【正文】 第四節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) —— 直流伺服電機(jī) School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 ? 寬調(diào)速（大慣量）直流伺服電機(jī) ? 結(jié)構(gòu)特點：轉(zhuǎn)子慣量大，響應(yīng)特性由大功率驅(qū)動系統(tǒng)保證 ? 性能特點 1）輸出轉(zhuǎn)矩大：不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)動負(fù)載。 4）最大扭矩為額定值的 10倍，過載能力強(qiáng)。 2）電樞反應(yīng)小，換向性好，電機(jī)時間常數(shù)?。ㄖ挥袔缀撩耄?。 2）長徑比大、慣量小。 20世紀(jì) 8090年代中期，永磁式直流伺服電機(jī)在 NC機(jī)床中廣泛采用 。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 第四節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 其工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機(jī)中的氣隙磁場，直流電機(jī)的勵磁繞組所建立的磁場是電機(jī)的主磁場。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 脈沖編碼器 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 第四節(jié) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，伺服系統(tǒng)對執(zhí)行元件有如下要求： ? 調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定，低速運行的穩(wěn)定性和均勻性好； ? 具有足夠的負(fù)載能力； ? 可減少電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量； ? 可頻繁啟動、停止及換向。 ? 組成及原理： 編碼盤、信號產(chǎn)生元件、信號接收元件。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 脈沖編碼器 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 1. 增量式編碼器 ? 組成： 光源、光電盤、光電接收元件 ； ? 工作原理 ： 信號處理 ：信號接收、放大、整形及反饋； 方向辨別 ： DA、 DB空間相差 90o； 基準(zhǔn)脈沖 ：由 DC產(chǎn)生； ? 缺點 ：停電或停機(jī)后，無法找到原始位置 。 其中 ， 光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多 ，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件 。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 光柵尺 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 四、 脈沖編碼器 脈沖編碼器又稱碼盤 ， 是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件 ，通常裝在被檢測軸上 ， 隨被測軸一起轉(zhuǎn)動 ， 可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式 。 嚴(yán)格來說： 橫向莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。 柵距：光柵上相鄰兩刻線間的距離。 3 、原理 1） 指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬； 2） 平行裝配，且無摩擦； 3） 兩尺條紋之間有一定夾角； 4） 當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對運動時，會產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動一個柵距時，莫爾條紋也移動一個紋距。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 光柵尺 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 三、光柵 光柵尺外形圖 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 光柵尺 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 種類： 光柵的分類：物理光柵和計量光柵； 光柵的運動方式：長光柵和圓光柵； 光線的走向：透射光柵和反射光柵。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。 光柵由標(biāo)尺和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 光柵尺 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 三、光柵 光柵尺在現(xiàn)代工業(yè)的貢獻(xiàn)也是非常巨大的，不僅僅將現(xiàn)在加工精度進(jìn)一步完善，更重要的是提高了現(xiàn)在加工時的工作效率。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。它是將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，反饋給 CNC或數(shù)顯裝置來實現(xiàn)閉環(huán)控制的。 – 應(yīng)用時根據(jù)測量范圍不同，可以將多塊定尺拼接。 – 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 。 ，間隙變化控制范圍 . ? 特點： – 精度高：分辨率可達(dá) 。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 感應(yīng)同步器 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 1. 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu) 相當(dāng)于展開的多級旋轉(zhuǎn)變壓器。 定尺 sin cos 節(jié)距 2τ（ 2mm） 節(jié)距（ ） 41 絕緣粘膠 銅箔 鋁箔 耐切削液涂層 基板 (鋼、銅 ) 滑尺 當(dāng)在滑尺繞阻施加激勵交變電壓時，在定尺繞阻可感應(yīng)出與兩尺位置有關(guān)系的交變電壓?；呱现朴袃山M分段繞組，分別稱為正弦和余弦繞組。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 感應(yīng)同步器 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 3秒 二 . 感應(yīng)同步器 1. 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類 原理：利用兩個平面印刷電路繞組的互感隨兩者的位置變化而變化，類似于變壓器的原邊和副邊。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。它是利用滑尺上的勵磁繞組和定尺上的感應(yīng)繞組之間相對位置的變化而產(chǎn)生電磁耦合的變化，從而發(fā)出相應(yīng)的位置電信號來實現(xiàn)位移檢測的。 