数控技术检测伺服

数控技术检测伺服第1页，课件共58页，创作于2023年2月直线式感应同步器结构图1基板2一绝缘层3-绕组4-屏蔽层第2页，课件共58页，创作于2023年2月

(b)(c)

定尺与滑尺绕组(a)定尺绕组(b)W型滑尺绕组（c）

U型滑尺绕组第3页，课件共58页，创作于2023年2月

5.6.1工作原理利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号。感应同步器工作原理同旋转变压器的工作原理相同，滑尺的两个激磁绕组通以激磁电压，滑尺与定尺相对移动时，在定尺上便产生感应电压，感应电压随位移的变化而变化。节距为２τ=2mm返回下一页上一页第4页，课件共58页，创作于2023年2月

感应同步器工作原理图设当滑尺相对定尺移动后，感应电压逐渐变小，在错开1/4节距的b点时，感应电压为零。再继续移到1/2节距的c点时得到的电压值与a点位置相同，但极性相反。随后感应电压在3/4节距位置d点时又变为零，在移动一个节距到e点时，电压幅值与a点位置相同。下一页上一页返回第5页，课件共58页，创作于2023年2月结论：在激磁绕组中加一定的高变激磁电压，感应绕组中就产生相同频率的感应电压，其幅值大小随滑尺移动作余弦规律变化；滑尺移动一个节距(2τ)，感应电压变化一个周期(2π)。定尺和滑尺绕组的节距均为2τ=2mm，当两尺相对移动2τ后，感应电势以余弦或正弦函数变化电气角2π;当相对移动距离为x时，则对应的感应电压将变化一个相位角θ，由比例关系

θ/(2π)=x/(2τ)

可得:

θ=πx/τ第6页，课件共58页，创作于2023年2月按工作方式不同，感应同步器分为：

相位工作方式（鉴相型系统）

幅值工作方式（鉴幅型系统）。

●相位工作方式：供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差90°的交流电压。

●幅值工作方式：给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。同理，因余弦绕组与正弦绕组错开1/4个节距，即π/2的相位角，由余弦绕组激磁在定尺上产生的感应电压应按正弦规律变化。定尺上的总感应电压，是上述两个感应电压的线性叠加。第7页，课件共58页，创作于2023年2月5.6.2鉴相型系统工作原理

鉴相型系统中：Us=Usmsinωt

Uc=Ucmcosωt

滑尺上正余弦激磁线圈在定尺感应电压分别为：

正弦绕组：U2′=KUscosθ

余弦激磁绕组与定尺绕组在空间相差1/4节距，在定尺上感应电压为：

U2〞=KUccos(θ+π/2)=-KUcmcosωt

sinθ

式中：K——电磁耦合系数

Um——最大瞬时电压Um=Usm=Ucm

θ——滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角因为：磁路系统可视为线形，定尺上感应的总电压为：

U2=U2′+U2〞=KUmsin(ωt-θ)

鉴别定尺上感应电压的相位θ，既可测出定尺与滑尺的相对位移x第8页，课件共58页，创作于2023年2月5.6.3鉴相测量系统

感应同步器工作在相位工作方式时，位移指令值以相位角θ给定，相位信号作为基准相位信号，给感应同步器滑尺两绕组供电，定尺感应电压相位反映了工作台实际位移，基准相位与感应相位差表明实际位置与指令位置差距，用其作为伺服驱动的控制信号，控制执行元件向减小误差方向移动。第9页，课件共58页，创作于2023年2月鉴相测量系统组成

脉冲一相位变换器;励磁供电线路；测量信号放大器;鉴相器等。

第10页，课件共58页，创作于2023年2月脉冲一相位变换器

基准时钟脉冲发生器产生基准脉冲信号A，一路进入分频器I(基准分频)，经N分频后产生参考信号方波，与基准信号有确定的相位关系。另一路经脉冲加减器，根据指令正负进行加减，再进入分频器Ⅱ(指令调相分频)，经N分频后输出指令方波信号，如果没有指令脉冲,由于两分频器具有相同的分频系数，接收N脉冲后，会同时产生方波信号，相位相同。第11页，课件共58页，创作于2023年2月当加入n个正向指令脉冲时，由于分频器Ⅰ仍以每接收N个基准时钟脉冲产生一个矩形波；而指令调相分频器Ⅱ在同一对间内对(N+n)个脉冲分频，因而输出(1+n/N)个矩形波，即后者比前者相位超前n/N度。反之加入n个反向脉冲，分频器Ⅱ输出为(1－n/N)矩形波，即后者比前者相位落后n/N度。由此可见分频器Ⅱ输出的矩形波对分频器I参考信导相位有变化，相移数值正比于加入进给脉冲数n，而方向取决于进给脉冲符号。第12页，课件共58页，创作于2023年2月脉冲加减器

