2024智能制造概論

《智能制造概論》第1章

緒論《智能制造概論》本章要點智能制造的概念人工智能與新一代智能制造我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略《智能制造概論》1.1智能制造的概念1.1.1智能制造的定義智能制造（Intelligent

Manufacturing，簡稱

IM）是以智能技術(shù)為代表的先進(jìn)制造，包括以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和自動化為特征的先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，涉及制造過程中的設(shè)計、工藝、裝備（結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、控制、軟件、集成）和管理?！吨悄苤圃旄耪摗分悄苤圃焖w的內(nèi)容《智能制造概論》智能制造中相關(guān)設(shè)備的配置原則如下：1.具有網(wǎng)絡(luò)化功能的設(shè)備：在離散制造企業(yè)加工車間，車床、銑床、刨床、磨床、鑄機(jī)、鍛機(jī)、鉚機(jī)、焊機(jī)、加工中心等是主要的生產(chǎn)資源。2.能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場無人化的設(shè)備：智能制造推動了工業(yè)機(jī)器人、多軸運動控制等智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使工廠無人化制造成為可能。3.具有“神經(jīng)”系統(tǒng)的設(shè)備：智能制造一般都可以通過制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制，進(jìn)而實現(xiàn)整個過程的智能管控?！吨悄苤圃旄耪摗?.能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的設(shè)備：在智能制造生產(chǎn)現(xiàn)場，每隔幾秒就收集一次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)很多形式的分析，包括設(shè)備開機(jī)率、主軸運轉(zhuǎn)率、主軸負(fù)載率、運行率、故障率、生產(chǎn)率、設(shè)備綜合利用率、零部件合格率、質(zhì)量百分比等?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.2智能制造企業(yè)建模1.三維立方體企業(yè)模型：是一種全新的企業(yè)經(jīng)營管理模式，它可為企業(yè)提供一個框架結(jié)構(gòu)，以確保企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)與企業(yè)經(jīng)常改進(jìn)的業(yè)務(wù)流程緊密匹配。企業(yè)建模以分析方法和建模工具為主體，其參考模型的建立以及建模工具的研制，是當(dāng)前幫助企業(yè)不斷縮短產(chǎn)品開發(fā)時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、提高服務(wù)層次的重要手段。《智能制造概論》圖1-2所示為三維立方體企業(yè)模型，該體系結(jié)構(gòu)的每個側(cè)面描述企業(yè)建模關(guān)心的不同階段、不同視圖和不同的建模構(gòu)件的通用性程度?！吨悄苤圃旄耪摗罚?）生命周期維：建立企業(yè)需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實施和運行維護(hù)四階段的建模方法學(xué)，并確定各階段的研究重點和不同建模階段之間的模型映射方法。包含需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實施和運行維護(hù)四個重要部分。（2）視圖模型維：研究集成化的企業(yè)建模視圖結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)以過程視圖（工作流模型）為核心，其它視圖（功能視圖、信息視圖、組織視圖、資源視圖）為輔助視圖來統(tǒng)一集成建模，最終形成具有一定柔性的動態(tài)企業(yè)模型。（3）通用性層次維：研究不同建模階段、不同建模視圖的基本構(gòu)件形式，從而建立基本構(gòu)件模型庫，并以不同的行業(yè)為背景建立企業(yè)參考模型，并在企業(yè)中建立專用的企業(yè)特定模型?！吨悄苤圃旄耪摗?.工作流模型：工作流模型是對智能工廠工作流的抽象表示，需要保證流程含義的正確、數(shù)據(jù)一致性和流程的可靠性，建立的模型不僅僅能夠有正確的語意，而且能提供一個由分析模型到投入實際實施模型的轉(zhuǎn)換接口，從而使得該模型能夠被企業(yè)實際應(yīng)用的工作流管理系統(tǒng)執(zhí)行。為此，工作流管理聯(lián)盟定義了描述工作流模型的模型，即工作流元模型?！吨悄苤圃旄耪摗饭ぷ髁鞫x(過程模型)：它一般包含諸如工作流模型名稱、版本號、過程啟動和終止條件、系統(tǒng)安全、監(jiān)控和控制信息等一系列基本屬性。工作流定義活動角色工作流相關(guān)數(shù)據(jù)需要激活的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換條件《智能制造概論》活動：主要屬性有活動名稱、活動類型、活動前、后條件、調(diào)度約束參數(shù)等。當(dāng)工作流運行在分布的環(huán)境下時，在活動的屬性中還應(yīng)包括執(zhí)行該活動的工作流機(jī)的位置。轉(zhuǎn)換條件：主要負(fù)責(zé)為過程實例的推進(jìn)提供導(dǎo)航依據(jù)，主要參數(shù)包括工作流過程條件(flowcondition，過程實例向前推進(jìn)的條件，可以認(rèn)為是前/后條件的同義詞)、執(zhí)行條件(execution

condition，執(zhí)行某個活動的條件)和通知條件(notification

condition，通知不同用戶的條件)?！吨悄苤圃旄耪摗饭ぷ髁飨嚓P(guān)數(shù)據(jù)：工作流根據(jù)工作流相關(guān)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行推進(jìn)，工作流相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性包括數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)值等。角色：角色屬性主要包括角色的名稱、組織實體、角色的能力等。角色或組織實體決定了參與某個活動的人員或組織單元。需要激活的應(yīng)用程序：主要屬性包括應(yīng)用程序的類型、名稱、路徑及運行參數(shù)。通過以上分析得出：工作流定義與活動、工作流相關(guān)數(shù)據(jù)之間是一對多的關(guān)系，即一個工作流定義由多個活動與多個工作流相關(guān)數(shù)據(jù)組成。《智能制造概論》活動：主要屬性有活動名稱、活動類型、活動前、后條件、調(diào)度約束參數(shù)等。當(dāng)工作流運行在分布的環(huán)境下時，在活動的屬性中還應(yīng)包括執(zhí)行該活動的工作流機(jī)的位置。轉(zhuǎn)換條件：主要負(fù)責(zé)為過程實例的推進(jìn)提供導(dǎo)航依據(jù)，主要參數(shù)包括工作流過程條件(flowcondition，過程實例向前推進(jìn)的條件，可以認(rèn)為是前/后條件的同義詞)、執(zhí)行條件(execution

condition，執(zhí)行某個活動的條件)和通知條件(notification

condition，通知不同用戶的條件)《智能制造概論》1.1.3智能制造的特征智能制造不只是針對生產(chǎn)端，衡量標(biāo)準(zhǔn)也不僅僅是自動化率。智能制造和傳統(tǒng)的制造相比，智能制造具有以下特征：1.自律能力:即搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。2.人機(jī)一體化:人機(jī)一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能設(shè)備的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機(jī)之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成?！吨悄苤圃旄耪摗?.虛擬現(xiàn)實技術(shù):這是實現(xiàn)虛擬制造的支持技術(shù)，也是實現(xiàn)高水平人機(jī)一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。4.自組織與超柔性：智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務(wù)的需要，自行組成一種最佳結(jié)構(gòu)，其柔性不僅表現(xiàn)在運行方式上，而且表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。5.學(xué)習(xí)能力與自我維護(hù)能力：智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學(xué)習(xí)功能?！吨悄苤圃旄耪摗?.2人工智能與新一代智能制造1.2.1人工智能概述人工智能（ArtificialIntelligence，簡稱AI）是計算機(jī)學(xué)科的一個分支，1970年代以來被稱為世界三大尖端技術(shù)之一（空間技術(shù)、能源技術(shù)、人工智能），也被認(rèn)為是21世紀(jì)三大尖端技術(shù)（基因工程、納米科學(xué)、人工智能）之一。這是因為近年來它獲得了迅速的發(fā)展，在很多學(xué)科領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，并取得了豐碩的成果，人工智能已逐步成為一個獨立的分支，無論在理論和實踐上都已自成一個系統(tǒng)?！吨悄苤圃旄耪摗?.2.2新一代智能制造的形成智能制造在實踐演化中形成了多種范式，包括精益生產(chǎn)、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等，這些范式在不同程度、不同視角上反映出制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化?！吨悄苤圃旄耪摗啡斯ぶ悄苁茄芯渴褂嬎銠C(jī)來模擬人的某些思維過程和智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等）的學(xué)科，主要包括計算機(jī)實現(xiàn)智能的原理、制造類似于人腦智能的計算機(jī)，使計算機(jī)能實現(xiàn)更高層次的應(yīng)用?！吨悄苤圃旄耪摗?）數(shù)字化制造（DigitalManufacturing）:數(shù)字化制造是智能制造的第一種范式，也可稱為第一代智能制造。2）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造——“互聯(lián)網(wǎng)+制造”（SmartManufacturing）:數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是智能制造的第二種范式，也可稱為“互聯(lián)網(wǎng)+制造”或第二代智能制造。3）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造（IntelligentManufacturing）:數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造是智能制造的第三種范式，也可稱為新一代智能制造。《智能制造概論》智能制造的三種范式演進(jìn)《智能制造概論》1.2.3新一代智能制造的“人-信息-物理”系統(tǒng)傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，該系統(tǒng)是完全通過人完成信息感知、分析決策、操作控制以及認(rèn)知學(xué)習(xí)去完成各種工作任務(wù)，可抽象描述為“人-物理系統(tǒng)”（human-physical

