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机械创新设计与制作综合实验指导书1机电一体化系统实验编著者：陈照强 宋雪丽 王毅机械工程学院 2007年2月16日一、 机电一体化概念 机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。机电一体化在国外被称为Mechatronics，是日本人在20 世纪70 年代初提出来的，它是用英文Mechanics 的前半部分和Electronics 的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合，现已得到包括我国在内的世界各国的承认。我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。机械技术是一门古老的学科，它发展到今天经历了一个漫长的历史时期。机械是现代工业的物质基础，国民经济的各个部门都离不开机械。机械种类繁多，功能各异，不论哪一种机械，从诞生以来都经历了使用改进再使用再改进，不断革新和逐步完善的过程。对于某一种形式的机械，一般来说都有一定的局限性，或者说都有一定的适用范围、存在某些固有的缺点，这就迫使人们寻找新的工作原理，发明新型的机械从而使得具有同一用途的机械具有不同的种类。机械本身的发展也是无止境的，但是这种发展却是缓慢的。各种机械发展到今天单从机械角度对它们进行改进是越来越不容易了。随着科学技术的发展，一个比较年轻的学科电子技术正在蓬勃发展，从分立电子元件到集成电路（IC），从集成电路到大规模集成电路和超大规模集成电路，特别是微型计算机的出现，使电子技术与信息技术相结合并向其他学科渗透，把人类带人了一个神化般的世界。信息技术（3C 技术）的主体包括计算机技术、控制技术和通信技术。电子技术与计算机技术同机械技术相互交叉，相互渗透，使古老的机械技术焕发了青春。在原有机械基础上引入电子计算机高性能的控制机能，并实现整体最优化，就使原来的机械产品产生了质的飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代的机械产品或系统，这正是机电一体化的意义所在。机电一体化技术是现代科学技术发展的必然结果。由于大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，特别是微型电子计算机的空前发展，促进了机械技术和电子技术相互交叉和相互渗透，并使机械技术和电子技术在系统论、信息论和控制论的基础上有机地结合起来形成今天的机电一体化技术。可以说电子技术在机电体化的形成和发展过程中起到了关键性的作用。二、 机电一体化系统的构成 对于一个机电一体化产品或设备，应将它作为一个系统来研究。所谓机电一体化，就是要以系统的整体的思想来考虑复杂机电系统许多综合性的技术问题。例如，台多关节机器人，就存在着各运动部件之间的力耦合；各运动轴伺服系统的干扰和相互影响；系统动力学与控制规律和运动精度之间的关系；机器人与外围设备的连接；机器人各部分之间的协调运动和机器人防护安全连锁的问题、这些问题即构成了机器人的系统技术问题，必须通过系统工程和系统设计的理论来解决。这里所说的系统是指通过一些元件的有机结合来实现某一特定的功能，而系统工程则是为使系统达到最佳状态而对系统的组成部件、组织结构、信息传递、控制机构等进行分析、设计优化的技术。系统设计的特点首先是具有综合性，它把系统内部和外部综合起来考虑。要设计一个复杂的系统，首先就要把系统分解成许多分系统，建立各个分系统的数学模型，最后再进行最优设计。系统设计的另一个重要特征是系统的均衡设汁，均衡设计就是要恰当地选择元件，以构成性能优异的系统。如果设计者只注重元件设计而忽视优化组合过程，则即使是经过精心筛选的元件也可能组成性能低劣的系统。机电一体化产品或系统就是通过信息技术将机械技术与电子技术融为一体构成的最佳系统，而不是机械技术和电子技术的简单叠加。机电一体化系统通常由五大要素构成、即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。机电一体化系统的功能在很大程度上决定于控制系统。控制系统不仅与计算机及其输入输出通道有关，更与所采用的控制技术密切相关。控制技术必须从系统工程的角度出发，探讨那些能够使各功能要素构成最佳组合的柔性技术和一体化技术，有机地和灵活地运用现有的机械技术、电子技术和信息技术，采用系统工程的方法，使整个系统达到最优化，即设计最优化、加工最优化、管理最优化和运行方式最优化。