机电一体化 课件PPT课件02.ppt
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机机电一体化系一体化系统设计 机机电一体化构成要素一体化构成要素 目目 录v绪论v机机械械系系统设计v传感感检测系系统设计v控控制制电动机机及及其其选择计算算v工工业控控制制计算算机机及及接接口口设计v应用用举例例 绪 论第一第一节 机机电一体化概念一体化概念一、机一、机电一体化概念一体化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品） 二、机二、机电一体化一体化产品品录录像像机机 v 数控机床、机器人、自数控机床、机器人、自动生生产设备v生生产用机用机电一体化一体化产品品 柔性生柔性生产单元、自元、自动组合生合生产单元元v FMS、无人化工厂、、无人化工厂、CIMSv 微机控制汽微机控制汽车、机、机车等交通运等交通运输工具工具v运运输、包装及工程用机、包装及工程用机电一体化一体化产品品 数控包装机械及系数控包装机械及系统v 数控运数控运输机械及工程机械机械及工程机械设备v 自自动仓库v储存、存、销售用机售用机电一体化一体化产品品 自自动空空调与制冷系与制冷系统及及设备v 自自动称量、分称量、分选、、销售及售及现金金处理系理系统v 自自动化化办公公设备v社会服社会服务性机性机电一体化一体化产品品 动力、医力、医疗、、环保及公共服保及公共服务自自动化化设备v 文教、体育、文教、体育、娱乐用机用机电一体化一体化产品品v 微机或数控型耐用消微机或数控型耐用消费品品v家庭用机家庭用机电一体化一体化产品品 炊事自炊事自动化机械化机械v 家庭用信息、服家庭用信息、服务设备v 测试设备v科研及科研及过程控制用机程控制用机电一体化一体化产品品 控制控制设备v 信息信息处理系理系统v农、林、牧、、林、牧、渔及其它民用机及其它民用机电一体化一体化产品品v航空、航天、国防用武器装航空、航天、国防用武器装备等机等机电一体化一体化产品品 三、机三、机电一体化一体化产品的表品的表现形式形式1.机械的机械的电子化子化 （（1）在原有机械系）在原有机械系统的基的基础上采用微型上采用微型计算机控制装置，使系算机控制装置，使系统的性能提高，功的性能提高，功能增能增强。
例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自度自动控制洗控制洗涤过程，从而程，从而实现节水、水、节电、、节时、、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子 （（2）用）用电子装置局部替代机械子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，装置和机械控制装置，简化化结构，增构，增强控制灵控制灵活性例如，数控机床的活性例如，数控机床的进给系系统采用伺服系采用伺服系统，，简化了化了传动链，提高了，提高了进给系系统的的动态性能；将性能；将传统电机的机的电刷用刷用电子装置替代形成的无刷子装置替代形成的无刷电机，具有性能可机，具有性能可靠、靠、结构构简单、尺寸减小等、尺寸减小等优点 （（3）用）用电子装置完全替代原来子装置完全替代原来执行信息行信息处理功能的机构，既减化了理功能的机构，既减化了结构，又极大构，又极大地丰富了信息地丰富了信息传输的内容，提高了速度例如，石英的内容，提高了速度例如，石英电子子钟表、表、电子秤、按子秤、按键式式等 （（4）用）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。
例如，子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力例如，电火花加工机火花加工机床、床、线切割加工机床、激光加工机床等切割加工机床、激光加工机床等2.机机电技技术完全融合形成新型机完全融合形成新型机电一体化一体化产品品 生生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的机械中的激光快速成形机；信息机械中的机、打印机、复印机；真机、打印机、复印机；检测机机械中的械中的CT（（计算机断算机断层扫描描诊断装置）断装置）扫描描诊断断仪、、扫描隧道描隧道显微微镜等 C650卧式车床外形图1— 主轴变速箱 2—溜板与刀架 3—尾座 4—床身 5—丝杠 6—光杠 7—溜板箱 8—进给箱 9—挂轮箱 效益分析效益分析 第二第二节 机机电一体化构成要素及相关技一体化构成要素及相关技术一、构成要素一、构成要素 二、相关技二、相关技术1.机械技机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。
2 .传感感检测技技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息 3 信息信息处理技理技术 实现信息信息处理的主要工具是理的主要工具是计算机算机，，计算机技算机技术包括包括计算机的算机的软件技件技术、硬件、硬件技技术、网、网络与通与通讯技技术和数据技和数据技术机电一体化系一体化系统中主要采用中主要采用工工业控制机控制机（包（包括可括可编程控制器，程控制器，单、多回路、多回路调节器，器，单片微控制器，片微控制器，总线式工式工业控制机，分布控制机，分布式式计算机算机测控系控系统））进行信息行信息处理信息处理的理的发展方向是提高信息展方向是提高信息处理的理的速度、速度、可靠性和智能化程度可靠性和智能化程度人工智能技人工智能技术、、专家系家系统技技术、神、神经网网络技技术等都属于等都属于计算机信息算机信息处理技理技术的范畴4 自自动控制技控制技术 自自动控制所依据的理控制所依据的理论是是自自动控制原理控制原理（包括（包括经典控制理典控制理论和和现代控制理代控制理论），），自自动控制技控制技术就是在此理就是在此理论的指的指导下下对具体控制装置或控制系具体控制装置或控制系统进行行设计；；设计后后进行系行系统仿真仿真，，现场调试；最后使；最后使研制研制的系的系统可靠地投入运行。
可靠地投入运行 机机电一体化一体化系系统中的自中的自动控制技控制技术主要包括主要包括位置控制、速度控制、最位置控制、速度控制、最优控制、自适控制、自适应控制以控制以及模糊控制、神及模糊控制、神经网网络控制等 5 伺服伺服传动技技术伺服伺服传动包括包括电动、气、气动、液、液压等各种等各种类型的型的传动装置常装置常见的伺服的伺服驱动系系统主要主要有有电气伺服（如步气伺服（如步进电机、直流伺服机、直流伺服电机、交流伺服机、交流伺服电机机等）和等）和液液压伺服（如液伺服（如液压马达、脉冲油缸达、脉冲油缸等）两等）两类6 系系统总体技体技术 机机电一体化系一体化系统是一个技是一个技术综合体，它利用系合体，它利用系统总体技体技术将各有关技将各有关技术协调配合、配合、综合运用而达到整体系合运用而达到整体系统的最佳化的最佳化 三、学科构成三、学科构成 四、机四、机电电一体化系一体化系统设计统设计方法方法v1. 1. 取代法取代法 取取代代法法就就是是用用电电气气控控制制取取代代原原系系统统中中的的机机械械控控制制机机构构该该方方法法是是改改造造旧旧产产品品、、开开发发新新产产品品或或对原原系系统进行行技技术改改造造常常用用的的方方法法,也也是是改改造造传统机械机械产品的常用方法。
