第9章位置控制技术

1、1第9章 位置控制技术 9.1 常见的位置检测元件 9.2 伺服系统 9.1 常见的位置检测常见的位置检测元件元件 一、位置检测装置的要求位置检测装置的要求 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度统的精度 数控机床对位置检测装置的要求如下：数控机床对位置检测装置的要求如下：（

2、1 1） 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；（3 3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4 4） 成本低。成本低。二、位置检测装置的分类二、位置检测装置的分类 （一）数字式测量和模拟式测量（一）数字式测量和模拟式测量1. 1. 数字式测量数字式测量 它是将被测的量以它是将被测的量以数字形式数字形式来表示，测量信号一般为电来表示，测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如光栅位置检测装置。光栅位置检测装置。数字式

3、测量特点数字式测量特点：被测的量转换为：被测的量转换为脉冲个数便与显示和处理；测量精度取决于测量单位，脉冲个数便与显示和处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关。测量装置简单，信号抗干扰能力强。与量程基本无关。测量装置简单，信号抗干扰能力强。2. 2. 模拟量测量模拟量测量 它是将被测的量用它是将被测的量用连续变量连续变量来表示，如电压变化、来表示，如电压变化、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。测量特点：直接测量被测的量，无需变换。在小量程内测量特点：直接测量被测的量，无需变换。在小量程内实现较高精度的测量。如用旋转变压器和感应

4、同步器实现较高精度的测量。如用旋转变压器和感应同步器（二）（二） 增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量1. 1. 增量式测量增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量量式测量只测相对位移量只测相对位移量，如测量单位为，如测量单位为0.001mm0.001mm，则，则每移动每移动0.001mm0.001mm就发出一个脉冲信号，就发出一个脉冲信号，其优点其优点是测量装是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，而移距是由测量信

5、号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。以后测量所得结果完全错误。2. 2. 绝对式测量绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由绝对式测量装置对于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固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。制

6、位数也愈多，结构就愈复杂。 （三）直接测量和间接测量（三）直接测量和间接测量 1.1.直接测量直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，从而构成位置闭环控制。其置反馈信号，从而构成位置闭环控制。其优点优点是准确性是准确性高、可靠性好，高、可靠性好，缺点缺点是测量装置要和工作台行程等长，是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。所以在大型数控机床上受到一定限制。2. 2. 间接测量间接测量 它是将旋转型检

7、测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，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的直线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，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点优点是测量方便、无长度限制。是测量方便、无长度限制。缺点缺点是测量信号中增加是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。了测量精度。 9.1.1 感应同步器感应同步器 一、结构与工作原理一、结构与工作原理 感应同步器为电磁式检测装置，感应同步器为电磁式检测

8、装置，属模拟式测量属模拟式测量，其输出电，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。压随被测直线位移或角位移而改变。 感应同步器按其结构特点一般分为感应同步器按其结构特点一般分为直线式直线式和和旋转式旋转式两种：两种： 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。 旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。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。 U0 定尺 滑尺 正弦绕组 Us Uc 余弦绕组 图图1-1 直线感应同步器结构直

9、线感应同步器结构 感应同步器三、感应同步器的特点及使用注意事项三、感应同步器的特点及使用注意事项由于感应同步器具有一系列优点，所以广泛用于位置检测由于感应同步器具有一系列优点，所以广泛用于位置检测（1 1）精度高。感应同步器系直接对机床位移进行测量，中）精度高。感应同步器系直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度的间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度的限制。限制。（2 2）可拼接成各种需要的长度。根据测量长度的需要，采）可拼接成各种需要的长度。根据测量长度的需要，采用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整。用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整。（3 3

