材料加工自動化考試與課件

考試：材料加工自動化

題量：10題，時長30分鐘，總分100分，60分及格

姓名：圣誕的蘋果蛋糕改了好幾次，不知道你會不會喜歡

1【單選】下列不屬于PLC三大流派的是（）

?CA.美國

?°B.韓國

?rC.法國

?CD.日本

【參考答案】B

2【判斷】自動化專機(jī)焊接比機(jī)器人焊接可靠性要高（）

?°A.正確

?CB.錯誤

【參考答案】B

3【多選】下列屬于常用編程語言的是（）

?17A.梯形圖

?17B.語句表

?17C.邏輯方程式

?8D.布爾代數(shù)式

【參考答案】A.B.C.D

4【多選】按照受控運動方式機(jī)器人可分為（）

?17A.點焊、搬運機(jī)器人

?廠B.水下機(jī)器人

?17C.弧焊、噴漆機(jī)器人

?廠D.農(nóng)業(yè)機(jī)器人

【參考答案】A,C

5【判斷】傳感器的靜態(tài)特性取決于傳感器本身的性能和輸入信號的形式（）

?CA.正確

?⑤B.錯誤

【參考答案】B

6【單選】下列屬于機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的是（）

?CA.機(jī)械手總成

?CB.控制器

?rC.示教系統(tǒng)

?⑥D(zhuǎn).以上都是

【參考答案】D

7【單選】傳感器按被測物理量分類不包括（）

?CA.位移傳感器

?CB.力學(xué)傳感器

?0C.機(jī)械式傳感器

?CD.溫度傳感器

【參考答案】C

8【多選】變頻器的常用控制有（）

?曠A.U/f控制

?17B.矢量控制

?廠C.間接控制

?PD彳新量控制

【參考答案】A.B

9【判斷】基本指令是直接對輸入輸出進(jìn)行簡單操作的指令（）

?8A.正確

?CB.錯誤

【參考答案】A

10【判斷】PWM調(diào)制是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓調(diào)制成

電壓可變、頻率可變的電壓脈沖列（）

?°A.正確

?CB.錯誤

【參考答案】A

材料加工自動化

一、緒論

傳統(tǒng)制造技術(shù)分為機(jī)械加工技術(shù)（冷加工）和熱加工技術(shù)，熱加工技術(shù)又分為鑄造技

術(shù)、鍛壓技術(shù)、焊接技術(shù)和熱處理技術(shù)。

焊接是材料加工、材料成型的一種方法；是制造技術(shù)的重要組成部分。

以前焊接屬于毛坯件的生產(chǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的焊接從毛坯件的生產(chǎn)發(fā)展

成為最終產(chǎn)品的制造技術(shù)，座椅也可以把焊接加工擴(kuò)展成為焊接制造。

焊接技術(shù)也是先進(jìn)領(lǐng)域的重要組成部分，任何一個工件加工出來都需要焊接，現(xiàn)在的

工件加工需要鑄造、鍛壓和焊接三種技術(shù)聯(lián)合起來使用。

（一）加工（焊接）自動化

加工自動化是指加工、生產(chǎn)過程的自動化。

1.為什么要采用加工自動化

產(chǎn)品使用性能與生產(chǎn)要求：產(chǎn)品性能要求的提高、產(chǎn)品精度要求的提高、產(chǎn)品生產(chǎn)效

率的提高、產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求、產(chǎn)品高科技附加值的提高……焊接的最終要求是高質(zhì)量

高效率。

性能要求：力學(xué)性能、強(qiáng)度性能，提高質(zhì)量

精度要求：焊接時會產(chǎn)生熱脹冷縮的變形，從而會影響其加工精度?？刂萍庸さ木?/p>

就是控制焊接成型的精度。

2.如何實現(xiàn)焊接加工自動化

（1）用機(jī)械一電氣裝置代替人工操作

（2）用電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)代替人的思維

（3）科技發(fā)展：新材料的發(fā)展與應(yīng)用，微電子技術(shù)、信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，智能

控制自動化技術(shù)，新型電源及控制技術(shù)……焊接自動化

機(jī)器人電弧焊

自動立焊

快速鋁制列車雙搶縱列多絲熔化極惰性氣體保護(hù)焊接

管道直縫焊接

管道環(huán)縫全位置自動焊接

表面堆焊

等離子/TIG焊接數(shù)控系統(tǒng)

管與管的鏈接自動焊

窄間隙自動焊

平直焊縫自動焊

箱形梁自動焊接系統(tǒng)

工資梁自動焊接系統(tǒng)

說I

光電控制自動切割系統(tǒng)

數(shù)控切割系統(tǒng)

不銹鋼焊管焊接生產(chǎn)線

焊接自動化是指焊接加工、焊接生產(chǎn)過程的自動化，就是采用具有自動控制，能自動

調(diào)節(jié)、檢測的焊接加工機(jī)械裝置，按規(guī)定的程序或指令自動進(jìn)行焊接加工，其目的在于提

高焊接效率、保證焊接質(zhì)量、降低焊接成本和勞動強(qiáng)度、改善焊接環(huán)境、保障焊接生產(chǎn)安

全等。

（二）焊接自動化系統(tǒng)

加工自動化：采用機(jī)械裝置代替人自動完成材料的加工。

加工自動化系統(tǒng)：完成加工的系統(tǒng)裝置。

簡單的自動焊接系統(tǒng)

直線焊接系統(tǒng)

焊接自動化系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元：機(jī)械裝置、執(zhí)行裝置、能源、傳感器、控制器和自

動焊機(jī)。機(jī)械裝置能夠?qū)崿F(xiàn)某種運動的機(jī)構(gòu)，配合自動焊機(jī)進(jìn)行焊接加工，如：機(jī)器人、

變位機(jī)、懸憎操作機(jī)等。

焊接變位機(jī)與滾輪架

操作機(jī)

自動焊機(jī)比人工焊機(jī)的要求高，本身可以構(gòu)成獨立系統(tǒng)。

（三）焊接自動化的相關(guān)技術(shù)

焊接自動化的技術(shù)包括：機(jī)械技術(shù)、傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、自動控制技術(shù)、系統(tǒng)

技術(shù)、焊接技術(shù)。

自動化與人的相關(guān)關(guān)系，控制器相當(dāng)于人的大腦，傳感器相當(dāng)于人的大腦和皮膚，機(jī)

械裝置相當(dāng)于人的骨骼，能源相當(dāng)于人的內(nèi)臟，執(zhí)行裝置相當(dāng)于人的手和腳。

1.機(jī)械技術(shù)

根據(jù)焊接工件結(jié)構(gòu)特點、焊接工藝過程的要求，應(yīng)用經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝，借助于

計算機(jī)輔助技術(shù)，設(shè)計并制造出先進(jìn)、合理的焊接機(jī)械裝置.，實現(xiàn)自動焊接過程中的機(jī)構(gòu)