品的常用方法 v2. 2. 整体整体设计法法 整整体体设计法法主主要要用用于于新新产品品的的开开发设计在在设计时完完全全从从系系统的的整整体体目目标出出发, ,考考虑各各子子系系统的的设计 v3.3.组合法合法 组合合法法就就是是选用用各各种种标准准功功能能模模块组合合设计成成机机电一一体体化化系系统例例如如, ,设计一一台台数数控控机机床床, ,可可以以依依据据机机床床的的性性能能要要求求, ,通通过对不不同同厂厂家家的的计算算机机控控制制单元元、、伺伺服服驱动单元元、、位位移移和和速速度度测试单元元及及主主轴、、导轨、、刀刀架架、、传动系系统等等产品品的的评估估分分析析, ,研研究究各各单元元间接接口口关关系系和和各各单元元对整整机机性性能能的的影影响响,通通过优化化设计确定机床的确定机床的结构构组成 第三第三节 机机电一体化一体化发展方向展方向一、机一、机电一体化特点一体化特点1、体体积小，重量小，重量轻 2、速度快，精度高、速度快，精度高3、可靠性高、可靠性高4、柔性好、柔性好 二、二、发展方向展方向1、复合化、复合化2、小型化，、小型化，轻量化量化3、高速化、高速化4、移、移动化化5、智能化、智能化6、、层次化和系次化和系统化化7、全、全盘化化总之，性能上之，性能上: :向高精度、高效率、高性能、智能化方向向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；展； 功能上：向小型化、功能上：向小型化、轻型化、多功能方向型化、多功能方向发展展; 层次上：向系次上：向系统化、复合集成化方向化、复合集成化方向发展。
展 机械系机械系统设计 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制 第一第一节 机械机械传动系系统的特性的特性 一、机一、机电一体化一体化对机械机械传动的要求的要求 1、高精度2、快速响应3、良好的稳定性二、二、机械机械传动系系统的特性的特性转动惯量小量小 摩擦小摩擦小 阻尼合适阻尼合适 刚度大度大 抗振性能好抗振性能好 间隙小隙小 转动惯量大会是机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低刚度大，失动量小提高刚度可增加闭环系统的稳定性 第二第二节 机械机械传动装置装置 1 齿轮2 同步齿形带传动 3 滚珠丝杠4 滚珠花键5 谐波齿轮减速器 提高提高传动精度的精度的结构措施构措施提高传动精度的结构措施有：(1)适当提高零部件本身的精度；(2)合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响〔3)采用消隙机构．以减少或消除空程。
合理设计传动链方法(1)合理选择传动型式(2)合理确定级数和分配各级传动比(3)合理布置传动链 合理确定合理确定级级数和分配各数和分配各级传动级传动比比 合理布置合理布置传动链传动链 齿轮传动间隙的消除措施隙的消除措施由于数控由于数控设备进给系系统经常常处于自于自动变向状向状态，反向，反向时如果如果驱动链中的中的齿轮等等传动副存在副存在间隙，就会使隙，就会使进给运运动的反向滞后于指令信号，从而影响其的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度因此必因此必须采取措施消除采取措施消除齿轮传动中的中的间隙，以提高数控隙，以提高数控设备进给系系统的的驱动精度 1. 圆柱柱齿轮传动(1) 双片薄双片薄齿轮错齿法法 (2) 偏心偏心轴套套调整法整法 电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙 (3) 锥度度齿轮调整法整法 在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化（其外形类似于插齿刀）装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。
2. 斜斜齿轮传动 图7-29是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工装配时，将垫片厚度增加或减少Δt，然后再用螺母拧紧这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙 轴向向压簧簧错齿调整法整法，，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑 同步同步齿形形带传动 同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图所示，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机械上亦有应用 滚珠珠丝杠螺母副机构杠螺母副机构 （1）滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，如图7-13所示图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。
为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动 滚珠珠丝杠副的特点杠副的特点1）传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杠副的传动效率η＝～，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/32）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件5）磨损小，使用寿命长6）制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高 7）不能自锁特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置 滚珠珠丝杠副杠副轴向向间隙的隙的调整整 (a)垫片调隙式（图7-18） 通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。
(b)螺螺纹调隙式（隙式（图7-20））其中其中一个螺母的外端有凸一个螺母的外端有凸缘而另一个螺而另一个螺母的外端没有凸母的外端没有凸缘而制有螺而制有螺纹，它，它伸出套筒外，并用两个伸出套筒外，并用两个圆螺母固定螺母固定着旋转圆螺母螺母时，即可消除，即可消除间隙，隙，并并产生生预拉拉紧力，力，调整好后再用另整好后再用另一个一个圆螺母把它螺母把它锁紧 (c)齿差差调隙式隙式（（图7-20）在两）在两个螺母的凸个螺母的凸缘上各制有上各制有圆柱柱齿轮，，两者两者齿数相差一个数相差一个齿，并装入内，并装入内齿圈中，内圈中，内齿圈用螺圈用螺钉或定位或定位销固定在套筒上固定在套筒上调整整时，先取下，先取下两端的内两端的内齿圈，当两个圈，当两个滚珠螺母珠螺母相相对于套筒同方向于套筒同方向转动相同相同齿数数时，一个，一个滚珠螺母珠螺母对另一个另一个滚珠珠螺母螺母产生相生相对角位移，从而使角位移，从而使滚珠螺母珠螺母对于于滚珠珠丝杠的螺旋杠的螺旋滚道道相相对移移动，达到消除，达到消除间隙并施加隙并施加预紧力的目的力的目的 滚珠珠丝杠副的杠副的标注方法注方法 × — — 循环方式 预紧方式 公称直径 基本导程 负荷滚珠总圈数 精度等级 螺纹旋向 浮动式 F 双螺母齿差预紧 C内循环 双螺母垫片预紧 D 固定式 G 预紧方式 双螺母螺纹预紧 L 单螺母变导程自预紧B 插管式 C外循环 螺旋槽式 L螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。
