数控机床驱动装置培训资料

第二十七课数控机床电气控制概述及自动控制基础1、目的和要求：1）掌握数控机床及伺服系统基本概念；2）掌握位置、速度伺服系统组成、特点、工作过程；3）掌握自动控制分类及特点；4）数控机床对电气控制的要求；5）了解自动控制系统的评价指标。2、重点与难点：1）数控机床有关概念；2）伺服系统、特点及工作过程。3、教学方法设计：

讲授。为现场教学掌握数控系统电气自动控制打基础。第七章数控机床驱动装置

第一节数控装置驱动概述数控机床驱动装置——以加工指令为输入量，以机床移动部件为输出量的控制系统。位置随动系统——以加工指令脉冲为输入量，以机床移动部件的位置为输出量的控制系统。数控机床驱动装置就是位置随动系统，简称伺服系统。伺服系统——是一种能够跟踪输入指令信号而动作，从而获得准确位置、速度、力输出的控制系统。典型的伺服系统是位置随动系统。7.1一、伺服系统的组成和工作过程

1、结构位置控制模块速度控制模块SM来自CNC插补运算的位置指令+—位置反馈速度反馈+—速度指令伺复电机位置检测装置伺复驱动速度控制CNC位置控制进给传动速度检测装置工作台刀具伺服系统结构框图7.12）组成——通常由位置控制环和速度控制环组成。图中内环是速度控制环，外环是位置控制环。3）工作过程——插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈来的信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。7.12、位置控制环1）组成——由位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置组成。2）检测装置——可采用旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅、激光测距等。3）位置控制环功能作用——对机床位置坐标轴进行控制，而坐标轴控制是要求最高的控制，不仅要严格控制每个轴的运动速度和位置精度，而且在多轴联动时还要求个移动轴按插补要求协调运动，保证复杂形状的加工。7.13、速度控制环1）组成——由伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块组成。速度控制模块组成为速度控制系统的核心，2）速度检测装置——通常采用测速发电机、脉冲编码器等。3）功能——是伺服系统中最基本内容，用来控制电机转速。7.1二、数控机床伺服系统分类

1、按位置控制方式分1）闭环控制：由于引入负反馈并利用偏差控制，即利用被控量的反馈信息，使整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。特点：无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差，必定产生一个相应控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值一致。具有抑制内外扰动对被控量产生影响的能力，具有较高的控制精度。7.12）半闭环控制：闭环控制的反馈是将被控量直接测量得到的，若将被控量通过间接测量得到，并反馈到输入端进行比较，其偏差用于控制的方式。特点：属反馈控制范畴，控制精度低于闭环控制，用于被控量测量时结构受限制的场合。结构相对闭环控制简单、成本较低。7.13）开环控制：指控制装置与倍控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：系统的输出量不会对系统的控制产生影响，是按给定量进行控制的，即控制作用是输入量产生的，给定一个输入量就会有一个输出量相对应，控制精度取决于所用的元件和校准的精度。自动修正偏差的能力，抗扰动性差。但结构简单、调整方便，成本低在精度要求不高或扰动影响小的情况下有实用价值。4）尺寸及形状检测元件用于闭环，回转测量常用于半闭环。7.12、按伺服电机类型分类1）步进伺服系统——属典型的开环伺服系统，由步进电机及其驱动系统组成。特点：结构简单、使用维修方便、成本低、控制简单等；应用：在小型数控机床和速度、精度要求不高场合应用广泛2）直流伺服系统——由直流伺服电机、调速系统、检测反馈、机械传动等部分组成。常用的直流伺服电机有小惯量伺服电机和永磁伺服电机（大惯量宽调速）两类。3）交流伺服系统——分为交流同步型伺服电机和交流异步型伺服电机，后者一般用于主轴交流伺服系统，交流同步型伺服电机一般用于进给伺服电机。交流伺服电机没有直流伺服电机缺点，且有较大的输出功率、更高的电压和转速，基本取代了直流伺服系统。7.13、、按按反反馈馈比比较较控控制制方方式式分分类类由于于采采用用位位置置检检测测元元件件不不同同，，反反馈馈信信号号不不同同，，分分类类为为：：1））脉脉冲冲数数字字比比较较系系统统（数数字字伺伺服服系系统统））————如如果果插插补补器器输输出出的的指令令信信号号是是数数字字脉脉冲冲，选选择择磁磁栅栅、、光光栅栅、、光光电电编编码码器器作作为为机机床床移移动动部部件件位位移移的的检检测测装装置置，，位置置反反馈馈信信号号也也是是数数字字脉脉冲冲信信号号，给给定定量量和和反反馈馈量量就就是是直直接接的的脉脉冲冲比比较较，，该该系系统统就就成成为为脉脉冲冲比比较较伺伺服服系系统统（（数数字字伺伺服服系系统统））。。