數控技術

華中科技大學機械科學與工程學院第4章進給伺服驅動系統

4.1概述4.2位置檢測裝置4.3進給電機及驅動4.4進給伺服系統的控制原理和方法14.2位置檢測裝置位置檢測裝置：

檢測位移（線位移或角位移）和速度，反饋至數控裝置或伺服驅動器，構成伺服驅動系統閉環或半閉環控制，使工作臺按指令路徑精確地移動。（1）組成：檢測元件（傳感器）和信號處理裝置。（2）常用檢測裝置：旋轉變壓器、感應同步器、編碼器、光柵、磁柵等2（3）精度：系統精度、分辨率系統精度：一定范圍內測量累積誤差最大值。直線位測量精度：±0.002～0.02㎜／m；回轉角測量精度：±5″／360°系統分辨率：能正確檢測的最小位移量。直線位移分辨率：1μm，高精度0.1μm；回轉分辨率：可達2″(0.087″)。大型機床：速度為主；中小型機床、高精度機床：精度為主。數控機床加工精度主要由檢測系統精度決定。4.2位置檢測裝置3（4）安裝位置半閉環控制的數控機床旋轉變壓器、編碼器等。安裝在電機或絲杠上，測量電機或絲杠的角位移間接測量工作臺的直線位移。閉環控制系統的數控機床感應同步器、光柵、磁柵等，安裝在工作臺和導軌上，直接測量工作臺的直線位移。4.2位置檢測裝置4（5）數控機床對檢測裝置的要求受溫度、濕度影響小，工作可靠，抗干擾能力強在機床移動范圍內滿足精度和速度要求使用維護方便，適合機床運行環境成本低易于實現高速的動態測量。4.2位置檢測裝置54.2.1位置檢測裝置分類

數字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉型增量式脈沖編碼器圓光柵絕對式脈沖編碼器

旋轉變壓器圓感應同步器圓磁尺多極旋轉變壓器3速圓感應同步器直線型計量光柵激光干涉儀多通道透射光柵

直線感應同步器光柵尺

3速直線感應同步器絕對值式磁尺4.2位置檢測裝置6（1）增量式與絕對式

增量式檢測方式功能：測量增量，移動1個測量單位發出1個測量信號。如：測量單位為0.001mm，每移動0.001mm發出1個脈沖信號，對脈沖計數得到位移量。優點：裝置較簡單，任何一個對中點均可作測量起點；缺點：一旦計數有誤，此后測量結果全錯；發生故障（如斷電、斷刀等）時不能找到事故前的位置，須將工作臺移至起點重新計數。增量式檢測裝置：有脈沖編碼器，旋轉變壓器，感應同步器，光柵，磁柵，激光干涉儀等4.2位置檢測裝置7絕對式檢測方式功能：被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準，每一被測點都有一個相應的對零點的測量值。優點：避免了增量式檢測方式的缺陷缺點：結構較復雜。絕對式檢測裝置：有絕對式脈沖編碼器、三速式絕對編碼器（或稱多圈式絕對編碼器）等