例例 CTC63×10——×1600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数圈，精度等级级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm 传感感检测系系统设计第一节 传感器一、传感器分类被被测测对对象象传传感器感器信号信号调调理理传输传输信号信号处处理理显显示示记录记录控制控制系系统统 二、机二、机电电一体化一体化对检测对检测系系统统的基本要求：的基本要求：精度、灵敏度、分辨率高；精度、灵敏度、分辨率高；线线性、性、稳稳定性和重复性好；定性和重复性好；抗干抗干扰扰能力能力强强；；静、静、动态动态特性好此外，要求体此外，要求体积积小、小、质质量量轻轻、价格便宜、便于安装与、价格便宜、便于安装与维维修，耐修，耐环环境性能好等境性能好等三、三、传传感器特性：感器特性：静静态态特性：特性：1 1、、线线性度性度：：传传感器感器实际实际特性曲特性曲线线与与拟拟合直合直线线之之间间的偏差的偏差 2 2、、灵敏度灵敏度：：输输出出变变化化对输对输入入变变化的比化的比值值 3 3、、迟迟滞性滞性：在正反行程期：在正反行程期间输间输入入——输输出特性曲出特性曲线线不重合程度不重合程度 4 4、、重复性重复性：：输输入量按同一方向多次入量按同一方向多次测试时测试时所得特性曲所得特性曲线线的不重合的不重合程度程度动态动态特性：特性：传递传递函数、函数、时间时间响响应应函数、函数、频频率响率响应应函数、脉冲响函数、脉冲响应应函数。
函数 四、四、传感器感器选用原用原则 快速、准确、可靠、经济的获取信号1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高3）精度适当、稳定性高4）反应速度快、工作可靠5）实用性和适应性强6）使用经济 第二第二节 位移位移测量量传感器感器一、电容传感器1. 变极距型电容传感器 ： 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作 2. 变面积型电容传感器 ：原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化 这种传感器的输出特性呈线性因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移 3．变介质型电容传感器 原理结构如图图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度 二、二、电感式感式传感器感器将被将被测量量转换为电感量感量变化的装置化的装置变换原理：原理：电磁感磁感应原理。
原理按按变换方式的不同分方式的不同分为自感型（可自感型（可变磁阻式与磁阻式与涡流式流式)与互感型与互感型(差差动变压器）器）1、自感型、自感型（一）可（一）可变磁阻式磁阻式 1——线圈 2——铁心 3——衔铁 由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作 （二）（二）涡流式流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应金属板置于一线圈附近，相互间距为当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。
应用：可用于动态非接触测量用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响 2、互感型：、互感型：差差动变压器式器式 原理：将被测位移转换成线圈互感变化注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比只反映铁心位移大小，不反映移动极性 2、零点残余电压原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成铁心处在中间位置时，输出不为零解决办法：后接电路应用：位移测量仪 光光栅 光栅是一种新型的位移检测元件，它的持点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等 把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜 一 个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图3-18所示 主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。
感感应同步器同步器 在两个相在两个相在两个相在两个相对对放置的板上刻有如放置的板上刻有如放置的板上刻有如放置的板上刻有如图图所示的所示的所示的所示的绕组绕组，当在滑尺的两个，当在滑尺的两个，当在滑尺的两个，当在滑尺的两个绕组绕组中分中分中分中分别别加上激励加上激励加上激励加上激励电压时电压时，，，，则则在定尺在定尺在定尺在定尺绕组绕组中就中就中就中就产产生感生感生感生感应电应电势势，其幅，其幅，其幅，其幅值值决定于决定于决定于决定于绕组绕组的相的相的相的相对对位置 光电编码器 将机械将机械转动转动的模的模拟拟量量转换转换成旋成旋转转角度的数字角度的数字电电信号，信号，进进行角位移行角位移检测检测的的传传感器称感器称为编码为编码器编码编码器的种器的种类类很多，根据很多，根据检测检测原原理，它可以分理，它可以分为电为电磁式、磁式、电电刷式、刷式、电电磁感磁感应应式及光式及光电电式等由于光于光电编码电编码器具有非接触和体器具有非接触和体积积小的特点，且分辨率很高，在旋小的特点，且分辨率很高，在旋转转一周内已能一周内已能产产生数百万个脉冲，因此，它是目前生数百万个脉冲，因此，它是目前应应用最用最为为广广泛的一种泛的一种编码编码器。
