數(shù)控技術(shù)及裝備(a)

1、數(shù)控技術(shù)及裝備機(jī)械工程學(xué)院2004年10月、機(jī)械制造中數(shù)控技術(shù)與裝備的內(nèi)涵？意義？、機(jī)械制造中數(shù)控技術(shù)與裝備的內(nèi)涵？意義？2、對(duì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的控制；、對(duì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的控制；3、實(shí)現(xiàn)對(duì)空間位置和角度的測(cè)量；、實(shí)現(xiàn)對(duì)空間位置和角度的測(cè)量；4、如何控制？因而產(chǎn)生對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件與軟件需求；、如何控制？因而產(chǎn)生對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件與軟件需求；5、控制哪幾個(gè)運(yùn)動(dòng)？直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)！、控制哪幾個(gè)運(yùn)動(dòng)？直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)！6、控制的精度的何如？需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模并分析！、控制的精度的何如？需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模并分析！7、數(shù)控裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)？、數(shù)控裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)？概述概述第一章第一章 電機(jī)控制中的測(cè)量元件電機(jī)控制

2、中的測(cè)量元件 1 1、光電編碼器、光電編碼器 2 2、旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器3 3、霍爾元件、霍爾元件4 4、激光測(cè)量系統(tǒng)、激光測(cè)量系統(tǒng)5 5、陀螺儀測(cè)角、陀螺儀測(cè)角 6、測(cè)速發(fā)電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 角度編碼器角度編碼器 第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器1 1、旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu) 兩個(gè)光欄板，彼此之間錯(cuò)開m+/4個(gè)節(jié)距，當(dāng)碼盤基片隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生a,b兩相相位差為90的交變信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理 光電碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在光源的照射下，透過(guò)光電碼盤和光攔板形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)a、b、z，通過(guò)信

3、號(hào)處理裝置的整形、放大等處理后輸出如圖所示的6項(xiàng)A、B、C 和取反信號(hào)。 輸出信號(hào)的作用及其處理輸出信號(hào)的作用及其處理A A、B B 兩相的作用兩相的作用 細(xì)分處理、角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向 Z Z 相的作用相的作用 周向定位基準(zhǔn)、圈數(shù) 、 、 的作用的作用 利用 A 、 差分輸入消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器AABC常用的脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)有：2000 p/r，2500 p/r，3000 p/r ，高分辨率的脈沖編碼器 20000 p/r，25000 p/r，30000 p/r。 第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器討論：1、如何提高旋轉(zhuǎn)編碼器的精度？2、

4、如何提高旋轉(zhuǎn)編碼器的可靠性第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器光柵檢測(cè)裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖光柵檢測(cè)裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖 1光源， 2透鏡， 3指示光柵， 4光電元件， 5驅(qū)動(dòng)電路，6標(biāo)尺光柵2 2、角度編碼器、角度編碼器 第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器 光柵尺光柵尺 透射光柵透射光柵優(yōu)點(diǎn)：1）光源垂直入射，信號(hào)幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器（光柵讀數(shù)頭）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；2）光柵每毫米的線紋數(shù)多，減輕了電子線路的負(fù)擔(dān) 。缺點(diǎn)：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與機(jī)床金屬部件不一致，影響測(cè)量精度。透射光柵尺的長(zhǎng)度一般都在12m，常見的線紋密度為每毫米4、10、25、50、100、200、250線。 反射光柵

5、反射光柵優(yōu)點(diǎn)：光柵和機(jī)床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，可用鋼帶做成長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的長(zhǎng)光柵。安裝面積小，調(diào)整方便，適應(yīng)于大位移測(cè)量場(chǎng)所。缺點(diǎn)：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜過(guò)多，常用線紋數(shù)為4、10、25、40、50。透射光柵反射光柵第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭 與標(biāo)尺光柵配合起光電轉(zhuǎn)換作用，將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出。有垂直入射讀數(shù)頭、分光讀數(shù)頭、鏡像讀數(shù)頭和反射讀數(shù)頭等。 圓光柵圓光柵 測(cè)量角位移圓光柵刻有輻射形的線紋，相互間的夾角相等。圓周內(nèi)線紋的數(shù)制一般有二進(jìn)制、十進(jìn)制和六十進(jìn)制等三種形式。直徑為270mm，360

6、進(jìn)制的圓光柵，一周內(nèi)有刻線10,800條。 第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器光柵原理光柵原理（莫爾條紋） 放大作用； 使柵距的節(jié)距誤差平均化； 根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)方向可以辨別光柵的移動(dòng)方向 第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器莫爾條紋節(jié)距W 與光柵節(jié)距和傾角之間的關(guān)系：2sin/WW由于很小，因此 莫爾條紋的特點(diǎn)： 光柵橫向移動(dòng)一個(gè)節(jié)距 ，莫爾條紋正好沿刻線上下移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W，用光電元件檢測(cè)莫爾條紋信號(hào)的變化就可以測(cè)量光柵的位移。 光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù)光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù) 第一部分第一部分 光電編碼器光電編碼器2sin/W細(xì)莫爾條紋干涉原理第一部分第一部分 光電編碼器光電編

