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1、第 8章 機(jī)電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì) 學(xué)校：洛陽理工學(xué)院 學(xué)號(hào)： B08020428 姓名：鄭水清 目錄 1. 機(jī)電一體化概述 2. 檢測(cè)與傳感器 3. 步進(jìn)及伺服電機(jī) 4. 機(jī)械傳動(dòng) 5. 接口技術(shù) 6. 伺服系統(tǒng) 機(jī)電一體化概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成 構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的要素 印制線路板焊接質(zhì)量圖像檢測(cè)裝置 集成電路芯線焊接機(jī) 基于定位模塊的 PLC位置控制 硅鋼片橫剪線控制系統(tǒng) 主從驅(qū)動(dòng)方式的速度轉(zhuǎn)矩與機(jī) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成 控制部分 驅(qū)動(dòng)部分 動(dòng)力部分 傳感部分 執(zhí)行部分 控制指令 被控的機(jī)械運(yùn)動(dòng) 外界信息 構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的要素 機(jī)電一體化系統(tǒng)典型例子 機(jī)器人 印制線路板焊接質(zhì)量圖像

2、檢測(cè)裝置 印制線路板焊接質(zhì)量圖 像檢測(cè)裝置 印制線路板焊接質(zhì)量圖像檢測(cè)裝置 集成電路芯線焊接機(jī) IC芯線焊接工作臺(tái)控制框圖 IC芯線焊接工作臺(tái)技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 技術(shù)條件 項(xiàng)目 技術(shù)條件 運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量 15kg AC伺服電 動(dòng)機(jī) （低慣量電 動(dòng)機(jī)） 額定功率 100W 運(yùn)動(dòng)部分速度 125mm/s 額定轉(zhuǎn)速 1500r/min 滾珠絲杠螺距 5mm 額定轉(zhuǎn)矩 0.32Nm 滾珠絲杠直徑 14mm 光電編碼器 2500P/r （增量式） 滾珠絲杠長(zhǎng)度 150mm 減速機(jī)構(gòu) 聯(lián)軸器（慣量 0.1kgcm2） AC伺服控 制器 輸入指令方式： 正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)脈沖列 最大 60kP/s 定位精度小于 1個(gè)

3、脈沖 摩擦系數(shù) 0.05 定位性能 0.05s/2.5mm，停止 時(shí)間 0.15s 停止精度 小于 0.005mm 基于定位模塊的 PLC位置控制 基于定位模塊的 PLC位置控制 基于定位模塊的 PLC位置控制 硅鋼片橫剪線控制系統(tǒng) 提高精度可以減少片縫氣隙， 降低剪切毛刺；提高送料 速度直接影響到效率。對(duì) 硅鋼片橫剪線的要求，不 但要滿足在高速下 （ 240m/ min）的片料定位 要求，以保證 0.1mm的 尺寸精度，而且還要滿足 去毛刺（ 0.02mm）的 要求。 主從驅(qū)動(dòng)方式的速度轉(zhuǎn)矩與機(jī)械 耦合同步控制系統(tǒng) 主從驅(qū)動(dòng)方式的速度轉(zhuǎn)矩與機(jī)械 耦合同步控制系統(tǒng) 龍門機(jī)床的橫梁通常由兩根絲杠

4、驅(qū)動(dòng)。當(dāng)?shù)都芑蛑鬏S箱不在橫梁 中心點(diǎn)時(shí)，則絲杠受力是不對(duì)稱的，因而會(huì)發(fā)生橫梁的傾斜。這時(shí)要 根據(jù)刀架或主軸箱所在的位置對(duì)兩邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償， 使之平衡。 在速度 /轉(zhuǎn)矩耦合控制方式中，主動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)位置控制，從 動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)則以主動(dòng)伺服位置控制器大的輸出為速度控制指令，實(shí) 現(xiàn)速度控制。在兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)輸出中，獲得了同一個(gè)位置控制器控 制定位和同樣的速度控制作用，而保持同步。如果因某種因素，兩電 動(dòng)機(jī)輸出不同步，機(jī)械耦合機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變形應(yīng)力和應(yīng)力扭矩，應(yīng) 力扭矩測(cè)量信號(hào)經(jīng)過濾波后送到 PI調(diào)節(jié)器，其輸出根據(jù)應(yīng)力扭矩的正 或負(fù)，分別加到主、從伺服電動(dòng)機(jī)的速度指令上，改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)