運動。它具有以下作用：

（1）使焊接工件裝配快速、定位準(zhǔn)確。

（2）能夠控制或消除工件的焊接變形。

（3）使焊件盡量處于最有利的施焊位置一一水平及船形位置焊接。

（4）可以完成組合焊縫的焊接，減少焊接工位。

（5）使焊槍運動，或者焊接工件運動，或者焊槍與工件同時協(xié)調(diào)運動，完成不同焊

接位置、不同形狀焊縫的自動焊接。

2.傳感技術(shù)

傳感技術(shù)就是應(yīng)用傳感器以及信號檢測與分析技術(shù)，快速、精確地反映焊接過程特征

信息。焊接自動化中的傳感器有許多種，有關(guān)機(jī)械運動量的傳感器主要有位置、位移、速

度、角度等傳感器。

3.伺服傳動技術(shù)

伺服傳動技術(shù)目前主要是指對于作為執(zhí)行裝置的電動機(jī)的捽制技術(shù)：起作用就是使電

動機(jī)按照要求保證焊接機(jī)械以足夠的精度和速度實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、直線以及其它各種復(fù)雜運動，

完成工件的焊接。

4.自動控制技術(shù)

在經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下，根據(jù)焊接工藝和質(zhì)量的要求，選擇合理的控制方法和

控制規(guī)則對執(zhí)行裝置、焊接過程進(jìn)行控制。敢接自動化中，機(jī)械裝置運動的常見控制：

（1）順序控制。通過開關(guān)或繼電器觸點的接通和斷開來控制執(zhí)行裝置的啟動或停

止，從而對系統(tǒng)依次進(jìn)行控制的方式。

（2）反饋控制。被控制量為位移、速度等連續(xù)變化的物理量，在控制過程中不斷調(diào)

整被控制量使達(dá)到設(shè)定值的控制方式。

（四）焊接自動化的發(fā)展趨勢

高精度、高速度、高質(zhì)量、高可靠性。

模塊化和集成化：做出若干個模型集成起來，構(gòu)成自動化過程，模塊化也使得產(chǎn)品的

可靠性大大提高。

智能化：具有決策能力和判斷能力。

柔性化：需要適合更多的產(chǎn)品焊接。

網(wǎng)絡(luò)化和信息化。

焊接自動化是把相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成和創(chuàng)新，用在焊接上。

材料加工自動化

二、控制技術(shù)基礎(chǔ)

（一）自動控制基本概念

1.控制

以下是焊接工作轉(zhuǎn)臺示意圖,通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓高低控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的快慢

電壓脈沖控制焊接的熔滴頻率

控制的概念：為了達(dá)到某種目的，對事物進(jìn)行主動的干預(yù)、管理或操作。

2.工業(yè)控制

工業(yè)上控制的概念：利用控制裝置（機(jī)械裝置、電氣裝置或計算機(jī)系統(tǒng)等），使生產(chǎn)

過程或被控對象（機(jī)器過地方電氣設(shè)備等）的某些物理（溫度、壓力、速度、位移等）按

照特定的規(guī)律運行。

控制系統(tǒng)：為了實現(xiàn)某種控制要求，將相互關(guān)聯(lián)的部分按一定的結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成系統(tǒng)，

成為控制系統(tǒng)。

3.焊接自動化應(yīng)用視頻

不銹鋼浮球?qū)幼詣雍?/p>

電動機(jī)定子自動焊接

不銹鋼空心把手自動焊接

螺旋線焊縫自動焊接

多工位自動焊接

圓管衣架六工位自動焊

起重臂機(jī)器人焊接

材料加工自動化

二、控制技術(shù)基礎(chǔ)

（一）自動控制基本概念

4.方框圖

（1）方框圖概念

方框圖又稱方塊圖；它是由方框和箭頭燈組成。箭頭表示輸入和輸出，并且在箭頭表

明相應(yīng)的信號。如下控制轉(zhuǎn)臺方框圖：

交流電壓轉(zhuǎn)速

方塊圖相當(dāng)于把物理模型抽象成輸入與輸出關(guān)系的模型圖。

（2）方塊圖中的求和點和分支點

A為求和點；B為分支點。求賀電（又稱想加點或比較點）：信號在此點相加減；分

支點（又稱分路店）：信號在此點引出。

注意：引出點指標(biāo)是信號的引出，而不改變信號的大小。

5.自動控制及自動控制系統(tǒng)

（1）焊接轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)

控制分為：人工控制和自動控制。

焊接分為：人工焊接、半自動焊接、自動焊接。

電動機(jī)MiiS

1）焊接轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速人工控制

動態(tài)控制過程：觀測焊接轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速（被控制量），與要求的速度（給定值）進(jìn)行比

較得到速度偏差的大小和方向。其實質(zhì)是檢測偏差再糾正偏差。

2）焊接轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速自動控制

動態(tài)控制過程：轉(zhuǎn)臺實際轉(zhuǎn)速由傳感器及信號處理器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓U2。轉(zhuǎn)臺期望

轉(zhuǎn)速由電壓U1給定與實際轉(zhuǎn)速U2比較，得到轉(zhuǎn)速偏差信號AU=UI-U2。其實質(zhì)是檢測偏

差、糾正偏差。

焊接轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)方塊圖：

皮曙信號U2____

-------------------------1轉(zhuǎn)信號效理k------1眄邃傳感-卜-------

（2）人工控制與自動控制對比

控制過程相同：測量、比較、調(diào)整三個環(huán)節(jié)組成。其中：測量是檢測輸出（被控）

量；比較是根據(jù)輸出值和給定值求出偏差；調(diào)整是執(zhí)行控制或者說糾正偏差。

不同：前者考操作者的眼睛，而后者靠熱傳感器；前者考操作者的頭腦，而后者靠自

動控制電；前者考操作者的手，幣后者靠電腦等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

（3）自動控制

自動控制概念：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或

控制器）、使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自

動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。

輸入量一控制裝置f控制對象一輸出量

控制裝置是指對控制對象起作用的裝置總體；控制對象是指實現(xiàn)自動控制的機(jī)器、設(shè)

備或生產(chǎn)過程。

自動控制系統(tǒng)：控制裝置與控制對象的總和

交流電壓一整流器一直流電機(jī)一轉(zhuǎn)臺一轉(zhuǎn)速

自動控制的過程：側(cè)片與糾偏的過程

產(chǎn)生偏差的原因是有干擾，干擾分為內(nèi)擾（系統(tǒng)內(nèi)部由于某種原因產(chǎn)生的擾動）和外

擾

（4）反饋控制

測偏于糾偏？一反饋控制

反饋：通過測量元件及反饋通道將輸出量的一部分或全部返回到輸入端。

反饋控制原理：利用反饋將輸出量的一部分或全部返回到輸入端，并與輸入量相比

較，比較的結(jié)果稱為偏差，根據(jù)偏差的大小與方向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，最后使偏差減小或消

