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驅動。當?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(jù)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(shù)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?？刂破鲌?zhí)行機構驅動器傳感器接口/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 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，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(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 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(shù)脈沖；方向TTL為低電平時，表示CP脈沖為反轉計數(shù)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(shù)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Fma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2.75.25V，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 ，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n機電一體化設備進給傳動方案n雙矩形導軌導向方式n直線滾動導軌n圓形導軌n 滾珠絲杠螺母副n 滾珠絲杠與進給電機的連接n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)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