第8章机电一体化系统教学课件

目录1.机电一体化概述2.检测与传感器3.步进及伺服电机4.机械传动5.接口技术6.伺服系统机电一体化概述机电一体化系统的组成构成机电一体化系统的要素印制线路板焊接质量图像检测装置集成电路芯线焊接机基于定位模块的PLC位置控制硅钢片横剪线控制系统主从驱动方式的速度转矩与机机电一体化系统的组成控制部分驱动部分动力部分传感部分执行部分控制指令被控的机械运动外界信息构成机电一体化系统的要素机电一体化系统典型例子机器人印制线路板焊接质量图像检测装置印制线路板焊接质量图像检测装置 印制线路板焊接质量图像检测装置 集成电路芯线焊接机 IC芯线焊接工作台控制框图 IC芯线焊接工作台技术指标 项目技术条件项目技术条件运动部分质量15kgAC伺服电动机（低惯量电动机）额定功率 100W运动部分速度125mm/s 额定转速 1500r/min滚珠丝杠螺距5mm 额定转矩 0.32Nm滚珠丝杠直径14mm 光电编码器2500P/r（增量式）滚珠丝杠长度150mm减速机构联轴器（惯量0.1kgcm2）AC伺服控制器输入指令方式：正转/反转脉冲列最大60kP/s定位精度小于1个脉冲摩擦系数0.05定位性能0.05s/2.5mm，停止时间0.15s停止精度小于0.005mm基于定位模块的PLC位置控制 基于定位模块的PLC位置控制基于定位模块的PLC位置控制 硅钢片横剪线控制系统 提高精度可以减少片缝气隙，降低剪切毛刺；提高送料速度直接影响到效率。对硅钢片横剪线的要求，不但要满足在高速下（240m/min）的片料定位要求，以保证0.1mm的尺寸精度，而且还要满足去毛刺（0.02mm）的要求。主从驱动方式的速度转矩与机械耦合同步控制系统 主从驱动方式的速度转矩与机械主从驱动方式的速度转矩与机械耦合同步控制系统耦合同步控制系统 龙门机床的横梁通常由两根丝杠驱动。当刀架或主轴箱不在横梁中心点时，则丝杠受力是不对称的，因而会发生横梁的倾斜。这时要根据刀架或主轴箱所在的位置对两边驱动电动机系统进行适当补偿，使之平衡。在速度/转矩耦合控制方式中，主动伺服电动机实现位置控制，从动伺服电动机则以主动伺服位置控制器大的输出为速度控制指令，实现速度控制。在两个伺服电动机输出中，获得了同一个位置控制器控制定位和同样的速度控制作用，而保持同步。如果因某种因素，两电动机输出不同步，机械耦合机构会产生动态变形应力和应力扭矩，应力扭矩测量信号经过滤波后送到PI调节器，其输出根据应力扭矩的正或负，分别加到主、从伺服电动机的速度指令上，改变电动机的运动速度，从而保持同步运行。行车同步控制由于行车的跨度大，若是用一台电动机驱动单侧轮子，另一侧的轮子作为从动运动，则可能出现很大的不平衡力，产生歪斜，使行车行走不稳定。数控车床及内部机构检测与传感器 概述 线位移传感器 角位移传感器 速度传感器 加速度传感器 测力传感器 压力传感器 机电一体化与人传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于 人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节，接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电一体化有效地发挥作用，必须首先借助传感器获取外 部环境和系统内部各种各样的信息。控制器执行机构驱动器传感器接口/通信接口/通信传感器传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路组成。感元件、传感元件及测量转换电路组成。非电量测量转换电路敏感元件传感元件电参量电参量非电量非电量（被测量）（被测量）非电量非电量电量电量 在弹性敏感元件上粘在弹性敏感元件上粘 贴有一种称电阻应变片贴有一种称电阻应变片的的 传感元件，该传感元传感元件，该传感元件能将变形量转换为电件能将变形量转换为电阻值（电参量）的变化。阻值（电参量）的变化。应变片电阻值的变化由应变片电阻值的变化由电桥电路转换成电压输电桥电路转换成电压输出，电桥电路即为测量出，电桥电路即为测量转换电路转换电路 因为在转换过程中，因为在转换过程中，压力、变形量、电阻值压力、变形量、电阻值及电压均成线性关系，及电压均成线性关系，因此，最终压力与电压因此，最终压力与电压成线成线 性对应关系。压力性对应关系。压力转换成电压后，经过放转换成电压后，经过放大等一系大等一系 列处理，由手列处理，由手持式显示器显示出压力持式显示器显示出压力变化值。变化值。传感器分类（1）按被测量分类 位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。