数控机床伺服系统ppt课件

1、第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测3.2.1 3.2.1 数控机床的位置检测概述数控机床的位置检测概述组成：位置检测安装是由检测元件传感器和信号处组成：位置检测安装是由检测元件传感器和信号处置安装组成的。置安装组成的。 作用：实时丈量执行部件的位移和速度信号，并变换作用：实时丈量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号方式，将运动部件现实位成位置控制单元所要求的信号方式，将运动部件现实位置反响到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、置反响到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机

2、床的加工精度在很大程度上是由位置检闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测安装的精度决议的，在设计数控机床进给伺服系统，测安装的精度决议的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必需精心选择位置检测尤其是高精度进给伺服系统时，必需精心选择位置检测安装。安装。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测一、进给伺服系统对位置丈量安装的要求一、进给伺服系统对位置丈量安装的要求高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，任高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，任务可靠，精度坚持性好，抗干扰才干强；务可靠，精度坚持性好，抗干扰才干强；能满足精度和速度的要求：位置检测

3、安装分辨率应高能满足精度和速度的要求：位置检测安装分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级；于数控机床的分辨率一个数量级；位置检测安装最高允许的检测速度应为数控机床的最位置检测安装最高允许的检测速度应为数控机床的最高运转速度；高运转速度；运用维护方便，顺应机床任务环境；运用维护方便，顺应机床任务环境；本钱低。本钱低。分分 类类 增增 量量 式式 绝绝 对对 式式 位移位移传感器传感器 回转型回转型脉冲编码器、脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步旋转变压器、圆感应同步器器 、圆光栅、圆磁栅、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器 、绝对脉冲编码器、绝绝对脉冲编码器、绝对值式光栅对值式光栅 直线

4、型直线型直线感应同直线感应同步器步器 、光栅尺、磁栅尺、光栅尺、磁栅尺 三速感应同步器三速感应同步器 、绝对值磁尺、光电编绝对值磁尺、光电编码尺码尺 、磁性编码器、磁性编码器 速度速度传感器传感器 交、直流测速发电机交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器 、霍耳速度传感器霍耳速度传感器 数字电磁、磁敏式速数字电磁、磁敏式速度传感器度传感器 电流电流传感器传感器 霍耳电流传感器霍耳电流传感器 第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测二、数控机床中检测方式的分类二、数控机床中检测方式的分类3.2.2 3.2.2 旋转变压器旋转变压器第二节第二节 数控机床的位

5、置检测数控机床的位置检测旋转变压器是一种角度丈量安装。其构造简单，旋转变压器是一种角度丈量安装。其构造简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰强，任务可靠。幅度大，抗干扰强，任务可靠。一、旋转变压器构造一、旋转变压器构造旋转变压器在构造上和两相线绕式异步电动机类旋转变压器在构造上和两相线绕式异步电动机类似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边，分有刷和无刷两种。在有转子绕组为变压器的副边，分有刷和无刷两种。在有刷构造中，定子与转子上均为两相交流分步绕

6、组。两刷构造中，定子与转子上均为两相交流分步绕组。两相绕组轴线相互垂直。转子绕组的端点经过电刷和滑相绕组轴线相互垂直。转子绕组的端点经过电刷和滑环引出。环引出。 第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测4.24318762 旋转变压器构造表示旋转变压器构造表示1-1-转轴转轴 2-2-轴承轴承 3-3-机壳机壳 4-4-转子铁心转子铁心 4.2-4.2-定子铁心定子铁心 6-6-端盖端盖 7-7-电刷电刷 8-8-集电环集电环 第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测旋转变压器是根据互感原理任务的。它的构造保证旋转变压器是根据互感原理任务的。它的构造保证了其定子和转子之间的

