機電整合技術及應用

1、機電整合技術及應用機電整合技術及應用 部 門： CA-ATM 主 管： 賴建宏副理 制作人：王沛玉 時 間： 2006/08 機電一體化概述機電一體化概述 機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計 傳感器檢測及其接口電路傳感器檢測及其接口電路 控制電動機及其選擇控制電動機及其選擇 工業(yè)控制計算機器接口技術工業(yè)控制計算機器接口技術 DENSO六軸機械手介紹六軸機械手介紹Contents機電一體化概述 機電一體化最早起源于日本，去英文Mechanics的前南部和Electronics的后半部拼合而成，在大陸稱為機電一體化或機械電子學，而在臺灣則稱為機電整合技術。數(shù)控機床數(shù)控機床的問世的問世 微電子技術微電子技術的

2、發(fā)展的發(fā)展 可編程序控制可編程序控制器、器、電力電子電力電子 激光技術、模糊激光技術、模糊技術、信息技術技術、信息技術 發(fā)展歷程發(fā)展歷程發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢光機電光機電一體化一體化 自律分配系統(tǒng)自律分配系統(tǒng)化化柔性化柔性化 “生物一軟件生物一軟件”化化仿生物系統(tǒng)化仿生物系統(tǒng)化 全息系統(tǒng)化全息系統(tǒng)化智能化智能化 微型機電化微型機電化微型化微型化 控制單元控制單元工作指令工作指令傳感檢測單元傳感檢測單元外界信息外界信息機械本體機械本體驅(qū)動單元驅(qū)動單元動力單元動力單元執(zhí)行單元執(zhí)行單元所需的機所需的機 械運動械運動 機電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理機電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理 機電一體化的相關技術機電一體

3、化的相關技術系統(tǒng)總體技術系統(tǒng)總體技術機電機電一體化一體化相關相關技術技術信息處信息處理技術理技術技術技術控制控制自動自動機械系統(tǒng)設計 機械系統(tǒng)數(shù)學模型建立機械系統(tǒng)數(shù)學模型建立M)(kxxcxmtf kcsms1)s(F)s(X2機械移動系統(tǒng)運動方程機械移動系統(tǒng)運動方程拉普拉斯變換拉普拉斯變換-傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)運動方程機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)運動方程拉普拉斯變換拉普拉斯變換-傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)T(t)J(t) t (TkcJ kcsJs1)s(T)s(2 機械傳動系統(tǒng)的特性機械傳動系統(tǒng)的特性機械傳動系統(tǒng)特性機械傳動系統(tǒng)特性轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量磨擦磨擦諧振頻率諧振頻率阻尼阻尼剛度剛度間隙間隙轉(zhuǎn)動慣量大，

4、機械負載增大，系統(tǒng)響應速度變慢，靈敏度降低，固有頻率下降易產(chǎn)生諧振。粘性摩擦力、庫倫摩擦力、靜摩擦力，靜摩擦力盡可能小，動摩擦力小正斜率。伺服系統(tǒng)失動量，剛度大，失動量??；穩(wěn)定性：對閉環(huán)系統(tǒng)影響較大。間隙使傳動系統(tǒng)中間隙產(chǎn)生回程誤差，影響伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性。對彈性系統(tǒng)的影響，降低定位精度，降低機械性能。當外界的激蕩頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而不能正常工作，具有一階、n階諧振頻率。 機械傳動裝置機械傳動裝置傳動裝置不僅是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)傳動裝置不僅是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變速器，而且是死腹速的變速器，而且是死腹系統(tǒng)的重要組成部分系統(tǒng)的重要組成部分轉(zhuǎn)動慣量小，磨擦小，阻轉(zhuǎn)動慣量小，磨擦小，