system,HPS）。信息系統(tǒng)的引入使得制造系統(tǒng)同時增加了“人-信息系統(tǒng)”（human-cybersystems,HCS）和“信息-物理系統(tǒng)”（cyber-physicalsystems,CPS）,并使得制造系統(tǒng)完成了從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)”向“人-信息-物理系統(tǒng)”（human-cyber-physicalsystems,HCPS）的演變?！吨悄苤圃旄耪摗穫鹘y(tǒng)制造系統(tǒng)與智能制造系統(tǒng)比較《智能制造概論》新一代智能制造系統(tǒng)的技術(shù)機(jī)理《智能制造概論》1.2.4新一代智能制造的應(yīng)用場景人工智能對于新一代智能制造的價值主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，人工智能可以提高工業(yè)設(shè)計水平并促進(jìn)新型生產(chǎn)方式實現(xiàn)；另一方面，將進(jìn)一步提升數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的水平，從根本上提高工業(yè)知識產(chǎn)生和利用的效率，從而推動制造業(yè)發(fā)展步入新階段，并成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎?！吨悄苤圃旄耪摗沸乱淮悄苤圃斓膽?yīng)用場景具體如下：1.機(jī)器感知應(yīng)用：包括產(chǎn)品外觀檢測、手機(jī)玻璃蓋板檢測、動力鋰電池的極片毛刺檢測、語音識別等。2.機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用：包括工藝與產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)、異常動作識別、微裝配機(jī)器人技能學(xué)習(xí)系統(tǒng)、軸承健康狀態(tài)感知、刀具的智能管理與壽命預(yù)測等。3.機(jī)器思維應(yīng)用：包括虛擬調(diào)度機(jī)器人、數(shù)字印刷噴頭陣列智能調(diào)度、知識自動化系統(tǒng)、人工智能物流調(diào)度與決策、高速動車組生產(chǎn)車間的生產(chǎn)因素識別、智能分析與決策系統(tǒng)、故障診斷與智能維護(hù)等。4.智能行為應(yīng)用：包括智能無人倉庫管理、自動化裝備生產(chǎn)線、智能上料機(jī)器人等?！吨悄苤圃旄耪摗?.3我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略1.3.1制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的背景新中國成立尤其是改革開放以來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門類齊全、獨立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)綜合國力，支撐我世界大國地位。然而，與世界先進(jìn)水平相比，我國制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨?！吨悄苤圃旄耪摗?.全球制造業(yè)格局面臨重大調(diào)整國際金融危機(jī)發(fā)生后，發(fā)達(dá)國家紛紛實施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，加速推進(jìn)新一輪全球貿(mào)易投資新格局。一些發(fā)展中國家也在加快謀劃和布局，積極參與全球產(chǎn)業(yè)再分工，承接產(chǎn)業(yè)及資本轉(zhuǎn)移，拓展國際市場空間。我國制造業(yè)面臨發(fā)達(dá)國家和其他發(fā)展中國家“雙向擠壓”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須放眼全球，加緊戰(zhàn)略部署，著眼建設(shè)制造強(qiáng)國，固本培元，化挑戰(zhàn)為機(jī)遇，搶占制造業(yè)新一輪競爭制高點?！吨悄苤圃旄耪摗?.我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境發(fā)生重大變化我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，制造業(yè)發(fā)展面臨新挑戰(zhàn)。資源和環(huán)境約束不斷強(qiáng)化，勞動力等生產(chǎn)要素成本不斷上升，投資和出口增速明顯放緩，主要依靠資源要素投入、升級、提質(zhì)增效刻不容緩。3.建設(shè)制造強(qiáng)國任務(wù)艱巨而緊迫建設(shè)制造強(qiáng)國，必須緊緊抓住當(dāng)前難得的戰(zhàn)略機(jī)遇，積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，突出創(chuàng)新驅(qū)動，制定特殊政策，發(fā)揮制度規(guī)模擴(kuò)張的粗放發(fā)展模式難以為繼，調(diào)整結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)型優(yōu)勢，動員全社會力量奮力拼搏，更多依靠中國裝備、依托中國品牌，實現(xiàn)中國制造向中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變，中國速度向中國質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，中國產(chǎn)品向中國品牌的轉(zhuǎn)變，完成中國制造由大變強(qiáng)的戰(zhàn)略任務(wù)?！吨悄苤圃旄耪摗?.3.2制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)立足國情，立足現(xiàn)實，力爭通過“三步走”實現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。第一步：力爭用十年時間，邁入制造強(qiáng)國行列。第二步：到2035年，我國制造業(yè)整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國陣營中等水平。第三步：新中國成立一百年時，制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國前列?！吨悄苤圃旄耪摗?.3.3制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略重點加快推動新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向；著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平?！吨悄苤圃旄耪摗?.研究制定智能制造發(fā)展戰(zhàn)略：編制智能制造發(fā)展規(guī)劃，明確發(fā)展目標(biāo)、重點任務(wù)和重大布局。2.加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品：組織研發(fā)具有深度感知、智慧決策、自動執(zhí)行功能的高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備等智能制造裝備以及智能化生產(chǎn)線，突破新型傳感器、智能測量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)及驅(qū)動器和減速器等智能核心裝置，推進(jìn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。3.推進(jìn)制造過程智能化：在重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制?！吨悄苤圃旄耪摗?.深化互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用：制定互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)融合發(fā)展的路線圖，明確發(fā)展方向、目標(biāo)和路徑。5.加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃與布局，建設(shè)低時延、高可靠、廣覆蓋的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。《智能制造概論》【思考與練習(xí)題】1請列舉近年來我國工業(yè)和信息化部公布的“智能制造試點示范項目名單”，并搜集相關(guān)資料就其中3項其智能制造項目的內(nèi)涵和特征進(jìn)行列表說明。2請用思維導(dǎo)圖畫出機(jī)加工企業(yè)、家電裝配企業(yè)不同的設(shè)備配置情況。3三維立方體企業(yè)模型中的“三維”分別指向什么？4請繪制工作流元模型圖，并以你所熟悉的制造業(yè)企業(yè)來進(jìn)行說明。5我國知名的人工智能企業(yè)有哪些？其產(chǎn)品分別有哪些？6人工智能技術(shù)融入制造業(yè)后為什么可以帶動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級到新一代智能制造？7請簡要闡述我國的制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)和戰(zhàn)略重點。第2章智能傳感技術(shù)《智能制造概論》本章要點速度傳感器傳感器原理力傳感器位移傳感器4溫度傳感器智能傳感器《智能制造概論》2.1傳感器原理2.1.1傳感器的定義傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”?！吨悄苤圃旄耪摗穫鞲衅鹘M成如圖所示，敏感元件是在傳感器中直接感受被測量的元件。即被測量通過傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成一個與之有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。這一非電量通過轉(zhuǎn)換元件被轉(zhuǎn)換成電參量。轉(zhuǎn)換電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。應(yīng)該指出，有些傳感器將敏感元件與傳感元件合二為一了?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.2傳感器的分類傳感器由很多種分類方法，比較常用的有如下四種：按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、濕度、流量、氣體成份等傳感器。按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為“１”、