7、碼器是由光線通過(guò)線紋衍射后產(chǎn)生的是由光線通過(guò)線紋衍射后產(chǎn)生的干涉結(jié)果干涉結(jié)果 ，平面的光波照射到，平面的光波照射到掃描掃描 板上，通過(guò)衍射分成板上，通過(guò)衍射分成1，0，-1光波，它們?cè)谙辔粬艠?biāo)尺上被光波，它們?cè)谙辔粬艠?biāo)尺上被衍射，光強(qiáng)的大部分反射在衍射，光強(qiáng)的大部分反射在1，和和-1衍射級(jí)次中。這些光波在掃衍射級(jí)次中。這些光波在掃描掩膜光柵上再次相遇，重新衍描掩膜光柵上再次相遇，重新衍射和干涉，此時(shí)，主要生成射和干涉，此時(shí)，主要生成2個(gè)個(gè)序列波，它們以不同的角度離開序列波，它們以不同的角度離開掃描掩膜。光電元件將這些光強(qiáng)掃描掩膜。光電元件將這些光強(qiáng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。第一部分第一部分

8、光電編碼器光電編碼器討論：角度編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的異同點(diǎn)？討論：角度編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的異同點(diǎn)？ 第二部分轉(zhuǎn)變壓器第二部分轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 1轉(zhuǎn)子軸， 2外殼，3分解器定子， 4分解器定子繞組， 5變壓器一次線圈， 6變壓器轉(zhuǎn)子，7分解器轉(zhuǎn)子繞組， 8分解器轉(zhuǎn)子，9變壓器二次線圈， 10定子線軸旋轉(zhuǎn)變壓器原理 機(jī)sinskUU 防止氣隙磁通畸變加上相互垂直的繞組第二部分轉(zhuǎn)變壓器第二部分轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理 分解器繞組的結(jié)構(gòu)保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁通呈正、余弦規(guī)律分布。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角機(jī)呈正弦規(guī)律變化。即： 或其中

9、，Us ，Uc 為定子正弦、余弦繞組上的激磁電壓，k為變壓比。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用鑒相方式鑒相方式 在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓 ，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，兩個(gè)激磁電壓 在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓線性疊加得總感應(yīng)電壓為：因此，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。 第二部分轉(zhuǎn)變壓器第二部分轉(zhuǎn)變壓器 機(jī)cosckUU 機(jī)sinskUU ）機(jī)機(jī)機(jī)tkUkUkUUmcscos(cossintUUmssintUUmccos鑒幅方式鑒幅方式 給定子的兩個(gè)繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同的激磁電壓 ， 則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為 不斷

10、修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角電，使之跟蹤機(jī)的變化，并測(cè)量感應(yīng)電壓幅值即可求得機(jī)械角位移機(jī) 。第二部分轉(zhuǎn)變壓器第二部分轉(zhuǎn)變壓器 tUUmssinsin電tUUmcsincos電tkUkUkUUmcssincos(cossin）機(jī)電機(jī)機(jī)多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器n上述在一轉(zhuǎn)的360內(nèi)電氣變化與機(jī)械角變化完全對(duì)應(yīng)。n增加定子或者轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)，在一圈之內(nèi)使電氣角周期性變化若干次數(shù)，達(dá)到提高精度的目的。 討論：討論： 1、如何提高精度？、如何提高精度？2 2、與脈沖編碼器相比可靠性如何？、與脈沖編碼器相比可靠性如何？ 第二部分轉(zhuǎn)變壓器第二部分轉(zhuǎn)變壓器 第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng)第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng) Vh=

11、B Ic Rh/dB:磁通密度，Ic:控制電流，Rh:霍爾常數(shù)，d:半導(dǎo)體厚度BSNW1W2BIcVh在電流在電流Ic恒定、半導(dǎo)體恒定、半導(dǎo)體材料和幾何尺寸確定材料和幾何尺寸確定的情況下、電勢(shì)的大的情況下、電勢(shì)的大小與磁通小與磁通B成線性關(guān)成線性關(guān)系系 。1 1、測(cè)量原理、測(cè)量原理假定在某一半導(dǎo)體中電流Ic以箭頭所示方向流動(dòng)，若磁通B與導(dǎo)體面垂直通過(guò)，則在半導(dǎo)體的一側(cè)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)： 2 2、測(cè)量方法、測(cè)量方法 電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的不同位置，霍爾元件的輸出電壓呈正弦變化，說(shuō)明電機(jī)磁場(chǎng)的變化規(guī)律。通過(guò)標(biāo)定，就可測(cè)量電機(jī)的磁場(chǎng)。 第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng)第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng)霍爾元件測(cè)量的電機(jī)

