數(shù)控機床驅(qū)動裝置培訓(xùn)課件

1、第七章 數(shù)控機床驅(qū)動裝置第一節(jié) 數(shù)控裝置驅(qū)動概述數(shù)控機床驅(qū)動裝置以加工指令為輸入量，以機床移動部件為輸出量的控制系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)以加工指令脈沖為輸入量，以機床移動部件的位置為輸出量的控制系統(tǒng)。數(shù)控機床驅(qū)動裝置就是位置隨動系統(tǒng)，簡稱伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入指令信號而動作，從而獲得準確位置、速度、力輸出的控制系統(tǒng)。典型的伺服系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)。7.1一、伺服系統(tǒng)的組成和工作過程1、結(jié)構(gòu)位置控制模塊速度控制模塊SM來自CNC插補運算的位置指令+位置反饋速度反饋+速度指令伺復(fù)電機位置檢測裝置伺復(fù)驅(qū)動速度控制CNC位置控制進給傳動速度檢測裝置工作臺刀具伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖7.12）組成通常由

2、位置控制環(huán)和速度控制環(huán) 組成。圖中內(nèi)環(huán)是速度控制環(huán)，外環(huán)是位 置控制環(huán)。3）工作過程插補信號輸送到位置控制模 塊的位置比較電路，與位置檢測反饋來的 信號相比較后，位置比較電路輸出位置移 動信號，經(jīng)位置控制和速度控制單元輸出 到速度環(huán)，直到機床完成進給運動。7.12、位置控制環(huán)1）組成由位置指令、位置檢測裝置、位置反饋比較環(huán)節(jié)、位置控制模塊、速度控制環(huán)、機械傳動裝置組成。2）檢測裝置可采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、脈沖編碼器、光柵、磁柵、激光測距等。3）位置控制環(huán)功能作用對機床位置坐標軸進行控制，而坐標軸控制是要求最高的控制，不僅要嚴格控制每個軸的運動速度和位置精度，而且在多軸聯(lián)動時還要求個移動軸

3、按插補要求協(xié)調(diào)運動，保證復(fù)雜形狀的加工。7.13、速度控制環(huán)1）組成由伺服電機、速度檢測裝置、速度反饋比較環(huán)節(jié)、速度控制模塊組成。速度控制模塊組成為速度控制系統(tǒng)的核心，2）速度檢測裝置通常采用測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。3）功能是伺服系統(tǒng)中最基本內(nèi)容，用來控制電機轉(zhuǎn)速。7.1二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)分類1、按位置控制方式分1）閉環(huán)控制：由于引入負反饋并利用偏差控制，即利用被控量的反饋信息，使整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。特點：無論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差，必定產(chǎn)生一個相應(yīng)控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值一致。具有抑制內(nèi)外擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力，具有

4、較高的控制精度。7.12）半閉環(huán)控制：閉環(huán)控制的反饋是將被 控量直接測量得到的，若將被控量通 過間接測量得到，并反饋到輸入端進 行比較，其偏差用于控制的方式。特點：屬反饋控制范疇，控制精度低于 閉環(huán)控制，用于被控量測量時結(jié)構(gòu) 受限制的場合。結(jié)構(gòu)相對閉環(huán)控制 簡單、成本較低。7.13）開環(huán)控制：指控制裝置與倍控對象之間只 有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。特點：系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生影響，是按給定量進行控制的，即控制作用是輸入量產(chǎn)生的，給定一個輸入量就會有一個輸出量相對應(yīng)，控制精度取決于所用的元件和校準的精度。自動修正偏差的能力，抗擾動性差。但結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，成本低在精度要求不高

5、或擾動影響小的情況下有實用價值。4）尺寸及形狀檢測元件用于閉環(huán)，回轉(zhuǎn)測量 常用于半閉環(huán)。7.12、按伺服電機類型分類1）步進伺服系統(tǒng)屬典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)，由步進電機及其驅(qū)動系統(tǒng)組成。特點：結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便、成本低、控制簡單等；應(yīng)用：在小型數(shù)控機床和速度、精度要求不高場合應(yīng)用廣泛2）直流伺服系統(tǒng)由直流伺服電機、調(diào)速系統(tǒng)、檢測反饋、機械傳動等部分組成。常用的直流伺服電機有小慣量伺服電機和永磁伺服電機（大慣量寬調(diào)速）兩類。3）交流伺服系統(tǒng)分為交流同步型伺服電機和交流異步型伺服電機，后者一般用于主軸交流伺服系統(tǒng)，交流同步型伺服電機一般用于進給伺服電機。交流伺服電機沒有直流伺服電機缺點，且有較大的

6、輸出功率、更高的電壓和轉(zhuǎn)速，基本取代了直流伺服系統(tǒng)。7.13、按反饋比較控制方式分類 由于采用位置檢測元件不同，反饋信號不同，分類為：1）脈沖數(shù)字比較系統(tǒng)（數(shù)字伺服系統(tǒng)）如果插補器輸出的指令信號是數(shù)字脈沖，選擇磁柵、光柵、光電編碼器作為機床移動部件位移的檢測裝置，位置反饋信號也是數(shù)字脈沖信號，給定量和反饋量就是直接的脈沖比較，該系統(tǒng)就成為脈沖比較伺服系統(tǒng)（數(shù)字伺服系統(tǒng)）。2）相位比較系統(tǒng)高精度數(shù)控伺服系統(tǒng)中，相位與輻值的檢測元件常用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等，這些測量元件及檢測電路都可輸出相位比較信號或輻值比較信號。3）輻值比較伺服系統(tǒng)位置元件采用輻值工作狀態(tài)，輸出輻值大小與機械位移

7、成正比的模擬信號，將此信號作為位置反饋信號與指令信號比較，實現(xiàn)位置和速度控制構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。 7.14、按驅(qū)動對象分類1）進給伺服系統(tǒng)以機床移動部件的位置和速度為控制量，接受來自插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大、檢測反饋，最終實現(xiàn)機床工作臺相對于刀具運動的控制系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)（減速齒輪、滾珠絲桿、機械導(dǎo)軌、工作臺拖板等）組成，有開環(huán)和閉環(huán)兩類，開環(huán)系統(tǒng)只能由步進電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)分為直流電機和交流電機兩種驅(qū)動方式。2）主軸伺服系統(tǒng)主軸的速度控制方式與進給系統(tǒng)基本相同，采用交流或直流調(diào)速，重點是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)。主軸伺服系統(tǒng)可由數(shù)控

8、裝置直接控制，也可由數(shù)控裝置通過可編程控制器控制。7.1三、對進給伺服系統(tǒng)的基本要求1、高精度 數(shù)控機床的高精度、高效率很大程度取決于進給系統(tǒng)的性能。伺服系統(tǒng)的精度主要指定位精度（一般機床15m，高精度數(shù)控為0.1m）；檢測元件的分辨率是決定系統(tǒng)分辨率和脈沖當(dāng)量的關(guān)鍵元件（一般數(shù)控機床分辨率為1m，高精度達0.1m）2、穩(wěn)定性 系統(tǒng)在新的輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)新的輸入指令消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行。系統(tǒng)要有較強的抗干擾能力。穩(wěn)定性將直接影響系統(tǒng)的加工精度和表面粗糙度。3、快速響應(yīng)無超調(diào) 反映系統(tǒng)的跟蹤精度，會影響加工準確度和表面粗糙度。由于伺服系統(tǒng)頻繁

