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1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,機電一體化構(gòu)成要素,目 錄,緒論 機械系統(tǒng)設(shè)計 傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計 控制電動機及其選擇計算 工業(yè)控制計算機及接口設(shè)計 應(yīng)用舉例,緒 論,第一節(jié) 機電一體化概念 一、機電一體化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 機械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機械電子裝置（產(chǎn)品）。,二、機電一體化產(chǎn)品,錄像機,,數(shù)控機床、機器人、自動生產(chǎn)設(shè)備 生產(chǎn)用機電一體化產(chǎn)品 柔性生產(chǎn)單元、自動組合生產(chǎn)單元 FMS、無人化工廠、CIMS 微機控制汽車、機車等交通運輸工具 運輸、包裝及工程用機電

2、一體化產(chǎn)品 數(shù)控包裝機械及系統(tǒng) 數(shù)控運輸機械及工程機械設(shè)備 自動倉庫 儲存、銷售用機電一體化產(chǎn)品 自動空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備 自動稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng) 自動化辦公設(shè)備 社會服務(wù)性機電一體化產(chǎn)品 動力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動化設(shè)備 文教、體育、娛樂用機電一體化產(chǎn)品 微機或數(shù)控型耐用消費品 家庭用機電一體化產(chǎn)品 炊事自動化機械 家庭用信息、服務(wù)設(shè)備 測試設(shè)備 科研及過程控制用機電一體化產(chǎn)品 控制設(shè)備

3、 信息處理系統(tǒng) 農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機電一體化產(chǎn)品 航空、航天、國防用武器裝備等機電一體化產(chǎn)品,,,,,,,三、機電一體化產(chǎn)品的表現(xiàn)形式,1.機械的電子化 （1）在原有機械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計算機控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強。例如，模糊控制洗衣機能根據(jù)衣物的潔凈度自動控制洗滌過程，從而實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時、節(jié)洗衣粉的功能；機床的數(shù)控化是另一個典型的例子。 （2）用電子裝置局部替代機械傳動裝置和機械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強控制靈活性。例如，數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡化了傳動鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機，具有

4、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點。 （3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。 （4）用電子裝置替代機械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機床、線切割加工機床、激光加工機床等。 2.機電技術(shù)完全融合形成新型機電一體化產(chǎn)品 生產(chǎn)機械中的激光快速成形機；信息機械中的傳真機、打印機、復(fù)印機；檢測機械中的CT（計算機斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。,,C650臥式車床外形圖 1 主軸變速箱 2溜板與刀架 3尾座 4床身 5絲杠 6光杠 7溜板箱 8進(jìn)給箱 9

5、掛輪箱,效益分析,,第二節(jié) 機電一體化構(gòu)成要素及相關(guān)技術(shù)一、構(gòu)成要素,,二、相關(guān)技術(shù),機械技術(shù) 機電一體化的機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機械結(jié)構(gòu)更簡單、機械功能更強、性能更優(yōu)越?，F(xiàn)代機械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。 在設(shè)計和制造機械系統(tǒng)時除了考慮靜態(tài)、動態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工藝裝置。 2 .傳感檢測技術(shù) 傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理，如放大、補償、標(biāo)度變換等

6、。 機電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠的獲取信息,3 信息處理技術(shù) 實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機，計算機技術(shù)包括計算機的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機（包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機，分布式計算機測控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計算機信息處理技術(shù)的范疇。4 自動控制技術(shù) 自動控制所依據(jù)的理論是自動控制原理（包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動控制技術(shù)就是在此理論的指導(dǎo)下對具體控制裝置或

7、控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計；設(shè)計后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。 機電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 5 伺服傳動技術(shù)伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置常見的伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進(jìn)電機、直流伺服電機、交流伺服電機等）和液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸等）兩類。6 系統(tǒng)總體技術(shù) 機電一體化系統(tǒng)是一個技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。,,三、學(xué)科構(gòu)成,四、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法,1. 取代法 取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機械控

8、制機構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法,也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法。,,2. 整體設(shè)計法 整體設(shè)計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。在設(shè)計時完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計。 3.組合法 組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計成機電一體化系統(tǒng)。例如,設(shè)計一臺數(shù)控機床,可以依據(jù)機床的性能要求,通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機性能的影響,通過優(yōu)化設(shè)計確定機床的結(jié)構(gòu)組成。,第三節(jié) 機電一體化發(fā)展方向,一、機電一體化特點 1、體積小，重量輕 2、

9、速度快，精度高 3、可靠性高 4、柔性好 二、發(fā)展方向 1、復(fù)合化 2、小型化，輕量化 3、高速化 4、移動化 5、智能化 6、層次化和系統(tǒng)化 7、全盤化 總之，性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展; 層次上：向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。,機械系統(tǒng)設(shè)計,機械系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要包括執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和支承部件。機械的主要功能是完成機械運動，一部機器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機械運動。每個機械運動可由單獨的控制電機、傳動件和執(zhí)行機構(gòu)組成的若干個子系統(tǒng)來完成，若干個機械運動由計算機來協(xié)調(diào)與控制。 第一節(jié) 機械

10、傳動系統(tǒng)的特性 一、機電一體化對機械傳動的要求 1、高精度 2、快速響應(yīng) 3、良好的穩(wěn)定性 二、機械傳動系統(tǒng)的特性 轉(zhuǎn)動慣量小 摩擦小 阻尼合適 剛度大 抗振性能好 間隙小 轉(zhuǎn)動慣量大會是機械負(fù)載增大、系統(tǒng)響應(yīng)性能變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易諧振。同時，使電氣驅(qū)動部件諧振頻率降低，阻尼增大。 阻尼越大，最大振幅越小，衰減越快。但定位精度降低，易產(chǎn)生爬行；穩(wěn)態(tài)誤差大，精度降低。 剛度大，失動量小。提高剛度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,第二節(jié) 機械傳動裝置,1 齒輪 2 同步齒形帶傳動 3 滾珠絲杠 4 滾珠花鍵 5 諧波齒輪減速器,提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施,提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施有： (1)