5、動(dòng) 速度，從而保持同步運(yùn)行。 行車同步控制 由于行車的跨度大， 若是用一臺(tái)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)單側(cè)輪子，另 一側(cè)的輪子作為從 動(dòng)運(yùn)動(dòng)，則可能出 現(xiàn)很大的不平衡力， 產(chǎn)生歪斜，使行車 行走不穩(wěn)定 。 數(shù)控車床及內(nèi)部機(jī)構(gòu) 檢測(cè)與傳感器 概述 線位移傳感器 角位移傳感器 速度傳感器 加速度傳感器 測(cè)力傳感器 壓力傳感器 機(jī)電一體化與人 傳感器相當(dāng)于人的感覺器官，控 制器相當(dāng)于 人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu) 和驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于肌肉和關(guān)節(jié)， 接口及通信系統(tǒng)相當(dāng)于人的神 經(jīng)系統(tǒng)。要使機(jī)電一體化有效 地發(fā)揮作用，必須首先借助傳 感器獲取外 部環(huán)境和系統(tǒng)內(nèi) 部各種各樣的信息。 控制器 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)器 傳感器 接口 /通信 接口

6、 /通信 傳感器 傳感器是一種以測(cè)量為目的、以一定的精度把被測(cè) 量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于處理的另一種 物理量的測(cè)量器件。傳感器的輸出信號(hào)多為易處 理的電量，如電壓、電流、頻率等。傳感器由敏 感元件、傳感元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組成。 非電量 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 敏感元件 傳感元件 電參量 非電量 （被測(cè)量） 非電量 電量 在彈性敏感元件上粘 貼有一種稱電阻應(yīng)變片 的 傳感元件，該傳感元 件能將變形量轉(zhuǎn)換為電 阻值（電參量）的變化。 應(yīng)變片電阻值的變化由 電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸 出，電橋電路即為測(cè)量 轉(zhuǎn)換電路 因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過程中， 壓力、變形量、電阻值 及電壓均成線性關(guān)系， 因此，最終壓力與電壓 成線 性

7、對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓力 轉(zhuǎn)換成電壓后，經(jīng)過放 大等一系 列處理，由手 持式顯示器顯示出壓力 變化值。 傳感器分類 （ 1）按被測(cè)量分類 位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、加速度、溫 度、壓力、流量、流速等傳感器。 （ 2）按測(cè)量原理分類 電阻、電容、電感、光柵、熱電偶、超聲波、 激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。 很多情況下，傳感器的命名是將被測(cè)量和被 測(cè)原理相結(jié)合的，如電容式加速度傳感器，表示 該傳感器的測(cè)量對(duì)象是加速度，測(cè)量原理是電容 的變化值。 測(cè)微是指測(cè)量幾個(gè)微米 （ m）至幾個(gè)毫米（ mm）位 移量的變化。 銜鐵在線圈中伸入長(zhǎng)度的 變化將引起螺旋管線圈電感量 的變化。當(dāng)銜鐵偏離中間位置 時(shí)，兩個(gè)線圈的

8、電感量一個(gè)增 加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。 對(duì)于長(zhǎng)螺旋管，銜鐵工作 在螺旋管中部一定區(qū)域時(shí)，線 圈電感量與銜鐵移動(dòng)的微小距 離成線性關(guān)系。 差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界 影響，如溫度的變化、電源頻 率的變化等基本上可以互相抵 消，銜鐵承受的電磁吸力也較 小，從而減小了測(cè)量誤差。 電感式滾柱直徑分選裝置 2電位器式位移傳感器 電位器 式位移傳感器 是基于電阻分 壓比原理來進(jìn) 行位移測(cè)量的， 用于直線位移 的測(cè)量，最大 行程可達(dá) 500mm。 3. 電渦流位移傳感器 4. 電渦流位移傳感器應(yīng)用（ 1） 4. 電渦流位移傳感器應(yīng)用（ 2） 原理 在透射式直線光柵中，把主光 柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊 合在

