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1、第8章 機電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計 學(xué)校：洛陽理工學(xué)院 學(xué)號：B08020428 姓名：鄭水清 目錄1.機電一體化概述2. 檢測與傳感器3. 步進(jìn)及伺服電機4. 機械傳動5. 接口技術(shù)6. 伺服系統(tǒng) 機電一體化概述機電一體化系統(tǒng)的組成構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的要素印制線路板焊接質(zhì)量圖像檢測裝置集成電路芯線焊接機基于定位模塊的PLC位置控制硅鋼片橫剪線控制系統(tǒng)主從驅(qū)動方式的速度轉(zhuǎn)矩與機 機電一體化系統(tǒng)的組成控制部分驅(qū)動部分動力部分傳感部分執(zhí)行部分控制指令 被控的機械運動外界信息 構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的要素 機電一體化系統(tǒng)典型例子機器人 印制線路板焊接質(zhì)量圖像檢測裝置 印制線路板焊接質(zhì)量圖像檢測裝置 印制線路

2、板焊接質(zhì)量圖像檢測裝置 集成電路芯線焊接機 IC芯線焊接工作臺控制框圖 IC芯線焊接工作臺技術(shù)指標(biāo) 項目技術(shù)條件項目技術(shù)條件運動部分質(zhì)量15kg AC伺服電動機（低慣量電動機）額定功率 100W運動部分速度125mm/s 額定轉(zhuǎn)速 1500r/min滾珠絲杠螺距5mm 額定轉(zhuǎn)矩 0.32Nm滾珠絲杠直徑14mm 光電編碼器2500P/r（增量式）滾珠絲杠長度150mm減速機構(gòu)聯(lián)軸器（慣量 0.1kgcm2）AC伺服控制器輸入指令方式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)脈沖列最大60kP/s定位精度小于1個脈沖摩擦系數(shù)0.05定位性能0.05s/2.5mm，停止時間0.15s停止精度小于0.005mm 基于定位模塊的P

3、LC位置控制 基于定位模塊的PLC位置控制 基于定位模塊的PLC位置控制 硅鋼片橫剪線控制系統(tǒng) 提高精度可以減少片縫氣隙，降低剪切毛刺；提高送料速度直接影響到效率。對硅鋼片橫剪線的要求，不但要滿足在高速下（240m/ min）的片料定位要求，以保證0.1mm的尺寸精度，而且還要滿足去毛刺（0.02mm）的要求。 主從驅(qū)動方式的速度轉(zhuǎn)矩與機械耦合同步控制系統(tǒng) 主從驅(qū)動方式的速度轉(zhuǎn)矩與機械耦合同步控制系統(tǒng) 龍門機床的橫梁通常由兩根絲杠驅(qū)動。當(dāng)?shù)都芑蛑鬏S箱不在橫梁中心點時，則絲杠受力是不對稱的，因而會發(fā)生橫梁的傾斜。這時要根據(jù)刀架或主軸箱所在的位置對兩邊驅(qū)動電動機系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)補償，使之平衡。 在速度

4、/轉(zhuǎn)矩耦合控制方式中，主動伺服電動機實現(xiàn)位置控制，從動伺服電動機則以主動伺服位置控制器大的輸出為速度控制指令，實現(xiàn)速度控制。在兩個伺服電動機輸出中，獲得了同一個位置控制器控制定位和同樣的速度控制作用，而保持同步。如果因某種因素，兩電動機輸出不同步，機械耦合機構(gòu)會產(chǎn)生動態(tài)變形應(yīng)力和應(yīng)力扭矩，應(yīng)力扭矩測量信號經(jīng)過濾波后送到PI調(diào)節(jié)器，其輸出根據(jù)應(yīng)力扭矩的正或負(fù)，分別加到主、從伺服電動機的速度指令上，改變電動機的運動速度，從而保持同步運行。 行車同步控制由于行車的跨度大，若是用一臺電動機驅(qū)動單側(cè)輪子，另一側(cè)的輪子作為從動運動，則可能出現(xiàn)很大的不平衡力，產(chǎn)生歪斜，使行車行走不穩(wěn)定。 數(shù)控車床及內(nèi)部機構(gòu)

