机电一体化实验室模块设计与维护

机电一体化实验室模块设计与维护摘要：机电一体化实验室的建立能够增强学生对于机电一体化课程的认知和实践能力，同时能够配合其他专业课程完成不同的实验；而机电一体化实验室是由不同功能的模块组合而成的，因此模块的研究和设计对实验室的发展有重要的意义。本设计主要介绍了机电一体化实验室已有模块的功能原理和内部结构；同时对实验室故障模块出现问题的原因进行分析并列出修复方法。在此基础上，结合课程需要和实验室实际情况进行了新模块简化牛头刨床模块的设计。新模块的设计具有通用性，能够进行多种实验，能通过不同的电动机控制速度进给和方向。关键字：机电一体化，模块设计，维护Module design and maintenance of Mechanical and Electrical Integration LaboratoryAbstract:The establish mechatronics laboratory for mechatronics course can be enhance students cognitive andpractical ability,meanwhile cooperate with otherprofessional courses indifferent experiments. mechatronicslaboratory is composed of different functions module, so it is important to research and design the module development laboratory.The paper introduces the design of function principle and internal structure of mechatronics laboratory module, while the cause of the problem is a faulty module laboratory for analysis and repair methods listed.On this basis, design of a simplified version of shaper module combined with the actual situation of curriculum and Laboratory. The new design of the module is universality can perform a variety of experiments and control the speed and feed direction through different motor. Keywords: Mechanical and electrical integration, Module design, Maintain目 录1前言12实验室现有模块研究42.1电源模块42.1.1功能原理42.1.2交流电源模块52.1.3直流电源模块62.2继电器模块72.2.1继电器功能原理72.2.2时间/热继电器模块92.3液压泵控制模块102.4步进电机驱动模块122.5交流变频模块132.6可编程控制器模块142.7交流接触器模块153实验室模块维护173.1机电模块损坏183.1.1模块主要部件损坏183.1.2模块零部件缺失193.1.3 模块接线断开213.2液压模块损坏233.3 模块维护成果244新模块的设计264.1模块设计思想264.2模块设计过程284.3 模块功能验证32结论38参考文献39致谢41II1前言机电一体化就是“利用电子信息控制计算机等”技术，是机械柔性化和智能化的技术。它是机械学、计算机控制、电子技术等学科形成的一门新兴的边缘学科，知识涵盖面较广。机电一体化技术并非简单的机械和电子技术的组合体，是以数字信息处理为基础，集机械制造、微电子、计算机、现代控制、传感检测、液压气动等技术为一体的复合技术专业1。机电一体化实验能使学生加深对机电一体化概念的理解。实验更接近工程实际，学生在动手操作的过程中能够增长解决实际问题的能力。因此机电一体化实验在机电一体化课程学习中有重要的意义。机电一体化产品和技术可分为机械、电子和软件三大部分。这三者的特征明显不同，但模块化技术是他们的一种共同的技术。模块化技术可以减少产品的开发和生产成本，提高不同产品间的零部件通用化程度、提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性2。模块化的思想由来已久，在机械领域如机床学领域的“模块化构造”这一术语，是1967年曼彻斯特大学的柯尼希贝格教授提出的。1930年德国人首先提出了模块化构造的设计方法，并通过适当组合经标准化和系列化的通用部件制造出了各种机床6。