第八篇 数控机床及检测.ppt

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,7.1,2）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。,7.1,2、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。,7.1,3、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。,7.1,2）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。,7.1,3）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。,7.1,2、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。,7.1,3、按反馈比较控制方式分类,由于采用位置检测元件不同，反馈信号不同，分类为：1）脉冲数字比较系统（数字伺服系统）如果插补器输出的指令信号是数字脉冲，选择磁栅、光栅、光电编码器作为机床移动部件位移的检测装置，位置反馈信号也是数字脉冲信号，给定量和反馈量就是直接的脉冲比较，该系统就成为脉冲比较伺服系统（数字伺服系统）。2）相位比较系统高精度数控伺服系统中，相位与辐值的检测元件常用旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅等，这些测量元件及检测电路都可输出相位比较信号或辐值比较信号。3）辐值比较伺服系统位置元件采用辐值工作状态，输出辐值大小与机械位移成正比的模拟信号，将此信号作为位置反馈信号与指令信号比较，实现位置和速度控制构成的闭环系统。,7.1,4、按驱动对象分类,1）进给伺服系统以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。进给伺服系统由控制系统和机械传动机构（减速齿轮、滚珠丝杆、机械导轨、工作台拖板等）组成，有开环和闭环两类，开环系统只能由步进电机驱动，闭环系统分为直流电机和交流电机两种驱动方式。2）主轴伺服系统主轴的速度控制方式与进给系统基本相同，采用交流或直流调速，重点是转速和转矩参数。主轴伺服系统可由数控装置直接控制，也可由数控装置通过可编程控制器控制。,7.1,三、对进给伺服系统的基本要求,1、高精度数控机床的高精度、高效率很大程度取决于进给系统的性能。伺服系统的精度主要指定位精度（一般机床15m，高精度数控为0.1m）；检测元件的分辨率是决定系统分辨率和脉冲当量的关键元件（一般数控机床分辨率为1m，高精度达0.1m）2、稳定性系统在新的输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定状态，当新的输入指令消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行。系统要有较强的抗干扰能力。稳定性将直接影响系统的加工精度和表面粗糙度。3、快速响应无超调反映系统的跟踪精度，会影响加工准确度和表面粗糙度。由于伺服系统频繁启动、制动、加速、减速、等动态过程，要求在200ms甚至几十毫秒内完成。,7.1,4、调速范围指电机提供的最高转速和最低转速之比。为保证最佳切削参数和条件，要求伺服系统转速在较大范围内有良好温度性。一般数控机床进给速度024m/min时，要求运行均匀、平稳、无爬行、速降小；进给速度在1mm/min时，具有一定的瞬时速度；当进给速度等于0时，要求电机有电磁转矩以维持定位精度，即使电机处于伺服锁定状态。5、不受负载影响电机的转动惯量是定植，但负载惯量是变化，加工过程中变化很大，要求伺服系统在负载变量和转矩干扰等使电机负载变化时不影响伺服系统工作。,7.1,四、对主轴伺服系统的要求1、对主轴伺服系统拖动要求,主轴控制涉及数控机床的G、S、M、T控制功能，故要求：1）调速范围足够大为适应各种刀具、工序、材料的加工要求，主轴调速范围要宽。数控机床主轴变速是按指令自动无级调速的，一般要求1：（1001000）恒转速调速范围、1：10的恒功率调速。主轴驱动方式一般有主轴带齿轮换挡，可以降低主轴转速，增大传动比；二是主轴电动机通过同步齿形带驱动主轴，具有恒功率宽的特点。2）主轴输出功率大在整个速度范围内均能提供切削所需功率，达到主轴电机最大功率最为理想，即恒功率范围宽。由于电机和驱动的限制，低速段均为恒转矩输出，常采用分段无级变速方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。,7.1,2、对主轴驱动的控制要求,1）主轴速度调节是最重要的控制要求，分为有级、无级和分段无级调速三种形式。前者为经济型数控机车。2）主轴定向准停控制为满足加工中心自动换刀（ATC），主轴必须高精度准停控制，主轴必须能停在固定的径向位置。