机电一体化技术课件.doc

1.1.1 机电一体化的概念 机电一体化，也称机械电子学，是随着生产和技术的发展，在以机械技术、电子技术、计算机技术为主的多门学科相互渗透相互结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。1.2 功能构成和要素构成产品的目的功能是通过其内部功能来实现的。机电一体化系统要实现其目的功能，一般需要具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和结构功能。其中，主功能是实现系统目的功能直接必需的功能，它表明了系统的主要特征；动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能；计测功能和控制功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转；结构功能则将系统各要素组合起来，进行空间配置，形成一个统一的整体，如图13所示 。可见，一个典型的机电一体化系统与其五种内部功能相对应,主要由以下要素构成：动力源、机械本体、执行机构、检测与传感装置、控制与信息处理装置。各部分之间通过接口相联系。1.机械本体：系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械连接等，它实现系统的构造功能。2.动力源：向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能3.检测与传感装置： 检测与传感装置是检测部分的核心，包括各种传感器及其信号检测电路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供进行控制所需的各种信息，实现计测功能。4.执行机构：包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。5.控制与信息处理装置：根据产品的功能和性能要求以及传感器的反馈信息，进行处理、运行和决策，对产品运行施以相应的控制实现控制功能。相关技术一. 机械技术 机械技术是机电一体化技术的基础。机电一体化产品的主功能和结构功能，往往是以机械技术为主实现的。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新材料、新工艺、新原理、新机构等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。 例如：对结构进行优化设计，采用新型复合材料以使机械本体既减轻重量、缩小体积、减小惯性，又不降低机械的静、动刚度；研究高精度导轨、精密滚珠丝杠、高性能主轴轴承和高精度齿轮等，以提高关键部件的精度和可靠性；开发新型复合材料以提高刀具、模具的质量；通过零部件的模块化和标准化设计，提高其互换性和维护性等。二. 计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率。因此，计算机应用和信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的员活跃的因素。信息处理可以通过微机、单片机、单板机、可编程控制器和光电子器件或其他IO等电子装置来实现。信息处理部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。 提高信息处理的速度，如采用超级微机或超大规模集成技术；提高系统的可靠性，如采用自诊断、自恢复和容错技术；加强智能化，如采用人工智能技术、专家系统和神经网络技术等，都是信息处理技术今后发展的方向。三.传感与检测技术 检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制与信息处理装置。因此，传感与检测是实现自动控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。但是，由于目前检测与传感技术还不能与机电一体化的发展相适应，使得不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无法实现设计，因此，大力开展检测与传感技术的研究对发展机电一体化具有十分重要的意义。 例如：数控机床在加工过程中，利用力传感器或声发射传感器等，将刀具磨损情况检测出来，与给定值进行比较，当刀具磨损到引起负荷转矩增大并超过规定的最大允许值时，机械手自动地进行更换，这是安全运行与提高加工质量的有力保障。机电一体化产品中使用的传感器种类很多，用量较大的有位置、速度、力、扭矩、温度、流量、声音、光度等传感器。国际上正在发展集成传感器，如集成温度传感器、集成光电传感器、集成压力传感器等。另外，在传感单元中集成信息处理元件的所谓智能传感器也开始应用和发展。该项技术有很多课题需要解决，在应用上有着广阔的前景。四.自动控制技术 自动控制技术的范围报广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容十分丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。