第五章位移测量与控制系统
旋转机械的角位移测量及故障判断系统
旋转机械的角位移测量及故障判断系统随着工业机械的不断发展，旋转机械在各个领域中都扮演着至关重要的角色。
在这些机械中，角位移是一个极为重要的参数，因为它可以直接反映出机械的运动状态以及故障情况。
因此，为了保证旋转机械的正常运行和及时发现故障，设计旋转机械的角位移测量及故障判断系统显得尤为重要。
一、旋转机械的角位移测量原理在旋转机械中，角位移就是旋转角度，通常用弧度或角度来表示。
为了测量旋转机械的角位移，我们需要根据机械运动的特点来选择合适的测量方式。
常见的测量方式包括：1. 光电编码器测量法光电编码器是一种能够检测机械位移的传感器。
它由一个旋转的光圈和固定的光电传感器组成，光圈会随着机械的旋转而在光电传感器上产生相应的光信号。
通过对这些信号的处理，我们可以得到机械的角位移。
2. 磁性编码器测量法磁性编码器原理与光电编码器类似，只是它使用磁性信号来代替光信号。
磁性编码器有着更高的测量精度和更稳定的信号输出，但它的安装和使用要比光电编码器复杂。
3. 传感器测量法通过在旋转机械上粘贴或安装转角传感器，可以直接测量机械的角位移。
这种测量方式具有较高的可靠性和精度，但需要对传感器进行定期的校准和维护。
二、旋转机械的故障诊断原理不论是哪种测量方式，都能够对旋转机械的角位移进行实时监测。
如果机械出现故障或运行异常，我们可以通过对角位移的监测数据进行分析来进行诊断。
1. 故障诊断旋转机械的故障种类繁多，常见的有机械磨损、轴承损坏、电机故障等。
这些故障都会对机械的运动状态和角位移产生影响，因此对角位移的监测数据进行分析可以发现故障的产生及其类型。
2. 维修保养定期对旋转机械进行维修保养是保持机械正常运转的重要手段。
通过对角位移数据的分析，我们可以得到机械的运动状态，将这些数据和机械的维修保养记录进行比对，可以定期制定有效的维修保养计划。
三、旋转机械的角位移测量及故障判断系统的设计旋转机械的角位移测量及故障判断系统是一个综合性的系统。
弯曲疲劳试验机工作原理
弯曲疲劳试验机工作原理
弯曲疲劳试验机工作原理是通过施加交替加载和卸载的载荷来模拟实际工作条
件下材料或构件所承受的持续弯曲应力，以评估其抗疲劳性能和疲劳寿命。
弯曲疲劳试验机由主要部件组成，包括负荷系统、位移测量系统、控制系统和
数据采集系统。
负荷系统是弯曲疲劳试验机的关键组成部分，其主要作用是施加交替载荷。
通
过电机驱动负荷装置产生加载和卸载的力，并通过加载传感器测量施加到试样上的载荷大小。
在弯曲疲劳试验中，负荷可以是动态载荷，根据所需进行周期性或随机加载。
位移测量系统用于测量试样的位移，从而确定试样的变形情况。
通常使用位移
传感器或激光光栅测量试样的位移，进而计算出试样的应变和应力。
这些测量结果可用于分析试样的疲劳性能。
控制系统对试验过程进行控制和监测。
通过与负荷系统和位移测量系统的协同
工作，控制系统能够实现精确的负荷控制和位移控制，确保试样在特定的加载条件下进行弯曲疲劳试验。
数据采集系统用于采集、记录和分析试验过程中产生的各种数据。
通过传感器
和测量设备，数据采集系统可以获得负荷、位移、应变、应力等参数，以及试样的疲劳寿命和断裂模式等信息。
这些数据对于疲劳性能评估和产品设计具有重要意义。
总结而言，弯曲疲劳试验机通过施加交替载荷，模拟实际工作条件下的弯曲应力，以评估材料或构件的抗疲劳性能和疲劳寿命。
负荷系统、位移测量系统、控制系统和数据采集系统是弯曲疲劳试验机的主要组成部分，共同协作实现试验过程的控制、监测和数据采集。
这些技术和设备的应用，为材料研究、产品开发和质量控制提供了重要的工具和方法。
位移控制器工作原理
位移控制器工作原理
位移控制器的工作原理是通过对物体的位移进行测量和调节，来实现对系统的位置控制。
其基本原理是通过传感器测量物体的实际位移，与设定的目标位移进行比较，然后通过控制执行器或执行机构对物体进行力或位置调节，使实际位移逐渐接近目标位移。
具体工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 传感器测量位移：位移控制器内部搭载了传感器，如光电编码器、激光测距仪、压电传感器等，用于测量物体的实际位移。
2. 位移反馈：通过传感器测量到的实际位移，将其反馈给位移控制器，作为系统当前状态的参考。
3. 控制器计算误差：将实际位移与设定的目标位移比较，计算出位移误差，即实际位移减去目标位移。
4. 控制器应用控制策略：根据位移误差和设定的控制策略，控制器计算出控制信号或控制算法。
5. 控制执行器调节位置或力：控制输出的信号经过执行机构或执行器，通过调整系统中的位置或力来实现对物体位移的控制。
