机床电气控制与PLC-伺服系统

第8章伺服系统

8.1概述

8.2步进电动机进给驱动系统

8.3直流伺服电机及其速度控制系统

8.4交流伺服电机及其速度控制

8.5数控机床位置检测8.1概述

8.1.1数控机床伺服系统的组成

8.1.2数控机床伺服系统的分类

8.1.3对进给伺服系统的基本要求

8.1.4对主轴伺服系统基本的要求

伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。它能够严格按照CNC装置的控制指令进行动作，并能获得精确的位置、速度或力矩输出的自动控制系统。它是一种“执行机构”，是CNC装置和机床本体的联结环节。它及时而准确地执行CNC装置发来的运动指令，准确地控制机床各运动部件的速度和位置，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目的。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。8.1.1数控机床伺服系统的组成

数控机床进给伺服系统，一般是由位置控制环和速度控制环组成。内环是速度控制环，外环是位置控制环。伺服系统的结构框图如图8-1所示。图8-1伺服系统结构框图8.1.2数控机床伺服系统的分类

数控机床伺服系统的分类方法通常是按控制方式、伺服电机的类型、反馈比较控制、进给驱动和主轴驱动等方式进行分类的。

1.按控制方式分类按控制方式可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。按开环控制方式可分为无位置检测和反馈装置,半闭环、闭环控制有位置检测和反馈装置。

(1)开环伺服系统

开环伺服系统就是不需要位置检测与反馈装置的伺服系统。执行机构通常采用步进电动机，系统位移正比于指令脉冲的个数，位移速度取决于指令脉冲的频率。每一个进给脉冲驱动步进电动机旋转一个步距角，再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。如图8-2所示。图8-2开环伺服系统结构示意图(2)闭环伺服系统

闭环伺服系统有位置检测装置和反馈装置，是误差控制随动系统。CNC输出的位置指令与位置检测装置反馈回来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置误差，经变换得到速度给定电压。在速度控制环，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电机进行控制，由此构成闭环位置控制。如图8-3所示。图8-3闭环伺服系统结构示意图

(3)半闭环伺服系统

半闭环和闭环系统的控制结构是一样的，区别是其位置检测反馈装置没有直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是将运动的传动链有一部分在位置环以外，在环外的传动误差没能得到系统的补偿，使半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。其性能介于开环和闭环伺服系统之间。如图8-4所示。图8-4半闭环伺服系统结构示意图

2.按伺服电机的类型分类可分为步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。

(1)步进伺服系统

步进伺服系统就是典型的开环伺服系统，它由步进电机及其驱动系统组成。步进伺服系统优点是结构简单、使用维护方便、可靠性较高、制造成本低等，所以广泛的应用于小型数控机床和速度、精度要求不太高的场合。

(2)直流伺服系统

直流伺服系统通常用的伺服电机为小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机。小惯量直流伺服电机最大限度地减小了电枢的转动惯量，它的快速性较好，在早期的数控机床上应用最多。

(3)交流伺服系统

交流伺服电机分为交流同步型伺服电机和交流异步型伺服电机两种。交流异步型电动机一般用于主轴交流伺服系统，交流同步型伺服电机，一般用于进给伺服电机。

3.按反馈比较控制方式分类在伺服系统中，因采用的位置检测元件不同，位置指令信号与反馈信号比较方式通常可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。伺服系统按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。

4.按进给驱动和主轴驱动分类数控机床伺服系统可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。

(1)进给伺服系统进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，它包括速度控制环和位置控制环。数控机床的进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。

(2)主轴伺服系统

主轴伺服系统控制只是一个速度控制，与进给伺服系统基本相同，实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，也是采用交流调速或直流调速，能在转速范围内实现无级变速。8.1.3对进给伺服系统的基本要求数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都要求很高，可概括为以下几个方面:

1.高精度伺服系统的精度指标主要有位移精度、定位精度、重复定位精度、分辨率和脉冲当量。

2.稳定性进给系统的稳定性是指系统在给定新的输入指令信号或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的稳定状态。

3.快速响应快速响应是伺服系统动态性能的一项重要性能指标，反映了系统的跟踪精度，为确保轮廓切削加工精确度和表面的粗糙度，对进给伺服系统除要求有较高的定位精度外，还要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。