7、磁通呈正余弦规律。定子绕了其定子和转子之间的磁通呈正余弦规律。定子绕组加上励磁电压。经过电磁耦合，转子绕组产生感应电组加上励磁电压。经过电磁耦合，转子绕组产生感应电压。其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线压。其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。感应电压随着转子的偏转的角度呈在空间的相对位置。感应电压随着转子的偏转的角度呈正余弦变化：正余弦变化：E2= KU1 cos = KUm sintcos E2= KU1 cos = KUm sintcos 式中式中: E 2: E 2转子绕组感应电势；转子绕组感应电势； U1 U1定子绕组励定子绕组励磁电压磁电压 U1=

8、Umsint U1=Umsint； Um Um电压信号幅值；电压信号幅值； 定、转子绕组轴线定、转子绕组轴线间夹角；间夹角； K K变压比变压比二、旋转变压器任务原理二、旋转变压器任务原理U1=Umsint U1 U1 E 2=0E 2=0= 90= 90 E 2=KUmsintcos E 2=KUmsintcos E 2= KUmsintE 2= KUmsint= 0= 0 第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测可见，旋转变压器转子绕组的输出电压是转子角位移可见，旋转变压器转子绕组的输出电压是转子角位移的函数。的函数。VSVSUsUcE2 定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角转

9、子输出信号的相位角(t-)(t-)与转子的偏转角之间有着严厉与转子的偏转角之间有着严厉的对应关系。的对应关系。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测三、鉴相任务方式三、鉴相任务方式 Us=UmsintUc=Umcost E2= KUs cos- KUcsin = KUm (sintcos- costsin) = KUm sin(t-)VSVSUsUcE2 定子两相绕组励磁 感应电势感应电势E2E2是以是以为角频率、以为角频率、以Um Um sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电压信号。为幅值的交变电压信号。假设电气角假设电气角电知，只需测出电知，只需测出E2 E2

10、幅值幅值( (利用利用E2 =0)E2 =0)，便可间接的求出机械角，便可间接的求出机械角机机 ，从，从而得出被测角位移。而得出被测角位移。 四、鉴幅方式四、鉴幅方式 Us=Umsin电电sintUc=Umcos电电sint E2 = KUm cos机机- KUcsin机机 = KUm sint (sin电电cos机机- cos电电sin机机) = KUm sin (电电-机机) sint第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测VSVS第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测3.2.3 3.2.3 感应同步器感应同步器VSVS第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检

11、测一、感应同步器的构造一、感应同步器的构造第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测二、感应同步器任务原理二、感应同步器任务原理当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，当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，感应同步器就是利用这个特位移的变化而变化，感应同步器就是利用这个特点进展丈量的。点进展丈量的。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测eS= KUScos eS= KUScos = KUm sintcos = KUm sintcos 式中式中: : eSeS定尺绕组感应电势；

12、定尺绕组感应电势； KK变压比变压比USUS滑尺绕组励磁电压滑尺绕组励磁电压 US=UmsintUS=Umsint；UmUm电压信号幅值；电压信号幅值； 滑尺相对定尺在空间相位角；滑尺相对定尺在空间相位角；在一个节距在一个节距WW内，定滑尺相对位移间隔内，定滑尺相对位移间隔x x与与的关系式的关系式为：为： =2x/W =2x/W第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测三、感应同步器输出信号的处置方式三、感应同步器输出信号的处置方式1、鉴相方式、鉴相方式 Us=Umsint，Uc=Umcost es= KUs cos=KUmsint cosec= KUc cos(+ /2) =- K

13、Umsincoste= es + ec =KUm (sintcos- sincost) = KUm sin(t-)= KUm sin(t-2x/w) 供应滑尺的激磁信号为频率、幅值一样，供应滑尺的激磁信号为频率、幅值一样，相位角相差相位角相差9090的交流电压，根据感应电动势的交流电压，根据感应电动势的相位鉴别位移量，故称鉴相方式。的相位鉴别位移量，故称鉴相方式。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测 2、鉴幅方式、鉴幅方式 给滑尺绕组通入相位一样、频率一样，给滑尺绕组通入相位一样、频率一样，但幅值不同的励磁电压。但幅值不同的励磁电压。Us=Umsindsint，Uc=Umcosd

