第五章位置检测装置
习题册数控机床系统结构答案
第一章第一节数控机床的产生和发展第二节数控机床的特点和应用范围一、填空题1、第一代数控机床产生于1952年美国国麻省理工学院研究出一套试验性的数字数控系统，并把它安装在立式铣床上。
2、我国是1958年开始研究数控技术的。
3、机械加工的目标是高速、高效。
高精度。
4、在数控机床上加工工件，工件的加工精度主要取决于机床精度、插补精度、编程伺服精度。
5、最早的数控机床伺服系统执行机构采用液压转矩放大器。
二、选择题1、第一代数控机床产生于（B ）年。
A、1951B、1952C、19542、第三代数控机床产生于（ C ）年，研制出了小规模集成电路。
A、1951B、1952C、19603、经济型数控机床一般都采用（A）数控系统。
A、开环B、闭环C、半闭环4、（C）数控机床产生于1960年，研制出了小规模集成电路。
A、第一代B、第二代C、第三代D、第四代三、判断题1、第三代数控机床产生于1960年，研制出了小规模集成电路。
（1 ）2、点位控制系统控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，也控制点与点之间运动的轨迹。
（2）3、第四代数控机床的标志是小型计算机。
（1）四、简答题1、简述数控机床发展的六个时代及标志。
1952电子管时代；1956晶体管时代；1960小规模集成电路；1970由计算机作控制单元的数控系统；1974以微处理器为核心的数控系统；1990柔性制造单元2、数控机床的特点是什么？适应性强；能实现复杂的运动；加工精度高；生产效率高；能减轻劳动强度，改善劳动环境，有利于科学的生产管理3、简述数控机床的应用范围。
1）多品种小批量生产的零件。
2）形状结构比较复杂的零件。
3）需要频繁改型的零件。
4）价格昂贵，不允许报废的关键零件。
5）需要最短周期制作的急需零件。
6）批量较大精度要求很高的零件。
第二节数控机床的分类一、填空题1、按控制方式划分，数控机床可分为开环、半闭环和闭环三类。
其中开环中没有检测反馈装置，控制精度较低。
5数控机床伺服驱动和检测
10
第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
18
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
19
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
20
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
2
第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
第五液位检测
变量程的上下限，而量程范围不变。
2019/10/16
40
I0(mA)
20
-2000
（a）无迁移
4
0 2000 3000 5000 7000
ΔP (Pa)
（b）负迁移 （c）正迁移
某压力变送器的测量范围：0~5000Pa，
固定差压：(h2h1)=22g000Pa
2019/10/16
41
吹气式液位计
2019/10/16
7
2019/10/16
8
液位计两端的针型阀不仅起截 止阀的作用，其内部的钢球具有逆 止阀的功能，当液位计发生意外破 损泄漏时，钢球可在介质压力作用 下自动关闭液体通道，防止液体大 量外流起到安全保护作用。
液位计改变零件的材料或增加 一些附属部件即可达到防腐、保温、 防霜、照明等功能。
2019/10/16
21
2019/10/16
22
磁性浮子液位开关
2019/10/16
23
浮筒式液位计
浮筒式液位计属于变浮 力液位计，当被测液面位置 变化时，浮筒浸没体积变化， 所受浮力也变化，通过测量 浮力变化确定出液位的变化 量。
图中： 1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器
2019/10/16
2019/10/16
13
5.2 浮力式液位计
• 浮力式液位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。 恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液 面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。
变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也 称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位 。
2019/10/16
金 属 膜 盒
2019/10/16
33
第五章 数控机床的位置检测装置 曼初宏
第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字 形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电 量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检 测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直 接测量和间接测量。 3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的 零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。
