數(shù)控原理與典型數(shù)控系統(tǒng) 第六課

數(shù)控原理及典型數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控工程學(xué)院李習(xí)上節(jié)課內(nèi)容CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)分類按各電路板的插接方式分類大板式結(jié)構(gòu)功能模塊結(jié)構(gòu)按微處理器的個數(shù)分類單微處理器結(jié)構(gòu)-掌握結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點多微處理器結(jié)構(gòu)-掌握典型結(jié)構(gòu)按硬件的制造方式分類專業(yè)型結(jié)構(gòu)通用計算機式結(jié)構(gòu)按開放程度分類封閉式結(jié)構(gòu)個人計算機式結(jié)構(gòu)（PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)）NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)軟件型開放式結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)原理共享存儲器結(jié)構(gòu)原理復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容單微處理器結(jié)構(gòu)-掌握結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點多微處理器結(jié)構(gòu)-掌握典型結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)P23共享存儲器結(jié)構(gòu)原理P24結(jié)構(gòu)：只有一個CPU或在多個CPU中只有一個管理和控制。工作原理：集中管理，分時處理。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。缺點：由于只有一個控制的CPU，其功能將受到該CPU字長、數(shù)據(jù)尋址能力和運算速度等因素的限制。分布式總線結(jié)構(gòu)原理主從式總線結(jié)構(gòu)原理總線式多主CPU結(jié)構(gòu)

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4光柵位置檢測裝置感應(yīng)同步器1概述光電脈沖編碼器第三章數(shù)控檢測裝置5旋轉(zhuǎn)變壓器

6磁尺位置檢測裝置傳感器的基本特性根據(jù)傳感器的被測量是否隨時間快速變化分類靜態(tài)特性：被測量不隨時間變化或者變化緩慢時傳感器的輸入與輸出的關(guān)系。動態(tài)特性：被測量隨時間快速變化時傳感器的輸入與輸出的關(guān)系。傳感器的基本特性，即輸入——輸出特性什么是傳感器的基本特性？傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型----靜態(tài)的數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號作用下，傳感器輸出量y與輸入量x之間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可用ｎ次多項式來表示為(1-1)輸入量，即被測量傳感器的理論輸出量零輸入時的輸出,也叫零位輸出傳感器線性項系數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示非線性項系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定怎么研究？傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型4種特殊形式理想的線性特性----能準確無誤地反映被測的真值,線性度最好(a)。線性特性----不過原點的直線(b)僅有偶次非線性項----線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為相應(yīng)曲線的斜率(c)

僅有奇次非線性項----線性范圍較寬，且特性曲線相對坐標原點對稱，具有這種特性的傳感器使用時應(yīng)采取線性補償措施(d)

傳感器典型靜態(tài)特性曲線

n=0,1,2,……

傳感器的靜態(tài)性能指標傳感器的靜態(tài)特性主要由性能指標來描述量程范圍線性度靈敏度重復(fù)性遲滯分辨力和閾值穩(wěn)定性漂移1.線性度線性度----傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。線性度可用下式表示為

………(1-6)實際曲線與擬合直線之間的最大偏差滿量程輸出平均值最大輸出平均值最小輸出平均值線性度是以擬合直線作為基準來確定的，

擬合方法不同，線性度的大小也不同常用的擬合方法有理論直線法、端點連線法、割線法、最小二乘法等。端點連線法簡單直觀，應(yīng)用比較廣泛，但沒有考慮所有測量數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低。最小二乘法擬合精度最高，但計算繁瑣，需要借助計算機來完成。2.靈敏度靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-5a所示.圖1-5傳感器的靈敏度非線性傳感器的靈敏度是一個隨工作點而變的變量，如圖1-5b所示.3.重復(fù)性不重復(fù)性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦、積塵、電路老化、工作點漂移等原因產(chǎn)生。多次測試的不重復(fù)誤差，