4.调速范围宽

进给驱动系统具有足够宽的调速范围和良好的无级调速特性。①进给速度在1～24000mm/min时，即1：24000调速范围内，要求运行均匀、平稳、无爬行，且速降小。②进给速度在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，且瞬时速度要低。③进给速度为零，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，即电动机处于伺服锁定状态，以确保定位精度不变。

5.低速大转矩数控机床加工，要求进给伺服系统在低速时，输出的转矩要大，才能满足切削加工的要求。具体是:①电动机从最低到最高转速范围内都能平滑地运转,转矩波动要小，尤其在低转速时，仍然保持平稳的速度而无爬行现象。②电动机应具备较长时间工作下有较大的过载能力，以满足低速大转矩的要求。③为了满足快速响应要求，电动机必须具备小的转动惯量和较大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。④电动机应具备能承受频繁的正、反转、制动。进给伺服电动机β/βi系列α/αi系列直线电动机进给伺服放大器α系列伺服放大器αi系列伺服放大器进给伺服电动机联轴器滚珠丝杠进给伺服电动机及传动机构8.1.4对主轴伺服系统基本的要求

数控机床对主传动的要求，在很宽的范围内转速能连续可调，恒功率的范围要宽，具有四象限的驱动能力。为满足自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴必须具有高精度的准停控制等。

1.对主轴伺服系统拖动特性的要求

（1）调速范围足够大主轴驱动要求调速范围足够大，要在较宽的转速范围内进行无级调速。一般要求在(1：100)～(1：1000)的恒转矩调速范围，1：10的恒功率调速范围，能实现四象限驱动功能。对中型以上的数控机床，要求调速范围超过1：100。

(2)主轴输出功率大为了满足生产率的需要，主轴输出功率必须要大，要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需要的功率，即恒功率范围要宽。但由于主轴电动机及其驱动的限制，通常采用分段无级变速的方法，使主轴电动机在低速段采用机械减速装置，可提高输出转矩。

2.对主轴驱动的控制要求

主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，有级变速主要用于经济型数控机床，大多数数控机床都采用无级变速或分段无级变速。

(1)主轴定向准停控制为满足数控机床的自动换刀以及某些加工工艺的需要，对主轴除调速要求外，还要求主轴具有高精度的准停控制。当CNC发出M19指令后，经CPU处理后作为主轴的定位信号，经过磁性传感器，可检测主轴的准确位置，从而控制主轴准确地停在规定的位置上。

(2)主轴旋转与坐标轴进给的同步控制

主轴的转速与坐标轴的进给量要保持一定的关系，主轴每转一圈时，沿工件的轴坐标必须按节矩进给相应的脉冲量。当主轴旋转发出脉冲，经CPU对节矩计算后，去控制坐标轴位置伺服系统，从而使进给量与主轴转速保持同步。

(3)加减速功能

现代数控机床,在主轴在正、反向转动时，都具备了四象限驱动功能和自动加减速功能，并且加减速时间尽可能短。

(4)恒线速切削根据车床和磨床进行端面切削时，为确保加工端面的粗糙度Ra小于某值，要求被加工的零件与刀尖的接触点的线速度为恒值。但随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，必须不断提高主轴转速才能维持线速度为常值。

V=2兀nd模拟量主轴放大器（变频器）主轴放大器串行主轴放大器主轴电动机普通型和变频专用电动机串行数字主轴电动机带传动（经过一级降速）经过一级齿轮的带传动主轴传动机构几级降速齿轮传动主轴传动机构内装式电机主轴单元（电主轴）8.2步进电动机进给驱动系统

8.2.1步进电机结构和工作原理

8.2.2步进电机工作原理

8.2.3步进电机驱动装置及其应用

1.步进电机分类

(1)按转矩产生的原理分

①反应式:数控机床上常用三至六相反应式步进电机，这种步进电机的转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生感应力矩实现步进运动。

②永磁式：转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。

③混合式：综合了反应式和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的力矩，通过细密的极齿来减小步距角，8.2.1步进电机结构和工作原理

(2)按励磁组数分

可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。

2.步进电机结构我国使用的步进电机通常为反应式步进电机，如图8-5所示为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。图8-5三相反应式步进电机结构示意图