模块化是岁科学技术发张而出现的一种新的标准化形式，是一种研究系统分解、组合规律的标准化形式；是解决复杂系统问题的有效手段11。模块应具备下属特点：具有相对独立的、不受干扰的特定功能，可以单独考核、预制、储备；是一个标准单元；其结构具有典型性、通用性，能够成为系列，可作为商品流通于市场；具有能传递功能，能组成系统的接口12。理想的模块应该标准化、系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化和经济化，并具有互换性、相容性和相关性。机电系统是个大模块，由一些子模块构成，这些子模块是组成产品的各种功能部件。不同用途的产品可以通过内部层次结构和功能需要由相应的子模块通过接口集合而成4。自动化操作是机电一体化系统产品的主要特征。因此，设计时应该从其通用性、耐环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析。应该选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统的参数，同时要求设计控制系统时，应根据机械系统固有的结构参数来选择和确定电气参数，综合应用机械技术和微电子技术，使二者紧密结合、相互协调、互相补充。充分体现机电一体化的优越性7。本次设计采用多种设计方法。机电互补法又称取代法。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中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。不但能大大简化机械结构，而且还可提高系统产品的性能和质量8。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用得方法。融合法是将各组要素有机组合成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14。这是执行元件与运动机构结合的一例。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的融为一体的机电一体化新产品（系统）。组合法是将结合法制成的专用或通用功能部件（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。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、使用和维护13。本次设计就是利用以上三种方法配合进行的变异性设计。变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况，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需要。在变异性设计的基础上添加部分适应性设计。适应性设计是在总的设计方案、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，以使产品在性能和质量上增加某些附有价值10。本次设计是牛头刨床的变异性设计，对牛头刨穿的原理机构进行简化已到达能在实验室进行模拟仿真的目的。同时增加了部分传感器、行程开关等便于用PLC、继电器对模块进行控制的适应性设计15。机电一体化实验室内拥有不同的模块，因此为了模块维护的正常进行首先必须对现有模块的功能原理、结构有一定的了解。此外，实验室缺少机械部分的结构模块，在现有模块基础上进行新模块的设计可以丰富实验内容，增加实验的多样性和趣味性。与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统的机械系统除要求其具有较高的定位精度之外，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。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及机架或箱体等组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中常提出低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求9。2实验室现有模块研究 实验室拥有多种模块：交流电源模块、直流电源模块、智能流量积算仪模块、智能功率测控模块、液压泵控制模块、继电器控制模块、直流继电器模块、时间/热继电器模块、可编程控制模块、按钮控制模块、交流变频器模块、步进电机驱动模块、传感器应用模块、数据采集模块。多为控制或者辅助控制模块，通过不同的组合、连接方式进行相关实验的进行。2.1电源模块2.1.1功能原理电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。