9、啟動、制動、加速、減速、等動態(tài)過程，要求在200ms甚至幾十毫秒內(nèi)完成。7.14、調(diào)速范圍 指電機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。為保證 最佳切削參數(shù)和條件，要求伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速在較大 范圍內(nèi)有良好溫度性。一般數(shù)控機床進給速度 024m/min時，要求運行均勻、平穩(wěn)、無爬 行、速降??；進給速度在1mm/min時，具有一定 的瞬時速度；當(dāng)進給速度等于0時，要求電機有 電磁轉(zhuǎn)矩以維持定位精度，即使電機處于伺服鎖 定狀態(tài)。5、不受負載影響 電機的轉(zhuǎn)動慣量是定植，但負載慣量是變化， 加工過程中變化很大，要求伺服系統(tǒng)在負載變 量和轉(zhuǎn)矩干擾等使電機負載變化時不影響伺服 系統(tǒng)工作。7.1四、對主軸伺服系統(tǒng)的要求1

10、、對主軸伺服系統(tǒng)拖動要求 主軸控制涉及數(shù)控機床的G、S、M、T控制功能，故要求： 1）調(diào)速范圍足夠大為適應(yīng)各種刀具、工序、材料的加工要求，主軸調(diào)速范圍要寬。數(shù)控機床主軸變速是按指令自動無級調(diào)速的，一般要求1：（ 1001000）恒轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍、1：10的恒功率調(diào)速。主軸驅(qū)動方式一般有主軸帶齒輪換擋，可以降低主軸轉(zhuǎn)速，增大傳動比；二是主軸電動機通過同步齒形帶驅(qū)動主軸，具有恒功率寬的特點。2）主軸輸出功率大在整個速度范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，達到主軸電機最大功率最為理想，即恒功率范圍寬。由于電機和驅(qū)動的限制，低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出，常采用分段無級變速方法，即在低速段采用機械減速裝置，以提高輸出轉(zhuǎn)矩

11、。7.12、對主軸驅(qū)動的控制要求1）主軸速度調(diào)節(jié)是最重要的控制要求，分為有級、無級和分段無級調(diào)速三種形式。前者為經(jīng)濟型數(shù)控機車。2）主軸定向準?？刂茷闈M足加工中心自動換刀（ATC），主軸必須高精度準?？刂?，主軸必須能停在固定的徑向位置。3）主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步控制在螺紋加工時，主軸旋轉(zhuǎn)必須與坐標軸進給量保持一定的關(guān)系?？刹捎霉怆娋幋a器作為主軸脈沖發(fā)生器，通過CPU對節(jié)距的計算，控制坐標軸進給伺服系統(tǒng)，使進給量與主軸轉(zhuǎn)速保持同步。4）恒速線切割控制為保證加工面的粗糙度，要求工件與刀尖的接觸點的線速度為恒值，為此，隨刀具徑向進給直徑減小，應(yīng)不斷提高主軸轉(zhuǎn)速。5）加減速功能要求在正、反轉(zhuǎn)時具備

12、自動加減速功能，且時間盡可能短。7.1第二節(jié) 數(shù)控機床概述一.數(shù)控機床的產(chǎn)生1952年麻省理工學(xué)院研制第一臺電子管元件數(shù)控機床1958年美國出現(xiàn)自動換刀的加工中心（MC）1967年英國出現(xiàn)幾臺數(shù)控機床連接在一起的柔性加工制造系統(tǒng)（FMS）1970年用小型計算機數(shù)字控制的數(shù)控機床（CNC）1974年微處理器用于數(shù)控1980年后出現(xiàn)以加工中心為主體，配上工件自動檢測和卸料的柔性制造單元（FMC），在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）二 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢1.高速高精加工技術(shù)及裝備 進給速度60mmin；加速度2g；主軸轉(zhuǎn)速60000r/min 普通級數(shù)控機床達5m，精密級15 5m或更高；

13、平均故障間隔時間6000h，伺服系統(tǒng)達30000h2.五軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化三 數(shù)控機床的基本特點加工對象的改型適應(yīng)性強；加工精度高；生產(chǎn)效率高；自動化程度高；良好經(jīng)濟效益；有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化四 數(shù)控機床工作原理1.按照加工零件的信息編制程序，并輸入數(shù)控系統(tǒng)；2.數(shù)控系統(tǒng)處理運算，按各坐標軸分量送各軸驅(qū)動；3.驅(qū)動電路經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大驅(qū)動伺服電機，各軸運動；4.反饋控制使刀具、輔助裝置按程序規(guī)定順序、軌跡、參數(shù)工作五 數(shù)控機床組成組成示意圖輸入裝置數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機床本體測量裝置數(shù)控機床組成結(jié)構(gòu)圖輸入/輸出裝置數(shù)控裝置NC驅(qū)動控制裝置機床電氣控制裝置機床數(shù)控機床組成

14、結(jié)構(gòu)框圖7.2六 數(shù)控機床組成部分功能1. 輸入：常見磁盤和U盤，而R232C通訊、網(wǎng)絡(luò)傳輸已經(jīng)成為趨勢；2.數(shù)控系統(tǒng)（CNC）：機床的核心，根據(jù)輸入程序和數(shù)據(jù)，處理后輸出信號和指令控制機床個部分，按規(guī)定有序動作。包括：經(jīng)插補運輸決定的各坐標軸的進給速度、進給方向和位移量指令；主運動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具指令信號；控制冷卻和潤滑液系統(tǒng)控制；工件和機床部件松開、夾緊，分度工作臺轉(zhuǎn)位等輔助信號。3.伺服驅(qū)動系統(tǒng)：由伺服電路和伺服驅(qū)動裝置組成，與機床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成進給系統(tǒng)。根據(jù)速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進給速度和方向。每個執(zhí)行部件都有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)4.機床本體：

15、機械部件包括主運動部件、進給運動執(zhí)行部件、床身立柱等支撐；冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊輔助裝置。對加工中心還有刀庫、交換刀具的機械手七 數(shù)控機床分類1.按運動方式分：點位控制系統(tǒng)（只要求點與點位置，不嚴格軌跡）、點線控制系統(tǒng)（還要點間運動軌跡和直線）、輪廓控制系統(tǒng)（對兩個以上坐標同時嚴格控制，含速度和位移）2.按控制方式分：開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)3.按工藝用途分：數(shù)控鉆床、車床、銑床、鏜床、磨床；壓床、沖床、彎管機、電火花切割機、火焰切割機；加工中心是帶刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，一臺機床上實現(xiàn)多種加工。八 典型數(shù)控系統(tǒng)1.西門子SINUMERIK系統(tǒng)2.福士通FANNC系統(tǒng)3

