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机电一体化系统设计 山东理工大学制作人 董爱梅 机电一体化构成要素 目录 绪论机械系统设计传感检测系统设计控制电动机及其选择计算工业控制计算机及接口设计应用举例 绪论 第一节机电一体化概念一 机电一体化概念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 机电一体化产品 录像机 数控机床 机器人 自动生产设备生产用机电一体化产品柔性生产单元 自动组合生产单元FMS 无人化工厂 CIMS微机控制汽车 机车等交通运输工具运输 包装及工程用机电一体化产品数控包装机械及系统数控运输机械及工程机械设备自动仓库储存 销售用机电一体化产品自动空调与制冷系统及设备自动称量 分选 销售及现金处理系统自动化办公设备社会服务性机电一体化产品动力 医疗 环保及公共服务自动化设备文教 体育 娱乐用机电一体化产品微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品炊事自动化机械家庭用信息 服务设备测试设备科研及过程控制用机电一体化产品控制设备信息处理系统农 林 牧 渔及其它民用机电一体化产品航空 航天 国防用武器装备等机电一体化产品 三 机电一体化产品的表现形式 1 机械的电子化 1 在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置 使系统的性能提高 功能增强 例如 模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程 从而实现节水 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 2 用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置 简化结构 增强控制灵活性 例如 数控机床的进给系统采用伺服系统 简化了传动链 提高了进给系统的动态性能 将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机 具有性能可靠 结构简单 尺寸减小等优点 3 用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构 既减化了结构 又极大地丰富了信息传输的内容 提高了速度 例如 石英电子钟表 电子秤 按键式电话等 4 用电子装置替代机械的主功能 形成特殊的加工能力 例如 电火花加工机床 线切割加工机床 激光加工机床等 2 机电技术完全融合形成新型机电一体化产品生产机械中的激光快速成形机 信息机械中的传真机 打印机 复印机 检测机械中的CT 计算机断层扫描诊断装置 扫描诊断仪 扫描隧道显微镜等 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 第二节机电一体化构成要素及相关技术一 构成要素 二 相关技术 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 传感检测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信息处理技术实现信息处理的主要工具是计算机 计算机技术包括计算机的软件技术 硬件技术 网络与通讯技术和数据技术 机电一体化系统中主要采用工业控制机 包括可编程控制器 单 多回路调节器 单片微控制器 总线式工业控制机 分布式计算机测控系统 进行信息处理 信息处理的发展方向是提高信息处理的速度 可靠性和智能化程度 人工智能技术 专家系统技术 神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴 4自动控制技术自动控制所依据的理论是自动控制原理 包括经典控制理论和现代控制理论 自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计 设计后进行系统仿真 现场调试 最后使研制的系统可靠地投入运行 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制 速度控制 最优控制 自适应控制以及模糊控制 神经网络控制等 5伺服传动技术伺服传动包括电动 气动 液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要有电气伺服 如步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机等 和液压伺服 如液压马达 脉冲油缸等 两类 6系统总体技术机电一体化系统是一个技术综合体 它利用系统总体技术将各有关技术协调配合 综合运用而达到整体系统的最佳化 三 学科构成 四 机电一体化系统设计方法 1 取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构 该方法是改造旧产品 开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法 也是改造传统机械产品的常用方法 2 整体设计法 整体设计法主要用于新产品的开发设计 在设计时完全从系统的整体目标出发 考虑各子系统的设计 3 组合法 组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统 例如 设计一台数控机床 可以依据机床的性能要求 通过对不同厂家的计算机控制单元 伺服驱动单元 位移和速度测试单元及主轴 导轨 刀架 传动系统等产品的评估分析 研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响 通过优化设计确定机床的结构组成 第三节机电一体化发展方向 一 机电一体化特点1 体积小 重量轻2 速度快 精度高3 可靠性高4 柔性好二 发展方向1 复合化2 小型化 轻量化3 高速化4 移动化5 智能化6 层次化和系统化7 全盘化总之 性能上 向高精度 高效率 高性能 智能化方向发展 功能上 向小型化 轻型化 多功能方向发展 层次上 向系统化 复合集成化方向发展 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 第一节机械传动系统的特性一 机电一体化对机械传动的要求1 高精度2 快速响应3 良好的稳定性二 机械传动系统的特性转动惯量小摩擦小阻尼合适刚度大抗振性能好间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 