11、適當(dāng)提高零部件本身的精度； (2)合理設(shè)計傳動鏈，減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響 3)采用消隙機構(gòu)以減少或消除空程。 合理設(shè)計傳動鏈方法 (1)合理選擇傳動型式 (2)合理確定級數(shù)和分配各級傳動比 (3)合理布置傳動鏈,合理確定級數(shù)和分配各級傳動比,合理布置傳動鏈,齒輪傳動間隙的消除措施由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動變向狀態(tài)，反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隙，就會使進(jìn)給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅(qū)動精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動精度。 1. 圓柱齒輪傳動(1) 雙片薄齒輪錯齒法,,,(2) 偏心軸套調(diào)整法,電機1是通過偏心

12、軸套2裝到殼體上，通過轉(zhuǎn)動偏心軸套的轉(zhuǎn)角，就能夠方便地調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除了圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒側(cè)隙。,,(3) 錐度齒輪調(diào)整法,在加工齒輪1和2時，將假想的分度圓柱面改變成帶有小錐度的圓錐面，使其齒厚在齒輪的軸向稍有變化（其外形類似于插齒刀）。裝配時只要改變墊片3的厚度就能調(diào)整兩個齒輪的軸向相對位置，從而消除了齒側(cè)間隙。,,2. 斜齒輪傳動,圖7-29是墊片錯齒調(diào)整法，薄片齒輪由平鍵和軸連接，互相不能相對回轉(zhuǎn)。斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工。裝配時，將墊片厚度增加或減少t，然后再用螺母擰緊。這時兩齒輪的螺旋線就產(chǎn)生了錯位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。,

13、,軸向壓簧錯齒調(diào)整法，,其特點是齒側(cè)隙可以自動補償，但軸向尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊。,,同步齒形帶傳動,同步齒形帶傳動，是一種新型的帶傳動，如圖所示，它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動運動和動力，因而兼有帶傳動，齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點，即無相對滑動，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高，而且齒形帶的強度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；齒型帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承等上的載荷小，傳動效率高，在數(shù)控機械上亦有應(yīng)用。,,滾珠絲杠螺母副機構(gòu),（1）滾珠絲杠副的工作原理及特點 滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦，如圖7-13所示

14、。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內(nèi)裝有滾珠。當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。,,滾珠絲杠副的特點,1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1/41/3。 2）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 3）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 4）運動具有可逆性，可以從

15、旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。 5）磨損小，使用壽命長。 6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 7）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。,滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整,(a)墊片調(diào)隙式（圖7-18） 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)拉緊力的目的。 這種結(jié)構(gòu)的特點是構(gòu)造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調(diào)整費時，并且在工作中不能隨意調(diào)

16、整，除非更換厚度不同的墊片。,,(b)螺紋調(diào)隙式（圖7-20）其中一個螺母的外端有凸緣而另一個螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定著。旋轉(zhuǎn)圓螺母時，即可消除間隙，并產(chǎn)生預(yù)拉緊力，調(diào)整好后再用另一個圓螺母把它鎖緊。,,,(c)齒差調(diào)隙式（圖7-20）在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪，兩者齒數(shù)相差一個齒，并裝入內(nèi)齒圈中，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時，先取下兩端的內(nèi)齒圈，當(dāng)兩個滾珠螺母相對于套筒同方向轉(zhuǎn)動相同齒數(shù)時，一個滾珠螺母對另一個滾珠螺母產(chǎn)生相對角位移，從而使?jié)L珠螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道相對移動，達(dá)到消除間隙并施加預(yù)緊力的目的。,,,滾珠絲杠副的標(biāo)注方法

17、, 循環(huán)方式 預(yù)緊方式 公稱直徑 基本導(dǎo)程 負(fù)荷滾珠總?cè)?shù) 精度等級 螺紋旋向 浮動式 F 雙螺母齒差預(yù)緊 C 內(nèi)循環(huán) 雙螺母墊片預(yù)緊 D 固定式 G 預(yù)緊方式 雙螺母螺紋預(yù)緊 L 單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊B 插管式 C 外循環(huán) 螺旋槽式 L 螺旋旋向為左、右旋，只標(biāo)左旋代號為LH，右旋不標(biāo)。 例 CTC63103.53.5/20001600 表示為插管突出式外循環(huán)（CT），雙螺母齒差預(yù)緊（C）的滾珠絲杠副，公稱直徑63mm，基本導(dǎo)程10mm，負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)3.5圈，精度等級3.5級，螺紋旋向為

18、右旋，絲杠全長為2000mm，螺紋長度為1600mm。,,,,傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計,第一節(jié) 傳感器 一、傳感器分類,,二、機電一體化對檢測系統(tǒng)的基本要求： 精度、靈敏度、分辨率高； 線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好； 抗干擾能力強； 靜、動態(tài)特性好。 此外，要求體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等。 三、傳感器特性： 靜態(tài)特性：1、線性度：傳感器實際特性曲線與擬合直線之間的偏差 2、靈敏度：輸出變化對輸入變化的比值 3、遲滯性：在正反行程期間輸入輸出特性曲線不重合程度 4、重復(fù)性：輸入量按同一方向多次測試時所得特性曲線的不重合程度 動態(tài)特性：傳遞函數(shù)、時間響

19、應(yīng)函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)。,四、傳感器選用原則,快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟的獲取信號 1）足夠的量程 2）與測量或控制系統(tǒng)匹配、轉(zhuǎn)換靈敏度高 3）精度適當(dāng)、穩(wěn)定性高 4）反應(yīng)速度快、工作可靠 5）實用性和適應(yīng)性強 6）使用經(jīng)濟,第二節(jié) 位移測量傳感器,一、電容傳感器 1. 變極距型電容傳感器 ： 當(dāng)動極板因被測量變化而向上移動使減小時，電容量增大 。 注意：傳感器輸出特性是非線性的，規(guī)定在較小間隙變化范圍內(nèi)工作。 2. 變面積型電容傳感器 ： 原理：它與變極距型不同的是，被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。 這種傳感器的輸出特性呈線性。因而其量程不受