其主要技术关键在于现代控制理论在机电一体化技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立及边界条件的确定等。由于微型计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。五. 伺服传动技术 伺服驱动技术的主要研究对象是伺服驱动单元及其驱动装置。伺服驱动单元有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多数各种电机，其驱动装置即驱动电源电路，目前多数采用电力电子器件及集成化功能电路。伺服驱动单元一方面通过电气接口向上与计算机相联，以接受计算机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。实际上，机电一体化系统与非机电一体化机械系统的区别，核心是其是否具有计算机控制的伺服驱动系统。 伺服传动技术的电气传动与伺服，20世纪80年代后有了新的发展。主要表现在：AC(交流)伺服技术日趋完善，并进入实用阶段；DC(直流)技术在机器人诸领域中得到成功的应用；步进电动机技术有了新的进展；超声波电动机和直线电动机等一系列新型伺服电动机因其特有的高性能而为人们所关注和研究。此外，气动伺服技术、电液比例技术以及新型液压驱动技术等都在当今机械工业自动化技术中发挥着特殊作用。六. 系统总体技术 机电一体化技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。为了解决多种技术的融合问题，有许多新课题需要进行探讨和研究。 系统总体技术就是按照系统工程的观点和方法，以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选。 系统总体技术包含的内容很多，如接口插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动技术等。接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。 系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，其原理和方法还在不断发展和完善。 机电一体化系统(产品)设计的考虑方法通常有： (1) 机电互补法， 也可称为取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品(系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。如在一般的工作机中，用可编程逻辑控制器(PLC)或微型计算机来取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器、脱落蜗杆等机构，以弥补机械技术的不足，不但能大大简化机械结构，而且还可提高系统(或产品)的性能和质量。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。(2) 结合(融合)法 ，将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。某些高性能的机电一体化系统(产品)，如激光打印机的主扫描机构激光扫描镜，其扫描镜转轴就是电动机的转子轴。这是执行元件与运动机构结合的一个例子。在大规模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品(系统)。(3)组合法 ，将用结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统(产品)，故称组合法。例如将工业机器人各自由度(伺服轴)的执行元件、运动机构、检测传感元件和控制器等组成机电一体化的功能部件(或子系统)，可用于不同的关节，组成工业机器人的回转、伸缩、俯仰等各种功能模块系列，从而组合成结构和用途不同的工业机器人。在新产品(系统)系列及设备的机电一体化改造中，应用这种方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。1.4.3 机电一体化系统(产品)的设计类型 机电一体化系统(产品)的设计类型大致有三种： (1) 开发性设计： 没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。最初的录像机、摄像机、电视机、数控机床的设计就属于开发性设计。开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。(2)适应性设计： 在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。例如，电子式照相机采用微型电动机驱动快门、变焦及卷片倒片机构，内部装有激光测距传感器，用微处理机进行信息处理及控制，从测光、测距、调光、调焦、曝光、卷片倒片、闪光及其他附件的控制都实现了自动化；汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机械控制汽油喷射装置就属于适应性设计。(3)变异性设计：在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。