4.2位置檢測裝置8（2）數字式與模擬式數字式測量方式以數字形式表示被測量，測量信號一般為脈沖，可直接把它送到數控裝置進行比較、處理。特點：便于顯示、處理；測量精度取決于測量單位，與量程基本無關（存在累加誤差）檢測裝置簡單，脈沖信號抗干擾能力強。4.2位置檢測裝置9模擬擬式式測測量量方方式式用連連續續的的變變量量表表示示被被測測量量，，如如用用相相位位變變化化、、電電壓壓變變化化表表示示。。特點點：：直接接對對被被測測量量進進行行檢檢測測；；在小小量量程程內內可可以以實實現現高高精精度度測測量量；；可用用于于直直接接檢檢測測和和間間接接檢檢測測。。6.1概述述4.2位置置檢檢測測裝裝置置10（3）直直接接測測量量與與間間接接測測量量6.1概述述直接接測測量量用直直線線式式檢測測裝裝置置測直直線線位位移移，，作為為全全閉閉環環伺伺服服系系統統的的位位置置反反饋饋信信號號，，構構成成閉閉環環控控制制。。對機機床床的的直直線線位位移移采采用用直直線線型型檢檢測測裝裝置置測測量量。。優點點：：測量量精精度度取取決決于于測測量量元元件件的的精精度度，，不不受受機機床床傳傳動動精精度度的的影影響響。。缺點點：：檢測測裝裝置置要要與與行行程程等等長長，，對對大大型型數數控控機機床床來來說說，，是是一一個個很很大大的的限限制制。。4.2位置置檢檢測測裝裝置置11間接接測測量量檢測測裝裝置置測量量只只是是中中間間值值，，再再由由它它推推算算出出與與之之關關聯聯的的位位移移量量，，作為為半半閉閉環環伺伺服服系系統統的的位位置置反反饋饋。。對機機床床的的直直線線位位移移采采用用回回轉轉型型檢檢測測裝裝置置測測量量，，稱稱為為間間接接測測量量。。優點：使用可靠方方便，無長長度限制，，缺點：檢測信號號中加入入了直線線運動轉轉變為旋旋轉運動動的傳動動鏈誤差差，影響響檢測精精度。為為提高定定位精度度，常需需要對機機床的傳傳動誤差差進行補補償。4.2位置檢測測裝置124.2.2編碼器編碼器：：將測量的的角位移移以編碼碼的形式式輸出的的位置檢檢測裝置置，屬于于間接測測量的數數字式檢檢測裝置置。輸出信號號的形式式：絕對式、、脈沖增增量式內部結構構和檢測測方式：：接觸式、、光電式式、電磁磁式。4.2位置檢測測裝置13工作臺絲杠編碼器電機安裝方式式1）與伺服服電機同同軸聯接接，編碼碼器在進進給傳動動鏈前端端；安裝裝方便；；2）連在滾滾珠絲杠杠末端，，包含的的傳動鏈鏈誤差比比前者多多，位置置控制精精度較高高。4.2位置檢測測裝置14碼盤及狹縫轉軸光敏元件光欄板及辨向用的A組、B組狹縫光源零位標志C1.增量式光光電編碼碼器（1）結構4.2位置檢測測裝置15（2）原理將機械轉轉角變成成電脈沖沖信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節距τm+τ/44.2位置檢測測裝置16AB90°Z……碼盤轉一一圈光敏元件件把此光光信號轉轉換成電電信號，，通過信信號處理理裝置的的整形、、放大等等處理后后輸出。。輸出的波波形有六六路：4.2位置檢測測裝置17輸出信號號的作用用及其處處理A、B兩相的作作用：根據脈沖沖數目可可測角位位移根據脈沖沖頻率可可得軸的的轉速根據A、B兩相的相相位超前前滯后關關系可判判斷被測測軸旋轉轉方向4.2位置檢測測裝置18ABCP90O后續電路路可利用用A、B兩相的90°相位差進進行四倍倍頻細分分處理，，提高分分辨率。。4.2位置檢測測裝置19（3）增量式碼碼盤的規規格及分分辨率規格分辨率α增量式碼碼盤的規規格是指指碼盤每每轉一圈圈發出的的脈沖數數。市場場上提供供的規格格從36線/轉到10萬線/轉都有。最最大達1600萬線（禁禁運）。。選擇原則則伺服系統統要求的的分辨率率；考慮機械械傳動系系統的參參數。整整數原則則。4.2位置檢測測裝置202.