材料加工自动化考试与课件

考试：材料加工自动化

题量：10题，时长30分钟，总分100分，60分及格

姓名：圣诞的苹果蛋糕改了好几次，不知道你会不会喜欢

1【单选】下列不属于PLC三大流派的是（）

•CA.美国

•°B.韩国

•rC.法国

•CD.日本

【参考答案】B

2【判断】自动化专机焊接比机器人焊接可靠性要高（）

•°A.正确

•CB.错误

【参考答案】B

3【多选】下列属于常用编程语言的是（）

•17A.梯形图

•17B.语句表

•17C.逻辑方程式

•8D.布尔代数式

【参考答案】A.B.C.D

4【多选】按照受控运动方式机器人可分为（）

•17A.点焊、搬运机器人

•厂B.水下机器人

•17C.弧焊、喷漆机器人

•厂D.农业机器人

【参考答案】A,C

5【判断】传感器的静态特性取决于传感器本身的性能和输入信号的形式（）

•CA.正确

•⑤B.错误

【参考答案】B

6【单选】下列属于机器人系统结构的是（）

•CA.机械手总成

•CB.控制器

•rC.示教系统

•⑥D.以上都是

【参考答案】D

7【单选】传感器按被测物理量分类不包括（）

•CA.位移传感器

•CB.力学传感器

•0C.机械式传感器

•CD.温度传感器

【参考答案】C

8【多选】变频器的常用控制有（）

•旷A.U/f控制

•17B.矢量控制

•厂C.间接控制

•PD彳新量控制

【参考答案】A.B

9【判断】基本指令是直接对输入输出进行简单操作的指令（）

•8A.正确

•CB.错误

【参考答案】A

10【判断】PWM调制是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成

电压可变、频率可变的电压脉冲列（）

•°A.正确

•CB.错误

【参考答案】A

材料加工自动化

一、绪论

传统制造技术分为机械加工技术（冷加工）和热加工技术，热加工技术又分为铸造技

术、锻压技术、焊接技术和热处理技术。

焊接是材料加工、材料成型的一种方法；是制造技术的重要组成部分。

以前焊接属于毛坯件的生产，随着科学技术的发展，现在的焊接从毛坯件的生产发展

成为最终产品的制造技术，座椅也可以把焊接加工扩展成为焊接制造。

焊接技术也是先进领域的重要组成部分，任何一个工件加工出来都需要焊接，现在的

工件加工需要铸造、锻压和焊接三种技术联合起来使用。

（一）加工（焊接）自动化

加工自动化是指加工、生产过程的自动化。

1.为什么要采用加工自动化

产品使用性能与生产要求：产品性能要求的提高、产品精度要求的提高、产品生产效

率的提高、产品更新换代的要求、产品高科技附加值的提高……焊接的最终要求是高质量

高效率。

性能要求：力学性能、强度性能，提高质量

精度要求：焊接时会产生热胀冷缩的变形，从而会影响其加工精度。控制加工的精度

就是控制焊接成型的精度。

2.如何实现焊接加工自动化

（1）用机械一电气装置代替人工操作

（2）用电子技术、计算机技术、控制技术代替人的思维

（3）科技发展：新材料的发展与应用，微电子技术、信息技术和计算机技术，智能

控制自动化技术，新型电源及控制技术……焊接自动化

机器人电弧焊

自动立焊

快速铝制列车双抢纵列多丝熔化极惰性气体保护焊接

管道直缝焊接

管道环缝全位置自动焊接

表面堆焊

等离子/TIG焊接数控系统

管与管的链接自动焊

窄间隙自动焊

平直焊缝自动焊

箱形梁自动焊接系统

工资梁自动焊接系统

说I

光电控制自动切割系统

数控切割系统

不锈钢焊管焊接生产线

焊接自动化是指焊接加工、焊接生产过程的自动化，就是采用具有自动控制，能自动

调节、检测的焊接加工机械装置，按规定的程序或指令自动进行焊接加工，其目的在于提

高焊接效率、保证焊接质量、降低焊接成本和劳动强度、改善焊接环境、保障焊接生产安

全等。

（二）焊接自动化系统

加工自动化：采用机械装置代替人自动完成材料的加工。

加工自动化系统：完成加工的系统装置。

简单的自动焊接系统

直线焊接系统

焊接自动化系统的基本构成单元：机械装置、执行装置、能源、传感器、控制器和自

动焊机。机械装置能够实现某种运动的机构，配合自动焊机进行焊接加工，如：机器人、

变位机、悬憎操作机等。

焊接变位机与滚轮架

操作机

自动焊机比人工焊机的要求高，本身可以构成独立系统。

（三）焊接自动化的相关技术

焊接自动化的技术包括：机械技术、传感技术、伺服传动技术、自动控制技术、系统

技术、焊接技术。

自动化与人的相关关系，控制器相当于人的大脑，传感器相当于人的大脑和皮肤，机

械装置相当于人的骨骼，能源相当于人的内脏，执行装置相当于人的手和脚。

1.机械技术

根据焊接工件结构特点、焊接工艺过程的要求，应用经典的机械理论与工艺，借助于

计算机辅助技术，设计并制造出先进、合理的焊接机械装置.，实现自动焊接过程中的机构

运动。它具有以下作用：

（1）使焊接工件装配快速、定位准确。

（2）能够控制或消除工件的焊接变形。

（3）使焊件尽量处于最有利的施焊位置一一水平及船形位置焊接。

（4）可以完成组合焊缝的焊接，减少焊接工位。

