华东理工大学机械与动力工程学院

1、华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗1/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统教教 师师 课课 时时 授授 课课 计计 划划教师姓名教师姓名 林砺宗林砺宗 课程名称课程名称 机电数控设计机电数控设计 授课时数授课时数 2h 2h 累计累计 天天华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗2/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统1 .位置检测装置的分类位置检测装置的分类华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗3/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机

2、械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗4/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统三三、光栅尺光栅尺四、磁尺四、磁尺之之华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗5/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 光栅通常作为高精度数控机床的位置检测光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环位置控制。馈给数控装置，实现闭环位置控制。光栅分类为：光栅分类为： 圆光栅圆光栅长光栅长光栅 透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅v 三、光栅尺三、光栅尺华东理工大学华

3、东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗6/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗7/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的条纹。属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的条纹。条纹之间的距离称为栅距条纹之间的距离称为栅距。 光栅检测装置主要由光源、聚光镜、标尺光光栅检测装置主要由光源、聚光镜、标尺

4、光栅、指示光栅和光敏元件。栅、指示光栅和光敏元件。VS312431245图图5.95.9 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 图图5.10 5.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗8/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗9/53 第五章第五章 伺服驱动系统

5、伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗10/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统指示光栅指示光栅标尺光栅标尺光栅光光栅栅检检测测装装置置的的组组成成 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗11/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统PPWsin华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗12/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 P 标尺光栅标尺光栅图图5-18 放大的莫尔条纹放大的莫尔条纹华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林

6、砺宗13/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统2sin( /2)WWB华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗14/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗15/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗16/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗17/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统指示光栅转角方向指示光栅转

7、角方向 标尺光栅移动方向标尺光栅移动方向 莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向 右右 下下 逆时针方向逆时针方向 左左 上上 右右 上上 顺时针方向顺时针方向 左左 下下 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗18/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗19/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 P1 P2 P3 P4指示光栅指示光栅 标尺光栅标尺光栅 硅光电池硅光电池 聚光镜聚光镜 光源光源 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗20/5

8、3 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗21/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统sincosABCDABCD相加相加ABCD相加相加正走正走反走反走华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗22/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗23/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统电压电压图图5-21 光栅的输出波形图光栅的输出波形图O 光栅位移光栅位移 O 光栅位移光栅位移图图5-20 光栅的实

9、际亮度变化光栅的实际亮度变化亮度亮度华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗24/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统（四）光栅的优点（四）光栅的优点华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗25/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗26/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统1. 工作台移动位移的检测工作台移动位移的检测 BW，可计算出位移，可计算出位移x。2.工作台移动速度的检测工作台移动速度的检测 根据光强的变化频率可推断出两光

10、栅尺的相对根据光强的变化频率可推断出两光栅尺的相对位移速度。位移速度。3.工作台移动方向的检测工作台移动方向的检测 测量通过测量通过A与与B的莫尔条纹相位超前滞后关系，的莫尔条纹相位超前滞后关系，可判断出移动方向。可判断出移动方向。A AB B（五）光栅在数控机床中的应用（五）光栅在数控机床中的应用华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗27/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统b.b.敞开式光栅尺敞开式光栅尺a.a.封闭式光栅尺封闭式光栅尺c.c.长度计长度计 （六）光栅产品简介（六）光栅产品简介华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工

11、程学院 林砺宗林砺宗28/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗29/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 磁尺是一种精度较高的位置检测装置。它由磁尺是一种精度较高的位置检测装置。它由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。磁性标尺、磁头、和检测电路组成。伺伺 服服 系系 统统数数 字字 显显 示示尺尺磁磁检检 测测电电 路路磁磁磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗30/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统（一）磁性标尺（一）磁性标尺磁尺

12、按基本形状分为磁尺按基本形状分为平面实体形平面实体形 磁尺磁尺一般长度为一般长度为600mm带带 状状 磁磁 尺尺基体厚基体厚0.2mm，宽，宽70mm线线 状状 磁磁 尺尺 长度小于长度小于1.5m，套装在磁头内，套装在磁头内圆圆 形形 磁磁 尺尺 做成磁盘状，检测角位移做成磁盘状，检测角位移磁性标尺：表面录有相等节距（一般为磁性标尺：表面录有相等节距（一般为0.05，0.1，0.2，1mm）周期变化的磁信号。）周期变化的磁信号。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗31/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统N N N NN NN NS SS SS

13、 SS SN NN NS SS S N NN NS SS S磁尺磁尺N N磁头磁头U U华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗32/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统磁头磁头是进行是进行磁磁电电转换的转换的变换器变换器，它把反，它把反映空间位置的映空间位置的磁信号磁信号转换为转换为电信号电信号输送到输送到检测电路检测电路中去。中去。使用使用单个磁头单个磁头的的输出信号输出信号很小，实际使用中常很小，实际使用中常将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，组成组成多间隙磁头多间隙磁头。多间隙磁头中的每一个磁头。多间