功能：（1）隔图2.1 电源模块离：安全隔离：强电弱电隔离/TGBT隔离驱动/浪涌隔离保护/雷电隔离保护（如人体接触的医疗电子设备）噪声隔离：模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离接地环路消除：远程信号传输/分布式电源供电系统（2）保护：短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其他保护（3）电压变换：升压变换/降压变换/交直流转换（AC/DC、DC/AC）/极性变换（正负极性转换、单电源与正负电源转换）（4）稳压： 交流市电供电/远程直流供电/分布式电源供电系统/电池供电（5）降噪:有源滤波2.1.2交流电源模块图 2.2 交流电源模块基本结构：（1）剩余电流动作保护器；（2）交流电压表：显示外接电网电压；（3）指示灯：提示三相电U、V、W的通断情况，灯亮表示相对应的电源导通，反之则断开；如果发现某一相指示灯熄灭，请检查是否对应熔断器烧坏，或者电网供电是否正常；（4）AC380V电压输出：护套插座，连接设备专用护套插线给其他模块提供AC380V电压；（5）熔断器：对电路起过载保护作用，额定电流10A；如果红色指示灯亮，说明相对应的熔断器被烧坏，请及时更换；（6）交流电流表：显示设备总电流；（7）指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示相对应的电源是通的，反之则断开。（8）AC220V电压输出：护套插座，连接配套的护套插线给其他模块提供AC220V电压。2.1.3直流电源模块功能：该模块为其他模块和元器件提供所需要的DC5V、DC12V和DC24V电压基本结构：(1) 保险管：对电路起过载保护作用；(2) 指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示模块供电已导通，反之则断 开；(3) AC220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的 AC220V电压；(4) 电源开关：控制该模块总电路的通断；(5) DC12V电压表：显示DC12V电压输出的实际电压；(6) DC5V电压输出，大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个 孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC5V电压；(7) DC12V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC12V电压；(8) DC24V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC24V电压；(9) DC5V电压表：显示DC5V电压输出的实际电压；（10）DC24V电压表：显示DC24V电压输出的实际电压。注意事项：(1) 使用该模块，必须先用带护套插导线从交流电源模块DB-1的AC220V OUT与本模块AC220V IN相连接，提供必要的供电电源；(2) 该电源模块提供DC24V、DC12V、DC5V直流电源，最大负载电流4.5A，外部负载必须在负载能力范围以内2.2继电器模块2.2.1继电器功能原理图 2.3 继电器模块控制继电器是一种自动电器，它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路，并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。控制继电器的输入量通常是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度等非电量，输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程序时，输出量才会发生阶跃性的变化。控制继电器是一种自动电器,它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路,并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。继电器的输入量通常是电流、电压等电量,也可以是温度、压力、速度等非电量,输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程序时,输出量才会发生阶跃性的变化。控制继电器用途广泛,种类繁多,习惯上按其输入量不同分为如下几类:电压继电器它是根据电路电压变化而动作的继电器,如用于电动机失压、欠压保护的交直流电压继电器;用于绕线式电动机制动和反转控制的交流电压继电器;用于直流电动机反转及反接制动的直流电压继电器等。供增大控制电路中触点数量或容量而用的中间继电器,实质上也是电压继电器,仅仅是其动作值无需调整而已。