（5）使焊枪运动，或者焊接工件运动，或者焊枪与工件同时协调运动，完成不同焊

接位置、不同形状焊缝的自动焊接。

2.传感技术

传感技术就是应用传感器以及信号检测与分析技术，快速、精确地反映焊接过程特征

信息。焊接自动化中的传感器有许多种，有关机械运动量的传感器主要有位置、位移、速

度、角度等传感器。

3.伺服传动技术

伺服传动技术目前主要是指对于作为执行装置的电动机的捽制技术：起作用就是使电

动机按照要求保证焊接机械以足够的精度和速度实现回转、直线以及其它各种复杂运动，

完成工件的焊接。

4.自动控制技术

在经典或现代控制理论指导下，根据焊接工艺和质量的要求，选择合理的控制方法和

控制规则对执行装置、焊接过程进行控制。敢接自动化中，机械装置运动的常见控制：

（1）顺序控制。通过开关或继电器触点的接通和断开来控制执行装置的启动或停

止，从而对系统依次进行控制的方式。

（2）反馈控制。被控制量为位移、速度等连续变化的物理量，在控制过程中不断调

整被控制量使达到设定值的控制方式。

（四）焊接自动化的发展趋势

高精度、高速度、高质量、高可靠性。

模块化和集成化：做出若干个模型集成起来，构成自动化过程，模块化也使得产品的

可靠性大大提高。

智能化：具有决策能力和判断能力。

柔性化：需要适合更多的产品焊接。

网络化和信息化。

焊接自动化是把相关领域的先进技术进行集成和创新，用在焊接上。

材料加工自动化

二、控制技术基础

（一）自动控制基本概念

1.控制

以下是焊接工作转台示意图,通过调压器调节电压高低控制转台转速的快慢

电压脉冲控制焊接的熔滴频率

控制的概念：为了达到某种目的，对事物进行主动的干预、管理或操作。

2.工业控制

工业上控制的概念：利用控制装置（机械装置、电气装置或计算机系统等），使生产

过程或被控对象（机器过地方电气设备等）的某些物理（温度、压力、速度、位移等）按

照特定的规律运行。

控制系统：为了实现某种控制要求，将相互关联的部分按一定的结构形式构成系统，

成为控制系统。

3.焊接自动化应用视频

不锈钢浮球对接自动焊

电动机定子自动焊接

不锈钢空心把手自动焊接

螺旋线焊缝自动焊接

多工位自动焊接

圆管衣架六工位自动焊

起重臂机器人焊接

材料加工自动化

二、控制技术基础

（一）自动控制基本概念

4.方框图

（1）方框图概念

方框图又称方块图；它是由方框和箭头灯组成。箭头表示输入和输出，并且在箭头表

明相应的信号。如下控制转台方框图：

交流电压转速

方块图相当于把物理模型抽象成输入与输出关系的模型图。

（2）方块图中的求和点和分支点

A为求和点；B为分支点。求贺电（又称想加点或比较点）：信号在此点相加减；分

支点（又称分路店）：信号在此点引出。

注意：引出点指标是信号的引出，而不改变信号的大小。

5.自动控制及自动控制系统

（1）焊接转台的控制系统

控制分为：人工控制和自动控制。

焊接分为：人工焊接、半自动焊接、自动焊接。

电动机MiiS

1）焊接转台转速人工控制

动态控制过程：观测焊接转台的转速（被控制量），与要求的速度（给定值）进行比

较得到速度偏差的大小和方向。其实质是检测偏差再纠正偏差。

2）焊接转台转速自动控制

动态控制过程：转台实际转速由传感器及信号处理器转换为对应的电压U2。转台期望

转速由电压U1给定与实际转速U2比较，得到转速偏差信号AU=UI-U2。其实质是检测偏

差、纠正偏差。

焊接转台转速自动控制系统方块图：

皮曙信号U2____

-------------------------1转信号效理k------1眄邃传感-卜-------

（2）人工控制与自动控制对比

控制过程相同：测量、比较、调整三个环节组成。其中：测量是检测输出（被控）

量；比较是根据输出值和给定值求出偏差；调整是执行控制或者说纠正偏差。

不同：前者考操作者的眼睛，而后者靠热传感器；前者考操作者的头脑，而后者靠自

动控制电；前者考操作者的手，币后者靠电脑等调节机构。

（3）自动控制

自动控制概念：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或

控制器）、使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自

动地按照预定的规律运行。

输入量一控制装置f控制对象一输出量

控制装置是指对控制对象起作用的装置总体；控制对象是指实现自动控制的机器、设

备或生产过程。

自动控制系统：控制装置与控制对象的总和

交流电压一整流器一直流电机一转台一转速

自动控制的过程：侧片与纠偏的过程

产生偏差的原因是有干扰，干扰分为内扰（系统内部由于某种原因产生的扰动）和外

扰

（4）反馈控制

测偏于纠偏？一反馈控制

反馈：通过测量元件及反馈通道将输出量的一部分或全部返回到输入端。

反馈控制原理：利用反馈将输出量的一部分或全部返回到输入端，并与输入量相比

较，比较的结果称为偏差，根据偏差的大小与方向进行调节控制，最后使偏差减小或消

除，从而使输出量按照预定的规律变化。

反馈控制的特点：存在反馈；根据偏差进行控制或调节。

反馈控制系统基本构成与标准方块图:

给定环节：目标（给定）值

比较环节：输入目标（给定）值和反馈值，输出偏差值

控制环节（控制器）包括调节部分和执行部分

调节部分：根据偏差产生控制信号

执行部分：根据控制信号产生控制量作用于控制对象

反馈环节：产生反馈量。

反馈信号与给定信号符号相反时，称为负反馈，否则为正反馈。在自动控制系统中，

主反馈一定是负反馈。

反馈环节的核心是传感器

控制（调节）器的核心是控制策略和控制规律，执行部分常常采用电击、机械、液压

机构。

6.自动控制系统的基本类型

（1）控制系统的分类

按输入量特征分类：恒值控制、程序控制和随动控制。

按传递信号分类：连续控制、离散（数字）控制。

按系统构成分类：开环控制、闭环控制。

按信号传递方向分类：前馈控制、反馈控制。

（2）一些具体控制系统的介绍

恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何作用下系统的输出量为

怛值。如：怛温箱控制、电网电压、弧焊电源的怛流特性控制等。

程序控制系统：输入量的变化规律预先通知，输入装置根据输入的变化规律，发出控

制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如：数控加工系统。

材料加工自动化

二、控制技术基础

（一）自动控制基本概念

6.自动控制系统的基本类型

（2）一些具体控制系统的介绍

随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅

速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变

化规律。如：仿形加工系统、雷达系统、焊缝自动跟踪系统等。

（3）其他自动控制系统

程序控制：按照预先确定的顺序，或按照一定逻辑顺序逐次对各阶段进行控制。

顺序控制：使控制对象按照事先制定的操作顺序运行。例如：多台电机和、机械的顺

序启动，敏气广告。

条件（连锁）控制：当设定的条件成立时，是控制对象按特定的规则运行。例如：

TIG焊高频引弧通断控制。

时间控制：经过约定的时间后，使控制对象开始下一个动作或者过程的运行。例如：

气体保护焊机提前送气、交通信号灯、洗衣机。

7.自动控制系统的基本特性

（1）稳定性

系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。

（2）稳态精度

调节过程（暂态）结束后所处的状态称为稳态，稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态误

差是指检态时系统期望输出量和实际输出量之差。

（3）动态品质

反映系统调节过程性能的优劣。通常用调节时间、超调量、振荡次数等动态响应

指标来衡量。

（4）鲁棒性：指焊接系统的适应性。

控制系统有很多性能，这些特性是根据需要选择相应的性能，不同系统进行比较时，

根据控制的目的进行比较。

（二）开环与闭环控制

1.开环控制与开环控制系统

开关控制系统方块图

（1）开环控制系统概念

控制系统的输出端与输入端之间无反馈通道，即系统的输出量不影响系统的控制作用

时，该系统称为开环控制系统。

开环控制：只有顺向控制而无反馈控制的控制方式。

（2）开环控制特点

结构简单，调整方便，系统稳定性好，成本低。

系统不能自动补偿扰动对系统输出量的影响。

(3)开环控制系统的精度：

取决于系统校准的精度加系统中元器件特性的稳定程度。

2.闭环控制与闭环控制系统

(1)闭环控制系统的概念

控制系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制作用有直接影响的系

统，称为闭环控制系统。

闭环控制：反馈控制。

(2)闭环控制系统的特点：

存在有反馈，抗干扰能力强，控制精度高。系统复杂、成本较高。

(3)闭环控制系统的精度：

系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度：系统的反馈控制精度和系统内

部参数的匹配。

(三)常用的控制方法和策略

1.焊接自动化中常用的控制方式

(1)位置控制：属于点位控制方式；往往用于点到点的控制

例如：焊枪定位，工位转换，焊接起始点或终点控制等等。

(2)位移控制：属于连续轨迹控制方式；往往用于连续焊缝的自动控制

例如：直线焊接位移控制、环形焊缝焊接位移控制等。

(3)速度控制：焊枪或工件等运动速度控制；变速控制与等速控制。

(4)轨迹控制：主要用于复杂空间曲线焊缝的运动轨迹控制。

(5)程序控制以合理的次序和时间间隔使自动焊接系统中的弧焊电源、送丝机、操

作机、变位机等各个被控对象进入特定的工作状态。

2.常用控制策略

(1)传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略。

(2)传统控制策略：PID控制策略；串级控制策略等。

(3)现代控制策略：自适应控制策略；变结构控制策略等。

(4)智能控制策略：模糊控制策略；专家系统控制策略；神经网络控制策略等。

（5）复合控制策略：模糊PID控制策略；模糊变结构控制策略等。

材料加工自动化

三、传感技术

（一）传感器概述

1.传感器的概念

将被测量（如位移、速度、力、温度等）转换为与之；有确定对应关系的、易于精确处

理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。

传感器的构成：被测量一敏感元件一转换元件一基本转换电路一电量。

敏感元件快速的反应出被测量的变化，转换元件把敏感元件的信号转换成电信号，基

本转换电路对电信号进行处理，使其达到能处理的电量。

2.传感器的的特性

（1）传感器的静态特性

线性度：输出一输入特性为线性曲线的程度。

灵敏度：在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值。

重生性：重复测量时，输出一输入曲线的一致程度。

分辨率：能检测到的最小输入增量。

精确度：测量结果与被测“真值”的接近程度。

稳定性：长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。

零漂：零输入状态下，输出值的变化。

量程：传感器的输入、输出保持线性关系的最大量限。

迟滞：传感器在输入量增加和减少的过程中，输出一输入特性曲线的不重合程度

称为传感器的迟滞。

（2）传感器的动态特性

传感器的动态特性取决于传感器本身的性能和输入信号的形式。

在传感器的动态特性分析中常应用正弦信号或阶跃信号的动态响应曲线。

动态特性参数：最大超调量、调节时间、稳态误差、频率响应范围、临界频率

等。

3.传感器的分类

（1）按被测物理量分类：位移传感器、力学传感器、温度传感器……

（2）按工作原理分类：机械式传感器、光学传感器、电气传感器……

（3）控制目的分类：焊缝自动跟踪传感器、焊接熔透控制传感器、焊接位置控制传

感器、焊接位移控制传感器、焊接速度控制传感器……

（二）位置传感器及其应用

1.位置传感器

通过信息检测来确定物体是否已达到某一位置的传感器。

位置传感器输出量：一般为开关量。

位置传感器：接触式，接近式。

接触式位置传感器：通过物体接触与否来获取位置信息的传感器。

接近式位置传感器：通过检测传感器附近有无物体来获取物体位置信息的传感

器。

（1）接触式位置传感器

1）接触式位置传感器：限位开关（行程开关）、微动开关等。

2）检测原理：当移动的物体碰撞到开关的机械式执行机构时，执行机构产生机械运

动，接通或切断电信号，从而检测出移动物体的位置.