3）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制在螺纹加工时，主轴旋转必须与坐标轴进给量保持一定的关系。可采用光电编码器作为主轴脉冲发生器，通过CPU对节距的计算，控制坐标轴进给伺服系统，使进给量与主轴转速保持同步。4）恒速线切割控制为保证加工面的粗糙度，要求工件与刀尖的接触点的线速度为恒值，为此，随刀具径向进给直径减小，应不断提高主轴转速。5）加减速功能要求在正、反转时具备自动加减速功能，且时间尽可能短。,7.1,第二节数控机床概述,一.数控机床的产生1952年麻省理工学院研制第一台电子管元件数控机床1958年美国出现自动换刀的加工中心（MC）1967年英国出现几台数控机床连接在一起的柔性加工制造系统（FMS）1970年用小型计算机数字控制的数控机床（CNC）1974年微处理器用于数控1980年后出现以加工中心为主体，配上工件自动检测和卸料的柔性制造单元（FMC），在此基础上出现计算机集成制造系统（CIMS）,二数控技术发展趋势,1.高速高精加工技术及装备进给速度60mmin；加速度2g；主轴转速60000r/min普通级数控机床达5m，精密级155m或更高；平均故障间隔时间6000h，伺服系统达30000h2.五轴联动加工和复合加工机床3.智能化、开放式、网络化,三数控机床的基本特点,加工对象的改型适应性强；加工精度高；生产效率高；自动化程度高；良好经济效益；有利于生产管理现代化,四数控机床工作原理,1.按照加工零件的信息编制程序，并输入数控系统；2.数控系统处理运算，按各坐标轴分量送各轴驱动；3.驱动电路经转换、放大驱动伺服电机，各轴运动；4.反馈控制使刀具、辅助装置按程序规定顺序、轨迹、参数工作,五数控机床组成,组成示意图,输入装置,数控系统,伺服系统,机床本体,测量装置,数控机床组成结构图,输入/输出装置,数控装置NC,驱动控制装置,机床电气控制装置,机床,数控机床组成结构框图,7.2,六数控机床组成部分功能,1.输入：常见磁盘和U盘，而R232C通讯、网络传输已经成为趋势；2.数控系统（CNC）：机床的核心，根据输入程序和数据，处理后输出信号和指令控制机床个部分，按规定有序动作。包括：经插补运输决定的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令；主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具指令信号；控制冷却和润滑液系统控制；工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位等辅助信号。,3.伺服驱动系统：由伺服电路和伺服驱动装置组成，与机床的执行部件和机械传动部件组成进给系统。根据速度和位移指令控制执行部件的进给速度和方向。每个执行部件都有一套伺服驱动系统,4.机床本体：机械部件包括主运动部件、进给运动执行部件、床身立柱等支撑；冷却、润滑、转位和夹紧辅助装置。对加工中心还有刀库、交换刀具的机械手,七数控机床分类,1.按运动方式分：点位控制系统（只要求点与点位置，不严格轨迹）、点线控制系统（还要点间运动轨迹和直线）、轮廓控制系统（对两个以上坐标同时严格控制，含速度和位移）2.按控制方式分：开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统3.按工艺用途分：数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床；压床、冲床、弯管机、电火花切割机、火焰切割机；加工中心是带刀库和自动换刀装置的数控机床，一台机床上实现多种加工。,八典型数控系统,1.西门子SINUMERIK系统2.福士通FANNC系统3.三菱公司MELDAS4.海得汉公司Heidenhain5.华中数控,九数控机床电气控制系统,组成：机床用PLC、外围电压电气控制系统、执行机构数控系统两大部分：NC、PLCPLC与NC的关系：NC任务：实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律PLC任务：辅助设备的控制。即根据CNC内部标志以及机床各控制开关、检测元件、运动部件的状态，按程序设定控制逻辑对刀库运动、换刀机构、冷却液等运动进行控制。两者按此原则分工，但也联系。NC与PLC接口按ISO43361981（E）机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范,数控机床的电气控制内容,1、数控机床的电气控制线路与普通机床不同在于除了常用的电器控制线路外，还有数控系统。2、数控装置是机床核心，发出机床的操作命令。3、驱动装置位于数控装置和机床之间，包括进给驱动和主轴驱动装置。根据控制电机不同，控制电路形式不同。即步进电机有步进驱动装置，直流电机有直流驱动装置，交流伺服电机有交流伺服驱动装置。