模块二 - 图文

模块二 数控机床运动控制与位置检测

[模块教学内容] 1、介绍数控机床运动控制与位置检测系统的特点。 2、介绍数控机床常用伺服执行元件。 3、介绍数控机床伺服系统的结构原理及应用。 4. 介绍数控机床的主轴伺服系统及变频调速器 5、介绍数控机床的位置检测传感器。 [模块学习目标] 1、通过教学使学生对数控机床运动控制与位置检测系统有基本认识。 2、了解数控机床常用伺服执行元件。 3、掌握数控机床伺服系统的结构原理及应用。 4、掌握数控机床的主轴伺服系统及变频调速器的应用。 5、掌握数控机床位置检测传感器的基本工作原理和使用。

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单元一 概述

一、伺服系统的基本概念

在数控机床中，伺服系统是以机床的移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统。CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统驱动伺服电动机，通过机械执行部件，带动机床工作台的位移和主轴的运动。伺服系统作为数控机床的重要组成部分，其本身的性能直接影响了整个数控机床的精度和速度等技术指标。

数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统，进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。它的性能决定了数控机床的最大进给速度，定位精度等。主轴伺服系统控制机床主轴的旋转运动，随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。

二、对伺服系统的基本要求

随着数控技术的不断发展，数控机床对伺服系统提出了很高的要求。一般对伺服系统有如下要求：

（1）精度高。伺服系统要具有较好的定位精度和轮廓加工精度，定位精度一般为0.01—0.001mm，甚至0.1um。轮廓加工精度与速度控制和联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求高的调速精度，较强的抗干扰能力。

（2）快速响应。为了提高生产率和保证加工精度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调小，否则将形成过切，影响加工质量。同时，要求系统的相对稳定性好，当系统受到干扰时，振荡小，恢复时间快。

（3）调速范围宽，在数控机床中，要求进给伺服系统的速度达到

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1-24000mm/min的范围，即在1：24000的调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。在零速时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度。对主轴伺服系统一般要求1：100——1000范围内的恒转矩调速和1：10以上的恒功率调速，且有足够大的输出功率。随着高速加工技术的发展，要求主轴具有更高的转速，如当前国内外生产的电主轴，最高转速从10000r /min到150000r/min，功率从0.5kw到80kw。

三、 伺服控制系统的分类

1．按伺服执行元件分类，可分为步进电动机伺服系统，直流伺服系统，交流伺服系统等，对于伺服执行元件，将在下面分类讨论。

2．按照被驱动的机构分类，可分为进给伺服系统、主轴伺服系统，刀库伺服系统等。 四、常用伺服执行元件

为了满足数控机床对伺服系统的要求，对电气伺服系统的执行元件——伺服电动机也必须有较高的要求：

（1）电动机从最低速度到最高速度范围内都能平滑地运转；转矩波动要小，尤其在最低转速时，仍要有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。

（3）要求电动机的可控性好、转动惯量小、响应速度快。 （4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。

常用的进给伺服执行元件主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机等，近来直线电动机也被应用在数控机床和加工中心上。常用的主轴伺服元件，有直流主轴电动机、交流主轴电动机等，随着高速加工技术的发展，电主轴在数控机床和加工中心上也得到了越来越多的应用。下面分别介绍常用伺服执行元件的工作原理。

1．步进电动机

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由步进电动机所组成的开环进给驱动装置比较简单易调，在六、七十年代，这种电动机在数控机床上的应用曾风行一时，现在，一般的标准型数控机床上已不使用，但在经济型数控机床上，仍使用步进电动机作为进给伺服系统的驱动装置。

步进电动机具有以下主要特性：

1）步距角.步进电动机的步距角是定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电动机结构和控制方式。感应式步进电动机步距角可做到很，小到零点几度。

a?360?360??mzknz式中m——定子相数

z ——转子齿数

k——控制方式确定的拍数与相数的比例系数。如在三相三拍时，k=1，三相六拍时，k=2

n——定子相数和运行拍数之乘积。

2）静态步距误差.步进电动机每走一步的步距角a应是圆周360?的等分值。但是实际的步距角与理论值有误差。在一转内各步距误差的最大值，被定为步距误差。步距误差不积累。

3）静态矩角特性.当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转矩 T称为静态转矩，角度θ称为失调角。描述静态时T与θ的关系叫静态矩角特性，见图3-4a）该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。

4）起动频率.空载时，步进电动机由静止状态突然起动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为起动频率。步进电动机在负载下的起动频率比空载要低，随着负载加大，起动频率会进一步降低。

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5）连续运行频率，是步进电动机起动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率，其值远大于起动频率。它也随电动机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大的关系。

6）矩频特性与动态转矩. 矩频特性T=f（f）是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与运行频率之间的关系的曲线，如图3-4b) 所示。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。使用时，一定要考虑动态转矩随运行频率的上升而下降的特点。

上述步进电动机的主要特性除了步距角和步距误差外，其它几项均与驱动电源有很大关系。如驱动电源性能好，步进电动机的特性可得到明显改善。

2．直流伺服电动机

由于数控机床对伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此，以往的数控机床的伺服驱动均采用直流伺服电动机。虽然当前交流伺服电动机已逐渐取代直流伺服电动机，但有些场合直流伺服电动机仍在采用。常用的直流伺服电动机有下面几类：