5、阻尼合理，剛性大，抗振性尼合理，剛性大，抗振性好，間隙小好，間隙小齒齒輪輪傳傳動動齒輪傳動總傳動比的選擇：齒輪傳動總傳動比的選擇：通常采用負載角加速度最大原則選擇總通常采用負載角加速度最大原則選擇總傳動比，以提高伺服系統(tǒng)的響應速度。傳動比，以提高伺服系統(tǒng)的響應速度。齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配：齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配：（1）最小等效轉(zhuǎn)動量原則；）最小等效轉(zhuǎn)動量原則；（2）質(zhì)量最小原則；）質(zhì)量最小原則；（3）輸出軸的轉(zhuǎn)交誤差最小原則；）輸出軸的轉(zhuǎn)交誤差最小原則；滾珠花鍵滾珠花鍵特點：外援均布三條突起軌道，配有特點：外援均布三條突起軌道，配有六條符合滾珠列，承載時三條負荷滾六條符

6、合滾珠列，承載時三條負荷滾珠列自動定位，反轉(zhuǎn)時，另三條負載珠列自動定位，反轉(zhuǎn)時，另三條負載列自動定位。列自動定位。外筒與花鍵軸之間既可以作回轉(zhuǎn)運動，外筒與花鍵軸之間既可以作回轉(zhuǎn)運動，又可以做相對直線運動，所以即是傳又可以做相對直線運動，所以即是傳動裝置，又是直線運動支撐。動裝置，又是直線運動支撐。諧波齒輪諧波齒輪諧波齒輪傳動既可用做減速器，也可用做增速器。諧波齒輪傳動既可用做減速器，也可用做增速器。柔輪、剛輪、波發(fā)生器三者任何一個均可固定，其柔輪、剛輪、波發(fā)生器三者任何一個均可固定，其余二個一為主動，另一個為從動。余二個一為主動，另一個為從動。傳動比大，且外形輪廓小，零件數(shù)目少，傳動效率傳動比

7、大，且外形輪廓小，零件數(shù)目少，傳動效率高。效率高達高。效率高達9296，單級傳動比可達，單級傳動比可達504000。承載能力較高：柔輪和剛輪之間為面接。承載能力較高：柔輪和剛輪之間為面接觸多齒嚙合，且滑動速度小，齒面摩損均勻。觸多齒嚙合，且滑動速度小，齒面摩損均勻。柔輪和剛輪的齒側間隙是可調(diào)：當柔輪的扭轉(zhuǎn)剛度柔輪和剛輪的齒側間隙是可調(diào)：當柔輪的扭轉(zhuǎn)剛度較高時，可實現(xiàn)無側隙的高精度嚙合。較高時，可實現(xiàn)無側隙的高精度嚙合。諧波齒輪傳動可用來由密封空間向外部或由外部向諧波齒輪傳動可用來由密封空間向外部或由外部向密封空間傳遞運動。密封空間傳遞運動。傳感器檢測及其接口電路傳感器定義：傳感器是借助于被測元

8、件接受一種形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)傳感器定義：傳感器是借助于被測元件接受一種形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置；換成另一種信息的裝置；控制對象：伺服驅(qū)動單元和執(zhí)行機構；控制對象：伺服驅(qū)動單元和執(zhí)行機構；應用：檢測位移、速度、加速度、運動軌跡、及其操作和加工過程參數(shù)等機械運動應用：檢測位移、速度、加速度、運動軌跡、及其操作和加工過程參數(shù)等機械運動參數(shù)；參數(shù)；分類：分類：分類法分類法形式形式說明說明構成原理 結構型物理型以其轉(zhuǎn)換元件結構參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換以其轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換基本效應 物理型、化學型、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應、化學效應等命名能量關系 能量轉(zhuǎn)

9、換型能量控制型傳感器輸出量能量有外援供給，但受被測輸入量控制作用原理 應變式、電容式、壓電式等以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的作用原理命名 傳感器性能與選用原則傳感器性能與選用原則傳感器性能傳感器性能選用原則選用原則靜態(tài)特性靜態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性線性度：實際特性曲線與擬合直線之間的偏差；靈敏度：特性曲線斜率；遲滯性：輸入輸出特性曲線不重合程度；重復性：全程多次測量特性曲線不一致性；動態(tài)特性：傳感器對輸入信號響應的特性；動態(tài)誤差：輸入輸出信號的時間函數(shù)之間的差異；快速、準確、可靠、經(jīng)濟快速、準確、可靠、經(jīng)濟（1）足夠的容量；（2）轉(zhuǎn)換靈敏度高；（3）精度適當，穩(wěn)定性高；（4）反應速度快，可靠性好；（5）適