絕對式光光電編碼碼器每一位置置均由唯唯一對應應的編碼碼輸出電源切除除后位置置信息不不會丟失失數控機床床無需執執行回參參考點操操作就能能直接提提供當前前的位置置值，沒沒有累積積誤差特點：4.2位置檢測測裝置21（1）結構和工工作原理理碼盤基片片上有多多圈碼道道，且每每碼道的的刻線數數相等對應每圈圈都有光光電傳感感器輸出信號號的路數數與碼盤盤圈數成成正比檢測信號號按某種種規律編編碼輸出出，故可可測得被被測軸的的周向絕絕對位置置0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置檢測測裝置22（2）絕對編碼碼盤的編編碼方式式及其特特點二進制編編碼：特點：編碼循序序與位置置循序相相一致，，但可能能產生非非單值性性誤差。。缺點：在1100和1011的交界處處，可能能會出現現二義：：11110000導致較大大的誤差差。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置檢測測裝置23010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120格雷碼（（循環碼碼）特點：任何兩個個編碼之之間只有有一位是是變化的的，因而而可把誤誤差控制制在最小小單位上上。但編編碼與位位置循序序無直接接規律優點：最大誤差差為一個個分辨率率。4.2位置檢測測裝置24格雷碼的的編碼方方法從二進制制碼轉換換而來的的，轉換換規則為為：將二進制制碼與其其本身右右移一位位后并舍舍去末位位的數碼碼作不進進位加法法，得出出的結果果即為格格雷碼(循環碼)。例：將將二進制制碼0101轉換成對對應的格格雷碼4.2位置檢測測裝置25（3）絕對式編編碼器的的規格及及分辨率率規格分辨率α絕對式碼碼盤的規規格與碼碼盤碼道道數n有關；現在市場場上提供供從4道到27道都有。。（23道以上禁禁運）選擇原則則①伺服系系統要求求的分辨辨率；②②考考慮機械械傳動系系統的參參數。4.2位置檢測測裝置263.編碼器的的信號傳傳輸方式式（1）傳輸對象象：伺服電機機、數控控裝置（2）傳輸方式式：并行或串串行并行傳輸輸：每位數據據需要一一根數據據電纜線線。特點：僅適用于于短距離離傳輸和和特殊要要求的場場合。串行傳輸輸：通過一根根雙絞線線實現數數據傳送送，分為為單工、、半雙工工和全雙雙工，同同步串行行通信或或異步串串行通信信。特點：用線少、、成本低低、傳輸輸距離遠遠、數據據安全可可靠。應應用于遠遠距離傳傳輸和高高精密的的場合。。4.2位置檢測測裝置27并行傳輸輸增量式編編碼器的的數據輸輸出多以以并行傳傳輸方式式為主。。輸出信信號通常常有A、/A、B、/B和C、/C六路信號號，有些些還輸出出U、V、W三路信號號，用于于電機矢矢量控制制中電樞樞初始角角度的計計算。4.2位置檢測測裝置28串行傳輸輸絕對式編編碼器多多以同步步串行傳傳輸方式式為主。。串行傳傳輸的方方式很多多，以德德國海德德漢公司司的全雙雙工同步步串行EnDat為例，有有EnDat2.1和EnDat2.2兩個版本本。EnDat2.2不僅能為為增量式式和絕對對式編碼碼器傳輸輸位置值值，同時時還能夠夠傳輸附附加信息息值或更更新存儲儲在編碼碼器中的的信息，，或保存存新的信信息，具具有效率率更高、、速度更更快（時時鐘頻率率16MHz）。4.2位置檢測測裝置294.編碼器的的選擇（1）電源。常用的編編碼器電電源有5V、12V、24V幾種類型型。（2）機械允許許轉速。。取決于編編碼器測測量系統統處理時時間、分分辨率和和結構尺尺寸，處處理時間間越短，，尺寸越越小，機機械允許許轉速越越高。（3）分辨率。。應根據測測量精度度要求選選擇編碼碼器分辨辨率，綜綜合考慮慮性價比比。（4）輸出信號號類型。。類型決定定后續接接收電路路。（5）使用環境境。4.2位置檢測測裝置30根據測量量對象分分：直線光柵柵（測量量直線位位移）和和圓光柵柵（測量量角位移移）根據用途途和材質質分：玻璃透射射光柵、、金屬反反射光柵柵。根據刻度度方法及及信號輸輸出形式式分：絕對式光光柵和增增量式光光柵。光柵：是利用光光的透射射、衍射射現象制制成的光光電檢測測裝置，，用于測測量運動動部件的的直線位位移和角角位移。。4.2.3光柵1.