《機(jī)電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)》課件第10章

第10章機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與實(shí)例10.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)概論10.2基于單片機(jī)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例10.3基于PC機(jī)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例10.4基于PLC的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例10.5機(jī)器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例10.6機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)例10.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)概論

10.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性活動(dòng)，必須依靠思考和推理，綜合運(yùn)用多種學(xué)科的專(zhuān)門(mén)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能獲得正確、合理的設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般有如下一些共同的基本原則：

（1）機(jī)電互補(bǔ)原則。綜合機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)各自的特點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。這就要求從機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、硬件技術(shù)和軟件技術(shù)四個(gè)方面權(quán)衡和比較經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上的利弊得失，選擇最優(yōu)方案。（2）功能優(yōu)化原則。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要抓住用戶(hù)關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)，特別是系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等，對(duì)各種相關(guān)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，而不是片面追求高指標(biāo)、全功能。

（3）自動(dòng)化、省力化原則。機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一是自動(dòng)化，一般要求系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)記錄及自動(dòng)顯示；在出現(xiàn)故障時(shí)能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)采取應(yīng)急措施，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)等；在工作對(duì)象變化時(shí)，能夠靈活改變其工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大限度的柔性化。要能最大限度地減少人的干預(yù)，降低人的體力和智力勞動(dòng)強(qiáng)度，盡可能排除人為的不利因素的影響。（4）效益最佳原則。要在滿(mǎn)足用戶(hù)的目的功能和適當(dāng)?shù)氖褂脡勖疤嵯?，最大限度地降低成本。要合理選用材質(zhì)和零件，正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化制造工藝，降低生產(chǎn)成本。積極采用先進(jìn)適用的成熟技術(shù)，提高系統(tǒng)的技術(shù)附加價(jià)值，增強(qiáng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力。要使系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便，減少消耗，合理利用自然資源，降低用戶(hù)的使用成本。

（5）開(kāi)放性原則。以一組標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或約定的原則來(lái)統(tǒng)一系統(tǒng)的接口、通信和與外部的連接，使系統(tǒng)能容納不同廠(chǎng)家制造的設(shè)備即軟件產(chǎn)品，同時(shí)又能適應(yīng)未來(lái)新技術(shù)的發(fā)展。10.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)類(lèi)型

機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類(lèi)型大致可以分為：開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)和變異性設(shè)計(jì)。

（1）開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)：在沒(méi)有參照對(duì)象的情況下從無(wú)到有的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。它是在不知道具體方案的情況下，僅僅根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，設(shè)計(jì)出在質(zhì)量和性能方面滿(mǎn)足要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)。最初的電視機(jī)等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就屬于開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。（2）適應(yīng)性設(shè)計(jì)：在總的方案原理基本保持不變的情況下，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性改動(dòng)，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量提高并增加某些附加價(jià)值。例如，汽車(chē)的電子式汽油噴射裝置代替原來(lái)的機(jī)械控制汽油噴射裝置，電子式縫紉機(jī)采用微機(jī)控制，這些都屬于適應(yīng)性設(shè)計(jì)。（3）變異性設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，使其適應(yīng)于量的方面有所改變的要求，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)該項(xiàng)產(chǎn)品的系列要求。例如，由于傳遞扭矩或速比發(fā)生變換而重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸，屬于變異性設(shè)計(jì)。

機(jī)電一體化領(lǐng)域多變的設(shè)計(jì)類(lèi)型，要求我們摸索出一套現(xiàn)代化設(shè)計(jì)的普遍規(guī)律，以適應(yīng)更新?lián)Q代的需要。10.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法通常有機(jī)電互補(bǔ)法、機(jī)電結(jié)合法和組合法，其目的是綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)，設(shè)計(jì)最佳的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

1）機(jī)電互補(bǔ)法

這種方法也稱(chēng)為取代法或替代法，其特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮悠骷〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以便簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，獲得更好的功能或性能。如在一般的工作機(jī)中用可編程控制器（PLC）或單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、離合器、脫落渦桿等機(jī)構(gòu)，彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的不足；用變頻調(diào)速系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪箱變速系統(tǒng)，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高調(diào)整性能等。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的常用方法。

2）機(jī)電結(jié)合法

這種方法也稱(chēng)為融合法，是將機(jī)、電各組成要素有機(jī)結(jié)合為一體，構(gòu)成專(zhuān)用或通用的功能部件。用這種方法可以使該產(chǎn)品各要素和參數(shù)之間的匹配問(wèn)題考慮得更充分、更合理、更經(jīng)濟(jì)，更能體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。這種方法還可以使接口更簡(jiǎn)單，甚至可能融為一體。如在金屬切屑機(jī)床中，把電機(jī)軸與主軸部件作為一體，就是將執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合的例子。某些高性能的機(jī)電一體化產(chǎn)品，如激光打印機(jī)和掃描機(jī)構(gòu)——激光掃描鏡，把掃描鏡轉(zhuǎn)軸與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸做成一體，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。在大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)不斷普及的今天，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，完全能設(shè)計(jì)出執(zhí)行元件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感器、控制與機(jī)體五要素融為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

3）組合法

機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備可設(shè)計(jì)成由相應(yīng)于五大要素的功能部件組成，也可以設(shè)計(jì)成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個(gè)功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成要素。這些功能部件或功能子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，就成為功能模塊。每一個(gè)功能模塊可視為一個(gè)獨(dú)立體，在設(shè)計(jì)時(shí)只需了解其性能規(guī)格，按功能來(lái)選用，而不需了解其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。將用結(jié)合法（或機(jī)電互補(bǔ)法）制成的功能部件、功能模塊像堆積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的方法稱(chēng)為組合法。例如，將工業(yè)機(jī)器人各自由度的執(zhí)行元件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感器元件和控制器等做成機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)功能模塊，用于驅(qū)動(dòng)不同的關(guān)節(jié)，組成工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰等各種功能模塊系列，從而組合成結(jié)構(gòu)和功能不同的機(jī)器人。在新產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)與設(shè)備機(jī)電一體化改造中應(yīng)用這種方法，可以縮短設(shè)計(jì)和研制周期，節(jié)約供應(yīng)設(shè)備費(fèi)用，從而降低生產(chǎn)成本，也有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。10.1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般采用三階段法，即總體設(shè)計(jì)、部件選擇與設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，為了相互協(xié)調(diào)，多采用既分階段又兼顧平行的設(shè)計(jì)，也就是并行設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)是指在具體設(shè)計(jì)之前對(duì)所要求設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的各個(gè)方面，按照簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀(guān)等原則進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的一般步驟如下：

（1）詳盡收集用戶(hù)對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的需求。

首先要收集所有相關(guān)信息，包括設(shè)計(jì)需求、背景技術(shù)資料，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確判斷用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的需求。這一步是進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。一般情況下，需要對(duì)下列設(shè)計(jì)需求做詳細(xì)的調(diào)查：

①設(shè)計(jì)對(duì)象自身的工作效率，包括年工作效率及小時(shí)工作效率。對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)還要了解機(jī)械效率方面的需求。

②設(shè)計(jì)對(duì)象所具有的主要功能,包括總功能及實(shí)現(xiàn)總功能時(shí)各分功能的動(dòng)作順序，特別是操作人員在總功能實(shí)現(xiàn)中所介入的程度。③設(shè)計(jì)對(duì)象與其工作環(huán)境的界面，主要包括輸入/輸出界面，裝載工作形式，操作員控制器界面，輔助裝置界面，溫度、濕度、灰塵等情況，以及這些界面中哪些是由設(shè)計(jì)人員保證的，哪些是由用戶(hù)提供的。