16、.三菱公司MELDAS4.海得漢公司Heidenhain5.華中數(shù)控九 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)組成：機床用PLC、外圍電壓電氣控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)兩大部分：NC、PLCPLC與NC的關(guān)系：NC任務(wù)：實現(xiàn)刀具相對于工件各坐標軸幾何運動規(guī)律PLC任務(wù)：輔助設(shè)備的控制。即根據(jù)CNC內(nèi)部標志以及機床各控制開關(guān)、檢測元件、運動部件的狀態(tài)，按程序設(shè)定控制邏輯對刀庫運動、換刀機構(gòu)、冷卻液等運動進行控制。兩者按此原則分工，但也聯(lián)系。NC與PLC接口按ISO43361981（E） 機床數(shù)字控制數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設(shè)備之間的接口規(guī)范數(shù)控機床的電氣控制內(nèi)容1、數(shù)控機床的電氣控制線路與普通機床不同在于除了常用的

17、電器控制線路外，還有數(shù)控系統(tǒng)。2、數(shù)控裝置是機床核心，發(fā)出機床的操作命令。3、驅(qū)動裝置位于數(shù)控裝置和機床之間，包括進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動裝置。根據(jù)控制電機不同，控制電路形式不同。即步進電機有步進驅(qū)動裝置，直流電機有直流驅(qū)動裝置，交流伺服電機有交流伺服驅(qū)動裝置。4、機床電氣控制裝置也是位于數(shù)控裝置與機床本體之間，主要是接受數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令、控制機床啟停、正反轉(zhuǎn)、換刀、冷卻、潤滑、液壓、氣壓等相關(guān)信號。數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)框圖程序輸入設(shè)備計算機數(shù)字控制裝置（CNC）裝置可編程控制器PLC主軸控制單元主軸電機機床速度控制單元進給電機位置檢測輸出設(shè)備7.2十 PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用1.PLC在數(shù)控

18、機床中的兩種應(yīng)用形式：內(nèi)裝式（集成式，NC和PLC集合在一起，高檔機床用）和獨立式（外裝式，獨立于NC，方便對控制規(guī)模調(diào)整）2.PLC和外部信息交換：和機床側(cè)開關(guān)量信號通過I/O單元輸入PLC或輸出到機床；CNC廠家設(shè)計CNC信息直接送入PLC相關(guān)寄存器，如M、S、T功能，不可更改；PLC 送CNC的信號地址與含義由CNC廠家確定。PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用（續(xù)）3.PLC在數(shù)控機床中的工作流程輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新等4.PLC在數(shù)控機床中的功能操作面板的控制機床面板信號直接進入PLC，系統(tǒng)面板控制信號先經(jīng)NC，NC再送PLC；機床外部開關(guān)輸入信號機床側(cè)的邏輯信號送入運算（行程、接近、模擬

19、選擇開關(guān)等）輸出信號控制經(jīng)繼電器、接觸器、電磁閥等輸出控制功能實現(xiàn)系統(tǒng)送來的T指令給PLC ，進行換刀M功能系統(tǒng)送M指令PLC，控制主軸正反轉(zhuǎn)和停止十一 PLC和外圍電路的關(guān)系PLC對外圍電路的控制：PLC接收CNC控制信號及外電路反饋信號，經(jīng)過邏輯運算、處理，其結(jié)果通過輸出口（或模塊）輸出，有的信號通過中間繼電器控制接觸器然后控制具體的執(zhí)行機關(guān)動作。也有直接控制外部設(shè)施的。PLC接收外邊反饋信號，以監(jiān)控設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)。溫度傳感器、震動傳感器、行程開關(guān)、接近開關(guān)等，通過之間環(huán)節(jié)或直接進入PLC。PLC對外部控制的關(guān)鍵點是外部的輸入信號和輸出到外部的控制命令，要與PLC 的內(nèi)部信號處理對應(yīng)，即地

20、址分配準確十二 例：數(shù)控車床電氣組成框圖數(shù)控裝置（CNC）機床控制電氣主軸變頻器X軸進給驅(qū)動Z軸進給驅(qū)動刀架電機控制冷卻控制其他信號控制M1M2M3M4M5執(zhí)行/傳感器三、數(shù)控機床現(xiàn)場教學(xué)1、數(shù)控車床模擬裝置（華中數(shù)控：1）目的：熟悉數(shù)控機床的基本構(gòu)成；了解數(shù)控機床的控制方式；細化各控制回路過程，并分析各回路控制特點；2）方式：分組聽取老師講說，并討論；基本操作方式介紹。3）時間：兩學(xué)時4）作業(yè)：完成對模擬數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)及參數(shù)描述；各控制回路框圖并分析；對各控制對象特點的分析；對模擬PLC進行說明。7.22、SSCK20A臥式數(shù)控車床車床參數(shù)：型號SSCK20A，系統(tǒng)BEIJINGFANS、s

21、eries oi MateTB ，D200mm電源3380V，額定總?cè)萘?0KVA、熔斷電流50A 沈陽機床有限責(zé)任公司1）目的：熟悉數(shù)控車床的基本構(gòu)成；了解數(shù)控車床的控制方式；細化各控制回路過程，并分析各回路控制特點；2）方式：分組聽取老師講說，并討論；基本操作方式介紹。3）時間：兩學(xué)時7.23、XK713數(shù)控床身銑床銑床參數(shù)：型號XK713，系統(tǒng) ，工作尺寸300700mm，主軸轉(zhuǎn)速606000r/min，電控柜HNC21MO，電源3380V，額定總?cè)萘?6KVA、防護等級IP54，武漢華中數(shù)控1）目的：熟悉數(shù)控銑床的基本構(gòu)成；了解數(shù)控銑床的控制方式；細化各控制回路過程，并分析各回路控制特

22、點；2）方式：分組聽取老師講說，并討論；基本操作方式介紹。3）時間：兩學(xué)時7.2提示與建議1、數(shù)控機床為一門重要課程，本講僅為極少部分，要從多種渠道學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，再與本課程相結(jié)合；2、閉環(huán)控制系統(tǒng)一般用伺服電機作驅(qū)動元件，開環(huán)系統(tǒng)一般由步進電機作驅(qū)動元件；3、采用步進電機驅(qū)動的系統(tǒng)在負載變化較大也可采用位置等反饋，成為半閉環(huán)或閉環(huán)自動控制系統(tǒng)；4、復(fù)雜的系統(tǒng)往往包含若干個閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán)控制子系統(tǒng)，在進行系統(tǒng)分析時，要以“系統(tǒng)”的觀點出發(fā)，綜合分析個子系統(tǒng)之間的關(guān)系和相互作用，共同完成的功能；5、控制系統(tǒng)含軟件和硬件內(nèi)容，須用系統(tǒng)觀點分析；6、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性相互制約，應(yīng)綜合

23、考慮。 7.2第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)性能及評價一、自動控制系統(tǒng)的基本要求一個理想的控制系統(tǒng)，在控制過程中應(yīng)使被控量等于給定量。但由于機械慣性、儲能元件等影響，當(dāng)給定值變化時，其速度和位置難以瞬時變化，其被控量不能立即等于給定量，而需要一個動態(tài)過程。動態(tài)過程反映系統(tǒng)性能好壞，體現(xiàn)在“穩(wěn)”、“準”、“快”三方面。7.31、穩(wěn)定性如果系統(tǒng)受到外部作用后，經(jīng)過一段時間，其被控量達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的.若在給定信號作用下，被控量震蕩發(fā)散，或受擾動后被控量不能恢復(fù)平衡稱為不穩(wěn)定。若系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩，即處于臨界狀態(tài)，也為不穩(wěn)定。Xo(t)Xo(t)Xo(t)0tXi(t)Xi(t)t0Xi(t)t

