机电一体化技术与应用 课件 -第9章 应用实例

第九章应用实例课程名称：机电一体化技术与应用生活中的机电一体化产品——自助售票机

自动售检票系统(automaticfarecollection，AFC)是地铁系统中重要的子系统，是可以对地铁票务运营中售票、检票、统计、财务、运营分析等业务进行全过程自动化管理的计算机网络系统，系统架构图如图所示。自动售检票系统主分为车票、车站终端设备、车站计算机系统、线路中央计算机系统、清分系统五个层次。生活中的机电一体化产品——自助售票机

自动售票机是自动售检票系统的主要终端设备之一，也是该系统的重要组成部分。其可代替人工购、补、退票等功能，实现轨道交通运营系统中通过设备取代人工，符合车站走向自动化的发展趋势。生活中的机电一体化产品——自助售票机

自动售票机主要由电源、与乘客交互的UI界面、主控单元、LED状态显示器、财务设备、票务设备等多个功能模块组合而成。生活中的机电一体化产品——自助售票机触控屏幕界面由检测系统和显示系统组成，是网络售票机与用户交流的途径。用户可以通过视觉和触觉与之交流，辅助用户选择站点、购票张数等功能。与传统的液晶显示屏幕相比，触控屏幕更为便捷，带给用户更舒适的交互体验。主控单元包含板、存储硬盘、中央处理器、数据传输接口、控制模块等。可实现对各个模块和单元进行协调控制，并实现与管理系统的通讯，上传票务数据等相当于售票机的“电脑”。生活中的机电一体化产品——自助售票机票务设备包含出票、打印、单程票读写、储票等模块。其中单程票读写模块由射频天线、读写芯片、SAM卡组成，负责对来自发售模块的单程票进行寻卡、读卡、写卡操作，使车票具有发售设备号、发售时间和存储金额等信息。财务设备模块通常包含硬币/纸币机构、找零机构、二维码支付机构等等。从投入硬币或纸币之后到给出车票为止的基本工作流程如右图所示。生活中的机电一体化产品——自助售票机硬币机构还包含外部零钱补充部件，由零钱补充箱和补充盘构成，可把找零钱用硬币供给硬币机构，该机构可辨别投入硬币的真伪，区分钱的种类，投入硬币的一次性储存，找结零钱等。辨别硬币的真伪可通过机械检测与电子检测：机械检测方式是测量并判定硬币的外径，厚度、图样的印痕、周缘刻纹及有无孔等硬币形状的方式。电子检测方式是用检测器收集硬币的材料性质或形状等信号，与预先存储的每种钱币的信息相比较进行判定的方法。当零钱机构找钱时，零钱通过光电开关，每种硬币逐枚计数直到与控制部分输出的应找钱的枚数一致为止，然后便连续付出。纸币机构类似的也包含输人纸币、对插入的纸币辨别真伪、识别金额以及纸币暂存等功能。纸币真伪的辨别方法是先把纸币的外形尺寸及纸币固有的信息等用检测器收集，然后与机构预先存储的纸币信息相比较,最后得到判定结果。当纸币找零时，采用了真空吸附装置将一张纸币取出，也可以利用橡胶辊一张张反复取送出，一旦两张重叠一起送出时，利用检测光的透过量及厚度测出异常，便会收回重叠纸币、重新支付。生活中的机电一体化产品——变频空调变频空调是由控制器控制的变频器调节变额压缩机运转的快慢来调节温度，开机后，压缩机立即高速运转制冷（暖），随后压缩机自动采用低频、低功率运转，维持所设定的温度。这种空调具有高效、节能、启动运转灵活、故障判断自动化等特点，可以节省电能20%-30%，其次，变频空调启动电流小，仅为普通空调的1/7，可解决因家庭电表小、启动时易跳闸的困扰。变频空调一般可分为交流变频和直流变频。交流变频空调的原理：式中U1为电动机端电压；kd为电机绕组系数；N1为每相定子绕组匝数；Φ为每极磁通，Wb由式可知：要保持Φ恒定，则要保持U1/f恒定，因此频率f改变时，电动机定子电压U1必须随之同时发生变化，即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法称为VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency)，简称为V/F变频控制。生活中的机电一体化产品——变频空调交流变频空调的变频器主要包含整流器、滤波器、功率逆变器等部分(如下图所示)。变频器中的电脑控制系统，对各取样点传来的信号进行分析处理，并经内部波形产生新的控制信号，再经驱动放大去控制变频开关，产生相应频率的模拟三相交流电压，供给压缩机。生活中的机电一体化产品——变频空调直流变频空调的原理：直流变频器的控制电路与交流变频器的基本一样。把工频市电220V转换为直流电源，并送至功率模块，变频模块每次导通二个三极管，给两相线圈通以直流电，同时模块受微电脑的控制，输出电压可变的直流电源，并将直流电源送至压缩机的直流电动机，控制压缩机的排量，工作原理图如下图所示。由于直流变频空调采用了无刷直流电动机作为压缩机，因此其直流变频器相比交流变频器多一个位置检测电路，使直流变频的控制更精确。生活中的机电一体化产品——变频空调

