机械先进制造技术

1、第一章 创意方法(P3) 5W2H法是一个典型的设问法，由7个方面问题的英文第一个字符组成。1、为什么需要革新？（Why）2、创意的对象是什么？（What）3、从什么地方着手？（Where）4、由谁主持或完成？（Who）5、什么时候完成？（When）6、怎样实施？（How）7、达到怎样的水平或标准？（How much） 第二章 检测部分 工业自动化设备都是由机械部分和电气部分组成的电一体化的设备，根据其作用可分为下列四部分组成：检测部分（传感器）、执行部分、机械部分、控制部分组成。一、检测：从外界获得的信息，并从中提取有用的信息的过程。对于检测过程可以通过人体运动系统来进一步的了解二、信号 在

2、工业控制中，根据信号的用途可以分为输入信号和输出信号两大类。根据信号形式可以分为数字量信号和模拟量信号。对于控制器来说，输入信号是指来自现场的各种状态的信号。例如主令开关，检测元件，传感器，启动、停止按钮，限位开关等的信号。输出信号是指用以驱动执行元件的信号。如驱动继电器、电磁阀、指示灯等的信号。1、数字量信号（P4）数字量信号是幅值被限制在有限的数值之内，它不是连续的而是离散的。在数字电路中一般采用（2，4，8，10，16进制 ）。数字量信号分为：开关量信号、数码信号和脉冲信号。开关量信号（2进制信号）判断信号的电压值有、无或者是高、低电平，用“真”还是“假”或逻辑1和0来表示。例如采集行程

3、开关、按钮开关、计数器、旋转编码器等发出的信号。数字信号的使用，根据需要可以使用上升沿 或者使用下降沿，也可以使用高电平逻辑1和低电平逻辑0。上升沿是指当信号由0变为1时，其变化过程有效，其余过程均无效。下降沿是指信号由1变为0时，其变化过程有效。2、模拟量信号模拟量信号：信号根据被测量的改变而发生连续的变化，例如温度、速度、压力、光强度等都是模拟量信号。模拟量标准信号：05V或420mA。标准信号经过放大、运算、变换等处理后，经A/D 转换将模拟量装转换为数字量信号后，给控制器使用。 三、传感器（P4） 传感器是控制系统中的一种前置部件，它把感受（或响应）到的规定的被测量，按照一定规律转换成

4、可用信号而输出的器件或装置。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被检测量（输入量）的部分；转换元件是指将敏感元件感应或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号的部分。传感器按被测量的类型可以分为：位移、位置、速度、加速度、压力、温度等传感器。四、常用传感器1、接近开关接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当被检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。接近开关是一种开关量输出的位置传感器

5、，根据工作原理的不同可以分为电感式和电容式。2、光电开关（光电传感器）光电开关的物理基础是光电效应，在光的照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象。光电开关是由发射器、接收器和检测电路组成三部分组成。它利用被检测物体对光束的遮光或反射来检出物体的有或无，光电传感器检测不局限于金属，对其他物体均可检测，而且检测距离是接近开关不能相比的。光电开关的光源可分为见光、红外线、紫外线等；光源一般使用红外线发光二极管来发射红外线，气动门实验采用普通白炽光。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光敏元件采用光敏二极管和三极管，均是在光照后导通。其

6、工作原理（2）光电开关的种类（按照接收方式）可以分为下几种：漫反射式光电开关镜反射式光电开关 对射式光电开关 4、按钮开关：模型上所使用的按纽开关（见图2-5），根据其应用目的的不同，可分为下列两种形式：（1）当接触传感器用：判断机构是否与其它物体发生物理性接触，或检测运动机构是否到达其运动范围的终点。（2）当转旋转编码器用：在转轴上安装一个具有多个均分凸点的凸轮来触发接触开关，当转轴旋转时可发出多个脉冲信号，其作用与旋转编码器相似。按钮开关按照功能有常开、常闭之分，对应信号为1，0。 第三章 执行装置（P7） 机电一体化产品中的执行装置是指在控制信号的作用下能提供一定的运动和动力，从而使系统

7、完成必要动作的装置。通常执行装置是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动或直线运动等方式的机械能。按照利用的能源的类型，可将执行装置分为：电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。在电动执行装置中，有直流电机、交流电机、步进电机等。液压执行装置有液压缸、液压马达等。气动执行装置有气缸、气马达等。第一节 电动执行装置 一、电动执行装置的特点1、优点：（1）以电能为能源，在大多数情况下容易实现。（2）容易控制。（3）可靠性、稳定性和环境适应性好。（4）与计算机等控制装置的接口简单。 2、缺点 （1）、在多数情况下，为了实现一定的旋转运动或者直线运动，必须使用齿轮、带轮

8、等运动传递和变换装置。（2）、容易受载荷的影响。 （3）、获得大功率比较困难。二、直流电机 在实验中均使用小型直流电机，其电源有9V和24V之分。1、直流电机转向的控制直流电机转向的控制只需要改变流经电机电流的方向，就可以改变。本实验装置采用“H桥式驱动电路”（其形状酷似字母H）（见图3-1），由4个三极管组成四个垂直的腿，电机组成中间的横杠。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同的三极管的导通情况，电流可以从不同的方向流过电机，从而控制电机的方向。 H桥式电机驱动电路二、伺服电机 在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。一般的伺服系统

9、包括伺服驱动装置、伺服电机和检测装置三部分。伺服电机可以把输入的电压信号变换成为输出轴上的角位移和角速度输出。根据被控对象的不同，由伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置、速度、力矩控制方式。伺服电机具有以下特点：（1）伺服电机的机械特性好，启动扭矩大；（2）响应速度快；（3）调速范围宽；（4）输出扭矩恒定，（5）无自转现象。第二节 气压执行部分 气压传动是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质来传递动力或信号，配合其它的机构或原器件，达到预期的传动效果或目的。一、气压传动的特点：气压传动其具有生产成本低、控制简单等特点，因此在工业生产中得到了泛用的应用。 （一）、优点：（1

10、）、使用的介质是空气，可方便的使用，不会产生污染，成本低。（2）、空气的粘度小，在管道中的压力损失小，便于远距离传输。（3）、工作压力较低，一般为0.4MPa 0.8M Pa，对于元器件的制造精度和材料性能要求较低。（4）、气压传动系统维护简单，不存在介质变质、补充和更换等问题。（5）、使用安全、可靠，可在高温、易燃易爆的场合使用。 （二）、缺点（1）、由于空气有可压缩性，使气缸的定位精度差，工作速度稳定性不高 ，外负载变化对速度的影响较大。（2）、气缸在在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例较大，其低速稳定性差。（3）、系统工作压力低，总推力较小，Max1040KN。（4）、噪音较大，一般使用

11、消音器。 二、气压传动的组成 气动系统一般由三部分组成： 1、气源系统：将原动机供给的机械能转换为流体压力能的装置，如空气压缩机。 2、执行系统：将压力能转换为机械能的装置，有气缸、气马达等。 3、控制系统：在以上两部分之间，根据工作需要，通过管路安装连接的各个控制阀及其他辅助装置。如溢流阀、调压阀、方向控制阀等。 4、三联体（二联体）三联体（二联体）是贮气罐到使用设备之间的气源控制元件。由气 水分离过滤器、调压阀、油雾器和压力表组成。主要作用：将由贮气罐来的压缩空气经过过滤调整压力加注润滑剂后续设备使用。（1）分水过滤器 用于去除压缩空气中所含的冷凝水、油滴和固态杂质等，以延长气动部件的使用

12、寿命。 （2）油雾器把雾化后的油雾全部随压缩空气输出（油雾的直径越为20um），供给气缸或控制阀使用，保证它们的使用寿命。（3）调压阀调整压缩空气的系统压力，保证设备的使用安全。调压阀（减压阀）安装在气水分离过滤器和油雾器之间使用。调压阀（减压阀）是由弹簧、重锤和气体压力来调节气压，将出口压力保持在稳定的设定值。调压阀（减压阀）的进口压力总是大于出口压力，总是将气体压力降到某一值。4、气动控制回路根据执行机构需要完成的动作过程，设计气动控制回路，选择相应的气动元件。下图是简单的双作用缸的控制回路。第四章 机械装置机械装置：由机械零、部件组成的各种机构同时机械机构之间相互传递运动的系统。当两个物

13、体相互接触并相互运动时，就称其为运动副。在运动副中可以分为滑动副、转动副和螺旋副等。根据其相互接触是点、线或面也分为高副和低副。常用的机械机构：齿轮机构、丝杠机构、凸轮机构、带传动机构、链传动机构、连杆机构等。一、齿轮机构齿轮机构是使用最广泛的传动机构之一。一对齿轮正确啮合的条件是模数（m）和压力角（a）相等，螺旋角方向相反（=-）。1、模数确定齿的尺寸和强度，模数越大齿越厚。模数的计算公式： t齿距 m模数。2、压力角：渐开线上某点的法线，与该点的速度方向线所夹的锐角，规定为分度圆上的压力角为标准压力角，其标准值为20°. 三、带传动的种类2、带传动的特点 （1）优点1适合中心距较

14、大的场合。2带具有良好的挠性，可以缓和冲击，吸收振动。3过载时带与带轮之间会产生打滑，可以防止损坏其它零件。4结构简单，成本低廉。（2）缺点1带传动的外廓尺寸较大。2需要张紧装置。3由于带的打滑（同步带除外），不能保证固定的传动比不变。4带的寿命短。5传动效率低一般在90%。第五章 控制装置一、控制：为了达到一定的目的而实行的适当的操作。目前几乎所有的控制装置都是由具有微处理器的计算机和输入输出接口构成的。控制系统根据有没有反馈信号可以分为开环控制系统和闭环控制系统。1）、开环控制：不检测被控对象的实际状态的控制系统。2）、闭环控制：引导被控对象达到目标状态，并且在外界条件变化的情况下也能使系

15、统一直保持的目标状态。一、智能接口板的功能：1）、自带8位微处理器。主动模式：程序由智能接口板的自带CPU进行运行。被动模式：由计算机运行程序。（推荐使用此模式）。2）、四路输出（M1M4），可以接电机、电磁铁和灯。3）、八路数字信号输入（E1E8），可接开关、光电开关、磁性开关等4）、两路模拟量信号输入（EX-EY），输入端的阻值为0-5k，连接的电阻负载变换成数字量为0-1024，扫描率是20ms，精度大约是0.2%。可接热敏电阻、热电偶、电阻等。5）、采用RS232接口与计算机端口串行COM1或COM2连接 。6）、电源为9V，1000mA，需要专用的电源。一、可编程控制器简介可编程控制

16、器（Programmable Logical Controller）简称PLC。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是专为在工业环境应用而设计的。PLC是在传统的顺序控制器基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。 可编程控制器（PLC）的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、

17、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 二、PLC的结构及基本配置PLC是一种工业控制用的专用计算机，其核心是一台计算机，由硬件系统和软件系统两大部分组成。 硬件系统主要有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。其基本结构组成见下图。2、输出接口 （P28）输出接口的作用是将可编程控制器内部的信号转换成可以驱动外部执行电器的信号，以便控制接触器线圈、电磁阀等电器的通断状态。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为：1晶体管输出，该方式有较高的接通断开频率，仅用于直流

18、输出负载；2晶闸管输出，该方式用于交流输出负载；3继电器输出，该方式既可用于直流、又可交流负载，但接通断开的频率低。2、型号介绍（P30）3、元件及元件定义号用户使用的每个输入输出端子及内部的每个存储单元都成为元件。各个元件有不同的功能、有其固定的位置。PLC内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲

19、数字元件使用。（1）输入继电器 （X）PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致，线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的位置，输入为X000 X007，X010 X017，X020 X027等等 。（2）输出继电器（Y） PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使

20、用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。各基本单元都是八进制输出，输出为Y000 Y007，Y010Y017，Y020Y027 等等。（3）辅助继电器（M）PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何了解，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。在FX1N中普遍途采用M0M499，共500点辅助继电器，其位置号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等。（4）定时器（T）在PLC

21、内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。定时器通道范围如下：100 ms定时器T0T199， 共200点，设定值：0.1 3276.7秒；10 ms定时器T200T245，共46点，设定值：0.01327.67秒；1 ms积算定时器 T246T249，共4点，设定值：0.00132.767秒；100 ms积算定时器T

22、250T255，共6点，设定值：0.13276.7秒； 四、编程语言形式PLC最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，直观易懂，但需要计算机及相应的编程软件。梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体

23、现。其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为： 位置 指令 变量 0000 LD X000 0001 OR X0100002 ANI X001 0003 OUT Y000 0004 END 五、 FX1N系列的基本逻辑指令基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法，各种型号的PLC的基本逻辑指令都大同小异，我们针对日本三菱FX1N可编程控制器系列，逐条学习其指令的功能和使用方法。每条指令及其应用实例都以梯形图和语句表两种编程语言对照说明。输入输出指令（LD/LDI/OUT）LD与L

24、DI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OUT 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。 2、触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI） AND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。触点串连指令、并联梯形图及语句表3、电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDI令开始，而支路的终点要用OR

25、B指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDI指令；与ORB指令一样，ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中

26、使用ANB指令，最多使用7次。电路块的并联和串联梯形图及语句表4、程序结束指令（END）在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。另外，在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。五、梯形图的设计与编程方法1、确定各元件的编号，分配I/O位置。2、梯形图的编程规则（1）每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。（2）梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（

27、线圈右边不允许再有接触点），如图(a)错误，图(b)正确。（3）线圈不能直接接在左边母线上。（4）在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。（5）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。 3、编程实例（1）常用的点动计时器，其功能为每次输入X000时，Y000输出一个脉宽为定长的脉冲，脉宽由定时器T000设定值设定。它的时序图如下图所示：点动计时器梯形图（2）、震荡电路运用定时器还可构成振荡电路，根据下面的时序图，选用两个定时