且代詈立工应£

a）b）c）d）e）

a）撞针式；b）滚轮撞针式；c）滚轮摆杆式；d）较链杠杆式；e）滚轮较链杠

杆式

3）撞针式限位开关基本结构

未收去

4）滚轮摆杆式限位开关基本结构

（2）接近式位置传感器

接近式：电磁式、电容式、光电式、超声式。右图的五个传感器形式分别为：a）圆

柱型；b）扁平型；c）矩形；d）槽型；e）环型。

1）电磁式位置传感器

①利用电磁感应来确定物体位置的传感器

②电磁式位置传感器分为自感式、互感式和涡流式

涡流式传感器工作原理：线圈中io-①。一导体中产生涡流iif方向相反的磁场3-

①。的能量损失一改变线圈的电感量。

由于涡流与磁场的相互作用，线圈中的阻抗将发生变化。而且被测磁性物体与线圈的

距离越近，线圈中的阻抗将变化越大。检测阻抗的变化—检测被测导体与接近开关之间的

位置。

材料加工自动化

三、传感技术

（二）位置传感器及其应用

1.位置传感器

（2）接近式位置传感器

1）电磁式位置传感器

③电磁式位置传感器工作原理

振荡器产生交变磁场，当被测物体接近时，由于涡流的作用，接近开关附近磁场变

化，使传感器的检测线圈的电感量变化，使振荡器振荡减弱以至停振，因而产生振荡及

停振两个信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。

7

⑷_____________

［2【'振.濡*-----1直流电源

检测物体

输出电压

传感器F/V转换

传感器线圈接入LC振荡回瓶。被测物体运动到传感器附近时，线圈中的电感量变

化，导致振荡频率变化，根据F-V变换使输出电压的发生变化，由此来判别物体的位置。

圆柱形电磁传感播

圆柱形电磁传感器电路结构

咕

惟

测

金

属

何

体

电磁式位置传感器工作原理方块图

LC*得电路

④适用的检测范围

被测物体既可以是黑色金属材料，也可以是有色金属材料。

由于铁磁物质对于磁场的影响更加明显，因此更适用于黑色金属物体的检测。

检测距离：一般的电磁式接近开关的检测距离只有几亳米到几十亳米。

2）电容式位置传感器

工作原理：C=eA/do其中，C：电容量；e：电容极板间介质的介电常数；A：两平

行板的面积；＜1：两平行板之间距离。

当被测物体接近于电容式接近开关表面时，会改变其电容值，导致检测回路中阻抗值

的变化，从血检测到物体的位置。

C3即是电容式接近开关与被测工件之间形成的电容，当接近开关与被测工件之间的距

离发生变化时，则C」的值发生变化，谐振回路的阻抗随之变化，从而引起整流器输出电压

的变化。

电容式位置传感器工作原理方块图

«t开关伯号

渊4成

物电极

体

'T卜」

检制电容

适用的检测范围：被测物体既可以是金属物体，也可以是非金属物体；甚至可以检测

绝缘的液体或粉状物体。

检测距离：比电磁式接近开关要小，一般也只有几十亳米以下。

3）霍尔式位置传感器

霍尔式位置传感器是利用霍尔效应而制成的一种磁敏传感器。

①霍尔效应

片状半导体材料置于磁场B中，通电流L电子运动速度V与I的方向相反；电子运

动受到磁场作用使运动轨迹横向偏移。

结果：半导体片的一侧电子密集出现负电荷，另一侧电子稀疏呈现正电荷，两侧面之

当半导体的材料和尺寸确定后，KH或SH保持常数，这样霍尔电压UH与IB的乘积成

正比。

在恒定电流下可用来测磁感应强度B；反之，在恒定的磁场之下，也可以测量电流

I;霍尔式接近开关则是利用检测磁感应强度B的有无来检测物体的位置。

②霍尔元件

霍尔兀件的材料：睇化钠(InSb)、伸化钠(InAs)、伸化短(GsAs)等。

霍尔元件制造工艺为：在单晶薄片两端焊上两根控制电流引线(图示a、b),在另

两端焊上两根霍尔电压输出引线〔图示c、d)。

③霍尔位置传感器工作原理：

检测时：将一磁铁安置在被检测的物体上，传感器安置在固定位置处。

当物体运动到传感器附近时，磁铁产生的磁场作用在传感器上，根据霍尔效应原理，

霍尔元件输出霍尔电压。该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔

电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管VT导通，这种

状态称为开状态。

当物体远离传感器时，磁铁产生的磁场对传感器影响很小，霍尔元件输出的电压很

小，经放大器放大后其值小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形电路再次翻

转，输出低电平，使半导体管VT截止，这种状态称为关状态。

4)光电式位置传感器

光电式位置传感器是由光源与受光器件组合而成的，它利用被检测物体对光的透射和

反射，进行物体位置的检测。

光源：日光、白炽光、红外光、激光等；采用LED(发光二极管)、激光二极管等。

受光器件：光电二极管、光电晶体管，位置传感器PSD(PositionSensitive

Detector)等。

光电式位置传感器：对射式、反射式、槽式.

