【正文】 相同。 10輸出的負(fù)脈沖同時(shí)封鎖 3和 7，使指令脈沖和反饋脈沖不能通過 3和 7而進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 相位比較伺服系統(tǒng) 一、相位比較伺服系統(tǒng)組成 相位比較伺服系統(tǒng)的檢測(cè)元件可以是旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵等。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （ 1）能輸出一系列具有一定頻率的脈沖信號(hào)，為伺服系統(tǒng)提供一個(gè)相位比較基準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。 （ 5）將鑒相器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器。實(shí)現(xiàn)相位比較的比較器為鑒相器。如(圖 56)所示為 Pc+=2時(shí)的相位比較波形圖。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 56 相位比較波形圖（一）數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 56 相位比較波形圖（二）數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 4. 隨著工作臺(tái)的繼續(xù)正向移動(dòng)，實(shí)際相位 超前基準(zhǔn)相位 的數(shù)值增加，當(dāng) 時(shí)，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號(hào)為零，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停止在指令所要求的位置上，如圖 56所示。 至于一個(gè)脈沖相當(dāng)于多少相位增量，取決于脈沖 — 相位變換器中的分頻系數(shù) N和脈沖當(dāng)量。=176。）。由基準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖信號(hào) f0分成兩路。在基準(zhǔn)脈沖信號(hào)觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器和 X計(jì)數(shù)器之前，先向 X計(jì)數(shù)器輸入一定數(shù)量的指令脈沖 PC+。 X計(jì)數(shù)器輸入端同樣接收到 N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，但由于先前 X計(jì)數(shù)器已接收了 PC個(gè)正指令脈沖，實(shí)際上 X計(jì)數(shù)器接收了N+PC個(gè)脈沖，所以它的輸出在變化到 360176。若指令脈沖為 PC+， 則標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器在接收到 N1＜ N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，即輸出還沒有到達(dá)一個(gè)周期時(shí)， X計(jì)數(shù)器已經(jīng)接收了 N1+PC=N個(gè)脈沖，完成了一個(gè)周期。這個(gè)功能由脈沖加減器完成，如圖 510所示。當(dāng)沒有指令脈沖時(shí)，與非門 Ⅰ 開， A脈沖由此通過。由于 、錯(cuò)相 180176。半加器輸出的邏輯函數(shù)為 。此時(shí)， =1， =0，上與門輸出為 1，下與門輸出為 0，或門輸出端 S=1。從圖中可以看出， S信號(hào)是一個(gè)周期的方波脈沖，它的波脈寬度與 、 兩信號(hào)的相位差 △ 成正比。輸出端為 NE的觸發(fā)器 由下降沿觸發(fā)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是所有的位置檢測(cè)元件都工作在幅值工作方式。它主要由以下部分組成： 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ① 完成指令脈沖與反饋脈沖比較的比較器。 ⑤ 為感應(yīng)同步器正、余弦繞組提供信號(hào)的勵(lì)磁電路。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (2) 幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理 當(dāng)采用幅值工作方式時(shí)，感應(yīng)同步器滑尺正弦繞組和分別輸入頻率相同、幅值成正交關(guān)系的勵(lì)磁信號(hào)：式中 —— 勵(lì)磁信號(hào)的電壓幅值； —— 已知的電氣角，系統(tǒng)中可通過改變角的大小來控制滑尺勵(lì)磁信號(hào)的幅值； —— 正弦交變勵(lì)磁信號(hào)的角頻率。所以幅值比較伺服系統(tǒng)中，若要獲得 和 之間的關(guān)系，只需要檢測(cè)的電動(dòng)勢(shì)即可。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng)具體的工作過程如下：初始狀態(tài)時(shí)工作臺(tái)靜止不動(dòng)，指令脈沖 ， ， 經(jīng)鑒幅器檢測(cè)定尺繞組的電動(dòng)勢(shì)幅值為 0，由電壓－頻率變換電路得到反饋脈沖 Pf也為 0。