2））相相位位比比较较系系统统———高高精精度度数数控控伺伺服服系系统统中中，，相相位位与与辐辐值值的的检检测测元元件件常常用用旋旋转转变变压压器器、、感感应应同同步步器器、、光光栅栅、、磁磁栅栅等等，，这这些些测测量量元元件件及及检检测测电电路路都都可可输输出出相相位位比比较较信信号号或或辐辐值值比比较较信信号号。。3））辐辐值值比比较较伺伺服服系系统统———位位置置元元件件采采用用辐辐值值工工作作状状态态，，输输出出辐辐值值大大小小与与机机械械位位移移成成正正比比的的模模拟拟信信号号，，将将此此信信号号作作为为位位置置反反馈馈信信号号与与指指令令信信号号比比较较，，实实现现位位置置和和速速度度控控制制构构成成的的闭闭环环系系统统。。7.14、、按按驱驱动动对对象象分分类类1））进进给给伺伺服服系系统统———以以机机床床移移动动部部件件的的位位置置和和速速度度为为控控制制量量，，接接受受来来自自插插补补装装置置或或插插补补软软件件生生成成的的进进给给脉脉冲冲指指令令，，经经过过一一定定的的信信号号变变换换及及电电压压、、功功率率放放大大、、检检测测反反馈馈，，最最终终实实现现机机床床工工作作台台相相对对于于刀刀具具运运动动的的控控制制系系统统。。进给给伺伺服服系系统统由控控制制系系统统和和机机械械传传动动机机构构（（减减速速齿齿轮轮、、滚滚珠珠丝丝杆杆、、机机械械导导轨轨、、工工作作台台拖拖板板等等））组组成成，，有有开开环环和和闭闭环环两两类类，，开开环环系系统统只只能能由由步步进进电电机机驱驱动动，，闭闭环环系系统统分分为为直直流流电电机机和和交交流流电电机机两两种种驱驱动动方方式式。。2））主主轴轴伺伺服服系系统统———主主轴轴的的速速度度控控制制方方式式与与进进给给系系统统基基本本相相同同，，采采用用交交流流或或直直流流调调速速，，重重点点是是转转速速和和转转矩矩参参数数。。主主轴轴伺伺服服系系统统可可由由数数控控装装置置直直接接控控制制，，也也可可由由数数控控装装置置通通过过可可编编程程控控制制器器控控制制。。7.1三、、对对进进给给伺伺服服系系统统的的基基本本要要求求1、、高高精精度度数控控机机床床的的高高精精度度、、高高效效率率很很大大程程度度取决决于于进进给给系系统统的的性性能能。伺伺服服系系统统的的精精度度主主要要指指定定位位精精度度（（一一般般机机床床1——5μμm，，高高精精度度数数控控为为0.1μμm））；；检检测测元元件件的的分分辨辨率率是是决决定定系系统统分分辨辨率率和和脉脉冲冲当当量量的的关关键键元元件件（（一一般般数数控控机机床床分分辨辨率率为为1μμm，，高高精精度度达达0.1μμm））2、、稳稳定定性性系统统在在新新的的输输入入指指令令信信号号作作用用下下，，系系统统能能够够达达到到新新的的稳稳定定状状态态，，当当新新的的输输入入指指令令消消失失后后，，系系统统能能够够恢恢复复到到原原来来的的稳稳定定状状态态下下运运行行。。系系统统要要有有较较强强的的抗抗干干扰扰能能力力。。稳定定性性将将直直接接影影响响系系统统的的加加工工精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度。3、、快快速速响响应应无无超超调调反映映系系统统的的跟跟踪踪精精度度，，会会影影响响加加工工准准确确度度和和表表面面粗粗糙糙度度。。由由于于伺伺服服系系统统频频繁繁启启动动、、制制动动、、加加速速、、减减速速、、等等动动态态过过程程，，要要求求在在200ms甚甚至至几几十十毫毫秒秒内内完完成成。。7.14、、调调速速范范围围指电电机机提提供供的的最高高转转速速和和最最低低转转速速之之比比。为为保保证证最佳佳切切削削参参数数和和条条件件，，要要求求伺伺服服系系统统转转速速在在较较大大范围围内内有有良良好好温温度度性性。。一一般般数数控控机机床床进进给给速速度度0——24m/min时时，，要要求求运运行行均均匀匀、、平平稳稳、、无无爬爬行、速降小小；进给速速度在1mm/min时，具具有一定的瞬时速度度；当进给给速度等于于0时，要要求电机有有电磁转矩以以维持定位位精度，即即使电机处处于伺服锁锁定状态。5、不受负负载影响电机的转动动惯量是定定植，但负负载惯量是是变化，加工过程中中变化很大大，要求伺伺服系统在在负载变量和转矩干干扰等使电电机负载变变化时不影影响伺服系统工作。7.1四、对主轴轴伺服系统统的要求1、对主主轴伺服系系统拖动要要求主轴控制涉涉及数控机机床的G、、S、M、、T控制功功能，故要要求：1）调速范范围足够大大——为适应应各种刀具具、工序、、材料的加加工要求，，主轴调速速范围要宽宽。数控机机床主轴变速是是按指令自自动无级调调速的，一一般要求1：（100—1000））恒转速调调速范围、、1：10的恒功率率调速。主主轴轴驱驱动动方方式式一一般般有有主主轴轴带带齿齿轮轮换换挡挡，，可可以以降降低低主主轴轴转转速速，，增增大大传传动动比比；；二二是是主主轴轴电电动动机机通通过过同同步步齿齿形形带带驱驱动动主主轴轴，，具具有有恒恒功功率率宽宽的的特特点点。。