"０”或“開”、“關(guān)”等開關(guān)量的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器，前者是需要外電源供給，后者主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.3傳感器的技術(shù)指標(biāo)

1.輸出線性度它是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，有零基線性度、端基線性度、獨立線性度及絕對線性度等四種表示方法。線性度定義如圖所示，定義式為：（2-1）式中：為傳感器在全量程上的最大偏差值；為傳感器的量程。

100%

maxyfsE

《智能制造概論》線性度示意圖《智能制造概論》2.靈敏度傳感器輸出的變化量△Y與引起此變化量的輸入變化量△X之比即為靜態(tài)靈敏度，表達(dá)示為：（2-2）傳感器的校正曲線的斜率就是其靈敏度。線性傳感器，斜率處處相同，靈敏度K是一個常數(shù)。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。即：（2-3）

XK

Y

100%KK

K

100%《智能制造概論》3.輸出平滑性輸出平滑性是指傳感器在測量時，輸出信號隨時間的穩(wěn)定性，如圖所示。它可用理論電氣行程輸出信號電壓波動百分比表示。輸出平滑性受到接觸阻抗的變化，分辨率和在輸出中其他微量非線性輸出的影響，是影響傳感器性能的重要指標(biāo)之一?？捎孟率奖硎荆海?-4）式中：UCC：峰-峰值最大變化，輸出信號的最大波動值；U0：傳感器的理論輸出信號電壓。U0URTS

cc

100%《智能制造概論》4.降功耗曲線傳感器的輸出功率與溫度之間的關(guān)系稱為降功耗曲線。一般以傳感器在-55℃到70℃時功耗為100%，70℃到125℃之間時功耗開始下降直至零。所以在使用時應(yīng)注意環(huán)境溫度與功耗的關(guān)系，其關(guān)系圖如圖所示?！吨悄苤圃旄耪摗?.遲滯傳感器在正反行程中的輸出輸入曲線不重合性稱為遲滯。遲滯可用偏差量與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，如下式：（2-5）式中：△Hmax正反行程間輸出的最大差值；YFS為傳感器的滿量程輸出。遲滯特性如圖所示。max

100%FSHY

H

《智能制造概論》6.重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所得的特性曲線不一致的程度。實際輸出校正曲線的重復(fù)特性，正行程最大重復(fù)性偏差為△Rmax1，反行程最大重復(fù)性偏差為△Rmax2。重復(fù)性誤差取這兩個最大偏差之中較大者△Rmax除以滿量程輸出y的百分?jǐn)?shù)表示：（2-6）檢測時也可以選取幾個測試點，對應(yīng)每一個點多次從一個方向趨進(jìn)，獲得輸出值系列y

i

1，y

i

2，

yi3……，yin算出最大值與最小值之差為重復(fù)性偏差△Ri，在幾個△Ri中取出最大值作為重復(fù)性誤差。

100%FSY

Rmax

R

《智能制造概論》重復(fù)特性如圖所示。《智能制造概論》7.分辨率與閥值分辨率是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出被測輸入量最小變化值。有時對該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示為分辨率。閥值是能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。有的傳感器在零位附近非線性嚴(yán)重，形成“死區(qū)”，則將這個區(qū)的大小稱為閥值；更多情況下閥值主要取決于傳感器噪聲的大小。傳感器能檢測出被測量的最小變化值一般相當(dāng)于噪聲電平的若干倍，用公式表示：（2-7）式中：M—被測量最小變化量值；c—系數(shù)；N—噪聲電平；

K—傳感器靈敏度。KcNkM

《智能制造概論》穩(wěn)定性穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一定規(guī)定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標(biāo)定的有效期來表示。漂移漂移指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關(guān)的，不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移，每一種又可分為時間漂移（簡稱時漂）和溫度漂移（簡稱溫漂）。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化?！吨悄苤圃旄耪摗罚?-8）△Y0：最大零點偏差；YFS：滿量程輸出傳感器的溫漂一般以溫度變化1℃時輸出的最大偏差與滿量程的百分比來表示：（2-9）△Ymax—輸出的最大偏差；YFS—滿量程輸出；△T—溫度變化范圍。YFS傳感器的零漂可表示為：

Y零漂

0

100%

100%

Y

maxYFS

T溫漂

《智能制造概論》10.精確度（2-10）A—傳感器的精度；△A—允許的最大絕對誤差；YFS—滿量程輸出。YFS通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的。傳感器與測量儀表精確度等級以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)值（如

0.0

0

1，0.0

0

5，0.0

2，0.0

5，．．．，1.5，2.5，．．．）進(jìn)行分檔。這個數(shù)值是傳感器和測量儀表在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分?jǐn)?shù)。精確度可表示為：A

A

100%《智能制造概論》2.2力傳感器2.2.1力及壓力檢測概述力及壓力是智能制造中最常見的被控量之一，在航天、航空、電力、水利、石油化工、機(jī)械、軍工、醫(yī)療、紡織、汽車、煤炭、地震監(jiān)測等幾乎所有行業(yè)中需要進(jìn)行智能控制的場合，都有力及壓力量檢測方面的需求?！吨悄苤圃旄耪摗?.2.2應(yīng)變式力傳感器

1.電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值也會發(fā)生相應(yīng)的變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。如圖所示為最常用的應(yīng)變片電阻電橋電路，其電源為U、輸出為Uo。R1R2R3R4U0ABUCD《智能制造概論》2.應(yīng)變片分類根據(jù)應(yīng)變片的材質(zhì)，主要有金屬和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有絲式、箔式和薄膜式三種。如圖a)所示絲式應(yīng)變片，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。圖b)所示為箔式應(yīng)變片，該類應(yīng)變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。《智能制造概論》2.2.3電容式力及壓力傳感器

1.電阻應(yīng)變效應(yīng)電容式傳感器的基本工作原理可以用圖所示的平板電容器來說明，設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為A(m2)兩極板間的距離為d(m)，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為

ε(F?m-1)，在忽略板極邊緣影響的條件下，平板電容器的電容量C(F)為C=εA/d

（2-11）Aεd《智能制造概論》(2-12)式中π為壓阻系數(shù)；σ為壓應(yīng)力；ρ為半導(dǎo)體材料的電阻率。R

2.2.4壓阻式傳感器

1.壓阻效應(yīng)單晶硅材料在受力作用后，電阻率將隨作用力而變化，這種物理現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料電阻的變化率ΔR/R主要由Δρ/ρ引起，即取決于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可以用下式表示

R

《智能制造概論》固體壓阻式傳感器膜片芯體結(jié)構(gòu)R1R2R3R4EFABCDR1R2R3R4FECBAD壓阻式傳感器的核心是硅膜片，通常多選用N型硅晶片作硅膜片，在其上擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成四個阻值相等的電阻條。《智能制造概論》2.壓力測量壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。123451--硅杯2--高壓腔3–低壓腔4--硅膜片5--引線《智能制造概論》2.2.5壓電式壓力傳感器

1.壓阻效應(yīng)某些晶體在一定方向受到外力作用時，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)卸下外力后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，且當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)?！吨悄苤圃旄耪摗肥⒕w的外形、坐標(biāo)軸及切片圖《智能制造概論》當(dāng)沿著X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著Y軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如圖所示?！吨悄苤圃旄耪摗?.壓電傳感器的其它應(yīng)用壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等等。《智能制造概論》下圖所示的5100系列力傳感器是一種利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，將“力”轉(zhuǎn)換成“電荷”，通過二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓的壓電式力傳感器。《智能制造概論》2.3位移傳感器2.3.1位移測量概述位移是智能制造中最常見的被控量之一，有角位移和線位移之分，測量位移主要是為了控制被測物的移動距離、速度或加速度，進(jìn)而控制它的空間位置或姿態(tài)，以實現(xiàn)制造過程的自動化、智能化。在航天、航空、電力、水利、石油化工、機(jī)械、軍工、醫(yī)療、紡織、汽車、煤炭、地震監(jiān)測等幾乎所有行業(yè)中需要進(jìn)行自動控制的場合，都有位移量檢測的要求?！吨悄苤圃旄耪摗?.3.2電位器式位移傳感器

