数控原理与典型数控系统 第六课

数控原理及典型数控系统数控工程学院李习上节课内容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

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4光栅位置检测装置感应同步器1概述光电脉冲编码器第三章数控检测装置5旋转变压器

6磁尺位置检测装置传感器的基本特性根据传感器的被测量是否随时间快速变化分类静态特性：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：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，即输入——输出特性什么是传感器的基本特性？传感器的静态特性传感器的静态数学模型----静态的数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出量y与输入量x之间的一种函数关系。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用ｎ次多项式来表示为(1-1)输入量，即被测量传感器的理论输出量零输入时的输出,也叫零位输出传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定怎么研究？传感器静态数学模型4种特殊形式理想的线性特性----能准确无误地反映被测的真值,线性度最好(a)。线性特性----不过原点的直线(b)仅有偶次非线性项----线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为相应曲线的斜率(c)

仅有奇次非线性项----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(d)

传感器典型静态特性曲线

n=0,1,2,……

传感器的静态性能指标传感器的静态特性主要由性能指标来描述量程范围线性度灵敏度重复性迟滞分辨力和阈值稳定性漂移1.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偏离理论拟合直线的程度，又称非线性误差。线性度可用下式表示为

………(1-6)实际曲线与拟合直线之间的最大偏差满量程输出平均值最大输出平均值最小输出平均值线性度是以拟合直线作为基准来确定的，

拟合方法不同，线性度的大小也不同常用的拟合方法有理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法等。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。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.灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-5a所示.图1-5传感器的灵敏度非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-5b所示.3.重复性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、电路老化、工作点漂移等原因产生。多次测试的不重复误差，

多次测试的曲线越重合，

其重复性越好。输出最大不重复误差满量程输出平均值图1-6重复性重复性----传感器在输入量按同一方向（输入量增大或输入量减少）作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-6所示。标准偏差重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随机误差，按上述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。因此一般按标准偏差来计算重复性误差，其表达式为:

标准偏差常用贝塞尔公式计算全部校准点正、反行程输出值的标准偏差中最大值某校准点i的输出值在第i个校准点上输出量的平均值测量次数4.迟滞现象迟滞现象----传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出—输入特性曲线不一致的程度，如图1—7所示。（1-12）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。最大滞环误差

图1-7迟滞特性图1-8分辨力和阈值5.分辨力和阈值传感器的分辨力----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1-8所示。在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量△Xmin（有量纲）。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示（分辨率-无量纲）。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，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，图中的值。6.稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性表示，它是指在室温条件下,经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定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。7.漂移传感器的漂移----外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。零点漂移灵敏度漂移漂移时间漂移----指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化温度漂移----环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化温度漂移时间漂移8.测量范围和量程传感器所能测量的最大被测量（输入量）的数值称为测量上限，最小被测量称为测量下限，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。量程---测量上限与下限的代数差。例如：测量范围为0～+10N，量程为10N；测量范围为-20～+20℃，量程为40℃；测量范围为-5～+10g，量程为15g；测量范围为100～1000Pa，量程为900Pa；通过测量范围，可以知道传感器的测量上限与下限，以便正确使用传感器；通过量程，可以知道传感器的满量程输入值，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。稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响

传感器输入输出作用图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制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标感应同步器感应同步器直线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利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的。直线式感应同步器W2片宽a2间隔b2定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W2＝2mm。滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分,两绕组的节距都为W1＝2(a1＋b1)，一般取W1＝W2或W1＝2W2/3。2＇121＇l1W1a1b10.15~0.35mm节距2τ（2mm）节距（0.5mm）结构：二尺与导轨平行sincos定尺（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件滑尺（分段励磁绕组：正弦+余弦）：固定在移动部件滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。直线式感应同步器的安装若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。直线式感应同步器的工作原理2ττ/2E定尺正弦绕组滑尺余弦绕组VsVci1i2（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。）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，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示再移动至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U若励磁电压

u＝Umsinωt则定尺绕组产生的感应电势e

e＝kUmcosθcosωt式中Um—励磁电压幅值(V)

ω—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；

θ—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。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=KUScosθ1滑尺余弦绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：

Uoc=KUccos（θ1+π/2）=－KUcsinθ1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=KUScosθ1－KUcsinθ1

K—电磁感应系数θ1—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2τ，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2π。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θ：根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统——-鉴相型系统和鉴幅型系统。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

Us＝UmsinωtUc=Um（sinωt+π/2）=Umcosωt当滑尺移动x距离时，则定尺上的感应电压为

Ud1＝kUscosθ＝kUmsinωtcosθUd2＝kUccos（θ＋π/2）＝－kUmcosωtsinθ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=Ud1＋Ud2＝kUmsin（ωt－θ）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)

ω—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；

θ—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θ=1.8°，节距W=2mm，

由θ=2πx/Wx=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。给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以为同频率、同相位，但不同幅值，即

Us＝UmsinαsinωtUc＝Umcosαsinωt式中α—励磁电压的给定电气角.分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为：

Uds＝kUmsinαcosωtcosθUdc＝kUmcosαcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosαcosωtsinθ根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势Ud为

Ud＝Ud

s＋Udc＝kUmsinαcosθcosωt－kUmcosαsinθcosωt

＝kUmsin（α－θ）sinωt

定尺绕组中的感应电压Ud的幅值为

Umsin（α－θ）若电气角α已知，则只要测量出Ud的幅值，便可间接地求出θ值，从而求出被测位移x的大小。当定尺绕组中的感应电压Ud＝0时，α＝θ，只要逐渐改变α值，使Ud＝0，便可求出θ值，从而求出被测位移x。令