（1）改进型直流电动机

在普通的他激直流电动机中，由于电枢反应磁场的影响，使每极磁通降低，从而造成机械特性在大负载时呈上翘现象。为此在主磁极上加入一个匝数甚小的串激绕组（即与电枢绕组相串联）以便获得近似线性的机械特性。因为该串激绕组产生的磁势可以抵消电枢反应磁场的去磁作用，这种电动机转动惯量较小，过载能力强，调速范围宽，且具有较好的换向性能。它在静态特性和动态特性方面较普通直流电动机有所改善。

（2）小惯量直流伺服电动机

小惯量直流伺服电动机，具有较小的转动惯量，很适合于要求有快速响应的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量与机械传动系统匹配较差。小惯量直流电动机主要有无槽电枢电动机和印制绕组电动机。其中空心杯电枢电

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动机和印制绕组电动机由于其具有换向性好，旋转平稳，机电时间常数小，响应快，低速运转性能好，能承受频繁的可逆运转的特点，被应用在需要快速动作的电气伺服系统，如机器人的腕、臂关节及其他高精度伺服系统中。

（3）永磁式直流伺服电动机

数控机床大量采用的是永磁式直流伺服电动机，其定子磁极是永磁体，大多采用新型的稀土永磁材料，具有较大的矫顽力和较高的磁能积，因此抗去磁能力大为提高，体积大为减小。永磁式直流伺服电动机的转子同一般直流电动机相似，但电枢铁心长度要长，直径要小，气隙较小，在相同功率的情况下，转子惯量小。永磁式直流电动机也可分为小惯量与大惯量两类。大惯量电动机具有以下优点：

1）过载能力高（能产生10倍于额定力矩的瞬时转矩）满足了数控机床加减速的要求。

2）具有大的力矩与惯量比，快速性好。由于电动机自身惯量大，外部负载惯量相对来说较小，提高了抗机械干扰的能力，因此伺服系统的调整与负载几乎无关，大大方便了安装调试工作。

3）低速时输出的力矩大。这种电动机能与丝杠直接连接，省去了齿轮等传动机构，提高了机床的进给传动精度。

4）调速范围大。

直流电动机的缺点是需要电刷，因此限制了电动机转速的提高，且维护工作量大，在近年生产的数控机床上，更多的以交流伺服系统替代了直流伺服系统。

3．交流伺服电动机

近年来交流调速有了飞速的发展，它克服了直流伺服电动机在结构上存在整流子、电刷，维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制等缺点， 同时又发挥了坚固耐用，经济可靠及动态响应好等优点。

随着新型开关功率器件及控制算法的发展，交流伺服系统日益普及，已

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逐步取代了直流伺服系统。交流伺服电动机又可分为永磁同步交流伺服电动机和感应式异步交流伺服电动机。

（1） 同步交流伺服电动机

60f1p式中f1为电源频率；P为磁极对数 同步交流电动机的转速

n?从公式可见同步交流电动机的转速与所接电源的频率之间存在着严格的对应关系，即在电源频率固定不变时，它的转速稳定不变。若采用变频电源给同步电动机供电，可方便地获得与频率成正比的速度，同时可以得到较硬的机械特性及较宽的调速范围。目前永磁式同步电动机多用于数控机床的进给伺服系统。

（2）异步交流伺服电动机

异步交流伺服电动机也称感应式电动机或笼型电动机，它的定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环把它们联接成一个整体。当对称三相绕组接通对称三相电源后，由电源供给励磁电流，在定子和转子之间的气隙内建立起以同步转速旋转的旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子导条内产生感应电势。转子导条中就有电流流过，从而产生电磁转矩，使转子转动。因为转子绕组中的电流是由旋转磁场切割转子产生的，要产生一定的电流，转子转速必须低于磁场转速。因为如果两者转速相同，则不存在相对运动，转子导体将不切割磁力线，而感应电势、电流及电磁转矩也就不会产生。这一点与同步电动机有本质区别。异步交流电动机的转速

公式中S—转差率

异步交流伺服电动机的特点是结构简单，价格便宜，过载能力强。但与同步交流伺服电动机相比，其效率低，体积大，转子有较明显的损耗和发热。

n?60f1(1?s)p 7

在数控机床中大多使用在主轴伺服系统上。

4．直线电动机

直线电动机是一种新颖的电动机，近年来国外发展较快，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置。

直线电动机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

由上面演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，在实际应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，即可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，但是由于短初级在制造成本上，运行费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级

目前，在国际上直线电动机直接驱动开始应用于数控机床，出现了由直线电动机装备的加工中心，电加工机床以至大型机床。

直线电动机驱动具有高推力、高速度、高精度、平滑进给运动等特性，代表着一种新的生产力。机床进给系统采用永磁直线同步电动机直接驱动，取消了从电动机到工作台（拖板）之间的机械传动环节。避免了丝杠传动中的反向间隙，螺距误差、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。直线电动机系统的开发应用，将引起机床行业的传统进给机械结构发生突变；通过先进的电气控制，不仅简化了进给机械结构，更重要的是使机床的性能指标得到很大提高。