脉冲加减法器向基准脉冲中加入或抵消脉冲的作用。图中A及为基准脉冲发生器发出的在相位上错开180°两个同频时钟脉冲，A为主脉冲，通过与非门I输出，为加减脉冲同步信号。当没有指令脉冲(±x为零)时，与非门I开，A脉冲通过。当有指令脉冲-x(指令脉冲与A脉冲同步)时，触发器Q1变为“1”，接着Q2在上升沿变为“1”，封锁门I，扣除一个A序列脉冲。若一个+x指令脉冲，触发器Q3在上升沿变为“1”，接着Q4变为“1”，打开门Ⅱ，使A序列脉冲加入一个序列脉冲。第13页，课件共58页，创作于2023年2月鉴相器

当指令信号Q0与反馈信号Q相位相同时,鉴相器M1为低电平，D触发器输出为高电平，D触发器输出表明相位方向。指令信号Q0比反馈信号Q超前时，M1有脉冲输出，脉冲宽度等于超前时间，D触发器输出高电平。指令脉冲Q0比反馈脉冲Q滞后时，M1有脉冲输出，D触发器输出低电平。M1输出脉冲宽度为Q0上升沿比Q的上升沿滞后时间。由于从输出的脉冲宽度反应了Q0和Q的相位差，即把脉冲变化成与脉宽成正比的数字量。第14页，课件共58页，创作于2023年2月5.6.4鉴幅系统工作原理供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率和相位相同而幅值不同的交流电压，并根据定尺上感应电压的幅值变化来测定滑尺和定尺之间的相对位移量。加在滑尺正、余弦绕组上激滋电压幅值的大小，应分别与要求工作台移动的指令值x1(与位移相应的电度角θ1）成正、余弦关系，即Us=Umsinθ1sinωtUc=Umcosθ1sinωt

第15页，课件共58页，创作于2023年2月

当正弦绕组单独供电时

Us=Umsinθ1sinωt,Uc=0

当滑尺移动时，定尺上感应电压U2随滑尺移动的距离x(相应的位移角为θ)而变化。设滑尺正弦绕组与定尺绕组重合时，x＝0(即θ＝0)，若滑尺从x＝0开始移动，则在定尺上感应电压U2′=KUmsinθ1sinωtcosθ当余弦绕组单独供电时Us=0，Uc=Umcosθ1sinωt

若滑尺从x＝0(即θ＝0)开始移动，则在定尺上感应电压为U2″=－KUmcosθ1sinωtsinθ

当正、余弦绕组同时供电时，根据叠加原理U2＝KUmsinθ1sinωtcosθ－KUmcosθ1sinωtsinθ

＝KUmsinωtsin(θ1－θ）

即，定尺上感应电压的幅值随指令给定的位移量、x(θ1)与工作台实际位移量x(θ)的差值的正弦规律变化。

第16页，课件共58页，创作于2023年2月5.6.5使用注意事项

1、目前直线感应同步器的精度可达土0.001mm，重复精度0.0002mm，灵敏度0.00005mm。直径为302mm的感应同步器的精度可达0.5″，重复精度0.1″，灵敏度0.05″。

2、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，使拼接后总长度的精度保持(或略低于)单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接如图所示。第17页，课件共58页，创作于2023年2月如图所示，某一数控车床用步进电机作为进给驱动，步进电机的步距角θs=1.8°，丝杠螺距t=4mm,编码器与主轴连接方式如图，其中Z1=80、Z2=40、Z3=40、Z4=20，编码器为1500p/r,问加工螺距为6mm的螺纹时，工作台走一个脉冲当量δp时，对应的编码器的脉冲数是多少？习题7：第18页，课件共58页，创作于2023年2月第六章数控机床的进给伺服系统第19页，课件共58页，创作于2023年2月6.1概述6.1.1伺服系统的组成