4、机床电气控制装置也是位于数控装置与机床本体之间，主要是接受数控装置发出的开关命令、控制机床启停、正反转、换刀、冷却、润滑、液压、气压等相关信号。,数控机床电气控制系统框图,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,主轴电机,机床,速度控制单元,进给电机,位置检测,输出设备,7.2,十PLC在数控机床中的应用,1.PLC在数控机床中的两种应用形式：内装式（集成式，NC和PLC集合在一起，高档机床用）和独立式（外装式，独立于NC，方便对控制规模调整）2.PLC和外部信息交换：和机床侧开关量信号通过I/O单元输入PLC或输出到机床；CNC厂家设计CNC信息直接送入PLC相关寄存器，如M、S、T功能，不可更改；PLC送CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定。,PLC在数控机床中的应用（续）,3.PLC在数控机床中的工作流程输入采样、程序执行、输出刷新等4.PLC在数控机床中的功能操作面板的控制机床面板信号直接进入PLC，系统面板控制信号先经NC，NC再送PLC；机床外部开关输入信号机床侧的逻辑信号送入运算（行程、接近、模拟选择开关等）输出信号控制经继电器、接触器、电磁阀等输出控制功能实现系统送来的T指令给PLC，进行换刀M功能系统送M指令PLC，控制主轴正反转和停止,十一PLC和外围电路的关系,PLC对外围电路的控制：PLC接收CNC控制信号及外电路反馈信号，经过逻辑运算、处理，其结果通过输出口（或模块）输出，有的信号通过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机关动作。也有直接控制外部设施的。PLC接收外边反馈信号，以监控设备设施的状态。温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等，通过之间环节或直接进入PLC。PLC对外部控制的关键点是外部的输入信号和输出到外部的控制命令，要与PLC的内部信号处理对应，即地址分配准确,十二例：数控车床电气组成框图,数控装置（CNC）,机床控制电气,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,M1,M2,M3,M4,M5,执行/传感器,三、数控机床现场教学,1、数控车床模拟装置（华中数控：1）目的：熟悉数控机床的基本构成；了解数控机床的控制方式；细化各控制回路过程，并分析各回路控制特点；2）方式：分组听取老师讲说，并讨论；基本操作方式介绍。3）时间：两学时4）作业：完成对模拟数控车床的结构及参数描述；各控制回路框图并分析；对各控制对象特点的分析；对模拟PLC进行说明。,7.2,2、SSCK20A卧式数控车床,车床参数：型号SSCK20A，系统BEIJINGFANS、seriesoiMateTB，D200mm电源3380V，额定总容量30KVA、熔断电流50A沈阳机床有限责任公司1）目的：熟悉数控车床的基本构成；了解数控车床的控制方式；细化各控制回路过程，并分析各回路控制特点；2）方式：分组听取老师讲说，并讨论；基本操作方式介绍。3）时间：两学时,7.2,3、XK713数控床身铣床,铣床参数：型号XK713，系统，工作尺寸300700mm，主轴转速606000r/min，电控柜HNC21MO，电源3380V，额定总容量16KVA、防护等级IP54，武汉华中数控1）目的：熟悉数控铣床的基本构成；了解数控铣床的控制方式；细化各控制回路过程，并分析各回路控制特点；2）方式：分组听取老师讲说，并讨论；基本操作方式介绍。3）时间：两学时,7.2,提示与建议,1、数控机床为一门重要课程，本讲仅为极少部分，要从多种渠道学习相关内容，再与本课程相结合；2、闭环控制系统一般用伺服电机作驱动元件，开环系统一般由步进电机作驱动元件；3、采用步进电机驱动的系统在负载变化较大也可采用位置等反馈，成为半闭环或闭环自动控制系统；4、复杂的系统往往包含若干个闭环、半闭环、开环控制子系统，在进行系统分析时，要以“系统”的观点出发，综合分析个子系统之间的关系和相互作用，共同完成的功能；5、控制系统含软件和硬件内容，须用系统观点分析；6、控制系统的稳定性、快速性、准确性相互制约，应综合考虑。,7.2,第三节自动控制系统性能及评价一、自动控制系统的基本要求,一个理想的控制系统，在控制过程中应使被控量等于给定量。但由于机械惯性、储能元件等影响，当给定值变化时，其速度和位置难以瞬时变化，其被控量不能立即等于给定量，而需要一个动态过程。动态过程反映系统性能好坏，体现在“稳”、“准”、“快”三方面。,7.3,1、稳定性,如果系统受到外部作用后，经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则称系统是稳定的.若在给定信号作用下，被控量震荡发散，或受扰动后被控量不能恢复平衡称为不稳定。若系统出现等幅震荡，即处于临界状态，也为不稳定。