機電一體化技術與應用 課件 -第9章 應用實例

第九章應用實例課程名稱：機電一體化技術與應用生活中的機電一體化產品——自助售票機

自動售檢票系統(tǒng)(automaticfarecollection，AFC)是地鐵系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，是可以對地鐵票務運營中售票、檢票、統(tǒng)計、財務、運營分析等業(yè)務進行全過程自動化管理的計算機網絡系統(tǒng)，系統(tǒng)架構圖如圖所示。自動售檢票系統(tǒng)主分為車票、車站終端設備、車站計算機系統(tǒng)、線路中央計算機系統(tǒng)、清分系統(tǒng)五個層次。生活中的機電一體化產品——自助售票機

自動售票機是自動售檢票系統(tǒng)的主要終端設備之一，也是該系統(tǒng)的重要組成部分。其可代替人工購、補、退票等功能，實現軌道交通運營系統(tǒng)中通過設備取代人工，符合車站走向自動化的發(fā)展趨勢。生活中的機電一體化產品——自助售票機

自動售票機主要由電源、與乘客交互的UI界面、主控單元、LED狀態(tài)顯示器、財務設備、票務設備等多個功能模塊組合而成。生活中的機電一體化產品——自助售票機觸控屏幕界面由檢測系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成，是網絡售票機與用戶交流的途徑。用戶可以通過視覺和觸覺與之交流，輔助用戶選擇站點、購票張數等功能。與傳統(tǒng)的液晶顯示屏幕相比，觸控屏幕更為便捷，帶給用戶更舒適的交互體驗。主控單元包含板、存儲硬盤、中央處理器、數據傳輸接口、控制模塊等?？蓪崿F對各個模塊和單元進行協(xié)調控制，并實現與管理系統(tǒng)的通訊，上傳票務數據等相當于售票機的“電腦”。生活中的機電一體化產品——自助售票機票務設備包含出票、打印、單程票讀寫、儲票等模塊。其中單程票讀寫模塊由射頻天線、讀寫芯片、SAM卡組成，負責對來自發(fā)售模塊的單程票進行尋卡、讀卡、寫卡操作，使車票具有發(fā)售設備號、發(fā)售時間和存儲金額等信息。財務設備模塊通常包含硬幣/紙幣機構、找零機構、二維碼支付機構等等。從投入硬幣或紙幣之后到給出車票為止的基本工作流程如右圖所示。生活中的機電一體化產品——自助售票機硬幣機構還包含外部零錢補充部件，由零錢補充箱和補充盤構成，可把找零錢用硬幣供給硬幣機構，該機構可辨別投入硬幣的真?zhèn)?，區(qū)分錢的種類，投入硬幣的一次性儲存，找結零錢等。辨別硬幣的真?zhèn)慰赏ㄟ^機械檢測與電子檢測：機械檢測方式是測量并判定硬幣的外徑，厚度、圖樣的印痕、周緣刻紋及有無孔等硬幣形狀的方式。電子檢測方式是用檢測器收集硬幣的材料性質或形狀等信號，與預先存儲的每種錢幣的信息相比較進行判定的方法。當零錢機構找錢時，零錢通過光電開關，每種硬幣逐枚計數直到與控制部分輸出的應找錢的枚數一致為止，然后便連續(xù)付出。紙幣機構類似的也包含輸人紙幣、對插入的紙幣辨別真?zhèn)?、識別金額以及紙幣暫存等功能。紙幣真?zhèn)蔚谋鎰e方法是先把紙幣的外形尺寸及紙幣固有的信息等用檢測器收集，然后與機構預先存儲的紙幣信息相比較,最后得到判定結果。當紙幣找零時，采用了真空吸附裝置將一張紙幣取出，也可以利用橡膠輥一張張反復取送出，一旦兩張重疊一起送出時，利用檢測光的透過量及厚度測出異常，便會收回重疊紙幣、重新支付。生活中的機電一體化產品——變頻空調變頻空調是由控制器控制的變頻器調節(jié)變額壓縮機運轉的快慢來調節(jié)溫度，開機后，壓縮機立即高速運轉制冷（暖），隨后壓縮機自動采用低頻、低功率運轉，維持所設定的溫度。這種空調具有高效、節(jié)能、啟動運轉靈活、故障判斷自動化等特點，可以節(jié)省電能20%-30%，其次，變頻空調啟動電流小，僅為普通空調的1/7，可解決因家庭電表小、啟動時易跳閘的困擾。變頻空調一般可分為交流變頻和直流變頻。交流變頻空調的原理：式中U1為電動機端電壓；kd為電機繞組系數；N1為每相定子繞組匝數；Φ為每極磁通，Wb由式可知：要保持Φ恒定，則要保持U1/f恒定，因此頻率f改變時，電動機定子電壓U1必須隨之同時發(fā)生變化，即在變頻的同時也要變壓。這種調節(jié)轉速的方法稱為VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency)，簡稱為V/F變頻控制。生活中的機電一體化產品——變頻空調交流變頻空調的變頻器主要包含整流器、濾波器、功率逆變器等部分(如下圖所示)。變頻器中的電腦控制系統(tǒng)，對各取樣點傳來的信號進行分析處理，并經內部波形產生新的控制信號，再經驅動放大去控制變頻開關，產生相應頻率的模擬三相交流電壓，供給壓縮機。生活中的機電一體化產品——變頻空調直流變頻空調的原理：直流變頻器的控制電路與交流變頻器的基本一樣。把工頻市電220V轉換為直流電源，并送至功率模塊，變頻模塊每次導通二個三極管，給兩相線圈通以直流電，同時模塊受微電腦的控制，輸出電壓可變的直流電源，并將直流電源送至壓縮機的直流電動機，控制壓縮機的排量，工作原理圖如下圖所示。由于直流變頻空調采用了無刷直流電動機作為壓縮機，因此其直流變頻器相比交流變頻器多一個位置檢測電路，使直流變頻的控制更精確。生活中的機電一體化產品——變頻空調