组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件。作用：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号→由伺服驱动电路作一定的转换和放大后→经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机、电液脉冲马达、功率步进电机、电液伺服阀—液压马达等)→机械传动机构→驱动机床的工作台、主铀头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控进给伺服系统的性能，取决于组成它的伺服驱动系统与机械传动机构中各环节的特性，也取决于系统中各环节性能参数的合理匹配。

数控进给伺服系统是一个位置控制系统。第20页，课件共58页，创作于2023年2月6.1.2数控机床对伺服系统的要求

准确、可靠地执行指令

调速范围宽-----10000：1以上，且稳定性好带负载能力强------负载特性硬；足够大的加（减）速力矩

动态响应快-----快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；尽快消除负载扰动

误差无累积

位置精度高

返回下一页上一页第21页，课件共58页，创作于2023年2月6.2步进电动机伺服系统CNC步进电机

伺服驱动电路

工作台

结构简单特点：适用于速度不高及精度较低场合

可采用细分驱动技术提高定位精度及低速特性第22页，课件共58页，创作于2023年2月6.2.1步进电机的结构及工作原理1.定义

步进电机亦称脉冲电机（控制电机），是把电脉冲信号转换为相应的角位移（或线位移）的电—机械装置，是一种输出与输入的数字脉冲对应的增量驱动元件。第23页，课件共58页，创作于2023年2月2.分类

永磁式按工作原理分反应式工作原理不同，结构不同永磁感应式混合式♣按励磁相数分：3相、4相、5相、6相等

快速步进电机♣按功率分：功率步进电机第24页，课件共58页，创作于2023年2月3.反应式步进电机的结构

步进电机由转子和定子两部分组成定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。左图为三相定子：AA’,BB’,CC’A、B、C三相每相两极，每极上五个齿1)定子五个极齿第25页，课件共58页，创作于2023年2月

定子上线圈的绕法下一页上一页返回第26页，课件共58页，创作于2023年2月

2)转子

转子上有均匀分布的齿，没有绕组。转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：以四十齿为例来说明步进电机的原理下一页上一页返回第27页，课件共58页，创作于2023年2月4.步进电机的实物图

第28页，课件共58页，创作于2023年2月第29页，课件共58页，创作于2023年2月第30页，课件共58页，创作于2023年2月第31页，课件共58页，创作于2023年2月第32页，课件共58页，创作于2023年2月第33页，课件共58页，创作于2023年2月第34页，课件共58页，创作于2023年2月第35页，课件共58页，创作于2023年2月第36页，课件共58页，创作于2023年2月下一页上一页步进电机返回第37页，课件共58页，创作于2023年2月步进电机功率驱动器下一页上一页返回第38页，课件共58页，创作于2023年2月下一页上一页步进电机功率驱动器返回第39页，课件共58页，创作于2023年2月5.工作原理如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向转过3o，C相通电再转3o。C相下，转子齿超前6o。第40页，课件共58页，创作于2023年2月

三拍通电激磁，步距角α==3o一般α=m——绕组相数；Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。六拍通电激磁，步距角α

==1.5o下一页上一页返回第41页，课件共58页，创作于2023年2月定子绕组通断电顺序→转子转向

定子绕组通断电转换频率→转子转速

定子绕组通断电次数→转子转角

三相单三拍

A→B→C→A（K=1）

三相双三拍

AB→BC→CA→AB（K=1）

三相六拍

A→AB→B→BC→C→CA→A（K=2）

通断电方式下一页上一页第42页，课件共58页，创作于2023年2月6.步进电机的主要特征a.步距误差不积累，转一圈后，步距误差为0步进电机有两个特点：

b.转速与脉冲频率f成正比1）静态距角特征定义：静态时（步进电机某相绕组通电时，转子处于不动状态），电磁转矩T与失调角θ之间的关系，即T＝f(θ)