24、0穩(wěn)定系統(tǒng)動態(tài)過程不穩(wěn)定系統(tǒng)動態(tài)過程7.32、快速性通過動態(tài)過程時間長短來表征，反映輸出對輸入的響應(yīng)的快慢。系統(tǒng)響應(yīng)越快，則動態(tài)精度越高，復(fù)現(xiàn)快變信號的能力越強。3、準確性 輸入給定值與輸出響應(yīng)值的終值之間的差值大小來表征，反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。若系統(tǒng)最終誤差為0，稱無誤差系統(tǒng)，反之是有誤差系統(tǒng)。Xo(t)0Xi(t)Xo(t)Xi(t)0ttess控制系統(tǒng)快速性控制系統(tǒng)穩(wěn)定精度7.34、穩(wěn)、快、準三者關(guān)系1）穩(wěn)定性、快速性、準確性往往是互相制約的，強調(diào)穩(wěn)定性會使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度降低；過分強調(diào)快速性，則會使系統(tǒng)震蕩加劇，甚至不穩(wěn)定。2）三者要兼顧，不偏廢。7.3二、自動控制系統(tǒng)的性能指標

25、靜態(tài)指標用于說明系統(tǒng)在最低與最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速，且速度穩(wěn)定的指標。包括：靜差度、調(diào)速范圍、調(diào)速平滑性等動態(tài)指標用于說明要求系統(tǒng)啟動、制動（快而穩(wěn)），抗干擾性能（良好），即系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運行時，不受負載變化及電源電壓波動等因素的影響的指標。包括：上升時間、峰值時間、調(diào)整時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等。7.31、靜態(tài)技術(shù)指標1）靜差度是生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的要求，即負載波動時，轉(zhuǎn)速的變化程度。額定負載時的轉(zhuǎn)速降落: 說明：1、靜差度S與機械特性硬度有關(guān)，特性越硬，S越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，負載變化對轉(zhuǎn)速變化影響小。2、S與理想空載轉(zhuǎn)速有關(guān)，降低則S變小，穩(wěn)定性變差；對調(diào)速系統(tǒng)，若滿足最低轉(zhuǎn)速

26、的靜度差，則其他轉(zhuǎn)速的靜度差也能滿足；3、一般要提高特性硬度，使電機運行在高速狀態(tài)；4、普通機床S0.3，數(shù)控機床S0.001n S=no-nNno=noT=TNN7.32）調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電機在額定負載時的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比： D=說明：1、一般機床主軸傳動D=24；機床進給系統(tǒng) D=5200；軋鋼機D=10；造紙機D=3202、調(diào)速范圍受最低轉(zhuǎn)速限制，因有最低靜差度限制；3、在滿足機械對靜差度要求的前提下，電機調(diào)速范圍 D= 由電機名牌確定，SL等于 或小于機械 要求的靜差度，D由生產(chǎn)機械決定。nmax nminT=TNnmaxnNSL1SL7.33）調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性：用兩

27、個相鄰的ni與ni+1之比來衡量，比值接近1，則平滑性越好，機械在一定的調(diào)速范圍內(nèi)可得到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速級數(shù)就越多。無級調(diào)速：相鄰轉(zhuǎn)速比趨近1的調(diào)速。7.32、動態(tài)技術(shù)指標對于穩(wěn)定系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)具有震蕩單調(diào)衰減和單調(diào)變化的兩類，其指標：1）上升時間tr：對具有震蕩系統(tǒng)，指響應(yīng)從第一次上升到穩(wěn)定值所需要的時間。對單調(diào)上升系統(tǒng)指響應(yīng)有穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所須時間。越小，則系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快X0（）X0max0trtpts0.05X0()0.02X0()X0()0tr0.90.1t0.05X0()0.02X0()tst或或衰減震蕩的單位階躍響應(yīng)單調(diào)變化的單位階躍響應(yīng)7.32）峰值時間tp：系統(tǒng)輸出響應(yīng)

28、由0開始，第一次達到峰值所需要的時間。3）調(diào)整時間（過渡過程時間）ts：響應(yīng)X0(t)與穩(wěn)態(tài)值X0()之間的誤差達到 規(guī)定的允許范圍（2%5%），且以后不再超出此范圍的最短時間。 ts越 小說明系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程短，快速性好。4）超調(diào)量%：系統(tǒng)輸出超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量占穩(wěn)態(tài)值的百分比。 % 小，系統(tǒng)響應(yīng)比較平穩(wěn)，相對穩(wěn)定性好。 %=100%5）穩(wěn)態(tài)誤差ess ：當(dāng)時間趨于無窮大時，系統(tǒng)響應(yīng)的期望值與實際值X0() 之差 ess = Xi(t)X0()說明：上升指標、峰值時間表征系統(tǒng)響應(yīng)初始階段的快速性；調(diào)整時間表示系 統(tǒng)過渡過程的持續(xù)時間，整體反映系統(tǒng)快速性；超調(diào)量反映系統(tǒng)的平穩(wěn) 性；穩(wěn)態(tài)誤差

29、穩(wěn)定工作時的控制精度或抗干擾能力，衡量穩(wěn)定性質(zhì)量。一 般超調(diào)量、調(diào)整時間、穩(wěn)態(tài)誤差三相指標評價系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)性、快速性、 穩(wěn)態(tài)精度。X0(tp)X0()X0()7.3提示及建議1、自動控制系統(tǒng)基本要求是穩(wěn)、快、準，但三者間相互有影響和聯(lián)系；2、自動控制本身是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，從專業(yè)的角度出發(fā)，我們知道基本概念，如評價指標、閉開環(huán)等概念即可；3、相關(guān)課程和實際應(yīng)用的需要，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)補充。作 業(yè)P1421、2、3、4第二十八課 自動檢測基礎(chǔ)1、目的和要求：1）掌握檢測基本概念、特征；2）掌握檢測裝置組成、特點、工作過程；3）掌握檢測裝置特性曲線及靜態(tài)指標；4）理解測量方法及誤差5）了解周期性信號

30、的頻譜特征；2、重點與難點： 1）檢測裝置的概念及工作過程； 2）檢測裝置的技術(shù)指標。3、教學(xué)方法設(shè)計： 講授。為現(xiàn)場教學(xué)掌握數(shù)控系統(tǒng)電氣自動控制打基礎(chǔ)。第四節(jié) 自動檢測基礎(chǔ)檢測的含義利用各種物理效應(yīng)，選擇各種合適的才方法與裝置，將生產(chǎn)和科研生活中的有關(guān)信息通過檢查和測量的方法賦予定性和定量結(jié)果的過程。自動檢測技術(shù)含義能夠自動地完成整個檢測過程的技術(shù)。以信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、處理為主要內(nèi)容，是一門完整的技術(shù)學(xué)科。自動檢測技術(shù)是信息技術(shù)三大支柱之一。一、自動檢測技術(shù)的地位和作用1.在產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制方面使檢測與加工同時進行，并用檢測結(jié)果對加工進行控制2.安全經(jīng)濟運行監(jiān)測方面故障監(jiān)測系統(tǒng)對壓力、