光电式位置传感器工作原理

反射式检测的是反射光，其输出电流较小；为了增加反射光的强度，往往米用在被检

测物体上安置专用的反光片。

受光器件

。Vcc

R1□R3

信号输出

_____1

光电式接近开关具有体积小、检测距离大、可靠性高、检测位置精度高、响应速度

快、易与TTL及CMOS电路兼容等优点。因此，在焊接自动化系统中得到广泛的应用。

（3）接近式位置传感器的应用

传感器形状：a）圆柱型b）扁平型c）矩形d）槽型°）环型

园柱型比扁平型安装方便；扁平型传感器中有顶部发出感应的，也有从两侧发出感应

的；槽型的检测部位是在槽内侧，用于检测通过槽内的物体；一般矩型的各种接近开关安

装尺寸相同，互换性好。

电源方式：直流型和交流型，

供电输出方式：直流两线制、直流三线制、直流四线制、直流五线制：交流两线制、

交流五线制。

常用接近开关有关性能及应用比较一览表

接近开关关里检翻距离常用*测物体检《|夙理与特点可靠性价格

电磁式180mm帆磁初体,其他金属涓流效应可本任

电弄式2-20min育介质物体电容效应-«修

•尔式・缺，尔软由我可靠低■

反射81光电式ESm任f（物体发射与接收一体化可惠

对射3!光电式任何物体发射与侵收分体崔可再TR

常用接近开关在焊接自动化中的应用举例一览表

应用他用

饵怆成工件粳定位置控制；饵展自动化设备中升1•装置的启动、停止控制；

位■控制烽按行走机构的锻*位■控制：移动部件的防磁撞控制：痒按转台等目转体的

AK停止位■拄■，内校生产&传・，件的位宣拄胴

尺寸控■饵线长AH5制：库款产品定尺控制

检*饵接生产线上流过的产品依；饵按装置旋转轴或盘的特速计盘；多道多

计数控制

层自动炜过程中惮♦计数等

饵按旋转机械的速度与各冲肽冲发生器一起先网行速和转数&H先制；寅钱

迪t控制

律按第速度控制：饵按年.产线传送得速度控制等

舞换控制饵授工位转犊控制

信息检测饵按自动化系饿中，冬料机械移动装置位■信息的检费

2.位置传感器应用举例

这个是汽车的焊接生产线的位置传感，每个位置完成一定的工作量，每个工位的位置

定位要求非常准确，随着工作台移动到一定位置，接近开关使机器人准确的焊接。

*

极动工作台探测片接近开火

这个控制的应用可以定位，可以测量圆轮的转速,也可以检测位置。

IEI

这个控制可以用在计数方面，位置传感器可以用在很多领域,不仅仅是自动化焊接领

域。

焊接上件光电接近开关

W光电接近开关

这是一个光栅的位置传感器，可以进行位移、位置、速度的检测。

材料加工自动化

三、传感技术

（二）位置传感器及其应用

2.位置传感器应用举例

这个焊枪的优点是可以，焊枪可以移动，即可以连续焊接也可以间接焊接。传感器上

的近接开关是可以用作时间检测和速度检测。

3

接近开大大只

理他二t白上J

这是一种常见的焊枪，可以实现往复焊接。

位置传溥器

这种焊枪，是使用传感器感受到焊接工位以后进行焊接。

3.利用某些位置传感器也可以进行速度或位移的测量

举例：采用霍尔传感器测量转速。

检测原理：在一个非磁材料的圆盘边缘处固定一块磁铁，将该圆盘固定在被测轴上,

开关型霍尔传感器固定在圆盘外缘附近，圆盘随被测轴每旋转一周，霍尔传感器便输出一

个脉冲，用频率计测量这些脉冲，便可以得到转速。

1轴，2圆盘，3磁铁,

4-霍尔传感器

（三）位移、角度与速度传感器及其应用

L光栅尺

光栅尺是一种用于检测沿光栅尺运动物体的位移和速度的传感器。光栅尺：移动光

栅、固定光栅、光源和受光元件组成。

由于移动光栅的间距11与固定光栅的间距12,相差1/4,所以在移动光栅移动过程

中会有，固定光栅不会完全挡住固定光栅。两个光栅看到光有一个先后顺序。哪个光栅先

看到光取决于移动光栅的移动方向。

工作原理：计量脉冲数测量位移（或速度）值；检测脉冲相位（上升沿），判定位移

（或速度）方向；直线光栅尺的缺点，长度有限。

2.光电编码器

光电旋转编码器同光栅尺的工作原理类似，都是利用光栅，检测脉冲信号来检测

位移和转速的C

光栅尺：直线形光栅；光电旋转编码器：圆形光栅

光电旋转编码器：增量型和绝对型

（1）增量编码器

结构：光源、光电器件、固定光栅、活动光栅盘。

码盘（脉冲盘）：只有一条黑白扇区相间的码道。

固定光栅有两个检测脉冲的栅缝，当动光栅与固定光栅之间有光透过时，可以产生

1/4间距的相位差，通过两相输出的的相位可以判断旋转的正反方向,

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三、传感技术

(三)位移、角度与速度传感器及其应用

2.光电编码器

(1)增量编码器