12、磁場(chǎng)Vh2Vh1IcVhVhVh1BVh23、霍爾元件的特性參數(shù)、霍爾元件的特性參數(shù)a) 靈敏度靈敏度 在1000高斯的磁通下通0.1毫安電流所輸出的毫伏電壓值。 高的靈敏度是霍爾元件的首要條件，但霍爾元件越薄輸入阻抗就越大，電流流動(dòng)受阻。因此，需要末級(jí)放大。b) 輸入阻抗輸入阻抗 電源電流Ic的阻抗c) 輸出阻抗輸出阻抗 輸出感應(yīng)電勢(shì)端的阻抗d) 不平衡電壓不平衡電壓 無(wú)磁通時(shí)的輸出電壓值，由不對(duì)稱造成的飄移。e) 工作溫度工作溫度 可以使用的溫度范圍。第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng)第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng)4 4、霍爾元件的制作、霍爾元件的制作一般地，霍爾元件厚度都在幾微米以下?；魻栐?/p>

13、薄，輸出電壓就一般地，霍爾元件厚度都在幾微米以下?；魻栐奖?，輸出電壓就越大，即霍爾元件越靈敏，但輸入阻抗就越大越大，即霍爾元件越靈敏，但輸入阻抗就越大 。a) 蒸附法蒸附法在真空中將半導(dǎo)體銦化娣蒸附到陶瓷類基板報(bào)上并行成薄膜，并在上埋電極。b) 研磨法研磨法 在單晶體板上利用光刻法，制成霍爾元件，然后裝在磁性基板上并進(jìn)霍爾元件，然后裝在磁性基板上并進(jìn)行研磨。行研磨。c) 離子注入法離子注入法鎵化砷為原材料，用鉻作參雜物制成半絕緣的單晶體，采用離子注入法在其表面形成多層活性層而制成元件。厚度小于0.4微米?；魻栐畲蟮娜秉c(diǎn)是隨溫度變化?；魻栐畲蟮娜秉c(diǎn)是隨溫度變化。 第三部分霍爾元件測(cè)量

14、電機(jī)磁場(chǎng)第三部分霍爾元件測(cè)量電機(jī)磁場(chǎng)5 5、霍爾元件的集成電路、霍爾元件的集成電路將測(cè)量用的霍爾元件與開關(guān)功能的晶體管或者放大電路一起制成一個(gè)封裝的集成電路使用。第四部分激光測(cè)量系統(tǒng)第四部分激光測(cè)量系統(tǒng) 受激吸收與受激發(fā)射 1激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生 2 2激光的特點(diǎn)激光的特點(diǎn) 高高單單色性色性 激光的譜線寬度很窄,比普通光源提高了幾萬(wàn)倍，是最好的單色光源。 高平行度高平行度 激光是向特定方向發(fā)射的,它的發(fā)散角很小,已達(dá)到幾分,甚至可小到1秒。 高亮度高亮度 激光的光能高度集中,亮度特別高，一臺(tái)紅寶石激光束的亮度比太陽(yáng)表面亮度亮 200 億倍 。高相干性高相干性 相干性是相干光波在疊加區(qū)產(chǎn)生穩(wěn)定的

15、干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)，可用時(shí)間相干性和空間相干性來(lái)描述。時(shí)間相干性是指光源在不同時(shí)刻發(fā)出的光束的相干性，激光的相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里, 比普通光源提高了幾十萬(wàn)倍?？臻g相干性是指同一時(shí)間內(nèi)由光源不同部位發(fā)出的光波的相干性,激光在任何傳播方向上都具有良好的空間相干性。 第四部分激光測(cè)量系統(tǒng)第四部分激光測(cè)量系統(tǒng) 3.3.激光干涉儀原理激光干涉儀原理（1）邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu) 邁克爾干涉儀 由四個(gè)光學(xué)元件（兩塊平板玻璃P1P2和兩塊平面反射鏡M1M2）和一個(gè)精密的移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 第四部分激光測(cè)量系統(tǒng)第四部分激光測(cè)量系統(tǒng) （2）邁克爾遜干涉儀的測(cè)量原理 由光源S來(lái)的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。根據(jù)平