④設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)操作者技術(shù)水平的需求，要求操作人員達(dá)到什么樣的技術(shù)等級(jí)，并具備哪些專(zhuān)長(zhǎng)。

⑤設(shè)計(jì)對(duì)象是否被制造過(guò)。假如與設(shè)計(jì)對(duì)象類(lèi)似的產(chǎn)品已在生產(chǎn)，則應(yīng)參觀(guān)生產(chǎn)過(guò)程，并尋找有關(guān)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)文件。

⑥了解用戶(hù)自身的一些規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)，例如廠(chǎng)標(biāo)、一般技術(shù)要求、對(duì)產(chǎn)品表面的要求等。（2）設(shè)計(jì)對(duì)象工作原理的設(shè)計(jì)。

在明確設(shè)計(jì)對(duì)象的技術(shù)要求后開(kāi)始工作原理的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣取決于設(shè)計(jì)人員能否有效地對(duì)系統(tǒng)的總功能進(jìn)行合理的抽象和分解，并能合理運(yùn)用技術(shù)效應(yīng)，提出合理的原理方案。勇于開(kāi)拓、不斷探索新的工作原理，有利于使總體設(shè)計(jì)方案最優(yōu)化。工作原理設(shè)計(jì)后將形成總體方案的初步輪廓。（3）主要結(jié)構(gòu)方案的選擇。

機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，選擇主要結(jié)構(gòu)方案時(shí)必須保證系統(tǒng)所要求的精度、工作穩(wěn)定可靠、制造工藝性好，應(yīng)符合運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則或誤差均化原理。

按運(yùn)動(dòng)學(xué)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不允許有過(guò)多的約束，但當(dāng)約束點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且載荷較大時(shí)，約束處變形大，易磨損，這時(shí)可以采用誤差均化原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且允許有過(guò)多的約束。例如，滾動(dòng)導(dǎo)軌中的多個(gè)滾動(dòng)體利用滾動(dòng)體的彈性變形使?jié)L動(dòng)體直徑的微小誤差相互得到平均，從而保證了導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。（4）摩擦形式的選擇。

設(shè)計(jì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，要認(rèn)真選擇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦形式，如果處理不好而使動(dòng)、靜摩擦力差別太大，造成爬行，則會(huì)影響控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。因此設(shè)計(jì)總體方案時(shí)，必須選取具有適用于工作要求摩擦形式的導(dǎo)軌。導(dǎo)軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦形式有滑動(dòng)、滾動(dòng)、液體靜壓滑動(dòng)、氣體靜壓滑動(dòng)等幾種，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求，綜合考慮各方面因素進(jìn)行選擇。（5）系統(tǒng)簡(jiǎn)圖的繪制。

在選擇或設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中各主要功能元件之后，用各種符號(hào)代表各子系統(tǒng)中的功能元件，包括控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)等，根據(jù)總體方案的工作原理，畫(huà)出它們的總體安排，形成機(jī)、電、控有機(jī)結(jié)合的機(jī)電一體化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

根據(jù)這些簡(jiǎn)圖進(jìn)行方案論證，并做多次修改，確定最佳方案。在總體安排圖中，機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖表示，其他子系統(tǒng)可用方框圖表示。（6）總體布局及環(huán)境設(shè)計(jì)。

布局設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其任務(wù)是確定系統(tǒng)各主要部件之間相對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系以及它們之間所需要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。布局設(shè)計(jì)是一個(gè)帶有全局性的問(wèn)題，它對(duì)產(chǎn)品的制造和使用都有很大的影響。（7）總體精度分配。

總體精度分配是將機(jī)、電、控、檢測(cè)各系統(tǒng)的精度進(jìn)行分配。在進(jìn)行精確分配時(shí)，應(yīng)根據(jù)各子系統(tǒng)所用技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分配，不應(yīng)采取平均分配的方法。對(duì)于具有數(shù)字特征的電、控、檢測(cè)子系統(tǒng)，可按其數(shù)字精度直接分配；對(duì)于具有模擬量特征的機(jī)、電、檢測(cè)子系統(tǒng)，可按技術(shù)難易程度進(jìn)行精確分配。在精度初步分配后，要進(jìn)行誤差計(jì)算，把各子系統(tǒng)的誤差按系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差分類(lèi)，分別計(jì)算，與分配的精度進(jìn)行比較經(jīng)反復(fù)修改后，使各部分的精度盡可能合理?？傮w精度分配的目標(biāo)是以滿(mǎn)足總體精度為約束，使各子系統(tǒng)的精度盡可能低，達(dá)到取得最佳性能價(jià)格比的目標(biāo)。（8）總體設(shè)計(jì)報(bào)告。

總結(jié)上述設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)方面，寫(xiě)出總體設(shè)計(jì)報(bào)告，為總體裝配圖和部件裝配圖的繪制做好準(zhǔn)備?？傮w設(shè)計(jì)報(bào)告要突出設(shè)計(jì)要點(diǎn)，將所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)闡述清楚，同時(shí)應(yīng)列出所采取的措施及注意事項(xiàng)。在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)逐步形成下列技術(shù)文件與圖紙：

①系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖；

②控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器、傳感器工作原理圖等；

③總體設(shè)計(jì)報(bào)告；

④總體裝配圖；

⑤部件裝配圖。機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）（以工作機(jī)為例）的具體設(shè)計(jì)中須關(guān)注的主要問(wèn)題有：

1.確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)

工作機(jī)的目的功能是用來(lái)改變物質(zhì)的形狀、狀態(tài)、位置尺寸或特性，歸根到底必須實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)，并提供必要的動(dòng)力。其基本性能指標(biāo)主要是指實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)、軌跡、行程、精度、速度、動(dòng)力、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度。用來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)電一體化產(chǎn)品質(zhì)量的基本指標(biāo)是那些為了滿(mǎn)足使用要求而必須具有的輸出參數(shù),如：①運(yùn)動(dòng)參數(shù)：用來(lái)表征機(jī)器工作運(yùn)動(dòng)的軌跡、行程、方向和起止點(diǎn)位置正確性的指標(biāo)。

②動(dòng)力參數(shù)：用來(lái)表征機(jī)器輸出動(dòng)力大小的指標(biāo)，如力、力矩和功率等。

③品質(zhì)指標(biāo)：用來(lái)表征運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)品質(zhì)的指標(biāo)，如運(yùn)動(dòng)軌跡和行程的精度，運(yùn)動(dòng)行程和方向的可變性，運(yùn)動(dòng)速度的高低與穩(wěn)定性，力和力矩的可調(diào)性或恒定性等。以上基本性能指標(biāo)通常要根據(jù)工作對(duì)象的性質(zhì)、用戶(hù)要求，有時(shí)還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究才能確定?；拘阅苤笜?biāo)要以能夠滿(mǎn)足用戶(hù)使用要求為度，不需要追求過(guò)高的要求。在滿(mǎn)足基本性能指標(biāo)的前提下，還要考慮如下一些指標(biāo)：

①工藝性指標(biāo)：對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提出的方便制造和維修的要求，要做到容易制造和維修。

②人－機(jī)工程學(xué)指標(biāo)：考慮人和機(jī)器的關(guān)系，針對(duì)人類(lèi)在生產(chǎn)和生活中涉及的衛(wèi)生、體型、生理和心理等方面對(duì)產(chǎn)品提出綜合性要求，如操作方便等。

③美學(xué)指標(biāo)：對(duì)產(chǎn)品的外部性質(zhì)，如儀容、風(fēng)格、勻稱(chēng)、和諧、色澤以及與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)等各方面提出的要求。