具有绝对编码器结构的增量编码盘：检测原理同绝对编码器类似，但是编码器输出是

脉冲序列，而不是一组数。

(2)绝对编码器

结构：光源、光电器件、固定光栅、活动光栅盘。由圆形光山盘上的环形光栅与等数

量的光敏二极管构成检测电路。

码盘：圆形光栅盘；码道：码盘中的同心圆环区间；码道数量：圆环区间数量；码盘

形式：二进制的，十进制雷码等

绝对编码器工作原理：码盘旋转到不同位置，对应输出不同的数字码信号。精度和分

辨率：取决丁光码盘的精度和分辨率。提高精度：增加码盘的扇区及减小固定光栅径向线

宽提高分辨率：常规的方法是增加码盘的码道数。

二进制与循环码盘的比较:

A）二进制码盘b）循环码码盘

循环码与二进制码真值表

循环码二进制码■环玛

K值

000000000811001000

100010001911011001

2001100101011111010

3001000111111101011

4011001001210101100

$011101011310111101

60101•1101410011110

70100•1111510001111

多圈绝对编码器分为机械式钟表齿轮机械的原理和电子式采用电子计数方式。

机械式多圈绝对值编码器是运用钟表齿轮机械的原理，增加了一组机械齿轮组码盘，

当中心码盘转动时，利用齿轮传动另一组齿轮码盘，在单圈编码的基础上再增加圈数的

编码，从而扩大了编码器的测量范围。

电子增量记圈式绝对值编码器是采用电子计数方式，为了掉电后继续保留测量信息，

因此需要有电池保留电子计数装置中的信息不丢失。该绝对值编码器实质上是单圈绝对，

多圈增量，其优点是体积小、经济、且没有圈数限制，不足之处是非真正意义上的绝对值

编码器、可靠性不如机械式的。

3.测速发电机

测速发电机是一种将机械转速转变电信号的传感器。

测速发电机：交流、直流。

交流测速发电机：同步、异步。

直流测速发电机：电磁式;永磁式永磁式。

工作原理：定子产生恒定磁场，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中产生交变的电

势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。

永磁式

(1)直流测速机输出特性曲线

输出电压与电机转速基本成线性关系；

负载电阻RL-8,输出电压与转速关系线性度越好。

(2)交流测速机工作原理

定子中励磁绕组'与输出绕组附在空间相互成90。；M通单相交流电，M输出与转

速大小成正比的交流电压信号。

KJ

4.编码器的应用

(1)转速恒值控制

通过反馈控制使电机转速恒定不变，利用编码器检测电机的转速。

电机转速由U，-Uf决定的，当电机转速发生变化时，必会发生变化，从而使Ug-Uf发生

变化，相应的速度得到调整，保持恒定不变。

例如：nf-*ft-*Uft(Ug-Uf)I—nI

(2)旋转角度控制

(3)直线位移控制

采用编码器进行直线位移与速度控制时,必须采用一定的机械机构将直线运动参数

变为旋转运动参数。

编码器

直缝自动焊接的位移、速度与位置控制均可以采用编码器。

(4)测量线速度和角速度

测量平均速度：

数字输出

测量原理：一个时钟脉冲时间内通过多少个编码器脉冲。

…"Uli黯।

例题：•个每转有360个脉冲输出的增量编码器，采用计数间隔为1秒(时钟脉冲时

间)，若测出编码器输出60个脉冲，求其平均转速。

”处型=*min)

360

测量瞬时速度:

测量原理：一个编码器脉冲时间内通过多少个时钟脉冲。

M_时钟频率X60

一时钟脉冲数/编码器脉冲时间内/编码器脉冲数/每转

例题：每转输出100个脉冲的编码器，时钟脉冲频率为1MHz,一个编码器输出脉冲

内，测得6000个时钟脉冲，求其转速。

106X60….、

n=----------=100(r/min)

6000x100

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四、电机控制技术

本章需要介绍的内容：

直流电动机及其控制原理

闭环控制晶闸管变流器式调速系统

直流电动机脉宽调速系统

交流电动机变频调速原理

重点、难点:

电动机调速基本原理；电动机恒速反馈控制方法及原理；典型电动机调速系统

组成及工作原理。

电机控制系统主要由电机及其机械机构组成。

电机控制技术的三要素：伺服电动机、被控制的机械机构、运动控制电路。

（一）直流电动机及其控制原理

1.直流电动机及其静态特性

电动机的静态特性：在稳态情况下，电动机转子转速、电磁转矩和电枢电压三者之间

的关系。

直流伺服电机工作原理:

U=Ea+IaRa2叱n

Cffl=0.95Ce

其中，T“为电磁转矩，c“为转矩常数，c.为电势常数。

直流伺服电动机的运行特性:

R

—^T=n-KT

c,q①；mQn

当兀=0,即空载时，no理想的空载转速为:

当n=0,即启动或堵转时，/启动转矩或转转矩为:

C①

。=4=年〃

转速n与电磁转矩Tn的关系，一般为：n=f(T„)

R

n=_京燮1一町

与n轴的交点是该电枢电压下的理想空载转速；与「轴的交点是该电枢电压下的堵转

转矩。

直流伺服电机的机械特性是一组斜率相同的直线族。

每条机械特性和一电枢电压相对应。

电机一负载系统的稳定问题：

n=f(Tm)与，=f(n)的交点即为电机一负载系统的稳定工作点。

/为工作机械的负载转矩。TL与转速n的关系为负载转矩特性：TL=f(n)。T.=f

(n)由工作机械的特性所决定。

系统稳定的条件:

(1)n=f(T„)与TL=f(n)有交点，特性L(n)有交点；

(2)在交点对应的转速之上保证T.<TL,而在交点对应的转速之下保证「TL。

2.直流伺服电动机的技术指标

额定功率Px（W）、额定电压UN（V）、额定电流卜（A）、额定转速m（r/min）>

额定转矩TN（N・m）、最大转矩％（N・m）、机电时间常数Tj和电磁时间常数T八转动

惯量J（N・m）。

3.直流伺服电动机的控制原理

（1）直流伺服电动机的转速控制

直流电机调速的基本原理：

直流电机调速的基本方法：改变电枢回路总电阻R；改变电枢供电电压4；改变励磁

磁通中。。

1）改变电枢回路电阻调速

他

负载一定，R增大，电枢回路总电阻增大，电机转速降低。

R*的改变可用接触器或主令开关切换来实现。

有级调速，调速比约为2：1左右；转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低。

2）改变电枢电压调速

恒转矩调速：不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩。

调速范围可达50:11150:1,一般比例10:1。

3）改变励磁电流调速（恒功率调速）

通过改变激磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而改变电动机的转速（n与6

成反比）。

由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场来改变电

动机的转速。

采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1〜3:1,特殊电动机可达到5:1。

只适用于电磁式直流伺服电动机

（2）更流伺服电动机的方向控制

通过改变激磁磁场或电枢电压的方向能改变电动机的旋转方向。即将激磁绕组或电枢

绕组的接线端对调就可改变转向。

i般采用改变电枢电压的方向来改变电机旋转方向。

Ra

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四、电机控制技术

（一）直流电动机及其控制原理

3.直流电动机调速的稳态性能指标

（2）直流伺服电动机的方向控制

1）调速范围

电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围。

范围公式：D=nmx/n„ino其中11叩和rkin一般是指电动机带额定负载时的最高和最

低转速。

2）静差率

当系统在某一机械特性下运行时，电动机的负载由理想空载增加到额定负载所对应的

转速降落Am与理想空载转速之比，称为静差率S。

S=AHN/BOX100%

静差率和机械特性硬度是有区别的。机械特性曲线①和②，两者的硬度虽然相同，额

定速降Arhi=△nN2,但是由于noiNnoz,所以静差率Si#S2。

3）调速平滑性

调速时可以得到的相邻转速之比。

无级调速时，该比值接近于1。

（二）闭环控制晶闸管变流器式调速系统

1.晶闸管变流调速系统

晶闸管作为整流器件，将网路交流电变为直流电。通过调节整流晶闸管触发脉冲的相

位，可改变整流电压，从而实现电机调速。

晶闸管整流调速主电路基本型式：

晶闸管整流调速主电路基本型式:

2.转速负反馈闭环调速系统

（1）转速负反馈闭环调速系统的组成

给定环节：直流微压电源，调节4大小也就是调节了转速大小。

晶闸管触发和整流环节：把直流信号变为触发脉冲的向位，如果电机的额定电压是

220V,则不需要电压器，如果电机电压低于220V,则需要在晶闸二极管之前加入变压器。

V—T（n）环节：控制电阻绕组，最右边的正负相当于电阻绕阻的电压，是固定不变

的。

测速发电机（速度反馈环节）：把输出信号反馈到输入端。M的转速越快，测速发电

机的输出电压越高，然后反馈回输入端。

采用速度传感器进行检测，利用与转速成正比的电压值作为反馈量，所以称其为转

速负反馈闭环调速系统。

KKUe-IR2巩IR

=C*Q+KpK,Ja/C*）=。e,（1+用一。总（1+用

闭环系统的开环放大倍数：bKpKsKfa/C.：（|）.