,Xo(t),Xo(t),稳定系统动态过程,不稳定系统动态过程,7.3,2、快速性通过动态过程时间长短来表征，反映输出对输入的响应的快慢。系统响应越快，则动态精度越高，复现快变信号的能力越强。,3、准确性输入给定值与输出响应值的终值之间的差值大小来表征，反映了系统的稳定精度。若系统最终误差为0，称无误差系统，反之是有误差系统。,Xo(t),0,Xi(t),Xo(t),Xi(t),0,t,t,ess,控制系统快速性,控制系统稳定精度,7.3,4、稳、快、准三者关系,1）稳定性、快速性、准确性往往是互相制约的，强调稳定性会使系统响应迟缓和控制精度降低；过分强调快速性，则会使系统震荡加剧，甚至不稳定。2）三者要兼顾，不偏废。,7.3,二、自动控制系统的性能指标,静态指标用于说明系统在最低与最高转速范围内调速，且速度稳定的指标。包括：静差度、调速范围、调速平滑性等动态指标用于说明要求系统启动、制动（快而稳），抗干扰性能（良好），即系统稳定在某一转速上运行时，不受负载变化及电源电压波动等因素的影响的指标。包括：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量、稳态误差等。,7.3,1、静态技术指标,1）静差度是生产机械对调速系统相对稳定性的要求，即负载波动时，转速的变化程度。额定负载时的转速降落:说明：1、静差度S与机械特性硬度有关，特性越硬，S越小，系统稳定性越好，负载变化对转速变化影响小。2、S与理想空载转速有关，降低则S变小，稳定性变差；对调速系统，若满足最低转速的静度差，则其他转速的静度差也能满足；3、一般要提高特性硬度，使电机运行在高速状态；4、普通机床S0.3，数控机床S0.001,n,7.3,2）调速范围生产机械要求电机在额定负载时的最高转速与最低转速之比：D=说明：1、一般机床主轴传动D=24；机床进给系统D=5200；轧钢机D=10；造纸机D=3202、调速范围受最低转速限制，因有最低静差度限制；3、在满足机械对静差度要求的前提下，电机调速范围D=由电机名牌确定，SL等于或小于机械要求的静差度，D由生产机械决定。,7.3,3）调速的平滑性,调速的平滑性：用两个相邻的ni与ni+1之比来衡量，比值接近1，则平滑性越好，机械在一定的调速范围内可得到调节转速级数就越多。无级调速：相邻转速比趋近1的调速。,7.3,2、动态技术指标,对于稳定系统的单位阶跃响应具有震荡单调衰减和单调变化的两类，其指标：1）上升时间tr：对具有震荡系统，指响应从第一次上升到稳定值所需要的时间。对单调上升系统指响应有稳态值的10%上升到90%所须时间。越小，则系统动态响应快,7.3,2）峰值时间tp：系统输出响应由0开始，第一次达到峰值所需要的时间。3）调整时间（过渡过程时间）ts：响应X0(t)与稳态值X0()之间的误差达到规定的允许范围（2%5%），且以后不再超出此范围的最短时间。ts越小说明系统动态响应过程短，快速性好。4）超调量%：系统输出超出稳态值的最大偏离量占稳态值的百分比。%小，系统响应比较平稳，相对稳定性好。%=100%5）稳态误差ess：当时间趋于无穷大时，系统响应的期望值与实际值X0()之差ess=Xi(t)X0()说明：上升指标、峰值时间表征系统响应初始阶段的快速性；调整时间表示系统过渡过程的持续时间，整体反映系统快速性；超调量反映系统的平稳性；稳态误差稳定工作时的控制精度或抗干扰能力，衡量稳定性质量。一般超调量、调整时间、稳态误差三相指标评价系统响应平稳性、快速性、稳态精度。,X0(tp),X0(),X0(),7.3,提示及建议,1、自动控制系统基本要求是稳、快、准，但三者间相互有影响和联系；2、自动控制本身是一门重要的专业基础课程，从专业的角度出发，我们知道基本概念，如评价指标、闭开环等概念即可；3、相关课程和实际应用的需要，应当适当补充。,作业,P1421、2、3、4,第二十八课自动检测基础,1、目的和要求：1）掌握检测基本概念、特征；2）掌握检测装置组成、特点、工作过程；3）掌握检测装置特性曲线及静态指标；4）理解测量方法及误差5）了解周期性信号的频谱特征；2、重点与难点：1）检测装置的概念及工作过程；2）检测装置的技术指标。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。,第四节自动检测基础,检测的含义利用各种物理效应，选择各种合适的才方法与装置，将生产和科研生活中的有关信息通过检查和测量的方法赋予定性和定量结果的过程。自动检测技术含义能够自动地完成整个检测过程的技术。以信息获取、转换、显示、处理为主要内容，是一门完整的技术学科。自动检测技术是信息技术三大支柱之一。,一、自动检测技术的地位和作用,1.在产品检验和质量控制方面使检测与加工同时进行，并用检测结果对加工进行控制2.安全经济运行监测方面故障监测系统对压力、温度流量、转速、振动、噪声等参数长期状态监测，具有检测、自动报警、连锁保护功能，保证人人参和设备安全。3.