20、線性范圍的限制，適合于測量較大直線位移和角位移。,,3變介質(zhì)型電容傳感器 原理結(jié)構(gòu)如圖。圖中兩平行極板固定不動，極距為，相對介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變電容。 應(yīng)用：這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可以用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體的物質(zhì)的濕度。,二、電感式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的裝置。變換原理：電磁感應(yīng)原理。按變換方式的不同分為自感型（可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動變壓器）。1、自感型（一）可變磁阻式,1線圈 2鐵心 3銜鐵 由此可見：只要改變空氣隙厚度或改變氣隙截面積，即可改變線圈的電感量。 注意：改變空

21、氣隙厚度傳感器輸出特性是非線性的，規(guī)定在較小間隙變化范圍內(nèi)工作。,,（二）渦流式 原理：金屬板在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。金屬板置于一線圈附近，相互間距為。當(dāng)線圈中有高頻交流電流通過時，便產(chǎn)生磁通。此交變磁通通過相鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。這種渦流將產(chǎn)生交變磁通1，根據(jù)楞次定律，渦流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反。由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。 影響因素：線圈與金屬板間距離；金屬板的電阻率；磁導(dǎo)率；線圈激磁園頻率等。 變化線圈與金屬板間距離，可作為位移、振動測量。變化金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率，可作為材質(zhì)鑒別或

22、探傷等。 應(yīng)用：可用于動態(tài)非接觸測量。用作渦流式位移計、振動測量儀、無損探傷儀、測厚儀等。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油污等介質(zhì)的影響。,,2、互感型： 差動變壓器式 原理：將被測位移轉(zhuǎn)換成線圈互感變化。 注意：1、輸出交流電壓、幅值與鐵心位移成正比。只反映鐵心位移大小，不反映移動極性。 2、零點殘余電壓。原因：兩次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱；初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。鐵心處在中間位置時，輸出不為零。 解決辦法：后接電路。 應(yīng)用：位移測量儀。,光柵,光柵是一種新型的位移檢測元件，它的持 點是測量精確高、響應(yīng)速度快和量程范圍大

23、等。,,把指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜 一 個很小的角度，這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條絞。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如圖3-18所示。,,主光柵和被測物體相連，他隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生上、下位移，若用光電器件記錄下莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的位移，也就測得了被測物體的位移量。,感應(yīng)同步器,,在兩個相對放置的板上刻有如圖所示的繞組，當(dāng)在滑尺的兩個繞組中分別加上激勵電壓時，則在定尺繞組中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其幅值決定于繞組的相對位置。,光電編碼器,將機械轉(zhuǎn)動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋

24、轉(zhuǎn)角度的數(shù)字電信號，進(jìn)行角位移檢測的傳感器稱為編碼器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測原理，它可以分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式及光電式等。由 于光電編碼器具有非接觸和體積小的特點，且分辨率很高，在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)已能產(chǎn)生數(shù)百萬個脈沖，因此，它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種編碼器。光電編碼器在數(shù)控機床、機器人的位置控制、機床進(jìn)給系統(tǒng)的控制以及角度的測量、通訊及自動化控制等方面部發(fā)揮著重要的作用。,第三節(jié) 速度、加速度傳感器,一、直流測速機 直流測速機是一種測速元件，實際上它就是臺微型的直流發(fā)電機。直流測速機的持點是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷相換向器，構(gòu)造和維護比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。 測速機的結(jié)構(gòu)有多

25、種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測速機原理電路圖。 恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢。 直流測速機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為提高檢測靈敏度、盡量把它連接到電機軸上，有的電機本身就已安裝了測速機。,二、光電式轉(zhuǎn)速傳感器,光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件及指示縫隙盤組成，如圖3-25所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。 當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電

26、器件輸出與指示縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，可測出轉(zhuǎn)速為 n=60N/Zt Z一一圓盤 上的縫隙數(shù)； n轉(zhuǎn)速(rmin)； t測量時間(s)。,第四節(jié) 位置傳感器,位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢 測，確定是否已到某一位置。因此、它只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個物體是否己接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器是用來判別在某一范圍內(nèi)是否有某物體的一種傳感器。 一、接觸式位置傳感器 這類傳感器用微動開關(guān)之類的觸點器件便可構(gòu)成。 二、接近式位置傳感器 接近式位置傳感器按

27、其上作原理主要分：電磁式；光電式；靜電容式；氣壓 式；超聲波式。其基本工作原理可用圖338表示出來。,,接近傳感器在工業(yè)自動化控制、航天、航海技術(shù)、日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。在安全防盜方面，如資料、財會、倉庫、博物館、金庫等重要場合也都裝有各式各樣的接近傳感器。在一般工業(yè)生產(chǎn)自動控制中大都采用渦流式或電容式接近傳感器。在環(huán)境比較好的場合，可采用光電式接近傳感器。而在防盜系統(tǒng)中，大都使用紅外熱釋電接近傳感器、超聲波接近傳感器和微波接近傳感器。有時為了提高識別的可靠性，幾種接近傳感器可以復(fù)合使用。,圖325是生產(chǎn)線工件計數(shù)裝置的示意圖。接近傳感器設(shè)置在工件傳送帶的一側(cè)，當(dāng)傳送帶運行時，一個個工件經(jīng)

28、過接近傳感器，當(dāng)工件靠近接近傳感器時，傳感器輸出脈沖開關(guān)信號，該信號可直接送往計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。,第五節(jié) 傳感器信號處理,測量放大器,在許多檢測技術(shù)應(yīng)用場合傳感器輸出的信號往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。,程控增益放大器,經(jīng)過處理的模擬信號，在送入計算機進(jìn)行處理前，必須進(jìn)行量化，即進(jìn)行模擬一數(shù)字變換，變換后的數(shù)字信號才能為計算機接收和處理。當(dāng)模擬信號送到模數(shù)變換器時為減少轉(zhuǎn)換誤差一般希望送來的模擬信號盡可能大，如采用AD變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)