④標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)：即組成產(chǎn)品的元部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2.系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分

工作機(jī)必須具備適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)才能滿(mǎn)足所需性能。在形成具體結(jié)構(gòu)時(shí)，要以各組成要素及要素之間的接口為基礎(chǔ)來(lái)劃分功能部件或功能子系統(tǒng)。復(fù)雜機(jī)器的運(yùn)動(dòng)常由若干直線(xiàn)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合而成，形成若干自由度，因此，也可以按運(yùn)動(dòng)的自由度劃分成若干功能子系統(tǒng)，再按子系統(tǒng)劃分功能部件。這種功能部件可能包括若干組成要素，各功能部件的規(guī)格要求可根據(jù)整機(jī)的性能指標(biāo)來(lái)確定。

特定機(jī)器的操作（執(zhí)行）機(jī)構(gòu)和機(jī)體通常必須自行設(shè)計(jì)，而執(zhí)行元件、檢測(cè)傳感元件和控制器等功能要素既可自行設(shè)計(jì)，也可選用市售的通用產(chǎn)品。

3.接口設(shè)計(jì)

接口問(wèn)題是各組成要素間的匹配問(wèn)題，有機(jī)械接口、電子硬件接口和軟件接口。執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間、檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通常是機(jī)械接口。機(jī)械接口有兩種形式。一種是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸，以及直接將檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行元件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接在一起的聯(lián)軸器、螺釘、鉚釘?shù)?，直接連接時(shí)不存在任何運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)變換。另一種是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如減速器、絲杠、螺母等?？刂破髋c執(zhí)行元件之間的驅(qū)動(dòng)接口、控制器與檢測(cè)傳感元件之間的轉(zhuǎn)換接口是電子傳輸、轉(zhuǎn)換電路。因此，接口設(shè)計(jì)問(wèn)題也就是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的具體應(yīng)用問(wèn)題。

4.綜合評(píng)價(jià)（或整機(jī)評(píng)價(jià)）

綜合評(píng)價(jià)主要是對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)目的功能的性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。機(jī)電一體化的目的是提高系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的附加價(jià)值，而附加價(jià)值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標(biāo)為依據(jù)。不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)可選用不同的評(píng)價(jià)方法。

5.可靠性復(fù)查

機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)既可能產(chǎn)生電子故障、軟件故障，又可能產(chǎn)生機(jī)械故障，而且容易受到電噪聲的干擾。因此，其可靠性問(wèn)題顯得格外突出，也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題之一。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，除用可靠性設(shè)計(jì)方法之外，還必須采用必要的可靠性措施，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初步完成之后，還需進(jìn)行可靠性復(fù)查和分析，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)改正。

6.試制與調(diào)試

樣機(jī)試制是檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的制造可行性的重要階段，并可通過(guò)樣機(jī)調(diào)試來(lái)印證各項(xiàng)性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。這個(gè)階段也是最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題以便及時(shí)修改和完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要階段。10.1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)

1.系統(tǒng)評(píng)價(jià)的目的和任務(wù)

系統(tǒng)評(píng)價(jià)是根據(jù)預(yù)定的系統(tǒng)目的，通過(guò)調(diào)查研究，應(yīng)用科學(xué)合理的程序與方法，對(duì)被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)或綜合性的價(jià)值做出判定，從多個(gè)方案中選擇其中在技術(shù)上先進(jìn)、在經(jīng)濟(jì)上合理、在操作上可行的系統(tǒng)最優(yōu)方案。評(píng)價(jià)的目的是為了決策，決策需要評(píng)價(jià)。即便是對(duì)于一個(gè)已經(jīng)做出決策、已經(jīng)正常運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其根本目的仍然是為了獲取成功的經(jīng)驗(yàn)及失敗的教訓(xùn)，以便將來(lái)做出更合理的決策。在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)主要是對(duì)該方案在各個(gè)方面能產(chǎn)生的后果及其影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便提供決策所需要的定性及定量的信息資料。

在系統(tǒng)運(yùn)行階段進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)主要是對(duì)該方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，弄清問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)狀心中有數(shù)，以便有效地改進(jìn)工作，及時(shí)調(diào)整方向，抓住機(jī)會(huì)，進(jìn)行合理的決策。

在系統(tǒng)方案完成以后進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)主要是定量地掌握系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到的目標(biāo)以及與預(yù)定目標(biāo)的差距，為下一步?jīng)Q策或其他系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作提供信息。

系統(tǒng)評(píng)價(jià)對(duì)于決策的有效性關(guān)系很大，正確的評(píng)價(jià)可使決策獲得成功，取得較好的效益；錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)會(huì)導(dǎo)致決策失敗，付出沉重的代價(jià)。

2.系統(tǒng)評(píng)價(jià)原則

（1）客觀(guān)性原則。一方面是指參加評(píng)價(jià)的人員應(yīng)站在客觀(guān)立場(chǎng)，實(shí)事求是地進(jìn)行資料收集、方法選擇及對(duì)其評(píng)價(jià)結(jié)果做出客觀(guān)解釋。另一方面是指評(píng)價(jià)資料應(yīng)當(dāng)真實(shí)可靠和正確。需要注意的是，在采取各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，一定要弄清統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)問(wèn)題之間真正的內(nèi)在關(guān)系，不要受到假象的迷惑。

（2）可比性原則。它是指被評(píng)價(jià)的方案之間在基本功能、基本屬性及強(qiáng)度上要有可比性。例如，將一臺(tái)洗衣機(jī)和一臺(tái)電視機(jī)放在一起進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，就很難指出兩者之間的優(yōu)劣；而一臺(tái)石英電暖器和一臺(tái)充油式電暖器之間就較容易從技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性及適用性等各方面進(jìn)行比較，做出合理的評(píng)價(jià)。（3）合理性原則。它是指所選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)正確反映預(yù)定的評(píng)價(jià)目的，要符合邏輯，有科學(xué)依據(jù)。

（4）整體性原則。它是指評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充，形成一個(gè)有機(jī)的整體，能從多側(cè)面綜合反映評(píng)價(jià)方案。如果片面強(qiáng)調(diào)某一方面的指標(biāo)，就可能歪曲系統(tǒng)的真實(shí)情況，誘導(dǎo)決策者做出錯(cuò)誤決策。

3.評(píng)價(jià)內(nèi)容

（1）技術(shù)性評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)以及運(yùn)行的根本目的是為了實(shí)現(xiàn)特定的功能，以便為人們提供物質(zhì)和精神的財(cái)富，或是帶來(lái)生活的便利。技術(shù)評(píng)價(jià)就是評(píng)定該系統(tǒng)方案是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、先進(jìn)性、適用性、屬性的完善性等都屬于技術(shù)評(píng)價(jià)。

（2）經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。它主要是指評(píng)價(jià)系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)效益，如投入產(chǎn)出比、性能價(jià)格比、成本費(fèi)用分析等經(jīng)濟(jì)可行性分析。（3）安全性評(píng)價(jià)。

安全性要求包括對(duì)人身安全的要求和對(duì)產(chǎn)品安全的要求。前者是指在產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中，不因各種原因（如誤操作等）而危及操作者或周?chē)渌藛T的人身安全；后者是指不因各種原因(如偶然故障等)而導(dǎo)致產(chǎn)品被損壞甚至永久性失效。安全性指標(biāo)需根據(jù)產(chǎn)品的具體特點(diǎn)而定。為保證人身安全而采取的措施有：