16、面鏡成像的性質(zhì)，光線S2在M M2之間的光路可以用它在M中的虛像 M2 來(lái)代替。這樣，M2位于參考鏡M1的附近。M1和M2構(gòu)成一“虛平板”，中間為空氣介質(zhì)，虛平板的厚度為h, 在觀擦系統(tǒng)中看到的干涉圖樣就是由虛平板所產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。兩相干光束之間的光程差為兩相干光束之間的光程差為2 2h h，當(dāng)2h=K，即h=1/2時(shí)，觀察屏P上的光的強(qiáng)度最大，呈亮條紋。當(dāng)h=（2K+1）/4時(shí)，觀察屏P上的光強(qiáng)度為零，出現(xiàn)暗條紋。在邁克爾遜干涉儀中，M2是固定的，而M1則是由精密絲杠帶動(dòng)可以平移。改變M1和M2之間的距離h，也即改變S1和S2的光程差。當(dāng)光程差發(fā)生變光程差發(fā)生變化化時(shí)，觀察屏上的干涉條紋將明

17、暗交替變化。M1每平移/2距離，干涉條紋則移動(dòng)一個(gè)條紋間隔，明亮變化一次。因此，只要對(duì)條紋計(jì)數(shù)，便可以測(cè)得M1的距離。 第四部分激光測(cè)量系統(tǒng)第四部分激光測(cè)量系統(tǒng) （3）邁克爾遜干涉儀的改進(jìn) 圖示邁克爾遜干涉儀使用的光源是白光，而激光干涉儀采用激光作光源。這樣，干涉一般不需要補(bǔ)償板P2，另外，采用光電元件計(jì)數(shù)，光電元件將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。設(shè)動(dòng)鏡M1的起始位置出現(xiàn)暗條紋，M1位移X后，光強(qiáng)既非最強(qiáng)，亦非最弱，則表明X既不是/2的整數(shù)倍，也不是/4的整數(shù)倍。經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換出的電壓UX可寫為UX=UMsin2X/(/2) 此式描述一正弦波， 將此正弦波整形為方波，送入計(jì)數(shù)器即可讀出條紋的明亮

18、變化次數(shù)k。 第四部分激光測(cè)量系統(tǒng)第四部分激光測(cè)量系統(tǒng) 3. 3. 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀 雙頻激光干涉儀是同一激光器發(fā)出的光分成頻率不同的兩束光（即拍頻信號(hào)）產(chǎn)生干涉 雙頻激光干涉儀的工作原理 第四部分激光測(cè)量系統(tǒng)第四部分激光測(cè)量系統(tǒng) 第五部分陀螺儀測(cè)角第五部分陀螺儀測(cè)角 三自由度陀螺儀可繞Z軸,X軸軸轉(zhuǎn)動(dòng) 進(jìn)動(dòng)性和定軸性進(jìn)動(dòng)性和定軸性 進(jìn)動(dòng)：三自由度陀螺儀以角速度繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在受到某一軸方向的外力矩作用下，將同時(shí)繞著與這一軸垂直的方向以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)。 進(jìn)動(dòng)角速度： =M/H M為進(jìn)動(dòng)軸方向的外力矩；H為陀螺儀自旋角動(dòng)量矩H=C。C為陀螺儀自旋轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。第五部分陀螺儀測(cè)角第五部

19、分陀螺儀測(cè)角 章動(dòng)：三自由度陀螺儀以角速度繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在受到外力矩作用下，自轉(zhuǎn)軸將發(fā)生偏斜運(yùn)動(dòng)稱為章動(dòng)。此時(shí)，其進(jìn)動(dòng)角速度= -/(H)sint =/(H)(1-cost) =/(H)(1-cost) =H/A A為陀螺儀繞X軸（赤道的）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 當(dāng)角速度足夠大時(shí)，角動(dòng)量矩H很大，進(jìn)動(dòng)角速度、可以忽略比不計(jì)，這就是三自由度陀螺儀的定軸性。 定軸性的特點(diǎn)使得裝有三自由度陀螺儀的慣性平臺(tái)有了一個(gè)參定軸性的特點(diǎn)使得裝有三自由度陀螺儀的慣性平臺(tái)有了一個(gè)參考軸。無(wú)論慣性平臺(tái)本身如何擺動(dòng)搖晃，這個(gè)參考軸是不變的，考軸。無(wú)論慣性平臺(tái)本身如何擺動(dòng)搖晃，這個(gè)參考軸是不變的，我們可以利用位移傳感器測(cè)量慣性平臺(tái)與定軸的角度，得出平我們可以利用位移傳感器測(cè)量慣性平臺(tái)與定軸的角度，得出平臺(tái)本身的各種傾角，來(lái)控制平臺(tái)的姿態(tài)。臺(tái)本身的各種傾角，來(lái)控制平臺(tái)的姿態(tài)。 第五部分陀螺儀測(cè)角第五部分陀螺儀測(cè)角 討論討論1、從測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)來(lái)看，影響從測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)來(lái)看，影響陀螺儀陀