机电一体化复习描述PPT教案

1、会计学1机电一体化复习描述机电一体化复习描述 机电一体化系统设计: 0.1 机电一体化基本概念机电一体化的基本定义： 机电一体化的英文名称是Mechatronics,是通过截取英文机械学(Mechanics)的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在一起而创造出来的一个新的英文名词。 一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素： 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。 第1页/共52页 常用的机电一体化产品基本组成要素分析。数控铣床机电一体化系统设

2、计： 0.1 机电一体化基本概念第2页/共52页数控车床的基本组成要素？数控车床的基本组成要素？第3页/共52页数控车床的基本组成要素？数控车床的基本组成要素？计数器计数器专用控制程序EPROM用户加工程序外部RAM键盘显示驱动8031单片机I/O计数器计数器光电隔离功放X或Y向步进电机驱动电路三相异步电机刀架移动刀架转动刀架主 轴刀架进给脉冲刀架进给脉冲光栅光栅车床车床微型计算机微型计算机零位脉冲零位脉冲主轴脉冲编码器主轴脉冲编码器图图 数控车床闭环控制系统数控车床闭环控制系统第4页/共52页一、传动装置功能及性能要求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）第一章 机械系统设计二、 滚

3、珠丝杠（或滚动螺旋）传动1、工作原理与结构形式 丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。 在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。第5页/共52页2、滚珠的循环方式：内循环和外循环3、公称直径（滚珠中心圆直径）D0（mm）导程(或螺距) p（mm）4、尺寸标注：FC1B-606-5-E2 左 (汉江机床厂)5、当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。6、不能自锁，垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需

4、设置制动装置。滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧，轴向间隙调整的目的：保证反向传动精度，预紧目的：提高刚度方法：双螺母预紧调整法第6页/共52页 简单计算：螺距t=6mm，旋转式位置传感器测得丝杆旋转角度为7290，求螺母的直线位移x？螺母丝杠螺距x=？支承方式的选择：三种支承方式支承方式的选择：三种支承方式第7页/共52页末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类：机械夹持器、特种末端执行器、万能手（或灵巧手）。 导轨的作用是支撑导向作用。一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨(或导动轨)，另一 部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨(或滑座)第8页/共52页

5、 第二章 检测系统设计1 传感器的定义定义：是一种以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之能确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。转换元件基本转换电路敏感元件被测量电量第9页/共52页 第10页/共52页3、电容传感器4、电感传感器5、光栅直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距。第11页/共52页 当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，由

6、于挡光效应(当线纹密度50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹称为“莫尔条纹”。光栅第12页/共52页 光栅第13页/共52页 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，计算光栅的栅距和莫尔条纹的宽度？则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积

7、的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。第14页/共52页 数字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件 聚光镜 光源 光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。7、光电编码器第15页/共52页T 编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为 ：n = 60m1/（NT） m1一定时间内用角编码器产生的脉冲数来确定速度的方法8 数字测速例：有一增量式光电编码器，其参数为2048p/r， 在0.2s时间内测得8K个脉冲，则转速（r/min)为 ： n = 60 8192 /（2048 0.2） r/min =

8、1200 r/min第16页/共52页时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速(r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ） 用角编码器产生的相邻两个脉冲之间的时间来确定速度的方法例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为1000，时钟频率fc为1MHz ，则转速（r/min)？第17页/共52页因此，传感器在使用中需要进行信号调理。信号调理一般包括放大、变换、调制与解调、滤波等。2.3 信号放大电路第18页/共52页为保证共模抑制比，要配出（U

9、2-U1）的因子项)(1 (/12424211UURRURRRRfoff1、 高输入阻抗放大电路第19页/共52页0)(,121321iifofUURRURRRR1123231)1 (ififoURRURRRRRU当只有共模信号，共模抑制比无穷大 211111023232)2() 1 (UURUURUUURRRUifi2U1U2、高共模抑制比放大器高共模抑制比差动放大器第20页/共52页浮置电源输 入 调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入2、原理框图浮置电源光耦合器 输 入 放大器输 出放大器输出输入VLC 变压器耦合不仅隔离了输入与输出电路，而且也隔离了浮置电源，但体积大。 光

10、电耦合先将被测信号放大后由发光二极管转换成光信号，再由光敏三极管转换成电信号放大输出，但非线性。3、隔离放大电路第21页/共52页 当电桥平衡，流过检流计的电流为零时，有即若比例臂 和Rs为已知，可以求出被测电阻Rx为的阻值。 R1、R2均为固定电阻， Rx为被测电阻， Rs为可调标准电阻，G为灵敏电流计，E为工作电源。2.4 信号变换电路SRxRRR2121RRRRSxKRR21电桥测量电阻原理第22页/共52页模拟信号变换电路 电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为 2）电压-电流变换第23页/共52页c)ustuctb)a)O xtxO xO第24页/共52页2.6 信