第二节机械传动装置 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 提高传动精度的结构措施 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 合理确定级数和分配各级传动比 合理布置传动链 齿轮传动间隙的消除措施由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态 反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙 就会使进给运动的反向滞后于指令信号 从而影响其驱动精度 因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙 以提高数控设备进给系统的驱动精度 1 圆柱齿轮传动 1 双片薄齿轮错齿法 2 偏心轴套调整法 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 锥度齿轮调整法 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 t 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 轴向压簧错齿调整法 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 同步齿形带传动 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 滚珠丝杠螺母副机构 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 滚珠丝杠副的特点 1 传动效率高 摩擦损失小 滚珠丝杠副的传动效率 0 92 0 96 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 3 2 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 滚珠丝杠副轴向间隙的调整 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 螺纹调隙式 图7 20 其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹 它伸出套筒外 并用两个圆螺母固定着 旋转圆螺母时 即可消除间隙 并产生预拉紧力 调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧 c 齿差调隙式 图7 20 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮 两者齿数相差一个齿 并装入内齿圈中 内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上 调整时 先取下两端的内齿圈 当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时 一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移 从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动 达到消除间隙并施加预紧力的目的 滚珠丝杠副的标注方法 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CTC63 10 3 5 3 5 2000 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3 5圈 精度等级3 5级 螺纹旋向为右旋 丝杠全长为2000mm 螺纹长度为1600mm 传感检测系统设计 第一节传感器一 传感器分类 二 机电一体化对检测系统的基本要求 精度 灵敏度 分辨率高 线性 稳定性和重复性好 抗干扰能力强 静 动态特性好 此外 要求体积小 质量轻 价格便宜 便于安装与维修 耐环境性能好等 三 传感器特性 静态特性 1 线性度 传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差2 灵敏度 输出变化对输入变化的比值3 迟滞性 在正反行程期间输入 输出特性曲线不重合程度4 重复性 输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度动态特性 传递函数 时间响应函数 频率响应函数 脉冲响应函数 四 传感器选用原则 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 第二节位移测量传感器 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 电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置 变换原理 电磁感应原理 按变换方式的不同分为自感型 可变磁阻式与涡流式 与互感型 差动变压器 1 自感型 一 可变磁阻式 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 涡流式原理 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 差动变压器式原理 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 感应同步器 在两个相对放置的板上刻有如图所示的绕组 当在滑尺的两个绕组中分别加上激励电压时 则在定尺绕组中就产生感应电势 其幅值决定于绕组的相对位置 光电编码器 将机械转动的模拟量转换成旋转角度的数字电信号 进行角位移检测的传感器称为编码器 编码器的种类很多 根据检测原理 它可以分为电磁式 电刷式 电磁感应式及光电式等 由于光电编码器具有非接触和体积小的特点 且分辨率很高 在旋转一周内已能产生数百万个脉冲 因此 它是目前应用最为广泛的一种编码器 光电编码器在数控机床 机器人的位置控制 机床进给系统的控制以及角度的测量 通讯及自动化控制等方面部发挥着重要的作用 第三节速度 加速度传感器 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 光电式转速传感器 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 第四节位置传感器 