29、換時，在AD輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號盡可能達(dá)到最大值；然而，當(dāng)被測參量變化范圍較大時，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號變化也較大，在這種情況下、如果單純只使用一個放大倍數(shù)的放大器，就無法滿足上述要求；在進(jìn)行小信號轉(zhuǎn)換時，可能會引入較大的誤差。為解決這個問題，工程上常采用通過改變放大器增益的方法，來實現(xiàn)不同幅度信號的放大，如萬用表、示波器等許多測量儀器的量程變換等。 選擇不同的開關(guān)閉合，即可實現(xiàn)增益的變換。 如果利用軟件對開關(guān)閉合進(jìn)行選擇，即 可實現(xiàn)程控增益變換。,圖為利用AD521測量放大器與模擬開關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器，通過改變其外接電阻RG的辦法來實現(xiàn)增益控制。,隔離放大器 在有

30、強電或強電磁干擾的環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓等對測量回路的損壞，其信號輸入通道采用隔離技術(shù)，能完成這種任務(wù)，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。,傳感器接口技術(shù),控制電動機及其選擇計算第一節(jié) 執(zhí)行元件分類,液壓系統(tǒng),氣壓系統(tǒng),氣壓系統(tǒng)的基本組成,直線氣缸 擺動氣缸 氣馬達(dá) 氣爪,檢測部分,,氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的比較,( 1)空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞；將用過的氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便；泄漏不會嚴(yán)重的影響工作，不污染環(huán)境。 (2)空氣粘性很小，在管路中的沿程壓力損失為液壓系統(tǒng)的干分之一，易于遠(yuǎn)距離控制。 (3)工作壓力低可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。 (4)對開環(huán)控制系統(tǒng)

31、，它相對液壓傳動具有動作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點。 (5)維護簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題；適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機械 的特殊要求。對于無油的氣動控制系統(tǒng)則特別適用于無線電元器件生產(chǎn)過程，也適用于 食品和醫(yī)藥的生產(chǎn)過程。 氣壓系統(tǒng)與電氣、液壓系統(tǒng)比較有以下缺點： (1)氣功裝置的信號傳遞速度限制在聲速范圍之內(nèi)，所以它的工作頻率和響應(yīng)速度遠(yuǎn)不如電氣裝置并且信號產(chǎn)生較大失真和延遲，也不便于構(gòu)成十分復(fù)雜的回路。但這個缺點對生產(chǎn)過程不會造成困難。 (2)空氣的壓縮性遠(yuǎn)大干液壓油的收縮性，精度較低。 (3)氣壓傳動的效率比液壓傳動還要低，且噪聲較大。 (4)工作壓力較低，不易獲得大的推力。氣壓

32、傳動出力不如液壓傳動大；,執(zhí)行元件特點,應(yīng)用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設(shè)備 氣動用于工件夾緊、輸送等自動化生產(chǎn)線 電動應(yīng)用最廣泛,伺服電機控制方式,,伺服電機比較,第二節(jié) 步進(jìn)電動機,一、步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理 它與普通電動機一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖6-1所示的步進(jìn)電動機可構(gòu)成A、B、C三相控制繞組，故稱三相步進(jìn)電動機。 1-繞組 2-定子鐵心 3-轉(zhuǎn)子鐵心 圖6-1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)原理圖,,

33、步進(jìn)電動機的工作原理,步進(jìn)電動機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。當(dāng)A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的齒對齊，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)過，如果控制線路不停地按ABCA的順序控制步進(jìn)電動機繞組的通斷電，步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子便不停地逆時針轉(zhuǎn)動。若通電順序改為ACBA，步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子將順時針轉(zhuǎn)動30。這種通電方式稱為三相三拍，而通常的通電方式為三相六拍，其通電順序為AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相應(yīng)地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15。,,步進(jìn)電機特點,（1）步進(jìn)電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)

34、過一個確定的角度，即步距角； （2）改變步進(jìn)電動機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變； （3）步進(jìn)電動機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高； （4）步進(jìn)電動機步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示： = 360/mzk 式中m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2。 對于圖6-1所示的單定子、徑向分相、反應(yīng)式步進(jìn)電動機，當(dāng)它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為=360/341=30 若按三相六拍通電方式工作，則步距角為=360/342=15 步距角：常見的步距角0.60/1.20 , 0

35、.750/1.50 , 0.90/1.80 ,10/20, 1.50/30 等。,,例：某步進(jìn)電機有80個齒, 采用3相6拍方式驅(qū)動, 經(jīng)絲杠螺母副驅(qū)動工作臺做直線運動, 絲杠的導(dǎo)程為6mm。求: 1、步進(jìn)電機的步矩角。 2、當(dāng)脈沖當(dāng)量要求為0.01mm時,試設(shè)計此傳動系統(tǒng),i=Z2/Z1=L/360,=L/360i,,1、k=6/3=2 = 360/mzk =360/3802=0.75。 2、I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1 可選Z1=20，Z2=40，模數(shù)=1.5的齒輪傳動副,,例 將改造一臺C620車床，其縱向絲杠的螺距t=12mm，采用110BF003型步

36、進(jìn)電動機，步距=0.75，系統(tǒng)規(guī)定的縱向步進(jìn)當(dāng)量=0.01mm，計算步進(jìn)電動機與縱向絲杠之間的聯(lián)接傳動比。 解：根據(jù)式（7-1） 可選 ，模數(shù)m=1.5的齒輪傳動副。當(dāng)i為小數(shù)時，則可采用掛輪。,例：三相變磁阻式步進(jìn)電動機，轉(zhuǎn)子80個齒。 (1)要求電動機轉(zhuǎn)速為60r/min,單雙拍制通電，輸入脈沖頻率為多少? (2)要求電動機轉(zhuǎn)速為100r/min，單拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?,步進(jìn)電機分類,反應(yīng)式步進(jìn)電機：定子轉(zhuǎn)子均有鐵心組成，轉(zhuǎn)子無繞組，步進(jìn)運行由定子繞組通電歷磁產(chǎn)生的反應(yīng)力矩作用實現(xiàn)。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運行頻率高，步距角小。 應(yīng)用：數(shù)控設(shè)備，機器人。 永磁式步