除，從而使輸出量按照預(yù)定的規(guī)律變化。

反饋控制的特點：存在反饋；根據(jù)偏差進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。

反饋控制系統(tǒng)基本構(gòu)成與標(biāo)準(zhǔn)方塊圖:

給定環(huán)節(jié)：目標(biāo)（給定）值

比較環(huán)節(jié)：輸入目標(biāo)（給定）值和反饋值，輸出偏差值

控制環(huán)節(jié)（控制器）包括調(diào)節(jié)部分和執(zhí)行部分

調(diào)節(jié)部分：根據(jù)偏差產(chǎn)生控制信號

執(zhí)行部分：根據(jù)控制信號產(chǎn)生控制量作用于控制對象

反饋環(huán)節(jié)：產(chǎn)生反饋量。

反饋信號與給定信號符號相反時，稱為負(fù)反饋，否則為正反饋。在自動控制系統(tǒng)中，

主反饋一定是負(fù)反饋。

反饋環(huán)節(jié)的核心是傳感器

控制（調(diào)節(jié)）器的核心是控制策略和控制規(guī)律，執(zhí)行部分常常采用電擊、機(jī)械、液壓

機(jī)構(gòu)。

6.自動控制系統(tǒng)的基本類型

（1）控制系統(tǒng)的分類

按輸入量特征分類：恒值控制、程序控制和隨動控制。

按傳遞信號分類：連續(xù)控制、離散（數(shù)字）控制。

按系統(tǒng)構(gòu)成分類：開環(huán)控制、閉環(huán)控制。

按信號傳遞方向分類：前饋控制、反饋控制。

（2）一些具體控制系統(tǒng)的介紹

恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值。控制任務(wù)是保證在任何作用下系統(tǒng)的輸出量為

怛值。如：怛溫箱控制、電網(wǎng)電壓、弧焊電源的怛流特性控制等。

程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先通知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控

制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如：數(shù)控加工系統(tǒng)。

材料加工自動化

二、控制技術(shù)基礎(chǔ)

（一）自動控制基本概念

6.自動控制系統(tǒng)的基本類型

（2）一些具體控制系統(tǒng)的介紹

隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅

速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變

化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、焊縫自動跟蹤系統(tǒng)等。

（3）其他自動控制系統(tǒng)

程序控制：按照預(yù)先確定的順序，或按照一定邏輯順序逐次對各階段進(jìn)行控制。

順序控制：使控制對象按照事先制定的操作順序運行。例如：多臺電機(jī)和、機(jī)械的順

序啟動，敏氣廣告。

條件（連鎖）控制：當(dāng)設(shè)定的條件成立時，是控制對象按特定的規(guī)則運行。例如：

TIG焊高頻引弧通斷控制。

時間控制：經(jīng)過約定的時間后，使控制對象開始下一個動作或者過程的運行。例如：

氣體保護(hù)焊機(jī)提前送氣、交通信號燈、洗衣機(jī)。

7.自動控制系統(tǒng)的基本特性

（1）穩(wěn)定性

系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用后，系統(tǒng)恢復(fù)原有平衡狀態(tài)的能力。

（2）穩(wěn)態(tài)精度

調(diào)節(jié)過程（暫態(tài)）結(jié)束后所處的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)精度常以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤

差是指檢態(tài)時系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差。

（3）動態(tài)品質(zhì)

反映系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程性能的優(yōu)劣。通常用調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)等動態(tài)響應(yīng)

指標(biāo)來衡量。

（4）魯棒性：指焊接系統(tǒng)的適應(yīng)性。

控制系統(tǒng)有很多性能，這些特性是根據(jù)需要選擇相應(yīng)的性能，不同系統(tǒng)進(jìn)行比較時，

根據(jù)控制的目的進(jìn)行比較。

（二）開環(huán)與閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)

開關(guān)控制系統(tǒng)方塊圖

（1）開環(huán)控制系統(tǒng)概念

控制系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間無反饋通道，即系統(tǒng)的輸出量不影響系統(tǒng)的控制作用

時，該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制：只有順向控制而無反饋控制的控制方式。

（2）開環(huán)控制特點

結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低。

系統(tǒng)不能自動補(bǔ)償擾動對系統(tǒng)輸出量的影響。

(3)開環(huán)控制系統(tǒng)的精度：

取決于系統(tǒng)校準(zhǔn)的精度加系統(tǒng)中元器件特性的穩(wěn)定程度。

2.閉環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)

(1)閉環(huán)控制系統(tǒng)的概念

控制系統(tǒng)的輸出與輸入間存在著反饋通道，即系統(tǒng)的輸出對控制作用有直接影響的系

統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制：反饋控制。

(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：

存在有反饋，抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高。系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。

(3)閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度：

系統(tǒng)校準(zhǔn)的精度和系統(tǒng)中元器件特性的穩(wěn)定程度：系統(tǒng)的反饋控制精度和系統(tǒng)內(nèi)

部參數(shù)的匹配。

(三)常用的控制方法和策略

1.焊接自動化中常用的控制方式

(1)位置控制：屬于點位控制方式；往往用于點到點的控制

例如：焊槍定位，工位轉(zhuǎn)換，焊接起始點或終點控制等等。

(2)位移控制：屬于連續(xù)軌跡控制方式；往往用于連續(xù)焊縫的自動控制

例如：直線焊接位移控制、環(huán)形焊縫焊接位移控制等。

(3)速度控制：焊槍或工件等運動速度控制；變速控制與等速控制。

(4)軌跡控制：主要用于復(fù)雜空間曲線焊縫的運動軌跡控制。

(5)程序控制以合理的次序和時間間隔使自動焊接系統(tǒng)中的弧焊電源、送絲機(jī)、操

作機(jī)、變位機(jī)等各個被控對象進(jìn)入特定的工作狀態(tài)。

2.常用控制策略

(1)傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略和智能控制策略。

(2)傳統(tǒng)控制策略：PID控制策略；串級控制策略等。

(3)現(xiàn)代控制策略：自適應(yīng)控制策略；變結(jié)構(gòu)控制策略等。

(4)智能控制策略：模糊控制策略；專家系統(tǒng)控制策略；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略等。

（5）復(fù)合控制策略：模糊PID控制策略；模糊變結(jié)構(gòu)控制策略等。

材料加工自動化

三、傳感技術(shù)

（一）傳感器概述

1.傳感器的概念

將被測量（如位移、速度、力、溫度等）轉(zhuǎn)換為與之；有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處

理和測量的某種物理量（如電量）的測量部件或裝置。

傳感器的構(gòu)成：被測量一敏感元件一轉(zhuǎn)換元件一基本轉(zhuǎn)換電路一電量。

敏感元件快速的反應(yīng)出被測量的變化，轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的信號轉(zhuǎn)換成電信號，基