2））主主轴轴输输出出功功率率大大———在在整整个个速速度度范范围围内内均均能能提提供供切切削削所所需需功功率率，，达达到到主主轴轴电电机机最最大大功功率率最最为为理理想想，，即即恒功功率率范范围围宽宽。由由于于电电机机和和驱驱动动的的限限制制，，低低速速段段均均为为恒恒转转矩矩输输出出，，常常采采用用分分段段无无级级变变速速方方法法，，即即在在低低速速段段采采用用机机械械减减速速装装置置，，以以提提高高输输出出转转矩矩。。7.12、、对对主主轴轴驱驱动动的的控控制制要要求求1））主主轴轴速速度度调调节节———是是最最重重要要的的控控制制要要求求，，分分为为有有级级、、无无级级和和分分段段无无级级调调速速三三种种形形式式。。前前者者为为经经济济型型数数控控机机车车。。2））主主轴轴定定向向准准停停控控制制———为为满满足足加加工工中中心心自自动动换换刀刀（（ATC）），，主主轴轴必必须须高高精精度度准准停停控控制制，，主主轴轴必必须须能能停停在在固固定定的的径径向向位位置置。。3））主主轴轴旋旋转转与与坐坐标标轴轴进进给给的的同同步步控控制制———在在螺螺纹纹加加工工时时，，主主轴轴旋旋转转必必须须与与坐坐标标轴轴进进给给量量保保持持一一定定的的关关系系。。可可采采用用光光电电编编码码器器作作为为主主轴轴脉脉冲冲发发生生器器，，通通过过CPU对对节节距距的的计计算算，，控控制制坐坐标标轴轴进进给给伺伺服服系系统统，，使使进进给给量量与与主主轴轴转转速速保保持持同同步步。。4））恒恒速速线线切切割割控控制制———为为保保证证加加工工面面的的粗粗糙糙度度，，要要求求工工件件与与刀刀尖尖的的接接触触点点的的线线速速度度为为恒恒值值，，为为此此，，随随刀刀具具径径向向进进给给直直径径减减小小，，应应不不断断提提高高主主轴轴转转速速。。5））加加减减速速功功能能———要要求求在在正正、、反反转转时时具具备备自自动动加加减减速速功功能能，，且且时时间间尽尽可可能能短短。。7.1第二二节节数数控控机机床床概概述述一.数数控控机机床床的的产产生生1952年年麻麻省省理理工工学学院院研研制制第第一一台台电电子子管管元元件件数数控控机机床床1958年年美美国国出出现现自自动动换换刀刀的的加加工工中中心心（（MC））1967年年英英国国出出现现几几台台数数控控机机床床连连接接在在一一起起的的柔柔性性加加工工制制造造系系统统（（FMS））1970年年用用小小型型计计算算机机数数字字控控制制的的数数控控机机床床（（CNC））1974年年微微处处理理器器用用于于数数控控1980年年后后出出现现以以加加工工中中心心为为主主体体，，配配上上工工件件自自动动检检测测和和卸卸料料的的柔柔性性制制造造单单元元（（FMC）），，在在此此基基础础上上出出现现计计算算机机集集成成制制造造系系统统（（CIMS））二数数控控技技术术发发展展趋趋势势1.高高速速高高精精加加工工技技术术及及装装备备进给给速速度度60mmin；；加加速速度度2g；；主主轴轴转转速速60000r/min普通通级级数数控控机机床床达达5μμm，，精精密密级级1——55μμm或或更更高高；；平均均故故障障间间隔隔时时间间6000h，，伺伺服服系系统统达达30000h2.五五轴轴联联动动加加工工和和复复合合加加工工机机床床3.智智能能化化、、开开放放式式、、网网络络化化三数数控控机机床床的的基基本本特特点点加工工对对象象的的改改型型适适应应性性强强；；加工工精精度度高高；；生生产产效效率率高高；；自动动化化程程度度高高；；良好好经经济济效效益益；；有利利于于生生产产管管理理现现代代化化四数数控控机机床床工工作作原原理理1.按按照照加加工工零零件件的的信信息息编编制制程程序序，，并并输输入入数数控控系系统统；；2.数数控控系系统统处处理理运运算算，，按按各各坐坐标标轴轴分分量量送送各各轴轴驱驱动动；；3.驱驱动动电电路路经经转转换换、、放放大大驱驱动动伺伺服服电电机机，，各各轴轴运运动动；；4.反反馈馈控控制制使使刀刀具具、、辅辅助助装装置置按按程程序序规规定定顺顺序序、、轨轨迹迹、、参参数数工工作作五数数控控机机床床组组成成组成成示示意意图图输入入装装置置数控控系系统统伺服服系系统统机床床本本体体测量量装装置置数控控机机床床组组成成结结构构图图输入入/输输出出装置置数控控装装置置NC驱动动控控制制装装置置机床床电电气气控控制制装装置置机床床数控控机机床床组组成成结结构构框框图图7.2六数数控控机机床床组组成成部部分分功功能能1.输输入入：：常常见见磁磁盘盘和和U盘盘，，而而R232C通通讯讯、、网网络络传传输输已已经经成成为为趋趋势势；；2.数控系统统（CNC））：机床的核核心，根据输输入程序和数数据，处理后后输出信号和和指令控制机机床个部分，，按规定有序序动作。包括括：经插补运运输决定的各各坐标轴的进进给速度、进进给方向和位位移量指令；；主运动部件件的变速、换换向和启停信信号；选择和和交换刀具指指令信号；控控制冷却和润润滑液系统控控制；工件和和机床部件松松开、夹紧，，分度工作台台转位等辅助助信号。3.伺服驱动动系统：由伺伺服电路和伺伺服驱动装置置组成，与机机床的执行部部件和机械传传动部件组成成进给系统。。根据速度和和位移指令控控制执行部件件的进给速度度和方向。每每个执行部件件都有一套伺伺服驱动系统统4.