機電一體化系統(tǒng)設計

1、 7/7 機電一體化設計練習主要思路機電一體化基本概念用常見例子區(qū)別模擬信號和數字信號。（實質：時間-強度表達形式）時間是橫坐標，強度是縱坐標，強度連續(xù)為模擬信號，強度離散為數字信號，光盤0101數字信號“機電一體化”的含意(P1)：從系統(tǒng)觀點出發(fā)，將機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程的基礎上有機地加以綜合，實現整個機械系統(tǒng)最佳化而建立起來的一門新的科學技術。6個相關技術(P3)：（分析信息處理技術、伺服傳動技術）1、信息處理技術（計算機數據處理）包括信息的變換、存取、運算、判斷和決策，信息處理大都是依靠計算機來進行的，因此計算機技術與信息處理技術是密切相關的。主要采用工業(yè)控

2、制機（可編程控制器、單（多）回路調節(jié)器、單片微機控制器、總線式工業(yè)控制機、分布式計算機測控系統(tǒng)等）進行信息處理。2、伺服傳動技術在控制指令的指揮下，控制驅動元件，使機械執(zhí)行機構按指令要求進行運動，并具有良好的動態(tài)性能。液壓伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定、響應速度快、輸出力矩大，特別是在低速運行時的性能更具有突出的優(yōu)點。缺點：增加液壓動力源，設備復雜、體積大、維修費用大，污染環(huán)境。大部分采用電氣伺服系統(tǒng)，采用電動機作為伺服驅動元件，具有控制靈活、費用較小、可靠性高等優(yōu)點，缺點：低速時輸出力矩不夠大。實例：溫度控制系統(tǒng)圖解，聯系伺服控制系統(tǒng)說明各環(huán)節(jié)功能。（見書上）機電一體化系統(tǒng)4個分類（伺服、數字、順序、過程

3、）舉例說明：1、伺服傳動系統(tǒng) 工業(yè)機器人、數控機床、坐標測量機機械設備位置和速度的動態(tài)控制。（工業(yè)機器人的關節(jié)伺服傳動系統(tǒng)）2、數字控制系統(tǒng) C機床由數控裝置生成數字形式指令驅動機器運動。（C計算機數控機械）3、順序控制系統(tǒng) 自動制造單元（自動洗衣機）按規(guī)定的生產時序或現場輸入信號為條件，按預定規(guī)律或順序完成動作的控制系統(tǒng)。（繼電器邏輯電路、PLC可編程控制器、通用微機）4、過程控制系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)機械、電力、冶金、化工、建材的工業(yè)控制，如CIMS、FMS是典型的機械制造過程控制系統(tǒng)。機電一體化的四視圖設計方法（功能、結構、控制、信息）舉例電動自行車,全自動洗衣機：功能視圖：是對機電一體化系

4、統(tǒng)的基本功能和為實現基本功能的輔助功能的描述與設計結構視圖：選取已系列化的機電部件以及設計制作適當的元器件和零件，圍繞實現主功能，來實現設計的集成化，以及創(chuàng)新的總體結構、部件結構和零件結構控制視圖：描述及設計這些機電一體化單元的原理組成及協調控制的方法，同時描述信息系統(tǒng)的組成及接口信息視圖：描述機電一體化系統(tǒng)中的信息流的工具例1全自動洗衣機的設計功能：洗滌+漂洗+脫水+烘干。機構：雙筒，外盛水，內可旋。機架支承彈性懸掛系統(tǒng)。偏心穩(wěn)定系統(tǒng)。洗滌脫水機械換檔。開蓋聯動安全系統(tǒng)。控制：電機調速系統(tǒng)。洗滌順序控制。洗滌信息采集和反饋控制。安全報警。信息：與控制系統(tǒng)匹配的人機界面。選擇輸入開關，工作狀態(tài)