31、溫度流量、轉(zhuǎn)速、振動、噪聲等參數(shù)長期狀態(tài)監(jiān)測，具有檢測、自動報警、連鎖保護功能，保證人人參和設(shè)備安全。3.生產(chǎn)自動化方面自動化利用各種技術(shù)、工具、方法代替人工完成檢測、分析、判斷、控制，是工業(yè)生產(chǎn)的“眼睛”。4.在科學(xué)技術(shù)進步方面檢測技術(shù)完善和發(fā)展推動科學(xué)技術(shù)的進步。二、自動檢測系統(tǒng)的組成自動檢測的任務(wù)把需要檢測的物理量，通過一種器件或裝置，進行采集、變換、和處理。物理量事物存在的狀態(tài)和屬性。其中非電量為絕大多數(shù)。如：壓力、溫度、速度、加速度、力、應(yīng)變、位移、振幅等等。檢測系統(tǒng)和計算機、執(zhí)行機構(gòu)配合組成自動控制和監(jiān)測系統(tǒng)。自動系統(tǒng)的組成傳感器、信號處理裝置、顯示記錄裝置、執(zhí)行器等。自動檢測系統(tǒng)

32、原理圖傳感器信號處理電路數(shù)據(jù)處理裝置顯示器執(zhí)行機構(gòu)非電量電量U0（ I0，f )例：自動系統(tǒng)舉例示意圖自動研磨裝置1）傳感器將外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成檢測信號的裝置；2）信號處理裝置對測量信號進行處理、運算、分析、對動態(tài)測試結(jié)果做頻譜分析、相關(guān)分析，并發(fā)出有關(guān)信號。多采用計算機技術(shù)。3）顯示記錄裝置模擬顯示模擬量是連續(xù)變化量，利用指針對標尺的相對位置來表示讀書。如：動圈儀表、電子電位計等。數(shù)字顯示多采用發(fā)光二極管和液晶等數(shù)字形式來形式數(shù)據(jù)（前者亮度高、后者功耗低）。圖象顯示用CRT或點陣式LCD小時讀數(shù)或參數(shù)變化曲線。記錄儀記錄被測參數(shù)變化過程儀器儀表。如筆式記錄儀、繪圖儀、磁帶記錄儀、數(shù)字存

33、儲示波器等。4）執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)各種繼電器、電磁鐵、電磁閥、伺服電機等，在電路中起作通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護作用。 信號處理電路計算機顯示器研磨盤控制器x傳感器工件研磨盤三、測量的基礎(chǔ)知識1、測量的概念1）測量用實驗的方法，借助一定的儀器或設(shè)備，把被測量與作為測量單位的標準量進行比較，求取二者的比值，從而得到被測量數(shù)值大小的過程。 g=x/v x=gv x被測量 g比值 v標準量 測量的結(jié)果可以表達成：一定的數(shù)字、一條曲線、顯示成圖形、，但都包括大小、符號、方向。2）測量的特征測量的過程實際上是個比較的過程，被測量與標準量比較。轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代測量的重要特征，被測量及標準量都要轉(zhuǎn)換成中間量（一般是電量

34、）進行比較。2、測量的方法1）靜態(tài)測量和動態(tài)測量靜態(tài)測量測量不隨時間變化或變化緩慢的物理量。動態(tài)測量測量隨時間變化的物理量。2）直接測量、間接測量、組合測量直接測量測量的結(jié)果能夠用事先標定好的儀表、器具的讀數(shù)值獲得的測量。如千分尺、萬用表間接測量首先對被測量有函數(shù)關(guān)系的物理量直接測量，然后通過函數(shù)式計算求得測量結(jié)果。組合測量測量中各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)，根據(jù)直接和間接測量所得的數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程組求出未知量的數(shù)值。組合測量通常用語科學(xué)實驗。 例：鉑電阻求溫 Rt=R0(1+A t+B t2 )3）接觸式測量與非接觸式測量接觸式測量測量時儀表的測頭與被測對象接觸。 如：壓電式傳感器測量

35、力等參數(shù)非接觸式測量儀器的敏感元件與被測對象不接觸，間接地接受被測參數(shù)的作用，感受其變化的測量。 如：輻射式溫度計測溫、渦流式傳感器測零件強度4）在線測量與非在線測量在線測量在工件加工過程中或生產(chǎn)過程中的測量非在線測量對零件加工完成后的測量。3 、測量誤差1）測量誤差 測量誤差任何測量都不可能絕對準確，測量值與其真值之查稱測量誤差。 =Ax-A0 誤差 Ax測量值或觀察值A(chǔ)0真值，在一定時間、空間或某種狀態(tài)下被測量客觀存在的實際值（一般為未知的，但可以確定）。理論真值如、四邊形內(nèi)角和360約定真值如標準條件下水的冰點、沸點相對真值凡精度高一級或幾級儀表的誤差與精度低的儀表的誤差比，前者優(yōu)于后者

36、2倍以上，則高一級儀表可認為是真值。絕對誤差上述誤差稱為絕對誤差，有正負，其 絕對值的大小確定了測量精度，但只能判斷相同 被測量的精度。相對誤差對大小不同值的同類量進行測量，須 引入相對某參照量的誤差概念。實際相對誤差A(yù)=/ A0100示值（標稱）相對誤差x=/ AX100滿度（引用）相對誤差m=/ Am100 Am 儀表儀器滿度值儀表精度等級S=m/Am 100 m最大絕對誤差精度等級一般規(guī)定取一系列標準值（儀表選用時要兼顧精度等級和上限值）。2）誤差的分類系統(tǒng)誤差在相同條件下多次重復(fù)測量時，其絕對值保持不便或按一定規(guī)律變化的誤差（規(guī)律是確定的，可設(shè)法消除或在測量結(jié)果加以修正）。隨機誤差在相

37、同條件下，多次重復(fù)測量時，其絕對值和符號以不可預(yù)定的方式變化的誤差（由許多隨機因素造成；雖然一次測量無規(guī)律，但多次重復(fù)測量總體上服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，如常見的正態(tài)分布規(guī)律；隨機誤差不可避免，但可減少對測量的影響并可評定其誤差的極限范圍）。粗心誤差超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差（由主觀失誤、客觀條件變化、器具缺陷等造成）。 四、檢測裝置的基本特性 1、檢測裝置的基本組成 輸入裝置中間環(huán)節(jié)輸出裝置1）輸入裝置各種類型的傳感器，感受被測量的變化并轉(zhuǎn)換成電信號輸入給中間環(huán)節(jié)。2）中間環(huán)節(jié)包括調(diào)制、放大、整流、濾波、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、運算處理部分，將傳感器送來的電信號調(diào)制到需要的電平或需要的形式送給輸出裝置。3 ）輸