机床本体体：机械部件件包括主运动动部件、进给给运动执行部部件、床身立立柱等支撑；；冷却、润滑滑、转位和夹夹紧辅助装置置。对加工中中心还有刀库库、交换刀具具的机械手七数控控机床分类1.按运动方方式分：点位位控制系统（（只要求点与与点位置，不不严格轨迹））、点线控制制系统（还要要点间运动轨轨迹和直线））、轮廓控制制系统（对两两个以上坐标标同时严格控控制，含速度度和位移）2.按控制方方式分：开环环控制系统、、半闭环控制制系统、闭环环控制系统3.按工艺用用途分：数控控钻床、车床床、铣床、镗镗床、磨床；；压床、冲床床、弯管机、、电火花切割割机、火焰切切割机；加工工中心是带刀刀库和自动换换刀装置的数数控机床，一一台机床上实实现多种加工工。八典型型数控系统1.西门子SINUMERIK系统统2.福士通FANNC系系统3.三菱公司司MELDAS4.海得汉公公司Heidenhain5.华中数控控九数控机机床电气控制制系统组成：机床用用PLC、外外围电压电气气控制系统、、执行机构数控系统两大大部分：NC、PLCPLC与NC的关系：NC任务：实实现刀具相对对于工件各坐坐标轴几何运运动规律PLC任务：：辅助设备的的控制。即根根据CNC内内部标志以及及机床各控制制开关、检测测元件、运动动部件的状态态，按程序设设定控制逻辑辑对刀库运动动、换刀机构构、冷却液等等运动进行控控制。两者按此原则则分工，但也也联系。NC与PLC接接口按ISO4336——1981（（E）《机机床数字控制制——数控装装置和数控机机床电气设备备之间的接口口规范》数控机床的电电气控制内容容1、数控机床的电电气控制线路路与普通机床床不同在于除除了常用的电电器控制线路路外，还有数数控系统。2、数控装置是机机床核心，发发出机床的操操作命令。3、驱动装置位于于数控装置和和机床之间，，包括进给驱驱动和主轴驱驱动装置。根根据控制电机机不同，控制制电路形式不不同。即步进进电机有步进进驱动装置，，直流电机有有直流驱动装装置，交流伺伺服电机有交交流伺服驱动动装置。4、机床电气控制制装置也是位位于数控装置置与机床本体体之间，主要要是接受数控控装置发出的的开关命令、、控制机床启启停、正反转转、换刀、冷冷却、润滑、、液压、气压压等相关信号号。数控机床电气气控制系统框图程序输入设备计算机数字控制装置（CNC）装置可编程控制器PLC主轴控制单元元主轴电机机床速度控制单元元进给电机位置检测输出设备7.2十PLC在数控机床床中的应用1.PLC在在数控机床中中的两种应用用形式：内装装式（集成式式，NC和PLC集合在在一起，高档档机床用）和和独立式（外外装式，独立立于NC，方方便对控制规规模调整）2.PLC和和外部信息交交换：和机床床侧开关量信信号通过I/O单元输入入PLC或输输出到机床；；CNC厂家家设计CNC信息直接送送入PLC相相关寄存器，，如M、S、、T功能，不不可更改；PLC送CNC的信号号地址与含义义由CNC厂厂家确定。PLC在数控控机床中的应应用（续）3.PLC在在数控机床中中的工作流程程输入采样、程程序执行、输输出刷新等4.PLC在在数控机床中中的功能操作面板的控控制——机床床面板信号直直接进入PLC，系统面面板控制信号号先经NC，，NC再送PLC；机床外部开关关输入信号———机床侧的的逻辑信号送送入运算（行行程、接近、、模拟选择开开关等）输出信号控制制——经继电电器、接触器器、电磁阀等等输出控制功能实现———系统送来的的T指令给PLC，，进行换刀M功能——系系统送M指令令PLC，控控制主轴正反反转和停止十一PLC和外围围电路的关系系PLC对外围围电路的控制制：PLC接接收CNC控控制信号及外外电路反馈信信号，经过逻逻辑运算、处处理，其结果果通过输出口口（或模块））输出，有的的信号通过中中间继电器控控制接触器然然后控制具体体的执行机关关动作。也有有直接控制外外部设施的。。PLC接收外外边反馈信号号，以监控设设备设施的状状态。温度传传感器、震动动传感器、行行程开关、接接近开关等，，通过之间环环节或直接进进入PLC。。PLC对外部部控制的关键键点是外部的的输入信号和和输出到外部部的控制命令令，要与PLC的内部部信号处理对对应，即地址址分配准确十二例：：数控车床电电气组成框图图数控装置（（CNC））机床控制电电气主轴变频器X轴进给驱动Z轴进给驱动刀架电机控制冷却控制其他信号控制M1M2M3M4M5执行/传感感器三、数控机机床现场教教学1、数控车车床模拟装装置（华中数控控：1）目的：熟悉数控控机床的基基本构成；；了解数控控机床的控控制方式；；细化各控控制回路过过程，并分分析各回路路控制特点点；2）方式：分组听取取老师讲说说，并讨论论；基本操操作方式介介绍。3）时间：两学时4）作业：完成对模模拟数控车车床的结构构及参数描描述；各控控制回路框框图并分析析；对各控控制对象特特点的分析析；对模拟拟PLC进进行说明。。7.22、SSCK20A卧式数控控车床车床参数：型号SSCK20A，系统BEIJING—FANS、、seriesoiMate——TB，，D200mm电源3—380V，，额定总容容量30KVA、熔熔断电流50A沈沈阳机床床有限责任任公司1）目的：熟悉数控控车床的基基本构成；；了解数控控车床的控控制方式；；细化各控控制回路过过程，并分分析各回路路控制特点点；2）方式：分组听取取老师讲说说，并讨论论；基本操操作方式介介绍。