电流继电器它是根据电路电流变化而动作的继电器,被用于电动机和其他负载的过载及短路保护、以及直流电动机的磁场控制或失磁保护等。时间继电器这是从接受信号到执行元件动作有一定时间间隔的继电器,如起电动机时用以延时切换起动电阻、电动机能耗制动和生产过程的程序控制等所用的继电器。热继电器供交流电动机过载及断相保护用的继电器。温度继电器供各种设备作过热保护或温度控制用的继电器。速度继电器供电动机转速和转向变化监测的继电器。功能：主要完成液压接触器控制应用实验、气动回路继电器控制实验、机电类电气控制实验等主要辅助实验模块。电源插孔全部采用带护套保护的插座，保证了实验的安全性能。基本结构：常开触点、线圈、接触器、常闭触点使用说明：禁止带电连接导线、带电取放保险管、用手指抠护套内芯、触摸继电器触头等，以免触电。使用该模块前，必须仔细检查电气控制线路是否准配无误，确认后再进行电气线路连接各个端口均与接触器触头一一对应，端口全部开放，线路控制电压DC24V请勿将控制电压连接错误烧坏接触器在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。2.2.2时间/热继电器模块图 2.4时间/热继电器模块从得到输入信号（线圈的通电或失电）开始，经过一定时间的延时后才输出信号（触电的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。时间继电器主要作为辅助电器元件，用于各种电气保护及自动装置中，使被控元件达到所需要的延时，应用十分广泛。延时分为通电延时和断电延时。通电延时：接受输入信号后延时一定的时间，输出信号才发生变化；当输入信号消失后，输出瞬时复原。断电延时：接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号；当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原。功能：主要完成液压接触器控制应用实验、气动回路继电器控制实验、机电类电气控制实验等主要辅助实验模块。电源插孔全部采用带护套保护的插座，保证了实验的安全性能。基本结构 1时间继电器常开触点 2时间继电器电源输入端 3热继电器常开触点4热继电器常闭触点5漏电保护装置6累时器7时间继电器常闭触点 使用说明：(1) 禁止手上带水操作电路搭接，以免造成触电事故；(2) 搭接电路、液压回路之前必须断开设备总电源，严禁带电搭接电路和泵站启动状态下搭接液压回路；(3) 通电后不要将手或导电物体戳进保护套插座或与护套相连接的护套插线街头内的铁芯上，以免造成触电事故；(4) 各个端口均与接触器触头一一对应，端口全部开放，不允许同一触电重复使用；(5) 插护套插线式应插稳、插牢，以免接触不良而导致电路不通；(6) 拔取护套插线时应捏住护套插线头，不要拉着线身使劲拽，以免长时间的拖拽将线拽断；(7) 接线时需要合理地选择护套插线的颜色和长短，以保证电路的简洁明了；(8) 在使用过程中，若发现外部有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源，并及时报告，非专业人员严禁擅自检修设备2.3液压泵控制模块功能：该模块为液压控制模块，有手动控制和自动控制两种方式控制液压泵站的启停基本结构：(1) DC24V电压输入：护套插座，连接设备专用的护套插线接受DB-2模块供的DC 24V电压；(2) PC控制口：继电器线圈，手动控制时红色端口接DC24V+、黑色端口接GND；自动控制时红色端口接PLC输出端，黑色端口接GND；(3) 控制切换旋钮：手动控制和自动控制切换；(4) 泵站启停旋钮：控制泵站启动和停止；(5) 急停开关：紧急切断泵站电源，按下去就会直接切断泵站电源，按下去后向右旋开关再弹起；(6) 转速表：通过传感器测量泵站电机转速；(7) 微型断路器：泵站总电源开关。图 2.5 液压泵控制模块注意事项：(1) 使用本模块，必须先用带护套插导线从直流电源模块DB-2的DC24V OUT与本模块DC24V IN相连接，提供必要的供电电源；(2) 非正常断电后，一定要将泵站启动旋钮拔到停止位置，并将溢流阀开口调节至最大，以免再次启动时对元器件造成冲击损坏。2.4步进电机驱动模块步进电机驱动模块是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。图2.6 步进电机驱动模块步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。