1.工作原理電位器式位移傳感器通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。下圖所示為電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖?！吨悄苤圃旄耪摗菲涔ぷ髟硎牵何矬w的位移引起電位器移動端的電阻變化，阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。輸入與輸出可用式2-13表示：（2-13）式中：U0為傳感器輸出信號電壓；x為被測量位移；L為傳感器敏感電阻長度；Ui為輸入電壓，可以是直流，也可以是交流。0

iLU

x

U《智能制造概論》2.精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器基本結(jié)構(gòu)電位器式角位移傳感器最典型的是精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器，它主要由電阻體、轉(zhuǎn)軸及電刷組件和殼體等幾部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖所示?！吨悄苤圃旄耪摗?.3.3霍爾位移傳感器

1.霍爾效應(yīng)放置在磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向I與磁場方向B不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間將會產(chǎn)生一定的電動勢，這主要是由于導(dǎo)電粒子受到洛侖茲力的作用發(fā)生沿導(dǎo)體橫向運動所致，這種物理現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)。《智能制造概論》霍爾效應(yīng)所產(chǎn)生的電壓叫霍爾電壓，它的形成過程分析如下：磁場B垂直于導(dǎo)體正面，此時導(dǎo)體中的自由電子不僅在外加電壓作用下運動，而且還受到磁場作用產(chǎn)生定向移動，從而在導(dǎo)體的頂面堆積正電荷，底面堆積負(fù)電荷，從而形成了附加的內(nèi)電場EH，稱其為霍爾電場，其電位差為：（2-14）式中UH為電位差，KH為霍爾靈敏度，B為磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，I為電流。IBUH

RH

d

KH

IB《智能制造概論》2.霍爾式角位移傳感器結(jié)構(gòu)霍爾式角位移傳感器主要包括信號調(diào)理電路9、磁鐵2、軸承透蓋3、絕緣隔套8、軸承座4、尼龍軸套7、轉(zhuǎn)軸6、開口擋圈5和后蓋11等組成。1-AS5045霍爾元件；2-柱形磁鐵；3-軸承透蓋；4-軸承座；5-開口擋圈；6-轉(zhuǎn)軸；7-尼龍軸套；8-絕緣隔套；9-信號調(diào)理電路；10-輸出接口；11-后蓋《智能制造概論》2.3.4光柵、磁柵及容柵位移傳感器

1.光柵測量位移原理光柵位移傳感器利用光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋進(jìn)行位移的測量，主要由光源系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件所組成，如圖所示。1-光源；2-透鏡；3-主光柵；4-指示光柵；5-光電元件《智能制造概論》主光柵和指示光柵的具體結(jié)構(gòu)類型有長光柵和圓光柵兩類，如圖1、2所示。a)圓光柵結(jié)構(gòu)示意圖b)

柵線放大示意圖a)長光柵結(jié)構(gòu)示意圖b)

柵線放大示意圖1-長光柵結(jié)構(gòu)示

意圖2-圓光柵結(jié)構(gòu)示

意圖《智能制造概論》閃耀光柵的柵線形狀，如圖2-22所示，W為光柵常數(shù)，柵線形狀有對稱型和非對稱型。a)不對稱型b)

對稱型《智能制造概論》2.磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器的工作原理是：先用錄磁設(shè)備將磁信號錄制到磁柵上，在測量位移時由讀磁頭讀取磁柵上預(yù)先錄制的信號，再通過信號處理部分處理后就得到磁頭與磁柵的相對位移量。長磁柵結(jié)構(gòu)圖《智能制造概論》3.容柵位移傳感器容柵位移傳感器借鑒了光柵的結(jié)構(gòu)形式，將變面積式電容傳感器的電極做成柵型，大大提高了測量的精度和范圍，實現(xiàn)了大位移的高精度測量。直線容柵的結(jié)構(gòu)原理示意圖如下圖所示：主要由動尺和定尺兩部分組成，之間保持非常小的間隙，如a)圖所示。直線型容柵結(jié)構(gòu)原理示意圖《智能制造概論》2.3.5電感式位移傳感器電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的，是測量微小位移和進(jìn)行位置控制的主要傳感器之一。電感式傳感器根據(jù)其工作原理不同，有變間隙式、變面積式、差動螺管式、差動變壓器式及電渦流式等許多種?！吨悄苤圃旄耪摗?.自感式電感傳感器工作原理δ電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。1231-線圈2-鐵芯3-銜鐵《智能制造概論》δ123LL=f(A)L=f(δ)δ,

A1-銜鐵

2-鐵芯

3-線圈a)變面積型電感傳感器b)電感傳感器特性曲線《智能制造概論》2.互感式電感傳感器在實際使用中,常采用兩個相同的電感線圈共用一個銜鐵,構(gòu)成差動電感式位移傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。下圖所示為變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式結(jié)構(gòu)原理。l234l234l34a)變間隙型c)螺管型1-線圈2-鐵芯b)變面積型3-銜鐵

4-導(dǎo)桿《智能制造概論》3.電渦流式位移傳感器被測導(dǎo)體電渦流式位移傳感器是利用位移變化引起渦流效應(yīng)變化進(jìn)行位移測量的位移式傳感器。下圖所示為電渦流式位移傳感器。線圈

H1H2HI1·I2·《智能制造概論》2.3.6超聲波位移傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實現(xiàn)自動檢測的測量元件。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。設(shè)有某種彈性介質(zhì)及振蕩源，如圖所示。振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生兩種形式的振蕩，即橫向振蕩如圖a所示和縱向振蕩如圖b所示。振動源振動方向波方向振動源振動方向波方向a）b）《智能制造概論》超聲波測液位是利用回聲原理進(jìn)行工作的，如下圖所示。當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過時間t后，探頭接收到從液面反射回來的回音脈沖。因此探頭到液面的距離L可由下式求出（2-16）式中，c為超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波到接收到超聲波的時間差。2L

1

ct《智能制造概論》2.4速度傳感器2.4.1速度測量概述速度也是智能控制系統(tǒng)中最常見的被控量之一，有角速和線速兩種，角速一般表現(xiàn)為軸的轉(zhuǎn)速，線速則與生產(chǎn)過程中設(shè)備或產(chǎn)品的運動快慢有關(guān)，涉及到生產(chǎn)的效率和設(shè)備運行的安全。測量速度主要是為了控制被測物的移動快慢、產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率等，進(jìn)而控制它的空間位置或運行狀態(tài)，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。《智能制造概論》2.4.2磁電式速度傳感器磁電式傳感器是最基本的速度傳感器之一，它是目前最主要的測速傳感器，用途十分廣泛?；魻杺鞲衅鳎ㄒ步谢魻柶骷蚧魻栐┦且环N基于霍爾效應(yīng)的典型的磁電式傳感器，按下圖所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器。a)徑向磁極b)軸向磁極c)遮斷式《智能制造概論》圖1霍爾流量計圖2霍爾車速表的框圖《智能制造概論》2.4.3光電式速度傳感器光電式測速傳感器是用途最廣泛的速度傳感器，它可以用于角速度和線速度的在線檢測，可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化。光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類。下圖所示為常見的半導(dǎo)體光電元件--光敏電阻。ΦmAIΦ《智能制造概論》光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中，Ф1是光源發(fā)出的光信號，