1.步进电机的工作原理按步进电机绕组的通电方式，可分为三相单三拍(通电顺序为：U→V→W→U→…）、三相六拍（通电顺序为：U→UV→V→VW→W→WU→U→…）和三相双三拍（通电顺序为：UV→VW→WU→UV→…）。步进电机绕组的每一次通断电称为一拍，每拍中只有一相绕组接通电，称为三相单三拍通电方式。如果每拍中都有两相绕组接通电，就称为三相双三拍通电方式。如果通电循环的各拍交替出现单、双相通电状态，就称为三相六拍通电方式或三相单双相通电方式。步进电机的工作原理如图8-6所示。8.2.2步进电机工作原理图8-6三相反应式步进电动机工作原理图

2.步进电动机的特点步进电动机具有以下几个基本特点：①数字脉冲信号控制步进电动机的通电顺序，将脉冲信号变为转角，输出转角与输入的脉冲个数成严格的比例关系，没有累积误差，只要控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量。②步进电动机的转速与控制脉冲频率成正比，通过控制脉冲频率可实现宽范围内调节步进电动机的转速。

③改变定子绕组的通电顺序，实现电动机正反转控制。④步进电动机具有自锁能力，当没有控制脉冲输入时，只要维持绕组内电流不变，电动机就可以保持在该固定位置上。⑤步进电动机的工作状态不随外界电源及温度的变化而改变。⑥步进电动机的步距角会有误差，转子转过一定步数后也会出现累积误差,但当转子转过一转以后，而累积误差为“零”，所以不会长期积累。

3.步进电动机的主要特性

(1)步距角的步距误差

(2)静态矩角特性

(3)起动惯频特性

(4)连续运行频率

(5)矩频特性

步进电机已在各方面得到了广泛的应用,步进电机的驱动装置的电子电路已集成化、系列化、模块化,提高了可靠性。图8-7为步进电机驱动器的外形及接口图图8-8拨动开关示意图8.2.3步进电机驱动装置及其应用图8-9步进电机动装置典型的接线图8.3直流伺服电机及其速度控制系统

8.3.1概述

8.3.2直流主轴电动机及其驱动控制

8.3.3直流主轴驱动控制系统

数控机床对伺服系统的要求高（如：精度高、调速范围宽、低速大转矩、稳定性好和响应速度快等），而且直流伺服系统的结构比较复杂，所以逐渐被交流伺服电动机取代。但近年来又开发了多种大功率直流伺服电动机，并且已在闭环和半闭环伺服系统中得到应用。8.3.1概述

1.直流伺服电动机特点如下:

①无自转现象：在无控制信号时，伺服电动机转子静止不动；当控制信号到来之后，转子迅速转动；当控制信号消失时，伺服电动机的转子会立即停止转动。

②空载始动电压低：始动电压越小表示电动机的灵敏度就越高。

③机械特性和调节特性的线性度好：能在较宽的速度范围内平滑稳定地调速。转速通常在2000-6000r/min之间。

④快速响应性好：直流伺服电动机具有较大的起动转矩和小的转动惯量。可控性好，时间常数小。

⑤转矩大：直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置控制系统上，输出功率从1瓦至数百瓦，甚至可达数千瓦。

2.结构和工作原理直流伺服电动机与他励直流电动机结构相似，是由固定的磁极、电枢和换向器组成。直流伺服电动机工作原理与普通直流电动机是完全相同的。主轴电动机必须具备满足以下功能:①输出功率要大；②电动机温升要低；③加、减速时间要短；④振动、噪声要小；⑤在断续负载下电动机转速波动要小，过载能力要强；⑥在整个调速范围内速度平稳，恒功率范围要宽；⑦电动机可靠性要高、寿命长、维护方便；⑧体积小、重量轻。8.3.2直流主轴电动机及其驱动控制

对于已经给定的直流电动机，要改变它的转速,通常采用三种办法:

①改变电动机电枢回路外加电压。即改变电枢电压。可得到调速范围较宽的恒转矩特性,用于进给驱动及主轴驱动的低速段。

②改变气隙磁通量。可得到恒功率特性,用于主轴电动机的高速段。

③改变电枢电路的电阻值。但得到的机械特性较软,在数控机床上很少采用。8.3.3直流主轴驱动控制系统

1.调磁调速回路主轴电动机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大些，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立，由单独的可调直流电源供电。当励磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至PI调节器，调节器的输出经过电压/相位转换器，控制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。