例如由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计，就属于变异性设计。第二章机电一体化系统的机械结构主要包括传动机构、导向及支承机构和执行机构。机电一体化系统中的机械零部件，就其作用及设计原理来说，与传统机械基本相同。但是，在机电一体化系统中，很多机械零部件已不仅仅是起支承、传递运动和动力的作用，而成为伺服系统的组成部分，直接影响系统的控制精度、响应速度和稳定性。因此，机电一体化系统中的机械结构与一般的机械结构相比，除要求具有合理的结构、强度、刚度和精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。为此，对机电一体化系统中的机械结构常提出低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：(1) 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导轨、动(静)压导轨等。 (2) 缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减少结构的弹性变形，提高刚度和谐振频率，提高抗振性。如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、宽调速比的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副联接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。(3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。(4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动向隙、减少支承变形的措施。(5) 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。 实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状况的不同而有很大的不同，如图2-1所示。图2-1 导轨面间的摩擦系数摩擦力可分为静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力。后两者可统称为动摩擦。如果运动速度很低，则当主动件1作匀速运动时，被动件3往往会出现明显的速度不均匀。有时是时停时走；有时是时快时慢。这种在低速时运动不平稳的现象称为爬行。产生爬行的原因可归纳为以下几点：(1)当摩擦副处于边界摩擦时，存在着静、动摩擦系数之差，而且动摩擦系数又随滑动的速度增加而降低，这就可能使系统具有负阻尼或零阻尼； (2)运动件的质量较大，因而具有较大的惯性； (3)传动机构的刚度不足； (4)当移动件的质量、摩擦副摩擦面间的摩擦性质和传动机构的刚度一定时速度低到一定位置就产生爬行。这个值就称为爬行的临界速度。其中，静、动摩擦系数的差异是产生爬行的内因，运动件的质量大、传动件的刚度不足以及运动速度太低是产生爬行的条件。消除爬行的主要措施有：(1)减少静、动摩擦系数之差。如进行良好润滑，摩擦副采用减摩材料(如钢或铸铁对铜或聚四氟乙烯塑料)，采用滚动导轨或静压导轨等； (2)提高传动机构的刚度。(3)动力润滑。在控制信号中附加高频分量，使伺服电机时刻处于适度的微振状态，从而有利于克服静摩擦，可以有效减小低速爬行。这种方法称为“动力润滑”。用脉宽调制(PWM)功率放大器来驱动伺服电机是一种“动力润滑”的工程实现方法。2.谐波齿轮传动的传动比假设g、r 、h分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度，Zg、Zr分别为刚轮和柔轮的齿数，则 当柔轮固定时， 设Zr200、Zg202，则iHg101。结果为正值说明刚轮与波形发生器转向相同。 当刚轮固定时， 设Zr200、Zg202，则iHg100。结果为负值说明刚轮与波形发生器转向相反。谐波齿轮传动的主要特点优点：传动比大 一般单级谐波齿轮传动的传动比达50500。承载能力强 因为同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30一40 左右，而且齿与齿之间是面接触。传动精度高 由于多齿啮合对误差有互相补偿作用，因此在齿轮精度等级相同的情况下，谐波齿轮传动的传动误差只有普通圆柱齿轮传动的14左右，精密谐波齿轮传动的传动误差可小于20。通过波形发生器半径的微量改变可调整柔轮的变形量，使齿隙很小，甚至做到无侧隙啮合。传动效率高、运动平稳 由于柔轮的轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑动速度仍极低，只有普通渐开线齿轮传动的几百分之一，所以磨损小、效率高。由于啮入和啮出时轮齿的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。结构简单、零件少、体积小、重量轻。2.谐波齿轮传动的传动比缺点：柔轮周期性的变形产生交变应力，所以对材料及其加工、热处理都提出了较高的要求，否则容易产生疲劳破坏。