10、用性和適性強；（6）使用經(jīng)濟； 位移測量傳感器位移測量傳感器位移測量傳感器是線性位位移測量傳感器是線性位移和角位移測量的總稱。移和角位移測量的總稱。電容傳感器線性位移傳感器：電感傳感器、電容傳線性位移傳感器：電感傳感器、電容傳感器、感應同步器、光柵傳感器；角位感器、感應同步器、光柵傳感器；角位移傳感器：電容傳感器、光電編碼盤；移傳感器：電容傳感器、光電編碼盤；電感式傳感器光柵ACr0MRW2L PW 將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器；結構簡單、高分辨率、非接觸測量，可在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作；將被測位移量變化成線圈自感或互感變化的裝置；結構簡單、輸出功率大、輸出阻抗小、

11、抗干擾能力強，但動態(tài)響應慢，不宜作快速動態(tài)測量；光柵是一種新型的位移檢測元件，它的特點是測量精確度高（可達1um）、響應速度快和量程范圍大等； 速度、加速度、位置傳感器速度、加速度、位置傳感器速度速度加速加速度傳度傳感器感器位置位置傳感傳感器器直流測速機光電式轉(zhuǎn)速傳感器接近式位置傳感器接觸式位置傳感器實質(zhì)：微型直流發(fā)電機；特點：輸出些率大、線性好、構造維護復雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大；組成：帶縫隙圓盤、光源、光電器件、指示縫隙盤；n=60N/Zt；分類：由微動開關制成的位置傳感器、二維矩陣式配置的位置傳感器；分類：電磁式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器；控制電動機 控制電動機是伺服控制系統(tǒng)的動力部件，

12、它控制電動機是伺服控制系統(tǒng)的動力部件，它是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由于是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。應用。 控制電動機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動兩種，通過電控制電動機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動兩種，通過電壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制，實現(xiàn)定壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復啟動、停止的增量驅(qū)動以及復速、變速驅(qū)動或反復啟動、停止的增量驅(qū)動以及復雜的驅(qū)動。雜的驅(qū)動。 步進電動

13、機及其控制步進電動機及其控制步進電動機是將電脈沖控制信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件每接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應的步距角，轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的控制電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步受數(shù)字脈沖信號控制；轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向可通過改變通電順序改變；具有自鎖能力；不易受干擾；不會長期積累步距角誤差；易于微機接口；（1）步距角；（2）靜態(tài)特性；（3）動態(tài)特性；（1）轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件；（2）步距角的選擇和精度； 步進電動機運行特性及性能指標步進電動機運行特性及性能指標步進電動機選用步進電動機選用 交直流伺服電動機及其控制交直流伺服電動機及其控制直流直流伺服伺

14、服電動電動機機交流交流伺服伺服電動電動機機（1）穩(wěn)定性好；（2）可控性好；（3）響應迅速；（4）控制功率低，損耗??；（5）轉(zhuǎn)矩大；同步型：（1）無接觸換向部件；（2）需要磁極位置檢測器；（3）具有直流伺服動機全部優(yōu)點；感應型：（1）對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩份量分別控制；（2）具有直流伺服動機全部優(yōu)點；驅(qū)動方式：直流伺服電動機用直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和方向需要對其直流電壓的大小和方向進行控制；直流伺服系統(tǒng)組成：包括PWM功率放大器，速度負反饋，位置負反饋；控制方法：（1）SM型，采用永久磁鐵場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可；（2）IM型，矢量控制、變頻調(diào)速控制；