Ф2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。按照光電傳感器中光電元件輸出電信號的形式可以分為模擬式和脈沖式兩大類。《智能制造概論》1.模擬式光電傳感器這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測量連續(xù)變化，因此，輸出的光電流也是連續(xù)變化的，并與被測量呈確定的函數(shù)關(guān)系，這類傳感器通常的四種形式如圖所示?！吨悄苤圃旄耪摗?.脈沖式光電傳感器在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號。其速度檢測裝置安裝如圖所示，將信號盤固定在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤?！吨悄苤圃旄耪摗?.4.4光纖速度傳感器光纖傳感器是近代發(fā)展起來的新型測速傳感器之一，它是隨著光纖新材料的不斷出現(xiàn)，結(jié)合光電轉(zhuǎn)換原理和信號處理技術(shù)的完善，使得這一新型傳感器得到了越來越多的實際應(yīng)用。它主要用于角速度和線速度的檢測及電位的調(diào)節(jié)，在工業(yè)控制及家電產(chǎn)品中使用廣泛?！吨悄苤圃旄耪摗废聢D所示為用光纖位移傳感器來檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖中1為固定支架，2是電機(jī)調(diào)速電源，3為電動機(jī)，4是傳感器光纖，5為光纖的光源，6是光纖傳感器的光電轉(zhuǎn)換裝置模塊?！吨悄苤圃旄耪摗?2.4.5激光速度傳感器激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。其光路系統(tǒng)如下圖所示，圖中1是激光源，2為發(fā)射透鏡，3為接收透鏡，4為光敏元件。2

34115

m30

m65

m《智能制造概論》2.5溫度傳感器2.5.1溫度測量概述溫度是很多工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的工藝參之一，如化工產(chǎn)品、輕工產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品冶金產(chǎn)品等，溫度檢測主要是為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各個工藝環(huán)節(jié)的正常溫度，進(jìn)而確保產(chǎn)品品質(zhì)并實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制。用于溫度檢測的傳感器有許多，傳統(tǒng)的有電阻式、熱電式、集成式等，現(xiàn)代的有紅外式、半導(dǎo)體式等；從輸出信號分有模擬式和數(shù)字式兩大類。《智能制造概論》2.5.2熱電阻與熱敏電阻熱電阻和熱敏電阻是目前使用最廣泛的溫度檢測與控制用傳感器，也是比較傳統(tǒng)的溫度傳感器。熱電阻主要用于產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度檢測，熱敏電阻則主要用于生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵部件及電子電路中的關(guān)鍵器件的溫度控制。《智能制造概論》1.熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的溫度基準(zhǔn)儀。鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2)

0-650℃；Rt=R0[(1+At+Bt2+C(t-100)t3]

-200-0℃

(2-18)式中，Rt為溫度為t時的電阻值；R0為溫度為0℃時的電阻值；A、B、C均為常數(shù)?！吨悄苤圃旄耪摗?.熱敏電阻熱敏電阻是一種利用半導(dǎo)體制成的敏感元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系可以用下式表示(2-19)熱敏電阻的熱電特性曲線如下圖所示。T

0B

(

1

1

)T

T0R

R

e《智能制造概論》2.5.3熱電偶傳感器由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。AeAB(t)BeA(t,t0)eB(t,t0)圖1熱電偶回路圖2熱電偶溫度變送器實物《智能制造概論》2.5.4紅外輻射式溫度傳感器對于不適合接觸式測量的高溫和超高溫場合，需要用到非接觸式測溫方式，紅外輻射是自然界所有物體都具有的普遍特性，紅外輻射式溫度傳感器是已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的一種非接觸式測溫方法。紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。各種不同的電磁波按照波長

(或頻率)排成如圖所示的波譜圖，稱為電磁波譜。名稱聲波無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線波長

104

Km

10

Km

1

Km 1

m 1cm

1mm 1

μm

1

nm 0.1nm頻率

3×10-1

3×102

3×105

3×108

3×1010

3×1011

3×1014

3×1017

3×1018

3×1021《智能制造概論》能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。紅外輻射測溫計示意圖《智能制造概論》2.6智能傳感器2.6.1智能傳感器簡介智能傳感器（

Intelligent

sensor或Smart

sensor）自1970年代初出現(xiàn)以來，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。所謂智能傳感器，就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。即智能傳感器就是將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)?！吨悄苤圃旄耪摗分悄軅鞲衅飨到y(tǒng)一般構(gòu)成框圖如下圖所示。其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計算機(jī)，可以是單片機(jī)、單板機(jī)，也可以是微型計算機(jī)系統(tǒng)。智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖《智能制造概論》以智能溫度傳感器為例，它可以將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號，并用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。如下圖所示，前端敏感元件是熱電偶或熱電阻，信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成，同時增加顯示單元和現(xiàn)場總線功能。智能溫度傳感器原理框圖《智能制造概論》2.6.2智能傳感器的分類智能傳感器按其結(jié)構(gòu)分為模塊式智能傳感器、混合式智能傳感器和集成式智能傳感器三種。①模塊式智能傳感器這種智能傳感器是由微型計算機(jī)、信號處理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器組成?！吨悄苤圃旄耪摗发诨旌鲜街悄軅鞲衅魉鼘鞲衅?、微處理器和信號處理電路等各個部分以不同的組合方式集成在幾個芯片上，然后裝配在同一殼體內(nèi)。ST3000系列傳感器就是最典型的混合式智能傳感器。ST3000系列傳感器原理結(jié)構(gòu)《智能制造概論》③集成式智能傳感器它將一個或多個敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一芯片上。它的結(jié)構(gòu)一般是三維器件，即立體器件。下圖所示為三維多功能單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)。維多功能單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)《智能制造概論》2.6.3智能傳感器的功能與特點智能傳感器的功能：具有自校準(zhǔn)功能具有自補償功能具有自診斷功能具有數(shù)據(jù)處理功能具有雙向通信功能具有信息存儲和記憶功能具有數(shù)字信號輸出功能《智能制造概論》智能傳感器的特點：利用微處理器不僅能提高傳感器的線性度，而且能夠?qū)Ω鞣N特性進(jìn)行補償。測量可靠性高。測量精度高。靈敏度高，可進(jìn)行微小信號的測量。具有數(shù)字通信接口，能與微型計算機(jī)直接連接，相互交換信息。能進(jìn)行多種參數(shù)，多功能測量。超小型化，微型化，微功耗?！吨悄苤圃旄耪摗废聢D所示的是一種智能應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖。智能應(yīng)力傳感器用于測量飛機(jī)機(jī)翼上各個關(guān)鍵部位的應(yīng)力大小，并判斷機(jī)翼的工作狀態(tài)是否正常以及故障情況。智能應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖《智能制造概論》2.6智能傳感器通用的智能傳感器具有測量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤監(jiān)控及通過串口與計算機(jī)通信的功能，其軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示。智能傳感器的軟件結(jié)構(gòu)圖《智能制造概論》【思考與練習(xí)題】1請闡述傳感器的組成，并以圖1所示的測溫槍為例來說明。題1圖2請闡述傳感器的技術(shù)指標(biāo)，請下載測溫槍的說明書，說明其中3個技術(shù)指標(biāo)含義。3力傳感器的應(yīng)用場合有哪些？4應(yīng)變式、壓阻式、壓電式和電容式力傳感器的工作原理分別是什么？5位移傳感器在機(jī)床加工中的作用是什么？請說出幾種常見的機(jī)床加工位移測量傳感器?！吨悄苤圃旄耪摗贰舅伎寂c練習(xí)題】6旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度測量方式有哪幾種？7測量電動機(jī)的溫度一般用那種傳感器？請說明原因。8電感傳感器用于振動測量有何優(yōu)越性？9應(yīng)用超聲波傳感器探測工件時，在探頭與工件接觸處要有一層耦合劑，請問這是為什么?10請用圖來表示模塊式智能傳感器的構(gòu)成原理。11請問圖所示的3種溫度傳感器選擇合適的產(chǎn)品組成智能溫度傳感器。題11圖第3章智能控制技術(shù)《智能制造概論》本章要點PLC控制技術(shù)基于PLC的模糊控制電動機(jī)的變頻控制4伺服電動機(jī)及其控制5