转动惯量大，启动力矩大。为了减小折算转动惯量，可在高速端串接一对圆柱齿轮减速。 传动比下限值较高，且不能做成交叉轴和相交轴的结构。散热条件差。2.3.3 滚珠丝杠螺母副一.滚珠丝杠螺母副的组成结构及特点如图2-15所示，当螺杆转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动。 滚珠螺旋传动的特点 (1) 运动效率高,一般可达90%以上,约为滑动螺旋传动效率的三倍。在伺服控制系统中采用滚动螺旋传动,不仅可以提高传动效率,而且可以减小启动力矩、颤动及滞后时间。(2) 运动精度高。由于其摩擦力小,工作时螺杆的热变形小,螺杆尺寸稳定,并且经调整预紧后,可得到无间隙传动,因而具有较高的传动精度、定位精度和轴向刚度。(3) 具有传动的可逆性,但不能自锁。用于垂直升降传动时,需附加制动装置。(4) 制造工艺复杂,成本较高,但使用寿命长,维护简单。二.滚珠丝杠螺母副的典型结构类型 1.螺纹滚道法向截形：螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。常用的截形有两种: 单圆弧形（见图2-16(a)）和双圆弧形（见图2-16(b)）。滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角叫接触角。理想接触角为45。 四.滚珠丝杠螺母副的精度等级 根据滚珠丝杠螺母副的使用范围和要求将其分为两个类型：P类定位滚珠螺旋副和T类传动滚珠螺旋副。根据GB/T17587.31998标准，滚珠丝杠螺母副可分成7个精度等级,即1、2、3、4、5、7和10级。其中，1级精度最高， 10级精度最低。其行程偏差和变动量都有一定的要求，可查相关资料。 滚珠丝杠螺母副的标注方法 一般地，数控机床、精密机床和精密仪器可选1、2、3级，一般动力系统可选4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。2.4.2 滚动导轨副 一. 滚动导轨副的特点： 优点：摩擦系数小(0.0030.005)，运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。因此滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。缺点：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。 直线滚动导轨副的分类：1. 按滚动体的形状分 有钢珠式和滚柱式、滚针式。如图2-52a、b、c所示。滚柱式和滚针式由于为线接触，承荷能力比滚珠导轨副高近10倍，但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。目前使用较多的是钢珠式。2按导轨截面形状分 有矩形和梯形两种，见图2-53。其中图a所示为四方向等载荷式，导轨截面为矩形，承载时各方向受力大小相等。梯形截面如图b所示，导轨能承受较大的垂直载荷，而其它方向的承载能力较低，但对于安装基准的误差调节能力较强。3按滚道沟槽形状分 有单圆弧和双圆弧两种，见图2-54。单圆弧沟槽为二点接触，如图2-54a所示。双圆弧沟槽为四点接触，如图2-54b所示。前者的运动摩擦和对安装基准的误差平均作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。第三章3-1 机电一体化产品中的传感器及其检测系统应具有哪些功能?可以分为哪几类（举例说明）？应满足哪些要求?3-3 旋转变压器、感应同步器和光栅是怎样实现辨向的?3-4 试说明增量式编码盘测轴转速的方法和原理 3-5 什么是增量码信号?什么是绝对码信号?它们的检测系统组成有什么不同?3-6 模拟多路开关和采样/保持电路的作用是什么?传感器及其检测系统必须满足以下基本要求：精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电一体化系统对检测精度和速度的要求；线性、稳定性和重复性好，工作可靠；静、动态特性好，测量范围较大；抗干扰能力强。除此之外，为了适应机电一体化产品的特点并满足机电一体化设计的需要，还对传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、质量轻、价格便宜、安装与维修方便、对环境适应能力强等。这里将传感器按输出信号的性质分类，分为二值型、模拟型和数字型，如图4-2所示。 二值型传感器只输出“l”和“0”或开(ON)和关(OFF)两个值。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时其输出为“l”(ON状态)，在该值以下时输出为“0”(OFF状态)，其临界值就是开、关的设定位。这种“l”和“0”数字信号可直接送入微型机进行处理。如：键盘、按钮。模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟数字转换(AD)，将其转换成数字信号后再送给微型机处理。 如：测速发电机检测速度可获得连续变化的电压信号，应变片检测应力可获得连续变化的电阻信号。数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。