5、顯示，聲、光、圖象顯示。例2電動助力車設計功能：電機驅動前進，安全制動，轉向等。機構：雙輪，前驅動，后驅動。機架支承彈性避振系統(tǒng)。有阻尼轉向系統(tǒng)。機械換檔。機械制動。安全系統(tǒng)。控制：電機調速系統(tǒng)。啟動停車順序控制。速度和里程信息采集，電池充放電控制。安全報警。信息：與控制系統(tǒng)匹配的人機界面.電機速度選擇開關,工作狀態(tài)顯示,聲、光、圖象顯示。現代設計方法：現代機械系統(tǒng)五個特點（規(guī)劃P3）：1.由數字化信息網絡（包括通信和遠程傳感器檢測監(jiān)控等）協調和控制。2.以創(chuàng)新構思和創(chuàng)新技術方案處理包括所有適用的物理量和先進技術的物質流，能量流和信息流。3.以功能分析方法來開發(fā)創(chuàng)新產品。4.以現代設計方法和先

6、進制造技術開發(fā)生產。5.快速響應市場個性化需求的最優(yōu)化集成系統(tǒng)。“綠色設計”的主要內容是什么？（規(guī)劃P5）以保護環(huán)境資源為核心。要求在產品整個壽命周期內把產品的基本屬性和環(huán)境屬性緊密結合。在進行設計決策時，除滿足產品的物理目標外，還應滿足環(huán)境目標，達到優(yōu)化設計要求。在產品整個生命周期內，優(yōu)先考慮環(huán)境屬性（可拆卸、回收、維護、重復利用等）“反求工程設計”指怎樣的設計過程？（規(guī)劃P7）以先進產品設備的實物、軟件（圖樣、程序、技術文件等）、或影像（圖片、照片等）作為研究對象，應用現代設計理論與方法、生產工程學、材料學和有關專業(yè)知識進行系統(tǒng)深入地分析和研究，掌握其功能原理、參數、尺寸、材料和結構，特別

7、是關鍵技術，進而開發(fā)出同類的先進產品。反求設計思想和組成。包括：設計思想分析，原理方案分析，結構分析，形體尺寸，精度分配，材料分析，工作性能分析，造型設計分析，工藝分析，使用維護分析，包裝技術?！澳Σ翆W設計”的特點是什么？（規(guī)劃P10）摩擦學是研究相對運動表面的科學及有關的應用技術。由于摩擦損耗約占世界能源總損耗量的1/21/3，一般機械中磨損失效的零件約占全部報廢零件的4/5，摩擦學研究發(fā)展迅速。主要內容：摩擦與摩損機理，潤滑理論，新型耐磨減磨材料與表面處理工藝，新型潤滑材料，和測試技術。機械傳動機械結構中阻尼比和摩擦力對伺服系統(tǒng)性能的影響。（P18）1、阻尼的影響：1）=0，無阻尼，系統(tǒng)處

8、于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)。2）1，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼，過渡過程無振蕩，響應時間較長。3）0T/2,，平均電壓為正， 電機正轉。 02、如正脈沖窄tonT/2，平均電壓為負， 電機反轉。 03、如正負脈沖等寬ton=T/2，平均電壓為零， 電機不轉。 =0鑒幅型直流伺服系統(tǒng)功能框圖圖解和說明（P65）圖見書P65相敏放大器：將輸入交流電壓變換成直流電壓，輸出直流電壓的數值與輸入交流電壓的幅值成正比位置調節(jié)器：輸入位置指令信號與反饋的位置檢測信號比較后，輸出相應位置控制信號速度調節(jié)器：輸入速度指令信號與反饋的速度檢測信號比較后，輸出相應速度控制信號PWM功放器：改變脈沖寬度，改變平均電壓，改變電動機

