数控机床的驱动与控制系统.ppt
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第四章第四章进给伺服系统进给伺服系统本章将详细讨论进给伺服本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及伺服系统基本功能的原理及实现方法。
实现方法。
内容提要内容提要进给伺服系统是数控系统主要的子系统。
如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。
它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。
第一节第一节概概述述一一.进给伺服系统的定义及组进给伺服系统的定义及组成成1.定义：
进给伺服系统（FeedServoSystem）以移动部件的位置位置和速度速度作为控制量的自动控制系统。
2.2.组组成成：
进进给给伺伺服服系系统统主主要要由由以以下下几几个个部部分分组组成成：
位位置置控控制制单单元元；速速度度控控制制单单元元；驱驱动动元元件件（电机电机）；检测与反馈单元；机械执行部件。
；检测与反馈单元；机械执行部件。
位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈二、二、NCNC机床对数控进给伺服机床对数控进给伺服系统的要求系统的要求1.1.调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内在调速范围内）调速范围调速范围调速范围调速范围：
一般要求：
一般要求：
稳定性稳定性稳定性稳定性：
指输出速度的波动要少，：
指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。
重要。
2.输出位置精度要高静态：
静态：
静态：
静态：
定位精度和重复定位精度要高，定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。
即定位误差和重复定位误差要小。
（尺寸精尺寸精度度）动态：
动态：
动态：
动态：
跟随精度，这是动态性能指标，跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。
用跟随误差表示。
（轮廓精度轮廓精度）灵敏度要高，有足够高的分辩率。
灵敏度要高，有足够高的分辩率。
3.3.负载特性要硬负载特性要硬在系统负载范围内，在系统负载范围内，当负载变化时，输当负载变化时，输出速度应基出速度应基本不变。
本不变。
即即FF尽可能小；尽可能小；当负载突变时，要当负载突变时，要求速度的恢求速度的恢复时间复时间短且无振荡。
即短且无振荡。
即tt尽可能短；尽可能短；应有足够的过载能应有足够的过载能力。
力。
这是要求伺服系统有这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。
良好的静态与动态刚度。
tFtF4.4.响应速度快且无超调响应速度快且无超调这是对伺服系统动态这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间的运动速度的建立时间tptp应尽可能短。
应尽可能短。
通常要求从通常要求从0Fmax0Fmax（Fmax0Fmax0），），其时间应小于其时间应小于200ms200ms，且不能有超调，否则对且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于机械部件不利，有害于加工质量。
加工质量。
tFtp5.5.能可逆运行和频繁灵活启停。
能可逆运行和频繁灵活启停。
6.6.系统的可靠性高，维护使用方便，成本系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。
低。
综上所述：
对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。
第二节第二节进给伺服系统的位置检进给伺服系统的位置检测装置测装置一、概一、概一、概一、概述述述述组成组成组成组成：
位置测量装置是由检测元件（传感器）：
位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。
和信号处理装置组成的。
作用作用作用作用：
实时测量执行部件的位移和速度信号，：
实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。
它是闭环、半闭环进给伺服系统施闭环控制。
它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
的重要组成部分。
闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
必须精心选择位置检测装置。
1.进给伺服系统对位置测量装置的要求pp高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性：
受温度、湿度的影响小，工作可靠，受温度、湿度的影响小，工作可靠，精精度保性好，抗干扰能力强；度保性好，抗干扰能力强；pp能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求：
位置检测装置分辨率应高于数控机床的分位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；辨率（一个数量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应数控位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。
机床的最高运行速度。
pp使用维护方便使用维护方便使用维护方便使用维护方便，适应机床工作环境适应机床工作环境适应机床工作环境适应机床工作环境；pp成本低成本低成本低成本低。
2.位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：
按输出信号的形式分类：
数字式和模拟式数字式和模拟式数字式和模拟式数字式和模拟式按测量基点的类型分类：
按测量基点的类型分类：
增量式和绝对式增量式和绝对式增量式和绝对式增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：
按位置检测元件的运动形式分类：