如用来检测通过输送带上的产品个数。代码型传感器即绝对值式编码器，通常被用来检测执行元件的位置或速度。如：绝对值型光电编码器、接触型编码器等。位移传感器是一种非常重要的传感器，它直接影响着系统的控制精度。位移可分为角位移和直线位移两种。因此位移传感器也有与其对应的两种形式，直线位移传感器和角位移传感器。直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器等。角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。而电感传感器和电容传感器主要用于小量程和高精度的测量系统。四. 旋转变压器检测系统 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰性好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。(一) 旋转变压器的构造和工作原理 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成，定子和转子之间的气隙中磁通分布符合正弦规律。在定子上有激磁绕组SlS2和辅助绕组K1 K2，两个绕组的轴线正交；转子上也有两个互相垂直的绕组A1 A2和B1B2 ，如图3-10所示感应同步器检测系统 (一) 感应同步器的构造：感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类，分别用来检测直线位移和角位移。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。标准式的直线感应同步器，定尺一般长为250mm，上面均匀分布节距W为2mm的绕组；滑尺长100mm，表面布有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，如图3-13所示。当余弦绕组与定尺绕组相位相同时，正弦绕组与定尺绕组错开14节距。 圆盘式感应同步器如图3-14所示。其转子相当于直线感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开14节距。直线感应同步器工作原理。当滑尺上的正弦绕组S和定尺上的绕组位置重合时(A点)，耦合磁能量最大，感应电势也最大；当滑尺继续移动时，感应电势慢慢减小，当移动到14节距时(B点)，在感应绕组内的感应电势相抵消，总电势为零；继续移动半个节距时(C点)，可得到与初始位置极性相反的最大感应电势；在34节距处(D点)又变为零；移动一个节距时(E点)，又回到与初始位置完全相同的耦合状态，感应电势为最大。这样，感应电势随着滑尺相对定尺的移动而周期性变化。 同理可以得到定尺绕组与滑尺上的余弦绕组C间的感应电势周期变化图像，如图3-15下部所示。感应同步器就是利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式可分为：1鉴相测量方式是根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测转角的大小。2鉴幅测量方式是通过检测旋转变压器转子绕组中感应电势的幅值来实现角位移检测的。光栅检测系统 在高精度的位移检测系统中，大量使用光栅作为检测反馈元件。光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上可分为长光栅和圆光栅两大类。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测角位移。光栅的检测精度比较高，可达1m。(一)光栅的构造：光栅检测装置如图3-16所示，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路。(二)光栅的工作原理：常见光栅都是根据物理学莫尔条纹的形成原理进行工作的。莫尔条纹形成的原因，对于粗光栅主要是挡光积分效应，对于细光栅则是光线通过线纹衍射后，产生干涉的结果。粗光栅形成莫尔条纹的原理如图3-17所示，图中黑线代表不透光的刻痕，刻痕间是透光的窄缝。当指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹成一角度放置时，必然会造成两光栅尺上线纹相互交叉。在光源照射下，交叉点近旁黑线重叠，减少了挡光面积，挡光效应弱，在这个区域内出现亮带，光强最大。采用光敏元件(例如光电池)将透过光栅尺的莫尔条纹光强变化信号转换为电压信号，则电压信号也是按正弦函数变化的交变信号。交变电压信号每变化一个周期，表示工作台移动了一个光栅栅距，其变化频率代表了工作台的移动速度，四路信号的超前滞后关系反映了工作台的移动方向。(三) 检测系统：光栅检测系统如图3-16和图3-18所示。它是一个数字信号检测系统，由多路信号采集细分电路、放大环节、整形环节和辨向电路组成。这种利用多个传感器对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法称作多路信号采集细分。