π 以內(nèi)，才能唯一確定θ 的大小，屬于動態(tài)跟隨檢測和增量式檢測。 ） 工作原理： 根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應(yīng)電動勢最大；垂直時互感為零，副邊感應(yīng)電動勢最小，如圖。 E 2 = KVmSinω t 式中 : E 2—轉(zhuǎn)子 繞組 感應(yīng)電勢； V1—定子 繞組勵 磁電壓 V1=Vmsinω t； Vm—電壓信號幅值； α —定 、 轉(zhuǎn)子 繞組軸線間夾角； K—變壓比 （ 即繞組匝數(shù)比 ） V1=Vmsinωt V1 V1 E 2=0（ α = 90176。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 —— 旋轉(zhuǎn)變壓器 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 E2= KV1cosα =KVmsinω tcosα α =90176。兩者平行時感應(yīng)電動勢最大；兩者垂直時感應(yīng)電動勢為零。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙內(nèi)的磁通分布呈正（余）弦規(guī)律。 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理 有刷旋轉(zhuǎn)變壓器：轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。 圖示的是一種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)，左邊為分解器，右邊為變壓器。 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器沒有電刷和滑環(huán)，由分解器和變壓器兩部分組成。 在有刷結(jié)構(gòu)中，定子和轉(zhuǎn)子上均為兩相交流分布繞組。 分為有刷和無刷兩種。也可用于坐標(biāo)變換、三角 運算和角度數(shù)據(jù)傳輸、作為兩相移相器 用在角度 數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置中。 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 常用位置檢測裝置分類表 數(shù)字式 模擬式 增量式 絕對式 增量式 絕對式 回轉(zhuǎn)式 ? 脈沖編碼盤 ? 圓光柵 ? 絕對式脈沖編碼盤 ? 旋轉(zhuǎn)變壓器 ? 圓感應(yīng)同步器 ? 圓磁尺 ? 三速圓感應(yīng)同步器 直線式 ? 直線光柵 ? 激光干涉儀 ? 多通道透射光柵 ? 直線感應(yīng)同步器 ? 磁尺 ? 三速感應(yīng)同步器 ? 絕對磁尺 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 ? 常用位置檢測裝置分類 : School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 一、旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，適用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。 ? 檢測系統(tǒng)的選擇： – 大型機(jī)床：速度響應(yīng)要高； – 中小型和高精度機(jī)床：以滿足精度要求為主 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 ? 進(jìn)給伺服系統(tǒng)對位置測量裝置的要求 ? 高可靠性和高抗干擾性： 受溫度 、 濕度的影響小 ， 工作可靠 ， 精度保持性好 ，抗干擾能力強(qiáng)； ? 能滿足精度和速度的要求： – 位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率 （ 一個數(shù)量級 ） ； – 位置檢測裝置最高允許的檢測速度應(yīng)數(shù)控機(jī)床的最高運行速度 。 三、提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 檢測裝置是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。 – 螺矩誤差補(bǔ)償 雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機(jī)的運算處理能力，可以補(bǔ)償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進(jìn)給位移精度。 ? 提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 ? 適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； ? 采取各種精度補(bǔ)償措施。 第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng) School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 1） 如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振； 2） 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速； 3） 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩； 4） 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低； 5） 超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。 5） 步進(jìn)運行和低頻振蕩 步進(jìn)運行： 當(dāng)脈沖間隔大于步進(jìn)電機(jī)的過渡過程時，電機(jī)呈步進(jìn)運行狀態(tài) 低頻振蕩： 當(dāng)脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的固有頻率時，將產(chǎn)生振蕩（必要時可設(shè)可調(diào)阻尼器） 第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng) School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 1）由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性； 2） 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)； 3） 由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命； 4） 電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本； 5） 僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。 3） 最高啟動、停止脈沖頻率 ： 步進(jìn)電機(jī)所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負(fù)載實際啟、停所需的脈沖頻率。 。 第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng) School of Mechanical and Power Engineering 2022年 2月 15日星期二 4時 15分 2秒 1）步距角和靜態(tài)步距誤差 ?