6. 位移更新：通过反馈位移进行监测和修正，实现对目标位移的精确控制。
通过以上的工作原理，位移控制器可以实现对物体位置的准确控制。
在实际应用中，位移控制器通常由传感器、控制器和执行器组成，可以用于各种领域，如机械控制、机器人、自动化生产线等。
低周往复实验位移控制的加载制度
低周往复实验位移控制的加载制度引言低周往复实验是一种重要的力学试验方法，广泛应用于材料力学、地震工程、结构悬挂系统等领域。
在该试验中，位移控制是关键的操作之一。
本文将介绍一种用于低周往复实验的位移控制加载制度，详细介绍其原理、应用以及未来的发展方向。
基本原理低周往复实验的位移控制是通过控制加载装置施加的力来实现的。
该加载制度的基本原理是，通过控制液压系统的工作状态，使加载装置产生恒定的位移量，并保持该位移量在往复加载过程中稳定。
具体来说，该加载制度包括以下两个关键组成部分：1.液压系统液压系统是实现位移控制的关键部分。
它由液压泵、电液伺服控制阀、平衡阀和液压缸组成。
液压泵提供液压能量，电液伺服控制阀控制液压流量和压力，平衡阀用于平衡系统压力，液压缸负责产生相应的位移。
系统通过控制电液伺服控制阀的开关状态，控制液压缸的伸缩，从而实现恒定的位移控制。
2.位移测量和反馈控制为了保证加载制度的准确性和稳定性，需要使用位移测量和反馈控制系统。
常见的位移测量方法包括位移传感器和位移测量仪器。
位移传感器用于直接测量加载装置的位移，并将测量结果传输给反馈控制系统。
反馈控制系统通过与设定位移进行比较，控制液压系统的工作状态，以实现位移的精确控制。
应用领域低周往复实验位移控制的加载制度在以下领域具有广泛应用：1.材料力学实验材料的疲劳性能是评估其安全可靠性和使用寿命的重要指标。
低周往复实验位移控制的加载制度可以模拟真实工况下的往复加载过程，帮助研究材料的疲劳行为和损伤机制，为材料的设计和改进提供依据。
2.地震工程研究在地震工程研究中，低周往复实验位移控制的加载制度可以用于模拟地震作用下结构的往复变形。
通过控制加载装置的位移，可以研究结构的抗震性能、损伤程度以及耐震改造方法等问题，为地震工程的设计和防灾减灾提供重要参考。
3.结构悬挂系统测试结构悬挂系统在航空、汽车等领域中广泛应用，其性能和可靠性对系统的安全运行至关重要。
数控技术知识点总结及考试练习资料
数控技术一、判断题(正确的画√，错误的画×,每题1分共10分）二、填空题（每空1分,共20分）三、选择题(10分，每小题1分）四、简答题（每题6分共30分）五、五、解释如下指令或名词含义（10X1分）六、六、编程题（10分）七、论述题（10分）第一章1．数字控制：是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程(如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。
数控技术采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术.它集计算机技术、微电子技术、自动控制技术和机械制造技术等多学科、多技术于一体。
数控机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。
数控系统实现数字控制的装置。
它能够自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码后进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作并加工零件。
CNC系统的核心是CNC装置。
2．数控机床的优势：3．数控技术的发展趋势：4．数控机床的组成5．数控机床的分类：一、按控制功能分类（点位控制数控系统；直线控制数控系统；轮廓控制数控系统）二、按工艺用途分类(金属切削类数控机床；金属形成类数控机床；特种加工数控机床;其它类型机床：如火焰切割数控机床、数控测量机、机器人等。
）三、按伺服驱动的方式分类（开环控制；半闭环控制；全闭环控制)NC,CNC,CAD、CAM、CAPP、FMC，FMS，CIMS的中文含义.第二章1．数控编程的方法常用的编程方法有手工编程、自动编程。
2．数控机床的机床坐标系和工件坐标系的概念，各坐标轴及其方向的规定.1）机床坐标系是机床上固定的坐标系。
工件坐标系是固定于工件上的笛卡尔坐标系。
2)①Z轴：规定与机床主轴线平行的坐标轴为Z轴，刀具远离工件的方向为Z轴的正向。
②X轴：对大部分铣床来讲，X轴为最长的运动轴，它垂直于轴，平行于工件装夹表面。
+X的方向位于操作者观看工作台时的右方。
③Y轴：对大部分铣床来讲，Y轴为较短的运动轴，它垂直于轴.在Z、X轴确定后，通过右手定则可以确定Y轴.④回转轴：绕X轴回转的坐标轴为A轴；绕Y轴回转的坐标轴为B轴；绕Z轴回转的坐标轴为C轴；方向的确定采用右手螺旋原则，大拇指所指的方向是+X、+Y或+Z的方向。