11、号滤波电路1. 滤波器的类型1.低通滤波器 低频通过，高频衰减;2.高通滤波器 低频衰减，高频通过;3.带通滤波器 通带内通过，通带外衰减;4.带阻滤波器 通带内衰减，通带外通过.例：滤波器的设计。第25页/共52页在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。 无源滤波器 第26页/共52页28第四章 机电一体化计算机接口设计人对 象人 机接 口计 算 机I/O通 道第27页/共52页29软件去抖硬件去抖开关：OFF高电平低电平开关：ON开

12、关：OFF开关：ON发生抖动的时间在10ms以下OFFON积分后的输出史密特触发器的输出史密特触发器积分电路第28页/共52页3001234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V键盘接口方法上图示出了8031通过P1口与一个44键盘的接口电路，其中P1.7P1.4作扫描线，P1.3P1.0作输出线。第29页/共52页31键输入程序流程有键闭合？开始 调键扫描子程序，求键号，送（20H)延时10ms(A)=(20H)?键释放否？延时10ms键释放否？ 认定键号，转相应键处理子程序返回返回返回NYNYNNYYb.判断闭合键的键号 ，方法

13、为依次从P1.7P1.4送出低电平，并从其他列线送出高电平，相应地顺序读入P1.3P1.0的状态，若全为“1”，则列线输出为“0”的这一列上没有键闭合；若不全为“1”，则有键闭合。状态为低电平的键的行号加上其所在列的列首号即为该键键号。a.判断键盘上有无键闭合，其方法为在扫描线P1.7P1.4上全部送“0”，然后读取P1.3P1.0的状态，若全部为“1”，则无键闭合，若不全为“1”，则有键闭合。c.去除键的机械抖动，方法为读取键号后延时10ms,再次读键盘，若此键闭合则认为有效，否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的。d.使控制微机对键的一次闭合仅做一次处理 ，方法为等待闭合键释放后

14、再处理。第30页/共52页32 发光二极管显示器（Light Emitting Diode）的接口设计12345678abcdefgdpdpabcdefgDPYabcdefgdpCOM共阳极abcdefgdpCOM共阴极将发光二极管组成阵列，封装于标准外壳中，即发光二极管显示器（LED显示器）。以七段LED显示器最为常用。引线有共阳极与共阴极两种结构如图。人机输出接口第31页/共52页人对 象人 机接 口计 算 机I/O通 道开光量的输入输出通道设计图11 用光耦合器隔离开关信号的电路图 Ui高-A低-B低U0高Ui低-A高-B高U0低第32页/共52页第五章 伺服系统设计 在机电一体化控制系

15、统中，把输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，精确地复现输入指令的变化规律。其组成如下图：第33页/共52页伺服系统根据控制原理，即根据有无检测环节及其检测部件，可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方式图5-3 伺服系统的控制原理类型第34页/共52页A N N P KG P J1J2J3 AGK图2 晶闸管的图形符号和内部结构1) 单向晶闸管的结构第35页/共52页2)单向晶闸管导通必须同时具备两个条件：阳极与阴极之间加正向电压控制极与阴极之间加正向电压第36页/共52页（一）电阻性负载图6

16、单相半波可控整流电路及波形第37页/共52页 n控制角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用表示,也称触发角或触发延迟角。n导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。直流输出电压平均值为2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU第38页/共52页计算练习：可控整流电路中，U2=220V，RL=10,可控硅控制角=30180，求输出电压平均值UL的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值第39页/共52页 （1）由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。360/ZKm 其中：Z转子

17、齿数 m定子绕组相数 K通电系数 K=1,2例：若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角为多少？二、步进电机的控制二、步进电机的控制第40页/共52页第41页/共52页第42页/共52页 （2）驱动电源的组成脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号fABC第43页/共52页步进电机控制信号的产生硬件环分软件环分+ 功率驱动第44页/共52页 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。 1) 输出接口 8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。 输出接口是将计算机

18、的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。8031P1.0P1.1P1.2ABC驱驱动动器器 若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。第45页/共52页kMnCICCRCUCRIUnmameaeaeaaa0TtonssonavUUTtU因此可以通过改变电枢电压Ua进行调速电压的平均值为kMnCICCRCUCRIUnmameaeaeaaa0ssonavUUTtU第46页/共52页图5-25 PWM驱动电路框图第47页/共52页第48页/共52页主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器电路图: 由四个大功率晶体管T

19、 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流二极管组成的桥 式电路。H型： 又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、 Ub2、Ub3Ub4 为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS -USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（2）PWM调速系统三、直流伺服电机第49页/共52页工作原理： T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同 时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例， 既正转时。 负载较重时：电动状态：当0t t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US T1 T4 地。续流维持电动状态：在t1 t T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 变