14、隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距都以相同的间距m/2配置，相邻两个磁头的输配置，相邻两个磁头的输出绕组出绕组反向串接反向串接。如图（多间隙磁头）。如图（多间隙磁头）N NN NN NN NS SS SS SS SN NN NS SS SN NN NS SS S磁磁 尺尺N N磁磁 头头U U华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗33/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信号，必须经检测电路处理变换，才能获得表示位移号，必须经检测电路处理变换，才能获得表示位移量的脉冲信号。量

15、的脉冲信号。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗34/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统S S N NN N N N S S S S N N N N S SN N S S S S N N N N S S S S求求和和电电路路带 带通 通滤 滤波 波器 器限幅放限幅放大整形大整形功功放放功功放放低 低通 通滤 滤波 波器 器分分频频率率/ /4 40 00 0震震荡荡器器2 2M MC C9 90 0度度移移相相器器检检相相内内插插电电路路可 可逆 逆记 记数 数器 器译 译码 码器 器数数字字显显示示代代码码输输出出磁磁场场分分布布磁磁头头I

16、I磁磁头头I II I磁磁尺尺( (m m+ +1 1/ /4 4) )华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗35/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 两个磁头两个磁头I、II的激电流，由分频、滤波和的激电流，由分频、滤波和功放后获得，磁头移动距离功放后获得，磁头移动距离x后的输出电压为：后的输出电压为：在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为：在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为：txsin2sinUu01txcos2cosUu02)2sin(Uu0 xt 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗36/53 第五

17、章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使能将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用最光的检测装置。用最光的检测装置。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗37/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 数字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件 聚光镜 光源 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗38/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 编码器的优点：编码器的优点： 分辨率高分辨率高 响应快响应

18、快 具有数据长期存储功能具有数据长期存储功能 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输距离传输华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗39/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统脉冲编码器的分类脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗40/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统板板路路电电刷刷印印光光源源园园光

19、光栅栅指指示示光光栅栅光光电电元元件件低低坐坐护护罩罩旋旋转转轴轴A AA A向向结结构构图图华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗41/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 指示光栅指示光栅有两组线纹有两组线纹A和和B，每组线纹，每组线纹的的节距节距和和圆光栅圆光栅的节距相同，但的节距相同，但A、B两组两组线纹彼此错开线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与个节距，每组线纹与旋转旋转圆光栅圆光栅配合产生两路配合产生两路脉冲脉冲A和和B用于用于记数和记数和辩向。辩向。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗42/53 第

20、五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统光源接通，圆光栅旋转，光源接通，圆光栅旋转，光线透过两个光栅的光线透过两个光栅的A,B两组线纹，每转过两组线纹，每转过一个光栅节距，便在光一个光栅节距，便在光电元件上形成明电元件上形成明暗暗明变化一个周期的光信明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，乎于正弦波的电压信号，连续旋转便得到连续旋转便得到A和和B两路正弦电压信号如右两路正弦电压信号如右图所示。图所示。o oU UA AB B9 90 0A A相相B B相相9 90 0o o5 5v v0 0v v5 5v v0 0v v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号

21、5v0vZ华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗43/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统o oU UA AB B9 90 0A A相相B B相相9 90 0o o5 5v v0 0v v5 5v v0 0v v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号 经过放大、整形后经过放大、整形后得到所示的方波信号得到所示的方波信号A和和B，如光栅盘正转时，如光栅盘正转时A相超前相超前90o，反转时，反转时B相超前相超前90o。另外还产。另外还产生一脉冲生一脉冲Z，Z为基准为基准脉冲，或称零点脉冲，脉冲，或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作它是圆光栅盘，可以作为坐标原

22、点的信号，车为坐标原点的信号，车削螺纹时作为刀点的信削螺纹时作为刀点的信号。号。5v0vZ华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗44/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统是一种绝对角度位置检测装是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。大小。u特点特点 电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显电源切除

23、后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。回原机位置进行继续加工。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗45/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统0123 456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3(a)01234567891011121

24、31415(2)0(2)1(2)2(2)3输输出出二二进进制制编编码码盘盘葛葛莱莱编编码码盘盘(b)绝绝对对式式脉脉冲冲编编码码盘盘A图为二进制图为二进制数码，数码，B图为葛莱循环码图为葛莱循环码华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗46/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为段的码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着，未着色的码道为色的码道为“0

25、”，内环码道为数码的高位。，内环码道为数码的高位。 在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。电元件转换成数码脉冲信号。1. 二进制数码二进制数码华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗47/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统图中图中二进制二进制的数码的数码1100的位置就是从的位置就是从0位算起的第位算起的第12

26、个角个角度度绝对坐标位置绝对坐标位置，换算成角度是换算成角度是（360/16）x12=270的位置（编码盘分的位置（编码盘分为为16个区段）。个区段）。0123 456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3二进制编码盘二进制编码盘华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗48/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统达到6位华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗49/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 葛莱码的特点是任意相邻的两个二进制数之葛莱码的特点是任意相邻的两个二进制数之间只有一位是不同的，最末一个数与第一个数也间只有一位是不同的，最末一个数与第一个数也是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可参考下图所示的方法。其中的行和列分别为三位参考下图所示的方法。其中的行和列分别为三位和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。 2. 葛莱