位移测量与控制系统
4位绝对码光电编码器码制
位置
二进制码
十进制码
A
0000
0
B
0001
1
C
0010
2
D
0011
3
E
0100
4
F
0101
5
G
0110
6
H
0111
7
I
1000
8
J
1001
9
K
1010
10
L
1011
11
M
1100
12
N
1101
13
O
1110
100 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
物台或工作台上，然后，在三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与
加工机构（各类加工头）有特定相对位置要求的待加工位置。
❖
由于被加工物料或工件与加工机构有特定相对位置关系，因此，被加工
物料或工件被安装（夹）固定于载物台或工作台上后，也可能是加工机构在
三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与载物台或工作台有特定相对
位置要求的加工位置。
❖ 无论是工作台移动，还是加工头移动，都属于通过某种机电传动方式达 到一刚体在三维空间中的几何位移的测量与控制问题。
❖ 位移测量包括长度、厚度 、高度、距离、物位、镀层厚 度、表面粗糙、角度等的测量。
❖ 测量位移广泛地应用非电量的电测法，能够测量位移的 传感器很多，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、 压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线 等。此外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电 荷耦合器（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测 量提供了不少新的方法。
位移测量系统的设计
在控制领域中,经常需要进行各种位移量的测在实际的工业位置控制领域中,为了提高控制精度,准确地对控制对象进行检测足十分艰要的。
传统的机械测量位移装S L L远远不能满足现代生产的辦要,而数字式传感器光电编码器, 能将角位移量转换为勾之对应的电脉冲输出,；1:要用于机械位置和旋转速度的检测,具冇精度高,体积小等特点,冈此木设计决定采用光电编码器进行位移检测,本设计为采用光屯编码器来实现位移测请及《仿真,实现测锖來f〗外部的不冋的位移值及显& A•体应用AT89C51中。
片机为核心,光电编码器进行位移测量,同时以LCD液品显示模块显示。
木设计采用的光电编码器输出电H(为5V, 输出倍y经四倍频电路处现后送入巾片机进行计数处理,量后送入LCD模块量示。
木文从位移测量原理入手,详细阐述了位移测#系统的:丨:作过程,以及硬件电路的设计、V。
示效果2木文吸收了硬件软件化的怨想,实现了题丨丨要求的功能。
关键词：位移测蛍,光电编码器,单片机,LCD显示模块AbstractIn ihe control field, a variety of displace量ent 量easure量ents often need lo be carried out。
In actual industry position control do量ain, to increase the control precision, carries on the exa量ination to the controlled 量e量ber is accurately very i量portant。
The traditional 量achinery survey displace量ent installs has not been able 10 satisfy the 量ode量 production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can iransl'or量 ihe angular displace量ent into with it correspondence electricity pulse output, 量ainly uses in the 量echanical position and the velocity of whirl exa量ination, has the precision to be high, volu量e s量all and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displace量ent to exa量ine。