变频空调器的室内机主要用来接收人工指令，并对室外机提供电源和控制信号。内部设有空气过滤部分、蒸发器、电路部分、贯流风扇组件、导风板组件等。变频空调器的室外机主要用来控制压缩机为制冷剂提供循环动力，与室内机配合，将室内的能量转移到室外，达到对室内制冷或制热的目的。生活中的机电一体化产品——变频空调

变频空调的电路结构如图所示：生活中的机电一体化产品——变频空调

变频空调的控制关系如下图所示，其输入主要包括三类变量，分别是室内温差及其随时间的变化率，室内换热器管壁温度及其随时间的变化率，室外换热器温管壁的温度及其随时间的变化率。进一步将这些输入变量的精确值转化为模糊量，并结合模糊推理规则表给出控制决策，模糊输出接口再将模糊控制量转化为精确量，实现对空调的制冷、制热、除湿、风量等等功能的智能化控制。工业、生产线中的机电一体化产品——电火花数控机床

电火花加工是利用工件和工具（正负电极）之间脉冲性电火花的放电时瞬时高温来使工件局部的材料熔化、氧化而被腐蚀，从而实现对工件的尺寸形状和表面质量预定的加工。加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质(常用煤油矿物油或去离子水)中。工具电极与工件在正常加工时维持有一个很小的放电间隙(0.01~0.05mm)，脉冲电压加到两极之间形成放电通道，能量高度集中使材料熔化甚至蒸发，在材料上形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。1.工件；2.脉冲电源；3.伺服机构；4.电极；5.工作液；6.过滤液；7.循环泵工业、生产线中的机电一体化产品——电火花数控机床系统构成：常见的电火花加工机床主要包含由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成等几个部分组成。工业、生产线中的机电一体化产品——电火花数控机床机床本体机床的机械实体，主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统等部分组成。主要是用来实现对工具和工件的装夹、调整等。滑枕式结构如右图所示，工作台固定不动，运动机构带动滑枕和主轴头左右运动进而实现相对底座床身的横向伺服进给运动；运动机构带动主轴头前后运动实现相对滑板的纵向伺服进给运动，运动机构带动主轴头上下运动实现其上下伺服进给运动。1-工作台(底座)，2-滑板，3-滑枕，4-主轴头工业、生产线中的机电一体化产品——电火花数控机床脉冲电源用于将工频交流电转变成一定频率的定向脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。主要由脉冲发生器，隔离放大电路，直流电源电路，功率放大电路，开关电路等部分构成。工作液循环与过滤装置主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管和过滤网罩等，工作液循环方式主要分为了冲油式和抽油式。1-粗过滤器2-单向阀3-涡旋阀电动机5-安全阀6-压力表7-精过滤器8-压力调节器9-射流抽吸管10-冲油选择阀11-快速进油控制阀(补油)12、13-压力表工业、生产线中的机电一体化产品——电火花数控机床控制系统的主要作用是在电火花线切割加工过程中，按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹和进给速度，来实现对工件的形状和尺寸的加工，亦即根据放电间隙大小与放电状态自动控制进给速度，使进给速度与工件材料的蚀除速度相平衡。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统方便面食品生产线中的重量检测与分选系统要求该能在桶面线充填机正常运行速度（约19排/分钟）下，满足产品在线称重要求。系统主要分为承载运输模块、称重模块（桶面产品称重与面块称重）、分选模块和控制显示软件三部分构成。在食品生产包装过程中，每个定量包装食品的重量是否达标是消费者和生产厂家十分关注的问题。为了避免重量不达标产品流入市场，在生产线中增加称重环节，在流水生产线动态情况下实现高速、高精度重量检测并动态分选出过轻或过重产品，相比以往传统的方法，可避免重量不合格产品流入市场，同时降低了人工操作强度也降低了生产厂家制造成本。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统承载运输模块：可实现一行十个杯面产品的传输。结合方便面面桶特点，其传输模块包含一个长方形板，板上设有十个圆孔，圆孔尺寸与面桶上部尺寸相同，这样可保证圆孔卡住面桶上端，从而在长板传动过程中卡住十个面桶同步运输。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统称重模块：位于传输运输模块下方，称头成“人”字型左右排列，可同时实现两行产品（20个桶面）的称重检测。当运输模块方板携带桶面产品运送至称重模块上方时，称重托盘上移将面桶顶起，连接称重托盘的的横梁会同时因托举面桶发生形变，贴附于横梁上的电阻应变片式传感器的阻值会随着变形而改变进而实现称重。称重模块整体检测精度误差为±1%。