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
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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：
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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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。
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I0(mA)
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-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
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吹气式液位计
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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。
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磁性浮子液位开关
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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
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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 。
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金 属 膜 盒
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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
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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
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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。
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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。
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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
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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。
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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。
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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
伺服系统的检测元件
5.2 旋转变压器
单极对旋转变压器的工作情况。如图5-2所示，设一次 绕组匝数为N1，二次绕组匝数为N2，n=N1/N2为变压比， 当一次侧输入交变电压
U1=Umsinωt
（5-1）
二次侧产生感应电势
U2=nU1=nUmsinωtsinθ
(5-2)
式中， U2为转子绕组感应电势；
U1为定子的激磁电压；
U2=nUmsinωt
(5-3)
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5.2 旋转变压器
正弦余弦旋转变压器的工作原理，如图5-3渐示。正弦余 弦旋转变压器定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组， 定子上的两个绕组分别为正弦绕组(激磁电压为U1s)和余弦 绕组(激磁电压为U1c)，转子绕组中的一个绕组输出电压为 U2，另一个绕组接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。
(4)由于感应同步器感应电势低，阻抗低，应加强屏蔽以防止干 扰。
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5.4 光 栅
光栅按用途分有两大类，一类是物理光栅(亦称衍射光栅)， 另一类是计量光栅。物理光栅的刻线细密，线纹密度一般为 200～500条/mm，线纹相互平行且距离相等，称此距离 为栅距。物理光栅是利用光的衍射原理，常用于光谱分析和 光波波长的测定。计量光栅是利用光的透射和反射现象，用 于数控机床检测系统。因此，这里所讨论的光栅是指计量光 栅。
式中，n为任意正整数。
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5.3 感应同步器
（2）圆感应同步器 圆感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等
材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导 电绕组，绕组用厚O.05mm的铜箔构成。基板和绕组之间 有绝缘层。绕组表面还加有一层与绕组绝缘的屏蔽层，材料 为铝箔或铝膜。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕 组(sin绕组和cos绕组)，做成分段式，两相绕组交差分布， 相差90°电角度，如图5-6所示。
第五章 位置检测装置
5.1.3 位置检测装置的分类
绝对式：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。