光柵的種種類4.2位置檢測測裝置31（1）直線光柵柵玻璃透射射光柵：：在玻璃表表面上用用真空鍍鍍膜法鍍鍍一層金金屬膜，，再涂上上一層均均勻的感感光材料料，用照照相腐蝕蝕法制成成透明與與不透明明間隔相相等的線線紋。特點：光源可采采用垂直直入射，，光電元元件直接接接受光光信號，，因此信信號幅度度大，讀讀數頭結結構較簡簡單；一般為為100、125、250條/mm，經過過電路路細分分，可可做到到微米米級的的分辨辨率。。4.2位置檢檢測裝裝置32金屬反反射光光柵：：在鋼尺尺或不不銹鋼鋼的鏡鏡面上上用照照相腐腐蝕法法或用用鉆石石刀刻刻劃制制成光光柵線線紋；；常用用4、10、25、40、50條/mm，分辨辨率低低。特點：標尺光光柵的的線膨膨脹系系數易易于與與機床床材料料一致致；標尺光光柵的的安裝裝和調調整較較方便便；安裝面面積較較小；；易于接接長或或制成成整根根的鋼鋼帶長長光柵柵；不易碰碰碎。。4.2位置檢檢測裝裝置33直線光光柵的的結構構由標尺尺光柵柵和光光柵讀讀數頭頭（即即指示示光柵柵）兩兩部分分組成成。光光柵讀讀數頭頭中有有光源源、透透鏡、、掃描描光柵柵、光光電池池和信信號處處理電電路等等。4.2位置檢檢測裝裝置34（2）圓光光柵在玻璃璃圓盤盤外環環端面面上，，做成成黑白白相間間、呈呈輻射射狀條條紋，，相互互間夾夾角（（柵距距角））相等等。根據不不同使使用要要求，，在圓圓周上上的條條紋數數不同同。一一般有有3種形式式。①六十十進制制，如如10800、21600、32400、64800等；②十進進制，，如1000、2500、5000等③二進進制，，如512、1024、2048等4.2位置檢檢測裝裝置35（3）絕對對式直直線光光柵尺尺利用光光電轉轉換原原理將將運動動部件件位置置值以以編碼碼形式式輸出出，每每個位位置均均有唯唯一對對應代代碼輸輸出。。有兩條條刻線線軌道道—增量軌軌和絕絕對軌軌。絕絕對軌軌用于于確定定運動動部件件位置置值信信息，，條紋紋一般般采用用復雜雜的排排列算算法，，如偽偽隨機機編碼碼方式式等，，以提提高數數據容容量和和安全全性。。增量量軌條條紋為為等距距條紋紋，用用于信信號細細分，，提供供更高高分辨辨率的的信號號。精精度可可達±3μμm/m，分辨辨率可可達5nm4.2位置檢檢測裝裝置36（4）增量量式直直線光光柵尺尺利用光光電轉轉換原原理將將位移移的增增量值值以脈脈沖形形式輸輸出，，通過過對脈脈沖計計數從從而計計算出出位移移值和和位置置值。。有兩條條刻線線軌道道—增量軌軌和參參考點點軌。。增量量軌條條紋進進行位位移量量的計計算。。參考考點軌軌用于于回零零操作作。4.2位置檢檢測裝裝置374.2位置檢檢測裝裝置2.光柵的的工作作原理理（1）成像掃掃描。透射射光生生成位位置測測量信信號。。指示示光柵柵和標標尺光光柵的的光線線投射射到規規則排排列的的光電電池上上。當當指示示光柵柵和標標尺光光柵相相對運運動時時，光光電池池接收收到的的光強強不斷斷變化化，產產生近近似正正弦變變化的的周期期電信信號。。38（2）干涉掃掃描。。利用精精密光光柵的的衍射射和干干涉形形成位位置測測量信信號。。4.2位置檢檢測裝裝置39dw4.2位置檢檢測裝裝置40放大比比k為：：若d=0.01mm，θ＝0.01rad，則w＝1mm，k＝100莫爾條條紋特特性：：光學放放大作作用4.2位置檢檢測裝裝置413.光柵測測量系系統（1）4倍頻細細分及及辯向向4.2位置檢檢測裝裝置42（2）電子子細分分根據細細分原原理可可分為為幅值細細分和鑒相細細分。電子子細分分電路路要求求光柵柵輸出出信號號為一一組頻頻率和和幅值值相同同、相相位相相差90度的正正弦波波信號號。電阻鏈鏈移相相細分分電阻鏈鏈移相相細分分屬于于幅值細細分。。將兩個個相位位不同同的交交變信信號施施加在在電阻阻鏈兩兩端，，由于于電壓壓合成成的移移相作作用，，在電電阻鏈鏈的各各電阻阻抽頭頭上將將得到到幅值值和相相位各各不相相同的的一系系列移移相信信號，，再用用鑒零零器對對它進進行鑒鑒幅、、整形形，便便可在在莫爾爾條紋紋一周周期內內得到到若干干個脈脈沖信信號而而達到到細分分的目目的。。