生产自动化方面自动化利用各种技术、工具、方法代替人工完成检测、分析、判断、控制，是工业生产的“眼睛”。4.在科学技术进步方面检测技术完善和发展推动科学技术的进步。,二、自动检测系统的组成,自动检测的任务把需要检测的物理量，通过一种器件或装置，进行采集、变换、和处理。物理量事物存在的状态和属性。其中非电量为绝大多数。如：压力、温度、速度、加速度、力、应变、位移、振幅等等。检测系统和计算机、执行机构配合组成自动控制和监测系统。自动系统的组成传感器、信号处理装置、显示记录装置、执行器等。,自动检测系统,原理图,传感器,信号处理电路,数据处理装置,显示器,执行机构,非电量,电量,U0（I0，f),例：自动系统举例示意图自动研磨装置1）传感器将外界信息按一定规律转换成检测信号的装置；2）信号处理装置对测量信号进行处理、运算、分析、对动态测试结果做频谱分析、相关分析，并发出有关信号。多采用计算机技术。3）显示记录装置模拟显示模拟量是连续变化量，利用指针对标尺的相对位置来表示读书。如：动圈仪表、电子电位计等。数字显示多采用发光二极管和液晶等数字形式来形式数据（前者亮度高、后者功耗低）。图象显示用CRT或点阵式LCD小时读数或参数变化曲线。记录仪记录被测参数变化过程仪器仪表。如笔式记录仪、绘图仪、磁带记录仪、数字存储示波器等。4）执行机构执行机构各种继电器、电磁铁、电磁阀、伺服电机等，在电路中起作通断、控制、调节、保护作用。,三、测量的基础知识,1、测量的概念1）测量用实验的方法，借助一定的仪器或设备，把被测量与作为测量单位的标准量进行比较，求取二者的比值，从而得到被测量数值大小的过程。g=x/vx=gvx被测量g比值v标准量测量的结果可以表达成：一定的数字、一条曲线、显示成图形、，但都包括大小、符号、方向。2）测量的特征测量的过程实际上是个比较的过程，被测量与标准量比较。转换是现代测量的重要特征，被测量及标准量都要转换成中间量（一般是电量）进行比较。,2、测量的方法,1）静态测量和动态测量静态测量测量不随时间变化或变化缓慢的物理量。动态测量测量随时间变化的物理量。2）直接测量、间接测量、组合测量直接测量测量的结果能够用事先标定好的仪表、器具的读数值获得的测量。如千分尺、万用表间接测量首先对被测量有函数关系的物理量直接测量，然后通过函数式计算求得测量结果。组合测量测量中各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接和间接测量所得的数据，通过解联立方程组求出未知量的数值。组合测量通常用语科学实验。例：铂电阻求温Rt=R0(1+At+Bt2)3）接触式测量与非接触式测量接触式测量测量时仪表的测头与被测对象接触。如：压电式传感器测量力等参数非接触式测量仪器的敏感元件与被测对象不接触，间接地接受被测参数的作用，感受其变化的测量。如：辐射式温度计测温、涡流式传感器测零件强度4）在线测量与非在线测量在线测量在工件加工过程中或生产过程中的测量非在线测量对零件加工完成后的测量。,3、测量误差,1）测量误差测量误差任何测量都不可能绝对准确，测量值与其真值之查称测量误差。=Ax-A0误差Ax测量值或观察值A0真值，在一定时间、空间或某种状态下被测量客观存在的实际值（一般为未知的，但可以确定）。理论真值如、四边形内角和360约定真值如标准条件下水的冰点、沸点相对真值凡精度高一级或几级仪表的误差与精度低的仪表的误差比，前者优于后者2倍以上，则高一级仪表可认为是真值。,绝对误差上述误差称为绝对误差，有正负，其绝对值的大小确定了测量精度，但只能判断相同被测量的精度。相对误差对大小不同值的同类量进行测量，须引入相对某参照量的误差概念。实际相对误差A=/A0100示值（标称）相对误差x=/AX100满度（引用）相对误差m=/Am100Am仪表仪器满度值仪表精度等级S=m/Am100m最大绝对误差精度等级一般规定取一系列标准值（仪表选用时要兼顾精度等级和上限值）。,2）误差的分类,系统误差在相同条件下多次重复测量时，其绝对值保持不便或按一定规律变化的误差（规律是确定的，可设法消除或在测量结果加以修正）。随机误差在相同条件下，多次重复测量时，其绝对值和符号以不可预定的方式变化的误差（由许多随机因素造成；虽然一次测量无规律，但多次重复测量总体上服从一定的统计规律，如常见的正态分布规律；随机误差不可避免，但可减少对测量的影响并可评定其误差的极限范围）。粗心误差超出规定条件下预期的误差（由主观失误、客观条件变化、器具缺陷等造成）。,四、检测装置的基本特性,1、检测装置的基本组成输入装置中间环节输出装置1）输入装置各种类型的传感器，感受被测量的变化并转换成电信号输入给中间环节。2）中间环节包括调制、放大、整流、滤波、数/模转换、运算处理部分，将传感器送来的电信号调制到需要的电平或需要的形式送给输出装置。3）输出装置包括记录和显示仪器，记录和显示信号大小、变化。,2、检测装置的评价特性,静态特性当被测量不随时间变化或变化缓慢时，输出Y与输入X之间的关系。可用代数方程表示。