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 于是，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)正向進(jìn)給，同步感應(yīng)器滑尺相對(duì)于定尺產(chǎn)生位移。直到使位置偏差 Pe=PC－ Pf=0， 伺服電動(dòng)機(jī)速度給定值 0。 從上可以看出，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，勵(lì)磁信號(hào)的電氣角 是由系統(tǒng)設(shè)定的，并跟隨工作臺(tái)的進(jìn)給而被動(dòng)變化的，所以可以利用作為工作臺(tái)實(shí)際位置的測(cè)量值。該信號(hào)首先通過低通濾波器 Ⅰ ，濾去交變信號(hào)中的高次諧波和干擾信號(hào)，獲得較為理想的正弦波形。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 工作臺(tái)做正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于反向器 A2的作用，使 e0負(fù)半周也變成正半周信號(hào)。 E0m增大， UF也跟著增大，所以的大小實(shí)際上反映了 θ 和 之間相位差的大小。由于電壓 UF是雙極性的， UF電壓經(jīng)極性處理電路后，使 Un成為 UF的絕對(duì)值，且始終大于 0。由于模擬量勵(lì)磁方式易受外界干擾而影響精度，所以比較多地采用脈沖調(diào)寬式勵(lì)磁方式。 其中 U1的脈寬為 2 ， U2的脈寬為 π － 2 。 圖 515是脈沖調(diào)寬矩形脈沖發(fā)生器原理圖，其中脈沖加減器和兩個(gè)分頻系數(shù)相同的分頻器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖 和 的頻率是在時(shí)鐘脈沖的基礎(chǔ)上，按位置反饋脈沖 Pf和電壓－頻率變換器輸出信號(hào) US的狀態(tài)進(jìn)行加減的。此時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁信號(hào)為 sin0176。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向信號(hào) Ux， 使兩分頻器中一個(gè)做加，一個(gè)做減，于是產(chǎn)生向前移相信號(hào) A和向后移相信號(hào) B。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 速度控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)的方式 經(jīng)位置控制的脈沖比較、相位比較或幅值比較獲得的位置偏差均以脈沖的形式存在，該位置偏差經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換后，形成速度控制信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)一般輸出的速度控制信號(hào)為模擬電壓－ 10～ +10V， 作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制信號(hào)。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 速度指令 VC=位置偏差 Pe 位置增益 KV。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 速度指令寄存器和粗、精減法計(jì)數(shù)器 圖 517是位置控制的硬件部分。8191 。 粗計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率是 125MHZ， 每減一個(gè)數(shù)的頻率是8μs ， 最大計(jì)數(shù)值是 16，共用 128μs 。這樣，脈寬調(diào)制器就可將速度指令寄存器中的速度指令值 VC變換成周期等于置數(shù)周期 T（ 128us）， 而寬度與 VC值成正比的調(diào)寬脈沖（包括 MPC和 MPF）。 此時(shí)與非門 Ⅱ 的輸出為正， c的輸出為負(fù)；因 MP為正，因而 b的輸出為負(fù)， B 、 C兩門都關(guān)閉。粗精計(jì)數(shù)器都是減法計(jì)數(shù)器，從兩個(gè)計(jì)數(shù)器置入數(shù)開始計(jì)算，當(dāng)把置入的數(shù)減到零時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束。當(dāng)精計(jì)數(shù)器的置數(shù)值為 511時(shí)（低 9位每位都是二進(jìn)制的 1）正半周的寬度等于置數(shù)周期，負(fù)半周為 0，當(dāng)粗計(jì)數(shù)器的置數(shù)值為 15時(shí)，在全部置數(shù)周期內(nèi)（ 128μs ） 輸出高電平。它的直流平均電壓 UNP（ 單位為 V） 可以表示如下： 作用就是要將不帶符號(hào)的 MP變化成反映正、負(fù)速度指令的標(biāo)準(zhǔn)電壓 UNP（ 包括 UNPC和 UNPF）， 其波形如圖 519所示。 