最新工程测量规范GB50026-93
工程测量规范G B50026-93工程测量规范GB50026-93主编部门：中国有色金属工业总公司批准部门：中华人民共和国建设部施行日期：1993年8月1日关于发布国家标准《工程测量规范》的通知建标〔1993〕242号根据国家计委计综〔1986〕250号文的要求，由中国有色金属工业总公司会同有关部门共同修订的《工程测量规范》,已经有关部门会审。
现批准《工程测量规范》GB50026-93为强制性国家标准，自1993年8月1日起施行。
原《工程测量规范》TJ26－78同时废止。
本标准由中国有色金属工业总公司负责管理，具体解释等工作由中国有色金属工业总公司西安勘察院负责。
出版发行由建设部标准定额研究所负责组织。
中华人民共和国建设部1993年1月3日修订说明本规范是根据原国家计委计标发〔1986〕250号文通知要求,由中国有色金属工业总公司负责主编，具体由中国有色金属工业总公司西安勘察院会同有关单位共同对原国家基本建设委员会、冶金工业部颁发的《工程测量规范》TJ26－78（试行）进行修订而成。
在修订过程中，修订组经过调查研究，广泛征求全国各地有关单位意见，根据体现政策、技术先进、经济合理、安全适用的要求，保留了原规范适用的条文，删除、修改了不适用或不完全适用的条文，增加了通过鉴定并广泛应用、行之有效的新技术和科研成果，经两次全国性会议讨论修改，最后会同有关部门审查定稿。
修订后的内容共9章40节及7个附录，除保留原规范的总则、平面控制测量、高程控制测量、地形测量、线路测量、绘图复制等章外，增订了施工测量、竣工总图编绘与实测、变形测量；以及地形图的修测，编绘，晒蓝图、静电复印与复照，翻版、晒印刷版与修版，打样与胶印等章节。
调整了原章、节中的内容：平面控制测量中规定了三边网的主要技术要求；电磁波测距中规定了等级导线技术要求；高程控制测量中规定了电磁波测距三角高程测量的技术要求；地形测量中规定了电磁波测距仪极坐标法布设图根点的技术要求、速测仪施测的技术要求；线路测量中规定了各等级线路测量的统一技术规定。
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位移测量与控制系统概述 位移测量传感器 位移测量和控制的应用
❖ 位移测量包括长度、厚度 、高度、距离、物位、镀层厚 度、表面粗糙、角度等的测量。
❖ 测量位移广泛地应用非电量的电测法，能够测量位移的 传感器很多，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、 压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线 等。此外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电 荷耦合器（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测 量提供了不少新的方法。
参考信号
测量信号
f2-f1
Hale Waihona Puke ±Δf激光干涉位移传感器
HP5528A Laser interferometer： 量程：100m 分辨力： 0.01 m
角位移检测
1、绝对码光电编码器 组成：光源、码盘、光电元件
原理：平行光源→码盘→ 光电元件→电信号输出 码盘：光学玻璃，透光/不透光→ 照相腐蚀
要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）
(2) 光栅传感器特点
① 精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″ ② 量程大：透射式---光栅尺长（<1米），反射式--->几十米 ③ 响应快：可用于动态测量 ④ 增量式：增量码测量 → 计数 断电→数据消失 ⑤ 要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 ⑥ 成本高：电路复杂
位移测量与控制系统中典型的机电传动结构类型
螺母 1．螺杆，螺母
副传动结构
丝杠
θ
x
2．齿轮．齿条副传动结构
齿距
齿轮
齿条
x
θ
3．凸轮一顶杆副传动结构
4．磁性轮一靠模副传动结构
位移控制系统的类型 1．按位移控制的维数分类
❖ 一维 ❖ 二维 ❖ 三维 ❖ 多维
2．按位置给定量的性质分类
❖ 位移程序控制系统 ❖ 位移随动控制系统
编码码制： 十进制码 --- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 读数直观，不易电路处理