15、工業(yè)控制計算機及其接口技術分類分類可編程序控制器可編程序控制器總線型工業(yè)控制計算機總線型工業(yè)控制計算機單片機單片機特點特點（1）控制程序可變，具有很好的柔性；（2）可靠性強，適用于工業(yè)環(huán)境；（3）編程簡單，使用方便；（4）功能完善；（5）體積小、重量輕、易于裝入及其內(nèi)部；（1）提高設計效率，縮短設計和制造周期；（2）提高了系統(tǒng)的可靠性；（3）便于調(diào)試和維修；（4）能適應技術發(fā)展的需要；（1）受集成度限制，片內(nèi)存儲器容量較??；（2）可靠性高；（3）易擴展；（4）控制功能強；（5）一般的單片機內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理軟件，軟件開發(fā)工作量大； 可編程控制器硬件組成可編程控制器硬件組成編程器CPU存

16、儲器輸入接口輸入接口輸出接口輸出接口輸輸入入狀狀態(tài)態(tài)寄寄存存器器輸輸出出狀狀態(tài)態(tài)寄寄存存器器IN1IN2IN3OUT1COMCOMOUT2OUT3輸入信號輸入信號電源 可編程控制器工作流程圖可編程控制器工作流程圖開始自診斷與編程器通信讀現(xiàn)場信號執(zhí)行用戶程序程序掃描結束PLC基本工作過程：基本工作過程：（1）讀取現(xiàn)場信息；）讀取現(xiàn)場信息；（2）執(zhí)行用戶程序；）執(zhí)行用戶程序；（3）輸出控制信號；）輸出控制信號；上述過程完成后，重新開始循環(huán)執(zhí)上述過程完成后，重新開始循環(huán)執(zhí)行，行，PLC的掃描周期通常為的掃描周期通常為10-40ms。PLC整個過程如右圖所示。整個過程如右圖所示。 PLC外電路設計一般

17、原則外電路設計一般原則外電路設計，主要是指輸入、輸出設備與外電路設計，主要是指輸入、輸出設備與PLC以及各運行方式、強以及各運行方式、強電電路、電源電路、控制柜內(nèi)電路等。電電路、電源電路、控制柜內(nèi)電路等。1.系統(tǒng)配套電器的選用原則系統(tǒng)配套電器的選用原則 （1）提高工作可靠性；）提高工作可靠性； （2）采用小型化低壓電器；）采用小型化低壓電器； （3）采用新型低壓電器；）采用新型低壓電器； （4）采用卡軌式安裝和裝配形式；）采用卡軌式安裝和裝配形式；2.中間繼電器的配置原則中間繼電器的配置原則 （1）連接手動電路、緊急停車電路，以備系統(tǒng)異常；）連接手動電路、緊急停車電路，以備系統(tǒng)異常； （2）配

18、線距離長，或與高噪聲源設備相連，以產(chǎn)生干擾場合；）配線距離長，或與高噪聲源設備相連，以產(chǎn)生干擾場合； （3）除）除PLC，另有其他控制電路使用該信號；，另有其他控制電路使用該信號； （4）大負載頻繁通斷；）大負載頻繁通斷；3.熔斷器使用原則熔斷器使用原則4.輸入輸入/輸出連鎖觸電的接入方法輸出連鎖觸電的接入方法5.限位開關接入方法限位開關接入方法6.設備接地方法設備接地方法 Denso六軸機械手六軸機械手有關六軸機械手需注意有關其坐標有關六軸機械手需注意有關其坐標,設定坐標可分兩種設定坐標可分兩種:1. 軸角度值軸角度值每一位置每一位置,可根據(jù)不同的軸角度表可根據(jù)不同的軸角度表示示使用此方式的坐標值使用此方式的坐標值,優(yōu)點是可容優(yōu)點是可容易知道是否接近或超出工作范圍易知道是否接近或超出工作范圍,但缺點是不容易把坐標值轉(zhuǎn)為實但缺點是不容易把坐標值轉(zhuǎn)為實際的際的X,Y,Z坐標坐標 Denso六軸機械手六軸機械手2. 絕對坐標值絕對坐標值以機械手底座中心為以機械手底座中心為0點點(X=0,Y=0,Z