2.调压调速回路调压调速路回，类似于直流进给伺服系统，也是由速度外环和电流内环构成的双闭环调速度控制系统，具有良好的静态和动态指标，可最大限度地利用电动机的过载能力，使过渡过程最短。通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。

3.主回路电路及其工作原理数控机床加工零件时，要求主轴正、反转切削功率应尽可能大，停止和改变转向要迅速。主轴直流电动机驱动装置是采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，主回路电路如图8-10所示。(a)主电路(b)简图图8-10可逆调速系统的主电路

由图8-10(a)可知，主回路有12只晶闸管组成，它们分成VT1、VT2两组,其中VT1为正组晶闸管，VT2为反组晶闸管，如图8-10(b)所示。每组按三相桥式连接形成变流桥，两组变流桥为反极性并联，由一个交流电源供电，反极性并联线路能实现电动机正反向的电动和回馈发电制动，为保证在任何时间内只允许一组桥路工作，另一组桥路阻断。

三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图如图8-11所示。当电动机正向运动时，VT1管工作在整流状态，提供正向直流电流；电动机反向运动时，则VT2管工作在整流状态，并提供反向直流电流；实现电动机在第一、三象限的起动、升降速度控制。图8-11三相桥式反并联四象限运行示意图

4.主电路控制要求

对主电路控制要求如下:①每个时刻只准向一组晶闸管提供触发信号。②只有当工作的那一组晶闸管电流为零以后，才能撤销触发信号，以防止当晶闸管逆变时，电流没有为零，撤销触发信号，造成逆变颠覆而出现故障。③只有当工作的那一组晶闸管完全关断后，才可以向另一组晶闸管提供触发信号，以防止出现大的环流。④任何一组晶闸管导通时，要防止其输出电压与电动机绕组产生的电动势方向一致，导致电流过大。8.4交流伺服电机及其速度控制

8.4.1交流伺服电动机的分类和特点

8.4.2永磁式交流伺服电机工作原理

8.4.3变频控制器

8.4.4变频器在机床上的应用

8.4.5主轴分段无级调速及控制

8.4.6主轴准停控制

8.4.1交流伺服电动机的分类和特点

交流伺服电机可分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电机机。这些电机具有相同的三相绕组的定子结构。

(1)异步型交流伺服电动机

三相异步型交流伺服电动机，结构简单、坚固、无刷、造价低、转子的重量轻、惯性小、响应速度快。缺点是不能实现较大范围内地平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，造成电网功率因数降低。

(2)同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机按不同的转子结构可分为电磁式及非电磁式两类，非电磁式又分磁滞式、永磁式和反应式等。同步型交流伺服电机的转子磁极，要受到定子电路旋转磁场的吸引，与旋转磁场的转速始终保持同步。当电源电压和频率不改变时，同步型交流伺服电机的转速是不会改变的。如图8-12所示。8.4.2永磁式交流伺服电机工作原理

当定子的三相绕组接通三相交流电流时，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n旋转的旋转磁场，转子的永久磁场磁极被定子的旋转磁极互相吸住，带动转子一起同步旋转。如图8-13所示。当转子加上负载转矩之后，转子轴线将落后定子旋转磁场轴线一个Q角。当负载增大时，Q角随着增大，当负载减小时，Q角随着减小。图8-13交流伺服电动机工作原理图图8-14永磁式交流伺服电动机的结构

1一定子铁心;2一转子;3一定子绕组;

4一位置检测元件;5一接线盒

永磁式同步型交流伺服电机结构如图8-14所示，定子铁心1、转子2、定子绕组3、位置检测元件4和接线盒5等部件组成。永磁式同步型交流伺服电动机的主要优点有：

①可靠性高，易维护保养;②转子转动惯量小，快速响应性好;③有宽的调速范围，可高速转动;④结构紧凑，在相同功率下有较小的质量和体积⑤散热性能好。

变频控制器按变换环节分有：交-交变频器、交-直-交变频器，按电压的调制方式分有：PAM(脉幅调制)、PWM(脉宽调制)，按滤波方式分有：电压型变频器、电流型变频器，按输入电源的相数分有：三进三出变频器、单进三出变频器，按控制方式分有：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制方式变频器。8.4.3变频控制器