动态特性当被测量随时间迅速变化时，输出Y与输入X之间的关系称为检测装置的动态特性。在一定条件下可以用常系数线性微分方程式表达。an=,1）检测装置的静态特性,特性曲线输出量与输入量与时间无关，以输入量X为横坐标，输出量Y为纵招标画出的图形。理想的线性检测系统的特性曲线的斜率k为常数Y=kX灵敏度S表征对输入信号变化的一种反应能力。S=Y/XS为常数，表明不同输入值灵敏度不变，是线性检测装置，特性曲线是直线；S不为常数，特性曲线是一条曲线，表明不同输入值对应的灵敏度不度大小不同；一般采用理论直线代替实际曲线。仪器灵敏度（平均灵敏度）通常以采用理论直线代替实际特性曲线，理论直线的斜率作为检测装置的平均灵敏度。也就是说一般意义上的灵敏度。放大倍数输出与输入量纲相同时，灵敏度为无量纲数，称放大倍数。灵敏度越高（放大倍数越大），测量范围相对越窄，稳定性越差，因此要合理选择灵敏度,特性曲线,灵敏度,2）线性度,表示检测装置的实际特性曲线与理论直线靠近或偏离的程度。线性误差由于实际静态特性曲线不是直线，在处理中把它当作直线进行线性化，由此产生的误差。线性度实际曲线与理论直线之间的最大偏差和满量程输出值之比。l=ll/Ymas100理论直线确定方法采用端点连线和最小二乘法。线性误差应尽可能减小。3）回程误差（回差或滞差）是描述输入、输出方向有关特性。当输入量在增加或减少的过程中，对同一输出量会得到大小不等的输出量，在全部测量范围内的差值的最大值。h=Hmas/Ymas100产生原因：系统内部摩擦、间隙、弹性滞后或电滞后，应尽量消除或减少。,Y,Ymax,X,Ymax,h=Hmas/Ymas100,4）精确度（精度）是反映检测装置系统误差和随机误差的综合评定指标，用来表示检测装置给出接近于被测量真值的示值能力。精度等级表达检测装置在符合一定的计量要求情况下，保持其误差在规定的极限范围内的精确度5）稳定性和漂移稳定性指检测装置在规定条件下保持其检测特性恒定不变的能力。通常指不受时间影响的能力。漂移指检测装置随时间的慢变化，即输入量不变但输出量会随时间的变化而变化。零漂当输入量X=0时产生的漂移。动漂当输入量X为一定值时产生的漂移。漂移产生原因：仪器自身结构参数的变化，周围环境（温度、湿度）变化，最常见的是温漂。,2)检测装置的动态特性动态检测中，输出量的变化不仅受被测对象动态特性的影响，同时也受到检测装置动态特性的影响，是两者的综合结果。即当一共输入量经过检测系统的传递后，再由它输出时，由于受到检测系统本身特性的影响，使得输入量原来的状态发生了变化，其变化的程度即检测系统的动态特性。一般用传递函数表示。,提示与建议,1.检测装置静态指标的基本作用在于选择、设计、检查、修理等适合于工程需要的检测装置时的基本依据；2.选择和比较检测装置一般应首先确定测量范围，再围绕测量方法、其他静态指标和动态指标；3.静、动态特性指标在手册或资料中不一定全有，一般只有部分，实际上根据部分指标就可选用了；4.检测装置还包括自身特性指标，如电压、功率、质量等以及各种经济指标，在选择时须综合考虑。5.其他静动态参数或指标，须参见有关书籍或资料。,第五节检测信号分析基础,一、信息与信号的定义1.信息是事物存在的状态或属性的反映。检测工作的实质就是获取研究对象存在方式和运动状态方面的信息，是按照一定目的和要求获取感兴趣的有限的特定信息。2.信号一个被检测对象它的各方面的运动状态是通过一系列物理参数随时间变化过程反映出来的。将随时间变化的物理良称为信号。3.信息与信号的关系信号中包含了很多有用的信息，是记载和传输信息的工具，而信息则是信号所载的具体内容。,二、信号的分类,1.确定性型号确定性信号指能够用明确的数学关系式来描述的信号。在相同的试验条件下多次试验，它可以在一定精度下重复出现。1）周期性信号周期性信号按一定时间间隔周而复始出现，并且无始无终的信号。X（t）=X（t+nT）n=1、2、3、-T：周期如：正弦信号是最简单和典型的周期信号X（t）=X0sin(t+0)X0：幅值0：初始相角=2f0：角频率频率f0=1/TT：周期,2）非周期性信号,指不按一定的周期出现，但能够用明确的数学表达式来描述的信号。准周期性信号由两种以上的周期信号合成，但其组成分量无法找到公共周期，因而无法按一定时间间隔重复出现。X(t)=Sin(t+0)+2Sin(2t+)瞬变信号指随时间的增加辐值衰减至零的信号。如：质量弹簧阻尼系统的质点位移X（t）=X0e-atSin(t+),2.非确定性信号（随机信号）随机信号无法用明确的数学关系式来描述的信号。在相同的试验条件下重复多次实验，结果各不相同。只能用概率统计的方法进行表达，无法确定预见某一瞬间的信号辐值。如：机械振动、噪声等。,根据信号的时间变量取值特性分成1.连续信号连续信号若描述信号的数学表达式中时间变量是连续的，则称为连续信号。模拟信号时间变量和辐值均可取连续值的信号。如（图）：2.离散信号离散信号若描述信号的数学表达式中时间变量取值是离散的信号。即离散信号是在一些离散的瞬间才有函数值，其它时间没有定义的信号。