三、机电一体化的相关技术 当代科学技术的发展出现了纵向分化、横向综合的重要趋势。从工程学角度来看，机电一体化技术是微电子学、机械学、控制工程、计算技术等多学科综合发展的产物，是利用多学科方法对机械产品与制造系统进行设计的一种集成技术。因此，目前普遍认为，机电一体化这一新兴学科涉及到四大基础学科，即：机械学、控制论、电子学和计算机科学。机电一体化技术包括硬件技术和软件技术两大方面。硬件通常由机械本体、传感器、接口单元、信息处理单元和驱动单元等部分组成。而软件又由具有各种不同功能的模块或标准化模块组成。因此与机电一体化技术相关的技术应包括以下几个方面。 1、机械技术对于绝大多数的机电一体化产品，机械本体在质量、体积等方面部占有绝大部分。如原动机、工作机和传动装置一般都采用机械结构。这些机械结构的设计和制造问题，都属于机械技术的范畴。在这方面除了要充分利用传统的机械技术外，还要大力发展精密加工技术、结构优化设计方法、动态设计方法、虚拟设计方法等；研究开发新型复合材料，以便使机械结构减轻重量，缩小体积，改善在控制方面的快速响应特性；研究高精度导轨、高精度滚轴丝杠、具有高精密度的齿轮相轴承，以提高关键零部件的精度和可靠性；通过使零部件标准化、系列化、模块化来提高其设计、制造和维修的水平。总之，利用一切先进的设计制造技术，使机械结构体积小、重量轻、精度高、速度快、价格便宜、安全、可靠、方便，以适应机电一体化的需要。任何机电装备系统都需要依靠机械执行构件的运动和动作来实现特定的功能，而执行构件需要靠原动机供给一定形式的能量和运动才能得以实现。由于执行构件与原动机构的运动形式及传动特性存在差异，且当多个执行件之间需获得固定运动关系时，通常是共用一个原动机构，所以往往需要在两者之间加入通过一定的方式组合而成的并且能实现运动、力（或力矩）的传递和变换的机械传动系统，用以实现原动机的输出与执行件在运动、力和力矩方面的合理匹配。机械传动系统又称为机械传动链，它是机电装备的重要组成部分之一。可作为机电装备中机械传动系统的基本机械传动类型有很多，如连杆机构、凸轮机构、带传动、链传动、同步带传动、谐波齿轮传动和螺旋传动等等。他们在运动、力的传递和变换方面各有其特点，其中较为典型的、与机器人有关的是滑动丝杠、滚珠丝杠、伞齿轮、同步齿型带、蜗轮蜗杆、常用减速器和直线轴承等。2、传感技术传感技术的核心是传感器。传感器按照一定的精度将被测量转换为与之有确定对应关系的电信号，通常由敏感元件转换元件和转换电路组成。机电一体化产品中使用的传感器种类很多，按照原理分有电阻式、电感式、磁电式、压电式、光电式、热电式、气电式等传感器，按照用途分有位置、压力、流量、温度、湿度、气味、声音、亮度等传感器。目前，传感器一方面向高灵敏度、高精度和高可靠性方向发展，一方面向集成化、智能化和微型化的方向发展；所谓集成化即把传感器和信息处理单元集成在一起，实现传感器和信息处理一体化；所谓智能化即使传感器具有自诊断、自修正的功能。所谓微型化即要把传感器做得足够小，以便减少传感器对被测对象质量、刚度的影响，或利于集成在微系统中。3、信息处理技术信息处理技术是指利用电子计算机及其外部设备对信息进行输入、转换、运算、存储和输出等技术，这里所说的电子计算机包括工控机、单片机和可编程控制器等。电子计算机及其外部设备可通过进一步提高集成度来提高其运算速度和便于嵌入机械本体；通过自诊断、自恢复及容错技术来提高其可靠性；通过人工智能技术和专家系统来加速其智能化。通过以上这些措施，可以使计算机在恶劣的工业环境中长期、安全、可靠地工作。目前，机电一体化产品或系统中的电子计算机已能够做到平均2 万至5 万小时无故障。 4、接口技术在机电一体化系统中，计算机与外部设备（如执行机构、传感器、机械本体、动力源和人机交互设备等）之间的连接和信息交换环节称为接口，接口功能的实现除硬件电路外，还应包括相应的接口软件（驱动程序），通常通过接口硬件和接口软件的结合来实现接口任务。接口的作用是把外设输入给计算机的信息转换成计算机所能接受的格式，或把计算机的输出信息转换成外设所能接受的格式；使计算机和外设之间信息的传输速度相互匹配；在计算机和外设之间对传输信息进行缓冲和对信号电平进行转换等。接口应尽量简单、方便、可靠，并提高信息的传输速率。这首先就需要将接口标准化，通过接口标准化可以简化设计，给信息交换和设备维修带来方便，同时还可以降低成本。采用光导纤维和光电隔离技术可以消除外界干扰。提高信息传输的可靠性。5、伺服驱动技术伺服驱动技术主要是指与执行机构相关的一些技术问题。伺服驱动的方式主要有电动、气动和液压等各种类型。