多次測試的曲線越重合，

其重復(fù)性越好。輸出最大不重復(fù)誤差滿量程輸出平均值圖1-6重復(fù)性重復(fù)性----傳感器在輸入量按同一方向（輸入量增大或輸入量減少）作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-6所示。標準偏差重復(fù)性誤差反映的是校準數(shù)據(jù)的離散程度，屬隨機誤差，按上述方法計算就不太合理。由于測量次數(shù)不同，其最大偏差也不一樣。因此一般按標準偏差來計算重復(fù)性誤差，其表達式為:

標準偏差常用貝塞爾公式計算全部校準點正、反行程輸出值的標準偏差中最大值某校準點i的輸出值在第i個校準點上輸出量的平均值測量次數(shù)4.遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象----傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出—輸入特性曲線不一致的程度，如圖1—7所示。（1-12）遲滯反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動、元件腐蝕或碎裂、材料內(nèi)摩擦、積塵等。最大滯環(huán)誤差

圖1-7遲滯特性圖1-8分辨力和閾值5.分辨力和閾值傳感器的分辨力----實際測量時，傳感器的輸入輸出關(guān)系不可能保持絕對連續(xù)。有時輸入量開始變化，但輸出量并不立刻隨之變化，而是輸入量變化到某一程度時輸出才突然產(chǎn)生一小的階躍變化。實際上傳感器的特性曲線并不是十分平滑，而是呈階梯形變化的，如圖1-8所示。在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測的輸入量的最小變化量△Xmin（有量綱）。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示（分辨率-無量綱）。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值，圖中的值。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。7.漂移傳感器的漂移----外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。零點漂移靈敏度漂移漂移時間漂移----指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化溫度漂移----環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化溫度漂移時間漂移8.測量范圍和量程傳感器所能測量的最大被測量（輸入量）的數(shù)值稱為測量上限，最小被測量稱為測量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱為測量范圍。量程---測量上限與下限的代數(shù)差。例如：測量范圍為0～+10N，量程為10N；測量范圍為-20～+20℃，量程為40℃；測量范圍為-5～+10g，量程為15g；測量范圍為100～1000Pa，量程為900Pa；通過測量范圍，可以知道傳感器的測量上限與下限，以便正確使用傳感器；通過量程，可以知道傳感器的滿量程輸入值，而其對應(yīng)的滿量程輸出值，乃是決定傳感器性能的一個重要數(shù)據(jù)。穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動電磁場線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器主要是用在高精度數(shù)字顯示系統(tǒng)或數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)中用以檢測角位移或線位移信號。例如高精度伺服轉(zhuǎn)臺、雷達天線、火炮和無線電望遠鏡的定位跟蹤、精密數(shù)控機床以及高精度位置檢測系統(tǒng)中。由定尺和滑尺組成，測量直線位移，用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)利用兩個平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙作相對平行移動，根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的。直線式感應(yīng)同步器W2片寬a2間隔b2定尺為連續(xù)繞組，節(jié)距W2＝2(a2＋b2)，其中a2為導(dǎo)電片寬，b2為片間間隙，定尺節(jié)距即為檢測周期W，常取W2＝2mm?；邽榉侄卫@組，分為正弦和余弦繞組兩部分,兩繞組的節(jié)距都為W1＝2(a1＋b1)，一般取W1＝W2或W1＝2W2/3。2＇121＇l1W1a1b10.15~0.35mm節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）結(jié)構(gòu)：二尺與導(dǎo)軌平行sincos定尺（連續(xù)感應(yīng)繞組）：固定在機床的固定部件滑尺（分段勵磁繞組：正弦+余弦）：固定在移動部件滑尺上有正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置上相差1/4節(jié)距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同。直線式感應(yīng)同步器的安裝若滑尺繞組加勵磁電壓，則由于電磁感應(yīng)而在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其大小取決于滑尺與定尺的相對位置。直線式感應(yīng)同步器的工作原理2ττ/2E定尺正弦繞組滑尺余弦繞組VsVci1i2（當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距。）當滑尺處于A位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對應(yīng)重合，定尺繞組線圈中穿入的磁通最多，則定尺上的感應(yīng)電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移動，穿入定尺的磁通逐漸減少，感應(yīng)電壓逐漸減小。當滑尺移到圖中B點位置，與定尺繞組剛好錯開1/4節(jié)距時，感應(yīng)電壓為零。當只給滑尺上正弦繞組加勵磁電壓時，定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對位置關(guān)系如圖所示再移動至1/2節(jié)距處，即圖中C點位置時，定尺線圈中穿出的磁通最多，感應(yīng)電壓最大，但極性相反。再移至3/4節(jié)距，即圖中D點位置時，感應(yīng)電壓又變?yōu)榱?，當移動一個節(jié)距位置如圖中E點，又恢復(fù)到初始狀態(tài)，與A點相同。滑尺在定尺移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個周期，如圖中ABCDE。距離U若勵磁電壓