37、進(jìn)電機：轉(zhuǎn)子用永磁鐵，靠與定子產(chǎn)生電磁力 特點：控制功率小，效率高，造價低，但步距角大。 應(yīng)用：記錄儀，空調(diào)機。 混合式步進(jìn)電機：轉(zhuǎn)子有齒，帶固定極性。 特點：步距角小，工作頻率高，控制功率小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。,步進(jìn)電機,步進(jìn)電機驅(qū)動電源,脈沖分配,脈沖分配,軟件脈沖分配,軟件環(huán)形分配器的設(shè)計方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點，其中常用的是查表法。,,,四、步進(jìn)電動機的功率放大,1單電壓功率放大電路 此電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，不足之處是Rc消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工作時會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。,,,2高低電壓功率放大電路

38、,電源U1為高電壓，電源大約為80150V，U2為低電壓電源，大約為520V。在繞組指令脈沖到來時，脈沖的上升沿同時使VT1和VT2導(dǎo)通。由于二極管VD1的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快達(dá)到規(guī)定值。到達(dá)規(guī)定值后，VT1的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1截止，電動機由低電壓U2供電，維持規(guī)定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到來VT2截止。 不足之處是在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機運行的平穩(wěn)性。,該電路的特點是工作時Vin端輸入方波步進(jìn)信號：當(dāng)Vin為“0”電平，由與門A2輸出Vb為“0”電平，功率管（達(dá)林頓管）VT截止，繞組W上無電流通過，采樣電阻上R3上無反饋電壓

39、，A1放大器輸出高電平；而當(dāng)Vin為高電平時，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導(dǎo)通，繞組W上有電流，采樣電阻上R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出電平的高低，來決定Vin信號能否通過與門A2。若VrefVf時Vin信號通過與門，形成Vb正脈沖，打開功率管VT；反之，Vref

40、脈沖供電，且按一定工作方式輪流作用于各相勵磁線圈上。 2、步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)是靠給各相勵磁線圈通電順序變化來實現(xiàn)的。 3、速度控制是靠改變控制脈沖的頻率實現(xiàn)的。 4、在通電脈沖內(nèi)使勵磁線圈的電流能快速建立，而在斷電時電流能快速消失。,五、步進(jìn)電機的選擇,,1、步距角的選擇 電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。 2、靜力矩的選擇 （1）根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算

41、機械傳動裝置及負(fù)載折算到電動機軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。 （2）計算各種工況下所需的等效力矩。 （3）根據(jù)步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩頻特性。 TL/TMax0.5 JL/Jm4 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）,第三節(jié) 直流伺服電動機,直流伺服電動機具有良好的調(diào)速特性，較大的起動轉(zhuǎn)矩，相對功率大及快速響應(yīng)等優(yōu)點。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件還是獲得了廣泛的應(yīng)用。 直流伺服電動機按激磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場由激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場

42、由永磁體(永久磁鐵)產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動機是一種目前巳普遍使用的伺服電動機，特別是在大功率范圍內(nèi)(100w以上)。永磁式直流伺服電動機由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)構(gòu)簡單，無需激磁等一系列優(yōu)點而被越來越重視。 一、 特點 1、穩(wěn)定性好 2、可控性好 3、響應(yīng)迅速 4、控制功率低，損耗小 5、轉(zhuǎn)矩大,直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與一般的電機結(jié)構(gòu)相似，也是由定子、轉(zhuǎn)子和電刷等部分組成，在定子上有勵磁繞組和補償繞組，轉(zhuǎn)子繞組通過電刷供電。由于轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場始終正交，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。,直流伺服電機控制,二、 驅(qū)動與控制,一個驅(qū)動系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于電機本身的特性，而且還取決于驅(qū)動

43、電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅(qū)動電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用晶體管驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動，廣泛采用的直流伺服電機的晶體管驅(qū)動電路有線性直流伺服放大器和脈寬調(diào)制放大器(PwM)。 一般，寬頻帶低功率系統(tǒng)選用線性放大器(小于幾百瓦)，而脈寬調(diào)制放大器常用在較大的系統(tǒng)中，尤其是那些要求在低速和大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運行的場合。 一、晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動,,二、脈寬調(diào)制放大器(PwM),PWM放大器的優(yōu)點是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率(例如2000HZ)的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的

44、控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，如圖418所示。鋸齒波發(fā)生器的輸出電壓vA和直流控制信號vIN進(jìn)行比較。同時，在比較器的輸入端還加入一個調(diào)零電壓v0，當(dāng)控制電壓vIN為零時，調(diào)節(jié)vo使比較器的輸出電壓為正、負(fù)脈沖寬度相等的方波信號，如圖419(a)所示。當(dāng)控制信號vIN為正或負(fù)時，比較器輸入端處的鋸齒波相應(yīng)地上移或下移，比較器的輸出脈沖也隨著相應(yīng)改變，實現(xiàn)了脈寬調(diào)制，如圖419(b)、(c)所示。,第四節(jié) 交流伺服電動機,與普通直流伺服電動機相比較，普通交流伺服電動機的特點是：它不需要電刷和換向器，因而避免了由于存在電刷和換向器而引起的一系列弊病。此外，它的轉(zhuǎn)動慣量、體積和重量一