（2）按测量原理分类 电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合的，如电容式加速度传感器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化值。测微是指测量几个微米测微是指测量几个微米（m）至几个毫米（）至几个毫米（mm）位）位移量的变化。移量的变化。衔铁在线圈中伸入长度的衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺旋管线圈电感量变化将引起螺旋管线圈电感量的变化。当衔铁偏离中间位置的变化。当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。加，一个减小，形成差动形式。对于长螺旋管，衔铁工作对于长螺旋管，衔铁工作在螺旋管中部一定区域时，线在螺旋管中部一定区域时，线圈电感量与衔铁移动的微小距圈电感量与衔铁移动的微小距离成线性关系。离成线性关系。差动式电感传感器对外界差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。小，从而减小了测量误差。电感式滚柱直径分选装置2电位器式位移传感器 电位器电位器式位移传感器式位移传感器是基于电阻分是基于电阻分压比原理来进压比原理来进行位移测量的，行位移测量的，用于直线位移用于直线位移的测量，最大的测量，最大行程可达行程可达 500mm。3.电涡流位移传感器4.电涡流位移传感器应用（1）4.电涡流位移传感器应用（2）原理 在透射式直线光栅中，把主在透射式直线光栅中，把主光光 栅与指示光栅的刻线面相对叠栅与指示光栅的刻线面相对叠合在合在 一起，中间留有很小的间隙，一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角并使两者的栅线保持很小的夹角在两在两 光栅的刻线重合处，光从缝光栅的刻线重合处，光从缝隙透隙透 过，形成亮带；在两光栅刻过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗而形成暗 带，该亮暗带称摩尔条带，该亮暗带称摩尔条纹。光栅水纹。光栅水 平方向正反移动时，平方向正反移动时，摩尔条纹上下摩尔条纹上下 移动。因为摩尔条移动。因为摩尔条纹对栅距的放大作用，摩尔条纹纹对栅距的放大作用，摩尔条纹距离为距离为L（LW），光敏元件），光敏元件将摩尔条纹转换为将摩尔条纹转换为 脉冲信号。每脉冲信号。每移动一个栅距，即产移动一个栅距，即产 生一个脉冲生一个脉冲信号。信号。5.直线光栅输出信号1.圆盘形电位器式角位移传感器2.编码器 通过测量滚珠丝杠的角位移，间接获得工作台的直线位移x，构成位置半闭环伺服系统3.绝对式测量（ABS）输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。二进制编码二进制编码码盘 绝对式光电码盘 增量式光电码盘4.增量式测量（INC）输出信号为一串脉冲，每一 个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对的累 加，即，角位移N。如：0.352，脉冲N1000，则：0.3521000 352输出信号及分辨角6.编码器在数控车床主轴控制中的应用主轴编码器主轴编码器用于C 轴控制1.测速发电机2.增量式光电编码器数字测速 M法测速、法测速、T法测速和法测速和M/T法法 测速。详见光电编码器的内容。测速。详见光电编码器的内容。方向TTL 方向方向TTL为高电平时，表示为高电平时，表示CP脉冲为正脉冲为正转计数脉冲；方向转计数脉冲；方向TTL为低电平时，表示为低电平时，表示CP脉冲为反转计数脉冲。脉冲为反转计数脉冲。3.电涡流式转速传感器4.电涡流转速传感器用于齿轮转速测量的工程实例5.电涡流式（电感式）接近开关在位置限位中的应用电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理5.霍尔式转速传感器原理 磁铁和开关型霍尔IC保持一定的间隙且固定不动，软铁分流翼片随转轴一起转动。当翼片转到磁铁与霍尔IC之间时，磁场被屏蔽，霍尔IC输出高电平，反之为低电平。随着转轴的转动，霍尔IC输出一串脉冲，且转速越快，脉冲频率f（Hz）越大。若翼片数为Z，则转轴的转速n（r/min）为：n=60f/Z6.霍尔式转速传感器应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。7.霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH 这种现象称为霍尔效应。