1.交-直-交变频器交一直一交变频器是将交流转换为可调直流，作为逆变器的直流供给电源。而逆变器是将可调直流电变为调频调压的交流电，采用脉冲宽度调制(PWM)逆变器来完成，逆变器有晶闸管逆变器和晶体管逆变器。目前，此种变频器已得到普及。数控机床上的交流伺服系统大多采用交-直-交SPWM(正弦波调制)变频控制器。交-直-交变频器原理示意图如图9-15所示。9-15交-直-交变频器

2.SPWM变频控制器

（1）SPWM波形与等效的正弦波如把一个正弦波分成n等分，设n=12，如图8-16a所示。然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲波所替代，这样就得到n个等高不等宽的脉冲序列，并对应于一个正弦波的正半周，如图8-16b所示。对于负半周，也可这样处理。如果幅值改变，则各等高矩形脉冲的宽度也相应改变，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波(SPWM)。

图8-16等效的SPWM波形图8-17三相正弦波与三角波相比较后产生的三相脉宽调制波

（2）三相SPWM电路目前普遍应用的是正弦脉宽调制SPWM方式。SPWM调制的控制信号为幅值和频率均可调的正弦波参考信号,载波信号为三角波。正弦波和三角波相交可得到一组矩形脉冲,其幅值不变,而脉冲宽度是按正弦规律变化的SPWM波形。对于三相SPWM,逆变器必须产生互差120°的三相正弦波脉宽调制波。为了得到这三相调制波,三角波载频信号可以共用,必须有一个三相正弦波发生器产生可变频、可变幅且互差120°的三相正弦波参考信号,并且将它们分别与三角波载波信号相比较后,产生三相脉宽调制波。图8-17所示。图8-18三相SPWM变频器主电路结构简图

变频器用于主轴控制。是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，提供给电动机运转的电源装置。一般SPWM正弦控制频率变化范围为0～400Hz。日本三菱FR-A500系列变频器的系统组成及接口电路及原理框图如图8-19、8-20所示。交流伺服系统总体设备连线情况如图8-21所示。8.4.4变频器在机床上的应用图8-19三菱FR-A500系列变频器的系统组成

三菱FR-A500系列变频器的系统接口电路图2-21MINAS交流伺服系统总体设备连线情况

主轴无级调速主要有三种方式，一是通过主轴输出的模拟电压接口，输出0～±10V模拟电压至主轴驱动装置，二是输出单极性0～10V模拟电压至主轴驱动装置，通过正转与反转开关量信号指定正反转。三是选择数控装置输出的二进制代码或开关量信号至主轴驱动装置，控制主轴的转速。数控机床常采用1～4挡齿轮变速与电动机无级调速相结合，即分段无级变速控制。如图8-22所示，通常数控系统均提供了2-4挡变速功能，而数控机床只需要2挡就可满足要求。

8.4.5主轴分段无级调速及控制图8-22有无齿轮减速主轴的T(n)、P(n)曲线

数控系统可设置参数M41-M44四挡代码对应的最高主轴转速，系统即可使用M41～M44指令，根据当前S指令值判断档位，出相应的M41～M44指令至PLC，控制齿轮自动变挡。如图8-23所示。

M41指令所对应的最高主轴转速是1000r/min,M42指令所对应的最高主轴转速是3500r/min，而主轴电动机的最高转速是3500r/min。当S指令在0～1000r/min范围内变化时，M41指令所控制对应的齿轮啮合：当S指令在1001～3500r/min范围内变化时，M42指令控制对应的齿轮啮合。图8-23分段无级变速1.概述

主轴准停控制，要求主轴具有高精度的准停控制功能,有准确定位。由图8-24所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，要防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，因此必须先让刀再退刀，在让刀时刀具必须具有准停功能。如图8-25所示。主轴准停可分为机械准停和电气准停，它们的控制过程是一样的。如图8-26所示。机械方式是采用机械挡块等来定位；电气方式采用主轴定位，只要系统发出M19指令，主轴就能准确地定位。8.4.6主轴准停控制图8-24主轴准停换刀图图8-25主轴准停镗阶梯孔示意图8-26主轴准停控制过程框图图8-27机械准停原理示意图