45、般來說也較小。缺點是：輸出功率和轉(zhuǎn)矩較?。晦D(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機好；其效率也較直流伺服電動機為低。 銀狐工控網(wǎng) 自動化、企業(yè)信息化中國工控網(wǎng)-運動控制專欄-中國工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域權(quán)威咨詢、資訊傳媒! 一、交流伺服電動機種類 1、同步型（SM）：采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動機，又稱無刷直流伺服電動機。 特點：無接觸換向部件 需要磁極位置檢測器（如編碼器） 具有直流伺服電動機的全部優(yōu)點。 2、感應(yīng)型（IM）：籠型感應(yīng)電動機 特點：對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制 具有直流伺服電動機的全部優(yōu)點。,用于自動焊機中保持電弧長度穩(wěn)定，其原理如圖434所示。交流伺服電機sL經(jīng)

46、減速器2帶動焊條8的移動裝置3。為保證焊接質(zhì)量，要求自動焊機在整個焊接過程中能夠自動調(diào)節(jié)電弧長度，使電弧穩(wěn)定地燃燒。當(dāng)電弧長度符合要求時，反饋的弧壓up和給定電壓u相等，通過比較器4得偏差信號o，伺服電機不轉(zhuǎn)動。如果外界干擾使弧長變長或變短，反饋弧壓up相當(dāng)于增大或減小，偏差信號經(jīng)放大器1送入電機sL的控制電壓的相序發(fā)生改變，使控制伺服電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，經(jīng)移動裝置3帶動焊條8上下移動，以保持電弧長度恒定。,應(yīng)用舉例,二、交流伺服電動機調(diào)速,變頻調(diào)速,間接變換方式 （交直交變頻） 變頻方式 直接變換方式（交交變頻） 交直交變頻是把交流電通過整流器變?yōu)橹绷麟?，再用逆變器將直流電變?yōu)?/p>

47、頻率可變的交流電供給異步電動機。目前常用的通用變頻器即屬于交直交變頻，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖412。由圖可知，變頻器主要由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。變頻器還有豐富的軟件，各種功能主要靠軟件來完成。 交流電源 交流電源 電壓頻率可變,,,變頻器的分類方式很多，除了按電源變換方式分類外，還可以按逆變器開關(guān)方式來分類，即PAM方式和PWM方式。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脈沖振幅調(diào)制）控制的簡稱； PWM控制是Pulse Wi

48、dth Modulation（脈沖寬度調(diào)制）控制的簡稱，是在逆變電路部分同時對輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進(jìn)行開閉，并通過改變輸出脈沖的寬度來達(dá)到控制電壓（電流）的目的。目前在變頻器中多采用正弦波PWM控制方式，即通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波，這種方式也被稱為SPWM控制。 變頻器還可以按控制方式分為V/F（電壓/頻率）控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制三種。其中，V/F控制屬于開環(huán)控制，而轉(zhuǎn)差控制和矢量控制屬于閉環(huán)控制，二者的主要區(qū)別在于V/F控制方式中沒有進(jìn)行速度反饋，而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式和

49、矢量控制方式利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制。,三、 交流伺服電動機的選擇,1、交流伺服電動機的初選擇 (1)首先考慮電動機能夠提供負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需的功率。 Pm=(1.52.5)TLPnLP/159 其次，當(dāng)電動機的工作周期可以與其發(fā)熱時間常數(shù)相比較時，必須考慮電機的熱額定問題，通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電機發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。 Pm=(1.52.5)TLrnLr/159,(2)發(fā)熱校核TNTLr,(3)轉(zhuǎn)矩過載校核,(TL)max(Tm)max過載轉(zhuǎn)矩 (Tm)max=Tn額定力矩 2.伺服系統(tǒng)慣量匹配原則 1）慣量較小的系統(tǒng) 1

50、大的系統(tǒng) 0.25Jl/Jm1,變頻器種類,通用變頻器：節(jié)能，節(jié)電20%，用于壓縮機、泵、攪拌機、擠壓機等； 提高控制性能實現(xiàn)自動化，用于運輸機械、起重機等。 紡織專用變頻器：改善傳動特性，實現(xiàn)自動化。紡織、化纖機械。 矢量控制變頻器：提高傳動精度及實現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。冶金、印刷、造紙。 要求高精度的轉(zhuǎn)矩控制，加速度大，能與上位機進(jìn)行通訊。 機床專用變頻器：用于機床主軸傳動控制，以滿足工藝上要求得大加減速轉(zhuǎn) 矩，寬廣的恒功率控制及高精度的定位控制，提高機床自動化。 電梯專用矢量變換控制變頻器：實現(xiàn)緩慢平穩(wěn)的升降速。 高頻變頻器：用于超精密加工、高速電動機。如專用脈沖調(diào)幅型

51、變頻器，頻率達(dá)3kHZ，對應(yīng)轉(zhuǎn)速 18 104r/min。,變頻器選擇,分析控制對象的負(fù)載特性選擇電動機的容量 根據(jù)用途選擇合適的變頻器類型 確定變頻器容量 （1）選擇變頻器具體型號是以電動機額定電流值為依據(jù)，以電動機的額定功率為參考值。變頻器最大輸出電流應(yīng)大于電動機的額定電流值。 （2）變頻器與電動機的距離過長時，為防止電纜對地耦合與變頻器輸出電流中諧波疊加而造成的電動機端子處電壓升高的影響，應(yīng)在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 （3）變頻器選擇時，要考慮電動機的運行頻率在什么功率范圍內(nèi)。在低速范圍內(nèi)，應(yīng)考慮電動機的溫升情況，是否需加裝風(fēng)扇給電動機散熱。 （4）變頻器選擇時，一定要注意

52、其防護等級應(yīng)與現(xiàn)場情況相匹配，防止現(xiàn)場的粉末或水分影響變頻器的長久運行。,變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實例,ABB變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 恒壓供水是指不論用戶端水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定。這樣，既可以滿足各部位用戶的用水的需要，又不使電動機空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費。因此，由變頻器得到給定壓力信號和實際反饋信號，利用變頻器內(nèi)部固有的功能進(jìn)行比較計算，通過頻率輸出的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)中水壓力恒定。 變頻器恒壓供水系統(tǒng)如圖4-13所示。,,,本系統(tǒng)僅舉出一個簡單例子，即一臺變頻器帶一臺水泵運行。主要構(gòu)成為ABB ACS600系列變頻器一臺，由于ABB公司ACS600系列變頻器均帶有PID