3）时间：两学时7.23、XK713数控控床身铣床床铣床参数：型号XK713，系统，工作尺寸300×700mm，主轴转转速60——6000r/min，电控柜HNC—21MO，，电源3—380V，额定总容量量16KVA、防护等级IP54，，武汉华中中数控1）目的：熟悉数控控铣床的基基本构成；；了解数控控铣床的控控制方式；；细化各控控制回路过过程，并分分析各回路路控制特点点；2）方式：分组听取取老师讲说说，并讨论论；基本操操作方式介介绍。3）时间：两学时7.2提示与建议议1、《数控控机床》为为一门重要要课程，本本讲仅为极极少部分，，要从多种种渠道学习习相关内容容，再与本本课程相结结合；2、闭环控控制系统一一般用伺服服电机作驱驱动元件，，开环系统统一般由步步进电机作作驱动元件件；3、采用步步进电机驱驱动的系统统在负载变变化较大也也可采用位位置等反馈馈，成为半半闭环或闭闭环自动控控制系统；；4、复杂的的系统往往往包含若干干个闭环、、半闭环、、开环控制制子系统，，在进行系系统分析时时，要以““系统”的的观点出发发，综合分分析个子系系统之间的的关系和相相互作用，，共同完成成的功能；；5、控制系系统含软件件和硬件内内容，须用用系统观点点分析；6、控制系系统的稳定定性、快速速性、准确确性相互制制约，应综综合考虑。。7.2第三节自自动控制制系统性能能及评价一一、自动动控制系统统的基本要要求一个理想的的控制系统统，在控制制过程中应应使被控量量等于给定定量。但由由于机械惯惯性、储能能元件等影影响，当给给定值变化化时，其速速度和位置置难以瞬时时变化，其其被控量不不能立即等等于给定量量，而需要要一个动态过程。动态过程反反映系统性能好坏，体现现在“稳””、“准””、“快””三方面。。7.31、稳定性性如果系统受受到外部作作用后，经经过一段时时间，其被被控量达到到某一稳定定状态，则则称系统是是稳定的.若在给定信信号作用下下，被控量量震荡发散散，或受扰扰动后被控控量不能恢恢复平衡称称为不稳定。若系统出现现等幅震荡荡，即处于于临界状态态，也为不不稳定。Xo(t)Xo(t)Xo(t)0tXi(t)Xi(t)t0Xi(t)t0稳定系统动动态过程不稳定系统统动态过程程7.32、快速性性通过动态过过程时间长长短来表征征，反映输出对输入入的响应的快慢。系系统响应越越快，则动动态精度越越高，复现现快变信号号的能力越越强。3、准确性性输入给定值值与输出响响应值的终终值之间的的差值大小来表征，反反映了系统统的稳定精精度。若系系统最终误误差为0，，称无误差差系统，反反之是有误误差系统。。Xo(t)0Xi(t)Xo(t)Xi(t)0ttess控制系统快快速性控制系统稳稳定精度7.34、稳、快快、准三者者关系1）稳定性、快快速性、准准确性往往往是互相制制约的，强强调稳定性性会使系统统响应迟缓缓和控制精精度降低；；过分强调调快速性，，则会使系系统震荡加加剧，甚至至不稳定。。2）三者要兼顾顾，不偏废废。7.3二、自动控控制系统的的性能指标标静态指标——用于说说明系统在在最低与最最高转速范范围内调速速，且速度度稳定的指指标。包括括：静差度、调速范围、调速平滑性性等动态指标——用于说说明要求系系统启动、、制动（快快而稳），，抗干扰性性能（良好好），即系系统稳定在在某一转速速上运行时时，不受负负载变化及及电源电压压波动等因因素的影响响的指标。。包括：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量、稳态误差等。7.31、静态技技术指标1）静差度度——是生产产机械对调调速系统相相对稳定性性的要求，，即负载波波动时，转转速的变化化程度。额额定负载时时的转速降降落:说明：1、静差差度S与机机械特性硬硬度有关，，特性越硬硬，S越小小，系统稳稳定性越好好，负载变变化对转速速变化影响响小。2、S与理理想空载转转速有关，，降低则S变小，稳稳定性变差差；对调速速系统，若若满足最低低转速的静静度差，则则其他转速速的静度差差也能满足足；3、一般要要提高特性性硬度，使使电机运行行在高速状状态；4、普通机机床S﹤0.3，数数控机床S﹥0.001nS=———no-nNno=———noT=TNN7.32）调速范范围——生产机机械要求电电机在额定定负载时的的最高转速速与最低转转速之比：：D=——说明：1、一般机机床主轴传传动D=2—4；机机床进给系系统D=5—200；轧轧钢机D=10；造造纸机D=3—20·····2、调速范范围受最低低转速限制制，因有最最低静差度度限制；3、在满足足机械对静静差度要求求的前提下下，电机调调速范围D=——×——由电机名牌牌确定，SL等于或或小于机机械要求的静差差度，D由由生产机械械决定。nmax