本轉(zhuǎn)換電路對電信號進(jìn)行處理，使其達(dá)到能處理的電量。

2.傳感器的的特性

（1）傳感器的靜態(tài)特性

線性度：輸出一輸入特性為線性曲線的程度。

靈敏度：在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化對輸入變化的比值。

重生性：重復(fù)測量時，輸出一輸入曲線的一致程度。

分辨率：能檢測到的最小輸入增量。

精確度：測量結(jié)果與被測“真值”的接近程度。

穩(wěn)定性：長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。

零漂：零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化。

量程：傳感器的輸入、輸出保持線性關(guān)系的最大量限。

遲滯：傳感器在輸入量增加和減少的過程中，輸出一輸入特性曲線的不重合程度

稱為傳感器的遲滯。

（2）傳感器的動態(tài)特性

傳感器的動態(tài)特性取決于傳感器本身的性能和輸入信號的形式。

在傳感器的動態(tài)特性分析中常應(yīng)用正弦信號或階躍信號的動態(tài)響應(yīng)曲線。

動態(tài)特性參數(shù)：最大超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率

等。

3.傳感器的分類

（1）按被測物理量分類：位移傳感器、力學(xué)傳感器、溫度傳感器……

（2）按工作原理分類：機(jī)械式傳感器、光學(xué)傳感器、電氣傳感器……

（3）控制目的分類：焊縫自動跟蹤傳感器、焊接熔透控制傳感器、焊接位置控制傳

感器、焊接位移控制傳感器、焊接速度控制傳感器……

（二）位置傳感器及其應(yīng)用

1.位置傳感器

通過信息檢測來確定物體是否已達(dá)到某一位置的傳感器。

位置傳感器輸出量：一般為開關(guān)量。

位置傳感器：接觸式，接近式。

接觸式位置傳感器：通過物體接觸與否來獲取位置信息的傳感器。

接近式位置傳感器：通過檢測傳感器附近有無物體來獲取物體位置信息的傳感

器。

（1）接觸式位置傳感器

1）接觸式位置傳感器：限位開關(guān)（行程開關(guān)）、微動開關(guān)等。

2）檢測原理：當(dāng)移動的物體碰撞到開關(guān)的機(jī)械式執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械運

動，接通或切斷電信號，從而檢測出移動物體的位置.

且代詈立工應(yīng)￡

a）b）c）d）e）

a）撞針式；b）滾輪撞針式；c）滾輪擺桿式；d）較鏈杠桿式；e）滾輪較鏈杠

桿式

3）撞針式限位開關(guān)基本結(jié)構(gòu)

未收去

4）滾輪擺桿式限位開關(guān)基本結(jié)構(gòu)

（2）接近式位置傳感器

接近式：電磁式、電容式、光電式、超聲式。右圖的五個傳感器形式分別為：a）圓

柱型；b）扁平型；c）矩形；d）槽型；e）環(huán)型。

1）電磁式位置傳感器

①利用電磁感應(yīng)來確定物體位置的傳感器

②電磁式位置傳感器分為自感式、互感式和渦流式

渦流式傳感器工作原理：線圈中io-①。一導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流iif方向相反的磁場3-

①。的能量損失一改變線圈的電感量。

由于渦流與磁場的相互作用，線圈中的阻抗將發(fā)生變化。而且被測磁性物體與線圈的

距離越近，線圈中的阻抗將變化越大。檢測阻抗的變化—檢測被測導(dǎo)體與接近開關(guān)之間的

位置。

材料加工自動化

三、傳感技術(shù)

（二）位置傳感器及其應(yīng)用

1.位置傳感器

（2）接近式位置傳感器

1）電磁式位置傳感器

③電磁式位置傳感器工作原理

振蕩器產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)被測物體接近時，由于渦流的作用，接近開關(guān)附近磁場變

化，使傳感器的檢測線圈的電感量變化，使振蕩器振蕩減弱以至停振，因而產(chǎn)生振蕩及

停振兩個信號，從而起到“開”、“關(guān)”的控制作用。

7

⑷_____________

［2【'振.濡*-----1直流電源

檢測物體

輸出電壓

傳感器F/V轉(zhuǎn)換

傳感器線圈接入LC振蕩回瓶。被測物體運動到傳感器附近時，線圈中的電感量變

化，導(dǎo)致振蕩頻率變化，根據(jù)F-V變換使輸出電壓的發(fā)生變化，由此來判別物體的位置。

圓柱形電磁傳感播

圓柱形電磁傳感器電路結(jié)構(gòu)

咕

惟

測

金

屬

何

體

電磁式位置傳感器工作原理方塊圖

LC*得電路

④適用的檢測范圍

被測物體既可以是黑色金屬材料，也可以是有色金屬材料。

由于鐵磁物質(zhì)對于磁場的影響更加明顯，因此更適用于黑色金屬物體的檢測。

檢測距離：一般的電磁式接近開關(guān)的檢測距離只有幾亳米到幾十亳米。

2）電容式位置傳感器

工作原理：C=eA/do其中，C：電容量；e：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A：兩平

行板的面積；＜1：兩平行板之間距離。

當(dāng)被測物體接近于電容式接近開關(guān)表面時，會改變其電容值，導(dǎo)致檢測回路中阻抗值

的變化，從血檢測到物體的位置。

C3即是電容式接近開關(guān)與被測工件之間形成的電容，當(dāng)接近開關(guān)與被測工件之間的距

離發(fā)生變化時，則C」的值發(fā)生變化，諧振回路的阻抗隨之變化，從而引起整流器輸出電壓

的變化。

電容式位置傳感器工作原理方塊圖

?t開關(guān)伯號

淵4成

物電極

體

'T卜」

檢制電容

適用的檢測范圍：被測物體既可以是金屬物體，也可以是非金屬物體；甚至可以檢測

絕緣的液體或粉狀物體。

檢測距離：比電磁式接近開關(guān)要小，一般也只有幾十亳米以下。

3）霍爾式位置傳感器

霍爾式位置傳感器是利用霍爾效應(yīng)而制成的一種磁敏傳感器。

①霍爾效應(yīng)