数字信号辐值也是离散的离散信号。,X,t,0,X(n）,t,0,三、信号的描述,任何一个信号都可用时间域和频率域来描述。1.时间域描述信号直接观察和记录信号是以时间作为独立变量的描述，揭示信号辐值随时间变化的规律。作用：用时间域描述信号的图形中，可知道信号的周期、峰值和平均值，可反映信号变化的快慢和波动情况。但不能揭示信号的频率组成。2.频域描述信号以信号的频率结构来描述信号。以组成信号的各频率分量为横坐标，相应的辐值大小（组成分量）为纵坐标。作用：从频率域描述信号的图形中可以了解组成信号的谐波分量、频率成分、畸边大小，信号内部之间的联系。可以研究频率结构和辐值与相位的关系。,f(t),t,周期T,0,时间域描述,A(),0,1,2,3,4,5,频率域描述,四、周期信号的特征,1、周期信号的分解周期信号可以用一个常值分量和无穷个不同辐值和相角的余弦分量（正弦分量）叠加而成。2.周期信号的频谱1）周期信号的频谱以周期信号谐波的频率作横坐标，以一定比例长度的线段分别表示各种谐波的辐值（谱线），为纵坐标，将谱线按频率从低到高依次排列的图形。,2）周期信号频谱的特点,离散性：频谱由不连续的谱线组成，每条谱线代表一个谐波分量，频谱是离散的。谐波性：谱线之间的距离等于基波频率0的整数倍，即各次谐波频率n、nt都是基波整数倍。收敛性：各次谐波的辐值总的趋势是随谐波的次数的增高而减小，无限增高则趋于零。,提示与建议,1、任何信号都有时间域和频率域描述两种方式，起实质是一样，相互间可以转换，只是为工程需要，采用方式不同；2、周期性信号是工程中最常见信号，频谱具有离散性、收敛性、谐波性，对其进行频谱分析具有重要意义；3、周期性信号在频率域描述时，一般只取最大辐值下降到1/10的频率谐波，称为频宽。余下谐波可以忽略。4、随机信号同样有频谱分析，其频谱为连续的。描述方法及用途参见有关书籍。,作业,1、测量的实质是什么？测量方法他那些？2、检测装置的静态特性指标主要有那些，对装置有什么影响；3、测量误差有那几类？4、周期信号频谱的特点是什么？在过程应用在，如何对频谱进行分析？,第二十九课传感器基础,1、目的和要求：1）掌握传感器概念、作用、分类、工作过程；2）掌握传感器静态技术指标；3）掌握传感器的选用原则及选用方法、过程。2、重点与难点：1）传感器技术指标及特征；2）传感器选用方法。3、教学方法设计：讲授。,第六节传感器基础,一、传感器的定义及作用1.传感器的运用实例2.传感器与人体器官的对应关系3.传感器的定义（获取信息的装置）通过一些物理效应或规律、借助于检测元件接受一种形式的信息，并按一定规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。一般是获取的物理量、化学量、生物量，可以转换成多种信息。工程中，以转变成电量为主。,常见物理量,4.狭义传感器定义,将外界输入的非电信号转换成电信号的装置（又称变换器、换能器、探测器等）。该装置将电信号继续输送给后续的配套测量电路及终端装置，进一步处理、分析、记录和显示。,二、传感器的组成及分类,1、传感器的组成由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成1）敏感元件（敏感器件）敏感元件及转换元件直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如：应变式压力传感器膜片2）转换电路（辅助器件）能把敏感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理的电信号的装置。3）将敏感元件与转换电路进行组合，并与微处理器结合，就形成新型智能传感器。,2、传感器分类,二、传感器命名及代号,1、传感器命名,2、传感器代号标记CWYYB10CYGQ1CW01A转换原理和被测量代号须查表新编传感器手册P1112,传感器,被测量位移,转换原理应变,序号,传感器,被测量压力,转换原理光纤,序号,传感器,被测量温度,序号,三、传感器的选用原则,1、基本原则传感器的选型必须根据检测任务和实际条件进行，应从静态特性、动态响应特性，测量方式、三个方面考虑。然后考虑市场、经济、维修、更换等因素。,2、常见技术指标（含静、动态指标）1）灵敏度一般是越高越好，即被测量微小变化则输出量就有较大变化。但确定灵敏度时应注意：灵敏度很高时，与被测量无关的噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此要求是传感器的信噪比越大越好，而不易受外界干扰。与灵敏度相关的是量程范围，当线性工作范围一定时，灵敏度高则噪声高，难以保证传感器输入在线性区域内工作，则灵敏度过高将影响其适用范围。当被测量是单向向量时，传感器灵敏度越高越好，横向灵敏度越低越好。若是测量二维、三维向量时，应要求传感器交叉灵敏度越小越好。,2）线性度,传感器都有一定的线性工作范围，输出与输入成比例关系，范围越宽，量程越大。