优点：能指示绝对位置，没有累计误差，电源切断 后信息不丢失。
缺点：装置结构较为复杂。
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5.2 旋转变压器
旋转变压器是一种基于电磁感应原理的角度测 量元件，在结构上与两相绕组式异步电动机相似， 由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边， 转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕 组上，激磁频率通常为400Hz~5000Hz，转子绕组 产生的感生电压反映回转角的变化。其结构简单、 动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出 信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。
幅值工作方式 ：给滑尺绕组通入相位相同、频 率相同，但幅值不同的励磁电压。
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5.3.2 感应同步器的应用
(1)感应同步器的鉴相测量系统
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5.3.2 感应同步器的应用
设滑尺绕组节距为P，则滑尺移动x时，有
x , 2 x
2 P
P
U s U m sin t Uc U m cost Uo kUs cos kUc sin
按测量方式分：增量式测量和绝对式测量。 增量式 ：只测量位移量。测量单位为0.01mm，每移
动0.01mm发出一个脉冲信号。 优点：装置简单，任何一个对中点都可作为测量的
起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方 式。 缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计 数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全 错误。如发生某种故障，无法恢复。
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5.1.3 位置检测装置的分类
模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来 表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用 模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步 器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。
第五章位置检测装置
定 尺 U2 滑 A
感应同步器就是利用电压的变 化来进行位置检测的
1 尺 B 2 4 1 位 C 2 2 3 置 D 2 4
E 2
A M O B C N D
E 余弦绕组 P θ
正弦绕组
图5-2 感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系
设表示滑尺上一相绕组的激磁电压U s U m sin t 则定尺绕组感应电压为 U KU cos KU cos sin t 2 s m 式中 K—耦合系数； U m —激磁电压的幅值； ω —激磁电压的角频率； —滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。 若设定尺绕组节距为2 ，它对应的感应电压以余弦函数 变化，当滑尺移动距离为时x，则对应感应电压以余弦 函数变化相位角θ ，由比例关系 可得
如果感应同步器的节距为2mm，脉冲当量选 定为δ=0.001mm，一个脉冲对应的相移角Δθ1 为 1 360 0.18
2
数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相器变 为超前基准信号一个0.180 相移角的信号，即 Δθ1=θ1-θ0=0.180 。此时因工作台未动，反 馈 信 号 相 对 于 基 准 信 号 的 相 位 差 Δ θ 2 =θ 2 θ0=0（ θ2 为定尺绕组上作为反馈信号所取的 感应电压 U2 的相位）。鉴相器将 δ ＝Δθ1 － Δθ2 =0.180 的相位差检测出来，经放大后控 制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的 移动，θ2逐渐增大，相位差δ逐渐减少，直至 δ＝0。
当用同一脉冲源的输出时钟脉冲去触发容量相同 的两个分频器1和2时（见图5-5），结果在两个分频器 最后一级的输出是频率大大降低的两个同频率信号。 假设时钟脉冲频率为F，当分频器的容量为N，即N个时 钟脉冲使分频器的输出变化一个周期，则分频器输出 端的脉冲频率 f 为：f=F/N （ N为最大计数容量， N为触 发器个数）。如果在时钟脉冲触发两个分频器的过程 中，通过脉冲加减器加入一个指令脉冲，分频器2的最 后一级输出提前翻转，从而相对于分频器1产生了一个 正的相移Δθ1 （见图5-5）。脉冲调相器每接受一个 脉冲便产生一个指令相位增量Δθ 1 ， Δθ 1 应符合 下式 2 2 或 1 ＝ N＝ N 1
数控机床位置传感器
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1. 增量式光电脉冲编码器亦称光电码盘、光电脉冲发生
器等。轴的每圈转动，增量式编码器提供一定数量的脉 冲。 周期性测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来移 动的速度。 如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算 值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出 脉冲之间相差为90°。 能使接收脉冲的电子设备接收轴 的旋转感应信号，因此双通道编码器可用来实现双向的 定位控制。另外，三通道增量式旋转编码器每一圈产生 一个称之为零位信号的脉冲。
第五章 数控机床位置传感器
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4．3位置检测装置 4.3.1 位置检测元件的分类及要求 1．位置检测元件的分类
位置检测元件是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分。 它的作用是检测工作台的位置和速度的实际值，并向数控装 置或伺服装置发送反馈信号，从而构成闭环控制。检测元件 通常利用光或磁的原理完成对位置或速度的检测。位置检测 系统所能测量的最小位移量称为分辨率。
条纹间距B。若光栅尺的栅距为W，光栅尺相对位移两条 明带或两条暗带之间的距离称为莫尔条纹间距B。若光栅 尺的栅距为W，光栅尺相对位移一个栅距W，莫尔条纹也 上下移动一个条纹间距B，则光电元件输出信号也就变化