nminT=TNnmaxnNSL1—SL7.33）调速的的平滑性调速的平滑滑性：用两个相相邻的ni与ni+1之比来衡量量，比值接接近1，则则平滑性越越好，机械械在一定的的调速范围围内可得到到调节转速速级数就越越多。无级调速：相邻转速速比趋近1的调速。。7.32、动态技技术指标对于稳定系系统的单位位阶跃响应应具有震荡荡单调衰减减和单调变变化的两类类，其指标标：1）上升时时间tr：对具具有震荡系系统，指响响应从第一一次上升到到稳定值所所需要的时时间。对单单调上升系系统指响应应有稳态值值的10%上升到90%所须须时间。越越小，则系系统动态响响应快X0（∞）X0max0trtpts0.05X0(∞)0.02X0(∞)X0(∞)0tr0.90.1t0.05X0(∞)0.02X0(∞)tst或或衰减震荡的单位阶跃响应单调变化的单位阶跃响应7.32）峰值时时间tp：系统输出出响应由0开始，第第一次达到到峰值所需需要的时间间。3）调整时时间（过渡渡过程时间间）ts：响应X0(t)与稳稳态值X0(∞)之间间的误差差达到规定的允允许范围围（±2%—5%），，且以后后不再超超出此范范围的最最短时间间。ts越小说明系系统动态态响应过过程短，，快速性性好。4）超调调量ɑ%：系统输输出超出出稳态值值的最大大偏离量量占稳态态值的百百分比。。ɑ%小，系统统响应比比较平稳稳，相对对稳定性性好。ɑ%=——————————×100%5）稳态态误差ess：当时间间趋于无无穷大时时，系统统响应的的期望值值与实际际值X0(∞)之差ess=Xi(t)——X0(∞)说明：上升指指标、峰峰值时间间表征系系统响应应初始阶阶段的快快速性；；调整时时间表示示系统过渡过过程的持持续时间间，整体体反映系系统快速速性；超超调量反反映系统统的平稳稳性；稳态态误差稳稳定工作作时的控控制精度度或抗干干扰能力力，衡量量稳定性性质量。。一般超调量量、调整整时间、、稳态误误差三相相指标评评价系统统响应平平稳性、、快速性性、稳态精度度。X0(tp)—X0(∞)X0(∞)7.3提示及建建议1、自动动控制系系统基本本要求是是稳、快快、准，，但三者者间相互互有影响响和联系系；2、自动动控制本本身是一一门重要要的专业业基础课课程，从从专业的的角度出出发，我我们知道道基本概概念，如如评价指指标、闭闭开环等等概念即即可；3、相关关课程和和实际应应用的需需要，应应当适当当补充。。作业业P142——1、2、、3、4第二十八八课自自动检测测基础1、目的和要要求：1）掌握检测测基本概概念、特特征；2）掌握检测测装置组组成、特特点、工工作过程程；3）掌握检测测装置特特性曲线线及静态态指标；；4）理解测量量方法及及误差5）了解周期期性信号号的频谱谱特征；；2、重点点与难点点：1）检测装置置的概念念及工作作过程；2）检测装置置的技术术指标。。3、教学学方法设设计：讲授。为为现场教教学掌握握数控系系统电气气自动控控制打基基础。第四节自自动检测测基础检测的含义———利用用各种物物理效应应，选择择各种合合适的才才方法与与装置，，将生产产和科研研生活中中的有关关信息通通过检查查和测量量的方法法赋予定定性和定定量结果果的过程程。自动检测测技术含义———能够自自动地完完成整个个检测过过程的技技术。以以信息获获取、转转换、显显示、处处理为主主要内容容，是一一门完整整的技术术学科。。自动检测测技术是是信息技技术三大大支柱之之一。一、自动动检测技技术的地地位和作作用1.在产产品检验验和质量量控制方方面使检测与与加工同同时进行行，并用用检测结结果对加加工进行行控制2.安全全经济运运行监测测方面故障监测测系统对对压力、、温度流流量、转转速、振振动、噪噪声等参参数长期期状态监监测，具具有检测测、自动动报警、、连锁保保护功能能，保证证人人参参和设备备安全。。3.生产产自动化化方面自动化——利用用各种技技术、工工具、方方法代替替人工完完成检测测、分析析、判断断、控制制，是工工业生产产的“眼眼睛”。。4.在科科学技术术进步方方面检测技术术完善和和发展推推动科学学技术的的进步。。二、自动动检测系系统的组组成自动检测测的任务务——把需需要检测测的物理理量，通通过一种种器件或或装置，，进行采采集、变变换、和和处理。。物理量——事物物存在的的状态和和属性。。其中非非电量为为绝大多多数。如：压力力、温度度、速度度、加速速度、力力、应变变、位移移、振幅幅等等。。检测系统统和计算算机、执执行机构构配合组组成自动动控制和和监测系系统。自动系统统的组成成——传传感器、、信号处处理装置置、显示示记录装装置、执执行器等等。自动检测测系统原理图传感器信号处理理电路数据处理理装置显示器执行机构构非电量电量U0（I0，f)例：自动动系统举举例示意意图———自动研研磨装置置1）传感感器——将外外界信息息按一定定

规律律转换成成检测信信号的装装置；2）信号号处理装装置——对测测量信号号

进行行处理、、运算、、分析、、对动动态测试试结果做做频谱分分析、相相关分分析，并并发出有有关信号号。多多采用计计算机技技术。3）显示示记录装装置模拟显示示——模拟拟量是连连续变化化量，利利用指指针对标标尺的相相对位置置来表示示读书。。