结构： 1方向电平2输入电源 3指示灯4保险管 5电源开关 6步进脉冲 使用说明：(1) 禁止带电连接导线，该模块控制电压为DC24V，请勿采用AC220C作为控制电压(2) 使用该模块钱，必须仔细检查电气控制线路是否准确无误，确认后再进行电气线路连接(3) 各个端口全部开放，电气科根据程序实际需求在外部进行连接在使用过程中，若发现外部有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源，并及时报告，非专业人员严禁擅自检修设备2.5交流变频模块(1) 变频器就是利用电力半导体器件的通断作用将固定电压、频率的交流电变换为频率、电压都连续可调的交流电的装置，主要用于对异步电动机的调速控制；(2) 功能：通过改变频率来改变电机的转速，使电机平稳运行，电源插孔全部采用带护套保护的插座，保证了实验的安全性能；(3) 基本结构： 1旋钮控制插孔 2手动控制按钮 3AC380V输入 4变阻旋钮 5AC380V输出图2.7 交流变频模块使用说明：使用该模块前，必须通过相应型号的手册了解该变频器，了解各个参数代表的意义：（1） 各个端口均与接触器触头一一对应，端口全部开放，线路控制电压DC24V，请勿将控制电压连接错误烧坏接触器；（2）在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。2.6可编程控制器模块可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计3。图2.8 可编程控制器模块PLC的工作方式是按集中输入、集中输出、不断地周期性循环扫描的方式进行的。PLC的应用范围：顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信网络PLC的组成：中央处理器单元、存储器单元、输入/输出单元、电源部分、接口单元、外部设备162.7交流接触器模块接触器由电磁机构、触电系统、灭弧装置、反力装置和基座等几部分组成。 电磁机构：由线圈、铁心和衔铁组成主触点和辅助触点：主触点通过较大电流，辅助触点用于控制回路通过的电流 较小。灭弧装置：多纵缝灭弧装置反力装置：释放弹簧和触点弹簧，且均不能进行弹簧松紧的调节基座：支架和底座，用于接触器的固定和安装图2.9 交流接触器模块工作原理：交流接触器线圈通电后，在铁心中产生磁通。由此在衔铁气隙处产生吸力，使衔铁产生必和动作，主触点在衔铁的带动下闭合，于是接通了主电路。同时衔铁还带动辅助触点动作，使原来闭合的辅助动断触点断开。当线圈断电或电压显著降低时，吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧作用下打开，主、辅触电又恢复到原来状态。3实验室模块维护机电一体化设备的故障特点（1）机械设备的故障表象特点 机械设备的运行过程是一个动态的过程，在不同时刻的测试数据是不可重现的，用监测数据直接判断运行过程中的故障也是不可靠的。 从系统特性来看，机械系统的故障具有随机性、连续性、离散型、缓变性、突发性、间歇性、模糊性等。其产生的原因有一对多性（一个故障结果可能由多种原因产生）、复合性（多个原因同时作用产生某个故障结果）（2）电子设备的故障表象特点 电子设备的故障特点具有隐蔽性、突发性、敏感性（入队温度，湿度等外界工作条件）（3）机电一体化设备的故障表象特点 机电一体化系统出了具有原有机械和电子设备的特点外，又增加了故障转移、表征复杂性、集成性、融合性、交叉性等特点。机电一体化设备的故障诊断方法：由于机电一体化设备所具有的独特特点，我们不能沿用传统的单独针对机械或电子的维修诊断方法，而应将机电有机结合，转变思维方法。首先，要对机电一体化系统有一个深入的分析、了解，熟悉各功能模块框图，根据各组成部分的功能、结合形式和工作环境，分析故障可能的形式和影响程度。必要时作出故障树分析，根据故障发生的现象，层层分解，找出与故障形式的逻辑关系及与可靠性有关的各种因素，弄清产生故障的实质和根源。机电一体化设备的故障诊断法又故障树分析法、拓扑网络分析法、自诊断法（故障代码、故障指示灯、报警声等）、温度检测诊断法、压力检测诊断法、振动检测诊断法、噪声检测诊断法、金相分析检测诊断法、时域模型分析法等。具体诊断方法有以下3种：先机后电由于机械结构的直观性，我们可以通过肉眼看到明显的故障表象，如断裂、变形、打滑、碰撞、卡死等，所以，先从机械部分入手，检查机械部分是否能够正常工作，行程开关是否自如接通和断开，液压、气动装置是否能正常循环，然后再判断电子部分是否存在问题。一般而言，由于机械的工作特点，它是已执行元件、驱动原件等身份出现的，它们更容易因为磨损、变形等原因发生失效。先外后内由执行部件到控制部件再到驱动部件逐个检查，找到故障源头。先干后叶先分析主要部件，后分析次要部件，尤其要重要分析结合部零件或接口部件。可靠性设计是近年来得到发展和广泛应用的一种现代设计方法，它把概率论和数理统计应用于工程设计。不仅解决了传统设计不能处理的一些问题，而且能有效的提高产品设计水平和质量并降低了成本。3.1机电模块损坏3.1.1模块主要部件损坏当模块主要部件损坏时，需要替换新的模块。实验室此类损坏的模块包括直流电源模块和可编程控制器模块。这部分模块需要了解其主要原理，并确定各个接口位置功能，确保连接正确，以免出现意外。