光器光电编码电编码器在数控机床、机器人的位置控制、机床器在数控机床、机器人的位置控制、机床进给进给系系统统的控制以及角度的的控制以及角度的测测量、通量、通讯讯及自及自动动化控制等方化控制等方面部面部发挥发挥着重要的作用着重要的作用 第三第三节 速度、加速度速度、加速度传感器感器一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是—台微型的直流发电机直流测速机的持点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷相换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大 测速机的结构有多种，但原理基本相同图所示为永磁式测速机原理电路图恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势 直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件在使用中，为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机轴上，有的电机本身就已安装了测速机 二、光二、光电式式转速速传感器感器 光电式转速传感器是由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图3-25所示光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上 当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测出转速为 n=60N/ZtZ一一圆盘 上的缝隙数；n——转速(r／min)；t——测量时间(s)。
第四第四节 位置位置传感器感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了位置传感器分接触式和接近式两种所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某—物体的一种传感器一、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成二、接近式位置传感器 接近式位置传感器按其上作原理主要分：①电磁式；②光电式；③静电容式；④气压式；⑤超声波式其基本工作原理可用图3—38表示出来 接近传感器在工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、金库等重要场合也都装有各式各样的接近传感器在一般工业生产自动控制中大都采用涡流式或电容式接近传感器在环境比较好的场合，可采用光电式接近传感器而在防盗系统中，大都使用红外热释电接近传感器、超声波接近传感器和微波接近传感器有时为了提高识别的可靠性，几种接近传感器可以复合使用 图图3—253—25是生是生产线产线工件工件计计数装置的示意数装置的示意图图。
接近接近传传感器感器设设置在工件置在工件传传送送带带的一的一侧侧，当，当传传送送带带运行运行时时，一个个工件，一个个工件经过经过接近接近传传感感器，当工件靠近接近器，当工件靠近接近传传感器感器时时，，传传感器感器输输出脉冲开关信号，出脉冲开关信号，该该信号可直接送往信号可直接送往计计数器数器进进行行计计数 第五第五节 传感器信号感器信号处理理 测量放大器量放大器在许多检测技术应用场合．传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器 程控增益放大器程控增益放大器 经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理当模拟信号送到模数变换器时．为减少转换误差．一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用A／D变换器进行模数转换时，在A／D输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。
为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换 图为利用利用AD521测量放大器与模量放大器与模拟开关开关结合合组成的程控增益放大器，通成的程控增益放大器，通过改改变其外接其外接电阻阻RG的的办法来法来实现增益控制增益控制 隔离放大器隔离放大器 在有在有强电或或强电磁干磁干扰的的环境中，境中，为了防止了防止电网网电压等等对测量回路的量回路的损坏，坏，其信号其信号输入通道采用隔离技入通道采用隔离技术，能完成，能完成这种任种任务，具有，具有这种功能的放大器称种功能的放大器称为隔离放大器隔离放大器 传感器接口技感器接口技术 控制控制电动机及其机及其选择计算算第一第一节 执行元件分行元件分类 液液压系系统 气气压系系统 气气压系系统的基本的基本组成成直直线线气缸气缸摆动摆动气缸气缸气气马马达达气爪气爪继电继电器器定定时时器器电电子元件子元件计计数器数器顺顺序控制器序控制器气气动动控制元件控制元件气源气源气源气源处处理装置理装置 压压力力控制控制阀阀 方向方向控制控制阀阀 流量流量控制控制阀阀 驱动驱动装置装置 操作装置操作装置指示装置指示装置 检测检测装置装置控制控制( (运算运算) ) 回路回路按扭开关按扭开关选择选择开关开关按扭按扭阀阀指示器指示器计计数器数器蜂蜂鸣鸣器器限位开关限位开关限位限位阀阀接近开关接近开关传传感器感器压压力开关力开关真空开关真空开关速度控制速度控制阀阀缓缓冲冲阀阀快速排气快速排气阀阀电电磁磁阀阀气控气控阀阀人工人工换换向向阀阀机控机控换换向向阀阀减减压阀压阀增增压阀压阀安全安全阀阀空气空气压缩压缩机机过滤过滤器器油油雾雾器器油油雾雾分离器分离器驱动驱动部分部分部分部分控制部分控制部分控制部分控制部分检测检测部分部分部分部分 气气压系系统与液与液压系系统的比的比较 ( 1)空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。
(2)空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制 (3)工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求 (4)对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点 (5)维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点：(1)气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置．并且信号产生较大失真和延迟，也不便于构成十分复杂的回路但这个缺点对生产过程不会造成困难 (2)空气的压缩性远大干液压油的收缩性，精度较低 (3)气压传动的效率比液压传动还要低，且噪声较大 (4)工作压力较低，不易获得大的推力气压传动出力不如液压传动大； 执行元件特点行元件特点应用：液压系统用于需大的功率重型设备 气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线 电动应用最广泛 伺服伺服电机控制方式机控制方式 伺服伺服电机比机比较 第二第二节 步步进电动机机一、一、步步进电动机的机的结构和工作原理构和工作原理它与普通它与普通电动机一机一样，也是由定子和，也是由定子和转子构成，其中定子又分子构成，其中定子又分为定子定子铁心和定子心和定子绕组。