u＝Umsinωt則定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e

e＝kUmcosθcosωt式中Um—勵磁電壓幅值(V)

ω—勵磁電壓角頻率(rad/s)k—電磁耦合系數(shù)，與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；

θ—滑尺繞組相對定尺繞組在空間的電氣相位角；kUm

—為感應(yīng)電壓的幅值?；哒依@組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

Uos=KUScosθ1滑尺余弦繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

Uoc=KUccos（θ1+π/2）=－KUcsinθ1直線式感應(yīng)同步器的信號處理原理滑尺正、余旋繞組上同時加激磁電壓Us、Uc時，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺繞組上的總感應(yīng)電壓為：

Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

K—電磁感應(yīng)系數(shù)θ1—定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電勢的變化，來檢測在一個節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對式測量。設(shè)滑尺繞組的節(jié)距為2τ，它對應(yīng)的感應(yīng)電勢按余弦函數(shù)規(guī)律將變化2π。若滑尺的移動距離為x，則對應(yīng)于感應(yīng)電勢以余弦函數(shù)將變化θ：根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測系統(tǒng)——-鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。1）鑒相工作方式根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相位相差90°的交流勵磁電壓

Us＝UmsinωtUc=Um（sinωt+π/2）=Umcosωt當滑尺移動x距離時，則定尺上的感應(yīng)電壓為

Ud1＝kUscosθ＝kUmsinωtcosθUd2＝kUccos（θ＋π/2）＝－kUmcosωtsinθ直線式感應(yīng)同步器的應(yīng)用方式應(yīng)用疊加原理得出定尺繞組中的感應(yīng)電壓為

Ud=Ud1＋Ud2＝kUmsin（ωt－θ）通過鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位移。Um—勵磁電壓幅值(V)

ω—勵磁電壓角頻率(rad/s)k—電磁耦合系數(shù)，與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；

θ—滑尺繞組相對定尺繞組在空間的電氣相位角；kUm—為感應(yīng)電壓的幅值。例：感應(yīng)電勢與勵磁電壓相位差θ=1.8°，節(jié)距W=2mm，

由θ=2πx/Wx=0.01mm2）鑒幅工作方式

根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)電勢的振幅變化來檢測位移量。給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以為同頻率、同相位，但不同幅值，即

Us＝UmsinαsinωtUc＝Umcosαsinωt式中α—勵磁電壓的給定電氣角.分別勵磁時，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電勢分別為：

Uds＝kUmsinαcosωtcosθUdc＝kUmcosαcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosαcosωtsinθ根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢Ud為

Ud＝Ud

s＋Udc＝kUmsinαcosθcosωt－kUmcosαsinθcosωt

＝kUmsin（α－θ）sinωt

定尺繞組中的感應(yīng)電壓Ud的幅值為

Umsin（α－θ）若電氣角α已知，則只要測量出Ud的幅值，便可間接地求出θ值，從而求出被測位移x的大小。當定尺繞組中的感應(yīng)電壓Ud＝0時，α＝θ，只要逐漸改變α值，使Ud＝0，便可求出θ值，從而求出被測位移x。令