①設(shè)置安全檢測(cè)和防護(hù)裝置，如數(shù)控機(jī)床的防護(hù)罩、互鎖安全門(mén)，沖壓設(shè)備的光電檢測(cè)裝置，工業(yè)機(jī)器人周?chē)陌踩珫诺取?/p>

②產(chǎn)品外表及殼罩等應(yīng)倒角去毛刺，以防劃傷操作人員。

③在危險(xiǎn)部位或區(qū)域設(shè)置警告性提示燈或安全標(biāo)語(yǔ)等。

④當(dāng)控制裝置和被控對(duì)象為分離式結(jié)構(gòu)時(shí)，兩者之間的電氣連線(xiàn)應(yīng)埋于地下或架在高空，并用鋼管加以保護(hù)，以防導(dǎo)線(xiàn)絕緣層損壞而危及人身安全。（4）綜合評(píng)價(jià)。對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)主要是對(duì)其實(shí)現(xiàn)目的功能的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。機(jī)電一體化的目的是提高產(chǎn)品的附加價(jià)值，而附加價(jià)值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標(biāo)為依據(jù)，不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)可選不同的評(píng)價(jià)方法。具體設(shè)計(jì)時(shí)，常采用不同的設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的目的功能、規(guī)格要求、性能指標(biāo)。因此，必須對(duì)這些方案的價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中找出最佳方案，以便決策者做出正確的決策。

機(jī)電一體化系統(tǒng)一方面由微電子裝置取代人對(duì)機(jī)械的絕大部分控制功能，并加以延伸和擴(kuò)大，克服了人體能力的不足和弱點(diǎn)；另一方面，它具有節(jié)省能源和降低材料消耗的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得機(jī)電一體化系統(tǒng)是一種多功能、高性能、省能省資源的高附加值的產(chǎn)品。因此，附加價(jià)值成了機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。10.2基于單片機(jī)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

10.2.1基于89C52單片機(jī)的連續(xù)紙膠印機(jī)控制系統(tǒng)

在連續(xù)紙膠印機(jī)中，印刷色組和走紙系統(tǒng)通常采用純機(jī)械傳動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)紙印刷，因此，若需要印刷不同頁(yè)長(zhǎng)規(guī)格的連續(xù)電腦紙，必須更換相應(yīng)規(guī)格直徑的印刷色組。這里給出一種膠印機(jī)的電子傳動(dòng)方案，采用光電編碼器、交流伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，將印刷色組和走紙系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩套完全獨(dú)立的無(wú)機(jī)械連接的主從傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電子連接方式，實(shí)現(xiàn)主從跟隨傳動(dòng)控制。這一方法實(shí)現(xiàn)了僅用一組直徑152mm的間隙式印刷色組，可以印刷8~14英寸不同頁(yè)長(zhǎng)規(guī)格的電腦紙，無(wú)需調(diào)換相應(yīng)規(guī)格印刷色組。圖10－1印刷機(jī)組和走紙系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖圖10－1是印刷機(jī)組和走紙系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖。其中，印刷色組由直徑152mm的間隙式雙色印版漆橡皮布滾和壓印滾組成，印版滾和壓印滾均通過(guò)齒輪與橡皮布滾的主傳動(dòng)軸同步。走紙系統(tǒng)由前、后走紙器組成，由同步帶傳動(dòng)，使進(jìn)紙沒(méi)有間隙，采用交流伺服系統(tǒng)控制，確保輸出驅(qū)動(dòng)的高精度全閉環(huán)和高性能同步跟隨。

印刷色組和走紙系統(tǒng)之間無(wú)機(jī)械連接，是主、從兩套完全獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)高分辨率光電編碼器檢測(cè)主傳動(dòng)軸(橡皮布滾)的當(dāng)前角度，根據(jù)當(dāng)前的車(chē)速和用戶(hù)設(shè)定的頁(yè)長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算、判別，在主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)到0點(diǎn)時(shí)，控制由交流伺服系統(tǒng)帶動(dòng)的從傳動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)走紙器開(kāi)始走紙，保持走紙起印點(diǎn)和主印滾起印點(diǎn)一致的同步跟隨印刷，并且控制走紙器走紙的線(xiàn)速度與橡皮布滾的線(xiàn)速度完全一致。圖10－2膠印機(jī)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定與參數(shù)顯示，檢測(cè)主傳動(dòng)軸光電編碼器信號(hào)和印刷控制信號(hào)，控制交流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)走紙跟隨。單片機(jī)可以對(duì)OMRON2000P/R光電編碼器的ABZ三相信號(hào)進(jìn)行4倍細(xì)分檢測(cè)，使主傳動(dòng)軸檢測(cè)分辨率達(dá)到8000點(diǎn)/周，因此，可以準(zhǔn)確確定主傳動(dòng)軸角度，實(shí)現(xiàn)正確的測(cè)速和提供走紙同步的位置信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)主傳動(dòng)軸光電編碼器信號(hào)計(jì)算后，輸出脈沖控制伺服電機(jī)走紙。

信號(hào)輸入和驅(qū)動(dòng)輸出控制信號(hào)及光電傳感器輸入均采用了光電耦合器進(jìn)行隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾功能。圖10－3壓印0點(diǎn)示意圖間隙式橡皮布滾和壓印滾均設(shè)有缺口，壓印滾有效壓印區(qū)域?yàn)?4英寸，缺口作為離壓時(shí)控制調(diào)整部分，實(shí)現(xiàn)連續(xù)紙的倒退，缺口一角作為機(jī)械0點(diǎn)，如圖10－3所示?？梢哉{(diào)整連軸節(jié)，使光電編碼器的0點(diǎn)與機(jī)械0點(diǎn)一致。依靠控制軟件實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)軸與走紙器在每一頁(yè)印刷周期內(nèi)起印點(diǎn)一致和線(xiàn)速度一致的同步跟隨電子傳動(dòng)控制。印刷時(shí)，當(dāng)光電編碼器檢測(cè)到0點(diǎn)時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)走紙器跟隨主傳動(dòng)軸的角度變化開(kāi)始加速，當(dāng)走紙器加速到與印滾的線(xiàn)速度一致時(shí)，開(kāi)始?jí)河。蛩俑S走完相應(yīng)的設(shè)定頁(yè)長(zhǎng)距離，然后離印，走紙器開(kāi)始減速至零速。由于在加速、跟隨及減速過(guò)程中，走紙器走紙長(zhǎng)度略大于設(shè)定頁(yè)長(zhǎng)，因此，隨后伺服電機(jī)帶動(dòng)走紙系統(tǒng)通過(guò)反轉(zhuǎn)加速，勻速反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)減速至停止，把前面多走的長(zhǎng)度倒退回去，使伺服電機(jī)運(yùn)行周期內(nèi)走紙器走紙的前進(jìn)長(zhǎng)度就是一個(gè)頁(yè)長(zhǎng)，而反轉(zhuǎn)倒退的區(qū)域恰好在離壓后的缺口部分。圖10－4給出了印刷一頁(yè)長(zhǎng)度時(shí)伺服電機(jī)跟隨主傳動(dòng)軸角度的運(yùn)行過(guò)程。圖10－4伺服電機(jī)運(yùn)行過(guò)程

在正常同步跟隨時(shí)，主傳動(dòng)軸光電編碼器增加1，單片機(jī)向交流伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)一個(gè)正轉(zhuǎn)脈沖，使走紙線(xiàn)速度同印滾運(yùn)行線(xiàn)速度保持一致，走紙器走完設(shè)定長(zhǎng)度后，自動(dòng)停止，等待下一頁(yè)起始位置。

