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1、第 8章 機電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設計 學校：洛陽理工學院 學號： B08020428 姓名：鄭水清 目錄 1. 機電一體化概述 2. 檢測與傳感器 3. 步進及伺服電機 4. 機械傳動 5. 接口技術 6. 伺服系統(tǒng) 機電一體化概述 機電一體化系統(tǒng)的組成 構成機電一體化系統(tǒng)的要素 印制線路板焊接質量圖像檢測裝置 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) 主從驅動方式的速度轉矩與機 機電一體化系統(tǒng)的組成 控制部分 驅動部分 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 印制線路板焊接質量圖像

2、檢測裝置 印制線路板焊接質量圖 像檢測裝置 印制線路板焊接質量圖像檢測裝置 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指標 項目 技術條件 項目 技術條件 運動部分質量 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 額定轉速 1500r/min 滾珠絲杠螺距 5mm 額定轉矩 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 聯(lián)軸器（慣量 0.1kgcm2） AC伺服控 制器 輸入指令方式： 正轉 /反轉脈沖列 最大 60kP/s 定位精度小于 1個

3、脈沖 摩擦系數 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 PLC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。 主從驅動方式的速度轉矩與機械 耦合同步控制系統(tǒng) 主從驅動方式的速度轉矩與機械 耦合同步控制系統(tǒng) 龍門機床的橫梁通常由兩根絲杠

4、驅動。當刀架或主軸箱不在橫梁 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 根據刀架或主軸箱所在的位置對兩邊驅動電動機系統(tǒng)進行適當補償， 使之平衡。 在速度 /轉矩耦合控制方式中，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，機械耦合機構會產生動態(tài)變形應力和應力扭矩，應 力扭矩測量信號經過濾波后送到 PI調節(jié)器，其輸出根據應力扭矩的正 或負，分別加到主、從伺服電動機的速度指令上，改變電動機的運

5、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 驅動單側輪子，另 一側的輪子作為從 動運動，則可能出 現(xiàn)很大的不平衡力， 產生歪斜，使行車 行走不穩(wěn)定 。 數控車床及內部機構 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 傳感器相當于人的感覺器官，控 制器相當于 人的大腦，執(zhí)行機構 和驅動器相當于肌肉和關節(jié)， 接口及通信系統(tǒng)相當于人的神 經系統(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 部各種各樣的信息。 控制器 執(zhí)行 機構 驅動器 傳感器 接口 /通信 接口

6、 /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 量轉換為與之有確定關系的、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、傳感元件及測量轉換電路組成。 非電量 測量轉換電路 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 貼有一種稱電阻應變片 的 傳感元件，該傳感元 件能將變形量轉換為電 阻值（電參量）的變化。 應變片電阻值的變化由 電橋電路轉換成電壓輸 出，電橋電路即為測量 轉換電路 因為在轉換過程中， 壓力、變形量、電阻值 及電壓均成線性關系， 因此，最終壓力與電壓 成線 性

7、對應關系。壓力 轉換成電壓后，經過放 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、光導纖維等傳感器。 很多情況下，傳感器的命名是將被測量和被 測原理相結合的，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。當銜鐵偏離中間位置 時，兩個線圈的

8、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 是基于電阻分 壓比原理來進 行位移測量的， 用于直線位移 的測量，最大 行程可達 500mm。 3. 電渦流位移傳感器 4. 電渦流位移傳感器應用（ 1） 4. 電渦流位移傳感器應用（ 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

9、 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（ L W），光敏元件 將摩爾條紋轉換為 脈沖信號。每 移動一個柵距，即產 生一個脈沖 信號。 5. 直線光柵 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位二進制編碼，

10、每 一個編碼對應唯一的角度。 二進制編碼 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 個脈沖對應一個分辨角 ， 對脈沖進行計數 N，就是對 的 累 加，即，角位移 N。 如： 0.352 ，脈沖 N 1000，則： 0.352 1000 352 輸出信號及分辨角 6. 編碼器在數控車床主軸控制中的應用 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字測速 M法測速、 T法測速和 M/T法 測速。詳見光電編碼器的內容。 方向 TTL 方向 TTL為高電平時，表示 CP脈沖為正 轉計數脈沖；方向 TTL為低電平