定子定子铁心由心由电工工钢片叠片叠压而成，定子而成，定子绕组是是绕置在定子置在定子铁心心6个均匀分布的个均匀分布的齿上上的的线圈，在直径方向上相圈，在直径方向上相对的两个的两个齿上的上的线圈串圈串联在一起，构成一相控制在一起，构成一相控制绕组图6-1所示的步所示的步进电动机可构成机可构成A、、B、、C三相控制三相控制绕组，故称三相步，故称三相步进电动机机1-绕组 2-定子定子铁心心 3-转子子铁心心图6-1 反反应式步式步进电动机机结构原理构原理图 步步进电动机的工作原理机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿逆时针方向转过，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地逆时针转动若通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将顺时针转动30这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15。
步步进电机特点机特点（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；（4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： = 360/mzk 式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2对于图6-1所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为=360/3×4×1=30若按三相六拍通电方式工作，则步距角为=360/3×4×2=15步距角：常见的步距角000000 ,10/200/30 等 例：某步进电机有80个齿, 采用3相6拍方式驱动, 经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动, 丝杠的导程为6mm求:1、步进电机的步矩角2、当脉冲当量要求为时,试设计此传动系统 i=Z2/Z1=αL/360δδ=αL/360i 1、k=6/3=2á= 360/mzk =360/3×80×。
2、I=Z2/Z1=αL/360δ×6/360×0.01=2/1可选Z1=20，Z2=40，模数的齿轮传动副 例 将改造一台C620车床，其纵向丝杠的螺距t=12mm，采用110BF003型步进电动机，步距α°，系统规定的纵向步进当量ι，计算步进电动机与纵向丝杠之间的联接传动比解：根据式（7-1） 可选 ，模数的齿轮传动副当i为小数时，则可采用挂轮 例：三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多少? 步步进电机分机分类v反反应式步式步进电机机：定子：定子转子均有子均有铁心心组成，成，转子无子无绕组，，步步进运行由定子运行由定子绕组通通电历磁磁产生的反生的反应力矩作用力矩作用实现v 特点特点：：结构构简单，工作可靠，运行，工作可靠，运行频率高，步距角小率高，步距角小v应用用：数控：数控设备，机器人v永磁式步永磁式步进电机机：：转子用永磁子用永磁铁，靠与定子，靠与定子产生生电磁力磁力v特点特点：控制功率小，效率高，造价低，但步距角大。
控制功率小，效率高，造价低，但步距角大v应用用：：记录仪，空，空调机v混合式步混合式步进电机机：：转子有子有齿，，带固定极性固定极性v特点特点：步距角小，工作：步距角小，工作频率高，控制功率小但率高，控制功率小但结构复构复杂，成本高 步步进电机机 步步进电机机驱动电源源 脉冲分配 脉冲分配脉冲分配 软件脉冲分配件脉冲分配 软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转 反转 C B A TAB A0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H 四、步四、步进电动机的功率放大机的功率放大 1．．单电压功率放大功率放大电路路 此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。
2．高低．高低电压功率放大功率放大电路路电源U1为高电压，电源大约为80～150V，U2为低电压电源，大约为5～20V在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定值到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性 该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出电平的高低，来决定Vin信号能否通过与门A2若Vref>Vf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，Vref 这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动 3．．斩波恒流功放波恒流功放电路路 步步进电机机驱动电源源总结作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮流作用于各相励磁线圈上2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序变化来实现的3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立，而在断电时电流能快速消失 五、步五、步进电机的机的选择 1 1、步距角的、步距角的选择选择 电电机的步距角取决于机的步距角取决于负载负载精度的要求，将精度的要求，将负载负载的最小分辨率（当量）的最小分辨率（当量）换换算到算到电电机机轴轴上，每个当量上，每个当量电电机机应应走多少角度（包括减速）走多少角度（包括减速）电电机的步距角机的步距角应应等于或小于此角度目前市等于或小于此角度目前市场场上步上步进电进电机的步距角一般有度度（五相机的步距角一般有度度（五相电电机）、度度（二、四相机）、度度（二、四相电电机）、度机）、度/3/3度度 （三（三相相电电机）等2 2、静力矩的、静力矩的选择选择 （（1 1）根据机械）根据机械结结构草构草图计图计算机械算机械传动传动装置及装置及负载负载折算到折算到电动电动机机轴轴上的等效上的等效负载转动惯负载转动惯量。 量2 2））计计算各种工况下所需的等效力矩算各种工况下所需的等效力矩3 3）根据步）根据步进电进电机最大静机最大静转转矩和起矩和起动动、运行矩、运行矩频频特性 T TL L/T/TMaxMax≤0.5 J≤0.5 JL L/J/Jmm≤4≤43 3、、电电流的流的选择选择静力矩一静力矩一样样的的电电机，由于机，由于电电流参数不同，其运行特性差流参数不同，其运行特性差别别很大，可依据矩很大，可依据矩频频特性曲特性曲线图线图，判断，判断电电机的机的电电流（参考流（参考驱动电驱动电源、及源、及驱驱动电压动电压）） 第三第三节 直流伺服直流伺服电动机机 直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用 直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。 