5、 檢測與傳感器 概述 線位移傳感器 角位移傳感器 速度傳感器 加速度傳感器 測力傳感器 壓力傳感器 機電一體化與人傳感器相當(dāng)于人的感覺器官，控制器相當(dāng)于 人的大腦，執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動器相當(dāng)于肌肉和關(guān)節(jié)， 接口及通信系統(tǒng)相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。要使機電一體化有效地發(fā)揮作用，必須首先借助傳感器獲取外 部環(huán)境和系統(tǒng)內(nèi)部各種各樣的信息?？刂破鲌?zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器傳感器接口/通信接口/通信 傳感器傳感器是一種以測量為目的、以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于處理的另一種物理量的測量器件。傳感器的輸出信號多為易處理的電量，如電壓、電流、頻率等。傳感器由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路組成。非電量測量轉(zhuǎn)換電路

6、敏感元件傳感元件電參量非電量（被測量）非電量電量 在彈性敏感元件上粘 貼有一種稱電阻應(yīng)變片的 傳感元件，該傳感元件能將變形量轉(zhuǎn)換為電阻值（電參量）的變化。應(yīng)變片電阻值的變化由電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電橋電路即為測量轉(zhuǎn)換電路 因為在轉(zhuǎn)換過程中， 壓力、變形量、電阻值及電壓均成線性關(guān)系，因此，最終壓力與電壓成線 性對應(yīng)關(guān)系。壓力轉(zhuǎn)換成電壓后，經(jīng)過放大等一系 列處理，由手持式顯示器顯示出壓力變化值。 傳感器分類（1）按被測量分類 位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。（2）按測量原理分類 電阻、電容、電感、光柵、熱電偶、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。 很多情況下

7、，傳感器的命名是將被測量和被測原理相結(jié)合的，如電容式加速度傳感器，表示該傳感器的測量對象是加速度，測量原理是電容的變化值。 測微是指測量幾個微米（m）至幾個毫米（mm）位移量的變化。 銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺旋管線圈電感量的變化。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。 對于長螺旋管，銜鐵工作在螺旋管中部一定區(qū)域時，線圈電感量與銜鐵移動的微小距離成線性關(guān)系。 差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。 電感式滾柱直徑分選裝置 2電位器式位移傳感器 電位器式位移傳感器是基于

8、電阻分壓比原理來進(jìn)行位移測量的，用于直線位移的測量，最大行程可達(dá) 500mm。 3. 電渦流位移傳感器 4. 電渦流位移傳感器應(yīng)用（1） 4. 電渦流位移傳感器應(yīng)用（2） 原理 在透射式直線光柵中，把主光 柵與指示光柵的刻線面相對疊合在 一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角在兩 光柵的刻線重合處，光從縫隙透 過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗 帶，該亮暗帶稱摩爾條紋。光柵水 平方向正反移動時，摩爾條紋上下 移動。因為摩爾條紋對柵距的放大作用，摩爾條紋距離為L（LW），光敏元件將摩爾條紋轉(zhuǎn)換為 脈沖信號。每移動一個柵距，即產(chǎn) 生一個脈沖信號。 5. 直

9、線光柵 輸出信號 1. 圓盤形電位器式角位移傳感器 2. 編碼器 通過測量滾珠絲杠的角位移，間接獲得工作臺的直線位移x，構(gòu)成位置半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 3. 絕對式測量（ABS） 輸出n位二進(jìn)制編碼，每一個編碼對應(yīng)唯一的角度。二進(jìn)制編碼 碼盤 絕對式光電碼盤 增量式光電碼盤 4. 增量式測量（INC） 輸出信號為一串脈沖，每一 個脈沖對應(yīng)一個分辨角，對脈沖進(jìn)行計數(shù)N，就是對的累 加，即，角位移N。 如：0.352，脈沖N1000，則： 0.3521000 352輸出信號及分辨角 6. 編碼器在數(shù)控車床主軸控制中的應(yīng)用主軸編碼器 主軸編碼器用于C 軸控制 1. 測速發(fā)電機 2. 增量式光電編碼器數(shù)字測速