53、調(diào)節(jié)器，所以可以根據(jù)給定壓力（設(shè)定壓力）和壓力傳感器返回的實際壓力信號進(jìn)行比較，實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)（比例積分微分調(diào)節(jié)），變頻器根據(jù)用戶水量大小而引起的水壓變化，相應(yīng)地調(diào)節(jié)水泵電動機的轉(zhuǎn)速來控制水壓的恒定，另外變頻器可以輸出相應(yīng)的電流信號給顯示控制器，可直接顯示出變頻器的實際運行狀態(tài)，同時變頻器對電動機具有過流、過壓、欠壓、過載等全部故障保護功能。恒壓供水系統(tǒng)的控制原理圖如圖4-14所示。 變頻器的功能參數(shù)設(shè)定主要根據(jù)現(xiàn)場條件和廠家提供的用戶手冊進(jìn)行設(shè)定，主要有：啟動/停止參數(shù)、信號選擇參數(shù)、PID控制參數(shù)與加/減速時間等幾組參數(shù)，其余均可遵照變頻器出廠值。 在本系統(tǒng)主電路中，變頻器的前端加入空氣斷

54、路器與快速熔斷器進(jìn)行前端過電流保護與短路保護，以避免變頻器整流部分的損壞。后端直接與水泵電動機相連。,,,在本系統(tǒng)控制電路中，變頻器接受的壓力給定信號與壓力反饋信號均為電流信號（4-20mA），變頻器接受的啟/停信號為無源開關(guān)量信號，其運行指示信號輸出也為無源開關(guān)量信號。 需要指出的是，在系統(tǒng)中如果水泵為離心式水泵，那么變頻器在選擇時可按照平方轉(zhuǎn)矩選擇；如果水泵為潛水泵，那么變頻器在選擇時應(yīng)按照恒轉(zhuǎn)矩選擇。這是因為潛水泵電動機的額定電流比通常電動機的額定電流要大，所以選擇變頻器時，變頻器的連續(xù)輸出電流要大于潛水泵電動機的額定電流。,工業(yè)控制計算機及接口第一節(jié) 工業(yè)控制計算機,微機構(gòu)成,微機系統(tǒng)

55、,二、工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的基本要求,具有完善的過程輸入/輸出功能 具有實時控制功能 具有可靠性 具有較強的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力 具有豐富的軟件 三、工業(yè)控制計算機分類及特點 1.可編程控制器 2.總線型工業(yè)控制計算機 3.單片機,PLC構(gòu)成,PLC特點,程序可變，柔性好。 可靠性強，適于工業(yè)環(huán)境。 編程簡單，使用方便。 功能完善。 體積小，重量輕，易于裝入機器內(nèi)部。,總線型工控機,總線型工控機特點,提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計和制造周期。 提高系統(tǒng)可靠性。 便于調(diào)試和維修 。 能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要。,單板機,單片機,單片機系統(tǒng)構(gòu)成,單片機特點,受集成度的限制，片內(nèi)存儲器容量較小。 可靠性高。 易擴

56、展。 控制功能強。 一般單片機內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理程序。,控制系統(tǒng)比較,一、信息采集接口1、轉(zhuǎn)換形式,數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換接口DA轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路，它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、參考電壓、電子開頭等組成，典型的R2R網(wǎng)絡(luò)DA原理圖如圖521所示。從圖中可見，不管電子開關(guān)接在2點還是接地，流過每個支路的2R上的電流都是固定不變的，從參考電壓端看其輸入電阻為R，從參考電源流入的總電流為J，則每個支路流經(jīng)2R電阻)的電流依次為：J2，J4，J8J16，而I=VREFR。故輸出電壓為 vOUTVREF24 d323+d222+d121+d020 式中 d3d0為輸入代碼，d“o”，則開關(guān)接

57、地； d“1” ，則開關(guān)接到輸出上。如果采月n個電子開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)，那么 vOUTVREF2n dn-12n-1++d020式中 n指DA電路能夠被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，如有8位、10位、12位等，有時也稱為分辨率。,直流伺服電機控制接口,第三節(jié) 可編程控制器,二、PLc與通用微處理機的區(qū)別,掃描工作機制是PLc與通用微處理機的基本區(qū)別。 在理論上，微機可以編程，形成PLc的多數(shù)功能，然而通用微機不是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計的； 微機與外部世界連接時需要專門的接口電路板，而PIC帶有各種IO模塊可供直 接利用，且輸入輸出線可多至數(shù)百條； PLc具有多種診斷能力，模塊式結(jié)構(gòu)，易于維修； PLC可采用梯

58、形圖編程，編程語言直觀簡單，容易學(xué)握； 雖然許多PLc能夠接收模擬信號和進(jìn)行簡單的算術(shù)運算，但是，當(dāng)數(shù)學(xué)運算復(fù)雜時，PLc是無法與通用微機相競爭。,三、PLC生產(chǎn)廠家及代表產(chǎn)品,日本立石（OMRON，歐姆龍）公司 C系列 日本三菱公司 F、FX、A系列 德國西門子（SIEMENS）公司 S5、S7、TI系列 法國TE公司 TSX7系列 美國通用電氣（GENERAL ELECTRIC）公司，簡稱GE公司 GE、SR系列 美國艾倫布拉德利（ALLENBRADLEY)公司，簡稱AB公司 SLC、 PLC系列,三菱系列可編程控制器特點： 指令速度快，系統(tǒng)配