片狀半導(dǎo)體材料置于磁場B中，通電流L電子運動速度V與I的方向相反；電子運

動受到磁場作用使運動軌跡橫向偏移。

結(jié)果：半導(dǎo)體片的一側(cè)電子密集出現(xiàn)負(fù)電荷，另一側(cè)電子稀疏呈現(xiàn)正電荷，兩側(cè)面之

當(dāng)半導(dǎo)體的材料和尺寸確定后，KH或SH保持常數(shù)，這樣霍爾電壓UH與IB的乘積成

正比。

在恒定電流下可用來測磁感應(yīng)強(qiáng)度B；反之，在恒定的磁場之下，也可以測量電流

I;霍爾式接近開關(guān)則是利用檢測磁感應(yīng)強(qiáng)度B的有無來檢測物體的位置。

②霍爾元件

霍爾兀件的材料：睇化鈉(InSb)、伸化鈉(InAs)、伸化短(GsAs)等。

霍爾元件制造工藝為：在單晶薄片兩端焊上兩根控制電流引線(圖示a、b),在另

兩端焊上兩根霍爾電壓輸出引線〔圖示c、d)。

③霍爾位置傳感器工作原理：

檢測時：將一磁鐵安置在被檢測的物體上，傳感器安置在固定位置處。

當(dāng)物體運動到傳感器附近時，磁鐵產(chǎn)生的磁場作用在傳感器上，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，

霍爾元件輸出霍爾電壓。該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的霍爾

電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導(dǎo)體管VT導(dǎo)通，這種

狀態(tài)稱為開狀態(tài)。

當(dāng)物體遠(yuǎn)離傳感器時，磁鐵產(chǎn)生的磁場對傳感器影響很小，霍爾元件輸出的電壓很

小，經(jīng)放大器放大后其值小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值，施密特整形電路再次翻

轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導(dǎo)體管VT截止，這種狀態(tài)稱為關(guān)狀態(tài)。

4)光電式位置傳感器

光電式位置傳感器是由光源與受光器件組合而成的，它利用被檢測物體對光的透射和

反射，進(jìn)行物體位置的檢測。

光源：日光、白熾光、紅外光、激光等；采用LED(發(fā)光二極管)、激光二極管等。

受光器件：光電二極管、光電晶體管，位置傳感器PSD(PositionSensitive

Detector)等。

光電式位置傳感器：對射式、反射式、槽式.

光電式位置傳感器工作原理

反射式檢測的是反射光，其輸出電流較?。粸榱嗽黾臃瓷涔獾膹?qiáng)度，往往米用在被檢

測物體上安置專用的反光片。

受光器件

。Vcc

R1□R3

信號輸出

_____1

光電式接近開關(guān)具有體積小、檢測距離大、可靠性高、檢測位置精度高、響應(yīng)速度

快、易與TTL及CMOS電路兼容等優(yōu)點。因此，在焊接自動化系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

（3）接近式位置傳感器的應(yīng)用

傳感器形狀：a）圓柱型b）扁平型c）矩形d）槽型°）環(huán)型

園柱型比扁平型安裝方便；扁平型傳感器中有頂部發(fā)出感應(yīng)的，也有從兩側(cè)發(fā)出感應(yīng)

的；槽型的檢測部位是在槽內(nèi)側(cè)，用于檢測通過槽內(nèi)的物體；一般矩型的各種接近開關(guān)安

裝尺寸相同，互換性好。

電源方式：直流型和交流型，

供電輸出方式：直流兩線制、直流三線制、直流四線制、直流五線制：交流兩線制、

交流五線制。

常用接近開關(guān)有關(guān)性能及應(yīng)用比較一覽表

接近開關(guān)關(guān)里檢翻距離常用*測物體檢《|夙理與特點可靠性價格

電磁式180mm帆磁初體,其他金屬涓流效應(yīng)可本任

電弄式2-20min育介質(zhì)物體電容效應(yīng)-?修

?爾式?缺，爾軟由我可靠低■

反射81光電式ESm任f（物體發(fā)射與接收一體化可惠

對射3!光電式任何物體發(fā)射與侵收分體崔可再TR

常用接近開關(guān)在焊接自動化中的應(yīng)用舉例一覽表

應(yīng)用他用

餌愴成工件粳定位置控制；餌展自動化設(shè)備中升1?裝置的啟動、停止控制；

位■控制烽按行走機(jī)構(gòu)的鍛*位■控制：移動部件的防磁撞控制：癢按轉(zhuǎn)臺等目轉(zhuǎn)體的

AK停止位■拄■，內(nèi)校生產(chǎn)&傳?，件的位宣拄胴

尺寸控■餌線長AH5制：庫款產(chǎn)品定尺控制

檢*餌接生產(chǎn)線上流過的產(chǎn)品依；餌按裝置旋轉(zhuǎn)軸或盤的特速計盤；多道多

計數(shù)控制

層自動煒過程中憚?計數(shù)等

餌按旋轉(zhuǎn)機(jī)械的速度與各沖肽沖發(fā)生器一起先網(wǎng)行速和轉(zhuǎn)數(shù)&H先制；寅錢

迪t控制

律按第速度控制：餌按年.產(chǎn)線傳送得速度控制等

舞換控制餌授工位轉(zhuǎn)犢控制

信息檢測餌按自動化系餓中，冬料機(jī)械移動裝置位■信息的檢費

2.位置傳感器應(yīng)用舉例

這個是汽車的焊接生產(chǎn)線的位置傳感，每個位置完成一定的工作量，每個工位的位置

定位要求非常準(zhǔn)確，隨著工作臺移動到一定位置，接近開關(guān)使機(jī)器人準(zhǔn)確的焊接。

*

極動工作臺探測片接近開火

這個控制的應(yīng)用可以定位，可以測量圓輪的轉(zhuǎn)速,也可以檢測位置。

IEI

這個控制可以用在計數(shù)方面，位置傳感器可以用在很多領(lǐng)域,不僅僅是自動化焊接領(lǐng)

域。

焊接上件光電接近開關(guān)

W光電接近開關(guān)

這是一個光柵的位置傳感器，可以進(jìn)行位移、位置、速度的檢測。

材料加工自動化

三、傳感技術(shù)

（二）位置傳感器及其應(yīng)用

2.位置傳感器應(yīng)用舉例

這個焊槍的優(yōu)點是可以，焊槍可以移動，即可以連續(xù)焊接也可以間接焊接。傳感器上

的近接開關(guān)是可以用作時間檢測和速度檢測。

3

接近開大大只

理他二t白上J

這是一種常見的焊槍，可以實現(xiàn)往復(fù)焊接。

位置傳溥器

這種焊槍，是使用傳感器感受到焊接工位以后進(jìn)行焊接。

3.利用某些位置傳感器也可以進(jìn)行速度或位移的測量

舉例：采用霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速。

檢測原理：在一個非磁材料的圓盤邊緣處固定一塊磁鐵，將該圓盤固定在被測軸上,

開關(guān)型霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近，圓盤隨被測軸每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便輸出一

