数控原理与典型数控系统第六课

1、数控原理及典型数控系统数控原理及典型数控系统数控工程学院数控工程学院李珑李习上节课内容CNC装置的硬件结构分类按各电路板的插接方式分类大板式结构功能模块结构按微处理器的个数分类单微处理器结构-掌握结构和优缺点多微处理器结构-掌握典型结构按硬件的制造方式分类专业型结构通用计算机式结构按开放程度分类封闭式结构个人计算机式结构（PC嵌入NC式结构）NC嵌入PC式结构软件型开放式结构共享总线结构原理共享存储器结构原理复习上节课内容单微处理器结构-掌握结构和优缺点多微处理器结构-掌握典型结构共享总线结构P23共享存储器结构原理P24结构：只有一个CPU或在多个CPU中只有一个管

2、理和控制。工作原理：集中管理，分时处理。优点：结构简单，容易实现。 缺点：由于只有一个控制的CPU，其功能将受到该CPU字长、数据寻址能力和运算速度等因素的限制。分布式总线结构原理主从式总线结构原理总线式多主CPU结构光栅位置检测装置感应同步器概述光电脉冲编码器第三章第三章 数控检测装置数控检测装置旋转变压器磁尺位置检测装置传感器的基本特性传感器的基本特性根据传感器根据传感器的被测量是的被测量是否随时间快否随时间快速变化分类速变化分类静态特性：静态特性：被测量不随时间变化或者变化缓慢时传感器的输入与输出的关系。动态特性：动态特性：被测量随时间快速变化时传感器的输入与输出的关系。传感器的基本特性

3、，即传感器的基本特性，即输入输入输出特性输出特性传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的静态数学模型传感器的静态数学模型-静态的数学模型是指静态的数学模型是指在静态信在静态信号作用下，传感器输出量号作用下，传感器输出量y y与输入量与输入量x x之间的一种函数关系之间的一种函数关系。如。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可用次多项式来表示为用次多项式来表示为(1-1)2012.nny aax a xa x 输入量，输入量，即被测量即被测量传感器的理传感器的理论输出量论输出量零输入时的零输入时的输出输出, ,也叫也叫零位

4、输出零位输出传感器线性项传感器线性项系数也称线性系数也称线性灵敏度，常用灵敏度，常用K或或S表示表示非线性项系数非线性项系数，其数值由具，其数值由具体传感器非线体传感器非线性特性决定性特性决定怎么研究？怎么研究？传感器静态数学模型传感器静态数学模型4 4种特殊形式种特殊形式 理想的线性特性理想的线性特性- -能准确无误地反映被测的真值能准确无误地反映被测的真值, ,线性度最好线性度最好(a)(a)。线性特性线性特性-不过原点的直线不过原点的直线(b) (b) 仅有偶次非线性项仅有偶次非线性项-线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为相应曲线的斜率相应曲线的斜率(c)

5、(c) 2420242.nnyaa xa xa x仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项-线性范围较宽，且特性曲线相对坐标原线性范围较宽，且特性曲线相对坐标原点对称，具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施点对称，具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施 (d) 32101321.nnyaa xa xax 传感器典型静态特性曲线传感器典型静态特性曲线xyxyxx（a）（b）（c）（d） n = 0,1,2, 1ya x01yaa x传感器的静态性能指标传感器的静态性能指标传感器的静态特性主要传感器的静态特性主要由性能指标来描述由性能指标来描述量程范围量程范围线性度线性度灵敏度灵敏度重复性重复

6、性迟迟 滞滞分辨力和阈值分辨力和阈值稳定性稳定性漂漂 移移1. 1.线性度线性度u线性度线性度-传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离偏离理论拟合直线理论拟合直线的程度的程度，又称非线性误差。线性度可用下式表，又称非线性误差。线性度可用下式表示为示为 max.100%LF Sey .max0F Syyy(1-6)实际曲线与拟实际曲线与拟合直线之间的合直线之间的最大偏差最大偏差满量程输满量程输出平均值出平均值最大输出最大输出平均值平均值最小输出最小输出平均值平均值线性度是以拟合直线作为基准来确定的，线性度是以拟合直线作为基准来确定的，拟合方法不同，线性度