编码器检测系统：编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两种基本类型；一种是增量式编码器，一种是绝对值式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对值式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给转数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。(一) 增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。 利用增量式编码器还可以测量轴的转速。方法有两种，分别是应用测量脉冲的频率和周期的原理。第一种方法的原理如图3-24(a)所示。时钟脉冲在规定的时间内打开选通门，同时在每次计数之前清除计数器。计数器在给定的时间范围内对编码器所产生的脉冲计数，然后按下式求出转速：式中t是测速时间，即采样时间；N1是在t时间内测得的脉冲数；N是编码器每转脉冲数。这种方法的测量精度与被测转速有关，当转运低时，脉冲频率变低，测速误差变大。第二种方法是测量编码器脉冲间隔时间，按下式求出转速：式中N2脉冲间隔数；N编码器每转脉冲数；T测量时间值。此测量方法的原理见图3-24(b)。编码器的脉冲信号进入控制电路，控制电路输出一个选通信号，去打开门电路，使开门时间正好是一个或多个脉冲间隔，在这间隔时间内，2MHz的时钟脉冲被计数。每次计救前，控制电路对计数器复位。这种方法的测量精度比第一种方法高，它的测量误差只是土1个时钟脉冲。测量高转速时，一般以测多个脉冲间隔来提高精度。(二) 绝对式编码器是通过读取编码盘上的图案信息来表示数值的。它有三种类型：光电编码器、磁性编码器和接触式编码器。目前使用最多的是光电编码器编码盘是按一定的编码形式制成的圆盘。图3-25所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，用“0”表示；涂黑的部分不透光，用“1”表示。通常把组成编码的各圈称为码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高价，外侧是低位。若编码盘有四码道，则从外向里各码道依次对应为 、 、 、 ，16个扇区分别对应二进制的0000、0001、0010、1111。按照圆盘上形成二进位的每一码道配置光电变换器(图中黑点所示位置)，随着圆盘从后侧用光源照射，则光电变换器可读取代表圆盘位置的二进制数，它可以直接输入计算机进行处理。二进制编码器的主要缺点是图案转移点不明确，将在使用中产生较多的误差。经改进后的格雷编码盘(Gray-code)如图3-26所示，其特点是，它在由一个数码依次变到相邻的一个数码时，仅有一位改变，因此它不会因数码改变产生过渡性干扰，工作稳定可靠。 光电编码器检测角位移时分辨率为 ，n是二进制数码的位数。单个光电编码盘目前可做到18位，组合码盘可达22位，精度较高。模拟信号的检测一. 模拟信号检测系统的组成 模拟式传感器是目前应用最多的传感器，其输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。典型的模拟信号检测系统如图3-50所示。在图3-50中，振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；量程切换电路的作用是避免放大饱和并满足不同测量范围的需要；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行AD转换后由数字计算机来实现；计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，或将有关信息送去显示或打印输出。 在具体机电一体化产品的检测系统中，也可能没有上图中的某些部分或增加一些其它部分。基本转换电路 被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当传感器的输出信号是电参数形式时，需采用基本转换电路将其转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。常用的基本转换电路有分压电路(图3-51) 、差动电路(图3-52)和非差动桥式电路(图3-53)等。信号放大电路信号放大电路，亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工与处理。常用的放大器有高输入阻抗放大器、高共模抑制比放大器等。信号调制与解调 调制与解调方法被广泛应用于通信中，以便给不同的信号赋予不同的特征，将它们相互区别开来。在机电一体化产品中也常采用这种方法对信号进行检测，以防止干扰信号对检测精度的影响。例如，采用特定频率的交流电源对电感传感器供电，或对内应变片、热敏电阻等组成的桥路供电，其目的都是为了对信号进行调制。经过调制的信号在经过放大后，还需通过解调(或称检波)的方法将其还原成原始信号，以获得被测物理量及其变化的信息。常用的信号调制方法有调幅、调相和调频等。滤波器 滤波器是一种具有选频功能的装置，在机电一体化产品中应用非常广泛。其具体功用是：滤除在信号放大和传输过程中引入的噪声和干扰。滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。