液压和气动主要包括泵、阀、油（气）缸、液压（气动）马达及其附属液（气）压元器件等；电动驱动主要包括交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机等。在机电一体化产品或系统中，对于各种液压和气动元件存在着功能、可靠性、标准化以及减轻重量和减小体积等问题；对于电动驱动目前还存在着快速响应和效率等方面的问题，要求电机转矩大，转子转动惯量小，以使电机具有快速启动、停止的能力。对于直流伺服电机，要求控制性能好、速度和扭矩性能稳定；与直流伺服电机相比，交流伺服电机具有结构坚固、容易维护、转子转动惯量可以设计得很小，能够承受高速旋转等许多直流电机所没有的优点。目前，在变频调速、电子逆变技术、矢量变换技术等方面的研究已进入实用阶段；步进电机作为数控系统的执行器已受到广泛重视。而作为一种小型伺服电机，由于容易实现计算机控制，目前使用相当普遍。运动控制系统对伺服电机的基本要求是：快速响应能力，宽调速范围，较高的过载能力及具有频繁起制动的能力。直流伺服电机能很好地满足这些要求，因此半个多世纪以来在制造业和军事装备中得到了广泛的应用。虽然近年来直流伺服电机有被交流伺服电机取代的趋势，但在某些应用中，它还是不可替代的。交流伺服电机有两类：交流感应伺服电动机和交流同步伺服电动机。其中交流同步电机主要是交流永磁同步磁服电机在运动控制中得到广泛的应用。而交流感应电机在调速系统或一些动态性能要求不太高的运动控制系统（如机床主轴伺服系统）中应用较多。步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的机电执行元件。它的机械位移与输入的数字脉冲数有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步，所以称为步进电动机。步进电机有三个种类：反应式（或称磁阻式）、永磁式和混合式。混合式步进电机集中了反应式、永磁式步进电机的优点，是工业上应用最广泛的一种步进电机。混合式步进电机的定子绕组有两相、五相或其它相数的，但两相绕组的电机应用最多。 在机电一体化系统中，运动控制技术发挥着重要的作用。运动控制系统高定位精度、高运动速度、可编程的高度柔性等特点深刻改变了制造业、国防工业，甚至我们的日常生活。从零部件的数控加工、家用电器的自动化组装到现代化的汽车生产线；从舰船的自动导航、精确制导的炸弹到捕捉敌人目标的雷达；从我们日常所用的DVD 影碟机、数码摄像机到银行自动提款机，运动控制几乎无所不在。可以肯定地说：随着人们对工业生产高质量、高生产率、高可靠性及高柔性的追求，运动控制将会得到更广泛的应用。我们通过一个典型制袋机系统的实例来说明这个问题。我们在超市中购买的许多食品如咖啡、奶粉，各类膨化食品等是用印刷精美的塑料袋包装的。如图所示的制袋机系统就是一台制作这种袋子的设备。这台设备的原料是卷在供料滚上的印刷好图案的塑料基带，产品是按设定好的长度切割成的塑料袋。制袋机系统工作原理图如图所示，这个系统是这样工作的：整个系统的工作是在一台PLC（可编程逻辑控制器）控制下完成的。操作员事先将要制作的袋的长度和每分钟制袋数通过拔码开关输入到PLC 中，PLC 内的运动控制器将这个长度和速度信息转换为一定频率的脉冲串电压信号并送至驱动器中，驱动器将这个电压信号放大到足够的电功率（电压和电流）以驱动步进电机，带动进给滚轮旋转过一定的角度。传送带上方的进给轮是主动轮，下方的进给轮是被动轮，两个轮共同的辗压作用使得塑料基带沿直线方向移动。显然，移动长度由PLC 发出的脉冲串数量决定，移动的速度由脉冲串的频率决定。这个过程我们称之为点位运动。一旦完成了塑料基带的点位运动，PLC 将输出一控制信号使气缸动作，气缸驱动刀具切割塑料基带，一个没有封口的塑料袋制作完成并落入料仓中，系统将开始下一个塑料袋的进给定位及切割过程。系统前端的供料滚有两个作用：一方面将塑料基带源源不断地传送到后面的进给滚上；另一方面要调节塑料基带在供料滚和进给滚之间的张力。张力过大不但易造成塑料基带的断裂，而且使供料滚的转动惯量加到进给电机，增加了进给电机的负担。图中的调节棒和限位开关就是用于张力调节的：当塑料基带趋于绷紧状态时，调节棒将升高并碰触限位开关动作，一个开关量电信号被输入到PLC，PLC 立即输出一个开关量电信号启动送料电机，使被传送的塑料基带保持在松驰状态。6、系统总体技术系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，用系统的观点和方法，将系统分解成若干个相互有联系的功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，并将其进行分析、评价和优化的综合应用技术。系统总体技术的内容涉及许多方面，如接口技术、模块化设计技术、整体优化技术、软件开发技术、微机应用技术和成套设备自动化技术等。机电一体化系统作为一个整体，即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好地协调它也很难保证正常、可靠地运行。而恰恰相反，即使是性能一般的元件，只要从系统出发组合得恰当，也可能构成性能优良的系统。四、教育机器人的功能机器人就是一种最为典型的机电一体化产品。而教学机器人系统又是针对教学目的进行了专门设计，强化了人机交流界面的可视性。教育机器人系统为学生提供了一个开放、创新性的实验平台，通过对各类典型机电产品的亲自组装、调试和应用开发等创新实验，让学生全面掌握机电一体化技术应用开发和集成技术，帮助学生从系统整体角度去认识系统各组成部分，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理；掌握机械传动部件的选择，结构件的设计，传感器的选择和使用，电机的选择和使用，计算机编程和调试等，使学生的机电系统设计、装配、调试能力均能得到综合训练。五、使用面板的介绍1、 主板（1）电源连接器：指插上干电池盒的电源连接器，传递机器人运行所需 动力的部分。（2）电源开关：起到ON/OFF电源的作用。（3）直流减速（齿轮）电机电源连接器：指插入直流减速（齿轮）电机的电源连 接器，使电机运行的部分。（4）开始开关：在电源开关打开的状态下，执行CPU输入的命令时使用。（5）伺服电机OUTPUT端口：插上伺服电机连接器，给伺服电机提供电源，传送信号。（6）INPUT端口/ID设置端口：接收IR传感器发送的输入信号，传递至主板，可插入跳针（SHORT KEY），使最多8台机器人在互不干扰的情况下运行。（7）INPUT端口：与遥控器接收板互相连接，将遥控器发送的输入信号传递至主板。（8）下载端口：从PC上将机器人的动作程序下载到主板CPU时使用。（9）调试LED：当下载不顺利时灯亮起来。（10）电源LED：接通电源，电源开关在ON状态时灯亮。2、 遥控器（1）电源连接器：连接电池盒的电源连接器，供应电源。（2）电源开关：在连接电源连接器的状态下，ON或OFF电源开关。（3）发射部：将各遥控器输入开关的输入信号转换为红外线，并传送到遥控信号接收板的接收部。（4）ID设置端口：与主板的ID设置端口并行，可设置8种ID。（5）输入开关：由共5个开关构成，使机器人进行与各开关输入信号相当的运行。3、 遥控器接收板（1）接收部：接收遥控器发射部发送的红外线信号并将该信号转换为输入信号。（2）电源/OUTPUT端口：用3P-3P连接线将接收部转换的输入信号传送到主板上。 4、 IR感应板（1）电源/信号连接端口：指利用IR感应板连接线，连接到主板上INPUT端口的端口。（2）发光部：发射红外线，利用被物体反射回来的红外线向感光部发送输入信号。（3）感光部：也称光电晶体管，感应发光部发射的红外线，并将其转换为输入信号。5、主板与下载板连接方法 如图所示，在主板上连接干电池盒的电源连接器，用3P-3P连接线连接PC上连接的下载工具和主板，主板电源开关放到ON位置，下载工具和主板的电源LED就会亮灯，在此状态下就可以下载程序。6、伺服电机的调零方法 （1）在已下载程序的主板、伺服电机输出端口上连接电源连线，注意区别电源连线的颜色。然后，如图所示，将电池盒的电源连线连接到主板上。（2）将电源开关放到ON状态，主板电源LED就会亮灯，伺服电机的驱动齿轮被固定，此时，该伺服电机就在“0”点位置上。六、实验内容1、机电一体化系统的组成和实验系统的基本操作实验目的：了解机电一体化系统的特点、基本组成和应用实例，掌握实验平台系统的基本操作。基本内容：“机电一体化”的定义、系统的基本特点和基本组成，讨论机电一体化系统的规划和设计方法。2、电机与驱动（执行）装置使用、维护和调整实验实验目的：了解目前工业上常用的几种电机与驱动装置的构造和使用方法，掌握其各自的原理、特点、性能和选用方法。基本内容：步进电机和驱动装置、直流伺服电机及其驱动装置、交流伺服电机及其驱动装置、直线电机及其驱动装置的基本原理和特点。3、机电一体化系统的传感器选型与应用实验实验目的：了解传感器的基本概念，掌握几种传感器的使用方法和信号处理方法。基本内容：红外线、灰度、接触、巡线、接近开关等传感器；力、光、温度、速度、化学物质、生物、闻觉、味觉等传感器的测