機(jī)電整合技術(shù)及應(yīng)用

1、機(jī)電整合技術(shù)及應(yīng)用機(jī)電整合技術(shù)及應(yīng)用 部 門： CA-ATM 主 管： 賴建宏副理 制作人：王沛玉 時(shí) 間： 2006/08 機(jī)電一體化概述機(jī)電一體化概述 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感器檢測(cè)及其接口電路傳感器檢測(cè)及其接口電路 控制電動(dòng)機(jī)及其選擇控制電動(dòng)機(jī)及其選擇 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)器接口技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)器接口技術(shù) DENSO六軸機(jī)械手介紹六軸機(jī)械手介紹Contents機(jī)電一體化概述 機(jī)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(jī)電一體化或機(jī)械電子學(xué)，而在臺(tái)灣則稱為機(jī)電整合技術(shù)。數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床的問世的問世 微電子技術(shù)微電子技術(shù)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(shù)、模糊激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)技術(shù)、信息技術(shù) 發(fā)展歷程發(fā)展歷程發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)光機(jī)電光機(jī)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(jī)電化微型機(jī)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(cè)單元傳感檢測(cè)單元外界信息外界信息機(jī)械本體機(jī)械本體驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)恿卧獎(jiǎng)恿卧獔?zhí)行單元執(zhí)行單元所需的機(jī)所需的機(jī) 械運(yùn)動(dòng)械運(yùn)動(dòng) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)機(jī)電一體

3、化的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)機(jī)電機(jī)電一體化一體化相關(guān)相關(guān)技術(shù)技術(shù)機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)傳感檢測(cè)技術(shù)傳感檢測(cè)技術(shù)信息處信息處理技術(shù)理技術(shù)技術(shù)技術(shù)控制控制自動(dòng)自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立M)(kxxcxmtf kcsms1)s(F)s(X2機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)特性機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)特性轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量磨擦磨擦諧振頻率諧振

4、頻率阻尼阻尼剛度剛度間隙間隙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，機(jī)械負(fù)載增大，系統(tǒng)響應(yīng)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(dòng)摩擦力小正斜率。伺服系統(tǒng)失動(dòng)量，剛度大，失動(dòng)量??；穩(wěn)定性：對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)影響較大。間隙使傳動(dòng)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(duì)彈性系統(tǒng)的影響，降低定位精度，降低機(jī)械性能。當(dāng)外界的激蕩頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，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(jī)械傳動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置不僅是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)傳動(dòng)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)

5、動(dòng)慣量小，磨擦小，阻轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，磨擦小，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(dòng)動(dòng)齒輪傳動(dòng)總傳動(dòng)比的選擇：齒輪傳動(dòng)總傳動(dòng)比的選擇：通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動(dòng)比，以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。傳動(dòng)比，以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。齒輪傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配：齒輪傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配：（1）最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)量原則；）最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)：外援均布三條突起軌道，配有特點(diǎn)：外援均布三條突起軌道，配

6、有六條符合滾珠列，承載時(shí)三條負(fù)荷滾六條符合滾珠列，承載時(shí)三條負(fù)荷滾珠列自動(dòng)定位，反轉(zhuǎn)時(shí)，另三條負(fù)載珠列自動(dòng)定位，反轉(zhuǎn)時(shí)，另三條負(fù)載列自動(dòng)定位。列自動(dòng)定位。外筒與花鍵軸之間既可以作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，外筒與花鍵軸之間既可以作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又可以做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，所以即是傳又可以做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，所以即是傳動(dòng)裝置，又是直線運(yùn)動(dòng)支撐。動(dòng)裝置，又是直線運(yùn)動(dòng)支撐。諧波齒輪諧波齒輪諧波齒輪傳動(dòng)既可用做減速器，也可用做增速器。諧波齒輪傳動(dòng)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(gè)均可固定，其柔輪、剛輪、波發(fā)生器三者任何一個(gè)均可固定，其余二個(gè)一為主動(dòng)，另一個(gè)為從動(dòng)。余二個(gè)一為主動(dòng)，另一個(gè)為從動(dòng)。傳動(dòng)比大，