861第五章 主机遥控系统 第一节 主机遥控系统的组成及功能,遥控系统的分类 (2)
考点1 1．主机遥控系统的组成主机遥控系统是由遥控操纵台、遥控装置、测速装置、安全保护装置以及包括遥控执行机构在内的主机操纵系统五大部分组成。
（1）遥控操纵台遥控操纵台设置在驾驶室和集控室内，它的主要作用是提供人机对话的界面。
遥控操纵台上的主要部件是车钟手柄，人通过车钟手柄向遥控系统发出控制命令，如正车、倒车、停车和转速的设定。
显示屏向人们提供遥控系统执行命令的情况、各种参数和状态信号的显示、报警指示、车钟记录以及辅车钟信号的联系。
紧急操纵按钮用于发出应急运行、应急停车等命令。
操纵部位转换开关用于驾驶室与集控室间的遥控部位选择。
（2）遥控装置遥控装置是整个遥控系统的控制中心，它根据遥控操纵台给出的指令，测速装置提供的主机转速的大小和方向，位置检测器提供的凸轮轴位置信号等，完成对主机的起动、换向、制动、停油等逻辑程序控制以及转速与负荷控制功能。
（3）测速装置测速装置用来检测主机的转速、转向，向遥控装置提供主机的运行状态。
不论遥控系统中的逻辑程序控制，还是转速与负荷控制，都离不开转速、转向信号。
否则遥控系统将失灵或误动作。
同时，此信号还送往转速表，指示主机的转速大小和转动方向。
（4）遥控执行机构与主机操纵系统遥控执行机构与主机操纵系统用来执行遥控装置发出的起动、换向、制动、调整等控制命令。
在遥控系统失灵时，可通过机旁操纵装置应急操纵主机。
（5）安全保护装置安全保护装置用来监视主机运行中的一些重要参数。
一旦某个重要参数发生严重越限，自动控制主机减速运行，或迫使主机停车，以保障主机安全。
安全保护装置是一个不依赖于遥控装置而相对独立的系统，它不会因为遥控装置出现故障而失去效能。
2．主机遥控系统的主要功能尽管主机遥控系统种类繁多，结构复杂，但设计这些系统的目的都是为了实现控制主机所应具备的各种功能，而各种主机遥控系统的这些功能是类似的。
因此，掌握主要功能对后面实际遥控系统的学习会有很大帮助。
主机遥控系统的主要功能包括四个方面，即逻辑程序控制、转速与负荷控制、安全保护与应急操作，以及模拟试验。
7120 第五章节 操作说明
·5-1·第五章 操作说明注：所有安装接线完成，并再次检查确保接线正确后，方可对装置进行上电。
为防止意外，在装置第一次开始上电前，请将各种受装置继电器控制的设备退出运行。
5-1． 装置面板介绍EDCS-7120变压器主保护装置面板主要有LCD 液晶显示器、LED 指示灯、操作键、装置调试口。
1． LED 指示灯装置共有装置运行、通讯、远方/就地、事故、告警、分闸位置、合闸位置、装置挂牌共计8个指示灯，下面分别介绍各指示灯状态及含义。
A ． 装置运行：装置上电后如该指示灯闪烁表示人机接口模块运行正常；如果不亮或长亮可能是管理模块故障或其他原因导致。
B ． 通讯：表示装置的通讯口与后台监控系统的通讯状态，若装置与后台监控系统通讯正常，通讯指示灯闪烁，否则指示灯灭。
C ． 远方/就地：该指示灯有两种状态：亮、灭。
亮表示装置处于远控状态，装置控制操作只能在上位机或调度中心进行；灭表示装置处于近控状态，装置控制操作只能在装置面板进行，该操作控制仅指对断路器进行分合闸或对其他设备控制。
D ． 事故：一般由装置检测到事故引起保护动作后发出，点亮指示灯。
E ． 告警：一般由装置检测到电气运行方面的异常情况后发出，点亮指示灯。
F ． 分闸位置、合闸位置：视外部断路器状态而定，若处于合闸状态时点亮合闸位置指示灯，若处于分闸状态时点亮分闸位置指示灯；当断路器常开、常闭位置异常时，两指示灯均不亮。
G ． 挂牌指示：如果装置挂牌指示灯亮，此时在通过装置操作断路器分、合闸时，其操作被闭锁。
2． 操作键装置共有【复位】、【复归】、【 】、【合闸】、【分闸】、【 】、【►】、【 】、【 】、【确认】、【上翻】、【下翻】共12个操作键，下面分别介绍各操作键功能：A ． 【复位】当装置运行不正常时可以操作此键使装置重新运行，一般情况下请不要操作此键； B ． 【复归】远方 就地 ◄返回 –1 ▼ +1 ▲·5-2·出现事故、告警时，操作此键可以关闭事故、告警指示灯，并释放事故、告警出口继电器；若事故、告警一直存在操作此键后又将产生事故、告警信息；C ． 【 】 操作此键将装置置于远控或近控状态，在运行状态时请置于远控状态，防止在装置上误操作；D ． 【合闸】当装置处于近控状态时可以操作此键对断路器进行合闸操作； E ． 【分闸】当装置处于近控状态时可以操作此键对断路器进行分闸操作； F ． 【 】 在I 级菜单时操作此键将返回到主画面，在其他菜单或查看定值时操作此键将返回到上一级菜单，在定值修改时操作此键将光标位置向左或向上移一位； G ． 【►】在定值修改时操作此键将光标位置向右或向下移一位；H ． 【 】在菜单操作时操作此键将光标位置向上移一行，在定值修改时操作此键将光标位置处数字加1或改变选项（功能投/退）；I ． 【 】在菜单操作时操作此键将光标位置向下移一行，在定值修改时操作此键将光标位置处数字减1或改变选项（功能投/退）； J ． 【上翻】有多屏画面时操作此键向前翻屏； K ． 【下翻】有多屏画面时操作此键向后翻屏； L ． 【确认】在主画面操作此键进入菜单，在菜单选项上操作此键进入下一级菜单，修改定值或操作时按此键进入确认画面； 3． 调试端口用于程序下载，修改系统参数以及其他更高级别的配置。
第五液位检测
35
量程迁移
无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表 在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。
处理方法
对压力变送器进行零点
调整，使在只受附加静
压力时输出为“零”。
H