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 电磁式 光电式 静电容式 气压式 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3 25是生产线工件计数装置的示意图 接近传感器设置在工件传送带的一侧 当传送带运行时 一个个工件经过接近传感器 当工件靠近接近传感器时 传感器输出脉冲开关信号 该信号可直接送往计数器进行计数 第五节传感器信号处理 测量放大器 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 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AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器 通过改变其外接电阻RG的办法来实现增益控制 隔离放大器在有强电或强电磁干扰的环境中 为了防止电网电压等对测量回路的损坏 其信号输入通道采用隔离技术 能完成这种任务 具有这种功能的放大器称为隔离放大器 传感器接口技术 控制电动机及其选择计算第一节执行元件分类 液压系统 气压系统 气压系统的基本组成 直线气缸摆动气缸气马达气爪 检测部分 气压系统与液压系统的比较 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 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 伺服电机控制方式 伺服电机比较 第二节步进电动机 一 步进电动机的结构和工作原理它与普通电动机一样 也是由定子和转子构成 其中定子又分为定子铁心和定子绕组 定子铁心由电工钢片叠压而成 定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起 构成一相控制绕组 图6 1所示的步进电动机可构成A B C三相控制绕组 故称三相步进电动机 1 绕组2 定子铁心3 转子铁心图6 1反应式步进电动机结构原理图 步进电动机的工作原理 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 步进电机特点 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0 60 1 20 0 750 1 50 0 90 1 80 10 20 1 50 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0 01mm时 试设计此传动系统 i Z2 Z1 L 360 L 360i 1 k 6 3 2 360 mzk 360 3 80 2 0 75 2 I Z2 Z1 L 360 0 75 6 360 0 01 2 1可选Z1 20 Z2 40 模数 1 5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 0 75 系统规定的纵向步进当量 0 01mm 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m 1 5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 步进电机分类 反应式步进电机 定子转子均有铁心组成 转子无绕组 步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现 特点 结构简单 工作可靠 运行频率高 步距角小 应用 数控设备 机器人 永磁式步进电机 转子用永磁铁 靠与定子产生电磁力特点 控制功率小 效率高 造价低 但步距角大 应用 记录仪 空调机 混合式步进电机 转子有齿 带固定极性 特点 步距角小 工作频率高 控制功率小 但结构复杂 成本高 步进电机 步进电机驱动电源 脉冲分配 脉冲分配 软件脉冲分配 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 四 步进电动机的功率放大 1 单电压功率放大电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 高低电压功率放大电路 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 Vf时Vin信号被截止 无Vb正脉冲 功率管VT截止 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 斩波恒流功放电路 步进电机驱动电源总结 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 步进电机的选择 1 步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求 将负载的最小分辨率 当量 换算到电机轴上 每个当量电机应走多少角度 包括减速 电机的步距角应等于或小于此角度 目前市场上步进电机的步距角一般有0 36度 0 72度 五相电机 0 9度 1 8度 二 四相电机 1 5度 3度 三相电机 等 2 静力矩的选择 1 根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效负载转动惯量 2 计算各种工况下所需的等效力矩 3 根据步进电机最大静转矩和起动 运行矩频特性 TL TMax 0 5JL Jm 43 电流的选择静力矩一样的电机 由于电流参数不同 其运行特性差别很大 可依据矩频特性曲线图 判断电机的电流 参考驱动电源 及驱动电压 第三节直流伺服电动机 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 直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似 也是由定子 转子和电刷等部分组成 在定子上有励磁绕组和补偿绕组 转子绕组通过电刷供电 由于转子磁场和定子磁场始终正交 因而产生转矩使转子转动 直流伺服电机控制 二 驱动与控制 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 脉宽调制放大器 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 第四节交流伺服电动机 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 