電動機(jī)參數(shù)的智能辨識《智能制造概論》3.1

PLC控制技術(shù)3.1.1概述隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應(yīng)用，順序控制器開始采用類似微型計算機(jī)的通用結(jié)構(gòu)，把程序存儲于存儲器中，用軟件實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯運算、延時等過去用繼電器完成的功能，形成了可編程序邏輯控制器P

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Controller）?，F(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成了除了可用于順序控制，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運算、通信聯(lián)網(wǎng)等能力的多功能控制器?！吨悄苤圃旄耪摗?.1

PLC控制技術(shù)下圖是PLC應(yīng)用于邏輯控制的案例。輸入信號由按扭開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點等提供各種開關(guān)信號，并通過接口進(jìn)入PLC，經(jīng)PLC處理后產(chǎn)生控制信號，通過輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動機(jī)等輸出裝置?！吨悄苤圃旄耪摗稴7-1200

PLC外觀S7-1500

PLC外觀《智能制造概論》3.1.2

PLC的組成原理PLC實際上是一個專用計算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)組成與通用微機(jī)基本相同（如圖所示），主要包括：CPU、存儲器、接口模塊、外部設(shè)備、編程器等。《智能制造概論》1.CPU模塊與通用微機(jī)CPU一樣，它按PLC的系統(tǒng)程序的要求，接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；用掃描的方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)寄存器中；診斷電源、內(nèi)部電路的故障和編程過程中的語法錯誤等。《智能制造概論》PLC的運行方式是采取掃描工作機(jī)制，這是和微處理器的本質(zhì)區(qū)別。PLC的掃描工作機(jī)制《智能制造概論》內(nèi)存模塊內(nèi)存模塊分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。

3.輸入、輸出和特殊功能模塊這些模塊統(tǒng)稱為接口模塊，它們是CPU與現(xiàn)場I/O裝置和其他外部設(shè)備之間的連接部件。數(shù)字量I/O模塊：完成數(shù)字量信號的輸入/輸出，一般替代繼電器邏輯控制。模擬量I/O模塊：完成對電流、電壓、溫度、壓力、流量、位移和速度等模擬量進(jìn)行信號采集和輸入給CPU進(jìn)行判斷和控制。專用和智能接口模塊：同上位機(jī)通信、控制CRT和其他顯示器、連接各種傳感器和其他驅(qū)動裝置等工作?！吨悄苤圃旄耪摗肪幊唐鳛橛脩籼峁┏绦虻木幹?、編輯、調(diào)試和監(jiān)控的專用工具，還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。外部設(shè)備一般PLC都可以配置打印機(jī)、EEPROM寫入器（或CF、SD卡）、高分辨率大屏幕顯示器等外圍設(shè)備?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.3

IEC

61131標(biāo)準(zhǔn)的基本情況目前，傳統(tǒng)的PLC公司如西門子、三菱、Rockwell、

MOELLER、松下、LG、匯川、信捷、和利時等公司編程系統(tǒng)的開發(fā)均是以IEC

61131-3為基礎(chǔ)或與IEC

61131-3一致。盡管這些編程工具距離標(biāo)準(zhǔn)的IEC

61131-3語言還有一定距離，但這些公司的編程系統(tǒng)會逐漸或終將與IEC

61131-3編程語言一致，是毋庸質(zhì)疑的。IEC

61131是國際電工委員會(IEC)制定的PLC標(biāo)準(zhǔn)?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.4

IEC

61131-3的軟件模型1.軟件模型概述IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟件模型用分層結(jié)構(gòu)表示。每一層隱含其下層的許多特性，從而構(gòu)成優(yōu)于傳統(tǒng)PLC軟件的理論基礎(chǔ)?！吨悄苤圃旄耪摗稩EC61I31-3標(biāo)準(zhǔn)的軟件模型《智能制造概論》2.配置配置（Configuration）是語言元素或結(jié)構(gòu)元素，它位于軟件模型的最上層，是大型的語言元素。配置是PLC的整個軟件，它用于定義特定應(yīng)用的

PLC系統(tǒng)特性，是一個特定類型的控制系統(tǒng)，它包括硬件裝置、處理資源、I/O通道的存儲地址和系統(tǒng)能力?！吨悄苤圃旄耪摗奋浖Ｐ偷膱D形表示《智能制造概論》資源資源在一個“配置”中可以定義一個或多個“資源”。可把“資源”看作能執(zhí)行IEC程序的處理手段，它反映PLC的物理結(jié)構(gòu)，在程序和PLC的物理I/O通道之間提供了一個接口。任務(wù)任務(wù)（Task）位于軟件模型分層結(jié)構(gòu)的第三層，用于規(guī)定程序組織單元POU在運行期的特性。任務(wù)是一個執(zhí)行控制元素，它具有調(diào)用能力?！吨悄苤圃旄耪摗啡肿兞吭试S變量在不同的軟件元素內(nèi)被聲明，變量的范圍確定其在哪個程序組織單元中是可以用的。存取路徑存取路徑用于將全局變量、直接表示變量和功能塊的輸入、輸出和內(nèi)部變量聯(lián)系起來，實現(xiàn)信息的存取。IEC軟件模型是面向未來的開放系統(tǒng)IEC61131-3提出的軟件模型是整個標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)性的理論工具，幫助人們完整地理解除編程語言以外的全部內(nèi)容?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.5

IEC

61131-3的編程模型IEC61131-3的編程模型是用于描述庫元素如何產(chǎn)生衍生元素，下圖所示的編程模型也稱為功能模型，因為它描述了PLC系統(tǒng)所具有的功能?！吨悄苤圃旄耪摗?.信號處理功能信號處理功能由應(yīng)用程序寄存器功能、操作系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)寄存器功能、應(yīng)用程序執(zhí)行功能等組成。信號處理功能組別及示例《智能制造概論》傳感器與執(zhí)行器功能將來自機(jī)器或過程的輸入信號轉(zhuǎn)換為合適的信號電平，并將信號處理功能的輸出信號或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的電平信號，傳送到執(zhí)行器或顯示器。通信功能提供與其他系統(tǒng)，如其他可編程控制器系統(tǒng)、機(jī)器人控制器`計算機(jī)等裝置的通信，用于實現(xiàn)程序傳輸、數(shù)據(jù)文件傳輸、監(jiān)視、診斷等。人機(jī)界面功能它為操作員提供與信號處理、機(jī)器或過程之間信息相互作用的平臺，也稱為人機(jī)接口功能。《智能制造概論》編程、調(diào)試和測試功能它可作為可編程控制器的整體，也可作為可編程控制器的獨立部分來實現(xiàn)。電源功能提供可編程控制器系統(tǒng)所需電源，為設(shè)備同步起停提供控制信號，提供系統(tǒng)電源與主電源的隔離和轉(zhuǎn)換等?？筛鶕?jù)供電電壓、功率消耗及不間斷工作的要求等使用不同的電源供電?！吨悄苤圃旄耪摗?.2基于PLC的模糊控制3.2.1模糊控制基礎(chǔ)

1.模糊控制原理對于模糊控制的評價是模糊控制不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制在特定的條件下可以達(dá)到經(jīng)典控制論難以達(dá)到的“滿意控制”，而不是最佳控制。其二模糊理論確實有很多不完替之處。同時模糊控制不僅適用于小規(guī)模線性單變量系統(tǒng)，而且逐漸向大模、非線性復(fù)雜系統(tǒng)擴(kuò)展?！吨悄苤圃旄耪摗纺：刂圃诳刂祁I(lǐng)域中的地位和作用越來越重要，這點在圖中可以看出。模糊控制在控制領(lǐng)域中的地位與作用《智能制造概論》2.PLC模糊控制PLC模糊控制是一系列模糊控制技術(shù)的一種，其核心是利用模糊集合理論，把人的控制策略自然語言轉(zhuǎn)化為PLC的知識庫及程序，以便在PLC運行程序時，能模擬人的思維方式，對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行有效控制。模糊控制原理圖《智能制造概論》3.2.2