4.2位置檢檢測裝裝置43應用疊疊加原原理，，接點點處輸輸出電電壓：：4.2位置檢檢測裝裝置44以上是是在＝＝0°至90°°第一象象限的的情況況。第第二至至第四四象限限可采采取同同樣方方法。。當增加加多個個電阻阻時，，可以以構成成如圖圖所示示串聯聯電阻阻移相相橋，，它共共有16個輸出出端，，實現現16倍細分分。各各點輸輸出電電壓信信號經經比較較器整整形為為方波波，然然后經經邏輯輯電路路處理理即可可實現現細分分。4.2位置檢測裝裝置45鑒相式細分分通過信號的的相位差來來模擬光柵柵系統的位位移，然后后對信號的的相位差進進行細分。。4.2位置檢測裝裝置464.2.4旋轉變壓器器旋轉變壓器器是一種輸出電電壓與角位位移量成連連續函數關關系的感應應式微電機機檢測裝置置，主要用用于半閉環控制的數控控機床。優點：結構簡單、、動作靈敏敏、工作可可靠、對環環境條件要要求低（特特別是高溫溫、高粉塵塵地方）、、輸出信號號幅度大、、抗干擾能能力強。缺點：信號處理比比較復雜。。分類：按有無電刷刷分：接觸觸式和無接接觸式兩種種按極對數分分：單對極極和多對極極4.2位置檢測裝裝置471.旋轉變壓器器的結構與兩相繞線線式異步電電機相似，，由定子和轉轉子組成，，是一種旋轉轉式的小型型交流電機機。定子繞組通通過固定在在殼體上的的接線柱直直接引出。。轉子繞組組有兩種不不同的引出出方式。根根據轉子繞繞組兩種不不同的引出出方式，旋旋轉變壓器器分為有刷刷式和無刷刷式兩種結結構形式。。4.2位置檢檢測裝裝置48（1）有刷式式旋轉轉變壓壓器轉子繞繞組通通過滑滑環和和電刷刷直接接引出出。特點：：結構簡簡單，，體積積小缺點：：電刷與與滑環環是機機械滑滑動接接觸的的，所所以旋旋轉變變壓器器的可可靠性性差，，壽命命也較較短。。4.2位置檢檢測裝裝置49（2）無刷式式旋轉轉變壓壓器由本體體和附附加變變壓器器組成成。附加變變壓器器原、、副邊邊鐵心心及線線圈成成環形形，分分別固固定于于轉子子軸和和殼體體上，，徑向向留有有一定定的間間隙。。本體的的轉子子繞組組與附附加變變壓器器原邊邊線圈圈連在在一起起，在在附加加變壓壓器原原邊線線圈中中的電電信號號，即即轉子子繞組組中的的電信信號，，通過過電磁磁耦合合，經經附加加變壓壓器副副邊線線圈間間接地地送出出。4.2位置檢檢測裝裝置50無刷式式旋轉轉變壓壓器避免了了電刷刷與滑滑環之之間的的不良良接觸觸造成成的影影響，，提高高了旋旋轉變變壓器器的可可靠性性及使使用壽壽命，，但其其體積積、質質量、、成本本均有有所增增加。。4.2位置檢檢測裝裝置512.旋轉變變壓器器工作作原理理旋轉變變壓器器利用繞繞組間間的互互感原原理。。當定定子加加上一一定頻頻率的的激磁磁電壓壓時，，通過過電磁磁耦合合，轉轉子繞繞組產產生感感應電電勢，，其輸輸出電電壓的的大小小取決決于定定子和和轉子子兩個個繞組組軸線線在空空間的的相對對位置置。Φ2＝kΦΦ1sinθU2＝nUmsinωtsinθ4.2位置檢檢測裝裝置52Um—激磁電電壓幅幅值n—繞組匝匝數比比θ—轉子偏偏轉角角定子繞繞組勵勵磁電電壓：：轉子產產生感感應電電勢：：4.2位置檢檢測裝裝置53（1）鑒相工工作方方式定子的的兩個個繞組組通同同幅值值、頻頻率，，但相相位差差π/2的交流流激磁磁電壓壓。U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+ππ/2）＝Umcosωt轉子正正轉時時：轉子感感應電電壓U23.旋轉變變壓器器的工工作方方式4.2位置檢檢測裝裝置54U2＝kUmsinωtsinθθ＋kUmcosωtcosθθ=kUmcos（ωt-θ）Um——激磁電電壓幅幅值；；k——電磁耦耦合系系數，，k<1；θ——相位角角，即即：轉轉子偏偏轉角角。轉子反反轉時時：U2＝kUmcos（ωt+θ）相位角角的測測量：：轉子輸輸出電電壓的的相位位角ωt+θ和θ間有對對應關關系，，檢測測出ωt+θ，可得得θ（被測軸軸角位位移））。實實際應應用時時，把把定子子余弦弦繞組組激磁磁電壓壓的相相位ωt作為基基準相相位，，與ωt+