用于自动焊机中保持电弧长度稳定 其原理如图4 34所示 交流伺服电机sL经减速器2带动焊条8的移动装置3 为保证焊接质量 要求自动焊机在整个焊接过程中能够自动调节电弧长度 使电弧稳定地燃烧 当电弧长度符合要求时 反馈的弧压up和给定电压u相等 通过比较器4得偏差信号 o 伺服电机不转动 如果外界干扰使弧长变长或变短 反馈弧压up相当于增大或减小 偏差信号经放大器1送入电机sL的控制电压的相序发生改变 使控制伺服电机正转或反转 经移动装置3带动焊条8上下移动 以保持电弧长度恒定 应用举例 二 交流伺服电动机调速 变频调速 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 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PulseAmplitudeModulation 脉冲振幅调制 控制的简称 PWM控制是PulseWidthModulation 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 交流伺服电动机的选择 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 1 5 2 5 TLPnLP 159 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 1 5 2 5 TLrnLr 159 2 发热校核TN TLr 3 转矩过载校核 TL max Tm max过载转矩 Tm max Tn额定力矩2 伺服系统惯量匹配原则1 惯量较小的系统1 Jl Jm 32 惯量较大的系统0 25 Jl Jm 1 变频器种类 通用变频器 节能 节电20 用于压缩机 泵 搅拌机 挤压机等 提高控制性能实现自动化 用于运输机械 起重机等 纺织专用变频器 改善传动特性 实现自动化 纺织 化纤机械 矢量控制变频器 提高传动精度及实现系统的集散控制 冶金 印刷 造纸 要求高精度的转矩控制 加速度大 能与上位机进行通讯 机床专用变频器 用于机床主轴传动控制 以满足工艺上要求得大加减速转矩 宽广的恒功率控制及高精度的定位控制 提高机床自动化 电梯专用矢量变换控制变频器 实现缓慢平稳的升降速 高频变频器 用于超精密加工 高速电动机 如专用脉冲调幅型变频器 频率达3kHZ 对应转速18 104r min 变频器选择 分析控制对象的负载特性选择电动机的容量根据用途选择合适的变频器类型确定变频器容量 1 选择变频器具体型号是以电动机额定电流值为依据 以电动机的额定功率为参考值 变频器最大输出电流应大于电动机的额定电流值 2 变频器与电动机的距离过长时 为防止电缆对地耦合与变频器输出电流中谐波叠加而造成的电动机端子处电压升高的影响 应在变频器的输出端安装输出电抗器 3 变频器选择时 要考虑电动机的运行频率在什么功率范围内 在低速范围内 应考虑电动机的温升情况 是否需加装风扇给电动机散热 4 变频器选择时 一定要注意其防护等级应与现场情况相匹配 防止现场的粉末或水分影响变频器的长久运行 变频调速系统应用实例 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ABBACS600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 工业控制计算机及接口第一节工业控制计算机 微机构成 微机系统 二 工业控制计算机系统的基本要求 具有完善的过程输入 输出功能具有实时控制功能具有可靠性具有较强的环境适应性和抗干扰能力具有丰富的软件三 工业控制计算机分类及特点1 可编程控制器2 总线型工业控制计算机3 单片机 PLC构成 PLC特点 程序可变 柔性好 可靠性强 适于工业环境 编程简单 使用方便 功能完善 体积小 重量轻 易于装入机器内部 总线型工控机 总线型工控机特点 提高设计效率 缩短设计和制造周期 提高系统可靠性 便于调试和维修 能适应技术发展的需要 单板机 单片机 单片机系统构成 单片机特点 受集成度的限制 片内存储器容量较小 可靠性高 易扩展 控制功能强 一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序 控制系统比较 一 信息采集接口1 转换形式 数 模 D A 转换接口D A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路 它由权电阻网络 参考电压 电子开头等组成 典型的R 2R网络D A原理图如图5 21所示 从图中可见 不管电子开关接在2点还是接地 流过每个支路的2R上的电流都是固定不变的 从参考电压端看其输入电阻为R 从参考电源流入的总电流为J 则每个支路 流经2R电阻 的电流依次为 J 2 J 4 J 8 J 16 而I VREF R 故输出电压为vOUT VREF 24 d3 23 d2 22 d1 21 d0 20 式中d3 d0为输入代码 d o 则开关接地 d 1 则开关接到输出上 如果采月n个电子开关组成的网络 那么vOUT VREF 2n dn 1 2n 1 d0 20 式中n指D A电路能够被转换的二进制位数 如有8位 10位 12位等 有时也称为分辨率 直流伺服电机控制接口 第三节可编程控制器 二 PLc与通用微处理机的区别 扫描工作机制是PLc与通用微处理机的基本区别 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 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 PLc具有多种诊断能力 模块式结构 易于维修 PLC可采用梯形图编程 编程语言直观简单 容易学握 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 PLC生产厂家及代表产品 日本立石 OMRON 欧姆龙 公司C系列日本三菱公司F FX A系列德国西门子 SIEMENS 公司S5 S7 TI系列法国TE公司TSX7系列美国通用电气 GENERALELECTRIC 公司 简称GE公司GE SR系列美国艾伦 布拉德利 ALLEN BRADLEY 公司 简称AB公司SLC PLC系列 三菱系列可编程控制器特点 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 可实现PLC于上位机之间完善的网络通讯 具有网络控制功能 第一讲机械手及其控制 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