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单元二 步进电动机驱动装置

一、步进电动机驱动控制系统

步进电动机的驱动伺服系统见下图，加到步进电动机的定子绕组上的电脉冲信号，是由步进电动机的驱动控制器给出的，驱动控制器由环形分配器和功率放大器两部分组成。

1．环形分配器

环形分配器输入端的指令脉冲是CNC插补器输出的一系列指令脉冲，输出则加到步进电动机相应绕组的功率放大器的输入端。也就是说环形分配器的任务是把来自CNC的一列脉冲信号，按照一定的顺序分配到步进电机的每一相绕组上。

硬件的环形分配器可用数字集成电路系列中的基本门电路和触发器构成，但这样构成的环形分配器过于复杂，随着大规模集成电路技术的发展，现在，实用的环形分配器均是集成化的专用电路芯片，这些芯片通常还包括除脉冲分配控制之外的其它他功能。

2．功率放大器（驱动放大电路）

步进电动机是几相的，在驱动装置中就有几路驱动放大电路，五相步进电动机，在驱动装置中就有五路驱动电路，每一路连接步进电动机的一相绕组。功率放大器的作用是将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安到十几安的电流送至步进电动机的各绕组。

（4）细分驱动

上述的各种驱动线路，都是按照环形分配器决定的分配方式，控制电机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电动机的结构所确定。如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电机振动、噪音等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一

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部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动。现在很多国内外厂家生产的驱动控制器都带有细分的环形分配器，最大的细分数可达到几百步。

下图为西门子802S系统中步进电动机驱动系统的接线图。图中A、B、C、D、E为步进电动机的五相绕组，PULS为脉冲信号，DIR为方向信号，ENA为使能信号，RDY为驱动准备好信号。X7为CNC系统给驱动器的信号接口。L、N为驱动变压器给出的电源，PE为接地线。

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单元三 直流速度控制单元

在数控机床中的进给伺服系统，实质上就是一个调速系统，外加一个位置控制环构成的，在直流伺服系统中，常用的有晶闸管调速系统和晶体管PWM脉宽调制系统两类。在直流伺服系统中，现在大多采用永磁式直流伺服电动机。

直流电动机的机械特性公式为

n?UaRa?MCe?CeCm?2公式中n为电动机转速；Ua为电动机电枢端电压；Ce为反电势常数；φ为电动机磁通量；Ra为电枢电阻；Cm为力矩常数；M为电磁转矩。

因此直流电动机的调速方法，可以有三种方法：

（1）改变Ua,即改变电枢电压，此方法可得到调速范围较宽的恒转矩特性，适用于进给驱动和主轴驱动的低速段。

（2）改变磁通量φ，此方法可得到恒功率特性，它不适用于进给驱动，且永磁式直流电动机φ是不可变的。

（3）改变电枢回路的电阻Ra，此方法得到的机械特性较软，且不能实现无级调速，也不适用于数控机床。

在数控机床的进给驱动中，实际均采用的是改变电枢电压Ua的调速方法 1．晶闸管直流调速系统

用多个晶闸管可以构成多种整流电路，如单相半控桥、单相全控桥、三相半控桥、三相全控桥等。在对输出电压波形要求较高的数控机床中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主回路。图为一个具有二组三相全控桥式电路。通过对12个晶闸管触发角的控制，达到控制电动机电枢电压，从而达到了控制直流电动机调速的目的。

下图所示为晶闸管双闭环调速系统的框图。该系统由电流环和转速环双环组成。图中的速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成

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的PI调节器。IR为电流环的输入值，来自速度调节器的输出。IF为电流的反馈值，检测的是电动机电枢回路电流。VR是速度环的给定值，来自CNC系统的运算结果再经D/A转换后的模拟量参考值，一般取0-±10V直流电压。速度反馈元件可以采用测速发电机或脉冲编码器直接装到电动机的轴上，测速发电机发出的电压Uf，直接可以和Ur进行比较；而脉冲编码器发出的脉冲频率要经过频率/电压变换，转变为模拟量的电压值，再与Ur进行比较。

在双闭环调速系统中，最外环（速度环）起主导作用，当速度指令信号Ur增大时，Us增大，速度调节器的输出加大，IR也随之加大，从而使电流调节器的输出也加大，使脉冲触发器的脉冲前移，即晶闸管触发角前移，导通角增大，使SCR整流桥输出的直流电压增大，使电动机转速上升。当转速上升到Uf=UR时调节过程结束，系统达到稳态运行。当系统受到外界干扰时，如负载增加，转速下降，UF减小，US增大，同样经过这样一个调节过程，使转速回升到原稳态值，实现转速的无静差。

而电流环的作用，主要是在起动和堵转时，限制最大电枢电流，另外当扰动发生在内环之中时，如电网下降时，整流器输出电压随之降低。在电动机转速由于惯性未来得及变化之前，首失引起回路电流减小，反馈电流IF减小，Ei增加，电流调节器输出增加，使晶闸管的触发角前移，使整流电路的输出电压回升。当IF又回升到原值时，调节过程结束，实现电流的无静差。