二进制码 --- 0000 0001 0010 0011 0100 直观，易于后续电路和计算机处理
多位码同时动作→同步误差→错码 格 雷 码---循环码：相邻两数只有一位不同
每次只有一位变化→转换
角度
0.0 22.5 45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5 270.0 292.5 315.0 337.5
光源：LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后 → 响应速度
码道：位数→每个码道对应一个光电元件→分辨率
角度分辨率：α=360º/2n n-码道数（位数）
提高精度
增加码道、增大码盘尺寸 → 有限 光学细分 → 附加码道
测量电路：放大 → 足够电平 ，驱动 整形 → 接近理想方波 细分 → 提高分辨率（光学+电路）
（4）分光镜（半透半反）
（5）固定参考反射镜
双频激光干涉位移传感器 测量原理：
激光器发出一束激光，
含有两束偏振光：
左旋光，频率f1 右旋光，频率f2， 振幅相同，
频率相差约2MHz。
激光束
分光器
测量光束 参考光束
λ/4波片 光电检测
渥氏棱镜
f1→角锥棱镜 f1±Δf1
f2→光电检测
f2-(f1± Δf)
Rm
l uA
l u0 A
L W 2 u0W 2 A u0W 2 A
Rm
l
l ur
l
思考：灵敏度？ 线性度？
改进方法？
差动式
(2) 变面积式 (3) 螺管式
线圈 铁芯
衔铁
1 2 l
(3) 螺管式
蔡萍教材P40 图3-5
2、光栅位移传感器（Grating）
(1) 光栅传感器原理 (莫尔条纹) 构成： 主光栅---标尺光栅，定光栅；
(3) 光栅传感器结构
透射式结构：
1 – 主光栅尺（定光栅） 2 – 指示光栅（动光栅） 3 – 光电元件 4 – 透镜 5 – 光源
光源 → 指示光栅 → 透射 → 主光栅 → 光电元件
反射式结构： 光源 → 主光栅 → 反射 → 指示光栅 → 光电元件
(4) 代表性产品：
德国Heidenhain（海德汉）： 封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 m
4位绝对码光电编码器码制
位置
二进制码
十进制码
A
0000
0
B
0001
1
C
0010
2
D
0011
3
E
0100
4
F
0101
5
G
0110
6
H
0111
7
I
1000
8
J
1001
9
K
1010
10
L
1011
11
M
1100
12
N
1101
13
O
1110
14
p
1111
15
格雷码
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹,其亮暗程度取决于两束光间 的相位差Δφ
亮条： 暗条：
Δφ=2kπ, k=0,1,l,2,… 相长干涉
Δφ=2kπ, k=0,1,l,2,… 相消干涉
结构：
光 源
观察屏、 光电接收
固定 反射镜 半透半反镜
被测物体
实现要点:（1）单一光源
（2）被测物体
（3）光电接收
5.2 位移测量与控制系统的组成
位移随动控制系统的组成
位移程序控制系统的组成
5.3 常用测量方法和装置
直线位移的检测
1、电感式位移传感器
W2 L
Rm
Rm
li uiAi
W---线圈匝数 Rm---磁路总磁阻 Ai---各段导磁体的截面积
li---各段导磁体的长度 ui---各段导磁体的磁导率
电感位移传感器—基本形式 (1) 变气隙式
开放式：量程270mm 分辨力1nm
开放式：量程1440mm，分辨力0.01m
英国Renishaw（雷尼绍）： 量程：任意 分辨力： 0.1 m 0.01 m
中国长春光机所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 m 精 度：2 m
2、光学干涉（Interference）
干涉原理（单频干涉）：
指示光栅---动光栅
主光栅 指示光栅
叠合
夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度： B W W
2sin(/2)
W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b ，a=b=W/2
莫尔条纹特性：
方向性：垂直于角平分线 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 准确性：误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度