由于電子傳動(dòng)不是剛性的，它建立在系統(tǒng)的狀態(tài)反饋上，因而走紙系統(tǒng)對(duì)橡皮布滾主傳動(dòng)軸的跟隨會(huì)產(chǎn)生控制滯后。伺服系統(tǒng)位置指令發(fā)出與位置控制的到達(dá)在不同的速度下會(huì)產(chǎn)生不同的滯后量，伺服電機(jī)速度越大，位置控制的滯后也越多。圖10－5是伺服電機(jī)位置閉環(huán)控制的原理圖。通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)速度設(shè)定脈沖的檢測(cè)和伺服電機(jī)光電編碼器對(duì)實(shí)際速度的反饋的對(duì)比，可以估計(jì)伺服電機(jī)的位置滯后量，然后通過(guò)控制軟件增加伺服電機(jī)的前饋量，對(duì)位置滯后進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)電子傳動(dòng)的同步跟隨。圖10－5伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)控制原理圖10.2.2基于P87C591單片機(jī)的溫室控制單元

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展需要現(xiàn)代化的溫室作為基礎(chǔ)，先進(jìn)的玻璃溫室是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它具有對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的溫、濕、光、氣進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控的功能。實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境控制，需要使用大量的傳感器、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境的溫、濕、光、氣參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)，一般情況下，溫室的面積很大，因此這些傳感器、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要分布在非常廣闊的空間范圍內(nèi)。應(yīng)用基于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)對(duì)大面積溫室進(jìn)行監(jiān)控，可以降低溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件成本，簡(jiǎn)化傳感與執(zhí)行裝置的布線(xiàn)工作量，并具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。一種基于CAN總線(xiàn)的溫室網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10－6所示。其中無(wú)論是傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電路，均作為溫室控制單元，采用CAN總線(xiàn)以雙絞線(xiàn)作為遠(yuǎn)程通信介質(zhì)直接布局在溫室中需要布置的地方。圖10－6溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖10－7是應(yīng)用于溫室網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線(xiàn)溫室控制單元的基本結(jié)構(gòu)。其中，包括傳感器及其數(shù)據(jù)采樣的A/D變換器、對(duì)執(zhí)行加熱或通風(fēng)等控制動(dòng)作的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的控制開(kāi)光電路、鍵盤(pán)、顯示器和CAN總線(xiàn)收發(fā)器電路等。圖10－7溫室控制單元原理圖溫室控制單元選用P87C591作為微處理器。P87C591是一款從80C51派生而來(lái)的單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，采用80C51指令集，并成功地包含了PHILIPS半導(dǎo)體公司的SJA1000CAN控制器強(qiáng)大的PeliCAN功能。其全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式，振蕩器可停止和恢復(fù)而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；改進(jìn)的1∶1內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻器在12MHz外部時(shí)鐘速率時(shí)可實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。

P87C591具有16KB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和512B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM；3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器；6路10位ADC模擬輸入，可選擇快速8位ADC；2個(gè)8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出(PWM)；32個(gè)可編程I/O口(準(zhǔn)雙向、推挽、高阻和開(kāi)漏)；帶硬件I2C總線(xiàn)接口；全雙工增強(qiáng)型UART，帶有可編程波特率發(fā)生器；支持CAN2.0B規(guī)范；采用PLCC44、QFP44封裝。

溫室控制單元選用PCA82C250作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，工業(yè)PC機(jī)主要完成監(jiān)控系統(tǒng)的離線(xiàn)組態(tài)、生成及在線(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作；每個(gè)溫室控制單元節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成該節(jié)點(diǎn)的控制任務(wù)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制功能，可以通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與PC機(jī)和各控制單元之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。10.2.3基于壓力平衡原理的汽車(chē)燃油檢漏儀

燃油系統(tǒng)泄漏是汽車(chē)的主要污染源之一，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求汽車(chē)在出廠(chǎng)之前必須檢驗(yàn)燃油系統(tǒng)泄漏情況是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)氣密性的檢測(cè)，傳統(tǒng)方法有氣泡法、靜壓法、U型管法、氦質(zhì)譜法等，這些方法需要較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間，受人為因素影響大，不適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)批量檢測(cè)。基于壓力平衡原理的微泄漏檢測(cè)方法具有測(cè)試精度高、測(cè)試時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，是一種可以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)批量檢測(cè)的新方法。基于壓力平衡原理的汽車(chē)燃油檢漏儀的工作原理如圖10－8所示。基本原理是：將一個(gè)密封平衡系統(tǒng)分割成兩個(gè)子系統(tǒng)，它們之間既可連通，又可密封阻斷。檢測(cè)時(shí)，首先將兩個(gè)子系統(tǒng)連通并充入相等氣壓的氣體，然后密封阻斷兩個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)入保壓平衡期。兩個(gè)子系統(tǒng)之一是“標(biāo)準(zhǔn)件腔”，工作時(shí)可以基本保證密封無(wú)泄漏，另一子系統(tǒng)是被測(cè)的汽車(chē)燃油系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)被測(cè)件。在保壓平衡期內(nèi)，檢測(cè)兩個(gè)子系統(tǒng)的壓力差，并采用容積補(bǔ)償氣缸補(bǔ)充被測(cè)件的泄漏氣體，使得兩個(gè)子系統(tǒng)的壓力差保持為零。由保壓平衡期時(shí)間和容積補(bǔ)償氣缸補(bǔ)充的氣體量，可計(jì)算得到單位時(shí)間的氣體泄漏量。圖10－8基于壓力平衡原理的汽車(chē)燃油檢漏儀的原理圖圖10－8中，兩個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)同一氣源充氣，控制V1、V2、V3、V4、V5閥門(mén)的通斷，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中充氣期、平衡期、測(cè)量期、放氣期、待機(jī)期的切換。

為了減少充氣和閥門(mén)開(kāi)關(guān)造成的壓力波動(dòng)，將平衡期分為第一平衡期和第二平衡期。檢測(cè)過(guò)程中各閥門(mén)狀態(tài)如下：充氣期：閥V2關(guān)，閥V1、V3、V4、V5開(kāi)；

第一平衡期：閥V1、V2關(guān)，閥V3、V4、V5開(kāi)；

第二平衡期：閥V1、V2、V3、V4、V5關(guān)；

測(cè)量期：閥V1、V2、V3、V4關(guān)，V5開(kāi)；

放氣期：閥V1、V3、V5關(guān)，閥V2、V4開(kāi)；

待機(jī)期：閥V1、V3、V5關(guān)，閥V2、V4開(kāi)。基于壓力平衡原理的汽車(chē)燃油檢漏儀單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖10－9所示。系統(tǒng)選用法國(guó)KMD公司CP100系列高精度微差壓傳感器測(cè)量壓差，該傳感器具有4~20mA和0~10V標(biāo)準(zhǔn)輸出，采用三線(xiàn)或四線(xiàn)制連接，具有零點(diǎn)漂移小，分辨率高，量程寬，單邊瞬間超載高等特點(diǎn)。系統(tǒng)選用MCS－51系列單片機(jī)作為控制核心，采用MAX194作為A/D變換器，該變換器為逐次逼近型，14位串行輸出，帶有采樣保持電路，最高采樣頻率為85kHz，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為9.4μs，具有單極性和雙極性?xún)煞N輸入。LED顯示器采用串行接口8位LED驅(qū)動(dòng)器MAX7219，具有電路簡(jiǎn)單、占用端口少、功耗低及軟件開(kāi)銷(xiāo)少的特點(diǎn)，可對(duì)各段進(jìn)行單獨(dú)控制，并能按數(shù)字段進(jìn)行譯碼和非譯碼控制，串行數(shù)據(jù)傳送速率為100MHz，可以級(jí)聯(lián)使用。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，采用隔離驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電磁閥門(mén)進(jìn)行控制，在單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路之間加三態(tài)緩沖器74LS244和光電耦合器。圖10－9基于壓力平衡原理的汽車(chē)燃油檢漏儀單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖基于壓力平衡原理的汽車(chē)燃油檢漏儀的主要技術(shù)指標(biāo)有：