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这种双闭环调速系统，由于在低速时，整流器输出电压低，晶闸管的导通角小，整流器的输出电压和电流波形是断续的，机械特性会有一段非线性，为此可在电枢回路中串接平波电抗器，以减小电流的脉动。另外在伺服单元中也可以增加电压变化率环和电流变化率环，组成多闭环的系统，也可使系统的静特性和动特性得到很大的改善。

2．PWM脉宽调制调速系统

随着大功率晶体管及其他新型功率器件制造工艺的成熟与发展，脉冲宽度调制型（PWM）直流伺服驱动系统得到了广泛的应用。所谓脉宽调制，就是使功率放大器中的功率器件(常用大功率晶体管)工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期中晶体管的导通时间的方法来调整一个周期内，脉冲电压的宽度，从而调节输出给电动机电枢的平均电压，达到调整电动机转速的目的。图3-16为PWM调速系统的组成框图，该系统由速度与电流调节器、三角波发生器、脉宽调制器、基极驱动电路、脉宽调制式开关放大器等组成。该系统中的速度调节器、电流调节器与晶闸管调速系统中的作用和原理是相同的。

采用晶体管脉宽调速系统与晶闸管控制方式相比有以下优点：

1）避开了与机械的共振。在晶闸管控制的伺服系统中，由于电枢电流的脉动频率低，容易引起电动机转子的振动，影响数控机床工作的平稳性和被加工零件的表面粗糙度。而PWM调速系统的开关工作频率高（约为2KHZ）远高于转子所能跟随的频率，避开了机械共振区。

2）电枢电流脉动小。在晶闸管控制方式中，整流电压波形差，特别是低电压轻负载时，电枢电流的不连续严重影响到低速运行的稳定性，从而产生低速脉动，而不得不增大滤波电抗器的容量。由于PWM系统开关频率高，仅靠电枢绕组本身的电感滤波，即可获得脉动很小的电枢电流，因此低速运行特性好，调范范围可以更大。

3）动特性好。PWM系统不像SCR系统有固有的延迟时间，它反应速度快，

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具有很宽的频率范围。可以充分发挥系统响应快的特点。又由于在停转时，电机电枢端电压是正负脉宽相等的电压波形，具有动态润滑作用，因此更能克服死区，提高启动的快速性。

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单元四 交流电动机伺服系统

交流伺服系统近年来得到了广泛的应用，它克服了直流伺服电动机在结构上存在机械整流子、电刷，维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制等缺点，同时发挥了坚固耐用，经济可靠及动态响应好等优点。另一方面近年来新型功率开关器件，专用集成电路，智能模块等的发展带动了交流驱动电源的发展，使交流电动机的调速性能，已接近直流电动机的调速性能指标，因此，交流速度控制已逐步取代直流速度控制系统。在数控机床的进给驱动伺服系统中，现在广泛应用的是永磁交流同步电动机的伺服系统。

一、．SPWM变频调速

正弦波SPWM变频器是PWM变频器调制方法的一种。它是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲等效正弦波电压或电流信号。SPWM调制的矩形脉冲的特点是等距、等幅而不等宽，在半个周期里中间脉冲宽而两边脉冲窄，其等效脉冲面积与正弦波成比例。它是目前数控机床的交流伺服系统中应用最广泛的一种调制方法。

PWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由正弦控制波控制。当改变正弦控制波的幅值时，脉宽随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变正弦控制波频率时，输出电压频率也随之改变。因此可实现调频和调压的双重任务。而且随着频比fT/fS的升高，输出的谐波分量就不断减小，即输出的正弦性也越来越好。但受功率变换电路的限制，频比不能取得太高，使用一般大功率晶体管时可达2-3KHZ.

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以上是变频器典型的安装方法，但启动和停止变频器时，不能使用接触器来通断电路，要通过变频器的数字输入端来控制。

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序参数参数意义 参数组别 设置设置值说明

变频器的使用主要是参数的设置，以下是西门子420变频器主要参数的设置表，除此之外的大多数参数可以采用默认值。

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号 1 代号 P0010 快速调试 常用 值 30 调出出厂设置参数 1=快速调试 0=运行准备 2 3 4 5 6 P0970 工厂复位 P0003 参数访问级 P0004 参数过滤器 P0005 显示选择 P0100 使用地区 参数复位 常用 常用 快速调试 1 3 0 21 0 恢复出厂值（恢复缺省） 实际频率 参数用于确定功率设定值单位（KW或HP）和频率缺省值 7 P0300 电动机类型 1 1=异步电动机 2=同步电动机 8 9 P0304 额定电动机电压 P0305 额定电动机电流 命令 230 0.18 0.03 50 10 P0307 额定电动机功率 11 P0310 额定电动机频率 12 P0311 额定电动机速度 13 P0700 选择命令源 1300 1 1=由键盘输入 2=由端子排输入 14 P0701 数字输入1的功能 命令 1 1=ON/OFF 1（接通正转/停车命令） 15 P0702 数字输入2的功能 16 P0703 数字输入3的功能 17 P1000 选择频率设定值 18 P1001 固定频率1 命令 命令 设定值 设定值 15 15 3 1=ON接通反转 15=固定频率 固定频率设定值（直接选择） 固定频率 DIN1 ON 时固定频率 19