PLC模糊控制在水溫控制中的應(yīng)用

1.模糊控制算法洗澡水溫“暖和”問題隸屬度《智能制造概論》擰水龍頭角度問題《智能制造概論》常采用兩種處理方法：①選隸屬度大者輸出，如本例“水龍頭不動”隸屬度大。選它，其對應(yīng)的則是水龍頭相對轉(zhuǎn)角0°。②依隸屬度加權(quán)平均確定輸出，即水龍頭相對轉(zhuǎn)角:

0.75*0+0.25*1=0.25°由此可知，不管檢測到的溫度是多少，總可計算出與其對應(yīng)的水龍頭相對轉(zhuǎn)角。從模糊控制原理知，模糊控制算法的要點是:從輸入到模糊量的轉(zhuǎn)換，稱模糊化；建立控制規(guī)則，進(jìn)行模糊推理；從模糊量到輸出的轉(zhuǎn)換，稱解模糊?！吨悄苤圃旄耪摗纺：惴ㄝ斎肓磕：康氖前褭z測到的被控量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)隸屬度的模糊子集，即要對輸入量劃分模糊集。模糊推理算法模糊推理的任務(wù)是根據(jù)當(dāng)前輸入的不同隸屬度的模糊子集，遵循預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，推斷應(yīng)有的模糊控制輸出。這些也可通過運行PLC程序?qū)崿F(xiàn)。模糊推理的依據(jù)是規(guī)則。《智能制造概論》4.解模糊算法模糊推理的輸出仍是模糊量，是輸出模糊子集。要控制輸出，其算法步驟如下:①確定控制輸出的類型:有3種控制輸出:比例輸出，積分輸出及二者混合輸出。②確定解模糊方法:解模糊的方法有多種，常用的有最大隸屬度法，加權(quán)平均法?！吨悄苤圃旄耪摗?.3電動機(jī)的變頻控制3.3.1三相異步電動機(jī)概述在所有類型的交流電動機(jī)中，三相異步電動機(jī)在工業(yè)中是最常見的，這種電動機(jī)非常經(jīng)濟(jì)、耐用、可靠，其功率范圍可以從幾瓦一直到幾百兆瓦。三相異步電動機(jī)外觀《智能制造概論》按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式的不同，三相異步電動機(jī)可分為繞線型和籠型兩種。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組一樣，也是按一定規(guī)律分布的三相對稱繞組，可以聯(lián)結(jié)成Y形或△形。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組《智能制造概論》籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組則與定子繞組大不相同，它是一個自行短路的繞組。在轉(zhuǎn)子的每個槽里放置一根導(dǎo)體，每根導(dǎo)體都比轉(zhuǎn)子鐵心長，在鐵心的兩端用兩個端環(huán)把所有的導(dǎo)條都短路起來，形成一個短路的繞組。a)銅條繞組b)鑄鋁繞組籠型轉(zhuǎn)子《智能制造概論》3.3.2三相異步電動機(jī)的電磁感應(yīng)當(dāng)三相異步電動機(jī)的定子繞組接到對稱三相電源時，定子繞組中就通過對稱三相交流電流，三相交流電流將在氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布、并以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的磁動勢建立的主磁場。電磁場示意圖《智能制造概論》勵磁磁動勢產(chǎn)生的磁通絕大部分同時與定轉(zhuǎn)子繞組交鏈，稱為主磁通。主磁通參與能量轉(zhuǎn)換，在電動機(jī)中產(chǎn)生有用的電磁轉(zhuǎn)矩。主磁通的磁路由定轉(zhuǎn)子鐵心和氣隙組成，它受飽和的影響，為非線性磁路。下圖所示為異步電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電路。為了方便分析定子、轉(zhuǎn)子的各個物理量，其下標(biāo)為“1”者是定子側(cè)，“2”者為轉(zhuǎn)子側(cè)?！吨悄苤圃旄耪摗?.3.3三相異步電動機(jī)的等效電路異步電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間沒有電路上的聯(lián)系，只有磁路上的聯(lián)系，不便于實際工作的計算，為了能將轉(zhuǎn)子電路與定子電路作直接的電的連接，要進(jìn)行電路等效，等效要在不改變定子繞組的物理量（定子的電動勢、電流、及功率因數(shù)等），而且轉(zhuǎn)子對定子的影響不變的原則下進(jìn)行，即將轉(zhuǎn)子電路折算到定子側(cè)，同時要保持折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢不變，以保證磁動勢平衡不變和折算前后各功率不變。《智能制造概論》《智能制造概論》三相異步電動機(jī)的T型等效電路《智能制造概論》3.3.4三相異步電動機(jī)的變頻控制交流變頻調(diào)速技術(shù)是目前三相異步電動機(jī)最成熟、最先進(jìn)的調(diào)速方式。變頻器既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率轉(zhuǎn)換和弱電控制兩大部分?！吨悄苤圃旄耪摗吠ㄓ米冾l器的基本構(gòu)成造如圖所示。通用變頻器的基本構(gòu)造《智能制造概論》1.主回路的構(gòu)成通用變頻器的主回路主要有以下幾個部分：整流部分：通常又被稱為電網(wǎng)側(cè)變流部分，是把三相或單相交流電整流成直流電。直流環(huán)節(jié)：緩沖中間直流部分與電動機(jī)之間總會有無功功率的交換。逆變部分：通常又被稱為負(fù)載側(cè)變流部分，它通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)逆變元件的規(guī)律性關(guān)斷和導(dǎo)通，從而得到任意頻率的三相交流電輸出?！吨悄苤圃旄耪摗烦Ｒ姷哪孀儾糠质怯闪鶄€半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。其半導(dǎo)體器件一般采用IGBT來作用，如圖所示。(4)制動或回饋環(huán)節(jié)：將能量以熱能形式釋放或者通過回饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換到交流電網(wǎng)中去。《智能制造概論》2.控制回路控制回路包括變頻器的核心軟件算法電路、檢測傳感電路、控制信號的輸入輸出電路、驅(qū)動電路和保護(hù)電路組成。通用百年品奇包括以下部分：①開關(guān)電源；②DSP（數(shù)字信號處理器）；③輸入輸出端子；④SCI口；⑤操作面板部分?！吨悄苤圃旄耪摗吠ㄓ米冾l器控制回路如圖所示。通用變頻器控制回路圖《智能制造概論》3.恒壓頻比控制下的機(jī)械特性通用變頻器一般采用恒壓頻比控制，由變頻器帶動異步電動機(jī)帶載穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)矩輸出為：（3-4）此式表明，對于同一負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速nA在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TlA下運行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（U1/ω1=恒值）最容易實現(xiàn)的。

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1

《智能制造概論》它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能滿足一般的調(diào)速要求，但是低速帶載能力還較差，需對定子壓降實行補償。如圖所示，其中虛線為補償定子壓降后的機(jī)械特性。《智能制造概論》為了近似地保持氣隙磁通不便，以便充分利用電動機(jī)鐵心，發(fā)揮電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，如圖3-24所示，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實行恒壓頻比控制時，同步轉(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化。變頻器的轉(zhuǎn)矩/速度、電壓/速度特性《智能制造概論》3.4伺服電動機(jī)及其控制3.4.1伺服控制系統(tǒng)組成原理伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服控制系統(tǒng)組成原理圖《智能制造概論》從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)?？刂破魍ǔＪ荘LC、計算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作。被控對象包括機(jī)械參數(shù)量包括位移、速度、加速度、力、力矩等。檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路?！吨悄苤圃旄耪摗?.4.2伺服電動機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)交流伺服電動機(jī)一般是指永磁同步型電動機(jī)，它主要由定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置的傳感器構(gòu)成，定子和一般的三相感應(yīng)電動機(jī)類似，采用三相對稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差120度；轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極；位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。《智能制造概論》永磁同步型交流伺服電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)《智能制造概論》伺服電動機(jī)的通用結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中，伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)通常會采用如下圖所示的方式，它包括電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、軸承、編碼器、編碼器連接線、伺服電動機(jī)連接線等。《智能制造概論》3.4.3伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與控制模式