7、的大小也不同拟合方法不同，线性度的大小也不同u常用的拟合方法有常用的拟合方法有理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法等。等。u端点连线法简单直观，应用比较广泛，但没有考虑所有测量数据的分布，端点连线法简单直观，应用比较广泛，但没有考虑所有测量数据的分布， 拟合精度较低。拟合精度较低。u最小二乘法拟合精度最高，但计算繁琐，需要借助计算机来完成。最小二乘法拟合精度最高，但计算繁琐，需要借助计算机来完成。2. 2.灵敏度灵敏度u 灵敏度灵敏度是是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。u 线性传感器，其灵敏度就是它的

8、静态特性的斜率，如图线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-5a1-5a所示所示. .图图1-5 1-5 传感器的灵敏度传感器的灵敏度u非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-5b1-5b所示所示. .3.3.重复性重复性max.100%RF Sey 不重复性主要由传感器的机械部分的磨不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、电路老化、工作点漂移等原因产生。电路老化、工作点漂移等原因产生。u多次测试的不重复误差，多次测试的不重复误差， 多次测试的曲线越重合

9、，多次测试的曲线越重合， 其重复性越好其重复性越好。输出最大不输出最大不重复误差重复误差满量程输出满量程输出平均值平均值图图1-6 1-6 重复性重复性maxmax1max2=max(,)u重复性重复性-传感器在传感器在输入量按同一方向（输入量增大或输入量减少）作输入量按同一方向（输入量增大或输入量减少）作全量程全量程多次多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图如图1-61-6所示所示。标准偏差标准偏差u 重复性误差反映的是校准数据的重复性误差反映的是校准数据的离散程度离散程度，属，属随机误差随机误差，按上述，按上述方法计算就不太合理。由于测量次数不同，其

10、最大偏差也不一样方法计算就不太合理。由于测量次数不同，其最大偏差也不一样。因此一般按。因此一般按标准偏差标准偏差来计算重复性误差，其表达式为来计算重复性误差，其表达式为: : max.(23)100%RF Sey 标准偏差标准偏差常用贝塞尔公式计算常用贝塞尔公式计算21()1niiiyyn全部校准点正、反行程输全部校准点正、反行程输出值的标准偏差中最大值出值的标准偏差中最大值某校准点某校准点i的输出值的输出值在第在第i个校准点上个校准点上输出量的平均值输出量的平均值测量次数测量次数4. 4.迟滞现象迟滞现象u 迟滞现象迟滞现象-传感器在传感器在正向行程正向行程( (输入量增大输入量增大) )和

11、和反向行程反向行程( (输入量减输入量减小小) )期间期间，输出输出输入特性曲线不输入特性曲线不一致的程度一致的程度，如图，如图1 17 7所示。所示。maxmax.100%100%2HHF SF Seeyy 或（1-12）u迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。最大滞环误差最大滞环误差 图图1-7 1-7 迟滞特性迟滞特性图图1-8 1-8 分辨力和阈值分辨力和阈值yx阈值0minx 5. 5.分辨力和阈值分辨力和阈值 u

12、传感器的分辨力传感器的分辨力-实际测量时，传感器的输入实际测量时，传感器的输入输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，而是呈阶梯形变化的，如图而是呈阶梯形变化的，如图1-81-8所示。所示。在在规定测量规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量范围内所能检测的输入量的最小变化量XminXmin（有量纲）