7、且外形輪廓小，零件數(shù)目少，傳動(dòng)效率傳動(dòng)比大，且外形輪廓小，零件數(shù)目少，傳動(dòng)效率高。效率高達(dá)高。效率高達(dá)9296，單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)，單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)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(dòng)速度小，齒面摩損均勻。觸多齒嚙合，且滑動(dòng)速度小，齒面摩損均勻。柔輪和剛輪的齒側(cè)間隙是可調(diào)：當(dāng)柔輪的扭轉(zhuǎn)剛度柔輪和剛輪的齒側(cè)間隙是可調(diào)：當(dāng)柔輪的扭轉(zhuǎn)剛度較高時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無側(cè)隙的高精度嚙合。較高時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無側(cè)隙的高精度嚙合。諧波齒輪傳動(dòng)可用來由密封空間向外部或由外部向諧波齒輪傳動(dòng)可用來由密封空間向外部或由外部向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)。密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)。傳感器檢測(cè)及其

8、接口電路傳感器定義：傳感器是借助于被測(cè)元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(cè)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(duì)象：伺服驅(qū)動(dòng)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；控制對(duì)象：伺服驅(qū)動(dòng)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；應(yīng)用：檢測(cè)位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、及其操作和加工過程參數(shù)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)應(yīng)用：檢測(cè)位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、及其操作和加工過程參數(shù)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(gòu)成原理 結(jié)構(gòu)型物理型以其轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換以其轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換基本效應(yīng) 物理型、化學(xué)型、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的

9、物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名能量關(guān)系 能量轉(zhuǎn)換型能量控制型傳感器輸出量能量有外援供給，但受被測(cè)輸入量控制作用原理 應(yīng)變式、電容式、壓電式等以傳感器對(duì)信號(hào)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(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性線性度：實(shí)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(fù)性：全程多次測(cè)量特性曲線不一致性；動(dòng)態(tài)特性：傳感器對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的特性；動(dòng)態(tài)誤差：輸入輸出信號(hào)的時(shí)間函數(shù)之間的差異；快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)（1）足夠的容量；（2）轉(zhuǎn)換靈敏度高；（3）精度適當(dāng)，穩(wěn)定性

10、高；（4）反應(yīng)速度快，可靠性好；（5）適用性和適性強(qiáng)；（6）使用經(jīng)濟(jì)； 位移測(cè)量傳感器位移測(cè)量傳感器位移測(cè)量傳感器是線性位位移測(cè)量傳感器是線性位移和角位移測(cè)量的總稱。移和角位移測(cè)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(yīng)同步器、光柵傳感器；角位感器、感應(yīng)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(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高分辨率、非接觸測(cè)量，可在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作；將被測(cè)位移量變化成線圈自感或互感變化的

11、裝置；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，不宜作快速動(dòng)態(tài)測(cè)量；光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，它的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高（可達(dá)1um）、響應(yīng)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(cè)速機(jī)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(shí)質(zhì)：微型直流發(fā)電機(jī)；特點(diǎn)：輸出些率大、線性好、構(gòu)造維護(hù)復(fù)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(dòng)開關(guān)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(dòng)

12、機(jī) 控制電動(dòng)機(jī)是伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，它控制電動(dòng)機(jī)是伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由于是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確的其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 控制電動(dòng)機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)兩種，通過電控制電動(dòng)機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)兩種，通過電壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制，實(shí)現(xiàn)定壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量

13、驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)。雜的驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件每接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)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(shí)間上與輸入脈沖同步受數(shù)字脈沖信號(hào)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(huì)長(zhǎng)期積累步距角誤差；易于微機(jī)接口；（1）步距角；（2）靜態(tài)特性；（3）動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性及性能指標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性及性能指標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用 交直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控