10、）对环境的适应性强。直线式感应同步器金属基尺与安）对环境的适应性强。直线式感应同步器金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相近，当温度变化时，二者的装部件的材料的膨胀系数相近，当温度变化时，二者的变化规律相同，而不影响测量精度。变化规律相同，而不影响测量精度。（4 4）使用寿命长。由于办应同步器定尺和滑尺之间没有直）使用寿命长。由于办应同步器定尺和滑尺之间没有直接接触，因而没有磨损，所以寿命长。接接触，因而没有磨损，所以寿命长。（5 5）注意安装间隙。）注意安装间隙。9.1.2 光栅光栅 光栅是数控机床和数显系统常用的测量元件，可用作光栅是数控机床和数显系统常用的测量元件，可用作位移或转角位移或转

11、角的检测，且测量输出的信号为的检测，且测量输出的信号为数字脉冲数字脉冲，是，是数控闭环系统用得较多的一种检测装置数控闭环系统用得较多的一种检测装置 光栅位置检测装置的特点光栅位置检测装置的特点1 1、测量精度高。由于光栅的刻线可以制作十分精确，同、测量精度高。由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，栅距误差对测时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，栅距误差对测量精度影响较小；也可以采用倍频的方法来提高分辨精量精度影响较小；也可以采用倍频的方法来提高分辨精度。度。2 2、精度保持时间长。因标尺光栅和指示光栅不直接接触，、精度保持时间长。因标尺光栅和指示光栅不直接接触，

12、没有磨损，因而精度可以长时间保持。没有磨损，因而精度可以长时间保持。3 3、制造困难。光栅刻线要求很精确，两光栅之间的间隙、制造困难。光栅刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾角都要求保持不变，故制造困难。光学系统易受外及倾角都要求保持不变，故制造困难。光学系统易受外界的影响产生误差。对工作环境要求也较高。界的影响产生误差。对工作环境要求也较高。 图图1-2 光栅测量系统光栅测量系统 P1 P2 P3 P4 指指示示光光栅栅 标标尺尺光光栅栅 硅硅光光电电池池 聚聚光光镜镜 光光源源 光栅光栅检测原理9.1.3 光电脉冲编码器光电脉冲编码器 脉冲编码器是一种脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器旋转式

13、脉冲发生器，能把机械转角，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为脉冲编码器可分为增量式增量式与与绝对式绝对式两类。两类。 绝对式编码器与增量式编码器相比有哪些特点绝对式编码器与增量式编码器相比有哪些特点 1 1、坐标值从绝对编码盘中直接读出，不会有累计误差、坐标值从绝对编码盘中直接读出，不会有累计误差 2 2、运转速度可以提高。、运转速度可以提高。 3 3、编码器本身具有机械式存储功能，因停电或其它原、编码器本身具有机械式存储功能，因停电或其它原因造成坐标值清除，通电后仍能找到原绝对坐标。因造成坐标值清除

14、，通电后仍能找到原绝对坐标。 4 4、当进给转速大于一转，需要作特别处理。、当进给转速大于一转，需要作特别处理。 图图1-3 1-3 光电式脉冲编码器（增量式）结构示意图光电式脉冲编码器（增量式）结构示意图 数数字字显显示示 信信号号处处理理电电路路 光光电电盘盘 圆圆盘盘 光光电电元元件件 聚聚光光镜镜 光光源源 增量型光电编码器绝对式光电脉冲编码器的编码盘格雷码读数的触点或光电元件误码率降低。经转换得到二进制数 数控机床由四个基本部分组成，即控制介质、数控装置(或计算机)、伺服系统和机床本体。 其中伺服系统是数控系统的执行部件，是数控机床的重要组成部分，产生进给脉冲的数控装置是否能够以足够

15、高的速度与精度进行计算，关键在于数控伺服系统能以多高的速度与精度去执行。9.2 9.2 伺服系统伺服系统伺服系统概述伺服系统概述1.1.伺服系统概述伺服系统概述 伺服系统的可靠性很重要，因为随着微机可靠性的提高，故障主要来自伺服系统。 数控机床的驱动系统主要有两种:进给驱动系统和主轴驱动系统。从作用看，前者是控制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床主轴旋转运动。 伺服概念： 这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是“侍候”，就是非常听话，让走到哪，就走到哪。 在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运