（1）最大測(cè)試壓力200kPa；

（2）測(cè)試差壓的范圍1500Pa；

（3）測(cè)量差壓精度±1.5%FS；

（4）測(cè)試容積可達(dá)50L；

（5）泄漏的檢測(cè)流量為0.1mL/min。10.3基于PC的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

10.3.1基于機(jī)器視覺(jué)的晶振外殼缺陷在線(xiàn)抽檢系統(tǒng)

晶體振蕩器（CrystalOscillator，簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）具有頻率穩(wěn)定度高、體積小、精度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種模擬和數(shù)字電路中，作為基準(zhǔn)時(shí)鐘源。其品質(zhì)的好壞直接影響到硬件電路系統(tǒng)能否按照特定要求正常工作。圖10－10晶振外殼外形圖晶振外殼的外形如圖10－10所示。其沖壓品質(zhì)對(duì)于晶振的質(zhì)量有重要影響，如果其破損或變形，則不能用于晶振封裝。

晶振外殼采用沖床連續(xù)沖壓成形，沖壓過(guò)程自動(dòng)上料、自動(dòng)沖壓，可在無(wú)人管理的情況下連續(xù)工作數(shù)十小時(shí)。晶振外殼的沖壓品質(zhì)主要由沖壓模具來(lái)保證，若沖壓模具損壞，在無(wú)人監(jiān)視的情況下沖床仍連續(xù)作業(yè)，則將造成大量廢品。為此，需要在沖壓生產(chǎn)線(xiàn)上配置晶振外殼品質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)抽檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)抽檢外殼來(lái)間接判斷模具狀況，工作頻率不需很高，一般數(shù)分鐘抽檢一次即可。晶振外殼品質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)抽檢系統(tǒng)可以完成對(duì)連續(xù)沖壓成形的晶振外殼進(jìn)行自動(dòng)在線(xiàn)取樣、樣品六面攝像、圖像分析、判斷和廢品報(bào)警。當(dāng)圖像分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干個(gè)晶振外殼樣品外形出現(xiàn)異常時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，請(qǐng)求更換沖壓模具，同時(shí)停止沖床沖壓工作。該抽檢系統(tǒng)機(jī)械裝置的原理圖如圖10－11所示。其工作過(guò)程是：來(lái)自沖床的已完成沖壓的晶振外殼全部經(jīng)水平輸送帶2傳送到輸送槽1，下滑至取樣槽4，抽檢系統(tǒng)不取樣時(shí)，取樣槽4在電磁鐵控制下，左側(cè)抬起，晶振外殼不能進(jìn)入取樣槽，直接滑入存儲(chǔ)箱3。抽檢系統(tǒng)取樣時(shí)，取樣槽4在電磁鐵控制下，左側(cè)放下，與輸送槽1對(duì)齊銜接，被取樣的晶振外殼滑入振動(dòng)整理槽9，經(jīng)過(guò)振動(dòng)調(diào)理方向并緩慢前行到凹槽10，氣動(dòng)機(jī)械手13將晶振外殼樣品夾至CCD顯微鏡a14處，氣動(dòng)機(jī)械手可以上下翻轉(zhuǎn)晶振外殼，由CCD顯微鏡a14攝取晶振外殼樣品的上表面和下表面圖像，然后由氣動(dòng)機(jī)械手將晶振外殼樣品放置到電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)15上，電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)可受控停止在0°、90°、180°和270°四個(gè)位置，使晶振外殼樣品的四個(gè)側(cè)表面依次對(duì)準(zhǔn)CCD顯微鏡b16，以攝取晶振外殼的四個(gè)側(cè)表面圖像。圖10－11晶振外殼品質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)抽檢系統(tǒng)機(jī)械裝置原理圖圖10－12晶振外殼品質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)抽檢系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖晶振外殼品質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)抽檢系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖10－12所示。其中CCD顯微鏡攝取的晶振外殼樣品的上表面、下表面和四個(gè)側(cè)表面的圖像經(jīng)圖像采集卡（天敏SDK2000PCI總線(xiàn)視頻采集卡）送入工業(yè)PC機(jī)進(jìn)行處理和分析。CCD顯微鏡選用SUNDOO公司的視頻數(shù)碼CCD顯微鏡SVMP－208，照明光源采用紅色LED，以擴(kuò)散光照明方式進(jìn)行照明。

選用EVOC公司的基于PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集與控制卡PCI－16P16R和端子板PCLD－880實(shí)現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)被控制器件的連通。PCI－16P16R具有16路繼電器輸出，16路光隔離數(shù)字輸入和數(shù)字量輸入信號(hào)調(diào)整電路。PCLD－880利用20芯扁平電纜和37芯D型接口作為I/O端口連接外部信號(hào)。電磁閥、電磁鐵以及報(bào)警裝置的控制信號(hào)通過(guò)PCI－16P16R的繼電器輸出端進(jìn)行控制。氣動(dòng)機(jī)械手由SMC的氣動(dòng)執(zhí)行元件組合構(gòu)成，包括氣爪MRHQ16D－180S－F9BV－F9B，旋轉(zhuǎn)底盤(pán)MSQB10A，頂桿氣缸MGPL16－10－Z73L。氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位臺(tái)也采用旋轉(zhuǎn)底盤(pán)MSQB10A控制轉(zhuǎn)位。選用Airtac的快速響應(yīng)的三位五通電磁閥4V130C－06對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行控制。氣動(dòng)執(zhí)行元件的位置信息通過(guò)安裝在元件上的位置開(kāi)關(guān)傳送給端子板PCLD－880后輸入PCI－16P16R數(shù)據(jù)采集與控制卡。

晶振外殼品質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)抽檢系統(tǒng)的控制軟件采用VC++6.0編程，使用了SDK－2000視頻采集卡的VC++6.0二次開(kāi)發(fā)包提供的DDStream32位動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)，圖像采集功能通過(guò)直接調(diào)用該函數(shù)庫(kù)中定義的接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。10.3.2基于PC的并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)床是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新一代機(jī)床。它采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，與傳統(tǒng)的以笛卡爾坐標(biāo)為基礎(chǔ)的串聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、動(dòng)態(tài)性能好、速度快、可重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

6－SPS并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10－13所示。該機(jī)床采用PC機(jī)作為控制系統(tǒng)的硬件工作平臺(tái)，采用并行接口LPT1和LPT2作為PC機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的接口。其中，LPT1是PC機(jī)的基本配置（中斷口地址為378H），另行擴(kuò)展了LPT2（中斷口地址為278H），以避免其與軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的中斷沖突問(wèn)題。圖10－13

6－SPS并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖程序通過(guò)PC機(jī)并行口LPT1和LPT2發(fā)出脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)工作。由于6軸并聯(lián)機(jī)床需要6個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)需要兩位數(shù)據(jù)位控制，因此，1~4號(hào)電機(jī)使用LPT1的8位數(shù)據(jù)位控制，5、6號(hào)電機(jī)使用LPT2的高4位控制。