個脈沖，用頻率計測量這些脈沖，便可以得到轉(zhuǎn)速。

1軸，2圓盤，3磁鐵,

4-霍爾傳感器

（三）位移、角度與速度傳感器及其應(yīng)用

L光柵尺

光柵尺是一種用于檢測沿光柵尺運動物體的位移和速度的傳感器。光柵尺：移動光

柵、固定光柵、光源和受光元件組成。

由于移動光柵的間距11與固定光柵的間距12,相差1/4,所以在移動光柵移動過程

中會有，固定光柵不會完全擋住固定光柵。兩個光柵看到光有一個先后順序。哪個光柵先

看到光取決于移動光柵的移動方向。

工作原理：計量脈沖數(shù)測量位移（或速度）值；檢測脈沖相位（上升沿），判定位移

（或速度）方向；直線光柵尺的缺點，長度有限。

2.光電編碼器

光電旋轉(zhuǎn)編碼器同光柵尺的工作原理類似，都是利用光柵，檢測脈沖信號來檢測

位移和轉(zhuǎn)速的C

光柵尺：直線形光柵；光電旋轉(zhuǎn)編碼器：圓形光柵

光電旋轉(zhuǎn)編碼器：增量型和絕對型

（1）增量編碼器

結(jié)構(gòu)：光源、光電器件、固定光柵、活動光柵盤。

碼盤（脈沖盤）：只有一條黑白扇區(qū)相間的碼道。

固定光柵有兩個檢測脈沖的柵縫，當(dāng)動光柵與固定光柵之間有光透過時，可以產(chǎn)生

1/4間距的相位差，通過兩相輸出的的相位可以判斷旋轉(zhuǎn)的正反方向,

材料加工自動化

三、傳感技術(shù)

(三)位移、角度與速度傳感器及其應(yīng)用

2.光電編碼器

(1)增量編碼器

具有絕對編碼器結(jié)構(gòu)的增量編碼盤：檢測原理同絕對編碼器類似，但是編碼器輸出是

脈沖序列，而不是一組數(shù)。

(2)絕對編碼器

結(jié)構(gòu)：光源、光電器件、固定光柵、活動光柵盤。由圓形光山盤上的環(huán)形光柵與等數(shù)

量的光敏二極管構(gòu)成檢測電路。

碼盤：圓形光柵盤；碼道：碼盤中的同心圓環(huán)區(qū)間；碼道數(shù)量：圓環(huán)區(qū)間數(shù)量；碼盤

形式：二進(jìn)制的，十進(jìn)制雷碼等

絕對編碼器工作原理：碼盤旋轉(zhuǎn)到不同位置，對應(yīng)輸出不同的數(shù)字碼信號。精度和分

辨率：取決丁光碼盤的精度和分辨率。提高精度：增加碼盤的扇區(qū)及減小固定光柵徑向線

寬提高分辨率：常規(guī)的方法是增加碼盤的碼道數(shù)。

二進(jìn)制與循環(huán)碼盤的比較:

A）二進(jìn)制碼盤b）循環(huán)碼碼盤

循環(huán)碼與二進(jìn)制碼真值表

循環(huán)碼二進(jìn)制碼■環(huán)瑪

K值

000000000811001000

100010001911011001

2001100101011111010

3001000111111101011

4011001001210101100

$011101011310111101

60101?1101410011110

70100?1111510001111

多圈絕對編碼器分為機(jī)械式鐘表齒輪機(jī)械的原理和電子式采用電子計數(shù)方式。

機(jī)械式多圈絕對值編碼器是運用鐘表齒輪機(jī)械的原理，增加了一組機(jī)械齒輪組碼盤，

當(dāng)中心碼盤轉(zhuǎn)動時，利用齒輪傳動另一組齒輪碼盤，在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的

編碼，從而擴(kuò)大了編碼器的測量范圍。

電子增量記圈式絕對值編碼器是采用電子計數(shù)方式，為了掉電后繼續(xù)保留測量信息，

因此需要有電池保留電子計數(shù)裝置中的信息不丟失。該絕對值編碼器實質(zhì)上是單圈絕對，

多圈增量，其優(yōu)點是體積小、經(jīng)濟(jì)、且沒有圈數(shù)限制，不足之處是非真正意義上的絕對值

編碼器、可靠性不如機(jī)械式的。

3.測速發(fā)電機(jī)

測速發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變電信號的傳感器。

測速發(fā)電機(jī)：交流、直流。

交流測速發(fā)電機(jī)：同步、異步。

直流測速發(fā)電機(jī)：電磁式;永磁式永磁式。

工作原理：定子產(chǎn)生恒定磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中產(chǎn)生交變的電

勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢。

永磁式

(1)直流測速機(jī)輸出特性曲線

輸出電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速基本成線性關(guān)系；

負(fù)載電阻RL-8,輸出電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系線性度越好。

(2)交流測速機(jī)工作原理

定子中勵磁繞組'與輸出繞組附在空間相互成90。；M通單相交流電，M輸出與轉(zhuǎn)

速大小成正比的交流電壓信號。

KJ

4.編碼器的應(yīng)用

(1)轉(zhuǎn)速恒值控制

通過反饋控制使電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變，利用編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

電機(jī)轉(zhuǎn)速由U，-Uf決定的，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，必會發(fā)生變化，從而使Ug-Uf發(fā)生

變化，相應(yīng)的速度得到調(diào)整，保持恒定不變。

例如：nf-*ft-*Uft(Ug-Uf)I—nI

(2)旋轉(zhuǎn)角度控制

(3)直線位移控制

采用編碼器進(jìn)行直線位移與速度控制時,必須采用一定的機(jī)械機(jī)構(gòu)將直線運動參數(shù)

變?yōu)樾D(zhuǎn)運動參數(shù)。

編碼器

直縫自動焊接的位移、速度與位置控制均可以采用編碼器。

(4)測量線速度和角速度

測量平均速度：

數(shù)字輸出

測量原理：一個時鐘脈沖時間內(nèi)通過多少個編碼器脈沖。

…"Uli黯?

例題：?個每轉(zhuǎn)有360個脈沖輸出的增量編碼器，采用計數(shù)間隔為1秒(時鐘脈沖時

間)，若測出編碼器輸出60個脈沖，求其平均轉(zhuǎn)速。

”處型=*min)

360

測量瞬時速度:

測量原理：一個編碼器脈沖時間內(nèi)通過多少個時鐘脈沖。

M_時鐘頻率X60

一時鐘脈沖數(shù)/編碼器脈沖時間內(nèi)/編碼器脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)

例題：每轉(zhuǎn)輸出100個脈沖的編碼器，時鐘脈沖頻率為1MHz,一個編碼器輸出脈沖

內(nèi)，測得6000個時鐘脈沖，求其轉(zhuǎn)速。

106X60….、

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

6000x100

材料加工自動化

四、電機(jī)控制技術(shù)

本章需要介紹的內(nèi)容：

直流電動機(jī)及其控制原理

閉環(huán)控制晶閘管變流器式調(diào)速系統(tǒng)

直流電動機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)

交流電動機(jī)變頻調(diào)速原理

重點、難點:

電動機(jī)調(diào)速基本原理；電動機(jī)恒速反饋控制方法及原理；典型電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

