8数控机床的进给伺服系统2

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1、第八次课授课提纲五、数控机床的位置检测装置（一）对位置检测装置的要求闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检测装置，常用的有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等。位置检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度。不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。一般要求测量元件的分辨率（测量元件能测量的最小位移量）在0.0001～0.01mm之内，测量精度为0.

2、001～0.02mm，运动速度为0～24m/min。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰性强（2）满足精度和速度的要求（3）便于安装和维护（4）成本低、寿命长。（二）常用的位置检测装置1．旋转变压器（1）旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。在实际应用中，考虑到使用的方便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴

3、相式和鉴幅式两种工作方式。a.鉴相工作方式如图2-20所示为四极旋转变压器，给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位相差π/2的交流励磁电压，即:u1s＝UmSinωtu1c＝UmCosωt（2—1）在转子绕组的其中一个绕组接一高阻抗，它不作为旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是为了提高测量精度。这两个励磁电压在转子的另一绕组中都产生了感应电压，并叠加在一起，因而转子中的感应电压应为这两个电压的代数和，即：u2＝ku1sSinθ＋ku1cCosθ＝kUmSinωtSinθ＋kUmCosωtCosθ＝kUmCos(ωt-θ)（2—2）同理，假

4、如转子逆向转动，可得：u2＝kUmCos(ωt＋θ)（2—3）由式（2—1）和（2—2）可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势u2与定子绕组中的励磁电压同频率，但相位不同，其差值为θ。而θ角正是被测位移，故通过比较感应电势u2与定子励磁电压输出电压u1c的相位，便可求出θ。-4-b.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交变励磁电压，即：u1s＝UsmSinωtu1c＝UcmSinωt（2—4）其中，幅值分别为正弦、余弦函数，即：Usm＝UmSinαUcm＝UmCosα式中α角可改变，称为旋转变压器的电气角。则在转子上的叠加感应电压

5、为：u2＝ku1sSinθ＋ku1cCosθ＝kUmSinαSinωtSinθ＋kUmCosαSinωtCosθ＝kUmCos(α-θ)Sinωt(2—5)如果转子逆向转动，可得：u2＝kUmCos(α+θ)Sinωt(2—6)由上式（2－5）和（2－6）可得，转子感应电压的幅值随转子的偏转角θ而变化，测量出幅值即可求得转角θ。在实际应用中，应根据转子误差电压的大小，不断修改励磁信号中的α角（即励磁幅值），使其跟踪θ的变化。（2）旋转变压器的应用由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等

6、特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床上。2．感应同步器感应同步器也是一种非接触电磁式测量装置，它可以测量角位移或直线位移。感应同步器的特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命长且维护简单。（1）感应同步器的结构和工作原理感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器

7、由定尺和滑尺两部分组成，如图2-21所示。图2-22表示了定尺绕组感应电压与定尺、滑尺之间相对位置的关系。（2）感应同步器的工作方式同旋转变压器工作方式相似，根据滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位工作方式和幅值工作方式两种情况。①相位工作方式（鉴相工作法）给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以同频、同幅但相位相差的交流励磁电压，即:-4-由于定尺绕组的感应电压滞后滑尺绕组的励磁电压90º，当滑尺移动时，定尺绕组中产生的感应电压为:式中,为耦合系数；为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角，，其中为滑尺相对定尺的位移量，为节距。应用叠加原理

8、，定尺绕组上的感应电压为-=由上述分析可知，在相位工作方式中，感应输出电压是一个