16、动速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完成指令要求的任务。 很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的工作台，而且摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化，控制了一个稳定速度，精确定位，可以想象其难度之大。 但是随着科学技术的进步，人们不断从生产实践中总结经验，一步一步找到了好的控制办法，这就是三环结构。 这三个环就是位置环、速度环、电流环。 （1）、位置环也称为外环，其输人信号是计算机给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这个反馈是负反馈，也就是说与指令信号相位相反。 指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是送去减数。 位置环

17、的输出就是速度环的输入。 （2）、速度环也称为中环，这个环是一个非常重要的环，它的输人信号有两个： 一个是位置环的输出，做为速度环的指令信号送给速度环；另一个由电动机带动的测速发电机经反馈网络处理后的信息，做为负反馈送给速度环。速度环的两个输人信号也是反相的。一个是加，一个是减。 速度环的输出就是电流环的指令输入信号。 （3）、电流环也叫做内环，电流环也有两个输人信号，一个是速度环抽出的指令信号；另一个 经电流互感器，并经处理后得到的电流信号，它代表电动机电枢回路的电流，它送人电流环也是负反馈。 电流环的输出是一个电压模拟信号，用它来控制PWM电路，产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路，

18、 使电动机获得一个与计算机指令相关的，并与电动机位置、速度、电流相关的运行状态。这个运行状态满足计算机指令的要求。 关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网络到底是什么样子可以这么说，有时是非常简单的一个电位器，或者是一个滤波电路，但有时确实是一个复杂的逻辑关系。在这里不做详细的叙述。通讯ASIC位置测量传感器位置实际值速度实际值电流实际值电流测量传感器Gating unit通讯进给控制速度控制电流控制转换器驱动总线驱动模块EM1FT6电机编码器 2.数控机床对伺服驱动系统的要求 数控机床的伺服系统包括进给伺服驱动系统和主轴伺服驱动系统两部分。根据数控 系统(CNC)发出的动作指令，伺服系统

19、准确、快速地完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，实现对工件的高精度加工。 因此，伺服驱动系统是数控机床的一个重要的组成部分，其性能的优劣，直接影响零件的加工质量和生产效率。 此外，它的价格，在整个数控机床的成本构成中也占有相当大的份额。一个多功能的高性能数控系统必须配置与之相适应的高性能伺服驱动系统，才能充分发挥出整个数控机床的性能。 不同类型的数控机床，对伺服系统的要求也不尽相同。同一数控机床的主轴驱动与进给驱动对伺服系统的要求也有很大差别。归根到底，数控机床对伺服控制的要求，与任何系统对伺服控制的要求一样，包括精度、快速性与稳定性三个方面。 数控机床的精度，除了受到机械传动系统精度的

20、影响之外，主要取决于伺服系统的调速范围的大小和伺服系统最小分辨率精度。 高精度的机床为了保证尺寸精度和表面粗糙度的水平。 数控机床的进给系统，实际上是一个位置随动系统。同任何一个位置随动系统一样， 当指令位移以某一速度变化时，实际位移必须比指令位移滞后，这就是所谓跟随误差、，当数控机床的各坐标轴以不同的速度和不同的方向同时位移时，跟随误差就会造成加工尺寸和形状的误差。 切削进给的速度越快，跟随误差对精度的影响就越大。提高伺服系统响应的快速性，是减小跟随误差，提高进给速度的根本措施。但伺服系统的响应速度并不是可以无限制提高的，并且任何的提高都要以成本的上升为代价。所以对伺服系统的响应速度的要求要

21、限制在一个合理的范围之内。在一般情况下，数控机床的进给响应时间应该在2mS以内。 稳定是对伺服系统的最基本的要求。数控机床的工作台上，往往需要安装卡具和工件，从面使伺服系统的负载惯量发生变化，为此要求伺服系统必须具有一定稳定裕量，以 保证当工件重在一定范围内变化时，不因发生振荡而影响加工精度。1精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。4

22、调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。024m / min。5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。（1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统指令指令驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令开环数控系统 没有位置测量装置，信号

23、流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。 半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出

24、，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈从理论