机电整合技术及应用

机电整合技术及应用 部门：CA-ATM 主管：赖建宏副理 制作人：王沛玉时间：2006/08Foxconn机电一体化概述机械系统设计传感器检测及其接口电路控制电动机及其选择工业控制计算机器接口技术DENSO六轴机械手介绍Contents机电一体化概述机电一体化最早起源于日本，去英文Mechanics的前南部和Electronics的后半部拼合而成，在大陆称为机电一体化或机械电子学，而在台湾则称为机电整合技术。数控机床的问世微电子技术的发展可编程序控制器、"电力电子"激光技术、模糊技术、信息技术

发展历程发展趋势光机电一体化

自律分配系统化—柔性化

“生物一软件”化—仿生物系统化

全息系统化—智能化

微型机电化—微型化

————————————————————控制单元工作指令传感检测单元外界信息机械本体驱动单元动力单元执行单元所需的机械运动——————————————————————— 机电一体化系统的组成及工作原理————————————————————————————— 机电一体化的相关技术系统总体技术机电一体化相关技术机械技术传感检测技术信息处理技术技术控制自动机械系统设计————————————————————————————————————————————————— 机械系统数学模型建立M机械移动系统运动方程拉普拉斯变换---传递函数机械转动系统运动方程拉普拉斯变换---传递函数T(t)Jθ(t)————————————————————————————— 机械传动系统的特性机械传动系统特性转动惯量磨擦谐振频率阻尼刚度间隙转动惯量大，机械负载增大，系统响应速度变慢，灵敏度降低，固有频率下降易产生谐振。粘性摩擦力、库伦摩擦力、静摩擦力，静摩擦力尽可能小，动摩擦力小正斜率。伺服系统失动量，刚度大，失动量小；稳定性：对闭环系统影响较大。间隙使传动系统中间隙产生回程误差，影响伺服系统中位置环的稳定性。对弹性系统的影响，降低定位精度，降低机械性能。当外界的激荡频率接近或等于系统的固有频率时，系统将产生谐振而不能正常工作，具有一阶、n阶谐振频率。————————————————————————————— 机械传动装置传动装置不仅是转矩和转速的变速器，而且是死腹系统的重要组成部分转动惯量小，磨擦小，阻尼合理，刚性大，抗振性好，间隙小齿轮传动齿轮传动总传动比的选择：通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。齿轮传动链的级数和各级传动比的分配：（1）最小等效转动量原则；（2）质量最小原则；（3）输出轴的转交误差最小原则；滚珠花键特点：外援均布三条突起轨道，配有六条符合滚珠列，承载时三条负荷滚珠列自动定位，反转时，另三条负载列自动定位。外筒与花键轴之间既可以作回转运动，又可以做相对直线运动，所以即是传动装置，又是直线运动支撑。谐波齿轮谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92％~96％，单级传动比可达50~4000。承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。传感器检测及其接口电路————————————————————传感器定义：传感器是借助于被测元件接受一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置；控制对象：伺服驱动单元和执行机构；应用：检测位移、速度、加速度、运动轨迹、及其操作和加工过程参数等机械运动参数；分类：分类法形式说明构成原理结构型物理型以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件物理特性变化实现信息转换基本效应物理型、化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名能量关系能量转换型能量控制型传感器输出量能量有外援供给，但受被测输入量控制作用原理应变式、电容式、压电式等以传感器对信号转换的作用原理命名————————————————————————————— 传感器性能与选用原则传感器性能选用原则静态特性动态特性线性度：实际特性曲线与拟合直线之间的偏差；灵敏度：特性曲线斜率；迟滞性：输入输出特性曲线不重合程度；重复性：全程多次测量特性曲线不一致性；动态特性：传感器对输入信号响应的特性；动态误差：输入输出信号的时间函数之间的差异；快速、准确、可靠、经济（1）足够的容量；（2）转换灵敏度高；（3）精度适当，稳定性高；（4）反应速度快，可靠性好；（5）适用性和适性强；（6）使用经济；————————————————————————————— 位移测量传感器位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称。电容传感器线性位移传感器：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器；角位移传感器：电容传感器、光电编码盘；电感式传感器光栅将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器；结构简单、高分辨率、非接触测量，可在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作；将被测位移量变化成线圈自感或互感变化的装置；结构简单、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强，但动态响应慢，不宜作快速动态测量；光栅是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精确度高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大等；————————————————————————————— 速度、加速度、位置传感器速度加速度传感器位置传感器直流测速机光电式转速传感器接近式位置传感器接触式位置传感器实质：微型直流发电机；特点：输出些率大、线性好、构造维护复杂，摩擦转矩较大；组成：带缝隙圆盘、光源、光电器件、指示缝隙盘；n=60N/Zt；分类：由微动开关制成的位置传感器、二维矩阵式配置的位置传感器；分类：电磁式传感器、电容式传感器、光电式传感器；控制电动机————————————————————控制电动机是伺服控制系统的动力部件，它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。控制电动机有回转和直线驱动两种，通过电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动。————————————————————————————— 步进电动机及其控制步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件每接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角，转子角位移的大小及转速分别与输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步受数字脉冲信号控制；转速与输入脉冲频率成正比；转向可通过改变通电顺序改变；具有自锁能力；不易受干扰；不会长期积累步距角误差；易于微机接口；（1）步距角；（2）静态特性；（3）动态特性；（1）转矩和惯量匹配条件；（2）步距角的选择和精度；

步进电动机运行特性及性能指标步进电动机选用————————————————————————————— 交直流伺服电动机及其控制直流伺服电动机交流伺服电动机（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；同步型：（1）无接触换向部件；（2）需要磁极位置检测器；（3）具有直流伺服动机全部优点；感应型：（1）对定子电流的激励分量和转矩份量分别控制；（2）具有直流伺服动机全部优点；驱动方式：直流伺服电动机用直流供电，为调节电动机转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制；直流伺服系统组成：包括PWM功率放大器，速度负反馈，位置负反馈；控制方法：（1）SM型，采用永久磁铁场的同步电动机不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可；（2）IM型，矢量控制、变频调速控制；工业控制计算机及其接口技术————————————————————分类可编程序控制器总线型工业控制计算机单片机特点（1）控制程序可变，具有很好的柔性；（2）可靠性强，适用于工业环境；（3）编程简单，使用方便；（4）功能完善；（5）体积小、重量轻、易于装入及其内部；（1）提高设计效率，缩短设计和制造周期；（2）提高了系统的可靠性；（3）便于调试和维修；（4）能适应技术发展的需要；（1）受集成度限制，片内存储器容量较小；（2）可靠性高；（3）易扩展；（4）控制功能强；（5）一般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件，软件开发工作量大；————————————————————————————— 可编程控制器硬件组成编程器CPU存储器输入接口输出接口输入状态寄存器输出状态寄存器IN1IN2IN3OUT1COMCOMOUT2OUT3输入信号电源—————————————————————————————可编程控制器工作流程图开始自诊断与编程器通信读现场信号执行用户程序程序扫描结束PLC基本工作过程：（1）读取现场信息；（2）执行用户程序；（3）输出控制信号；上述过程完成后，重新开始循环执行，PLC的扫描周期通常为10-40ms。PLC整个过程如右图所示。—————————————————————————————PLC外电路设计一般原则外电路设计，主要是指输入、输出设备与PLC以及各运行方式、强电电路、电源电路、控制柜内电路等。1.系统配套电器的选用原则（1）提高工作可靠性；（2）采用小型化低压电器；（3）采用新型低压电器；（4）采用卡轨式安装和装配形式；2.中间继电器的配置原则（1）连接手动电路、紧急停车电路，以备系统异常；（2）配线距离长，或与高噪声源设备相连，以产生干扰场合；（3）除PLC，另有其他控制电路使用该信号；（4）大负载频繁通断；3.熔断器使用原则4.输入/输出连锁触电的接入方法5.限位开关接入方法6.设备接地方法—————————————————————————————

Denso六轴机械手有关六轴机械手需注意有关其坐标,设定坐标可分两种:1. 轴角度值每一位置,可根据不同的轴角度表示使用此方式的坐标值,优点是可容易知道是否接近或超出工作范围,但缺点是不容易把坐标值转为实际的X,Y,Z坐标—————————————————————————————

Denso六轴机械手2. 绝对坐标值以机械手底座中心为0点(X=0,Y=0,Z=0),另再加X轴,Y轴及Z轴的旋转.每位置可由不同的轴角度组合而成,但同样的位置可由不同的角度组合而成,如下图:第一轴,第二轴及第三轴不同组合,但对X,Y,Z及Rx,Ry,Rz的坐标是相同在教导点时,为方便教导,运动时会根据不同的对应点运动,分别是JointMode,X-Ymode及ToolmodeJointMode:是根据六轴的独立转动运动模式中选择Joint按M-MOD,选择运动模式—————————————————————————————