一、 特点1、稳定性好2、可控性好3、响应迅速4、控制功率低，损耗小5、转矩大 直流伺服直流伺服电动电动机的机的结结构与一般的构与一般的电电机机结结构相似，也是构相似，也是由定子、由定子、转转子和子和电电刷等部分刷等部分组组成，在定子上有励磁成，在定子上有励磁绕组绕组和和补偿绕组补偿绕组，，转转子子绕组绕组通通过电过电刷供刷供电电由于转转子磁子磁场场和和定子磁定子磁场场始始终终正交，因而正交，因而产产生生转转矩使矩使转转子子转动转动 直流伺服直流伺服电机控制机控制 二、二、 驱动与控制与控制 一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等目前常用晶体管驱动和晶闸管直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PwM) 一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合一、晶闸管直流调速驱动 二、脉二、脉宽调制放大器制放大器(PwM) PWM放大器的优点是功率管工作在开关状态，管耗小。 它的基本原理是：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(例如2000HZ)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，如图4—18所示锯齿波发生器的输出电压vA和直流控制信号vIN进行比较同时，在比较器的输入端还加入一个调零电压v0，当控制电压vIN为零时，调节vo使比较器的输出电压为正、负脉冲宽度相等的方波信号，如图4—19(a)所示当控制信号vIN为正或负时，比较器输入端处的锯齿波相应地上移或下移，比较器的输出脉冲也随着相应改变，实现了脉宽调制，如图4—19(b)、(c)所示 第四第四节 交流伺服交流伺服电动机机 与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电动机的特点是：它不需要电刷和换向器，因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病此外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小缺点是：输出功率和转矩较小；转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也较直流伺服电动机为低银狐工控网自动化、企业信息化—中国工控网-运动控制专栏-中国工业控制及自动化领域权威咨询、资讯传媒!一、交流伺服电动机种类1、同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机，又称无刷直流伺服电动机。 特点：无接触换向部件 需要磁极位置检测器（如编码器） 具有直流伺服电动机的全部优点2、感应型（IM）：笼型感应电动机特点：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制具有直流伺服电动机的全部优点 用于自用于自动焊动焊机中保持机中保持电电弧弧长长度度稳稳定，其原理如定，其原理如图图4—344—34所示交流伺服所示交流伺服电电机机sLsL经经减速器减速器2 2带动焊带动焊条条8 8的移的移动动装置装置3 3为为保保证焊证焊接接质质量，要求自量，要求自动焊动焊机在整个机在整个焊焊接接过过程中能程中能够够自自动调节电动调节电弧弧长长度，使度，使电电弧弧稳稳定地燃定地燃烧烧当电电弧弧长长度符合要求度符合要求时时，反，反馈馈的弧的弧压压u up p和和给给定定电压电压u u相等，通相等，通过过比比较较器器4 4得偏差信号＝得偏差信号＝o o，伺服，伺服电电机不机不转动转动如果外界干如果外界干扰扰使弧使弧长变长长变长或或变变短，反短，反馈馈弧弧压压upup相当于相当于增大或减小，偏差信号增大或减小，偏差信号经经放大器放大器1 1送入送入电电机机sLsL的控制的控制电压电压的相序的相序发发生改生改变变，使控制伺服，使控制伺服电电机正机正转转或反或反转转，，经经移移动动装置装置3 3带动带动焊焊条条8 8上下移上下移动动，以保持，以保持电电弧弧长长度恒定。 度恒定应用举例 二、交流伺服二、交流伺服电动机机调速速 变频调速速 间接变换方式 （交－直－交变频）变频方式 直接变换方式（交－交变频） 交－直－交变频是把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机目前常用的通用变频器即属于交－直－交变频，其基本结构原理如图4－12由图可知，变频器主要由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成变频器还有丰富的软件，各种功能主要靠软件来完成 交流电源 交流电源 电压频率可变 中中间间直流直流环节环节逆逆变变器器整流器整流器控控 制制 电电 路路 变频器的分类方式很多，除了按电源变换方式分类外，还可以按逆变器开关方式来分类，即PAM方式和PWM方式。 PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲振幅调制）控制的简称； PWM控制是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的目前在变频器中多采用正弦波PWM控制方式，即通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正弦波，这种方式也被称为SPWM控制变频器还可以按控制方式分为V/F（电压/频率）控制、转差频率控制和矢量控制三种其中，V/F控制属于开环控制，而转差控制和矢量控制属于闭环控制，二者的主要区别在于V/F控制方式中没有进行速度反馈，而在转差频率控制方式和矢量控制方式利用了速度传感器的速度闭环控制 三、三、 交流伺服交流伺服电动机的机的选择1、交流伺服电动机的初选择(1)首先考虑电动机能够提供负载所需的转矩和转速就是能够提供克服峰值负载所需的功率Pm～2.5)TLPnLP/159η其次，当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电机的热额定问题，通常用负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础。 Pm～2.5)TLrnLr/159η (2)发热校核校核TN≥TLr (3)转矩矩过载校核校核(TL)max≤(Tm)max过载转矩矩(Tm)max=λTn额定力矩定力矩2.伺服系伺服系统惯量匹配原量匹配原则1））惯量量较小的系小的系统1 化v电梯梯专用矢量用矢量变换控制控制变频器器：：实现缓慢平慢平稳的升降速的升降速v高高频变频器器：用于超精密加工、高速：用于超精密加工、高速电动机如专用脉冲用脉冲调幅型幅型变频器，器，频率达率达3kHZ，，对应转速速 18 × 104r/min 变频器器选择v分析控制分析控制对象的象的负载特性特性选择电动机的容量机的容量v根据用途根据用途选择合适的合适的变频器器类型型v确定确定变频器容量器容量 （（1））选择变频器具体型号是以器具体型号是以电动机机额定定电流流值为依据，以依据，以电动机的机的额定功率定功率为参考参考值变频器最大器最大输出出电流流应大于大于电动机的机的额定定电流流值 （（2））变频器与器与电动机的距离机的距离过长时，，为防止防止电缆对地耦合与地耦合与变频器器输出出电流中流中谐波叠加而造成的波叠加而造成的电动机端子机端子处电压升高的影响，升高的影响，应在在变频器的器的输出端安装出端安装输出出电抗器 （（3））变频器器选择时，，要要考考虑电动机机的的运运行行频率率在在什什么么功功率率范范围内内在在低低速范速范围内，内，应考考虑电动机的温升情况，是否需加装机的温升情况，是否需加装风扇扇给电动机散机散热。 （（4））变频器器选择时，一定要注意其防，一定要注意其防护等等级应与与现场情况相匹配，防止情况相匹配，防止现场的粉末或水分影响的粉末或水分影响变频器的器的长久运行 变频调速系速系统应用用实例例 ABB变频器在恒压供水控制系统中的应用 恒压供水是指不论用户端水量大小，总保持管网水压基本恒定这样，既可以满足各部位用户的用水的需要，又不使电动机空转，造成电能的浪费因此，由变频器得到给定压力信号和实际反馈信号，利用变频器内部固有的功能进行比较计算，通过频率输出的变化调节水泵转速，从而控制管网中水压力恒定变频器恒压供水系统如图4-13所示 本系统仅举出一个简单例子，即一台变频器带一台水泵运行主要构成为ABB ACS600系列变频器一台，由于ABB公司ACS600系列变频器均带有PID调节器，所以可以根据给定压力（设定压力）和压力传感器返回的实际压力信号进行比较，实现PID调节（比例积分微分调节），变频器根据用户水量大小而引起的水压变化，相应地调节水泵电动机的转速来控制水压的恒定，另外变频器可以输出相应的电流信号给显示控制器，可直接显示出变频器的实际运行状态，同时变频器对电动机具有过流、过压、欠压、过载等全部故障保护功能。 恒压供水系统的控制原理图如图4-14所示 变频器的功能参数设定主要根据现场条件和厂家提供的用户手册进行设定，主要有：启动/停止参数、信号选择参数、PID控制参数与加/减速时间等几组参数，其余均可遵照变频器出厂值 在本系统主电路中，变频器的前端加入空气断路器与快速熔断器进行前端过电流保护与短路保护，以避免变频器整流部分的损坏后端直接与水泵电动机相连 在本系统控制电路中，变频器接受的压力给定信号与压力反馈信号均为电流信号（4-20mA），变频器接受的启/停信号为无源开关量信号，其运行指示信号输出也为无源开关量信号需要指出的是，在系统中如果水泵为离心式水泵，那么变频器在选择时可按照平方转矩选择；如果水泵为潜水泵，那么变频器在选择时应按照恒转矩选择这是因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流要大，所以选择变频器时，变频器的连续输出电流要大于潜水泵电动机的额定电流 工工业控制控制计算机及接口算机及接口第一第一节 工工业控制控制计算机算机 微机构成微机构成 微机系微机系统 二、工二、工业控制控制计算机系算机系统的基本要求的基本要求v具有完善的具有完善的过程程输入入/输出功能出功能v具有具有实时控制功能控制功能v具有可靠性具有可靠性v具有具有较强的的环境适境适应性和抗干性和抗干扰能力能力v具有丰富的具有丰富的软件件三、工三、工业控制控制计算机分算机分类及特点及特点1.可可编程控制器程控制器2.总线型工型工业控制控制计算机算机3.单片机片机 PLC构成构成 PLC特点特点v程序可程序可变，柔性好。 柔性好v可靠性可靠性强，适于工，适于工业环境v编程程简单，使用方便使用方便v功能完善功能完善v体体积小，重量小，重量轻，易于装入机器内部易于装入机器内部 总线型工控机型工控机 总线型工控机特点型工控机特点v提高提高设计效率，效率，缩短短设计和制造周期和制造周期v提高系提高系统可靠性v便于便于调试和和维修修 v能适能适应技技术发展的需要展的需要 单板机板机 单片机片机 单片机系统构成 单片机特点片机特点v受集成度的限制，片内存受集成度的限制，片内存储器容量器容量较小v可靠性高可靠性高v易易扩展v控制功能控制功能强v一般一般单片机内无片机内无监控程序或系控程序或系统通用管理程序通用管理程序 控制系控制系统比比较 一、信息采集接口一、信息采集接口1、、转换形式形式 数／模数／模(D/A)转换接口接口D／／A转换器是指将数字量器是指将数字量转换成模成模拟量的量的电路，它由路，它由权电阻网阻网络、参考、参考电压、、电子子开开头等等组成，典型的成，典型的R—2R网网络D／／A原理原理图如如图5—21所示从图中可中可见，不管，不管电子开关接在子开关接在2点点还是接地，流是接地，流过每个支路的每个支路的2R上的上的电流都是固定不流都是固定不变的，从参考的，从参考电压端看其端看其输入入电阻阻为R，从参考，从参考电源流入的源流入的总电流流为J，，则每个支路每个支路〔 〔流流经2R电阻阻)的的电流依次流依次为：：J／／2，，J／／4，，J／／8．．J／／16，而，而I=VREF／／R。 故故输出出电压为 vOUT＝＝—VREF／／24 [d3·23+d2·22+d1·21+d0·20] 式中式中 d3～～d0为输入代入代码，，d＝＝“o”，，则开关接地；开关接地； d＝＝“1” ，，则开关接到开关接到输出上如果采月如果采月n个个电子开关子开关组成的网成的网络，那么，那么 vOUT＝＝—VREF／／2n [dn-1·2n-1+……+d0·20]式中式中 n指指D／／A电路能路能够被被转换的二的二进制位数，如有制位数，如有8位、位、10位、位、12位等，有位等，有时也称也称为分辨率 直流伺服直流伺服电机控制接口机控制接口 第三第三节 可可编程控制器程控制器 二、二、PLc与通用微与通用微处理机的区理机的区别①扫描工作机制是PLc与通用微处理机的基本区别 ②在理论上，微机可以编程，形成PLc的多数功能，然而通用微机不是专门为工业环境应用设计的；③ 微机与外部世界连接时．需要专门的接口电路板，而PIC带有各种I／O模块可供直接利用，且输入输出线可多至数百条；④ PLc具有多种诊断能力，模块式结构，易于维修；⑤ PLC可采用梯形图编程，编程语言直观简单，容易学握；⑥虽然许多PLc能够接收模拟信号和进行简单的算术运算，但是，当数学运算复杂时，PLc是无法与通用微机相竞争。 三、三、PLC生生产厂家及代表厂家及代表产品品v日本立石（日本立石（OMRON，欧姆，欧姆龙）公司）公司 C系列系列v日本三菱公司日本三菱公司 F、、FX、、A系列系列v德国西德国西门子（子（SIEMENS）公司）公司 S5、、S7、、TI系列系列v法国法国TE公司公司 TSX7系列系列v美国通用美国通用电气（气（GENERAL ELECTRIC）公司，）公司，简称称GE公司公司 GE、、SR系系列列v美国艾美国艾伦—布拉德利（布拉德利（ALLEN—BRADLEY)公司，公司，简称称AB公司公司 SLC、、 PLC系列系列 三菱系列可三菱系列可三菱系列可三菱系列可编编程控制器特点程控制器特点程控制器特点程控制器特点：： 指令速度快，系统配置灵活，功能强大具有丰富的扩展模块及特殊功能模块，指令速度快，系统配置灵活，功能强大具有丰富的扩展模块及特殊功能模块， 可实现可实现PLCPLC于上位机之间完善的网络通讯，具有网络控制功能。 