2.机械准停控制机械准停控制通常采用V形槽轮做定位盘准停结构，如图8-27所示。当CNC执行准停控制指令M19时，首先使主轴减速至某一预先设定的低速转动，当接近开关信号有效后，立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链，这时主轴电动机与主轴传动件依惯性继续在空转，同时准停油缸定位销伸出并压向定位盘。当定位盘V形槽与定位销正对时，由于油缸的压力，定位销插入V形槽中，使LS2准停到位信号有效，准停动作完成。这里LS1为准停到位信号，LS2为准停到定位液压缸位信号。控制逻辑信号可由系统所配的PLC来完成。

3.电气准停控制大多数中高档数控系统均采用电气准停控制，电气准停通常有磁传感器准停、编码器型主轴准停、数控系统准停3种方式。

(1)磁传感器准停用磁传感器准停控制时，当CNC系统执行M19指令时，向主轴驱动发出主轴准停启动命令ORT或LCD。主轴驱动响应ORT或LCD命令会立即使主轴减速至预先设定的准停速度。当磁发体与磁传感器对准时，主轴减速至某一爬行速度，然后当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的闭环控制，目标位置即为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停信号给CNC装置，实现自动换刀或其它动作。如图8-28所示。

(2)编码器型主轴准停编码器型主轴准停与磁传感器主轴准停不同的是，编码器主轴准停的角度可任意设定，其控制步骤与传感器类似，所不同的是准停角度可由编码设定，更加灵活方便。编码器主轴准停有两种形式：一是采用主轴电动机内置的编码器信号，采用这种方式注意传动链对主轴准停精度的影响。二是在主轴上直接安装另一个编码器。不管哪种方式，它们都具有主轴位置闭环控制功能。数控系统本身具有编码器准停功能。如图8-29所示。图8-29编码器主轴准停控制结构图8-28磁传感器准停控制系统构成

(3)数控系统准停

数控系统准停，这种方式是由数控系统自身完成的，如图8-30所示。为实现这种准停控制，要求:

①数控系统必须具有主轴闭环控制功能;②具有较高的主轴传动精度;③主轴驱动具有伺服状态。

数控系统控制主轴准停时，准停角度由数控系统内部设定，因此更加方便灵活。如用M19指令，可在M19指令后用S值制定准停角度。图8-30数控系统控制主轴准停结构8.5数控机床位置检测

8.5.1概述

8.5.2脉冲编码器

8.5.3其它位置检测器

数控机床的位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环控制中，其定位精度和加工精度在很大的程度上取决于检测装置的精度。它的主要作用是检测位移量，是将系统发出的指令信号位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机。

在数控伺服系统中，通常有两种反馈系统：一种是速度反馈系统，用来测量和控制运动部件的进给速度；另外一种是位置反馈系统，用来测量和控制运动部件的位移量。这些检测装置有脉冲编码器、光栅、感应同步器、旋转变压器等。8.5.1概述电动机内装位置和速度传感器主轴位置与速度编码器主轴位置和速度检测装置

1.闭环半闭环控制位置测量装置

对半闭环控制的数控机床，它的位置检测装置通常采用旋转变压器或高分辨率的脉冲编码器，并装在进给电动机或丝杠的端头，旋转变压器或脉冲编码器每旋转一定的角度，都必须严格地对应着工作台所移动的距离。测量出电动机或丝杠的角位移,间接地测量出工作台的直线位移。

对闭环控制系统的数控机床，采取直接测量工作台的直线位移，使用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。通过工作台直接带动感应同步器的滑动尺移动与装在机床床身上的定尺配合，测出工作台的实际位移值。

2.检测装置的分类

伺服系统中采用的位置检测装置通常分为直线型和旋转型两大类。直线型位置检测装置是用来检测运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。常用的位置检测装置框图如图8-31所示。图8-31位置检测装置框图