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脉冲编码器检测方式的特点如下 （1） 检测方式是非接触式的， 无摩擦和磨损， 驱动力矩小。
（3） 由于照相腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、 高精 度的光电盘。母盘制作后，复制很方便，且成本低。
（2） 由于光电变换器性能的提高， 可得到较快的响应速度。 （4） 抗污染能力差， 容易损坏。
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当标尺光栅和指示光栅的线纹方向不平行，相互倾斜一
个很小交角θ时，中间保持0.01～0.1 mm的间隙，在平
数控加工技术-第五章 数控机床的伺服系统
《数控加工技术》
2. 步进电动机的工作原理 反应式步进电动机又叫可变磁阻式 (Variable Reluctance) 步进电动机, 简称 VR 电动机。 (1) 反应式步进电动机的结构
图 5-5 径向式三相反应式电动机的结构原理 1—绕组 2—定子铁心 3—转子铁心 4—A 相
图 5-6 三相轴向分相式反应式步进电动机的结构原理 1—外壳 2—C 段绕组 3—C 段定子 4—转轴 5—C 段检转子 6—空气隙
《数控加工技术》
1. 步进电动机的分类 步进电动机的种类繁多, 步进电动机按运动方式可分为旋转运动、 直线运动、 平面运 动和滚切运动式步进电动机; 按工作原理可分为反应式 (磁阻式)、 电磁式、 永磁式、 永磁 感应子式步进电动机; 按使用场合可分为功率步进电动机和控制步进电动机; 按结构可分为单 段式 (径向式)、 多段式 (轴向式)、 印刷绕组式步进电动机; 按相数可分为三相、 四相、五 相步进电动机等; 按使用频率可分为高频步进电动机和低频步进电动机。 不同类型的步进电 动机, 其工作原理、 驱动装置也不完全一样。
普通高等教育3D版机械类规划教材
数 控 加 工 技 术（3D版）
2020.8
《数控加工技术》
第五章 数控机床的伺服系统
§5-1 数控机床的伺服系统概述 §5-2 伺服系统的驱动元件 §5-3 伺服系统的位置检测装置
《数控加工技术》 5.1 数控机床的伺服系统概述
5.1.1 伺服系统的组成及工作原理
《数控加工技术》
3) 三相六拍工作方式。 若定子绕组的通电顺序是A→AB→B→BC→C→CA→A→……, 这 种通电方式是单、 双相轮流通电。
《数控加工技术》
5.1.3 数控伺服系统的分类
《数控原理与数控技术运用》(课程代码：05785)课程考试大纲要点
广东省高等教育自学考试《数控原理与数控技术运用》（课程代码：05785）课程考试大纲目录一、课程性质与设置目的二、考试内容与考核目标第一章概述第一节数字控制与数控机床第二节数控机床的分类第三节数控机床的选型第四节数控技术的发展第二章零件加工程序的编制第一节数控编程的基本知识第二节数控加工工艺基础第三节数控加工指令第四节数控编程典型实例第五节自动编程第三章数控机床加工控制原理第一节数控装置的工作过程第二节插补原理第三节进给速度控制原理第四节刀具补偿原理第四章数控装置第一节数控装置的组成及作用第二节数控装置的硬件系统第三节数控装置的软件系统第四节数控装置的输入/输出接口第五节数控装置的PLC控制功能第六节基于PC的数控系统开发实例第五章位置检测装置第一节概述第二节光栅第三节脉冲编码器第四节旋转变压器第五节感应同步器第六节磁栅第七节球栅第六章数控机床的伺服系统第一节伺服系统的基本概念第二节步进电动机及其驱动装置第三节交流伺服系统第四节机床进给伺服系统设计第五节伺服系统的性能对加工精度的影响第七章机床的数控化改造第一节机床数控化改造的意义第二节数控化改造的内容与改造方案第三节机械部分改造设计第四节数控系统的选型第五节普通车床数控化改造实例三、关于大纲的说明与考核实施要求【附录】题型举例一、课程性质与设置目的（一）课程性质与特点《数控原理与数控技术运用》是全国高等教育自学考试机械制造与自动化专业一门重要的专业课，它以数控机床为对象，研究数控加工程序编制、数字控制系统的工作原理、组成及其在数控机床上的应用，是为培养自学应考者在掌握数控机床基本结构、工作原理的基础上熟练进行数控加工编程而设置的一种应用型课程，共5个学分。
本课程注重实践教学环节，岗位适应性与实用性强。
（二）课程的基本要求通过本课程的学习，自学应考者应掌握数控加工程序编制、数控技术的基本原理和基础知识；学会合理地选用和设计组成数控机床的数控装置及伺服系统，具备编写典型零件数控加工程序、正确使用数控设备的能力。
习题册参考答案-《数控机床电气线路维修习题册》-B02-9645
全国高级技工学校电气自动化设备安装与维修专业教材数控机床电气线路维修习题册答案中国劳动社会保障出版社第一章数控机床电气维修基础§1-1 数控机床概述一、填空题1. 1952年、三坐标数控铣床2. 数字控制、数字化、密集度、自动化3. 计算机数控、 CNC4.控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置5. 数控装置、控制运算器、输出装置6. 伺服系统、驱动装置、执行部件7.点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床、开环控制、闭环控制8.步进电动机、传动机构9.开环10.工作台、光栅尺11.电动机的端头、丝杠的端部、光电编码器12.步进电动机、直流或交流伺服电动机二、选择题1.B2.C3.D4.A5.C6.B7.A8.B9.C三、判断题1. √ 3. × 4. √ 5. √ 6. × 7. √ 8. × 9.√ 10. ×11. ×12. × 13. √ 15. √ 16. × 17. √ 18. ×四、简答题1. 答：数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主体等组成。
（1）控制介质的作用：将零件加工信息传送到数控装置去的程序载体。
（2）数控装置的作用：接受控制介质上的数字化信息，经过控制软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，进行规定的、有序的运动。
（3）伺服系统的作用是把来自CNC的指令信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。
（4）测量反馈装置的作用：是通过测量元件将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。
2. 数控机床与普通机床的相比有什么特点？答：适应性强；加工精度高；生产效率高；自动化程度高；劳动强度低。
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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?