13、有量纲）。有时也用该值相对满量程输入值的百有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示（分辨率分数表示（分辨率- -无量纲）。无量纲）。u 阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，、钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值生可观变化的输入量的值，图中的，图中的 值。值。6. 6.稳定性稳定性u稳定性有稳定性有短期稳定性短期稳定性和和长期稳定性长期稳定性之分。之分。u传感器常用传感器常用长期稳定性长期稳定性表示，它是指在室温条件下表示，它是指在室温条件下, ,经过经过相当长的时间间隔，如一天、

14、一月或一年，传感器的相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出输出与起始标定与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。表征其输出的稳定度。7. 7.漂移漂移u传感器的漂移传感器的漂移-外界的干扰下外界的干扰下，输出量发生与输输出量发生与输入量入量无关无关的不需要的变化的不需要的变化。零点漂移零点漂移灵敏度漂移灵敏度漂移漂移漂移时间漂移时间漂移-指在规定的条件下，零点指在规定的条件下，零点 或灵敏度或灵敏度随时间随时间的缓慢变化的缓慢变化温度漂移温度漂移-环境温度环境温度变化变化而引起的零点而引起的零点或或 灵敏度的变化

15、灵敏度的变化温度漂移温度漂移时间漂移时间漂移8. 8. 测量范围和量程测量范围和量程u 传感器所能测量的传感器所能测量的最大被测量最大被测量（输入量）的数值称为（输入量）的数值称为测量上限测量上限，最小被测最小被测量量称为称为测量下限测量下限，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。u 量程量程-测量上限与下限的测量上限与下限的代数差代数差。例如：例如：u 测量范围为测量范围为0 0+10N+10N，量程为，量程为10N10N；u 测量范围为测量范围为-20-20+20+20，量程为，量程为4040；u 测量范围为测量范围为-5-5+10g+10g，量程为

16、，量程为15g15g；u 测量范围为测量范围为1001001000Pa1000Pa，量程为，量程为900Pa900Pa；u 通过测量范围，可以知道传感器的通过测量范围，可以知道传感器的测量上限与下限测量上限与下限，以便正确使用传感器，以便正确使用传感器；通过量程，可以知道传感器的；通过量程，可以知道传感器的满量程输入值满量程输入值，而其对应的满量程输出值，而其对应的满量程输出值，乃是决定传感器性能的一个重要数据。，乃是决定传感器性能的一个重要数据。稳定性稳定性(零漂零漂)传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后

17、重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 传感器输入输出作用图传感器输入输出作用图输出输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特衡量传感器特性的主要技术性的主要技术指标指标感应同步器感应同步器感应同感应同步器步器直线式感应同步器直线式感应同步器旋转式感应同步器旋转式感应同步器 感应同步器主要是用在高精度数字显示系统或数控闭环系统中用以检测角位移或线位移信号。例如高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高

18、精度位置检测系统中。由定尺和滑尺组成，测量直线位移，用于闭环伺服系统。直线式感应同步器直线式感应同步器的结构正弦绕组余弦绕组滑尺定尺UdUsUc2/2 利用两个平面形印刷利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀绕组，其间保持均匀气隙作相对平行移动气隙作相对平行移动，根据交变磁场和互，根据交变磁场和互感原理而工作的。感原理而工作的。直线式感应同步器直线式感应同步器W2片宽片宽a2间隔间隔b2为连续绕组，节距为连续绕组，节距W22(a2b2)，其中，其中a2为导电片宽，为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取，常取W22mm。滑尺滑尺为分段绕组，分为正弦

19、和余弦绕组两部分为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距两绕组的节距都为都为W12(a1b1)，一般取，一般取W1W2或或W12W2/3。2121l1W1a1b10.15 0.35mm 节距2（2mm） 节距（0.5mm）q 结构：二尺与导轨平行 sin cos41定尺定尺（连续感应绕组）：（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件固定在机床的固定部件滑尺滑尺（分段励磁绕组：正弦（分段励磁绕组：正弦+余弦）：余弦）：固定在移动部件固定在移动部件滑尺上有正弦和余弦励滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上磁绕组，在空间位置上相差相差1/4节距，定尺和节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。滑尺绕

