《机电一体化系统》PPT课件

第 8章 机电一体化系统创新设计 学校：洛阳理工学院 学号： B08020428 姓名：郑水清 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 15kg AC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 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 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 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。 非电量 测量转换电路 敏感元件 传感元件 电参量 非电量 （被测量） 非电量 电量 在弹性敏感元件上粘 贴有一种称电阻应变片 的 传感元件，该传感元 件能将变形量转换为电 阻值（电参量）的变化。 应变片电阻值的变化由 电桥电路转换成电压输 出，电桥电路即为测量 转换电路 因为在转换过程中， 压力、变形量、电阻值 及电压均成线性关系， 因此，最终压力与电压 成线 性对应关系。压力 转换成电压后，经过放 大等一系 列处理，由手 持式显示器显示出压力 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 （ m）至几个毫米（ mm）位 移量的变化。 衔铁在线圈中伸入长度的 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 时，两个线圈的电感量一个增 加，一个减小，形成差动形式。 对于长螺旋管，衔铁工作 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 离成线性关系。 差动式电感传感器对外界 影响，如温度的变化、电源频 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 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 式位移传感器 是基于电阻分 压比原理来进 行位移测量的， 用于直线位移 的测量，最大 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，把主光 栅与指示光栅的刻线面相对叠 合在 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 在两 光栅的刻线重合处，光从缝 隙透 过，形成亮带；在两光栅刻 线的错开处，由于相互挡光作用 而形成暗 带，该亮暗带称摩尔条 纹。光栅水 平方向正反移动时， 摩尔条纹上下 移动。因为摩尔条 纹对栅距的放大作用，摩尔条纹 距离为 L（ L W），光敏元件 将摩尔条纹转换为 脉冲信号。每 移动一个栅距，即产 生一个脉冲 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 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 N 1000，则： 0.352 1000 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、 T法测速和 M/T法 测速。详见光电编码器的内容。 方向 TTL 方向 TTL为高电平时，表示 CP脉冲为正 转计数脉冲；方向 TTL为低电平时，表示 CP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 / Z 6. 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 F ma 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 为频率 f，纵坐标可以是加速度， 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 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 在汽车发生碰撞时，经控制 系统使气囊迅速充气 。 图示加速度传感器以微细 加工技术为基础，既能测量交 变加速度振动），也可测量惯 性力或重力加速度。其工作电 压为 2.7 5.25V，加速度测量 范围为数个 g，可输出与加速 度成正比的电压，也可输出占 空比正比于加速度的 PWM 脉 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 RP ，最终可以 使 R1 /R2 =R4 /R3 （ R1 、 R2 是 R1 、 R2 并联 RP后的等效电阻），电 桥趋于平衡， Uo 被预调 到零位，这一过程称为调 零。图中的 R5 是用于减 小调节范围的限流电阻。 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 F 5. 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 个半导体应变电阻处于同一 硅片上（俗称“硅杯”）， 工艺一致性好，灵敏度相等， 漂移抵消，迟滞、蠕变非常 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 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 圆形导轨 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠与进给电机的连接 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 伺服系统组 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统 全数字式伺服系统 现场总线 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