当某相绕组通电时有，

转子无力矩输出，加一负载力矩TL。

第43页，课件共58页，创作于2023年2月

转子瞬时针转过一个角度θ，当T＝TL时平衡。θ（失调角）经大量的实验，步进电机绕组的矩角特性为正弦曲线。

静态距角特性的物理意义：在静态下，转子受TL作用θ≠0，但只要θ≠±π时，当TL撤除后，在电磁力矩的作用下，转子必然回到其稳态平衡点0。一般，步进电机各相绕组的距角特性必须大致相同，否则会引起低频振动使精度下降。常采用调整相电流的方法，使距角特性大致相同。第44页，课件共58页，创作于2023年2月2）启动频率定义：步进电机在带载状态下，能够不失步启动的最高频率fst。一般空载启动频率比带载高。一般在fst下的最大转矩称为启动转矩Tq，设计中Tq≥TL。在步进电机产品说明书中给定了Tmax，可以通过上表查出Tq，反过来核算其带载的能力。从下图可以看出θs减小两绕组距角特性之交点Tq增大。0.8660.8660.9510.8090.7070.7070.8660.5Tq/Tmax1261058463拍数6543相数反应式步进电机启动转矩第45页，课件共58页，创作于2023年2月第46页，课件共58页，创作于2023年2月3）最高工作频率步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率。它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工作频率远大于己于启动频率.

在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降，这两者的关系称为矩频特性.4）矩频特性第47页，课件共58页，创作于2023年2月4)步距角（θ）及步距误差

步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度,一般来说步距角越小,控制越精确。步距误差直接影响执行部件的定位精度.步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿精度,和各相定子错位角度的精度。多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁路性能有关。返回下一页上一页第48页，课件共58页，创作于2023年2月5）矩频特性第49页，课件共58页，创作于2023年2月（2）稳态即步进电机的换相频率为恒定的情况，即换相频率较宽，是从0～fmax之间，在这个频率范围中分为三个区。a.低频区即低于共振区间，在这个频率范围内，步进电子转子转一步的时间周期比换相周期短。转子每一步表现为衰减振动，最后稳定于平衡位置，转子从0增大到amax启动，然后以衰减振动形成停在新的平衡位置；引起步进电机较大的振动从而影响精度。b.共振区当换相频率接近转子共振频率或是共振频率整倍数的区域为共振区。在该区域内产生较大的振动。c.高频区即高于共振的频率区间，该区间步进电机工作正常，很少产生振动。

7.步进电机的基本工作状态（1）静态指步进电机某相（某n相）绕组中通以恒定的电流，转子处于固定的位置而不动的状态。静态时，绕组电流imax,故绕组有发热现象。第50页，课件共58页，创作于2023年2月（3）过渡态指步进电机从一种工作状态进入另一种工作状态。如，从静止到转动、从转动到静止、从正传到反转等。这些状态转的过渡过程为过渡态。

a.启动机频率从0增大到fst,转子转速从0增大到nst,当fst高时，令中止。b.制动从稳步状态fn减小到0时，转子从nn减小到0，当f高时，产生过冲制动。采用不断降速后制动。c.反转从正到反，从反到正，当反转频率高时亦生产。第51页，课件共58页，创作于2023年2月8计算式（另一种表达）步距角：例：ABC为三相三拍，ABBCCA双三拍AABBBCCCA三相六拍或：例：一步进电机，Zr＝40，若按三相六拍运行，θs？若电机输出轴带动导程6mm的驱动机构，δp?解：驱动模型为根据式第52页，课件共58页，创作于2023年2月6.2.2步进伺服驱动电路下一页上一页第53页，课件共58页，创作于2023年2月用3个D触发组成，初始状态从置／复位端逆入一个,A、B、C状态分别为：

1.环形脉冲分配器

（1）硬环分（以三相六拍为例）第54页，课件共58页，创作于2023年2月

CBA通电状态“1”，断点“0”初始状态001A

第一脉冲011AB实现了三相六拍

第二脉冲010B正转的通电拍序第三脉冲110BC

第四脉冲100C第五脉冲101CA第六脉冲001A第55页，课件共58页，创作于2023年2月目前硬环分已形成集成电路，按电路结构结构不同分为TTL.CMOS，同产的YB系列有YB014YB015及YB016均为18引脚直插式封装。例：YB016A－F相：六相绕组输出端（输出低电平≤0.4V，输出高电平≥2.4V）。：选通控制输出。控制分配器是否输出一定顺序的脉冲。、：选通入输出控制端，决定步进电机的旋转方向。

±△：正反转控制端，决定步进电机的旋转方向。

S：出错报告输出。

CP：时钟输出端，决定分配器输出脉冲的频率。：清零，对分配器清零，以使正常工作

A0、A1：励磁控制，确定通电方式。例：AA

00单六拍(ABCDEF)