11、時，表示 CP脈沖為反轉計數脈沖。 3.電渦流式轉速傳感器 4.電渦流轉速傳感器用于齒輪轉速測 量的工程實例 5. 電渦流式（電感式 ）接近開關在位置限位中 的應用 電渦流接近開關（電感接近開關）的 工作原理 5. 霍爾式轉速傳感器原理 磁鐵和開關型霍爾 IC保持一定的間隙且固定不 動，軟鐵分流翼片隨轉軸一起轉動。當翼片轉到磁 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。隨著轉軸的轉動，霍爾 IC輸出 一串脈沖，且轉速越快，脈沖頻率 f（ Hz）越大。 若翼片數為 Z，則轉軸的轉速 n（ r/min）為： n=60f / Z 6. 霍爾式轉速傳感器應用 若汽車在剎車

12、時車輪被抱死，將產生危險。 用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的轉動， 有助于控制剎車力的大小和防止側偏。 7. 霍爾效應 半導體薄片置于磁感應強度為 B 的磁場中，磁場 方向垂直于薄片，當有電流 I 流過薄片時，在垂直于 電流和磁場的方向上將產生電動勢 EH 這種現(xiàn)象稱為 霍爾效應。 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 電晶片受到質量塊慣性引 起的壓力，大小由 F ma 決定。慣性引起的壓力作 用在壓電晶片上產生電荷， 電荷由引出電極輸出，由 此將振動加速度轉換成電

13、 參量。 2壓電晶片 某些電介質在沿一定 方向上受到外力作用而變 形時，內部會產生極化現(xiàn) 象，同時在其表面會產生 電荷，產生的電荷量與所 受外力的大小成正比；當 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。具有壓電效 應的電介質有石英晶體、 壓電陶瓷等。壓電效應產 生的電荷經電荷放大器放 大后轉換成電壓值。 3振動的時域和頻譜分析 頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標 為頻率 f，縱坐標可以是加速度， 也可以是振幅或功率等。它反映 了在頻率范圍之內，對應于每一 個頻率分量的幅值。 頻域波形 時域波形 頻域波形 4頻譜分析法進行故障診斷 5電容式加速度傳感器 6電容式加速度傳感器 使用加速

14、度傳感器可以 在汽車發(fā)生碰撞時，經控制 系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 圖示加速度傳感器以微細 加工技術為基礎，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 2.7 5.25V，加速度測量 范圍為數個 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. 應變片 導體或半導體材料在外界力的作用下會產生 機械變形，其電阻值也將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn) 象稱為應變效應。電阻絲或半導體應變片的電阻 相對變化量 R/R與材料力學中的軸相應變 x 的關 系在很大范圍內是線性的。 2. 電橋平衡電路 電橋平衡條件 ： R1/R2=R4/R3 調節(jié) RP

15、，最終可以 使 R1 /R2 =R4 /R3 （ R1 、 R2 是 R1 、 R2 并聯(lián) RP后的等效電阻），電 橋趨于平衡， Uo 被預調 到零位，這一過程稱為調 零。圖中的 R5 是用于減 小調節(jié)范圍的限流電阻。 3. 彈性敏感元件 電阻應變片的應用可分為兩大類： 4. 應變式荷重傳感器 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 個半導體應變電阻處于同一 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 當硅杯兩側有壓力差時， 硅杯產生變形， 4個

16、應 變片阻值發(fā)生變化， 經電橋電路輸出與壓 差成正比的電壓。 當硅杯兩側有壓力差時，硅 杯產生變形， 4個應變片阻值發(fā) 生變化，經電橋電路輸出與壓差 成正比的電壓。 步進及伺服電機 步進電機的控制 步進電機運行特性 交流伺服電動機 SPWM基本原理 交流伺服電動機實例 徑向反應式步進電機 三相三段反應式步進電機 步進電機結構 軟件環(huán)形分配 步進電機實例 直流無刷電動機 BLDCM 正弦波永磁同步電動機 （ PMSM） 機 械 傳 動 機電一體化設備進給傳動方案 雙矩形導軌導向方式 直線滾動導軌 圓形導軌 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠與進給電機的連接 直線電機 機電一體化設備進給傳動方案 雙矩形導軌導向方式 直線滾動導軌 直線滾動導軌形式 弧形滾動導軌 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用 滾珠絲杠與進給電機的連接 直線電機 直線電機在進給運動中的應用 伺 服 系 統(tǒng) 伺服系統(tǒng)組 開環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 全數字式伺服系統(tǒng) 現(xiàn)場總線 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 全數字式伺服系統(tǒng)組成 全數字式伺服系統(tǒng) 全數字式伺服系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線 全數字式伺服系統(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