量程迁移
无迁移
量程 负迁移
h
迁移 正迁移
2019/7/22
36
无迁移
保证正压室与零液位等高
P1gH
当H为零时，差压输 出为零。
2019/7/22
9
磁翻板式液位计
主要原理 磁翻板液位计的结构主要基
于浮力和磁力原理设计生产的。 带有磁体的浮子，在被测介质中 的位置受浮力作用影响。液位的 变化导致磁性浮子位置的变化、 磁性浮子和磁翻板的静磁力耦合 作用导致磁翻板翻转180度（磁 翻板表面涂敷不同的颜色），进 而反映容器内液位的情况。
28
5.3 压力式液位计
压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由 于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比， 因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。
对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之 间有如下关系：
H P
g
2019/7/22
29
压力式液位计
下图为用于测量开口容器液位高度的三种压力式 液位计。
25
智能浮筒液位（界位）变送器
被测液位的变化引 起内筒位置的变化，该 变化被传递到扭力管组 件上，使扭力管与芯轴 同步转动。同时固定在 扭力管芯轴上的磁铁发 生旋转位移，改变了由 霍尔效应传感器检测的 磁场。该传感器将磁场 信号转换为电信号。
2019/7/22
26
2019/7/22
27
2019/7/22
变量程的上下限，而量程范围不变。
位移和振动检测仪表.
等效电路
由基尔霍夫定律可得：
R1jI1 MIj1 L1RI12
I2
jMI2 jL2I2
R1
e1
jL1
则，幅值为：
e2
M1 M2 e1 R12 L1 2
e2
2Me1 R12 (L1)2
(1)铁芯处于中间位置 时,M1=M2=M,e2=0;
(2)铁芯左移,
M1=M+ΔM, M2=M-
ΔM ,
e2
2Me1 R12 (L1)2
与e21同相。
(3)铁芯右移, M1=M-ΔM, M2=M+ΔM ,
插入低限（Z-ZL 10）报警，按正常调硼 程序加硼；
插入特低限（Z-ZL 0）报警，立即加硼。
5. 棒位监测装置的技术指标
1. 测量范围为232步（实际为228步)，每步 15.875mm;
2. 不管温度高低，棒速快慢，测量精度均为满刻 度的5%(12机械步距);正常温度下，棒低速移 动，测量精度为6机械步距;正常温度下，棒 快速移动，测量精度为8机械步距；
U 0
dΨ12 dt
MdI1 dt
设
I1 I1M e jt
则
dI1 dt
jI1M e jt
故
U0 jMI1
U 0
jM
R1
U
jL1
等效电路
初级线圈的电流为：
I1 e1 / R1， jL1
在次级线圈中感应出电压
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
U0 定尺
正弦绕组
Us
Uc
滑尺 余弦绕组
图5-1 直线感应同步器结构
三、感应同步器的特点及使用注意事项
由于感应同步器具有一系列优点，所以广泛用于位置检测 （1）精度高。感应同步器系直接对机床位移进行测量，中 间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度的 限制。 （2）可拼接成各种需要的长度。根据测量长度的需要，采 用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可以调整。 （3）对环境的适应性强。直线式感应同步器金属基尺与安 装部件的材料的膨胀系数相近，当温度变化时，二者的 变化规律相同，而不影响测量精度。 （4）使用寿命长。由于办应同步器定尺和滑尺之间没有直 接接触，因而没有磨损，所以寿命长。 （5）注意安装间隙。
第三节 旋转变压器
旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组 成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中 定子绕组接受励磁电压。转子绕组通过电磁耦合得到感应 电压，其输出电压大小与转子位置有关。
旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测 量工作台的位移。
旋转变压器结构简单，动作灵敏，抗干扰能力强，工 作可靠，其精度能满足一般检测要求，因此广泛应用于数 控机床。
（二） 增量式测量和绝对式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增 量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则 每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装 置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点， 而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误， 以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由 固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量 值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对 应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显 然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进 制位数也愈多，结构就愈复杂。