10、 M法測速、T法測速和M/T法 測速。詳見光電編碼器的內(nèi)容。方向TTL 方向TTL為高電平時，表示CP脈沖為正轉(zhuǎn)計數(shù)脈沖；方向TTL為低電平時，表示CP脈沖為反轉(zhuǎn)計數(shù)脈沖。 3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 4.電渦流轉(zhuǎn)速傳感器用于齒輪轉(zhuǎn)速測量的工程實例 5. 電渦流式（電感式 ）接近開關(guān)在位置限位中的應(yīng)用 電渦流接近開關(guān)（電感接近開關(guān)）的工作原理 5. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理 磁鐵和開關(guān)型霍爾IC保持一定的間隙且固定不動，軟鐵分流翼片隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)翼片轉(zhuǎn)到磁鐵與霍爾IC之間時，磁場被屏蔽，霍爾IC輸出高電平，反之為低電平。隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，霍爾IC輸出一串脈沖，且轉(zhuǎn)速越快，脈沖頻率f（Hz）越大。若翼

11、片數(shù)為Z，則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（r/min）為：n=60f / Z 6. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和保持車輪的轉(zhuǎn)動，有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。 7. 霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 1壓電式振動加速度傳感器 壓電式振動加速度傳感器是一種接觸式測量的傳感器。當(dāng)傳感器與被測振動加速度的機件緊固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的壓力，大小由Fma決定。慣性引起的壓力作用在壓電

12、晶片上產(chǎn)生電荷，電荷由引出電極輸出，由此將振動加速度轉(zhuǎn)換成電參量。 2壓電晶片 某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面會產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受外力的大小成正比；當(dāng)外力去掉后又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)有石英晶體、壓電陶瓷等。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷經(jīng)電荷放大器放大后轉(zhuǎn)換成電壓值。 3振動的時域和頻譜分析 頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在頻率范圍之內(nèi)，對應(yīng)于每一個頻率分量的幅值。頻域波形時域波形頻域波形 4頻譜分析法進(jìn)行故障診斷 5電容式加速度傳感器 6電容式加速

13、度傳感器 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓，也可輸出占空比正比于加速度的PWM 脈沖。 1. 應(yīng)變片 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻絲或半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻相對變化量R/R與材料力學(xué)中的軸相應(yīng)變x 的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的。 2. 電橋平衡電路 電橋平衡條件 ： R1/R2=R4/R3 調(diào)節(jié) RP ，最終可以使R1 /R

14、2 =R4 /R3 （R1 、R2 是R1 、R2 并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo 被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5 是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。 3. 彈性敏感元件 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類： 4. 應(yīng)變式荷重傳感器F 5. 荷重傳感器稱重 1. 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴散工藝制作的四個半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上（俗稱“硅杯”），工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應(yīng)快。 2. 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 3. 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器當(dāng)硅杯兩側(cè)有壓力差時，硅杯產(chǎn)生變形，4個應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，經(jīng)電橋電路輸出與壓差成正比的電壓。當(dāng)硅杯兩側(cè)有

15、壓力差時，硅杯產(chǎn)生變形，4個應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，經(jīng)電橋電路輸出與壓差成正比的電壓。 步進(jìn)及伺服電機步進(jìn)電機的控制步進(jìn)電機運行特性交流伺服電動機 SPWM基本原理交流伺服電動機實例 徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機 三相三段反應(yīng)式步進(jìn)電機 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu) 軟件環(huán)形分配 步進(jìn)電機實例 直流無刷電動機BLDCM 正弦波永磁同步電動機（PMSM） 機 械 傳 動n機電一體化設(shè)備進(jìn)給傳動方案n雙矩形導(dǎo)軌導(dǎo)向方式n直線滾動導(dǎo)軌n圓形導(dǎo)軌n 滾珠絲杠螺母副n 滾珠絲杠與進(jìn)給電機的連接n直線電機 機電一體化設(shè)備進(jìn)給傳動方案 雙矩形導(dǎo)軌導(dǎo)向方式 直線滾動導(dǎo)軌 直線滾動導(dǎo)軌形式 弧形滾動導(dǎo)軌 X-Y十字工作臺 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副類型 密珠軸承 空氣靜壓軸承 同步齒形帶 諧波齒輪變速器 諧波齒輪變速器在機器人中的應(yīng)用 滾珠絲杠與進(jìn)給電機的連接 直線電機 直線電機在進(jìn)給運動中的應(yīng)用 伺 服 系 統(tǒng)n 伺服系統(tǒng)組n 開環(huán)伺服系統(tǒng)n 閉環(huán)伺服系統(tǒng)n 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)n 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)n 現(xiàn)場總線n 機電匹配 伺服系統(tǒng)組成 開環(huán)伺服系統(tǒng)組成 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成 閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成 全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線 伺服電機運行模式 伺服電機運行模式 機電匹配實例