38、出裝置包括記錄和顯示儀器，記錄和顯示信號大小、變化。2、檢測裝置的評價特性靜態(tài)特性當(dāng)被測量不隨時間變化或變化緩慢時，輸出Y與輸入X之間的關(guān)系?？捎么鷶?shù)方程表示。動態(tài)特性當(dāng)被測量隨時間迅速變化時，輸出Y與輸入X之間的關(guān)系稱為檢測裝置的動態(tài)特性。在一定條件下可以用常系數(shù)線性微分方程式表達。 an=1）檢測裝置的靜態(tài)特性特性曲線輸出量與輸入量與時間無關(guān)， 以輸入量X為橫坐標，輸出量Y為縱招標 畫出的圖形。 理想的線性檢測系統(tǒng)的特性曲線的斜率k為常數(shù) Y=kX靈敏度S表征對輸入信號變化的一種反應(yīng)能力。 S=Y/XS為常數(shù)，表明不同輸入值靈敏度不變， 是線性檢測裝置，特性曲線是直線；S不為常數(shù)，特性曲線

39、是一條曲線， 表明不同輸入值對應(yīng)的靈敏度不度大小不同； 一般采用理論直線代替實際曲線。儀器靈敏度（平均靈敏度）通常以采用 理論直線代替實際特性曲線，理論直線的斜率 作為檢測裝置的平均靈敏度。也就是說一般意義上的靈敏度。放大倍數(shù)輸出與輸入量綱相同時，靈敏度為無量綱數(shù)，稱放大倍數(shù)。靈敏度越高（放大倍數(shù)越大），測量范圍相對越窄，穩(wěn)定性越差，因此要合理選擇靈敏度 X理論直線特性曲線X0Y0YXS=Y/X特性曲線靈敏度2）線性度 表示檢測裝置的實際特性曲線與理論 直線靠近或偏離的程度。線性誤差由于實際靜態(tài)特性曲線 不是直線，在處理中把它當(dāng)作直線 進行線性化，由此產(chǎn)生的誤差。線性度實際曲線與理論直線之間

40、的最大偏差和滿量程輸出值之比。 l=ll/Ymas100 理論直線確定方法采用端點連線和最小二乘法。 線性誤差應(yīng)盡可能減小。3）回程誤差（回差或滯差）是描述輸入、輸出方向有關(guān)特性。當(dāng)輸入量在增加或減少的過程中，對同一輸出量會得到大小不等的輸出量，在全部測量范圍內(nèi)的差值的最大值。h=Hmas/ Ymas100 產(chǎn)生原因：系統(tǒng)內(nèi)部摩擦、間隙、彈性滯后或電滯后，應(yīng)盡量消除或減少。YYmaxXYmaxX0l=ll/Ymas100Y0hmaxh=Hmas/ Ymas1004）精確度（精度）是反映檢測裝置系統(tǒng)誤差和 隨機誤差的綜合評定指標，用來表示檢測裝置給 出接近于被測量真值的示值能力。精度等級表達檢測

41、裝置在符合一定的計量要求 情況下，保持其誤差在規(guī)定的極限范圍內(nèi)的精確度5）穩(wěn)定性和漂移穩(wěn)定性指檢測裝置在規(guī)定條件下保持其檢測特 性恒定不變的能力。通常指不受時間影響的能力。漂移指檢測裝置隨時間的慢變化，即輸入量不 變但輸出量會隨時間的變化而變化。零漂當(dāng)輸入量X=0時產(chǎn)生的漂移。動漂當(dāng)輸入量X為一定值時產(chǎn)生的漂移。漂移產(chǎn)生原因：儀器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，周圍環(huán) 境（溫度、濕度）變化，最常見的是溫漂。2)檢測裝置的動態(tài)特性動態(tài)檢測中，輸出量的變化不僅受被測對象 動態(tài)特性的影響，同時也受到檢測裝置動 態(tài)特性的影響，是兩者的綜合結(jié)果。即當(dāng)一共輸入量經(jīng)過檢測系統(tǒng)的傳遞后，再 由它輸出時，由于受到檢測系統(tǒng)本

42、身特性 的影響，使得輸入量原來的狀態(tài)發(fā)生了變 化，其變化的程度即檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性。一般用傳遞函數(shù)表示。提示與建議1.檢測裝置靜態(tài)指標的基本作用在于選擇、設(shè)計、檢查、修理等適合于工程需要的檢測裝置時的基本依據(jù)；2.選擇和比較檢測裝置一般應(yīng)首先確定測量范圍，再圍繞測量方法、其他靜態(tài)指標和動態(tài)指標；3.靜、動態(tài)特性指標在手冊或資料中不一定全有，一般只有部分，實際上根據(jù)部分指標就可選用了；4.檢測裝置還包括自身特性指標，如電壓、功率、質(zhì)量等以及各種經(jīng)濟指標，在選擇時須綜合考慮。5.其他靜動態(tài)參數(shù)或指標，須參見有關(guān)書籍或資料。第五節(jié) 檢測信號分析基礎(chǔ)一、信息與信號的定義1.信息 是事物存在的狀態(tài)或?qū)傩?/p>

43、的反映。檢測工作的實質(zhì)就是獲取研究對象存在方式和運動狀態(tài)方面的信息，是按照一定目的和要求獲取感興趣的有限的特定信息。2.信號 一個被檢測對象它的各方面的運動狀態(tài)是通過一系列物理參數(shù)隨時間變化過程反映出來的。將隨時間變化的物理良稱為信號。3.信息與信號的關(guān)系 信號中包含了很多有用的信息，是記載和傳輸信息的工具，而信息則是信號所載的具體內(nèi)容。二、信號的分類1.確定性型號確定性信號指能夠用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述的信號。在相同的試驗條件下多次試驗，它可以在一定精度下重復(fù)出現(xiàn)。1）周期性信號周期性信號按一定時間間隔周而復(fù)始出現(xiàn)，并且無始無終的信號。X（t）=X（t+nT） n=1、2、3、-T：周期如：

44、正弦信號是最簡單和典型的周期信號 X（t）=X0 sin (t+0)X0：幅值 0：初始相角 =2f0：角頻率 頻率f0=1/T T：周期2）非周期性信號指不按一定的周期出現(xiàn)，但能夠用明確的數(shù)學(xué)表達式來描述的信號。準周期性信號 由兩種以上的周期信號合成，但其組成分量無法找到公共周期，因而無法按一定時間間隔重復(fù)出現(xiàn)。 X(t)=Sin(t+0)+ 2Sin(2t+)瞬變信號指隨時間的增加輻值衰減至零的信號。如：質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)的質(zhì)點位移 X（t）= X0e-at Sin(t+) 2.非確定性信號（隨機信號）隨機信號無法用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述的信號。在相同的試驗條件下重復(fù)多次實驗，結(jié)果各不相同。

45、只能用概率統(tǒng)計的方法進行表達，無法確定預(yù)見某一瞬間的信號輻值。如：機械振動、噪聲等。根據(jù)信號的時間變量取值特性分成1. 連續(xù)信號連續(xù)信號若描述信號的數(shù)學(xué)表達式中時間變量是連續(xù)的，則稱為連續(xù)信號。模擬信號時間變量和輻值均可取連續(xù)值的信號。如（圖）：2.離散信號離散信號若描述信號的數(shù)學(xué) 表達式中時間變量取值是離散的信號。即離散信 號是在一些離散的瞬間才有函數(shù)值，其它時間沒 有定義的信號。數(shù)字信號輻值也是離散的離散信號。Xt0X(n）t0三、信號的描述任何一個信號都可用時間域和頻率域來描述。1.時間域描述信號直接觀察和記錄信號是以時間作為獨立變量的描述，揭示信號輻值隨時間變化的規(guī)律。作用：用時間域描