KP一—比较放大环节的放大倍数：Ks——移相触发电路的放大倍数；K.一一反馈电路

的放大倍数（电位器RP2构成的分压比）；即一一TG输出电压与电动机M的转速比。

转速负反馈闭环调速系统的方块图

（2）给定信号的变化

转速恒定调节过程：干扰影响

u

（3）闭环调速系统的特征

①具有比例调节器的反馈闭环系统是有静差的

②反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能

③反馈闭环控制系统对给定电源和被调量检测装，置中的扰动无能为力。因此，控

制系统的精度依赖于给定稳压电源和反馈量检测元件的精度

（4）速度负反馈闭环调速系统的特点

只要扰动（负载、网络电压、系统内部等）引起的转速变化能被测速发电机检测出

来，该调速系统就能够进行控制。传感器体积大，安装不方便；系统结构比较复杂。

3.电压负反馈电流正反债调速系统

（1）电压负反馈调速系统

给定型号变化

转速恒定调节过程：干扰影响

电压负反馈调速系统的静特性方程为：

lJKU,I禺RR

C,R(1+K)JRQ+K)。总

闭环系统的开环放大倍数：K=&K$a

Rr、Ra分别为反馈信号取出点之前、之后的等效电阻；a为电后反馈系数。

电压负反馈调速系统的特点：传感器简单、安装方便，电路简单；抗干扰控制能力有

限，例如负载增大时，电机电枢绕组内阻Ra引起的压降仍然要增大，电机的转速还是要降

低。所以该调速系统主要用于负载变化不大的场合。

适用于调速范围10:1以下，静态偏差15%以上的调速场合。

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四、电机控制技术

(二)闭环控制晶闸管变流器式调速系统

3.电压负反馈电流正反馈调速系统

(2)电流正反馈的应用

负载增大f电机输出的Lt-电机转速nI-Lt--hR",通过正反馈作用使给

定电压L与负反馈电压Uf以及电流正反馈信号一h&三者之间的差值f-控制信号U"一

整流电压U"一电机转速nf。

电流正反馈作用：扰动量的扑偿控制。

注意：只能补偿负载扰动，对于其他扰动，它所起的反而是坏的作用。

电流正反馈不能单独应用，必须与电压负反馈一起应用。

电流正反馈补偿作用一般适用于调速范围10：1以下，静态偏差10%以上的调速场

合。

4.带电流截止负反馈的闭环调速系统

（1）问题的提出

电动机起动时，冲击电流大；堵转时，电流过大。

电流截止负反馈：一般情况下，电流负反馈控制不起作用；当电流大到一定程度

时，电流负反馈控制才起作用。

（2）电流截止负反馈控制

控制的关键：确定门槛值；实际值（检测值）与门槛值的比较方法和电路设计。

Ubj为门槛值也就是比较电压，电流反馈信号低于Ubj,反馈不起作用：电流反馈信号

高于Ub”反馈起作用。

5.典型直流调速系统

（1）送丝电机调速系统

电路分析：

①找到电机和它的供电电源

②再找到变压器T,送丝电机的变压为27V,最右边为全波可控整流电路

③最左边的为稳定电源给定电路，7815为稳压电源

④中间的部分为单结晶体管触发脉冲移相电路，VLC1和VLC2为光耦

⑤下边的电路为同步电路

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四、电机控制技术

(二)闭环控制晶闸管变流器式调速系统

5.典型直流调速系统

(1)送丝电机调速系统

电路分析:

⑤电压负反馈电路为叨

整个送丝电路的方块图

电源通过晶体管VI、电阻R18对电容C1充电，晶体管VI起可调节电阻的作用。

C1充电，当H点电位达到单结管VU1导通电压，VU1导通，e点高电平，VI导通，产

生触发脉冲。

主电路：变压器，全波可控整流电路，VTKVT2o

电压负反馈电路：R25、R26。

送丝机的调速控制信号：Ug（R22、R23、RP1）

触发脉冲移相电路：单结管VU1、三极管VI、电容C1等。V2、Y4、V5、V6、V7等组

成C1充电控制电路。

触发脉冲输出电路：V2和光电耦合器VLC1、VLC2以及R14、R15、R16等构成。

驰张振荡器每1次振荡，都会在Ri6上形成脉冲电压，经Ris、RM分压后，使丫2导

通，光耦VLG、VLC,工作，分别经电阻R3O、R32和二极管VDs、VD6输出脉冲电压

到晶闸管VT、V4的控制极，触发该时刻阳极电位较高的晶闸管，提供给送丝电动机

所需电压。

晶体管VI基极的a点电位Ua由给定信号Ug与电压负反馈信号Uf决定。

同步电路：V3导通之后电容迅速放电，同步电频的作用是每次从零电频开收充电，否

则电容上会有妓余电压，第•次充电时间会比较长，第二次充电时间比较短，所以同步电

路的作用是每次从零开始充电。

给定直流信号作为门植值

同步电路：主要是由N组成的比较器组成。

比较器的同相端以+15V直流电压作为比较基准，而反相端为整流输出的直流脉动电

压。

在整流脉动电压（正弦波）过零时，输出的电压较低，低于同相端的基准电压，比较

器输出为高电平，反之比较器输出为低电平。

对V3而言，为高电平有效，即每次过零点时，V3导通1次，把电容C1上的充电电压

经R12和V3内三极管的集射极短路到地，起放电清零作用，实现同步。

（2）带集成运放的直流电动机调速系统

主电路：变压器，桥式半控整流电路（VT1>VT2、VD5、VD6）。

电压负反馈电路：RP2、R9。

送丝机的调速控制信号：Ug°

触发脉冲移相电路：单结管VU1、三极管VI、电容C1、电阻R1等。

触发脉冲输出电路：主要是采用脉冲变压器T1。

带集成运放的直流电动机调速系统方块图:

（二）直流电动机脉宽调速