14、sint es= KUs cos=KUmsindsint cosec= KUc cos(+ /2) =- KUmcosdsintsine= es + ec =KUmsint (sindcos- sincosd) = KUm sin(d-) sint = KUm sin(d-2x/w) sint eKUm2x/wsint 经过感应电动势经过感应电动势ee的幅值，就可测出的的幅值，就可测出的xx大小。大小。VSVS第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测四、感应同步器位移丈量系统四、感应同步器位移丈量系统第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测3.2.4 3.2.4 光栅光栅光

15、栅是一种最常见的丈量安装。它的制造工艺是在光栅是一种最常见的丈量安装。它的制造工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光资料，然后用照相腐蚀法属膜，再涂上一层均匀的感光资料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的间隔为栅距，而单位长度上的线动方向垂直，线纹间的间隔为栅距，而单位长度上的线纹数目叫线纹密度。纹数目叫线纹密度。 光栅种类繁多，普通来讲，可分为物理光栅和计光栅种类繁多，普通来讲，可分为物理光栅和计量光栅。

16、物理光栅主要是利用光的衍射景象，用于光谱量光栅。物理光栅主要是利用光的衍射景象，用于光谱分析和光波波长测定。而计量光栅较物理光栅刻线稍粗分析和光波波长测定。而计量光栅较物理光栅刻线稍粗2525、5050、100100、250250条条mm)mm)，主要是利用光的透射，主要是利用光的透射和反射景象。由于计量光栅运用了莫尔条纹原理，因此和反射景象。由于计量光栅运用了莫尔条纹原理，因此所测的位置精度相当高，有很高的分辨率，很易做到所测的位置精度相当高，有很高的分辨率，很易做到0.1um0.1um的分辩率，最高分辨率可达的分辩率，最高分辨率可达0.025um0.025um。第二节第二节 数控机床的位置

17、检测数控机床的位置检测一、光栅的构造一、光栅的构造长光栅在机床的固长光栅在机床的固定部件上，称之为标尺定部件上，称之为标尺光栅，短光栅装在机床光栅，短光栅装在机床的挪动部件上，称之为的挪动部件上，称之为指示光栅两块光栅相指示光栅两块光栅相互平行并坚持一定的间互平行并坚持一定的间隙，通常为隙，通常为0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm。而且两块光栅。而且两块光栅的刻线密度必需一样。的刻线密度必需一样。 第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测在实践运用中，大多把光源、指示光栅在实践运用中，大多把光源、指示光栅( (短光栅短光栅) )和光电和光电元件等组合在一同称之为读数头。

18、因此光栅检测安装元件等组合在一同称之为读数头。因此光栅检测安装也可以看成是由读数头和标尺光栅也可以看成是由读数头和标尺光栅( (长光栅长光栅) )两部分组成。两部分组成。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测光栅尺在机床上的安装光栅尺在机床上的安装第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测常见光栅的任务原理都是基于物理上的莫尔常见光栅的任务原理都是基于物理上的莫尔条纹构成原理。当指示光栅上的线纹与标尺光栅条纹构成原理。当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度放置两光栅尺时，必然会呵斥上的线纹成一角度放置两光栅尺时，必然会

19、呵斥两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，叉点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，而挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使而挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距交点越远的区域，这个区域出现亮带。相反，距交点越远的区域，两光栅不透明的黑线的重叠部分越少，黑线所占两光栅不透明的黑线的重叠部分越少，黑线所占据的空间增多因此挡光面积增大，挡光效应加据的空间增多因此挡光面积增大，挡光效应加强，只需较少的光线透过光栅而使这个区域出现强，只需较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。这些与