這樣速度控制電壓 VCMD約在－ 10～ +10 V范圍內(nèi)線性變化，該電壓作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制電壓，其大小決定了伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，正、負(fù)號(hào)決定了伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)進(jìn)給速度的調(diào)整和正、反向進(jìn)給。措施 1是降低粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 位置控制實(shí)例 進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制一般采用大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片，也可采用通用芯片構(gòu)成位置控制模板。 的序列脈沖， PC為零標(biāo)志脈沖。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (3) 位置增益 將位置偏差乘以位置增益 KV， 獲得速度指令值 VC。 (5) 速度指令脈寬調(diào)制 PWM 其作用就是將速度指令調(diào)制成某一固定頻率，寬度與位置偏差成正比的矩形波脈沖，輸出粗誤差指令 CCMD和精誤差指令 FCMD。 (8) 地址譯碼器 控制芯片內(nèi)部各數(shù)據(jù)和寄存器的地址選擇。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2. MB8720 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) MB8720也是 FANUC公司專用位置控制芯片。位置偏差增量 ΔP e乘以位置增益及偏移補(bǔ)償后得到速度指令值 VC送MB8720。 MB8720輸出的 sin、 cos信號(hào)經(jīng)過位置檢測(cè)電路中的濾波、放大后加到旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器中的正、余弦勵(lì)磁繞組上。 位置控制輸出組件的作用是將數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字形式輸出的跟隨誤差轉(zhuǎn)換為伺服驅(qū)動(dòng)所需的速度電壓信號(hào)。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 西門子數(shù)控系統(tǒng)所有的位置控制模板，如 MS2 MS250和 MS300等都是一些典型產(chǎn)品。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在圖 523中，增量式光電編碼器或光柵輸出信號(hào) 和 、 和 、 和 的定義及作用可參見第三章第二節(jié)光電編碼器 和 ， 和 ， 和 信號(hào)。在位置測(cè)量組件中，由 X11 X12 X131端輸入的位置檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)辨向、倍頻及零標(biāo)志計(jì)數(shù)等處理，作為實(shí)際位置值再由軟件進(jìn)行位置偏差計(jì)算。 此外，在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁大孔，或進(jìn)行反倒角等加工時(shí)，采用主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定位置（ X軸或 Y軸上），以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖能通過前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對(duì)大孔進(jìn)行鏜削，如圖 524所示。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 準(zhǔn)停指令發(fā)出后，主軸減速，無觸點(diǎn)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)并斷開主傳動(dòng)鏈，主軸及與之相連的傳動(dòng)件由于慣性繼續(xù)空轉(zhuǎn)。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 525 V形槽定位盤準(zhǔn)停裝置1定位液壓缸 2滾輪 3無觸點(diǎn)開關(guān) 4感應(yīng)塊 5V形槽定位盤 6主軸 7定位行程開關(guān) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 磁性傳感器和編碼器準(zhǔn)停裝置 磁性傳感器和編碼器準(zhǔn)停是主軸電氣定向控制方式，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床大都采用此控制方式。當(dāng)主軸需要定向時(shí)，發(fā)出主軸定向指令，主軸立即處于定向狀態(tài)，當(dāng)發(fā)磁體的判別基準(zhǔn)孔轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)磁性傳感器上的基準(zhǔn)槽時(shí)，主軸便停在規(guī)定的位置上。 ～ 360176。 （ 2）主軸在高速時(shí)直接定向，不必采用齒輪減速，定向時(shí)間大為縮短。