低转转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电电动动机机应应具具有有大大的的、较较长长时时间间的
45、的过过载载能能力力，以以满满足足低低速速大大转转矩矩的的要要求求。例例如如，电电动动机能在数分钟内过载机能在数分钟内过载46倍而不损坏。倍而不损坏。12/11/202248第四章数控机床的检测与驱动系统49（四）（四）数控机床对伺服电动机的要求数控机床对伺服电动机的要求为为了了满满足足快快速速响响应应的的要要求求，即即随随着着控控制制信信号号的的变变化化，电电动动机机应应能能在在较较短短时时间间内内完完成成必必须须的的动动作作。快快的的反反应应速速度度直直接接影影响响到到系系统统的的品品质质。因因此此，要要求求电电动动机机必必须须具具有有较较小小的的转转动动惯惯量量和和大大的的堵堵转转转转矩矩
46、，尽尽可可能能小小的的电电动动机机时间常数和起动电压。时间常数和起动电压。电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。12/11/202249第四章数控机床的检测与驱动系统主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机12/11/202250第四章数控机床的检测与驱动系统51（五）常用伺服电动机（五）常用伺服电动机常用的伺服执行元件主要有常用的伺服执行元件主要有:直流伺服电动机直流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机步进电动机步进电动机直接驱动电动机直接驱动电动机12/11/
47、202251第四章数控机床的检测与驱动系统521、步进电动机、步进电动机步步进进电电机机是是一一种种将将电电脉脉冲冲信信号号转转换换成成机机械械角角位位移移的的电电磁磁装装置置。由由于于所所用用电电源源是是脉脉冲冲电电源源，所所以以也也称称为为脉脉冲冲马达马达。步步进进电电机机是是一一种种特特殊殊的的电电机机，一一般般电电机机通通电电后后连连续续旋旋转转，而而步步进进电电机机则则跟跟随随输输入入脉脉冲冲按按节节拍拍一一步步一一步步地地转转动动。对对步步进进电电机机施施加加一一个个电电脉脉冲冲信信号号时时，步步进进电电机机就就旋旋转转一一个个固固定定的的角角度度，称称为为一一步步。每每一一步步所
48、所转转过过的的角角度度叫叫做做步步距距角角。步步进进电电机机的的角角位位移移量量和和输输入入脉脉冲冲的的个个数数严严格格地地成成正正比比例例，在在时时间间上上与与输输入入脉脉冲冲同同步步。因因此此，只只需需控控制制输输入入脉脉冲冲的的数数量量、频频率率、及及电电机机绕绕组组通通电电相相序序，便便可可获得所需的转角、转速及转动方向。获得所需的转角、转速及转动方向。12/11/202252第四章数控机床的检测与驱动系统532、步进电动机的结构与工作原理、步进电动机的结构与工作原理通通过过被被励励磁磁的的定定子子的的电电磁磁力力吸吸引引转转子子偏偏转转输出转矩。即电磁作用原理。输出转矩。即电磁作用原
49、理。例如：三相反应式步进电动机例如：三相反应式步进电动机12/11/202253第四章数控机床的检测与驱动系统54实际的三相反应式步进电动机实际的三相反应式步进电动机12/11/202254第四章数控机床的检测与驱动系统55ABCCPA B C A B C A B C 三相单三拍三相单三拍优点：控制简单优点：控制简单缺点：在换相时，失去自锁转矩，容易失步；转子缺点：在换相时，失去自锁转矩，容易失步；转子易在平衡位置振动。易在平衡位置振动。12/11/202255第四章数控机床的检测与驱动系统56ABCCPAB BC CA AB BC CA AB BC CA 三相双三拍（环分）三相双三拍（环分）
50、12/11/202256第四章数控机床的检测与驱动系统结论结论1.步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机转转转转过过过过的的的的角角角角度度度度（或或或或走走走走的的的的步步步步数数数数）与与与与控制脉冲的个数成正比；控制脉冲的个数成正比；控制脉冲的个数成正比；控制脉冲的个数成正比；2.步进电动机转速与控制脉冲的频率成正比；步进电动机转速与控制脉冲的频率成正比；步进电动机转速与控制脉冲的频率成正比；步进电动机转速与控制脉冲的频率成正比；3.步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机转转转转向向向向由由由由励励励励磁磁磁磁绕绕绕绕组组组组的的的的通通通通电电电电顺顺顺顺序序序序决决决决定。定。定