20、光栅线纹几乎垂直的交替出现的亮、暗带。这些与光栅线纹几乎垂直的交替出现的亮、暗极大条纹就是莫尔条纹，莫尔条纹具有以下几暗极大条纹就是莫尔条纹，莫尔条纹具有以下几个特性：个特性：二、光栅任务原理二、光栅任务原理第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测1放大作用放大作用由由B=W/。 假设取栅距假设取栅距W0.01mm，0.001弧度，那么上式可得弧度，那么上式可得B10mm。相当于把光。相当于把光栅的栅距放大了栅的栅距放大了1000倍，从而提高了丈量的灵敏度。倍，从而提高了丈量的灵敏度。2均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹是由假设干线纹

21、组成的，例如每毫米莫尔条纹是由假设干线纹组成的，例如每毫米200条线纹的光栅，条线纹的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由宽的莫尔条纹就由2000根线纹组成。这样一来，节距之间所固有的相邻误根线纹组成。这样一来，节距之间所固有的相邻误差就平均化了。差就平均化了。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测3. 信息变换作用信息变换作用莫尔条纹的挪动与栅距之间的挪动成比例。当莫尔条纹的挪动与栅距之间的挪动成比例。当两个光栅相对挪动一个栅距两个光栅相对挪动一个栅距W时，莫尔条纹相应地时，莫尔条纹相应地挪动一个莫尔条纹宽度挪动一个莫尔条纹宽度B。假设光栅往相反方向挪动，。假设光栅往相反方向挪动，莫尔

22、条纹也往相反方向挪动。因莫尔条纹挪动方向莫尔条纹也往相反方向挪动。因莫尔条纹挪动方向与光栅挪动方向垂直，可用检测垂直方向宽大的莫与光栅挪动方向垂直，可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹替代光栅程度方向挪动的微小间隔。尔条纹替代光栅程度方向挪动的微小间隔。 4光强分布规律光强分布规律当用平行光束照射光栅时，就构成明暗相间的当用平行光束照射光栅时，就构成明暗相间的莫尔条纹。其由亮纹到暗纹、再由暗纹到亮纹的光莫尔条纹。其由亮纹到暗纹、再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。强分布近似余弦函数。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测光栅丈量系统由光栅丈量系统由光源、透镜、光栅尺、光源、透镜、光栅尺

23、、光敏元件和一系列信光敏元件和一系列信号处置电路组成。信号处置电路组成。信号处置电路又包括放号处置电路又包括放大、整形和鉴向倍频。大、整形和鉴向倍频。三、光栅丈量系统三、光栅丈量系统通常情况下，除标尺光栅与任务台装在一同随通常情况下，除标尺光栅与任务台装在一同随任务台挪动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和任务台挪动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处置电路均装在一个整体内，做成一个单独部件信号处置电路均装在一个整体内，做成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，其作用是固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉种信号。将莫尔条纹的光信号转

24、换成所需的电脉种信号。第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测四、光栅位移四、光栅位移- -数字变换系统数字变换系统 VSVS第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测3.2.5 3.2.5 脉冲编码器脉冲编码器VSVS第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测一、增量式光电编码脉冲器一、增量式光电编码脉冲器abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测VSVSAaBbZzabz节距AABBZZm+/4第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测光电码盘随被测轴一同转光电码盘随被测轴一同转动

25、，在光源的照射下，透动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板构成过光电码盘和光栏板构成忽明忽暗的光信号，光敏忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电元件把此光信号转换成电信号，经过信号处置安装信号，经过信号处置安装的整形、放大等处置后输的整形、放大等处置后输出。输出的波形有六路：出。输出的波形有六路：其中，其中， 是是 的取反信号。的取反信号。AB90Z码盘转一圈AA 、ZZBB、ZBA、ZBA、第二节第二节 数控机床的位置检测数控机床的位置检测ABCP90Or输出信号的作用及其处置输出信号的作用及其处置 A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判别被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进展细分处置四