19 P1002 固定频率2 20 P1003 固定频率3 21 P1080 电动机最小频率 22 P1082 电动机最大频率 23 P1120 斜坡上升时间 24 P1121 斜坡下降时间 设定值 设定值 设定值 设定值 设定值 设定值 0Hz DIN2 ON 时固定频率 DIN3 ON 时固定频率 50.Hz 1S 1S 缺省值：10S 缺省值：10S 二、．进给交流电动机伺服系统 20

永磁交流同步电动机的特性在前一节已述及。图是西门子611E伺服单元模块接线图。

三、直线电动机在数控机床进给伺服中的应用b

为了提高生产力和改善加工质量，超高速、超高精度加工是关键技术，高

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速切削当然也需要高速进给。目前，对数控机床的进给要求已从6~8m/min提高到大于50~60m/min，加速度要求达到（1~5）g，这个指标对具有中间传动和变换环节的传统进给驱动系统是无法实现的。在精密控制系统中，要实现精密跟踪，必须使控制系统尽量线性化，而大力矩低转速的旋转电机，由于极数多，直径大，产生的磨擦力矩和惯量大，使控制系统成为严重的非线性，且还需要经过丝杠等转换为直线运动，使精度降低和误差增大。因而需要寻找一种新的执行元件，这就使得新一代直线电动机进给驱动系统应运而生。比如西门子公司在sinumerik 840D数控系统中，配备的simoDrivE1FN直线电机，理论上电机的速度可达到300m/min，加速度可达到45g。1FN3系列直线电动机速度可达到120~830m/min，加速度可以达到（1~32）g。这为机床的高速加工，提供了广阔的发展空间。

目前，在机床用直线电机及其系统的研究开发主要有以下几个趋势： （1）机床进给系统用直线伺服电机，将以永磁式直线电动机为主导。 （2）更加注重直线电机本体的优化设计，包括材料和结构、工艺。 （3）各种新的驱动电源技术和控制技术被应用到整个系统中。 （4）将电机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机尺寸，便于安装和使用。

（5）将各功能部件（导轨、编码器、轴承、接线器等）模块化。 直线电动机的驱动系统具有以下几个优点：

（1）高速响应性，一般来说电气元器件比机械传动件的动态响应时间要小几个数量级。由于系统中取消了响应时间较大的丝杠等机械传动件，使整个系统的快速性大大提高。

（2）高精度性，由于取消了机械传动机构，因而消除了传动机械带来的误差。

（3）传动刚度高，推力平稳，运行时噪声低。

（4）行程长度不受限制，在机床上大多采用永磁式直线电动机，电动机

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的次级就是永磁体，通过直线电动机定子的铺设，可以无限延长动子的行程长度。

直线电动机的伺服驱动系统和旋转电动机的伺服驱动系统原理是一样的,但是，数控机床采用直线电动机直线驱动，即所谓的“零传动”之后，系统参数摄动，负载扰动等因素的影响将直接反映到直线电动机的运动控制中。由于没有任何中间的缓冲过程，由此对伺服系统的稳定性，快速性及抗干扰的能力，这些性能指标的要求更高了，另外对传感器的分辨率和反应能力的要求也提高了。

直线电动机直接驱动技术在机床上的应用，目前还处于初级阶段，但是，直接驱动方式的突出优点，必将为直线电动机在机床上的应用带来巨大潜力，将引起机床行业的传统进给机械结构发生突变。

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单元五 主轴驱动

一、 对主轴驱动的要求

随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足数控技术的需要。现代数控机床对主轴传动系统提出了更高的要求，具体要求为：

（1）对功率的要求：要求主轴电动机有2.2～250kw的功率范围，即要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。

（2）宽调速范围：数控机床主轴驱动系统要求在1：100～1000范围内进行恒转矩和1：10的恒功率调速，而且要求主轴在正、反向转动时，均可进行加减速控制，即要求具有四象限驱动能力。

（3）定位准停功能 ：为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上，为了自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。

为了实现上述要求，在早期的数控机床上，多采用直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都很小，且直流电动机结构复杂，寿命短、维修量大。因此，随着大功率电力电子元件和变频技术的发展，现在的数控机床上大多使用交流主轴驱动系统。当前，世界上高速加工数控机床异军突起，电主轴应运而生。在今后一个时期内，电主轴将是数控机床主轴驱动系统的一个发展方向。 二、交流主轴驱动系统

交流主轴电动机与交流进给用伺服电动机不同，交流主轴电动机一般采用交流感应电动机，交流感应电动机从结构上分有带换向器和不带换向器两种，通常采用不带换向器的三相感应电动机（也称笼型电动机或异步电动机）。

一般交流主轴电动机是专门设计的，为了增加输出功率，缩小电动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。这类电机轴的尾部都同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元件。

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1．新型主轴电动机结构

纵观目前国内外主轴电动机的生产和应用，交流主轴电动机的结构有了更新的发展。

（1) 内装式主轴电动机(电主轴)

随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善和高速加工的要求，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。将主轴与电机合为一体，电机轴是空心轴转子，也就是主轴本身，而电机的定子被嵌入在主轴头内。这种内装式主轴电动机俗称“电主轴”由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。电主轴一般采用交流异步电动机。结构如图3-25所示。