同时，因为这种零部件较为昂贵，维护时应注意环境，确保安全维护，防止掉落等不必要的损失。图3.1 损坏的可编程控制器模块可编程控制器维护过程需要注意的是将输入输出接线确定，维护完成后应该世纪连接到电路中确定正常使用。3.2 修复后的可编程控制器模块3.1.2模块零部件缺失因为实验过程中操作不当或者其他人为原因，道理模块上部分零件丢失，这部分模块只需更换新的零部件即可。这部分需要注意的是平沿帽FUSH直接接220V因此不能再电路连接时换其内部的熔断器，以免导致触电事故。图3.3 损坏的步进电机驱动模块图3.4 修复后的步进电机驱动模块3.1.3 模块接线断开此类模块大多是内部接线断开、烧坏，或者使用不当导致的各种问题。这部分模块需要使用电烙铁进行内部线路的连接。需要注意的是电烙铁的正确使用，因为内部接线大多与外部的按钮相连接，而电烙铁的高温很容易导致外部塑料按钮损坏，因此在反复练习之后才能进行接线的连接。电烙铁的正确使用方法：(1)右手持电烙铁。左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。焊接前，电烙铁要充分预热。烙铁头刃面上要吃锡，即带上一定量焊锡。（2）将烙铁头刃面紧贴在焊点处。电烙铁与水平面大约成60角。以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在23秒钟。（3）抬开烙铁头。左手仍持元件不动。待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。（4）用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。图3.5 损坏的按钮控制模块内部图图3.6 修复后的按钮控制模块内部图 焊接质量-焊接时，要保证每个焊点焊接牢固、接触良好。要保证焊接质量，其典型特征是锡点光亮，圆滑而无毛刺，锡量适中。锡和被焊物融合牢固,不应有虚焊和假焊。虚焊是焊点处只有少量锡焊住，造成接触不良，时通时断。假焊是指表面上好像焊住了，但实际上并没有焊上，有时用手一拔，引线就可以从焊点中拔出。焊接电路板时，一定要控制好时间。太长，电路板将被烧焦，或造成铜箔脱落。从电路板上拆卸元件时，可将电烙铁头贴在焊点上，待焊点上的锡熔化后，将元件拔出。3.2液压模块损坏图3.7 损坏的液压阀 类似的液压阀主要是因为碰撞导致塑料外壳破损脱落，修复此类模块只需更换塑料外壳。图3.8 损坏的液压阀图3.8中的模块是因为连接不恰当导致接线断开、塑料外壳破裂。修复这种模块需要更换接口，需要注意的是接线时有正负方向。 图3.9 掉落的液压阀零件实验室内有大量的液压阀模块，大多数因使用不当、碰撞或者使用时间较长导致损坏5。这部分模块只需更换部件并连接即可。需要注意的是液压阀内部有二极管指示灯，因此在修复损坏模块是一定要将输入输出确定，一般是红色为输入黑色为输出。3.3 模块维护成果图3.10 修复后的阀体图3.11 修复后的模块实验室的模块经过维护后可以正常的进行实验，如图3.11为正常使用的各种实验室模块。图3.12 修复后的模块实验室中损坏的模块大多是输入模块，如图3.12中的交流、直流电源模块，部分模块修复时只需要更换熔断器即可，图中为常见的易损坏模块。4新模块的设计4.1模块设计思想实验室现有模块中大多数是控制模块，在进行实验时多是进行模拟实验。因此，在设计过程中将重点放在机械模块部分，使得设计能被多种模块控制，能进行多种实验进行，以丰富机电一体化实验室的多样性。本次设计的模块是模拟机械运动中常见的往复运动，例如刨、拉等运动。设计源于牛头刨床，通过皮带传动、齿轮传动、连杆机构等组成。通过控制输入可对模块进行速度调节和方向调节。影响可靠性的因素： 器件失效元器件是构成整个机电实验的基本单元，单个院基建的可靠性是整机可靠性的基础。按照概率运算法则，整体的失效率等于各组成部分的失效率之和。因此，应该严格挑选失效率低的产品用于实际系统。 器件的联接和组装机电一体化设备控制系统复杂，电气元器件之间纵横交错，要保证整体的可靠性，就必须解决好联接与组装的可靠性，而插接件的接触不良会造成信号传送失灵，是产生系统故障的原因之一。此外，由于温度湿度变化较大，油污粉尘对元器件的污染以及机械振动的影响都会影响系统的可靠性17。设计中应该注意的问题是传感器和行程开关的位置和接口问题。模块中的传感器主要分为PMP和NPN型。PNP与NPN型传感器其实就是利用三极管的饱和和截止，输出两种状态，属于开关型传感器。但输出信号是截然相反的，即高电平和低电平。PNP输出 是低电平0，NPN输出的是高电平1。PNP与NPN型传感器（开关型）分为六类：1、NPN-NO（常开型）2、NPN-NC（常闭型）3、NPN-NC+NO（常开、常闭共有型）4、PNP-NO（常开型）5、PNP-NC（常闭型）PNP-NC+NO（常开、常闭共有型）图4.1 传感器连接方式NPN类NPN是指当有信号触发时，信号输出线out和电源线VCC连接，相当于输 出高电平的电源线。