如：：动圈仪仪表、电电子电位位计等。。数字显示示——多采采用发光光二极管管和液晶晶等数字字形式来来形式数数据（前前者亮度度高、后后者功耗耗低）。。图象显示示——用CRT或或点阵式式LCD小时读读数或参参数变化化曲线。。记录仪——记录录被测参参数变化化过程仪仪器仪表表。如笔笔式记录录仪、绘绘图仪、、磁带记记录仪、、数字存存储示波波器等。。4）执行行机构执行机构构——各各种继电电器、电电磁铁、、电磁阀阀、伺服服电机等等，在电电路中起起作通断断、控制制、调节节、保护护作用。。信号处理电路计算机显示器研磨盘控制器x传感器工件研磨盘三、测量的基基础知识识1、测量量的概念念1）测量量用实验的的方法，，借助一一定的仪仪器或设设备，把把被测量量与作为为测量单单位的标标准量进进行比较较，求取取二者的的比值，，从而得得到被测测量数值值大小的的过程。。g=x/vx=gvx被测量量g比值v标标准量测量的结结果可以以表达成成：一定定的数字字、一条条曲线、、显示成成图形、、，但都都包括大大小、符符号、方方向。2）测量量的特征征测量的过过程实际际上是个个比较的过程，，被测量量与标准准量比较较。转换是现现代测量量的重要要特征，，被测量量及标准准量都要要转换成中间量量（一般般是电量量）进行行比较。。2、测量量的方法法1）静态态测量和和动态测测量静态测量量——测量量不随时时间变化化或变化化缓慢的的物理量量。动态测量量——测量量随时间间变化的的物理量量。2）直接接测量、、间接测测量、组组合测量量直接测量量——测量量的结果果能够用用事先标标定好的的仪表、、器具的的读数值值获得的的测量。。如千分尺尺、万用用表间接测量量——首先先对被测测量有函函数关系系的物理理量直接接测量，，然后通通过函数数式计算算求得测测量结果果。组合测量量——测量量中各个个未知量量以不同同的组合合形式出出现，根根据直接接和间接接测量所所得的数数据，通通过解联联立方程程组求出出未知量量的数值值。组合合测量通通常用语语科学实实验。例：铂电电阻求温温Rt=R0(1+At+Bt2)3）接触触式测量量与非接接触式测测量接触式测测量——测量量时仪表表的测头头与被测测对象接接触。如：压电电式传感感器测量量力等参参数非接触式式测量——仪器器的敏感感元件与与被测对对象不接接触，间间接地接接受被测测参数的的作用，，感受其其变化的的测量。。如：辐射射式温度度计测温温、涡流流式传感感器测零零件强度度4）在线线测量与与非在线线测量在线测量量——在工工件加工工过程中中或生产产过程中中的测量量非在线测测量——对零零件加工工完成后后的测量量。3、测测量误差差1）测量量误差测量误差差——任何何测量都都不可能能绝对准准确，测测量值与与其真值值之查称称测量误误差。△=Ax-A0△——误误差Ax———测量值值或观察察值A0———真值，，在一定定时间、、空间或或某种状状态下被被测量客客观存在在的实际际值（一一般为未未知的，，但可以以确定））。理论真值值——如ππ、四边边形内角角和360°约定真值值——如标标准条件件下水的的冰点、、沸点相对真值值——凡精精度高一一级或几几级仪表表的误差差与精度度低的仪仪表的误误差比，，前者优优于后者者2倍以以上，则则高一级级仪表可可认为是是真值。。绝对误差差——上述述误差称称为绝对对误差，，有正负负，其绝绝对对值的大大小确定定了测量量精度，，但只能能判断相相同被被测量量的精度度。相对误差差——对大大小不同同值的同同类量进进行测量量，须引引入入相对某某参照量量的误差差概念。。实际相对对误差——γA=△/A0×100％示值（标标称）相相对误差差——γx=△/AX×100％满度（引引用）相相对误差差——γm=△/Am×100％Am———仪仪表仪器器满度值值

仪表表精度等级级——S=△m/Am××100％△△m———最大绝绝对误差差

精度度等级一一般规定定取一系系列标准准值（仪仪表选用用时要兼兼顾精度度等级和和上限值值）。2）误差差的分类类系统误差差——在相相同条件件下多次次重复测测量时，，其绝对对值保持持不便或或按一定定规律变变化的误误差（规规律是确确定的，，可设法法消除或或在测量量结果加加以修正正）。随机误差差——在相相同条件件下，多多次重复复测量时时，其绝绝对值和和符号以以不可预预定的方方式变化化的误差差（由许许多随机机因素造造成；虽虽然一次次测量无无规律，，但多次次重复测测量总体体上服从从一定的的统计规规律，如如常见的的正态分分布规律律；随机机误差不不可避免免，但可可减少对对测量的的影响并并可评定定其误差差的极限限范围））。粗心误差差——超出出规定条条件下预预期的误误差（由由主观失失误、客客观条件件变化、、器具缺缺陷等造造成）。。四、检测测装置的的基本特特性1、检测测装置的的基本组组成输入装置置——中中间环节节——输输出装置置1）输入入装置——各种种类型的的传感器器，感受受被测量量的变化化并转换换成电信信号输入入给中间间环节。。2）中间间环节——包括括调制、、放大、、整流、、滤波、、数/模模转换、、运算处处理部分分，将传传感器送送来的电电信号调调制到需需要的电电平或需需要的形形式送给给输出装装置。3）输输出装置置——包括括记录和和显示仪仪器，记记录和显显示信号号大小、、变化。。2、检检测装装置的的评价价特性性静态特特性——当当被测测量不不随时时间变变化或或变化化缓慢慢时，，输出出Y与与输入入X之之间的的关系系。可可用代代数方方程表表示。。动态特特性——当当被测测量随随时间间迅速速变化化时，，输出出Y与与输入入X之之间的的关系系称为为检测测装置置的动动态特特性。。在一一定条条件下下可以以用常常系数数线性性微分分方程程式表表达。。an=1）检检测装装置的的静态态特性性特性曲曲线——输输出量量与输输入量量与时时间无无关，，以输入入量X为横横坐标标，输输出量量Y为为纵招招标画出的的图形形。理想的的线性性检测测系统统的特特性曲曲线的的斜率率k为为常数数Y=kX灵敏度度S——表表征对对输入入信号号变化化的一一种反反应能能力。。