电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。虽然，将电动机内置，在安装上会带来一些麻烦，但在高速加工时，采用电主轴几乎是唯一的，也是最佳的选择。这是因为：

1）传统的主轴电动机通过带轮或齿轮等方式传动，在高速运转条件下，会产生振动和噪声，势必影响高速加工的精度和加工表面粗糙度。而电主轴取消了这些齿轮、带轮等机械传动机构，也消除了由于这些传动机构而产生的振动和噪声。

2）实现主轴“零传动”，将主轴的转动惯量减至最小，使主轴回转时可以

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具有极大的角加、减速度，在最短时间内实现高转速的速度变化。

3）由于没有中间传动环节，主轴高速运行没有中间传动冲击而更为平稳，使主轴轴承寿命得到延长。

电主轴的概念，不是一根光主轴套筒，而是在数控系统监控下的一个子系统。它包括电动机驱动器（高频变频器）、轴承润滑部件、压缩空气密封、电动机及轴承的冷却部件，主轴刀具锥孔吹净装置及控制，电动机的温升报警、油-气润滑系统监控、刀具夹紧状态检测等。

当前，国内外专业的电主轴生产厂家已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从32mm~320mm，转速从10000r/min~150000r/min功率从0.5kw~80kw，转矩从0.1N.m~300N.m。最近还出现了流体静压轴承和磁悬浮轴承电主轴以及交流永磁同步电动机电主轴，电主轴的制造及控制技术正在趋于完善，其应用也在日渐发展。 三、主轴准停控制

主轴准停控制又称为主轴定向控制，它是指控制主轴准确停在某一固定位置上，以便在该处进行自动换刀等动作。主轴准停可分为机械准停和电气准停，下面详细讨论这两种准停功能。

1．机械准停控制

图3-28为典型的 V形槽定位盘准停结构，带有V形槽的定位盘与主轴是一体的， 当接到主轴准停指令M19时，主轴控制单元首先使主轴减速至可以设定的低速转动，当检测到无触点开关有效信号后，使主轴电动机停转，此时主轴电动机及主轴传动件依惯性继续慢速空转，同时控制系统控制电磁阀动作，使准停液压缸定位销伸出并压向定位盘，当定位盘的V形槽与定位销对正时，定位销插入V形槽中，限位开关LS2动作表明准停动作完成。限位开关LS1为准停释放信号，主轴准停释放信号有效时，主轴才能旋转；而主轴准停到位信号有效时，才能进行换刀等动作。这些动作的控制由数控系统的可编程控制器来实现。机械准停控制还有其他方式，但其基本原理是一样的。

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2．电气准停控制

电气准停控制是利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器作为位置反馈部件，由它们输出的信号，使主轴准确停止在规定的位置上。采用电气准停控制有如下优点：

（1）简化机械结构，它只需要简单地安装位置编码器或磁性传感器，即可实现主轴的定向。

（2）缩短准停时间，采用电气准停，即使主轴高速转动时也能快速定位于准停位置，使准停时间和换刀时间大为缩短。

（3）可靠性提高，电气准停无需复杂的机械结构、电磁阀、液压缸等装置，也没有机械准停所形成的机械冲击，因此可靠性和使用寿命大大提高。

目前，电气准停控制通常有磁传感器准停、编码器准停和数控系统准停三种方式。

1）磁传感器准停

磁传感器准停如图所示，由主轴驱动装置本身完成，当接收到数控系统发来的准停信号ORT，主轴立即减速至准停速度，当主轴到达准停速度且达到准停位置时（磁发体与磁传感器对准），主轴立即减速至某一爬行速度；当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置为准停位置。准停完成后，主轴驱动单元输出准停完成信号ORE给数控装置。采用磁性传感器时，磁性元件可直接装在主轴上，而磁性传感头则固定在主轴箱体上。为减少干扰，磁性传感头和驱动单元之间连线需屏蔽，且连线要尽量短。 2）编码器准停

图所示为编码器准停控制，编码器主轴准停，也是由主轴驱动装置完成的，编码器的工作轴可安装在主轴电动机的轴上，也可通过1:1的齿轮用齿形带和主轴连接。采用编码器准停控制，也是由CNC发出准停信号ORT，主轴驱动的控制和磁传感器控制方式相似，准停完成后向CNC返回准停完成信号。所不同

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的是编码器准停的准停位置可由外部开关量信号（12位）设定给CNC，由CNC向主轴驱动单元发出准停位置信号。这一点与磁传感器控制不同，磁传感器的控制要调整准停位置，只能靠调整磁性元件或磁传感器的相对安装位置来实现。

3）数控系统准停

数控系统控制主轴准停的工作原理如图所示，数控系统准停控制方式是由数控系统完成的，它的原理与进给位置控制的原理相似，准停的位置给定由数控系统内部设定，因此可更方便地设定准停角度，由编码器把实际位置信号反馈给数控系统，通过数控系统的比较把指令位置和实际位置的误差信号经过D/A转换，供给主轴驱动单元，控制主轴准确停在指令位置。

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单元六 数控机床检测元件

一、 位置检测元件的要求及分类

检测元件是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测位移、角位移和速度的实际值，把反馈信号传送回数控装置或伺服装置，构成闭环控制。