对于NPN-NO型，在没有信号触发时，输出线是悬空的，就是VCC电源线和out线断开。有信号触发时，发出与VCC电源线相同的电压，也就是out线和电源线VCC连接，输出高电平VCC。对于NPN-NC型，在没有信号触发时，发出与VCC电源线相同的电压，也就是out线和电源线VCC连接，输出高电平VCC。当有信号触发后，输出线 是悬空的，就是VCC电源线和out线断开。对于NPN-NC+NO型，其实就是多出一个输出线OUT，根据需要取舍。PNP类PNP是指当有信号触发时，信号输出线out和0v线连接，相当于输出低电平，0V。对于PNP-NO型，在没有信号触发时，输出线是悬空的，就是0V线和out线断开。有信号触发时，发出与OV相同的电压，也就是out线和0V线连接， 输出输出低电平0V。对于PNP-NC型，在没有信号触发时，发出与0V线相同的电压，也就是out线和0V线连接，输出低电平0V。当有信号触发后，输出线是悬空的，就是0V 线和out线断开。对于PNP-NC+NO型，和NPN-NC+NO型类似，多出一个输出线OUT，及 两条信号反相的输出线，根据需要取舍19。（2）行程开关行程开关行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等18。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。4.2模块设计过程皮带传动部图 4.2 皮带传动选用皮带传送是因为适用于两轴中心距较大的传动场合，现实加工中的机器大都规模较大因此采用皮带传送。同时皮带工作时传动平稳无噪声,能缓冲、吸振。工作中如遇到过载，带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用。而且造价低廉、不需要润滑以及缓冲、吸震、易维护等特点。因为本次设计是是实验模块，要求精度不高，所以选用平带开口传动。齿轮传动部分如下：图 4.3 齿轮传动齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接传递运动和动力的装置。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、结构紧凑、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。为了节省开支，在满足设计要求的情况下，本次设计齿轮选用非金属材料制造。连杆机构部分如下：曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中。活塞式发动机以滑块为主动件，把往复移动转换为不整周或整周的回转运动；压缩机、冲床以曲柄为主动件，把整周转动转换为往复移动。偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性，锯床就是利用这一特性来达到锯条的慢进和空程急回的目的。图 4.4 曲柄滑块机构模块机座部分如下：模块机座主要起支撑作用，同时方便各种电动机与模块相连接。基于实验室现有的情况，机座应在满足模块需求的情况下尽量缩小尺寸。模块其它部分：为了方便实验模块与外界输入连接，模块应该具有其他相关机构配合使用。联轴器：用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。联轴器又分为刚性联轴器和挠性联轴器，本次设计模块要求较低，因此选用刚性联轴器，优点是结构简单、尺寸小、成本低、承载能力大，用于被连接两轴在安装和运转中相对位移较小且载荷比较平稳的传动系统中。减速器：减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，上海长城减速机蜗杆减速机和行星齿轮减速机；按照传动级数不同可分为单级和多级减速机厂轮形状可分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥圆柱齿引轮减速机；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同进轴式减速机。减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置 。在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛20。轴承：轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。本次设计主要选用滚动轴承即可。模块实际模型：图4.5 简化牛头刨床模块固态继电器（SSR）是一种新兴的无触点继电器工业产品，具有许多传统电磁式继电器（EMR）无法比拟的优越性。