46、述信號的圖形中，可知道信號的周期、峰值和平均值，可反映信號變化的快慢和波動情況。但不能揭示信號的頻率組成。2.頻域描述信號 以信號的頻率結(jié)構(gòu)來描述信號。以組成信號的各頻率分量為橫坐標，相應(yīng)的輻值大?。ńM成分量）為縱坐標。作用：從頻率域描述信號的圖形中可以了解組成信號的諧波分量、頻率成分、畸邊大小，信號內(nèi)部之間的聯(lián)系?？梢匝芯款l率結(jié)構(gòu)和輻值與相位的關(guān)系。 f(t)t周期T0時間域描述A()012345頻率域描述四、周期信號的特征1、周期信號的分解 周期信號可以用一個常值分量和無窮個不同輻值和相角的余弦分量（正弦分量）疊加而成。2.周期信號的頻譜1）周期信號的頻譜以周期信號諧波的頻率作橫坐標，以一

47、定比例長度的線段分別表示各種諧波的輻值（譜線），為縱坐標，將譜線按頻率從低到高依次排列的圖形。2）周期信號頻譜的特點 離散性：頻譜由不連續(xù)的譜線組成，每條譜線代表一個諧波分量，頻譜是離散的。諧波性：譜線之間的距離等于基波頻率0的整數(shù)倍，即各次諧波頻率n、nt都是基波整數(shù)倍。收斂性：各次諧波的輻值總的趨勢是隨諧波的次數(shù)的增高而減小，無限增高則趨于零。An4A/4A/34A/54A/700305070提示與建議1、任何信號都有時間域和頻率域描述兩種方式，起實質(zhì)是一樣，相互間可以轉(zhuǎn)換，只是為工程需要，采用方式不同；2、周期性信號是工程中最常見信號，頻譜具有離散性、收斂性、諧波性，對其進行頻譜分析具有

48、重要意義；3、周期性信號在頻率域描述時，一般只取最大輻值下降到1/10的頻率諧波，稱為頻寬。余下諧波可以忽略。4、隨機信號同樣有頻譜分析，其頻譜為連續(xù)的。描述方法及用途參見有關(guān)書籍。作 業(yè)1、測量的實質(zhì)是什么？測量方法他那些？2、檢測裝置的靜態(tài)特性指標主要有那些，對裝置有什么影響；3、測量誤差有那幾類？4、周期信號頻譜的特點是什么？在過程應(yīng)用在，如何對頻譜進行分析？第二十九課 傳感器基礎(chǔ)1、目的和要求：1）掌握傳感器概念、作用、分類、工作過程；2）掌握傳感器靜態(tài)技術(shù)指標；3）掌握傳感器的選用原則及選用方法、過程。2、重點與難點： 1）傳感器技術(shù)指標及特征； 2）傳感器選用方法。3、教學(xué)方法設(shè)計

49、： 講授。第六節(jié) 傳感器基礎(chǔ) 一、傳感器的定義及作用1.傳感器的運用實例2.傳感器與人體器官的對應(yīng)關(guān)系3.傳感器的定義（獲取信息的裝置）通過一些物理效應(yīng)或規(guī)律、借助于檢測元件接受一種形式的信息，并按一定規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。一般是獲取的物理量、化學(xué)量、生物量，可以轉(zhuǎn)換成多種信息。工程中，以轉(zhuǎn)變成電量為主。常見物理量4.狹義傳感器定義 將外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置（又稱變換器、換能器、探測器等）。該裝置將電信號繼續(xù)輸送給后續(xù)的配套測量電路及終端裝置，進一步處理、分析、記錄和顯示。 二、傳感器的組成及分類1、傳感器的組成由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成1）敏感

50、元件（敏感器件）敏感元件及轉(zhuǎn)換元件直接感受被測物理量，并將信號進行必要的轉(zhuǎn)換輸出。如：應(yīng)變式壓力傳感器膜片2）轉(zhuǎn)換電路（輔助器件）能把敏感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理的電信號的裝置。3）將敏感元件與轉(zhuǎn)換電路進行組合，并與微處理器結(jié)合，就形成新型智能傳感器。2、傳感器分類二、傳感器命名及代號1、傳感器命名2、傳感器代號標記CWYYB10 CYGQ1 CW01A轉(zhuǎn)換原理和被測量代號須查表 新編傳感器手冊P1112傳感器被測量位移轉(zhuǎn)換原理應(yīng)變序號傳感器被測量壓力 轉(zhuǎn)換原理光纖序號傳感器被測量溫度 序號三、傳感器的選用原則1、基本原則 傳感器的選型必須根據(jù)檢測任務(wù)和實際條件進行，應(yīng)從靜態(tài)

51、特性、動態(tài)響應(yīng)特性，測量方式、三個方面考慮。然后考慮市場、經(jīng)濟、維修、更換等因素。2、常見技術(shù)指標（含靜、動態(tài)指標）1）靈敏度一般是越高越好，即被測量微小變化則輸出量就有較 大變化。但確定靈敏度時應(yīng)注意：靈敏度很高時，與被測量無關(guān)的噪聲也會同時被檢測 到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。因此 要求是傳感器的信噪比越大越好，而不易受外界干 擾。與靈敏度相關(guān)的是量程范圍，當(dāng)線性工作范圍一定 時，靈敏度高則噪聲高，難以保證傳感器輸入在線 性區(qū)域內(nèi)工作，則靈敏度過高將影響其適用范圍。當(dāng)被測量是單向向量時，傳感器靈敏度越高越好，橫 向靈敏度越低越好。若是測量二維、三維向量時， 應(yīng)要求傳感器交叉靈敏度

52、越小越好。2）線性度傳感器都有一定的線性工作范圍，輸出與輸入成比例關(guān)系，范圍越寬，量程越大。讓傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)是保證測量精度的基本條件。在許可限度內(nèi)，可以取其近視線性區(qū)域。 3）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指傳感器經(jīng)長期使用后輸出特性不發(fā)生變化的性能。無論什么傳感器要求穩(wěn)定性越高越好。影響穩(wěn)定性的因素主要是時間和工作環(huán)境。根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器，要創(chuàng)造和保持良好工作環(huán)境，使傳感器工作在不需要經(jīng)常更換和校正的情況下。4）快速性傳感器在所測頻率范圍內(nèi)，其輸出響應(yīng)不可避免 有些延遲，但要越短越好，避免失真。一般物性傳感器（利用光電效應(yīng)、壓力效應(yīng)等） 響應(yīng)快，工作頻率寬；結(jié)構(gòu)型傳感器（電感、 電容、磁電等）受

53、結(jié)構(gòu)、慣性、固有頻率低， 從而影響到工作頻率范圍。5）精確度傳感器輸出與被測量一致的程度。應(yīng)了解測量目 的，選擇精度。若是定性比較，應(yīng)選擇重復(fù)精 度高的傳感器，不要求測量絕對量值準確；定 量分析則需高精度的傳感器。3、其它指標說明1）環(huán)境參數(shù)指標（工作溫度、振動、防腐、抗干擾等指標）；2）可靠性指標（壽命、平均無故障時間、絕緣等）；3）使用指標（供電、功耗、外型尺寸、重量、材質(zhì)、安裝方式等）。4、測量方法例1.機械參量（回轉(zhuǎn)軸誤差、振動、扭力矩等）一般采用非接觸式測量，如電容式，渦流式、光電非接觸式傳感器；2.不宜破壞性測量，可采用如渦流式探傷、X射線探傷、超聲波探傷、發(fā)聲檢測等方法；3.有條