闭环数控系统的加工精度主要由检测环节的精度决定，而检测环节的精度是通过检测传感器的分辨率来体现的。分辨率不仅取决于检测传感器本身，也取决于测量转换电路。

数控机床对检测元件的主要要求有： （1）工作可靠，抗干扰性强；

（2）满足测量精度，检测速度和测量范围的要求； （3）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化； （4）使用维护安便，适合机床的工作环境，成本低。

在数控机床上，除了位置检测以外，还有速度检测，其目的是精确控制伺服电机的

转速。转速检测元件常采用测速发电机（与伺服电动机同轴安装），也有用脉冲编码器和频率/电压转换电路产生速度检测信号的。在本节中将着重介绍这些检测元件的结构，工作原理及应用。 二、光电式脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲或绝对式的数字代码。在数控机床上它通常与驱动电动机同轴联接，属间接式测量元件。

增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把被测轴的机械转角变成脉冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检测元件。同时也作为速度检测元件用于转速检测。增量式脉冲编码器同样也分为接触式，光电式、电磁式三种，

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从精度和可靠性方面来看，光电式优于其他两种，数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。

图所示为光电式增量脉冲编码器的原理示意图。它由光源、透镜、光电码盘、光欄板、光敏元件和信号处理电路组成。其中光电码盘可用玻璃材料，表面镀上一层不透光的金属膜，然后在上面用光刻的办法，沿着码盘的圆周制成很多的均匀的透光狭缝，狭缝数量从几百条到几千条不等。码盘与工作轴连接在一起，轴承安装在编码器的外壳上，编码器的工作轴和被测轴采用软连接同轴安装，当被测轴旋转时带动编码器的工作轴和光电码盘一起旋转。光源可以采用白炽灯、硅光电池或发光二极管等，光源发出的发散的光线，经过透镜汇聚成一束平行的光线透过光电码盘和光欄板上的狭缝，照射到光敏元件上，当码盘转动时，光敏元件接收到的是忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理电路的整形、放大、分频以电脉冲的形式输出给数控系统。

随着码盘的转动，光敏元件输出的信号不是方波，而是正弦波。光欄板的两个狭缝距离和码盘上两个狭缝之间的距离相差1/4的节距，这样使两个光敏元件得到的两路信号相差π/2的相位，以测量出码盘的转动方向。

由于增量式光电码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号，由此可得出如下结论：

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1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速此换算为直线位移距离。

2）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。

3）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后顺序，可判断工作轴的正反转。 增量式码盘的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝数有关。

1360?即：分辨角?? 分辨率?

狭缝数狭缝数常用的脉冲编码器的规格有：2000P/r、2500 P/r、3000 P/r、1024 P/r、2048 P/r等，也有高分辨率的达到20000 P/r、25000 P/r、30000 P/r等。

此外，现在数控机床上使用的脉冲编码器，大多带有零位标志，在码盘的里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄板的里圈也有一条透光狭缝，并多加一个光敏元件，每转一圈产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的脉冲编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴控制上则用于螺纹加工及准停控制等。

光电式脉冲编码器的特点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，精度较高。缺点为结构复杂，价格高，光源寿命短。就码盘材料来讲，也有用薄钢板或铝板作码盘，在圆周上切割出均匀的狭缝，这种码盘抗振性好，且造价低，但由于受工艺限制，分辨力较低。所以在数控机床上使用的编码器，大多还是玻璃制作的码盘。 三、 光栅测量装置

光栅是一种直线位移传感器，在数控机床上使用的光栅属于计量光栅，用于直接测量工作台的位移，把位移量转换为脉冲信号，反馈给CNC系统，构成全闭环的数控系统。

光栅的种类繁多，一般来讲，按照用途可以分为物理光栅和计量光栅，物理光栅刻线细且密，节距很小（200~500线/mm），常用于光谱分析和光波

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波长的测定；计量光栅较物理光栅节距大（25、50、100、250线/mm），用于直线位移的测量，再经过细分电路的细分，可以做到微米级的分辨率。按照光栅的形状可以分为长光栅和圆光栅，长光栅用于直线位移的测量，圆光栅用于角位移的测量。按照光栅读数头的光线走向可以分为垂直入射读数头光栅，反射读数头光栅和分光读数头光栅。

本节将以在数控机床上应用的垂直入射读数头（透射式）直线型计量光栅为例，介绍其结构和工作原理。

1．光栅的结构

光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。在光栅测量中，通常是一长一短两块光栅尺配套使用，如图所示，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，标尺光栅一般固定在机床的移动部件（如工作台）上，随移动部件一起运动，要求与行程等长。短的一块称为指示光栅，指示光栅连同光源、透镜、光敏元件、转换电路，封装在一个壳体中，叫做光栅读数头。光栅读数头安装在机床的固定部件上。标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙（0.05~0.1mm）要严格保证。当工作台移动时，两块光栅尺便发生相对移动。