并聯(lián)機(jī)床以兼容普通加工中心的加工能力為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，因而在數(shù)控加工程序編制上仍采用傳統(tǒng)的NC代碼指令，以便于程序的移植。但是，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的根本不同，并聯(lián)機(jī)床不能像傳統(tǒng)機(jī)床那樣直接控制X、Y、Z軸。在并聯(lián)機(jī)床上，必須將刀具位置和姿態(tài)轉(zhuǎn)換為控制空間時(shí)刻變動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)角，才能實(shí)現(xiàn)刀具位置和姿態(tài)的控制。因此，控制程序必須包含準(zhǔn)NC代碼格式變換、進(jìn)給算法、坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)變換等模塊。并聯(lián)機(jī)床控制軟件流程圖如圖10－14所示。圖10－14并聯(lián)機(jī)床控制軟件流程圖在機(jī)床的動(dòng)平臺(tái)進(jìn)給過(guò)程中，6根驅(qū)動(dòng)軸與動(dòng)平臺(tái)的鉸接點(diǎn)必須始終在同一個(gè)平面內(nèi)，否則就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。因此，采用等時(shí)細(xì)分法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床6個(gè)分支組件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配。通過(guò)逆解運(yùn)算，得到6驅(qū)動(dòng)軸的桿長(zhǎng)變化量，由于驅(qū)動(dòng)軸能伸長(zhǎng)和縮短，因此桿長(zhǎng)變化量有正有負(fù)。選取6桿桿長(zhǎng)變化量絕對(duì)值最大的一個(gè)，作為時(shí)間控制量。6個(gè)桿長(zhǎng)變化量分別與此最大值相除，然后根據(jù)時(shí)間控制變量，分別以前面相除得到的值為累加單位進(jìn)行累加，每累加一次所得的累加值，根據(jù)四舍五入原則取整，再減去上一次累加值的取整值，這樣所得的值為0、1、-1三個(gè)數(shù)值中的一個(gè)。數(shù)值1表示向驅(qū)動(dòng)此桿的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)一個(gè)正向脈沖；0表示不發(fā)脈沖；-1表示發(fā)一個(gè)反向脈沖。這樣，就完成了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖的分配。圖10－15等時(shí)細(xì)分法的流程圖等時(shí)細(xì)分法的程序框圖如圖10－15所示。其中，Δli是桿長(zhǎng)變化量，onestep為脈沖當(dāng)量，Si是累加和。

并聯(lián)機(jī)床控制軟件的設(shè)計(jì)可采用VisualC++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。由于VisualC++是一個(gè)面向?qū)ο蟮摹⒖梢暬拈_(kāi)發(fā)工具，它的函數(shù)可以直接訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存和I/O端口地址，因此比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。它的可視化功能及各種控件又能較方便地生成十分友好的用戶(hù)界面。并聯(lián)機(jī)床控制程序用以實(shí)現(xiàn)以下幾種基本進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡：

（1）水平和鉛垂方向運(yùn)動(dòng)(機(jī)床靜坐標(biāo)系X和Z軸方向)；

（2）空間任意兩點(diǎn)之間的直線(xiàn)軌跡；

（3）水平面上不同半徑的圓弧軌跡；

（4）不同半徑的局部球面的加工；

（5）動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)的連續(xù)變化。10.3.3基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展的新型數(shù)據(jù)系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)融合的數(shù)控技術(shù)產(chǎn)物。根據(jù)IEEE(美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì))的定義，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)指一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)應(yīng)能使各種應(yīng)用系統(tǒng)有效地運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的平臺(tái)上，具有與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互操作及用戶(hù)交換的特點(diǎn)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是“PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機(jī)器中，PC板主要運(yùn)行于非實(shí)時(shí)控制，CNC主要運(yùn)行于以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制；第二類(lèi)是“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，把運(yùn)動(dòng)智能控制板插入PC機(jī)的ISA標(biāo)準(zhǔn)插槽或PCI標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實(shí)時(shí)控制用，而PC機(jī)主要作非實(shí)時(shí)控制用；第三類(lèi)是純PC型開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)，其開(kāi)放功能完全由軟件實(shí)現(xiàn)。

這里主要介紹“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PC機(jī)作為主體，多軸智能運(yùn)動(dòng)控制卡插在其PCI標(biāo)準(zhǔn)插槽中，外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和主軸變頻調(diào)速模塊，與電機(jī)等設(shè)備構(gòu)成硬件總體結(jié)構(gòu)。PC機(jī)作為非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)控制由控制卡承擔(dān)，從而方便地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的開(kāi)放化和個(gè)性化。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)總體框圖如圖10－16所示，主要由5大部分組成，分別是PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、編碼器。PC機(jī)為聯(lián)想啟天6200，主頻3GHz。運(yùn)動(dòng)控制卡為臺(tái)灣ADLink公司生產(chǎn)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡PCI－8134，該控制卡使用了兩塊專(zhuān)業(yè)集成電路PCL5023，每塊PCL5023控制兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。PCI－8134使用32位PCI總線(xiàn)，能夠做到即插即用，可以產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器采用日本松下公司生產(chǎn)的MSDA153A1A，額定輸入電壓為三相線(xiàn)電壓200V。伺服電動(dòng)機(jī)采用日本松下公司生產(chǎn)的三相交流伺服電動(dòng)機(jī)MSMA152A，額定輸出功率為1.5kW。該伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有增量式編碼器，該編碼器與電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一周發(fā)出2500個(gè)脈沖信號(hào)，并將發(fā)出的脈沖信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)器。圖10－16“NC嵌入PC”型數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖運(yùn)動(dòng)控制卡PCI－8134可同時(shí)控制4個(gè)軸，以第一軸為例，說(shuō)明其信號(hào)連接與電氣連接的實(shí)現(xiàn)，如圖10－17所示。圖中虛線(xiàn)框代表運(yùn)動(dòng)控制卡的輸入/輸出信號(hào)接口CN2，數(shù)字代表接口CN2中對(duì)應(yīng)的引腳序號(hào)，這里使用差分輸出方式對(duì)脈沖信號(hào)OUT和方向信號(hào)DIR進(jìn)行輸出，這樣可以減少傳輸中的干擾，在線(xiàn)路較長(zhǎng)的時(shí)候應(yīng)盡量采用此方式。特別注意，該運(yùn)動(dòng)控制卡需要外接24VDC電源供電，24VDC電源需要接在控制卡外部電源輸入接口CN1中的第1引腳和第2引腳。實(shí)線(xiàn)框代表的是伺服驅(qū)動(dòng)器的CNI/F接口，帶小括號(hào)的數(shù)字代表接口CNI/F中對(duì)應(yīng)的引腳序號(hào)，其中，引腳（41）與引腳（12）也需要外接24V直流電源，引腳（50）要與驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)性接地正確連接，以防止人體觸電。圖10－17伺服驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)動(dòng)控制卡接線(xiàn)圖

PCI－8134運(yùn)動(dòng)控制器提供了DOS和Windows下的函數(shù)庫(kù)，方便了不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)基于Windows2000操作系統(tǒng)，在編程語(yǔ)言方面采用VisualBasic6.0作為開(kāi)發(fā)工具。為克服VB在實(shí)時(shí)性方面的不足，該系統(tǒng)采用多線(xiàn)程編程、多通道處理，這不僅很好地解決了系統(tǒng)資源利用瓶頸的問(wèn)題，而且可以有效縮短開(kāi)發(fā)周期。10.4基于PLC的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

10.4.1鍋爐膜式水冷壁管屏自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)