59、置靈活，功能強大。具有豐富的擴展模塊及特殊功能模塊， 可實現(xiàn)PLC于上位機之間完善的網(wǎng)絡(luò)通訊，具有網(wǎng)絡(luò)控制功能。,第一講 機械手及其控制,一、機械手 機械手是一種能模仿人手的某些工作技能，按要求抓取和搬運工件，或完成某些勞動作業(yè)機械化、自動化的裝置。自動線上的機械手能完成簡單的抓取、搬運，實現(xiàn)上、下料動作，尤其適合幾何形狀不規(guī)則、不對稱的雜件，通過選取合適的手爪，可選用較少的抓取和輸送基準(zhǔn)面而保持上、下料及輸送的穩(wěn)定性和可靠性。 二、機械手的分類 目前，我國對機械手尚無較為統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般可分為專業(yè)機械手和通用機械手兩大類。 1專用機械手 這種機械手僅由手爪、腕部和手臂構(gòu)成，是輔助設(shè)備，其

60、動作必須與機械的工作循環(huán)相配合，多數(shù)動作由控制系統(tǒng)來完成，大多數(shù)生產(chǎn)線的機械手都屬專業(yè)機械手。 2通用機械手 這是一種獨立的自動化裝置。工業(yè)機器人就是一種通用機械手，又稱工業(yè)機械手，其功能完善，自由度較多能模仿人的某些工作機能與控制機能，能實現(xiàn)多種工件的抓取、定向和搬運工作，并能使用不同工具完成多種勞動作業(yè)。,1機械手手爪類型 機械手的手爪，又稱機械手或機器人的末端執(zhí)行器，是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置。手爪結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)其不同作業(yè)任務(wù)來設(shè)計的，從而形成多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。用于搬運裝卸作業(yè)的機械手的手爪主要是機械夾持式（又稱為機械夾持器或夾鉗）、氣吸式或磁吸式。它們安裝在機械手的手腕（如果配置有

61、手腕的話）或手臂的機械接口上，較簡單的可用法蘭盤作為機械接口處的接換器，為實現(xiàn)快速和自動更換，也可采用電磁吸盤或氣動鎖緊的換接器。 機械夾持式多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手爪又可分為單支點回轉(zhuǎn)型和雙支點回轉(zhuǎn)型。按夾持方式又可分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式又可分為電動（或電磁）式、液壓式和氣動式等。 1）電動式 用各種電動機作為動力源直接驅(qū)動手爪，常用步進(jìn)電動機、直流或交流伺服電動機以及直線電動機等。電動式的工作載荷一般小于10kg，使用和維修十分方便。 2）液壓式 利用液壓泵供給壓力油驅(qū)動手爪以運動，其優(yōu)點是驅(qū)動力大，執(zhí)行機構(gòu)體積小，運動平穩(wěn)，調(diào)整簡單方便，是

62、應(yīng)用最多的驅(qū)動方式；其缺點是液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，成本高。 3）氣動式 利用壓縮空氣來驅(qū)動手爪，其優(yōu)點是氣體的黏滯性低，運動時摩擦阻力小，可獲得快速運動；無燃燒、著火問題，可用于條件惡劣的工作環(huán)境；維修簡單，成本較低。但快速時平穩(wěn)性差，沖擊力大，因此要在氣路系統(tǒng)中設(shè)置緩沖裝置，特別是液壓緩沖裝置；此外，由于空氣壓縮性大，控制性能較差。,,三、機械手控制形式,1、繼電接觸器控制 2、可編程控制器（PLC）控制 機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)所組成的，各部分關(guān)系如圖所示： 機械手組成框圖 執(zhí)行機構(gòu)由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構(gòu)等運動部件組成。驅(qū)動機構(gòu)有氣動、液動、電動、和機

63、械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。此課題所用機械手就是用氣動機構(gòu)來驅(qū)動。液動式的出力大。臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使機械手的通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)采用插銷板進(jìn)行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。,四、搬運工件機械手PLC控制 機械

64、手的動作要求如下： 對機械手的控制主要是位置識別、運動方向控制和物料是否存在的判別。它的任務(wù)是將傳送帶A上的工件搬運到傳送帶B上。機械手的左工位、右工位、伸出、縮回、上升、下降都用雙線圈三位電磁閥氣動缸完成，機械手的放開用單螺線管的電磁閥。設(shè)備上裝有上、下、左、右、伸、縮、松開7個傳感器，控制對應(yīng)工步的結(jié)束。傳輸帶上設(shè)有一個光電開關(guān)，監(jiān)視工件是否到位。,,,,工件搬運裝置示意圖,,五、氣動系統(tǒng)工作原理： 本課題要求四個氣缸能夠自動回位，并且能夠自鎖，使用電控開關(guān)，電磁閥控制。 氣動原理圖如下所示：

65、 氣 動 原 理 圖,六、控制系統(tǒng)的設(shè)計,1. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則有： （1）最大限度的滿足生產(chǎn)過程的控制要求； （2）在滿足控制要求的前提下，盡量使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟； （3）保證控制系統(tǒng)安全可靠； （4）在選擇PLC容量時，應(yīng)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝改進(jìn)，必須留有余地。 2. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟： （1）熟悉控制對象的工藝條件確定輸入輸出設(shè)備及Io點數(shù) （2）選擇合適的PLC類型 （3）畫輸入輸出接線圖 （4）PLC的編程,,3確定所需的用戶輸入輸出設(shè)備及Io點數(shù) (1)設(shè)備的輸入信號 操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)：手動、單步、單周期、連續(xù)； 手動時運動選擇開關(guān)：上下、左右、夾松； 位置檢測元件：機械手的上、下、左、有的限位行程開關(guān) 無工件檢測元件：右工作臺無工件用光電開關(guān)檢測。 (2)設(shè)備的輸出信號 氣缸運動電磁閥：上升、下降、右移、左移、夾緊； 指示燈：機械手處干原點指示。 據(jù)上面分析可知、PC共需l 5點輸入、6點輸出。,3選擇PLC 該機械手的控制為純開關(guān)量控制所需的Io點數(shù)不多，因此選擇一般的小型低檔機即可。假定F系列可編程控制器資料齊全、供貨方便、設(shè)計者對其比較熟悉根據(jù)上面IO點數(shù)可選F40M，其主機IO點數(shù)為2416點。 4分配PLCI0點的編號,