20、组的节距相同。直线式感应同步器的安装直线式感应同步器的安装 若若滑尺绕组加励磁电压滑尺绕组加励磁电压，则由于，则由于电磁感应而在电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于，其大小取决于滑尺与定滑尺与定尺的相对位置。尺的相对位置。2/2E定尺定尺正弦绕组正弦绕组滑尺滑尺余弦绕组余弦绕组VsVci1i2（当正弦绕组与（当正弦绕组与定尺绕组对齐时定尺绕组对齐时，余弦绕组与定，余弦绕组与定尺绕组相差尺绕组相差1/4节节距。）距。） 当滑尺处于A位置，即滑 尺绕组与定尺绕组完全对应重 合，定尺绕组线圈中穿入的磁 通最多，则定尺上的感应电压最大。 随着滑尺相对定尺做平行移动，穿

21、入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。 当滑尺移到图中B点位置，与定尺 绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系尺的相对位置关系如图所示如图所示 再移动至1/2节距 处，即图中C点位置时，定尺线 圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。 再移至 3/4节距，即图中D点位置时， 感应电压又变为零， 当移动一 个节距位置如图中E点，又恢复 到初始状态，与A点相同。 滑尺在定尺移动一个节距的过 程中，感应电压近似于余弦函 数变化了一个周期，如图中ABCDE。距离距离U若若

22、励磁电压励磁电压 uUmsint则定尺绕组产生的则定尺绕组产生的感应电势感应电势e e ekUmcoscos t式中式中 Um励磁电压幅值励磁电压幅值(V) 励磁电压角频率励磁电压角频率(rad/s) k电磁耦合系数，电磁耦合系数， 与绕组间与绕组间 最大互感系数有关；最大互感系数有关； 滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角；滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角； kUm 为感应电压的幅值。为感应电压的幅值。 滑尺正弦绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1 滑尺余弦绕组Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（1+/2

23、） =K Ucsin1直线式感应同步器的信号处理原理滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。 设滑尺绕组的节距为2，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2。若滑尺的移动距离为x，则对应于感应电势以余弦函数将变化 ：()22xxpqptt=根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电供电方式的不同可构成不同检测系统

24、方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系鉴相型系统和鉴幅型系统。统和鉴幅型系统。1）鉴相工作方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差90的交流励磁电压 UsUmsint Uc=Um（sint+/2）=Umcost当滑尺移动x距离时，则定尺上的感应电压为 Ud1k Uscosk Umsintcos Ud2k Uccos（/2）k Umcostsin直线式感应同步器的应用方式应用叠加原理得出定尺绕组中的感应电压为 Ud=Ud1Ud2kUmsin（t） 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。Um励磁电压幅值(V)

25、励磁电压角频率(rad/s) k电磁耦合系数，与绕组间 最大互感系数有关； 滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角； kUm 为感应电压的幅值。 例：感应电势与励磁电压相位差=1.8，节距W=2mm， 由= 2x/W x=0.01mm2）鉴幅工作方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。p给滑尺的给滑尺的正弦绕组正弦绕组和和余弦绕组余弦绕组分别通以为分别通以为同同频率、频率、同相位，同相位，但不同但不同幅值幅值，即，即 UsUmsinsint UcUmcossint式中式中 励磁电压的给定电气角励磁电压的给定电气角. 分别励磁时，在分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势定尺绕组上产生的输出感应电势分别为：分别为： UdskUmsin cost cos UdckUmcos cos(/2)cost kUm cos cost sin根据叠加原理，定尺绕组上根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势总输出感应电势Ud为为 Ud Ud s Ud c kUmsin coscost kUm cos sincost kUmsin（）sint 定尺绕组中的定尺绕组中的感应电压感应电压Ud的幅值的幅值为为 Umsin（）若电气角若电气角已知，则只要测量出已知，则只要测量出Ud的幅值，便可间接的幅值，便可间接地求出地