變頻空調器的室內機主要用來接收人工指令，并對室外機提供電源和控制信號。內部設有空氣過濾部分、蒸發(fā)器、電路部分、貫流風扇組件、導風板組件等。變頻空調器的室外機主要用來控制壓縮機為制冷劑提供循環(huán)動力，與室內機配合，將室內的能量轉移到室外，達到對室內制冷或制熱的目的。生活中的機電一體化產品——變頻空調

變頻空調的電路結構如圖所示：生活中的機電一體化產品——變頻空調

變頻空調的控制關系如下圖所示，其輸入主要包括三類變量，分別是室內溫差及其隨時間的變化率，室內換熱器管壁溫度及其隨時間的變化率，室外換熱器溫管壁的溫度及其隨時間的變化率。進一步將這些輸入變量的精確值轉化為模糊量，并結合模糊推理規(guī)則表給出控制決策，模糊輸出接口再將模糊控制量轉化為精確量，實現對空調的制冷、制熱、除濕、風量等等功能的智能化控制。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——電火花數控機床

電火花加工是利用工件和工具（正負電極）之間脈沖性電火花的放電時瞬時高溫來使工件局部的材料熔化、氧化而被腐蝕，從而實現對工件的尺寸形狀和表面質量預定的加工。加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極，兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(常用煤油礦物油或去離子水)中。工具電極與工件在正常加工時維持有一個很小的放電間隙(0.01~0.05mm)，脈沖電壓加到兩極之間形成放電通道，能量高度集中使材料熔化甚至蒸發(fā)，在材料上形成一個小凹坑。第一次脈沖放電結束之后，第二個脈沖又在另一極間最近點擊穿放電。如此周而復始工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復制在工件上，形成所需要的加工表面。1.工件；2.脈沖電源；3.伺服機構；4.電極；5.工作液；6.過濾液；7.循環(huán)泵工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——電火花數控機床系統(tǒng)構成：常見的電火花加工機床主要包含由機床本體、脈沖電源、自動進給調節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)、數控系統(tǒng)等部分組成等幾個部分組成。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——電火花數控機床機床本體機床的機械實體，主要由床身、立柱、主軸頭、工作臺及潤滑系統(tǒng)等部分組成。主要是用來實現對工具和工件的裝夾、調整等。滑枕式結構如右圖所示，工作臺固定不動，運動機構帶動滑枕和主軸頭左右運動進而實現相對底座床身的橫向伺服進給運動；運動機構帶動主軸頭前后運動實現相對滑板的縱向伺服進給運動，運動機構帶動主軸頭上下運動實現其上下伺服進給運動。1-工作臺(底座)，2-滑板，3-滑枕，4-主軸頭工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——電火花數控機床脈沖電源用于將工頻交流電轉變成一定頻率的定向脈沖電流，提供電火花成形加工所需能量。主要由脈沖發(fā)生器，隔離放大電路，直流電源電路，功率放大電路，開關電路等部分構成。工作液循環(huán)與過濾裝置主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制閥、進液管、回液管和過濾網罩等，工作液循環(huán)方式主要分為了沖油式和抽油式。1-粗過濾器2-單向閥3-渦旋閥電動機5-安全閥6-壓力表7-精過濾器8-壓力調節(jié)器9-射流抽吸管10-沖油選擇閥11-快速進油控制閥(補油)12、13-壓力表工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——電火花數控機床控制系統(tǒng)的主要作用是在電火花線切割加工過程中，按加工要求自動控制電極絲相對工件的運動軌跡和進給速度，來實現對工件的形狀和尺寸的加工，亦即根據放電間隙大小與放電狀態(tài)自動控制進給速度，使進給速度與工件材料的蝕除速度相平衡。