让传感器工作在线性区域内是保证测量精度的基本条件。在许可限度内，可以取其近视线性区域。3）稳定性稳定性是指传感器经长期使用后输出特性不发生变化的性能。无论什么传感器要求稳定性越高越好。影响稳定性的因素主要是时间和工作环境。根据环境条件选择传感器，要创造和保持良好工作环境，使传感器工作在不需要经常更换和校正的情况下。,4）快速性传感器在所测频率范围内，其输出响应不可避免有些延迟，但要越短越好，避免失真。一般物性传感器（利用光电效应、压力效应等）响应快，工作频率宽；结构型传感器（电感、电容、磁电等）受结构、惯性、固有频率低，从而影响到工作频率范围。5）精确度传感器输出与被测量一致的程度。应了解测量目的，选择精度。若是定性比较，应选择重复精度高的传感器，不要求测量绝对量值准确；定量分析则需高精度的传感器。,3、其它指标说明1）环境参数指标（工作温度、振动、防腐、抗干扰等指标）；2）可靠性指标（寿命、平均无故障时间、绝缘等）；3）使用指标（供电、功耗、外型尺寸、重量、材质、安装方式等）。,4、测量方法,例1.机械参量（回转轴误差、振动、扭力矩等）一般采用非接触式测量，如电容式，涡流式、光电非接触式传感器；2.不宜破坏性测量，可采用如涡流式探伤、X射线探伤、超声波探伤、发声检测等方法；3.有条件可采用模拟检测；4.对自动化过程控制的真实性和可靠性要求高，必须在现场条件下达到检测要求，应进行再线检测。5、选型注意的其它问题结构简单、体积小、质量轻、价格便宜、易安装维护、互换性、供货商情况等。,提示及建议,1.从系统的观点出发，传感器及传感器的组成部分都是一个系统，同时也是更大系统的子系统；2.每个作为子系统的装置、元件、电路等都有其静动态指标，即各自的灵敏度、线性度、范围、稳定性、精度、分辨率等指标，含义相同；3.传感器有大、有小，有的仅是个元件，有的则是一个较大的装置，甚至自身带有计算机；有的带变换电路，有的不含变换电路。但感知和转换特征是肯定的；4.传感器选用的关键是清楚地掌握和了解实际工作、工艺过程的需要。一般将在满足测量范围（1.3倍量程）基础上，再结合测量方法、其它静动态指标，经过认真比较确定；5.传感器种类繁多、各自厂商标准不同，又有大量进口传感器或检测装置，数量及品种层出不穷，因此要掌握大量技术资料、厂商手册；6.传感器还包括许多技术指标，在选用时，一定要注意；7.传感器的供货渠道是多方面的，值得推荐的是网上查阅；8.传感器可带有转换电路，但也有不包含转换电路的传感器，使用时应与后续测量电路统一考虑。,作业,1、调查和了解传感器购买渠道。2、选用传感器的基本原则？举例说明。3、如何选择传感器的灵敏度？,第三十、三十一课数控机床检测装置,1、目的和要求：1）掌握数控机床常用检测装置的作用、分类、工作过程；2）了解光电传感器基本原理及构成；3）掌握光栅、编码器等基本原理及技术参数。2、重点与难点：1）机床常用检测装置原理、技术指标及特征；2）机床常用传感器选用方法。3、教学方法设计：讲授。,第七节机床常用检测装置,数控机床上最常用的为位置检测装置,包括长角、度位、位移、角位移。数控装置对检测装置的要求：可靠、抗干扰；满足精度和速度要求；方便使用与维修；成本低。检测装置一般的技术数据：检测精度0.0020.02mm/m，分辨率0.0010.01mm/m,能满足工作台110m/min的速度移动要求。,常用位置检测装置,一、旋转变压器,1、用途转角检测元件，结构简单、可靠、精度可满足要求。2、结构相似于二相绕线式交流电机。分有刷和无刷两种（前者结果简单，可靠性差）。均由定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子绕组组成。定子和转子的铁芯由硅钢片等叠成，绕组分别嵌入各自铁芯内。有刷式旋转变压器的转子绕组通过滑环和电刷的滑动接触而引出。无刷变压器则多附加变压器，其一次绕组与旋转变压器本体转子绕组连在一起，可使本体转子绕组的电信号通过附加变压器一次侧与二次侧绕组的电磁耦合，由附加变压器二次绕组输出。常用两极绕组和四极绕组两种形式。,图片,3、旋转变压器特点及参数范围360，精度25，线性度0.1%，可在1200r/min范围内工作。有参数表明最大转速范围2400r/min。,二、感应同步器,特点精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单等。应用广泛。1、感应同步器的结构和类型类型直线式和旋转式（圆盘式），前者用于直线测量，后者用于测量角位移。直线式类别标准型、窄型、带型。前者使用广泛。,提示与建议,1.感应同步器的由于抗干扰和适应恶劣环境，在数控机床上应用最多；2.感应同步器定位控制、随动控制过程是数控机床中最为常用的，应当重点掌握；3.长度大于250mm时，可多快接长，因此长度不受限；4.在有铁屑或切屑液时，要注意防护，防止划伤。5.测量精度取决于尺子的精度。,图片,2.直线型感应同步器类型及特点窄型的滑尺和定尺均为标准型的一半，用于位置受限场合，但精度较低；带型是将定