将不同频率的有用信号分开。对系统频率特性进行补偿。 滤波器种类繁多，相应地也有多种分类方法。按照所处理信号形式的不同，可将滤波器分为模拟式滤波器和数字式滤波器，其中模拟滤波器又有机械式和电气式两类；按照所采用元器件的不同，又可分为无源滤波器和有源滤波器；按照所选通的信号频率范围的不同，还可分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种；此外还可根据滤波器传递函数的阶次将其分为一阶、二阶、高阶滤波器。运算电路是能对信号运算处理的电路，根据信号形式的不同可分为模拟和数字运算电路两种。由于计算机的普及和许多众所周知的优点，数字运算电路的应用越来越广。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，对于一些比较简单的运算，仍常采用模拟运算电路来实现。常用的有各种基于运算放大器的加、减、乘、除、积分、微分运算电路。信号的采样与保持 所谓采样，就是把时间连续的信号变成一串不连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采样开关来实现的。其过程如图3-61所示。 采样信号是一个离散的模拟信号，它在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用A/D转换器将其转换成数字量。 A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称采样/保持电路，如图3-62所示。图3-61 采样过程模拟多路开关又称多路转换开关，简称多路开关。其作用是分别或依次把各路检测信号与A/D转换器接通，以节省A/D转换器件。多路开关还常在电路中用于信号通路的切换，如量程切换等。第四章4-1 机电一体化系统中的计算机与通用微型机的区别是什么？4-5 掌握七段LED显示器的工作原理及其静态显示与动态显示的应用特点。4-6 掌握常见的键盘设计方法及其问题解决方法。机电一体化系统中使用的计算机跟通用微型机有一定的区别 主要表现在： (1) 从信息输入/输出观点看，它的输入信号和输出信号的处理要比通用微型机复杂得多，因为输入机电一体化系统中计算机的大量数据来自各种类型的传感器、开关和按钮等，输出信号还要送到分布在各处的执行机构上去。(2)从数据在计算机内的运行来看，一般机电一体化系统中计算机的运算数据要简单得多，通常只有逻辑运算和简单的数学运算；而通用微型机常用于复杂的科学计算和管理，其数据运算和处理要复杂得多。(3)从运行环境来看，通用微型机一般在实验室环境中使用，而机电一体化系统中的计算机一般要运行在生产现场，其运行环境要恶劣得多。因此，机电一体化系统中的计算机必须具备下列特征：(1)具有很强的控制功能； (2)具有丰富的I/O接口；(3)运行速度快，能适应实时控制的需要；(4)抗干扰能力强，环境适应性强。STD总线工控机的组成及其CPU模板 工控机从组成上基本上可以划为两大部分：第一部分是商用微机所不具有的各种各样的工业I/O口，即I/O系统，这部分与商用微机有很大的不同；第二部分的组成与操作原理都和商用微机类似，包含CPU、内存、外存、人机接口等，称为工业控制机的基本系统。图4-18是一个STD工业控制机的框图。 工业控制机的基本系统部分实际上也与商用微机有较大的不同，这主要是从提高可靠性这个工控机必须考虑的最重要的因素出发的。一. 存储器系统 在基本系统中，这个部分与商用微机的差别最大。 在工业环境中粉尘、潮湿、震动、冲击对商用微机中常用的磁盘驱动器这样精密的机械部件的影响常常是破坏性的。因此工控机的目标机在工业现场运行时，常用无机械运动的半导体盘取代磁盘驱动器。 半导体存储器所用的芯片也不同，商用微机中常用动态随机存储器(DRAM)作为主存，因为这种存储器便宜。工控机中则常用静态随机存储器(SRAM)作为主存，因为这种存储器较之动态存储器要可靠一些，而且还可以用电池保持其中的信息。二CPU 现在，CPU从4位到64位的都有。对于工控机选什么样的CPU最好呢？ 这要看用于什么样的控制系统中、工控机究竟是用来控制什么的？如果是用于简单的过程控制或某些时间反应缓慢的化工过程控制，采用8位机就足够了；电力系统中若想要进行电网实时潮流计算、实时发出调度信息，就是采用Pentium机也难以实现。 工控机的CPU选择与内存的选择相似，只要够用就行。这就是现在16位和8位CPU在工业自动控制系统中广泛使用的原因。 STD工控机的CPU模板品种很多。但在我国STD工控机使用的CPU模板实际上主要有： (1)Z80系列 常见的CPU有Z80、64180。由于我国在工业领域使用微机是从Z80CPU的单板机的基础上发展起来的，广大的技术人员对Z80十分热悉，有许多十分成功的应用。因此，Z80系列目前仍有一定的用户。 (2)80X86系列 它又分为与IBM PC兼容的系统和与IBM PC不兼容的系统(如多主CPU系统和系统)、它采用的CPU有：8088、8086、80286、V20、V40等，采用NEC公司的V20、V40CPU的STD系统已成为STD工控机的主流机型。多主CPU系统可以在一个STD机笼中插入多个CPU模板。