54、件可采用模擬檢測；4.對自動化過程控制的真實性和可靠性要求高，必須在現(xiàn)場條件下達到檢測要求，應(yīng)進行再線檢測。 5、選型注意的其它問題結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、易安裝維護、互 換性、供貨商情況等。提示及建議1.從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，傳感器及傳感器的組成部分都是一個系統(tǒng)，同時也是更大系統(tǒng)的子系統(tǒng)；2.每個作為子系統(tǒng)的裝置、元件、電路等都有其靜動態(tài)指標，即各自的靈敏度、線性度、范圍、穩(wěn)定性、精度、分辨率等指標，含義相同；3.傳感器有大、有小，有的僅是個元件，有的則是一個較大的裝置，甚至自身帶有計算機；有的帶變換電路，有的不含變換電路。但感知和轉(zhuǎn)換特征是肯定的；4.傳感器選用的關(guān)鍵是清楚地掌握和

55、了解實際工作、工藝過程的需要。一般將在滿足測量范圍（1.3倍量程）基礎(chǔ)上，再結(jié)合測量方法、其它靜動態(tài)指標，經(jīng)過認真比較確定；5.傳感器種類繁多、各自廠商標準不同，又有大量進口傳感器或檢測裝置，數(shù)量及品種層出不窮，因此要掌握大量技術(shù)資料、廠商手冊；6.傳感器還包括許多技術(shù)指標，在選用時，一定要注意；7.傳感器的供貨渠道是多方面的，值得推薦的是網(wǎng)上查閱；8. 傳感器可帶有轉(zhuǎn)換電路，但也有不包含轉(zhuǎn)換電路的傳感器，使用時應(yīng)與后續(xù)測量電路統(tǒng)一考慮。作 業(yè)1、調(diào)查和了解傳感器購買渠道。 2、選用傳感器的基本原則？舉例說明。3、如何選擇傳感器的靈敏度？第三十、三十一課 數(shù)控機床檢測裝置1、目的和要求：1）掌

56、握數(shù)控機床常用檢測裝置的作用、分類、工作過程；2）了解光電傳感器基本原理及構(gòu)成；3）掌握光柵、編碼器等基本原理及技術(shù)參數(shù)。2、重點與難點： 1）機床常用檢測裝置原理、技術(shù)指標及特征； 2）機床常用傳感器選用方法。3、教學(xué)方法設(shè)計： 講授。第七節(jié) 機床常用檢測裝置數(shù)控機床上最常用的為位置檢測裝置,包括長角、度位、位移、角位移。數(shù)控裝置對檢測裝置的要求：可靠、抗干擾；滿足精度和速度要求；方便使用與維修；成本低。檢測裝置一般的技術(shù)數(shù)據(jù)：檢測精度0.0020.02mm/m，分辨率0.0010.01mm/m,能滿足工作臺110m/min的速度移動要求。常用位置檢測裝置一、旋轉(zhuǎn)變壓器1、用途轉(zhuǎn)角檢測元件，

57、結(jié)構(gòu)簡單、可靠、精度可滿足要求。2、結(jié)構(gòu)相似于二相繞線式交流電機。分有刷和無刷兩種（前者結(jié)果簡單，可靠性差）。均由定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組組成。定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯由硅鋼片等疊成，繞組分別嵌入各自鐵芯內(nèi)。有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷的滑動接觸而引出。無刷變壓器則多附加變壓器，其一次繞組與旋轉(zhuǎn)變壓器本體轉(zhuǎn)子繞組連在一起，可使本體轉(zhuǎn)子繞組的電信號通過附加變壓器一次側(cè)與二次側(cè)繞組的電磁耦合，由附加變壓器二次繞組輸出。常用兩極繞組和四極繞組兩種形式。圖 片3、旋轉(zhuǎn)變壓器特點及參數(shù)范圍360，精度25，線性度0.1%，可在1200r/min范圍內(nèi)工作。有參數(shù)表明最大轉(zhuǎn)速范圍2400

58、r/min。二、感應(yīng)同步器特點精度高、抗干擾能力強、工作可靠、對工作環(huán)境要求低、維護方便、壽命長、制造工藝簡單等。應(yīng)用廣泛。1、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型類型直線式和旋轉(zhuǎn)式（圓盤式），前者用于直線測量，后者用于測量角位移。直線式類別標準型、窄型、帶型。前者使用廣泛。提示與建議1.感應(yīng)同步器的由于抗干擾和適應(yīng)惡劣環(huán)境，在數(shù)控機床上應(yīng)用最多；2.感應(yīng)同步器定位控制、隨動控制過程是數(shù)控機床中最為常用的，應(yīng)當(dāng)重點掌握；3.長度大于250mm時，可多快接長，因此長度不受限；4.在有鐵屑或切屑液時，要注意防護，防止劃傷。5.測量精度取決于尺子的精度。圖片2.直線型感應(yīng)同步器類型及特點窄型的滑尺和定尺均為標準型

59、的一半，用于位置受限場合，但精度較低；帶型是將定尺繞組腐蝕法印刷在鋼帶上，并固定在設(shè)備上，可隨設(shè)備伸縮消除熱變形誤差。三、光柵1、光電式傳感器1）含義將被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成光通量的變化（光電效應(yīng)），再通過光電元件轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。特點屬物性型傳感器、反應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、可靠性高、高精度、反應(yīng)快等。2）常見光電元件光電管、光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。3）光電傳感器的應(yīng)用類型光電傳感器的構(gòu)成由光電元件、光源和光學(xué)元件組成一定的光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路四部分構(gòu)成。光源有白識燈、發(fā)光二極管等光學(xué)元件反射鏡、透鏡、半半透反鏡等組合要求光源與光電元件光譜特性基本一致，即光

60、源發(fā)出的光應(yīng)在光電元件接受靈敏度最高的頻率范圍內(nèi)。4）例光電傳感器應(yīng)用檢測數(shù)量檢測障礙檢測速度轉(zhuǎn)速測量UO+12V+5VR1R2提示與建議1.光電元件種類多，參數(shù)多，應(yīng)用中需要積累經(jīng)驗。2.光機電技術(shù)是機電一體化技術(shù)中的重要組成部分，應(yīng)該繼續(xù)學(xué)習(xí)有關(guān)專著；3.光電元件的主要特性及曲線是選擇傳感器的關(guān)鍵，光譜特性的一致性尤為重要；4.光電元件速度快、但注意使用環(huán)境，防止光污染和防塵是重要內(nèi)容；5.光電傳感器輸出有模擬方式和數(shù)字方式，取決于實際需要和后續(xù)測量電路的設(shè)計。2、光柵1）光柵的結(jié)構(gòu)和類型組成由標尺和光柵讀數(shù)頭組成。標尺固定在活動部件上，光柵頭安裝在固定部件上，兩者相對運動。光柵尺構(gòu)成標尺