9、 一起，中間留有很小的間隙， 并使兩者的柵線保持很小的夾角 在兩 光柵的刻線重合處，光從縫 隙透 過，形成亮帶；在兩光柵刻 線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用 而形成暗 帶，該亮暗帶稱摩爾條 紋。光柵水 平方向正反移動(dòng)時(shí)， 摩爾條紋上下 移動(dòng)。因?yàn)槟枟l 紋對(duì)柵距的放大作用，摩爾條紋 距離為 L（ L W），光敏元件 將摩爾條紋轉(zhuǎn)換為 脈沖信號(hào)。每 移動(dòng)一個(gè)柵距，即產(chǎn) 生一個(gè)脈沖 信號(hào)。 5. 直線光柵 輸出信號(hào) 1. 圓盤形電位器式角位移傳感器 2. 編碼器 通過測(cè)量滾珠絲杠的 角位移 ，間接獲得工作 臺(tái)的直線位移 x，構(gòu)成位 置半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 3. 絕對(duì)式測(cè)量（ ABS） 輸出 n位二進(jìn)制編碼，

10、每 一個(gè)編碼對(duì)應(yīng)唯一的角度。 二進(jìn)制編碼 碼盤 絕對(duì)式光電碼盤 增量式光電碼盤 4. 增量式測(cè)量（ INC） 輸出信號(hào)為一串脈沖，每 一 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)分辨角 ， 對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) N，就是對(duì) 的 累 加，即，角位移 N。 如： 0.352 ，脈沖 N 1000，則： 0.352 1000 352 輸出信號(hào)及分辨角 6. 編碼器在數(shù)控車床主軸控制中的應(yīng)用 主軸編碼器 主軸編碼器用于 C 軸控制 1. 測(cè)速發(fā)電機(jī) 2. 增量式光電編碼器數(shù)字測(cè)速 M法測(cè)速、 T法測(cè)速和 M/T法 測(cè)速。詳見光電編碼器的內(nèi)容。 方向 TTL 方向 TTL為高電平時(shí)，表示 CP脈沖為正 轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)脈沖；方向 TTL為低電平

11、時(shí)，表示 CP脈沖為反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)脈沖。 3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 4.電渦流轉(zhuǎn)速傳感器用于齒輪轉(zhuǎn)速測(cè) 量的工程實(shí)例 5. 電渦流式（電感式 ）接近開關(guān)在位置限位中 的應(yīng)用 電渦流接近開關(guān)（電感接近開關(guān)）的 工作原理 5. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理 磁鐵和開關(guān)型霍爾 IC保持一定的間隙且固定不 動(dòng)，軟鐵分流翼片隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)翼片轉(zhuǎn)到磁 鐵與霍爾 IC之間時(shí)，磁場(chǎng)被屏蔽，霍爾 IC輸出高電 平，反之為低電平。隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾 IC輸出 一串脈沖，且轉(zhuǎn)速越快，脈沖頻率 f（ Hz）越大。 若翼片數(shù)為 Z，則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 n（ r/min）為： n=60f / Z 6. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用 若汽車在剎車

12、時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。 用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)和保持車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)， 有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。 7. 霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng) 方向垂直于薄片，當(dāng)有電流 I 流過薄片時(shí)，在垂直于 電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) EH 這種現(xiàn)象稱為 霍爾效應(yīng)。 1壓電式振動(dòng)加速度傳感器 壓電式振動(dòng)加速度傳 感器是一種接觸式測(cè)量的 傳感器。當(dāng)傳感器與被測(cè) 振動(dòng)加速度的機(jī)件緊固在 一起后，傳感器受機(jī)械運(yùn) 動(dòng)的振動(dòng)加速度作用，壓 電晶片受到質(zhì)量塊慣性引 起的壓力，大小由 F ma 決定。慣性引起的壓力作 用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷， 電荷由引出電極輸出，由 此將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成電