S=△△Y/△XS为常常数，表明明不同同输入入值灵灵敏度度不变变，是线性性检测测装置置，特特性曲曲线是是直线线；S不为为常数数，特性性曲线线是一一条曲曲线，，表明不不同输输入值值对应应的灵灵敏度度不度度大小小不同同；一般采采用理理论直直线代代替实实际曲曲线。。仪器灵灵敏度度（平均均灵敏敏度））———通常常以采采用理论直直线代代替实实际特特性曲曲线，，理论论直线线的斜斜率作为检检测装装置的的平均均灵敏敏度。。也就就是说说一般般意义义上的的灵敏敏度。。放大倍倍数——输输出与与输入入量纲纲相同同时，，灵敏敏度为为无量量纲数数，称称放大大倍数数。灵灵敏度度越高高（放放大倍倍数越越大）），测测量范范围相相对越越窄，，稳定定性越越差，，因此此要合合理选选择灵灵敏度度X理论直线特性曲线X0Y0△Y△XS=△Y/△X特性曲曲线灵敏度度2）线线性度度表示检检测装装置的的实际际特性性曲线线与理理论直线靠靠近或或偏离离的程程度。。线性误误差———由由于实实际静静态特特性曲曲线不是直直线，，在处处理中中把它它当作作直线线进行线线性化化，由由此产产生的的误差差。线性度度———实际际曲线线与理理论直直线之之间的最大大偏差差和满满量程程输出出值之之比。。εl=lδδl/Ymas100％％理论直直线确确定方方法采采用端端点连连线和和最小小二乘乘法。。线性误误差应应尽可可能减减小。。3）回回程误误差（回差差或滞滞差））———是描描述输输入、、输出出方向向有关关特性性。当当输入入量在在增加加或减减少的的过程程中，，对同同一输输出量量会得得到大大小不不等的的输出出量，，在全全部测测量范范围内内的差差值的的最大大值。。εh=Hmas/Ymas100％产生原原因：：系统统内部部摩擦擦、间间隙、、弹性性滞后后或电电滞后后，应应尽量量消除除或减减少。。YYmaxXYmaxX0δεl=lδl/Ymas100％Y0hmaxεh=Hmas/Ymas100％4）精精确度度（精度度）———是是反映映检测测装置置系统统误差差和随随机误误差的的综合合评定定指标标，用用来表表示检检测装装置给给出出接接近于于被测测量真真值的的示值值能力力。精度等等级——表表达检检测装装置在在符合合一定定的计计量要要求情情况况下，，保持持其误误差在在规定定的极极限范范围内内的精精确度度5）稳稳定性性和漂漂移稳稳定定性——指指检测测装置置在规规定条条件下下保持持其检检测特特性性恒恒定不不变的的能力力。通通常指指不受受时间间影响响的能能力。。漂移——指指检测测装置置随时时间的的慢变变化，，即输输入量量不变变但输输出量量会随随时间间的变变化而而变化化。零漂——当当输入入量X=0时产产生的的漂移移。动漂——当当输入入量X为一一定值值时产产生的的漂移移。漂漂移移产生生原因：仪器器自身身结构构参数数的变变化，，周围围环境境（温温度、、湿度度）变变化，，最常常见的的是温温漂。。2)检检测装装置的的动态态特性性动态检检测中中，输输出量量的变变化不不仅受受被测测对象象动动态特特性的的影响响，同同时也也受到到检测测装置置动态态特特性的的影响响，是是两者者的综综合结结果。。即即当一一共输输入量量经过过检测测系统统的传传递后后，再再由由它它输出出时，，由于于受到到检测测系统统本身身特性性的的影影响，，使得得输入入量原原来的的状态态发生生了变变化化，，其变变化的的程度度即检检测系系统的的动态态特性性。一一般般用传传递函函数表表示。。提示与与建议议1.检检测装装置静静态指指标的的基本本作用用在于于选择择、设设计、、检查查、修修理等等适合合于工工程需需要的的检测测装置置时的的基本本依据据；2.选选择和和比较较检测测装置置一般般应首首先确确定测测量范范围，，再围围绕测测量方方法、、其他他静态态指标标和动动态指指标；；3.静静、动动态特特性指指标在在手册册或资资料中中不一一定全全有，，一般般只有有部分分，实实际上上根据据部分分指标标就可可选用用了；；4.检检测装装置还还包括括自身身特性性指标标，如如电压压、功功率、、质量量等以以及各各种经经济指指标，，在选选择时时须综综合考考虑。。5.其其他静静动态态参数数或指指标，，须参参见有有关书书籍或或资料料。第五节节检检测测信号号分析析基础础一、信信息与与信号号的定定义1.信信息——是是事物物存在在的状状态或或属性性的反反映。。检测测工作作的实实质就就是获获取研研究对对象存存在方方式和和运动动状态态方面面的信信息，，是按按照一一定目目的和和要求求获取取感兴兴趣的的有限限的特特定信信息。。2.信信号——一一个被被检测测对象象它的的各方方面的的运动动状态态是通通过一一系列列物理理参数数随时时间变变化过过程反反映出出来的的。将将随时时间变变化的的物理理良称称为信信号。。3.信信息与与信号号的关关系信号中中包含含了很很多有有用的的信息息，是是记载载和传传输信信息的的工具具，而而信息息则是是信号号所载载的具具体内内容。。二、信信号的的分类类1.确确定性性型号号确定性性信号号——指指能够够用明明确的的数学学关系系式来来描述述的信信号。。在相相同的的试验验条件件下多多次试试验，，它可可以在在一定定精度度下重重复出出现。。1）周周期性性信号号周期性性信号号———按一一定时时间间间隔周周而复复始出出现，，并且且无始始无终终的信信号。。X（t）=X（（t+nT）n=1、、2、、3、、---