脉冲编码器是一种旋转式的脉冲发生器，它能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用最多的角位移检测传感器。编码器除了可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，其工作示意图如图8-32所示。经过变换电路也可用于速度检测，同时作为速度检测装置；如果经过机械装置，还可将直线位移转变成角位移，可用来测量直线位移。脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁感应式三种。

光电脉冲编码器又可分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。8.5.2脉冲编码器伺服电动机内装编码器独立型旋转编码器

1.增量式脉冲编码器

(1)结构增量式脉冲编码器的结构原理图如图8-32所示。它由光源、透明镜、窄缝圆盘、检测窄缝、光电变换器、A/D转换线路及数字显示装置组成。其中，光电盘采用玻璃研磨抛光制成,玻璃表面在真空中镀一层不透光的金属薄膜铬，然后在上面制成圆周等距的透光与不透光相间的狭缝作透光用。狭缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘，在圆盘上再开出一定数量的等分圆槽缝，或在半径的圆周上钻出一定数量的孔，使圆盘产生明暗相间变化的区域。

(2)工作原理窄缝圆盘装在回转轴上，由图8-32可知，当窄缝电盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化。经光敏元件构成一次电信号的强弱变化，经过整形电路、放大电路和微分电路处理后，得到脉冲输出信号。脉冲个数就等于转过的缝隙个数。如果将上述脉冲信号送入计数器中计数，则计数码将反映出圆盘转过的角度。（a）(b)

图8-32增量式脉冲编码器的结构原理图

为了区别旋转方向，必须采用两套光电转换装置，使它们的相对位置能保证两者产生的电信号在同一圆周上相差1/4节距。如图8-33a所示为增量式脉冲编码器辨向原理框图，图8-33b所示为其波形图。假定正转时，光敏元件2比光敏元件1先感光，将此两光电元件的输出经过放大电路整形后变成P1和P2两个方波系列，P2比P1超前90°，将P1微分后得到D1脉冲系列，P1经过反相后再微分得到D2脉冲系列，将P2、D1送入与门Y1，P2、D2送入与门Y2。由图8-33b所示得可知，D1的正向脉冲可从Y1输出，并使可逆计数器的加法母线置于高电位，而与门Y2则无输出。(a)增量式脉冲编码器辨向原理框图(b)增量式脉冲编码器辨向原理波形图图8-33增量式脉冲编码器辨向图

2.绝对式脉冲编码器绝对式光电编码器是是一种直接编码式的测量元件，通过读取编码盘上的图案确定轴的位置没有积累误差。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。图8-34a是绝对式光电编码器的结构图。图8-34b是一个四位二进制编码盘，涂黑部分是导电的，码盘最里面的一圈是电源负极。是照二进制数分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的样式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当码盘沿顺时针方向转动,就依次可得到0000、0001、0010、…、1111的二进制输出。

图8—34四位二进制编码盘(a)(b)(c)

3.混合式绝对值编码器

混合式绝对值编码器是把增量制码与绝对制码同做在一码盘上。圆盘的最外圈是高密度的增量制条纹(2000、2500、3000脉冲/转)，其中间分布在4圈圆环上有4个二进制位循环码，每1/4圆由4位二进制循环码分割成16个等分位置。在圆盘最里圈仍有发一转信号的窄缝条。由循环码读出的4×16个位置/转，代表了一圈的粗计角度检测，它和交流伺服电机4对磁极的结构相对应，可实现对交流伺服电机的磁场位置进行有效的控制。

位置传感器除了脉冲编码器外。常用的还有、旋转变压器、感应同步器、有磁栅、接近开关、光栅传感器等多种检测器（即：传感器）。8.5.3其它位置检测器

1.旋转变压器旋转变压器是一种电磁式传感器，是利用电磁感应原理的一种角度位移测量元件，它将机械转角转换成与该转角呈某一函数关系的电信号。工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的,输出电压和输入电压之比是常数，旋转变压器的一次、二次绕组是随转子的角位移发生相对位置的改变，所以其输出电压的大小也要随之改变。旋转变压器工作原理如图8-35所示。

2.感应同步器感应同步器主要部件包括定尺和滑尺。定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.2～0.3mm间隙。

（1）直线式直线式：有标准式、窄长式、三重式、钢带式、其中标准式是直线式中精度最高的一种。直线感应同步器的安装图如图