1压电式振动加速度传感器 压电式振动加速度传感器是一种接触式测量的传感器。当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的压力，大小由Fma决定。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷，电荷由引出电极输出，由此将振动加速度转换成电参量。2压电晶片 某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面会产生电荷，产生的电荷量与所受外力的大小成正比；当外力去掉后又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。具有压电效应的电介质有石英晶体、压电陶瓷等。压电效应产生的电荷经电荷放大器放大后转换成电压值。3振动的时域和频谱分析 频谱图或频域图：它的横坐标频谱图或频域图：它的横坐标为频率为频率f，纵坐标可以是加速度，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。个频率分量的幅值。频域波形时域波形频域波形4频谱分析法进行故障诊断5电容式加速度传感器6电容式加速度传感器 使用加速度传感器可以使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气系统使气囊迅速充气。图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度振动），也可测量惯变加速度振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电性力或重力加速度。其工作电压为压为2.75.25V，加速度测量，加速度测量范围为数个范围为数个g，可输出与加速，可输出与加速度成正比的电压，也可输出占度成正比的电压，也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脉脉冲。冲。1.应变片 导体或半导体材料在外界力的作用下会产生机械变形，其电阻值也将随之发生变化，这种现象称为应变效应。电阻丝或半导体应变片的电阻相对变化量R/R与材料力学中的轴相应变x 的关系在很大范围内是线性的。2.电桥平衡电路 电桥平衡条件：R1/R2=R4/R3 调节调节 RP，最终可以，最终可以使使R1/R2=R4/R3（R1、R2 是是R1、R2 并联并联RP后的等效电阻），电桥后的等效电阻），电桥趋于平衡，趋于平衡，Uo 被预调到被预调到零位，这一过程称为调零。零位，这一过程称为调零。图中的图中的R5 是用于减小调是用于减小调节范围的限流电阻。节范围的限流电阻。3.弹性敏感元件 电阻应变片的应用可分为两大类：4.应变式荷重传感器F5.荷重传感器称重1.压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一个半导体应变电阻处于同一硅片上（俗称硅片上（俗称“硅杯硅杯”），工），工艺一致性好，灵敏度相等，艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。小，动态响应快。2.压阻式固态压力传感器3.小型压阻式固态压力传感器当硅杯两侧有压力差时，硅杯产生变形，4个应变片阻值发生变化，经电桥电路输出与压差成正比的电压。当硅杯两侧有压力差时，硅杯产生变形，4个应变片阻值发生变化，经电桥电路输出与压差成正比的电压。步进及伺服电机步进电机的控制步进电机运行特性交流伺服电动机SPWM基本原理交流伺服电动机实例径向反应式步进电机三相三段反应式步进电机步进电机结构软件环形分配步进电机实例直流无刷电动机BLDCM正弦波永磁同步电动机（PMSM）机 械 传 动n机电一体化设备进给传动方案n双矩形导轨导向方式n直线滚动导轨n圆形导轨n 滚珠丝杠螺母副n 滚珠丝杠与进给电机的连接n直线电机机电一体化设备进给传动方案双矩形导轨导向方式直线滚动导轨直线滚动导轨形式弧形滚动导轨X-Y十字工作台滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副类型密珠轴承空气静压轴承同步齿形带谐波齿轮变速器谐波齿轮变速器在机器人中的应用滚珠丝杠与进给电机的连接直线电机直线电机在进给运动中的应用伺 服 系 统n 伺服系统组n 开环伺服系统n 闭环伺服系统n 半闭环伺服系统n 全数字式伺服系统n 现场总线n 机电匹配伺服系统组成开环伺服系统组成半闭环伺服系统组成闭环伺服系统组成全数字式伺服系统组成全数字式伺服系统全数字式伺服系统中的现场总线全数字式伺服系统中的现场总线伺服电机运行模式伺服电机运行模式机电匹配实例谢谢