光栅尺是在透明的光学玻璃上用真空蒸镀的方法镀上一层不透光的金属膜，然后用光刻或照相腐蚀的办法制成平行且等距的透光和不透光相间的密集线纹。

从图4局部放大部分看，线纹白色为透光部分宽度为b,黑色为不透光部分宽度为a,通常a=b，设光栅栅距为τ，则τ=a+b=2a。

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2．莫尔条纹的形成

如图所示，将两块栅距相同，黑白宽度相同（a=b=τ/2 ）的标尺光栅和指示光栅尺面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一很小的夹角θ，这样在光源的照射下，两块光栅尺的刻线相交，就形成了与光栅刻线几乎垂直的横向明暗相间的宽条纹，即莫尔条纹，两个亮带（或两个暗带）之间的距离称为莫尔条纹的节距W，它与栅距及两光栅刻线间的夹角θ有关。

莫尔条纹有如下特点： 1）起放大作用

由图可见莫尔条纹的节距W将光栅的栅距τ放大了若干倍。设放大倍数为K，由图中可见

sin?2??/2W

W??1/2W1? 当θ角很小时sinα≈α ，K?sin?/2??由此可见，莫尔条纹的节距W与θ角成反比，θ角越小，则放大倍数越大。这样虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。（公式中θ角的单位要用弧度rad作单位）

2）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例

当两光栅尺移动时，莫尔条纹沿着垂直于光栅移动的方向移动。且当光

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栅尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个节距。若光栅尺移动方向改变，莫尔条纹的移动方向也改变。两者移动方向及光栅夹角关系见表3-2所示。这样莫尔条纹的位移刚好反映了光栅的栅距位移。即光栅尺每移动一个栅距，莫尔条纹的光强也经历了由亮到暗，再由暗到亮的一个变化周期，这为后面的信号检测电路提供了良好的条件。

表3-2莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系

指示光栅相对标尺 光栅的转角方向 顺时针方向转角 标尺光栅移动方向 右 左 逆时针方向转角 3）起均化误差的作用 如图3-35所示，莫尔条纹是由许多条刻线共同形成的，例如250线/mm的光栅，10mm长的一条莫尔条纹是由2500条刻线组成的。这样栅距间的固有相邻误差就被平均化了。

3．光栅测量系统 1）光栅测量的基本电路

光栅测量系统如图3-36所示，由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和信号处理电路等组成。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频电路。

当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个节距，光源透过莫尔条纹照射到光敏元件上，光强也经历了一个明暗变化的周期，光强变化近似一个正弦波（图波形a）。光敏元件将正弦波的光强信号转变为同频率的电压信号（图波形b）由于光敏元件产生的电压信号较弱，经差动放大器放大到幅值足够

右 左 莫尔条纹移动方向 上 下 下 上 34

大的（16V左右）同频率电压波形（波形c）再经整形器整为方波（波形d）。再经过微分电路，在方波的上升沿产生一个脉冲信号（波形e）。这样通过对脉冲计数便可得到光栅尺的移动距离。

2）鉴向倍频电路

鉴向倍频电路的作用是辨别方向和细分信号，如前所述，使用一个光敏

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元件就可测得光栅的移动距离，但无法判断光栅移动的方向。如果安装两个光敏元件，它们的距离相距1/4的莫尔条纹节距，那么根据两个光敏元件哪个先受光，哪个后受光的顺序就可知道光栅的移动方向。以表3-2中第一种情况为例，当标尺光栅右移，莫尔条纹向上移动时，则光敏元件2上得到的信号S2比光敏元件1上得到的信号S1起前，反之同理。

为了提高光栅的分辨精度，除了增大刻线密度和提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。这里介绍的是一个4倍频的电路。所谓4倍频细分，就是从莫尔条纹原来的一个节距一个脉冲信号，变成4个相位依次滞后90的信号，从而使精度提高了4倍。图3-37所示为鉴向与4倍频电路。

由此可以看出，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于倍频电路的倍数n， 即分辨力= 栅距/n

光栅传感器测量精度高，满足数控机床的测量速度和精度要求，使用光栅可构成全闭环的数控系统。但光栅的工作环境要求较高，因为尺面不能受到灰尘、油污等污染。另外标尺光栅一般长度不超过一米，若行程较长，光栅尺需接长使用，接长时需要特别注意接口处的精度。

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元件就可测得光栅的移动距离，但无法判断光栅移动的方向。如果安装两个光敏元件，它们的距离相距1/4的莫尔条纹节距，那么根据两个光敏元件哪个先受光，哪个后受光的顺序就可知道光栅的移动方向。以表3-2中第一种情况为例，当标尺光栅右移，莫尔条纹向上移动时，则光敏元件2上得到的信号S2比光敏元件1上得到的信号S1起前，反之同理。

为了提高光栅的分辨精度，除了增大刻线密度和提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。这里介绍的是一个4倍频的电路。所谓4倍频细分，就是从莫尔条纹原来的一个节距一个脉冲信号，变成4个相位依次滞后90的信号，从而使精度提高了4倍。图3-37所示为鉴向与4倍频电路。

由此可以看出，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于倍频电路的倍数n， 即分辨力= 栅距/n

光栅传感器测量精度高，满足数控机床的测量速度和精度要求，使用光栅可构成全闭环的数控系统。但光栅的工作环境要求较高，因为尺面不能受到灰尘、油污等污染。另外标尺光栅一般长度不超过一米，若行程较长，光栅尺需接长使用，接长时需要特别注意接口处的精度。

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