二、位置检测装置的分类
（一）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为电 脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如 光栅位置检测装置。数字式测量特点：被测的量转换为 脉冲个数便与显示和处理；测量精度取决于测量单位， 与量程基本无关。测量装置简单，信号抗干扰能力强。 2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、 相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。 测量特点：直接测量被测的量，无需变换。在小量程内 实现较高精度的测量。如用旋转变压器和感应同步器
（三）直接测量和间接测量 1.直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来 直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位 置反馈信号，从而构成位置闭环控制。其优点是准确性 高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长， 所以在大型数控机床上受到一定限制。 2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上， 通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线 位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加 了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响 了测量精度。
图5-15 光电式脉冲编码器结构示意图
思考题
1、数控机床对位置检测装置的要求有哪些？ 2、位置检测装置可按哪些方式分类？ 3、分析感应同步器与旋转变压器的结构特点。 4、旋转变压器作为位置检测元件，有哪两种应用 方法 5、叙述鉴相方式和鉴幅方式工作的感应同步器的 工作原理。签相型和签幅型感应同步器对滑尺的正 余弦绕组的激磁电压各有何要求？ 6、试述绝对值编码器和光电式脉冲编码器的工作 原理。为什么绝对式码盘一般采用葛莱码而不采用 二进制码？
第四节 光栅
光栅是数控机床和数显系统常用的测量元件，可用作 位移或转角的检测，且测量输出的信号为数字脉冲，是 数控闭环系统用得较多的一种检测装置 光栅位置检测装置的特点 1、测量精度高。由于光栅的刻线可以制作十分精确，同 时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，栅距误差对测 量精度影响较小；也可以采用倍频的方法来提高分辨精 度。 2、精度保持时间长。因标尺光栅和指示光栅不直接接触， 没有磨损，因而精度可以长时间保持。 3、制造困难。光栅刻线要求很精确，两光栅之间的间隙 及倾角都要求保持不变，故制造困难。光学系统易受外 界的影响产生误差。对工作环境要求也较高。
第二节 感应同步器
一、结构与工作原理
感应同步器为电磁式检测装置，属模拟式测量，其输
出电压随被测直线位移或角位移而改变。 感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两 种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移 测量。
旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测
量。 以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。
第七章 位置检测装置 第一节 概述 一、位置检测装置的要求
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、 半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度， 并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系 统的精度 数控机床对位置检测装置的要求如下： （1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； （4） 成本低。
图5-8 光栅测量系统
第四节 脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角 变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。 脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。 绝对式编码器与增量式编码器相比有哪些特点 1、坐标值从绝对编码盘中直接读出，不会有累计误差 2、运转速度可以提高。 3、编码器本身具有机械式存储功能，因停电或其它原 因造成坐标值清除，通电后仍能找到原绝对坐标。 4、当进给转速大于一转，需要作特别处理。
7、莫尔条纹特性有哪些？ 8、光栅位移—数字变换电路包括哪些环节？如何提高 它的分辨率？ 9、已知一光栅尺的栅距为0.02mm，标尺光栅与 指示光栅间的夹角为0.057，求莫尔条纹的宽度?