它是一种无触点通断电子开关，当施加输入信号后其主回路呈导通状态。无信号呈阻断状态，它利用分立器件和集成器件及微电子技术实现了控制回路（输入端）与负载回路（输出端）之间的电隔离及信号耦合，没有任何可动部件或触点，实现了具有相当于电磁继电器一样的功能。固体继电器一般为一个四端组件，其中两个为输入端，两个为输出端，至少由三部分组成。4.3 模块功能验证在设计中应注意的是设计模块是为了进行多种实验而不是设计整体，模块应当能配合其他模块共同组成实验。因此，设计部分实验以验证模块的实用性。（1）实验一：PLC控制三相异步电机驱动模块图4.6 PLC控制三相异步电机运转 传感器在接线图中通常以开关表示 I0.0为正转启动按钮同时连接传感器SB1，按下启动按钮后，电机开始正转启动，当行进到传感器SB2位置时，触发SB2传递给PLC信号。此时反转按钮I0.2启动，KM2接通，电机开始反转，从而实现了模块正向进给和反向进给的控制。图4.7 PLC控制三相异步电机运转梯形图（2）继电器控制直流电机驱动模块图4.8 继电器控制直流电机运转合上总开关K1，再把总停旋钮合上，按下按钮1，电机开始正转，当电机碰到行程1时，KM1停止工作，电机停转，时间继电器开始工作，触电断开，当时间继电器过3秒后动作时，时间继电器触电闭合，KM2开始工作，电机反转，继电器断电停止工作。当碰到行程2时，KM2停止工作，电机停转，时间继电器又开始工作，触电断开，过3秒后，时间继电器触电合闭，KM1又开始工作，时间继电器停止工作，触电合闭。如此循环工作。如须停止，则把总停旋钮关上或者关闭总开关K1。图4.9 继电器控制直流电机运转调速如图4.9所示，在控制电路中，按下时，交流接触器线圈得电，的动合主触头接通，直流电动机正转；当按下SB3时，交流接触器线圈得电，的动合主触头接通，电路实现交叉连接，改变电枢回路中的电流方向，直流电动机反转。电路中采用互锁，一条电路接通时，立即切断另一条电路。调节可以改变电动机的转速。图4.8与4.9均为继电器控制直流电机运转，不同的是4.8只可以控制直流电机运转方向，而4.9不仅可以控制直流电机运转还可以调速。（3）直流电机驱动模块调速（1）用DAC0832D/A转换电路的输出，经放大后驱动直流电机。（2）编制程序，改变DAC0832输出经放大后的方波信号的占空比来控制电机转速。1）DAC0832的片选信号CS_0832连到译码输出Y6。2）对58B机型，0832的输出DOUT端连到电机模块上的插孔DJ，对模块化机型0832的输出DOUT端连到电机模块上的MC插孔。3）对模块化机型，M0和M1插孔分别连两个开关或+5V和GND,以控制电机的正反转。图4.10 单片机控制直流电机运转程序清单如下：CODE SEGMENTASSUME CS:CODEDAPORT EQU 0060HSTART:MOV AL,0FFHDACON1:MOV DX,DAPORT OUT DX,AL MOV CX,1000HDACO2:LOOP DACO2 DEC AL JNZ DACON1DACO3:MOV DX,DAPORT OUT DX,AL MOV CX,1000HDACO4:LOOP DACO4 INC AL JNZ DACO3 JMP DACON1CODE ENDSEND START结 论本次毕业设计是以机电一体化课程为理论基础进行机电一体化实验室模块的设计与维护,机电一体化实验中涉及到机械部分和控制部分,设计过程主要包含了以下三部分内容:(1)根据机电一体化课程所学知识,结合实验室实际情况,对模块功能原理和结构进行了介绍。 (2) 概述了机电一体化模块的维护原理，成功修复了实验室损坏的模块和阀体，并解释常见的模块损坏原因以及修理方法和技巧。(3)成功运用PRO/E软件进行了新模块的建模，通过新模块的建立以及实验的设计，证明了本次新模块的设计是可行的，能够实际应用到机电一体化实验室的建设中，从而加强实验室机械模块方面的实验部分。在维修模块的过程中遇到部分接线问题，学会使用工具完成接线。在PRO/E建模过程中学会使用机构功能解决了模型仿真问题，同时对模块模型不同机构之间的连接进行了优化，最终成功建立模型。参考文献1 孙桓 陈作模 葛文杰. 机械原理M. 第七版. 北京:高等教育出版社, 2006.5.2 张继民. 机电一体化系统设计M. 第三版. 北京:高等教育出版社, 2012.12.3 崔继仁. 电气控制与PLC应用技术M. 北京:中国电力出版社, 2010.2.4 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书M. 北京:机械工业出版社, 2007.5.5 左建明. 液压与气压传动M. 第四版. 北京:机械工业出版社, 2007.5.6 郭力 李波. 面向机电一体化得到新的模块技术N. 机电国际市场, 2002(第七期).7 臧福伦. 机电一体化系统模块化设计方法研究N. 矿山机械, 2002.