伺服系統(tǒng)的性能包括穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 典型輸入信號(hào) 在伺服系統(tǒng)的分析中常用以下兩種典型的輸入信號(hào)： （ 1）位置階躍輸入 點(diǎn)位控制伺服系統(tǒng)以位置階躍的信號(hào)形式進(jìn)行給定輸入，如圖 529所示，當(dāng)階躍的幅值 =1時(shí)，稱為單位階躍信號(hào)。凡是力圖使系統(tǒng)脫離給定輸入跟蹤的輸入量，統(tǒng)稱為擾動(dòng)輸入。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖中， R(t)為斜坡輸入， C(t)為跟蹤響應(yīng)輸出。例如，在ti時(shí)刻，指令位置在 Ci位置，此時(shí)實(shí)際位置在 點(diǎn)，跟隨誤差 。數(shù)控機(jī)床的高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)提高了加工效率，但為了同時(shí)保證加工精度，就對(duì)伺服系統(tǒng)提出了更高的要求。 對(duì)給定輸入的跟隨性能指標(biāo) 對(duì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通常用輸入單位階躍信號(hào)，然后觀察它的輸出響應(yīng)過程，從而來評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)性能的好壞。 （ 3）調(diào)節(jié)量 MP％ 系統(tǒng)輸出響應(yīng) tP時(shí)刻到達(dá)最大值其超出穩(wěn)態(tài)值的部分與穩(wěn)態(tài)值的比值稱為超調(diào)量，通常取百分?jǐn)?shù)形式，即 （ 4） 振蕩次數(shù) N N為響應(yīng)曲線在 ts時(shí)刻之前發(fā)生振蕩的次數(shù)。常用最大動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的抗干擾能力。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 根據(jù)伺服系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求，抗干擾性能應(yīng)使各種擾動(dòng)輸入對(duì)系統(tǒng)跟蹤精度的影響減小至最小。但對(duì)連續(xù)切削控制系統(tǒng)，由于一邊進(jìn)給，一邊要加工零件的輪廓，除了要求定位精度準(zhǔn)確外，在整個(gè)進(jìn)給過程中，要求能穩(wěn)定而靈敏地跟隨指令，使實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡盡量接近程序給定的軌跡，即要求具有高的輪廓跟隨精度。輪廓跟隨精度的測(cè)量比較困難，一般通過切削加工一定輪廓形狀的工件，檢驗(yàn)其加工誤差來評(píng)價(jià)。 角，如圖 533a所示。 （ 2）用 X、 Y坐標(biāo)的圓弧插補(bǔ)，試件如圖 533所示，對(duì)圓周面進(jìn)行精銑，把吃刀量約為 。在加工中可能產(chǎn)生的輪廓誤差有兩軸聯(lián)動(dòng)加工直線的輪廓誤差和加工圓弧的輪廓誤差。 當(dāng) KVX=KVY時(shí)， ΔK V=0， 所以 ε=0 。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ 2）加工圓弧的輪廓誤差 圖 535所示為跟隨誤差對(duì)圓弧加工的影響。同時(shí)可以看出，加工圓弧的半徑愈大，加工誤差愈小。因此，要求數(shù)控機(jī)床各軸的系統(tǒng)增益盡量接近。在全數(shù)字的數(shù)控系統(tǒng)中，由于數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)的總線通信，因此位置環(huán)和速度環(huán)的參數(shù)調(diào)整可在 CRT/MDI上進(jìn)行，并可通過 CRT /MDI監(jiān)控伺服系統(tǒng)的狀態(tài)。用于輪廓加工的連續(xù)控制應(yīng)選用高增益系統(tǒng)，而低增益系統(tǒng)多用于點(diǎn)位控制。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，要求有較大的增益，以克服由靜摩擦等因素引起的控制 “ 死區(qū) ” ，避免工作臺(tái)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。若取調(diào)速比 N為 1000， KV=17 1/s， 則對(duì)應(yīng)于最高進(jìn)給速度 的脈沖頻率 ： 對(duì)應(yīng)于 的最小時(shí)間間隔 ，即系統(tǒng)必須在該時(shí)間內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測(cè)與控制的運(yùn)算。 圖 536所示為 SINUMERIK810CNC位置伺服監(jiān)控 CRT顯示，表 53為監(jiān)控參數(shù)的說明。在混合式伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)控制在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行，并由 CNC插補(bǔ)得出位置指