13、 參量。 2壓電晶片 某些電介質(zhì)在沿一定 方向上受到外力作用而變 形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn) 象，同時(shí)在其表面會(huì)產(chǎn)生 電荷，產(chǎn)生的電荷量與所 受外力的大小成正比；當(dāng) 外力去掉后又重新回到不 帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱 為壓電效應(yīng)。具有壓電效 應(yīng)的電介質(zhì)有石英晶體、 壓電陶瓷等。壓電效應(yīng)產(chǎn) 生的電荷經(jīng)電荷放大器放 大后轉(zhuǎn)換成電壓值。 3振動(dòng)的時(shí)域和頻譜分析 頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標(biāo) 為頻率 f，縱坐標(biāo)可以是加速度， 也可以是振幅或功率等。它反映 了在頻率范圍之內(nèi)，對(duì)應(yīng)于每一 個(gè)頻率分量的幅值。 頻域波形 時(shí)域波形 頻域波形 4頻譜分析法進(jìn)行故障診斷 5電容式加速度傳感器 6電容式加速度傳感器 使用加速

14、度傳感器可以 在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制 系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 圖示加速度傳感器以微細(xì) 加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交 變加速度振動(dòng)），也可測(cè)量慣 性力或重力加速度。其工作電 壓為 2.7 5.25V，加速度測(cè)量 范圍為數(shù)個(gè) g，可輸出與加速 度成正比的電壓，也可輸出占 空比正比于加速度的 PWM 脈 沖。 1. 應(yīng)變片 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下會(huì)產(chǎn)生 機(jī)械變形，其電阻值也將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn) 象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻絲或半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻 相對(duì)變化量 R/R與材料力學(xué)中的軸相應(yīng)變 x 的關(guān) 系在很大范圍內(nèi)是線性的。 2. 電橋平衡電路 電橋平衡條件 ： R1/R2=R4/R3 調(diào)節(jié) RP

15、，最終可以 使 R1 /R2 =R4 /R3 （ R1 、 R2 是 R1 、 R2 并聯(lián) RP后的等效電阻），電 橋趨于平衡， Uo 被預(yù)調(diào) 到零位，這一過程稱為調(diào) 零。圖中的 R5 是用于減 小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。 3. 彈性敏感元件 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類： 4. 應(yīng)變式荷重傳感器 F 5. 荷重傳感器稱重 1. 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴(kuò)散工藝制作的四 個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一 硅片上（俗稱“硅杯”）， 工藝一致性好，靈敏度相等， 漂移抵消，遲滯、蠕變非常 小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 2. 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 3. 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器 當(dāng)硅杯兩側(cè)有壓力差時(shí)， 硅杯產(chǎn)生變形， 4個(gè)

16、應(yīng) 變片阻值發(fā)生變化， 經(jīng)電橋電路輸出與壓 差成正比的電壓。 當(dāng)硅杯兩側(cè)有壓力差時(shí)，硅 杯產(chǎn)生變形， 4個(gè)應(yīng)變片阻值發(fā) 生變化，經(jīng)電橋電路輸出與壓差 成正比的電壓。 步進(jìn)及伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性 交流伺服電動(dòng)機(jī) SPWM基本原理 交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)例 徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 三相三段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) 軟件環(huán)形分配 步進(jìn)電機(jī)實(shí)例 直流無刷電動(dòng)機(jī) BLDCM 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī) （ PMSM） 機(jī) 械 傳 動(dòng) 機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)給傳動(dòng)方案 雙矩形導(dǎo)軌導(dǎo)向方式 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 圓形導(dǎo)軌 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠與進(jìn)給電機(jī)的連接 直線電機(jī) 機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)給傳動(dòng)方案 雙矩形導(dǎo)軌導(dǎo)向方式 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌形式 弧形滾動(dòng)導(dǎo)軌 X-Y十字工作臺(tái) 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副類型 密珠軸承 空氣靜壓軸承 同步齒形帶 諧波齒輪變速器 諧波齒輪變速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 滾珠絲杠與進(jìn)給電機(jī)的連接 直線電機(jī) 直線電機(jī)在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用 伺 服 系 統(tǒng) 伺服系統(tǒng)組 開環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線 機(jī)電匹配 伺服系統(tǒng)組成 開環(huán)伺服系統(tǒng)組成 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成 閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成 全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)總線 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)總線 伺服電機(jī)運(yùn)行模式 伺服電機(jī)運(yùn)行模式 機(jī)電匹配實(shí)例