9、的輸出轉速減速器：讓輸入速度經變速后達到需要的速度速度檢測：利用傳感器檢測速度，用作反饋信息位置檢測：利用傳感器檢測位置信息，用作反饋雙極H型PWM變換器占空比數學表達式（P70）=(2ton/T)-1PWM調制器3個輸入信號和調制波形的關系，和轉速轉向的關系（P71圖解）3個輸入信號：一個輸入信號是鋸齒波調制信號Usa，另一個是控制電壓Uc,第三個輸入信號負偏移電壓Ub。圖見P71 3-19交流：交流異步電動機的轉速公式。（書P80）n=60f1(1-s)/p=n1(1-s)SPWM變頻器的主電路結構和功能說明（P81圖解）圖見P81 a )主電路：二極管整流器+濾波器+逆變器（變脈寬、變頻

10、）1）載波是等腰三角波，基準信號是光滑正弦波，調制成等幅且脈沖寬度隨時間按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。2）輸出基波的電壓和頻率，可通過改變正弦調制信號的幅值和頻率來改變。3）雙極式控制時，逆變器同一橋臂上下二開關管交替通斷，互補工作。4）用三相正弦波調制成三相SPWM波形。（可雙極或單極）5）等腰三角形載波，三相共用，分別調制成三相SPWM波形。基頻上下如何處理壓頻比（P80）基頻以下的恒磁通變頻調速同時升降U1和f1，電壓頻率比為常數，恒磁通，恒轉矩。但U1和f1都很小時，定子有漏阻抗壓降，要適當補償，使磁通恒定。（磁通太大，電機鐵芯發(fā)熱，造成電機損失，磁通太小，使電機效率很低；如何實現？公式U

11、/f=常數，保證實現恒定的磁通量）基頻以上的弱磁通變頻調速U1不能超過U1n,磁通隨f1上升而減小。近似恒功率調速。（UI=P）（避免電動機耐壓受損壞）恒壓頻比SPWM變頻調速系統(tǒng)的原理框圖（P83）圖見書P83 3-35絕對值運算器（正反轉要求）函數發(fā)生器（電壓頻率的協調關系）邏輯控制器（按要求送信號到逆變器，各保護功能）步進電機：工作原理和使用特性（P84）頻率與轉矩的關系工作原理見書P84 定子依次對繞組通電，吸引轉子轉動。使用特性：步距誤差：反映分齒精度，與加工精度、電機電流大小和磁路性能有關。最高啟動頻率fg：fg空載突然啟動，不失步進入穩(wěn)速運行的最高頻率。（負載J大fg下降）最高工

12、作頻率：步進電機連續(xù)運行能接受的最高頻率。輸出轉矩頻率特性：定子繞組為電感性負載，輸入頻率高，勵磁電流??；頻率高，由于磁通量的變化加劇，鐵心渦流損失加大。頻率高，輸出力矩降低。高頻時轉矩是低頻時的40-50%（轉矩應按高頻時選?。┎竭M電機的轉速和轉向控制，環(huán)形分配器的3種形式（P86）步進電機的轉速和轉向控制見書P84-85環(huán)形分配器的3種形式：一種是采用計算機軟件分配，另一種是采用小規(guī)模集成電路搭接一個硬件分配器，第三種即采用專用的環(huán)形分配器單電源功率驅動器（P88）（電機繞組電流脈沖三個具體問題，限流電阻等三個改善措施）圖見 P88 3-41三個具體問題：1、盡快建立勵磁繞組工作電流（感性

13、負載電流按指數曲線增大）2、保持繞組工作電流（繞組直流電阻小，高壓快啟動，電流增大）3、斷電繞組快速消除剩余電流（慣性電流使磁場殘留）主要措施：R0限流電阻：額定電壓為快速達到電流取值較高，到直流持續(xù)時，電壓全在R0上。時間常數=L/( r+R0 )，r為繞組內阻，(r+ R0)大小，跳變快，截止時電流下降快，但R0使功耗增大。VD續(xù)流二極管：有保護管子防繞組反電勢擊穿作用。又利于消除慣性電流。（VD耐壓2倍工作電壓）C加速電容：導通瞬間，交流通道，電流上升加快。 R0和C使波形向矩形改善步進電機“失步”產生原因和改善措施（補充）失步原因：（1）轉子轉速滯后勵磁脈沖頻率，慢于換相速度。（2）轉