14、制交直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制直流直流伺服伺服電動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)交流交流伺服伺服電動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)（1）穩(wěn)定性好；（2）可控性好；（3）響應(yīng)迅速；（4）控制功率低，損耗小；（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(cè)器；（3）具有直流伺服動(dòng)機(jī)全部?jī)?yōu)點(diǎn)；感應(yīng)型：（1）對(duì)定子電流的激勵(lì)分量和轉(zhuǎn)矩份量分別控制；（2）具有直流伺服動(dòng)機(jī)全部?jī)?yōu)點(diǎn)；驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服電動(dòng)機(jī)用直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制；直流伺服系統(tǒng)組成：包括PWM功率放大器，速度負(fù)反饋，位置負(fù)反饋；控制方法：（1）SM型，采用永久磁鐵場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可

15、；（2）IM型，矢量控制、變頻調(diào)速控制；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)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(jì)算機(jī)總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)單片機(jī)單片機(jī)特點(diǎn)特點(diǎn)（1）控制程序可變，具有很好的柔性；（2）可靠性強(qiáng)，適用于工業(yè)環(huán)境；（3）編程簡(jiǎn)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(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)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(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要；（1）受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)器容量較??；（2）可靠性高；（3）易擴(kuò)展；（4）控制功能強(qiáng)；（5）一般的單片機(jī)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

16、件組成可編程控制器硬件組成編程器CPU存儲(chǔ)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(hào)輸入信號(hào)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(chǎng)信號(hào)執(zhí)行用戶程序程序掃描結(jié)束PLC基本工作過程：基本工作過程：（1）讀取現(xiàn)場(chǎng)信息；）讀取現(xiàn)場(chǎng)信息；（2）執(zhí)行用戶程序；）執(zhí)行用戶程序；（3）輸出控制信號(hào)；）輸出控制信號(hào)；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(gè)過程如右圖所示。整

17、個(gè)過程如右圖所示。 PLC外電路設(shè)計(jì)一般原則外電路設(shè)計(jì)一般原則外電路設(shè)計(jì)，主要是指輸入、輸出設(shè)備與外電路設(shè)計(jì)，主要是指輸入、輸出設(shè)備與PLC以及各運(yùn)行方式、強(qiáng)以及各運(yùn)行方式、強(qiáng)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(dòng)電路、緊急停車電路，以備系統(tǒng)異常；）連接手動(dòng)電路

18、、緊急停車電路，以備系統(tǒng)異常； （2）配線距離長(zhǎng)，或與高噪聲源設(shè)備相連，以產(chǎn)生干擾場(chǎng)合；）配線距離長(zhǎng)，或與高噪聲源設(shè)備相連，以產(chǎn)生干擾場(chǎng)合； （3）除）除PLC，另有其他控制電路使用該信號(hào)；，另有其他控制電路使用該信號(hào)； （4）大負(fù)載頻繁通斷；）大負(fù)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(guān)接入方法限位開關(guān)接入方法6.設(shè)備接地方法設(shè)備接地方法 Denso六軸機(jī)械手六軸機(jī)械手有關(guān)六軸機(jī)械手需注意有關(guān)其坐標(biāo)有關(guān)六軸機(jī)械手需注意有關(guān)其坐標(biāo),設(shè)定坐標(biāo)可分兩種設(shè)定坐標(biāo)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(biāo)值使用此方式的坐標(biāo)值,優(yōu)點(diǎn)是可容優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是不容易把坐標(biāo)值轉(zhuǎn)為實(shí)但缺點(diǎn)是不容易把坐標(biāo)值轉(zhuǎn)為實(shí)際的際的X,Y,Z坐標(biāo)坐標(biāo) Denso六軸機(jī)械手六軸機(jī)械手2. 絕對(duì)坐標(biāo)值絕對(duì)坐標(biāo)值以機(jī)械手底座中心為以機(jī)械手底座中心為0點(diǎn)點(diǎn)(X=0,Y=0