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)方便面食品生產線中的重量檢測與分選系統(tǒng)要求該能在桶面線充填機正常運行速度（約19排/分鐘）下，滿足產品在線稱重要求。系統(tǒng)主要分為承載運輸模塊、稱重模塊（桶面產品稱重與面塊稱重）、分選模塊和控制顯示軟件三部分構成。在食品生產包裝過程中，每個定量包裝食品的重量是否達標是消費者和生產廠家十分關注的問題。為了避免重量不達標產品流入市場，在生產線中增加稱重環(huán)節(jié)，在流水生產線動態(tài)情況下實現高速、高精度重量檢測并動態(tài)分選出過輕或過重產品，相比以往傳統(tǒng)的方法，可避免重量不合格產品流入市場，同時降低了人工操作強度也降低了生產廠家制造成本。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)承載運輸模塊：可實現一行十個杯面產品的傳輸。結合方便面面桶特點，其傳輸模塊包含一個長方形板，板上設有十個圓孔，圓孔尺寸與面桶上部尺寸相同，這樣可保證圓孔卡住面桶上端，從而在長板傳動過程中卡住十個面桶同步運輸。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)稱重模塊：位于傳輸運輸模塊下方，稱頭成“人”字型左右排列，可同時實現兩行產品（20個桶面）的稱重檢測。當運輸模塊方板攜帶桶面產品運送至稱重模塊上方時，稱重托盤上移將面桶頂起，連接稱重托盤的的橫梁會同時因托舉面桶發(fā)生形變，貼附于橫梁上的電阻應變片式傳感器的阻值會隨著變形而改變進而實現稱重。稱重模塊整體檢測精度誤差為±1%。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)剔除模塊：當產品依次經過面塊稱重機構與單桶稱重機構后，兩者差值即為料包和叉子的重量，當這個值超過設定值時，這個產品則會被認定為不合格品，該產品在后續(xù)的生產線中則不會被封口，并且會在剔除模塊，由托盤上氣缸頂起，并由一根橫桿將其撥至垂直方向運動的輥軸輸送單元上將其剔除出生產線。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)參數設置界面：可設置所稱重產品的重量最小與最大值，并可選擇產品類型對應的編號。進一步進入稱重模塊的矯正界面，在這一界面也可以選擇或停止某一個稱重單元。最后可進入檢測監(jiān)控界面，監(jiān)控界面主要顯示當前機器的運行狀態(tài)、工位啟用、稱重實時數據及報警顯示。當稱重單元對應窗口出現紅框時，則代表當前工位產品超出設置范圍，此時系統(tǒng)則可通過自動調整氣缸上下實現異常產品的剔除。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)雙排稱重系統(tǒng)檢測流程：桶面產品經過單桶稱重機檢測的重量，與經過面塊稱重機檢測的重量相比較，可計算差得出異值（即為料包+叉子重量），當這個差異值超出設定值時該產品則認定為不合格品（漏投），需要剔除。工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)面餅稱重：工業(yè)、生產線中的機電一體化產品——雙排稱重系統(tǒng)稱重與篩選:農業(yè)生產中的應用實例——林果作業(yè)機器人獼猴桃花的充分授粉對獼猴桃產量和質量至關重要。然而獼猴桃花的人工授粉是一項勞動密集型工作，勞動力成本和花粉價格的上漲，給獼猴桃授粉成本控制帶來了挑戰(zhàn)。在這種情況下，將機器人應用于這里領域，不僅可以使人們免于繁重的勞動，還可以減少授粉不精確造成的損失。獼猴桃花授粉機器人包含視覺系統(tǒng)、氣液噴霧系統(tǒng)、機械臂、履帶式底盤和控制系統(tǒng)五個系統(tǒng)組成。（1）氣液噴嘴；（2）空氣；（3）成像模；（4）履式底；（5）機械臂；（6）控制單元；（7）電動花粉液罐。