14、子轉速大于換相速度，指制動和突然換向。改善：改善轉矩頻率特性，額定轉矩與實際轉矩相配合否則失步，使用合理的啟動工作頻率，考慮用小步距角，減小振幅，避開共振，削弱振蕩?；虿捎脵C械和電子阻尼（變頻變壓、細分法、反向阻尼等）電液伺服系統(tǒng)實例：鋼板卷制的跑偏糾正控制系統(tǒng)，（液壓控制圖，系統(tǒng)功能框圖，控制系統(tǒng)主電路圖）（92）工作原理：光電檢測器檢測鋼板跑偏程度，作為位置反饋，放大后控制電液伺服閥，驅動主液壓缸糾偏。液壓換向閥使主液壓缸和輔助液壓缸互鎖。卷板時M2通電，輔助液壓缸鎖緊，主液壓缸工作。卷板結束時M1通電，主液壓缸鎖緊待鋼板切斷，輔助液壓缸使傳感器退出。電液X力伺服控制系統(tǒng)，（控制系統(tǒng)原理圖

15、，畫出X力控制系統(tǒng)功能框圖）（94）工作原理：在轉向輥左右兩軸承座下各裝一力傳感器5作為檢測裝置，兩傳感器檢測所得信號的平均值與給定信號值相比較。出現偏差是時，信號經伺服放大器放大后輸入伺服閥，若實際X力與給定值相等，則偏差信號為零。伺服閥無輸出，液壓缸1向上移動，抬起浮動輥6，X力減小到額定值。反之，X力減小時，則產生的偏差信號使伺服閥控制液壓缸向下運動，浮動輥下移X緊鋼帶，X力升高到額定值，因此系統(tǒng)是一個恒值控制系統(tǒng)。它保證帶鋼X力符合要求，提高了鋼材質量。微機控制計算機控制系統(tǒng)典型結構（圖解96）四種主要計算機控制系統(tǒng)的類型和特點（圖解98-99）操作指導控制系統(tǒng)（操作人員按計算機輸出的

16、狀態(tài)信息，改變控制系統(tǒng)給定值或人工直接操作）直接數字控制系統(tǒng)（DDC，計算機按傳感器采集信息運算處理后直接控制對象）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC，為下一級DDC提供最佳給定值）分布式控制系統(tǒng)（DCS，集散系統(tǒng)，集中操作，分級管理，分而自治，綜合協調）工業(yè)控制機的性能比較和選用（112表）評定的主要指標：*系統(tǒng)組成，系統(tǒng)功能，通信功能。（都可，只是難度不同）*硬件、軟件工作量，適用程序語言。（ PLC硬件工作量少）*執(zhí)行速度。（PC機和大型PLC很快）*承載能力。（PLC最強，單片機最差）*抗電干擾，可靠性，環(huán)境適應性。（PLC好，單片機較差）*應用場合。（后兩者用于大規(guī)模工業(yè)控制）*價格。（單片機最低，PLC高）可靠性 可靠性定義和解釋（114）定義：產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力。包括四項內容：產品：可靠性研究的對象，零件、設備、系統(tǒng)。規(guī)定的條件：運輸、儲存和使用條件。（也關系到使用方法、維修方法、操作人員的技術水平等的影響）規(guī)定的時間：可靠性的時間要求。（也可是應力循環(huán)數、轉數、里程數等）規(guī)定的功能：連續(xù)地保持產品的工作能力，使各項技術指標符合規(guī)定要求。（不能完成規(guī)定功能失效，可修復的稱“故障”）可靠性主要五項指標和定義（115-116）1、可靠度 R(t)：產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率.0