組成及工作原理。

電機(jī)控制系統(tǒng)主要由電機(jī)及其機(jī)械機(jī)構(gòu)組成。

電機(jī)控制技術(shù)的三要素：伺服電動機(jī)、被控制的機(jī)械機(jī)構(gòu)、運動控制電路。

（一）直流電動機(jī)及其控制原理

1.直流電動機(jī)及其靜態(tài)特性

電動機(jī)的靜態(tài)特性：在穩(wěn)態(tài)情況下，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電壓三者之間

的關(guān)系。

直流伺服電機(jī)工作原理:

U=Ea+IaRa2叱n

Cffl=0.95Ce

其中，T“為電磁轉(zhuǎn)矩，c“為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，c.為電勢常數(shù)。

直流伺服電動機(jī)的運行特性:

R

—^T=n-KT

c,q①；mQn

當(dāng)兀=0,即空載時，no理想的空載轉(zhuǎn)速為:

當(dāng)n=0,即啟動或堵轉(zhuǎn)時，/啟動轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為:

C①

。=4=年〃

轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tn的關(guān)系，一般為：n=f(T?)

R

n=_京燮1一町

與n軸的交點是該電樞電壓下的理想空載轉(zhuǎn)速；與「軸的交點是該電樞電壓下的堵轉(zhuǎn)

轉(zhuǎn)矩。

直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性是一組斜率相同的直線族。

每條機(jī)械特性和一電樞電壓相對應(yīng)。

電機(jī)一負(fù)載系統(tǒng)的穩(wěn)定問題：

n=f(Tm)與，=f(n)的交點即為電機(jī)一負(fù)載系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點。

/為工作機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性：TL=f(n)。T.=f

(n)由工作機(jī)械的特性所決定。

系統(tǒng)穩(wěn)定的條件:

(1)n=f(T?)與TL=f(n)有交點，特性L(n)有交點；

(2)在交點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上保證T.<TL,而在交點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之下保證「TL。

2.直流伺服電動機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

額定功率Px（W）、額定電壓UN（V）、額定電流卜（A）、額定轉(zhuǎn)速m（r/min）>

額定轉(zhuǎn)矩TN（N?m）、最大轉(zhuǎn)矩％（N?m）、機(jī)電時間常數(shù)Tj和電磁時間常數(shù)T八轉(zhuǎn)動

慣量J（N?m）。

3.直流伺服電動機(jī)的控制原理

（1）直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

直流電機(jī)調(diào)速的基本原理：

直流電機(jī)調(diào)速的基本方法：改變電樞回路總電阻R；改變電樞供電電壓4；改變勵磁

磁通中。。

1）改變電樞回路電阻調(diào)速

他

負(fù)載一定，R增大，電樞回路總電阻增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。

R*的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實現(xiàn)。

有級調(diào)速，調(diào)速比約為2：1左右；轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低。

2）改變電樞電壓調(diào)速

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：不論在高速還是低速下，電動機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。

調(diào)速范圍可達(dá)50:11150:1,一般比例10:1。

3）改變勵磁電流調(diào)速（恒功率調(diào)速）

通過改變激磁電流的大小來改變定子磁場強(qiáng)度，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速（n與6

成反比）。

由于電動機(jī)在額定運行條件下磁場已接近飽和，因而只能通過減弱磁場來改變電

動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

采用弱磁調(diào)速時的范圍一般為1.5:1?3:1,特殊電動機(jī)可達(dá)到5:1。

只適用于電磁式直流伺服電動機(jī)

（2）更流伺服電動機(jī)的方向控制

通過改變激磁磁場或電樞電壓的方向能改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。即將激磁繞組或電樞

繞組的接線端對調(diào)就可改變轉(zhuǎn)向。

i般采用改變電樞電壓的方向來改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

Ra

材料加工自動化

四、電機(jī)控制技術(shù)

（一）直流電動機(jī)及其控制原理

3.直流電動機(jī)調(diào)速的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

（2）直流伺服電動機(jī)的方向控制

1）調(diào)速范圍

電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫做調(diào)速范圍。

范圍公式：D=nmx/n?ino其中11叩和rkin一般是指電動機(jī)帶額定負(fù)載時的最高和最

低轉(zhuǎn)速。

2）靜差率

當(dāng)系統(tǒng)在某一機(jī)械特性下運行時，電動機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載所對應(yīng)的

轉(zhuǎn)速降落Am與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率S。

S=AHN/BOX100%

靜差率和機(jī)械特性硬度是有區(qū)別的。機(jī)械特性曲線①和②，兩者的硬度雖然相同，額

定速降A(chǔ)rhi=△nN2,但是由于noiNnoz,所以靜差率Si#S2。

3）調(diào)速平滑性

調(diào)速時可以得到的相鄰轉(zhuǎn)速之比。

無級調(diào)速時，該比值接近于1。

（二）閉環(huán)控制晶閘管變流器式調(diào)速系統(tǒng)

1.晶閘管變流調(diào)速系統(tǒng)

晶閘管作為整流器件，將網(wǎng)路交流電變?yōu)橹绷麟?。通過調(diào)節(jié)整流晶閘管觸發(fā)脈沖的相

位，可改變整流電壓，從而實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

晶閘管整流調(diào)速主電路基本型式：

晶閘管整流調(diào)速主電路基本型式:

2.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

（1）轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

給定環(huán)節(jié)：直流微壓電源，調(diào)節(jié)4大小也就是調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)速大小。

晶閘管觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)：把直流信號變?yōu)橛|發(fā)脈沖的向位，如果電機(jī)的額定電壓是

220V,則不需要電壓器，如果電機(jī)電壓低于220V,則需要在晶閘二極管之前加入變壓器。

V—T（n）環(huán)節(jié)：控制電阻繞組，最右邊的正負(fù)相當(dāng)于電阻繞阻的電壓，是固定不變

的。

測速發(fā)電機(jī)（速度反饋環(huán)節(jié)）：把輸出信號反饋到輸入端。M的轉(zhuǎn)速越快，測速發(fā)電

機(jī)的輸出電壓越高，然后反饋回輸入端。

采用速度傳感器進(jìn)行檢測，利用與轉(zhuǎn)速成正比的電壓值作為反饋量，所以稱其為轉(zhuǎn)

速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

KKUe-IR2鞏IR

=C*Q+KpK,Ja/C*）=。e,（1+用一。總（1+用

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)：bKpKsKfa/C.：（|）.