如康拓公司生产的STD 5085CPU板，可以在一条系统总线上插入最多为8块CPU模板并行工作，使得系统的处理能力相信息吞吐量大大提高，各CPU之间通过公共存储器采用邮箱方案通信。多主CPU系统持别适合于中高档数控机床、工业机器人的控制系统。 七段LED显示器的原理是通过同名管脚上所加电平高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同字形的。七段LED显示器能显示的字形及相应的字形码如表4-5所示。静态工作方式的优点是显示稳定，节省了微机时间，提高了工作效率。其缺点是当扩展显示器位数较多时，需要较多的IO口。为了节省IO口线，可以采用动态显示方式。动态显示方式利用了人的视觉暂留效应和发光二极管熄灭的余辉效应，虽然在同一时刻只有一位显示器在工作(点亮)，看到的确是多个字符“同时”显示。 显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可以获得亮度较高较稳定的显示。2. 键盘 独立连接式键盘 这是最简单的一种键盘接口，每键相互独立地接通一条数据线，如图4-29所示，其中K0K7为点动按键。任何一只键被按下，与之相连的输入数据线被置“0”(低电平)；反之，放开键时，该线为“1”(高电平)。采用并行输人方式，可利用位处理指令识别按键是否闭合。 机械式按键一般需要采用硬件或软件的方法消除抖动。独立连接式键盘的优点是电路简单，适用于按键数较少的情况。但其缺点是浪费电路，对于按键较多的情况，应采用矩阵式键盘。矩阵连接式键盘 为了减少按键输入线和简化电路，可将按键排列成矩阵形式，如图4-30所示。在每条行线与列线的交叉处，两线并不直接相通，而是通过一个按键来接通。采用这种矩阵结构只需M条行输出线和N条列输入线，就可连接MN只按键。按照一个字节的输出和输入数据线，最多可连接88只按键，而图4-30仅画出了44只按键。 在设计矩阵连接式键盘时，一般要考虑：“判断键盘上有无键闭合”、“判别闭合键的键号”、“消除抖动”等问题。1. 拨盘 拨盘是机电一体化系统中常见的一种输入设备，若系统需要输入少量的参数，如修正系数、控制目标等，采用拔盘较为可靠方便。这种输入方式具有保持性。 拨盘的种类很多，作为人机接口使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD码拨盘，其结构如图4-26 a)所示。拔盘内有一个可转动圆盘，具有“09”十个位置，可以通过前面两个“、”按钮进行位置选择， 对应每个位置，前面窗口有数字提示，拔盘后面有五根引出线，分别定义为A、1、2、4、8。 BCD码拨盘的内部原理图如图4-26 c)所示，当拨盘在不同位置时，1、2、4、8线与A线的通断关系如表4-4所示。可以看出，将A线作为控制线，1、2、4、8线作为数据线，如果当A线接高电平时，数据线输出的即是与拨盘位置相对应的BCD码。如果当A线接低电平时，数据线输出的即是与拨盘位置相反的BCD码。一片拨盘可以输入一位十进制数，当需要输入多位十进制数时，可以选用多片拨盘拼接，并通过相应的接口设计给每片拨盘赋以相应的十进制权值。静态接口方法 由以上可知，BCD码拨盘可以直接与控制微机的并行口或扩展并行口相连，以BCD码形式输入信息。 图4-27所示给出了BCD码拨盘与803l单片机的P1口的接口电路。从图中可以看出，每一片拨盘占用4根IO口线，8031可以通过P1口直接读取拨盘数据。 这里应该注意BCD码拨盘有两种接法：正接法和反接法， A分别对应接高电平和低电平。动态接口方法 当系统需要输入N位十进制时，可以选N片拨盘拼接，但如按上图接法，需要占用4N根IO口线。为节省IO口线，可以采用动态接口方法。如图4-28所示给出了8031通过P1口扩展4片拨码拨盘的接口电路。当进行读拨盘操作时，先将P1.7置低电平，而将P1.4、P1.5、P1.6置高电平，此时从P1.0P1.3读取的即为第四位码盘(千位)的值。同理，分别将P1.6、P1.5、P1.4中的一位置成低电平，而将其他输出口线置成高电平，即可从P1.0P1.3选取百位、十位和个位的输入值。第五章5-2 试比较开环、半闭环和闭环伺服系统的优缺点。5-4 在步进式伺服系统中，是如何实现速度的方向和大小控制的?5-5 试分析直流电机PWM驱动电路的工作原理。开环式伺服系统，没有检测环节的伺服系统。对于电气式伺服系统来说，它所采用的执行元件一般是步进电机或电液脉冲马达。由于没有检测元件，机械部件运动过程中的机械参数(位置、速度等)不能反馈到控制系统中，误差不能修正，其伺服精度主要取决于执行元件和传动部件的精度，因此，开环式伺服系统的精度较低，一般可达(0.010.03)mm，且速度也受到限制，但它结构简单、成本低、调整和维修方便、工作可靠，在精度和速度至求不向的场合被广泛采用，如在简易数控机床、线切割机、绘图仪、电子表等设备中。与开环控制系统相对应的是闭环控制系统。它装有各种各样的检测元件，并使用不同的反馈方式。检测元件将被控量(位置、速度等)检测出来，形成与输入指令能比较的信号，被控量与输入的指令随时地进行比较，形成误差值，并用此误差来控制伺服机构向着消除误差的方向运转，最终达到输出等于输入。闭环控制系统是基于反馈控制原理工作的。它根据检测方式的不同又可以分为半闭环方式和全闭环方式两种。半闭环方式是从电机轴上进行检测(