于上位机之间完善的网络通讯，具有网络控制功能 第一第一讲 机械手及其控制机械手及其控制一、机械手一、机械手 机械手是一种能模仿人手的某些工作技能，按要求抓取和搬运工件，或完成某些劳动作业机械化、自动化的装置自动线上的机械手能完成简单的抓取、搬运，实现上、下料动作，尤其适合几何形状不规则、不对称的杂件，通过选取合适的手爪，可选用较少的抓取和输送基准面而保持上、下料及输送的稳定性和可靠性二、机械手的分类 目前，我国对机械手尚无较为统一的分类标准一般可分为专业机械手和通用机械手两大类 1．专用机械手 这种机械手仅由手爪、腕部和手臂构成，是辅助设备，其动作必须与机械的工作循环相配合，多数动作由控制系统来完成，大多数生产线的机械手都属专业机械手 2．通用机械手 这是一种独立的自动化装置工业机器人就是一种通用机械手，又称工业机械手，其功能完善，自由度较多能模仿人的某些工作机能与控制机能，能实现多种工件的抓取、定向和搬运工作，并能使用不同工具完成多种劳动作业 1．机械手手爪．机械手手爪类型型 机械手的手爪，又称机械手或机器人的末端机械手的手爪，又称机械手或机器人的末端执行器，是直接行器，是直接执行作行作业任任务的装的装置。 手爪置手爪结构和尺寸是根据其不同作构和尺寸是根据其不同作业任任务来来设计的，从而形成多种多的，从而形成多种多样的的结构构形式用于搬运装卸作形式用于搬运装卸作业的机械手的手爪主要是机械的机械手的手爪主要是机械夹持式（又称持式（又称为机械机械夹持器持器或或夹钳）、气吸式或磁吸式它）、气吸式或磁吸式它们安装在机械手的手腕（如果配置有手腕的安装在机械手的手腕（如果配置有手腕的话））或手臂的机械接口上，或手臂的机械接口上，较简单的可用法的可用法兰盘作作为机械接口机械接口处的接的接换器，器，为实现快快速和自速和自动更更换，也可采用，也可采用电磁吸磁吸盘或气或气动锁紧的的换接器 机械机械夹持式多持式多为双指手爪式，按其手爪的运双指手爪式，按其手爪的运动方式可分方式可分为平移型和回平移型和回转型回转型手爪又可分型手爪又可分为单支点回支点回转型和双支点回型和双支点回转型按夹持方式又可分持方式又可分为外外夹式和式和内撑式按内撑式按驱动方式又可分方式又可分为电动（或（或电磁）式、液磁）式、液压式和气式和气动式式等 1））电动式式 用各种用各种电动机作机作为动力源直接力源直接驱动手爪，常用步手爪，常用步进电动机、直流机、直流或交流伺服或交流伺服电动机以及直机以及直线电动机等。 机等电动式的工作式的工作载荷一般小于荷一般小于10kg，使用，使用和和维修十分方便修十分方便 2）液）液压式式 利用液利用液压泵供供给压力油力油驱动手爪以运手爪以运动，其，其优点点是是驱动力大，力大，执行机构体行机构体积小，运小，运动平平稳，，调整整简单方便，是方便，是应用最多的用最多的驱动方式；其方式；其缺点缺点是液是液压系系统较复复杂，成本高 3）气）气动式式 利用利用压缩空气来空气来驱动手爪，其手爪，其优点点是气体的黏滞性低，运是气体的黏滞性低，运动时摩摩擦阻力小，可擦阻力小，可获得快速运得快速运动；无燃；无燃烧、着火、着火问题，可用于条件，可用于条件恶劣的工作劣的工作环境；境；维修修简单，成本，成本较低但快速低但快速时平平稳性差，冲性差，冲击力大，因此要在气路系力大，因此要在气路系统中中设置置缓冲装置，特冲装置，特别是液是液压缓冲装置；此外，由于空气冲装置；此外，由于空气压缩性大，控制性能性大，控制性能较差 三、机械手控制形式三、机械手控制形式1、继电接触器控制2、可编程控制器（PLC）控制 机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的，各部分关系如图所示： 机械手组成框图 执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。 驱动机构有气动、液动、电动、和机械式四种形式气动式速度快，结构简单，成本低采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下此课题所用机械手就是用气动机构来驱动液动式的出力大臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使机械手的通用性更广，定位精度一般在1mm范围内目前常用的是气动和液动驱动方式电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合控制系统有点动控制和连续控制两种方式大多数采用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性控制系控制系统统驱动驱动系系统统执执行机构行机构位置位置检测检测装置装置 四、搬运工件机械手四、搬运工件机械手PLC控制控制 机械手的机械手的动作要求如下：作要求如下： 对机械手的控制主要是位置机械手的控制主要是位置识别、运、运动方向控制和物料是否存在的判方向控制和物料是否存在的判别它的任它的任务是将是将传送送带A上的工件搬运到上的工件搬运到传送送带B上机械手的左工位、右工位上机械手的左工位、右工位、伸出、、伸出、缩回、上升、下降都用双回、上升、下降都用双线圈三位圈三位电磁磁阀气气动缸完成，机械手的放缸完成，机械手的放开用开用单螺螺线管的管的电磁磁阀。 设备上装有上、下、左、右、伸、上装有上、下、左、右、伸、缩、松开、松开7个个传感器，控制感器，控制对应工步的工步的结束传输带上上设有一个光有一个光电开关，开关，监视工件是否到工件是否到位工件搬运装置示意工件搬运装置示意图图 五、气五、气五、气五、气动动系系系系统统工作原理：工作原理：工作原理：工作原理： 本本课题课题要求四个气缸能要求四个气缸能够够自自动动回位，并且能回位，并且能够够自自锁锁，使用，使用电电控开关，控开关，电电磁磁阀阀控制气气动动原理原理图图如下所示：如下所示： 气气 动动 原原 理理 图图 六、控制系六、控制系统的的设计 1. PLC控制系统的设计原则有：（1）最大限度的满足生产过程的控制要求；（2）在满足控制要求的前提下，尽量使控制系统简单、经济；（3）保证控制系统安全可靠；（4）在选择PLC容量时，应考虑到生产的发展和工艺改进，必须留有余地。 2. PLC控制系统的设计步骤：（1）熟悉控制对象的工艺条件确定输入／输出设备及I／o点数（2）选择合适的PLC类型 （3）画输入输出接线图 （4）PLC的编程 3．确定所需的用户输入／输出设备及I／o点数(1)设备的输入信号操作方式转换开关：手动、单步、单周期、连续；手动时运动选择开关：上／下、左／右、夹／松；位置检测元件：机械手的上、下、左、有的限位行程开关无工件检测元件：右工作台无工件用光电开关检测2)设备的输出信号气缸运动电磁阀：上升、下降、右移、左移、夹紧；指示灯：机械手处干原点指示据上面分析可知、PC共需l 5点输入、6点输出 3 3．．选择选择PLCPLC 该该机械手的控制机械手的控制为纯为纯开关量控制．所需的开关量控制．所需的I I／／o o点数不多，因此点数不多，因此选择选择一般的小型一般的小型低档机即可假定低档机即可假定F F系列可系列可编编程控制器程控制器资资料料齐齐全、供全、供货货方便、方便、设计设计者者对对其比其比较较熟熟悉．根据上面悉．根据上面I I／／O O点数可点数可选选F F——40M40M，其主机，其主机I I／／O O点数点数为为2424／／1616点。 点 4 4．分配．分配PLCIPLCI／／0 0点的点的编编号号 。