回转型回转型回转型回转型和直线型和直线型和直线型和直线型常用位置检测装置分类表二.感应同步器感应同步器1.1.感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类pp结构结构节距2（2mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板（钢、铜）节距（0.5mm）q分类分类感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理.感感应应同同步步器器是是利利用用励励磁磁绕绕组组与与感感应应绕绕组组间间发发生生相相对对位位移移时时，由由于于电电磁磁耦耦合合的的变变化化，感感应应绕绕组组中中的的感感应应电电压压随随位位移移的的变变化化而而变变化化，借借以以进进行行位位移移量量的的检检测测。
感感应应同同步步器器滑滑尺尺上上的的绕绕组组是是励励磁磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。
绕组，定尺上的绕组是感应绕组。
q感应同步器的工作原理U0U01USUSUSUSUS定尺滑尺q感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：
Uos=KUScos滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：
UocUoc=KUccos=KUccos（+/2+/2）=KKUcsinUcsin滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压UsUs、UcUc时，感应同步器的磁路可是为线性的，时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组绕组上的总感应电压为：
上的总感应电压为：
UoUo=Uos+Uos=Uos+Uos=KUScosKUScosKKUcsinUcsinKK电磁感应系数电磁感应系数定尺绕组上的感应电压的相位角定尺绕组上的感应电压的相位角pp滑尺与定尺滑尺与定尺相对位移量相对位移量xx的求取：
的求取：
22:
2=x2=x:
x=1x=1结论：
结论：
结论：
结论：
相对位移量相对位移量xx与与相位角相位角呈线性关系，只呈线性关系，只要能测出相位角要能测出相位角，就可求得位移量就可求得位移量xx。
根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压UsUs、UcUc供电供电方式的不同可构成不同检测系统方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系鉴相型系统和鉴幅型系统。
统和鉴幅型系统。
鉴相型系统的工作原理在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为/2的交变电压US=UmsintUC=Umcost则：
Uo=Uos+Uos=KUScosKUcsin=KUmsintcosKUmcostsin=KUmsin（t）结论：
结论：
只要能测出Uo与US相位差，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。
鉴幅型系统的工作原理在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：
值不同的交变电压：
US=Umsin2sintUC=Umcos2sintUS=Umsin2sintUC=Umcos2sint2=x22=x2（x2x2是指令位移值）是指令位移值）UoUo=UosUos+UosUos=KUScos1=KUScos1KUcsin1KUcsin1=KUmsin2cos1sint=KUmsin2cos1sintKUmcos2sintsin1KUmcos2sintsin1=KUmsin=KUmsin（2211）sintsint结论：
结论：
结论：
结论：
只要能测出只要能测出UoUo与与UCUC相位差相位差11，就可求得滑尺与就可求得滑尺与定尺定尺相相对位移量对位移量xx。
5.几点说明pp感应同步器的测量周期为其绕组的节距感应同步器的测量周期为其绕组的节距22（2mm2mm）pp感应同步器的测量精度取决于测量电路对感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。
输出感应电压的细分精度。
pp现在商品化的感应同步器的输出大多是脉现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便冲量，使其能方便地采用现代的数字处理地采用现代的数字处理技术技术感应同步器的特点及使用注意事项pp特点特点精度高：
平均自补偿特性；精度高：
平均自补偿特性；对环境的适应能力强：
抗湿、温度、对环境的适应能力强：
抗湿、温度、热变形影响的能力强；热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：
非接触测量，无维护简单、寿命长：
非接触测量，无磨损，精度保持性好。
磨损，精度保持性好。
测量距离长：
通过接长可满足大行程测量测量距离长：
通过接长可满足大行程测量的要求。
的要求。
串联方式n10串并联方式n10pp使用注意事项使用注意事项在安装方面：
在安装方面：
保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）在电气方面：
在电气方面：
要保证激磁电压波形的对称性和保真性。
要保证激磁电压波形的对称性和保真性。
对鉴相系统：
对鉴相系统：
激磁电压的幅值、频率相等；相位激磁电压的幅值、频率相等；相位差差909000对鉴幅系统：
对鉴幅系统：
对对Umsin2Umsin2、Umcos2Umcos2调制的精确调制的精确性性,当失真度大于当失真度大于2%2%时，将严重影响测量精度。
时，将严重影响测量精度。
三.脉冲编码器脉冲编码器脉脉冲冲编编码码器器又又称称码码盘盘，是是一一种种回回转转式式数数字字测测量量元元件件，通通常常装装在在被被检检测测轴轴上上，随随被被测测轴轴一一起起转转动动，可可将将被被测测轴轴的的角角位位移移转转换换为为增增量量脉脉冲冲形形式式或或绝绝对对式式的的代代码码形形式式。
根根据据内内部部结结构构和和检检测测方方式式码码盘盘可可分分为为接接触触式式、光光电电式式和和电电磁磁式式33种种。
其其中中，光光电电码码盘盘在在数数控控机机床床上上应应用用较较多多，而而由由霍霍尔尔效效应应构构成成的的电电磁磁码码盘盘则则可可用用作作速速度度检检测测元元件。
另外，它还可分为绝对式和增量式两
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