1.伺服驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)《智能制造概論》伺服驅(qū)動器又稱功率放大器，其作用就是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成幅度和頻率均可變的交流電源提供給伺服電動機(jī)。其主電路包括整流電路、充電保護(hù)電路、濾波電路、再生制動電路（能耗制動電路）、逆變電路和動態(tài)制動電路，可見比變頻器的主電路增加了動態(tài)制動電路，即在逆變電路基極斷路時，在伺服電動機(jī)和端子間加上適當(dāng)?shù)碾娮杵鬟M(jìn)行制動。《智能制造概論》2.伺服驅(qū)動器的控制模式交流伺服驅(qū)動器中一般都包含有位置回路、速度回路和轉(zhuǎn)矩回路，但使用時可將驅(qū)動器、電動機(jī)和運動控制器結(jié)合起來組合成不同的工作模式，以滿足不同的應(yīng)用要求。伺服驅(qū)動器主要有速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制等三種模式?！吨悄苤圃旄耪摗?）速度控制模式下圖所示的伺服驅(qū)動器的速度控制采取跟變頻調(diào)速一致的方式進(jìn)行，即通過控制輸出電源的頻率來對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。速度控制模式《智能制造概論》2）轉(zhuǎn)矩控制模式下圖所示的伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)矩控制模式是通過外部模擬量輸入來控制伺服電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制模式《智能制造概論》3）位置控制模式下圖所示的驅(qū)動器位置控制模式可以接受PLC或定位模塊等運動控制器送來的位置指令信號。位置控制模式《智能制造概論》3.5電動機(jī)參數(shù)的智能辨識3.5.1概述電動機(jī)定子電阻變化的補償對于磁鏈（ΨS或Ψr）、轉(zhuǎn)矩Te、轉(zhuǎn)速（ωr）和頻率（ωe）的正確估計有著重要的意義，特別是在低速情況下。由于定子電阻的變化量主要是定子繞組溫度的函數(shù)，所以補償時需要TS的信息，TS的平均值雖然可以通過在定子的幾個地方安裝的熱敏電阻傳感器來確定，但現(xiàn)實中大部分電動機(jī)是無法安裝熱敏電阻的，因此需通過模糊規(guī)則來進(jìn)行進(jìn)行電動機(jī)定子參數(shù)辨識。《智能制造概論》3.5.2基于模糊規(guī)則的電動機(jī)定子參數(shù)辨識以數(shù)控銑床的主軸電動機(jī)3.7KW為例，并在該電動機(jī)定子上安裝五個用于測試定子溫度的熱敏電阻。記錄電動機(jī)穩(wěn)

Ts態(tài)時定子溫度上升量（

Tss

TA

，其中TA為環(huán)境溫度）。《智能制造概論》a)定子電流IS(pu)b)頻率ωe(pu)

c)穩(wěn)態(tài)溫升ΔTSS(pu)模糊估計器的隸屬函數(shù)《智能制造概論》用于ΔTSS(pu)估計的規(guī)則庫表《智能制造概論》定子電阻的模糊估計框圖下圖給出了完整的定子電阻估計框圖，它包括一個熱時間常數(shù)曲線和熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)?！吨悄苤圃旄耪摗穉)定子溫度估計器性能

b)電阻估計器性能定子電流動態(tài)變化、轉(zhuǎn)速恒定時定子溫度估計器的性能及電阻估計器性能熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)用于形成下圖所示的實驗曲線、TS的校正和電動機(jī)熱時間常數(shù)τ的估計?！吨悄苤圃旄耪摗贰舅伎寂c練習(xí)題】1請闡述PLC的IEC組織定義，根據(jù)定義來說明其應(yīng)用功能。2

IEC61131-3中對于編程語言的規(guī)范是什么？3請舉例說明目前主流PLC都支持IEC61131-3中的哪些規(guī)范。4

PLC對于智能制造的意義有哪些？5模糊控制中PLC的作用是什么？請舉例說明洗衣機(jī)模糊控制的工作原理。6請用流程圖來說明水溫模糊控制的過程。7三相電動機(jī)的變頻控制優(yōu)點是什么？8如何實現(xiàn)機(jī)床主軸的速度控制、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位控制？9電動機(jī)自身有哪些參數(shù)需要進(jìn)行辨識？10電動機(jī)的變頻與伺服控制如何做到智能化？請舉例說明。11變頻器和伺服驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？為什么會有這種區(qū)別？第4章

智能加工技術(shù)《智能制造概論》本章要點數(shù)控機(jī)床與CAM技術(shù)3D打印技術(shù)復(fù)合加工技術(shù)4工業(yè)機(jī)器人技術(shù)5

機(jī)器人沖壓上下料解決方案《智能制造概論》4.1數(shù)控機(jī)床與CAM技術(shù)4.1.1數(shù)控機(jī)床的組成智能制造（Intelligent

Manufacturing，簡稱

IM）是以智能技術(shù)為代表的先進(jìn)制造，包括以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和自動化為特征的先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，涉及制造過程中的設(shè)計、工藝、裝備（結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、控制、軟件、集成）和管理。數(shù)控機(jī)床加工與普通機(jī)床加工的過程《智能制造概論》1-數(shù)控機(jī)床外觀圖1所示的數(shù)控機(jī)床由數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體兩大部分組成，而數(shù)控系統(tǒng)又由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、輔助控制裝置等部分組成，圖2所示為數(shù)控機(jī)床的組成示意圖。2-數(shù)控機(jī)床的組成《智能制造概論》輸入/輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備的作用是輸入程序、顯示命令與圖形、打印數(shù)據(jù)等。數(shù)控裝置數(shù)控一般是采用通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)實現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱為計算機(jī)數(shù)控(Computerized

Numerical

Control)，簡稱CNC。伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)包括伺服單元、驅(qū)動裝置、測量反饋裝置等。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)分主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。《智能制造概論》輔助控制裝置數(shù)控機(jī)床除對各坐標(biāo)軸方向的進(jìn)給運動部件進(jìn)行速度和位置控制外，還要完成程序中的輔助功能所規(guī)定的動作，如主軸電機(jī)的啟停和變速、刀具的選擇和交換、冷卻泵的開關(guān)、工件的裝夾、分度工作臺的轉(zhuǎn)位等。機(jī)床本體機(jī)床本體即為數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分，主要包括主傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺等。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的傳動裝置簡單，而機(jī)床的剛度和傳動精度較高?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

1.按工藝用途分類金屬切削類：這類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床和加工中心等。金屬成型類：這類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控板料折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控沖床等。特種加工類：這類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床等?！吨悄苤圃旄耪摗?.按可控制軸數(shù)與聯(lián)動軸數(shù)分類可控制軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)最多可以控制的坐標(biāo)軸數(shù)目，聯(lián)動軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)按加工要求控制同時運動的坐標(biāo)軸數(shù)目。目前有2軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動、4軸聯(lián)動、

5軸聯(lián)動等。3軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床可以加工空間復(fù)雜曲面，4軸、5軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床可以加工更加復(fù)雜的零件?！吨悄苤圃旄耪摗?.按伺服系統(tǒng)的類型分類1）開環(huán)控制：開環(huán)控制伺服系統(tǒng)的特點是不帶反饋裝置，通常使用步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行元件。開環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖《智能制造概論》2）閉環(huán)控制：閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是在移動部件上直接裝有直線位移檢測裝置，將測得的實際位移值反饋到輸入端，與輸入信號作比較，用比較后的差值進(jìn)行補償，實現(xiàn)移動部件的精確定位。閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖《智能制造概論》3）半閉環(huán)控制:半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是在伺服系統(tǒng)中裝有角位移檢測裝置（如感應(yīng)同步器或光電編碼器），通過檢測角位移間接檢測移動部件的直線位移，然后將角位移反饋到數(shù)控裝置。半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖《智能制造概論》4.1.3數(shù)控系統(tǒng)的主要功能插補功能:就是在工件輪廓的起始點和終點坐標(biāo)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)密化”，求取中間點的過程。 進(jìn)給功能: