机电一体化 2

一 概论 1 机电一体化是机电一体化是在以机械 电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透 相互结合 过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘科学技术 2 机电一体化的优越性机电一体化的优越性 1 使用安全性和可靠性提高 2 生产能力和工作质量提 高 3 使用性能改善 4 具有复合功能并且适用面广 5 调整和维护方 便 3 机电一体化产品分类机电一体化产品分类 数控机械类 电子设备类 机电结合类 电液伺服类 信息控 制类 4 机电一体化的基本构成机电一体化的基本构成 机械系统 动力系统 传感与检测系统 信息处理及控制系 统 执行机构 5 机电一体化的关键技术机电一体化的关键技术 精密机械技术 信息处理技术 检测与传感器技术 自动控 制技术 伺服驱动技术 系统总体技术 6 机电一体化产品设计方法机电一体化产品设计方法 1 产品可行性研究 2 基本设计阶段 3 详 细设计阶段 4 实际运行试验 二 机械系统 1 机械系统包含以下三大部分机构机械系统包含以下三大部分机构 传动机构 导向机构 执行机构 2 对传动机构的基本要求对传动机构的基本要求 1 在不影响系统刚度的条件下 传动机构的质量和转动 惯量 应尽可能小 2 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力 包括机构 产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度 3 机械零件产生共振时 系 统中阻尼越大最大振幅就越小 且衰减越快 但大阻尼也会使系统的失动量和反转误 差增大 稳态误差增大 精度降低 4 系统传动部件的静摩擦力应尽可能小 动 摩擦力应该是尽可能小的正斜率 若为负斜率则以产生爬行 精度降低 寿命减少 3 滚珠丝杆副的特点滚珠丝杆副的特点 传动效率高 运动具有可逆性 系统刚度好 传动精度高 使用 寿命长 不能自锁 工艺复杂 4 滚珠丝杆幅中滚珠的循环方式滚珠丝杆幅中滚珠的循环方式 内循环和外循环 5 常用的消除轴向间隙的方法常用的消除轴向间隙的方法 双螺母螺纹预紧调隙式 双螺母齿差预紧调隙式 双螺 母垫片预紧调隙式 弹簧式自动调整预紧式 6 滚珠丝杆幅的主要尺寸滚珠丝杆幅的主要尺寸 公称直径d0 基本导程L0 或螺距t 行程L 7 滚珠丝杆幅的支承方式滚珠丝杆幅的支承方式 双推 自由式 双推 简支式 双推 双推式 8 同步带传动的特点同步带传动的特点 1 能方便地实现较远中心矩的传动 传动比准确 传动效率 高 2 工作平稳 能吸收振动 3 不需要润滑 耐油 水 耐温高 耐腐蚀 维护保养方便 4 强度高 厚度小 质量轻 5 中心矩要求严格 安装精度 要求高 6 制造工艺复杂 成本高 9 谐波齿轮传动是一种新型传动谐波齿轮传动是一种新型传动 其原理是依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波 引起齿间的相对位移来传递动力和运动的 柔轮变形时一个基本对称的和谐波 故称 为谐波传动 谐波齿轮的优点谐波齿轮的优点 1 传动比大 3 承载能力大 3 传动精度高 4 可 以向密封空间传递动力或运动 5 传动平稳 6 传动效率高 7 结构简单 体积小 质量轻 谐波齿轮传动的缺点谐波齿轮传动的缺点 1 柔轮和谐波发生器制造复杂 需要专门设备 成本较高 2 传动比下限值较高 3 不能做成交叉轴和相交轴的结构 1010 谐波传动比计算谐波传动比计算 11 导轨的基本要求导轨的基本要求 导向精度高 刚性好 运动轻便平稳 耐磨性好 温度变化影 响小以及结构工艺性好等 12 产生爬行现象的原因产生爬行现象的原因 摩擦因素随运动速度的变化和传动刚性不足造成的 13 塑料导轨的种类塑料导轨的种类 塑料导轨软带 金属塑料复合导轨版 塑料图层 14 滚动导轨的优点滚动导轨的优点 1 摩擦因素小 运动灵活 2 动 静摩擦因素基本相 同 因而启动阻力小 不易产生爬行现象 3 可以预紧 刚度高 4 寿命长 5 精度高 6 润滑方便 可以采用脂润滑 一次装填 长期使用 三 检测系统 1 对检测系统的基本要求有对检测系统的基本要求有 1 灵敏度及分辨率 2 精确度 3 系统的频率响应 特性 4 稳定性 5 线性特性 6 检测方式 2 灵敏度及分辨率灵敏度及分辨率 灵敏度 S 是检测系统的一个基本参数 当检测系统的输入 x 有一个微 小的增量 x 时 引起输出 y 发生相应变化 y 则称 S y x 为该系统的绝对灵敏度 分辨率是检测系统对被测量敏感程度的另一种表示形式 指系统能检测到的被检测量的最 小变化 3 在线检测在线检测 在线检测是指被检测系统处于正常工作情况下的检测 4 编码式线位移传感器原理编码式线位移传感器原理 利用一组电刷拾取按一定编码方式 对不同位置进行 0 1 编 码的编码尺上的电位来检测电刷的位置 特点 分辨率不会太高 容易由于磨损等原因造 成编码错误 并且工作时需要经常维护 5 常用的角位移传感器常用的角位移传感器 电阻式角位移传感器 旋转变压器角位移传感器 电容角位移传 感器 光栅角位移传感器 磁电式角位移传感器及转速传感器 6 接近传感器接近传感器 电容式接近传感器 电感式接近传感器 光电式接近传感器 超声波距离 传感器 7 典型模拟信号检测系统典型模拟信号检测系统 传感器 基本测量电路 量程切换电路 放大器 解调器 滤 波器 转换电路 接口电路 振荡器 四 伺服系统 1 伺服系统伺服系统 是指以机械位置或者角度作为控制对象的自动控制系统 又称随动系统或伺 服机构 2 基本要求基本要求 高可靠性 良好的动态性 动作的准确性 高效率 3 伺服电机的基本要求伺服电机的基本要求 具有较硬的机械特性和良好的调节特性 具有宽广而平滑的调速 范围 具有快速响应特性 具有小的空载始动电压 4 空载始动电压空载始动电压 伺服电机空载时 控制电压从零开始逐渐增加 直到电机开始连续运转 时的电压 5 伺服系统的基本组成伺服系统的基本组成 输入 控制器 功率放大器 执行机构 检测装置 输出 6 按执行元件的性质不同按执行元件的性质不同 伺服系统可分为电气伺服系统 液压伺服系统和气动伺服系统 7 直流伺服电机与普通电机的区别直流伺服电机与普通电机的区别 1 电枢长度与直径的比要大 2 磁极的一部分或 者全部使用叠片工艺 3 为进行可逆运转 电刷应准确的位于中性线上 使正负向特性 一致 4 为防止转矩不均匀 电枢应制成斜槽形状 5 用电枢控制方式时 为了减少 磁场磁通变化的影响 应充分使用在饱和状态 6 根据控制方式 也使用分段励磁绕组 的形式 8 交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控制方式 把加在控制绕组上的交流电信号转换为一定的转速和偏角进 行控制 9 步进电动机步进电动机 是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机 10 步进电动机的工作要求步进电动机的工作要求 1 定转子齿距相同 2 在相同的磁极下 定 转子齿应 同时对齐或同时错开 以保证产生最大转矩 3 在不同磁极下 定 转子齿的相对位置 应一次错开 1 m 齿距 当连续改变通电状态时 可以获得连续不断的步进运动 11 步距角步距角 b 2 b 2 NZrNZr 或或 360 360 NZrNZr 式中 Zr 为转子齿数 N 为转子转过一个齿距 的运行拍数 12 步进电动机的控制方式步进电动机的控制方式 变频信号源 脉冲分配器 功率放大器 13 PWMPWM 的基本原理的基本原理 利用大功率晶体管的开关作用 将直流电源电压转换成一定频率的 方波电压 加在直流电动机的电枢上 通过对方波脉冲宽度的控制 改变电枢的平均电压 从而调节电机的转速 六 控制系统 1 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤 1 准备阶段 对设计对象进行机理分析和理论抽象 明确被控对象的特点及要求 限定 控制系统的工作条件及环境 确定安全保护措施及等级 明确控制方案的特殊要求 明确 技术经济指标 控制实验项目及指标 2 理论设计 建立被控对象的数学模型 吧被控对象的控制特性用数学表达式加以描述 作为控制方案选择及控制器设计的依据 确定控制算法及控制器结构 选择中央处理单元 存储器等 主要硬 软件设计以及各种接口的选择和设计 确定系统的初步结构及参数 进行系统性能分析 优化 除了要保证系统的主要功能和性能外 还要对系统的安全性 可靠性及耐久性等给予足够的重视 3 设计实施 模块组装 系统仿真 测试 4 设计定型 形成技术文件 主要技术文件应包括设计图样 电子元 器件明细表 系 统操作程序及说明书 维修及故障诊断说明书和使用说明书等 2 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 1 具有完善的输入输出通道 它包括模拟量输入输出通道和数 字量或开关量输入输出通道等 这是微型机有效发挥其控制功能的重要保证 2 具有实时 控制功能 换句话说 就是具有完整的中断系统 实时时钟及高速数据通道 以保证对被 控对象状态和参数的变化及一些紧急情况具有迅速响应的能力 并能够实时地在微型机与 被控对象之间进行信息交换 3 可靠性高 对环境适应性强 以保证在生产现场应用的要 求 4 具有丰富 完善 能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统 3 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 是采用 顺序扫描 不断循环 的方法进行工作的 即在 PLC 运 行时 CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户村粗气中的程序 按指令步序号 或地 址号 作周期行循环扫描 如无跳转指令 则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序 直至程序结束 然后重新返回第一条指令 开始下一轮新的扫描 在每次扫描过程中 还 要完成对输入幸会的采样和对输出状态的刷新等工作 PLC 的一个扫描周期必经输出采样 程序执行和输出刷新三个阶段 4 4 PLCPLC 的性能指标的性能指标 1 输入 输出点数 即 I O 点数 指 PLC 外部输入 输出端子数 这是重要的一项技 术指标 2 扫描速度 一般以执行 1000 步指令所需时间来衡量 故耽误为 ms 1000 有时也以 执行一步指令的时间计算 如 s 步 3 内存容量 一般以 PLC 所能存放用户程序的多少 量 在 PLC 中程序指令是按 步 存放的 一条指令往往不不止一 步 一 步 占用 一个地址单元 一个地址单元一般占用两个字节 4 指令条数 这是衡量 PLC 软件功能强 弱的主要指标 PLC 具有的指令种类越多 说明其软件功能越强 5 内部寄存器 PLC 内部 有许多寄存器用以存放变量状态 中间结果 数据等 还有许多辅助寄存器可供用户使用 这些辅助寄存器常可以给用户提供许多特殊功能 以简化整个系统设计 因此 寄存器的 配置情况常是衡量 PLC 的硬件功能的一个指标 6 高功能模块 PLC 出来主控模块外还可 以配接各种高功能模块 主控模块实现基本控制功能 高功能模块则可实现某种特殊的专 门功能 高功能模块的多少及功能强弱是衡量 PLC 产品水平高低的一个重要标志 目前已 开发常用的高功能模块有 A D 模块 D A 模块 高速计数模块 速度控制模块 位置控制 模块 轴定位模块 温度控制模块 远程通讯模块 高级语言编辑以及各种物理量转换模 块等 5 PLCPLC 的编程语言的编程语言 1 梯形图语言 梯形图在形式上类似于继电器控制电路 它是用各种图形符号连接而 成的 这些符号分别为常开接点 常闭接点 并联连接 继电器线圈等 每一接点和线圈 均对应一个编号 不同机型的 PLC 其编号方法