農業(yè)生產中的應用實例——林果作業(yè)機器人視覺系統(tǒng)：包括一個RGB-D（紅、綠、藍-深度）相機，用于獼猴桃樹冠圖像采集和圖像處理方法，用于合適的花朵檢測和定位。相機獲取的圖像的幀速率為每秒30幀。由于獼猴桃的花期不同步，采用了基于YouOnlyLookOnceversion5large（YOLOv5l）的多類花朵檢測方法來檢測和確定樹冠上哪些花朵處于最佳授粉期。農業(yè)生產中的應用實例——林果作業(yè)機器人氣液噴霧系統(tǒng)：由氣液噴嘴、氣路和液路模塊組成?？傮w結構如下圖所示，液體路徑模塊由液體電磁閥、節(jié)流閥和電動花粉液罐。空氣通道模塊由空氣電磁閥、節(jié)流閥和空氣泵組成。此外，還采用了浮子流量計和壓力變送器分別測量流速和氣壓。農業(yè)生產中的應用實例——林果作業(yè)機器人機械臂：是一個具有三個自由度的平行四連桿機構，滿足授粉的需要。機械臂有三個伺服電機和三個諧波減速齒輪構成，結構簡單，易于控制。除實現精確授粉外，機器人還需要一個移動平臺來攜帶并自主移動機械臂穿過果園。（a）三維機械制（b）機械臂工作空間和尺寸的側視圖（c）機械臂工作空間的俯視圖農業(yè)生產中的應用實例——林果作業(yè)機器人控制系統(tǒng)：所選用編程環(huán)境為Python，使用的主控制器是JetsonXavierNX模塊，該模塊通過USB接口與RGB-D攝像機相連，用于采集樹冠圖像，并通過傳輸控制協(xié)議/互聯網協(xié)議TCP/IP與NexDroid控制器通信，用于發(fā)送選定的合適花朵坐標信息。機械臂的動作信號由主控制器產生，發(fā)送至R4EtherCAT進行機械臂的運動控制。此外，氣液系統(tǒng)還采用了雙向繼電器，實現了氣液電磁閥的開關控制。農業(yè)生產中的應用實例——林果作業(yè)機器人整體控制：當授粉機器人移動到所需的授粉區(qū)時，其攝像頭實時獲取樹冠的圖像。視覺系統(tǒng)檢測并選擇合適的花朵進行授粉后，所選花朵的三維坐標被發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其轉換為機械臂的坐標。然后，氣液噴射系統(tǒng)接收信號進行噴射，同時完成機械臂的運動。如果當前區(qū)域完全授粉履帶式底盤將移動到下一個授粉區(qū)。農業(yè)生產中的應用實例——水培精準智能調控系統(tǒng)垂直農業(yè)是現代多技術集成創(chuàng)新的農業(yè)生產形態(tài)，因其高度的集約化、信息化和智能化，可實現一、二、三產業(yè)的無縫融合，發(fā)展為一種新型的農業(yè)產業(yè)化聯合體，具有資源利用率高、建筑成本低和易于全程機械化作業(yè)管理的特點?；谖锫摼W的垂直農業(yè)智能栽培系統(tǒng)，將物聯網等技術融入栽培系統(tǒng)中，實現對植物生長狀況的檢測、植物生長環(huán)境進行多模式選擇調節(jié)，智能調控植物生長過程中幼苗、成苗、結果等階段的最優(yōu)環(huán)境。農業(yè)生產中的應用實例——水培精準智能調控系統(tǒng)

垂直農業(yè)智能栽培系統(tǒng)主要有植物智能補光模塊、精準營養(yǎng)液配比與智能循環(huán)灌溉環(huán)節(jié)、傳感器設備組網、PC端上位機界面、深度學習模型五大部分構成。農業(yè)生產中的應用實例——水培精準智能調控系統(tǒng)傳感器數據采集模塊：用于采集營養(yǎng)液的酸堿度的檢測、電導率的檢測、環(huán)境光照強度的檢測、空氣溫濕度的檢測。酸堿度和電導率模塊，用于控制配母液、酸、水電磁閥的工作；光照傳感器模塊，用于植物和所在的光強環(huán)境的檢測；空氣溫濕度模塊，用于檢測植物生長環(huán)境的檢測工作。農業(yè)生產中的應用實例——水培精準智能調控系統(tǒng)營養(yǎng)液配比與循環(huán)灌溉模塊：主要分為灌溉主回路管、供水管、供肥管和供酸液管。通過上位機設置營養(yǎng)液的EC和PH值的范圍，并將傳感器定時采樣營養(yǎng)液的EC值和PH值作為模糊P