KP一—比較放大環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：Ks——移相觸發(fā)電路的放大倍數(shù)；K.一一反饋電路

的放大倍數(shù)（電位器RP2構(gòu)成的分壓比）；即一一TG輸出電壓與電動機(jī)M的轉(zhuǎn)速比。

轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方塊圖

（2）給定信號的變化

轉(zhuǎn)速恒定調(diào)節(jié)過程：干擾影響

u

（3）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征

①具有比例調(diào)節(jié)器的反饋閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的

②反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能

③反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)對給定電源和被調(diào)量檢測裝，置中的擾動無能為力。因此，控

制系統(tǒng)的精度依賴于給定穩(wěn)壓電源和反饋量檢測元件的精度

（4）速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點

只要擾動（負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)電壓、系統(tǒng)內(nèi)部等）引起的轉(zhuǎn)速變化能被測速發(fā)電機(jī)檢測出

來，該調(diào)速系統(tǒng)就能夠進(jìn)行控制。傳感器體積大，安裝不方便；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

3.電壓負(fù)反饋電流正反債調(diào)速系統(tǒng)

（1）電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)

給定型號變化

轉(zhuǎn)速恒定調(diào)節(jié)過程：干擾影響

電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：

lJKU,I禺RR

C,R(1+K)JRQ+K)?？?/p>

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)：K=&K$a

Rr、Ra分別為反饋信號取出點之前、之后的等效電阻；a為電后反饋系數(shù)。

電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點：傳感器簡單、安裝方便，電路簡單；抗干擾控制能力有

限，例如負(fù)載增大時，電機(jī)電樞繞組內(nèi)阻Ra引起的壓降仍然要增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速還是要降

低。所以該調(diào)速系統(tǒng)主要用于負(fù)載變化不大的場合。

適用于調(diào)速范圍10:1以下，靜態(tài)偏差15%以上的調(diào)速場合。

材料加工自動化

四、電機(jī)控制技術(shù)

(二)閉環(huán)控制晶閘管變流器式調(diào)速系統(tǒng)

3.電壓負(fù)反饋電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)

(2)電流正反饋的應(yīng)用

負(fù)載增大f電機(jī)輸出的Lt-電機(jī)轉(zhuǎn)速nI-Lt--hR",通過正反饋作用使給

定電壓L與負(fù)反饋電壓Uf以及電流正反饋信號一h&三者之間的差值f-控制信號U"一

整流電壓U"一電機(jī)轉(zhuǎn)速nf。

電流正反饋作用：擾動量的撲償控制。

注意：只能補(bǔ)償負(fù)載擾動，對于其他擾動，它所起的反而是壞的作用。

電流正反饋不能單獨應(yīng)用，必須與電壓負(fù)反饋一起應(yīng)用。

電流正反饋補(bǔ)償作用一般適用于調(diào)速范圍10：1以下，靜態(tài)偏差10%以上的調(diào)速場

合。

4.帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

（1）問題的提出

電動機(jī)起動時，沖擊電流大；堵轉(zhuǎn)時，電流過大。

電流截止負(fù)反饋：一般情況下，電流負(fù)反饋控制不起作用；當(dāng)電流大到一定程度

時，電流負(fù)反饋控制才起作用。

（2）電流截止負(fù)反饋控制

控制的關(guān)鍵：確定門檻值；實際值（檢測值）與門檻值的比較方法和電路設(shè)計。

Ubj為門檻值也就是比較電壓，電流反饋信號低于Ubj,反饋不起作用：電流反饋信號

高于Ub”反饋起作用。

5.典型直流調(diào)速系統(tǒng)

（1）送絲電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

電路分析：

①找到電機(jī)和它的供電電源

②再找到變壓器T,送絲電機(jī)的變壓為27V,最右邊為全波可控整流電路

③最左邊的為穩(wěn)定電源給定電路，7815為穩(wěn)壓電源

④中間的部分為單結(jié)晶體管觸發(fā)脈沖移相電路，VLC1和VLC2為光耦

⑤下邊的電路為同步電路

材料加工自動化

四、電機(jī)控制技術(shù)

(二)閉環(huán)控制晶閘管變流器式調(diào)速系統(tǒng)

5.典型直流調(diào)速系統(tǒng)

(1)送絲電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

電路分析:

⑤電壓負(fù)反饋電路為叨

整個送絲電路的方塊圖

電源通過晶體管VI、電阻R18對電容C1充電，晶體管VI起可調(diào)節(jié)電阻的作用。

C1充電，當(dāng)H點電位達(dá)到單結(jié)管VU1導(dǎo)通電壓，VU1導(dǎo)通，e點高電平，VI導(dǎo)通，產(chǎn)

生觸發(fā)脈沖。

主電路：變壓器，全波可控整流電路，VTKVT2o

電壓負(fù)反饋電路：R25、R26。

送絲機(jī)的調(diào)速控制信號：Ug（R22、R23、RP1）

觸發(fā)脈沖移相電路：單結(jié)管VU1、三極管VI、電容C1等。V2、Y4、V5、V6、V7等組

成C1充電控制電路。

觸發(fā)脈沖輸出電路：V2和光電耦合器VLC1、VLC2以及R14、R15、R16等構(gòu)成。

馳張振蕩器每1次振蕩，都會在Ri6上形成脈沖電壓，經(jīng)Ris、RM分壓后，使丫2導(dǎo)

通，光耦VLG、VLC,工作，分別經(jīng)電阻R3O、R32和二極管VDs、VD6輸出脈沖電壓

到晶閘管VT、V4的控制極，觸發(fā)該時刻陽極電位較高的晶閘管，提供給送絲電動機(jī)

所需電壓。

晶體管VI基極的a點電位Ua由給定信號Ug與電壓負(fù)反饋信號Uf決定。

同步電路：V3導(dǎo)通之后電容迅速放電，同步電頻的作用是每次從零電頻開收充電，否

則電容上會有妓余電壓，第?次充電時間會比較長，第二次充電時間比較短，所以同步電

路的作用是每次從零開始充電。

給定直流信號作為門植值

同步電路：主要是由N組成的比較器組成。

比較器的同相端以+15V直流電壓作為比較基準(zhǔn)，而反相端為整流輸出的直流脈動電

壓。

在整流脈動電壓（正弦波）過零時，輸出的電壓較低，低于同相端的基準(zhǔn)電壓，比較

器輸出為高電平，反之比較器輸出為低電平。

對V3而言，為高電平有效，即每次過零點時，V3導(dǎo)通1次，把電容C1上的充電電壓

經(jīng)R12和V3內(nèi)三極管的集射極短路到地，起放電清零作用，實現(xiàn)同步。

（2）帶集成運放的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

主電路：變壓器，橋式半控整流電路（VT1>VT2、VD5、VD6）。

電壓負(fù)反饋電路：RP2、R9。

送絲機(jī)的調(diào)速控制信號：Ug°

觸發(fā)脈沖移相電路：單結(jié)管VU1、三極管VI、電容C1、電阻R1等。

觸發(fā)脈沖輸出電路：主要是采用脈沖變壓器T1。

帶集成運放的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方塊圖:

（二）直流電動機(jī)脈寬調(diào)速