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统剔除模块：当产品依次经过面块称重机构与单桶称重机构后，两者差值即为料包和叉子的重量，当这个值超过设定值时，这个产品则会被认定为不合格品，该产品在后续的生产线中则不会被封口，并且会在剔除模块，由托盘上气缸顶起，并由一根横杆将其拨至垂直方向运动的辊轴输送单元上将其剔除出生产线。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统参数设置界面：可设置所称重产品的重量最小与最大值，并可选择产品类型对应的编号。进一步进入称重模块的矫正界面，在这一界面也可以选择或停止某一个称重单元。最后可进入检测监控界面，监控界面主要显示当前机器的运行状态、工位启用、称重实时数据及报警显示。当称重单元对应窗口出现红框时，则代表当前工位产品超出设置范围，此时系统则可通过自动调整气缸上下实现异常产品的剔除。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统双排称重系统检测流程：桶面产品经过单桶称重机检测的重量，与经过面块称重机检测的重量相比较，可计算差得出异值（即为料包+叉子重量），当这个差异值超出设定值时该产品则认定为不合格品（漏投），需要剔除。工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统面饼称重：工业、生产线中的机电一体化产品——双排称重系统称重与筛选:农业生产中的应用实例——林果作业机器人猕猴桃花的充分授粉对猕猴桃产量和质量至关重要。然而猕猴桃花的人工授粉是一项劳动密集型工作，劳动力成本和花粉价格的上涨，给猕猴桃授粉成本控制带来了挑战。在这种情况下，将机器人应用于这里领域，不仅可以使人们免于繁重的劳动，还可以减少授粉不精确造成的损失。猕猴桃花授粉机器人包含视觉系统、气液喷雾系统、机械臂、履带式底盘和控制系统五个系统组成。（1）气液喷嘴；（2）空气；（3）成像模；（4）履式底；（5）机械臂；（6）控制单元；（7）电动花粉液罐。农业生产中的应用实例——林果作业机器人视觉系统：包括一个RGB-D（红、绿、蓝-深度）相机，用于猕猴桃树冠图像采集和图像处理方法，用于合适的花朵检测和定位。相机获取的图像的帧速率为每秒30帧。由于猕猴桃的花期不同步，采用了基于YouOnlyLookOnceversion5large（YOLOv5l）的多类花朵检测方法来检测和确定树冠上哪些花朵处于最佳授粉期。农业生产中的应用实例——林果作业机器人气液喷雾系统：由气液喷嘴、气路和液路模块组成。总体结构如下图所示，液体路径模块由液体电磁阀、节流阀和电动花粉液罐。空气通道模块由空气电磁阀、节流阀和空气泵组成。此外，还采用了浮子流量计和压力变送器分别测量流速和气压。农业生产中的应用实例——林果作业机器人机械臂：是一个具有三个自由度的平行四连杆机构，满足授粉的需要。机械臂有三个伺服电机和三个谐波减速齿轮构成，结构简单，易于控制。除实现精确授粉外，机器人还需要一个移动平台来携带并自主移动机械臂穿过果园。（a）三维机械制（b）机械臂工作空间和尺寸的侧视图（c）机械臂工作空间的俯视图农业生产中的应用实例——林果作业机器人控制系统：所选用编程环境为Python，使用的主控制器是JetsonXavierNX模块，该模块通过USB接口与RGB-D摄像机相连，用于采集树冠图像，并通过传输控制协议/互联网协议TCP/IP与NexDroid控制器通信，用于发送选定的合适花朵坐标信息。机械臂的动作信号由主控制器产生，发送至R4EtherCAT进行机械臂的运动控制。此外，气液系统还采用了双向继电器，实现了气液电磁阀的开关控制。农业生产中的应用实例——林果作业机器人整体控制：当授粉机器人移动到所需的授粉区时，其摄像头实时获取树冠的图像。视觉系统检测并选择合适的花朵进行授粉后，所选花朵的三维坐标被发送到控制系统，控制系统将其转换为机械臂的坐标。然后，气液喷射系统接收信号进行喷射，同时完成机械臂的运动。如果当前区域完全授粉履带式底盘将移动到下一个授粉区。农业生产中的应用实例——水培精准智能调控系统垂直农业是现代多技术集成创新的农业生产形态，因其高度的集约化、信息化和智能化，可实现一、二、三产业的无缝融合，发展为一种新型的农业产业化联合体，具有资源利用率高、建筑成本低和易于全程机械化作业管理的特点。基于物联网的垂直农业智能栽培系统，将物联网等技术融入栽培系统中，实现对植物生长状况的检测、植物生长环境进行多模式选择调节，智能调控植物生长过程中幼苗、成苗、结果等阶段的最优环境。农业生产中的应用实例——水培精准智能调控系统

垂直农业智能栽培系统主要有植物智能补光模块、精准营养液配比与智能循环灌溉环节、传感器设备组网、PC端上位机界面、深度学习模型五大部分构成。农业生产中的应用实例——水培精准智能调控系统传感器数据采集模块：用于采集营养液的酸碱度的检测、电导率的检测、环境光照强度的检测、空气温湿度的检测。酸碱度和电导率模块，用于控制配母液、酸、水电磁阀的工作；光照传感器模块，用于植物和所在的光强环境的检测；空气温湿度模块，用于检测植物生长环境的检测工作。农业生产中的应用实例——水培精准智能调控系统营养液配比与循环灌溉模块：主要分为灌溉主回路管、供水管、供肥管和供酸液管。通过上位机设置营养液的EC和PH值的范围，并将传感器定时采样营养液的EC值和PH值作为模糊P