膜式水冷壁是鍋爐中三大受壓元件之一。采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)的鍋爐具有傳熱效率高，密封性能好，爐墻重量輕，節(jié)能、污染小的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，膜式水冷壁將在工業(yè)鍋爐中得到大力推廣。

膜式水冷壁由單根的鋼管與精密扁鋼相間雙面拼焊形成一定寬度的管屏，如圖10－18所示。為確保膜式水冷壁的制造質(zhì)量，必須保證膜式水冷壁鋼管間的節(jié)距精度，因此，膜式水冷壁的制造一般采用膜式水冷壁管屏自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)化焊接，如圖10－19所示。

圖10－18鍋爐膜式水冷壁管屏及彎曲成型的膜式水冷壁圖10－19膜式水冷壁管屏自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)圖10－20膜式水冷壁管屏的生產(chǎn)工藝流程焊前準(zhǔn)備階段將鋼管去除局部急彎并拋光，清除氧化皮至露出金屬光澤，然后按公差范圍分組；退火狀態(tài)盤(pán)卷料冷拔扁鋼經(jīng)扁鋼自動(dòng)化精整生產(chǎn)線(xiàn)按計(jì)算寬度進(jìn)行精整，使扁鋼達(dá)到規(guī)定尺寸，且表面平整、無(wú)扭曲。

單元及拼排焊接階段通過(guò)膜式水冷壁管屏自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)完成，這時(shí)將經(jīng)焊前預(yù)處理的鋼管及扁鋼排放在前輥道并移送至點(diǎn)焊裝置，進(jìn)行頭部點(diǎn)焊定位，再經(jīng)前輥道橫移裝置移至焊機(jī)正前方，壓輥壓下工件進(jìn)入焊接工段，布置在上槍架上的焊槍對(duì)鋼管和扁鋼間的上部角焊縫施焊。待管屏繼續(xù)行走至下焊槍工位時(shí)，啟動(dòng)下焊槍焊接電源并引弧，焊接管屏下部焊縫。當(dāng)整個(gè)管屏整體通過(guò)焊機(jī)后，先后停止上、下焊槍?zhuān)瓿珊附舆^(guò)程，上、下焊縫焊接成型。成型后的管屏將被移送到焊機(jī)后輥道上。小單元管排經(jīng)拼排焊接直至規(guī)定寬度。達(dá)到規(guī)定寬度的管屏通過(guò)成排彎曲裝備按設(shè)計(jì)要求角度進(jìn)行彎曲，然后開(kāi)天窗或看火門(mén)，最后進(jìn)行手工焊拼排至更大寬度。經(jīng)熱校、焊銷(xiāo)釘、切頭等工序，最后進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

膜式水冷壁管屏自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)采用PLC進(jìn)行控制，采用工業(yè)級(jí)人機(jī)界面、氣體壓力繼電器、交流變頻器、光電編碼器等組成焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和修正，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10－21所示。圖10－21焊接生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)在每一工位設(shè)置一個(gè)操作箱，相互獨(dú)立操作，焊接速度由變頻器調(diào)節(jié)，人機(jī)界面對(duì)工況、焊接參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面通過(guò)RS485接口和主控PLC進(jìn)行通信，將反饋到主控PLC的焊接參數(shù)以數(shù)字的形式顯示在屏幕上，如果參數(shù)超出設(shè)定的范圍，則屏幕顯示異常，發(fā)出警告，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)通過(guò)對(duì)所選焊接電源實(shí)際工作參數(shù)的分析建模，實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)預(yù)置功能，可對(duì)各焊接電源的焊接參數(shù)在焊前通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。圖10－22氣動(dòng)機(jī)械手工作示意圖10.4.2氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)

圖10－22是一個(gè)應(yīng)用于自動(dòng)化車(chē)間的自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的工作示意圖。該機(jī)械手用于將左工作臺(tái)上的工件搬運(yùn)到右工作臺(tái)上。機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制。對(duì)于上升/下降、左移/右移，其運(yùn)動(dòng)由雙線(xiàn)圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時(shí)機(jī)械手上升，下降電磁閥得電時(shí)機(jī)械手下降。對(duì)于夾緊/放松，其運(yùn)動(dòng)由單線(xiàn)圈兩位電磁閥控制，線(xiàn)圈得電時(shí)機(jī)械手夾緊，斷電時(shí)機(jī)械手放松。

將機(jī)械手的原點(diǎn)（即原始狀態(tài)）定為左位、高位、放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，檢測(cè)到左工作臺(tái)上有工件時(shí)，機(jī)械手下降到低位，夾緊工件，上升到高位，右移到右位。在右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)，機(jī)械手下降到低位，放松，然后上升到高位，左移回原位。其動(dòng)作邏輯關(guān)系圖如圖10－23所示。圖10－23機(jī)械手動(dòng)作邏輯關(guān)系圖動(dòng)作過(guò)程中，上升、下降、左移、右移、夾緊為輸出信號(hào)。放松和夾緊共用一個(gè)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈得電時(shí)夾緊，失電時(shí)放松，所以放松不作為輸出信號(hào)。低位、高位、左位、右位、工作臺(tái)上有無(wú)工件信號(hào)為輸入信號(hào)。

為便于控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，控制系統(tǒng)中加有手動(dòng)功能和顯示功能。當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置時(shí)，按下相應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕，可實(shí)現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動(dòng)控制。同時(shí)，“手動(dòng)”狀態(tài)指示燈亮，動(dòng)作時(shí)，相應(yīng)的動(dòng)作指示燈亮。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時(shí)，將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)位置時(shí)，“自動(dòng)”狀態(tài)指示燈亮，進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，手動(dòng)按鈕無(wú)效。設(shè)置手動(dòng)功能和顯示功能后，增加了8個(gè)輸入信號(hào)和2個(gè)輸出信號(hào)。圖10－24系統(tǒng)硬件原理圖圖10－25機(jī)械手的PLC控制程序

PLC程序控制原理如下：

機(jī)械手在左位、高位、放松狀態(tài)下，將自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)打至自動(dòng)位置，1000變?yōu)镺N，程序進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到左工作臺(tái)上有工件時(shí)，0004為ON，使得1001變?yōu)镺N，機(jī)械手下降。當(dāng)下降到低位時(shí)，壓合低位開(kāi)關(guān)0001為ON，使得1002為ON，HR000變?yōu)闉镺N，使得1005為ON，因而1006變?yōu)镺N，1004復(fù)位，上升停止，右移開(kāi)始。右移到右位時(shí)，壓合右位開(kāi)關(guān)0003為ON，使得1007為ON，因而1008變?yōu)镺N，1006復(fù)位，右移停止，進(jìn)入等待下降狀態(tài)。在光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)，0004為OFF，1009變?yōu)镺N，使得1010為ON，1008復(fù)位，下降開(kāi)始。下降到低位時(shí)，壓合低位開(kāi)關(guān)0001為ON，1011變?yōu)镺N，使得1012為ON，1010復(fù)位，HRO00復(fù)位，下降停止，放松開(kāi)始。延時(shí)3秒后，TIM01為ON，使得1013為ON，1012復(fù)位，上升開(kāi)始。上升到高位，壓合高位開(kāi)關(guān)0000為ON，1014變?yōu)镺N，使得1015為ON，1013復(fù)位，上升停止，左移開(kāi)始。左移到左位時(shí)，壓合左位開(kāi)關(guān)0002為ON，使得1015復(fù)位，左移停止。至此，一次工作完成。當(dāng)再檢測(cè)到左工作臺(tái)上有工件時(shí)，重復(fù)上述動(dòng)作。

在自動(dòng)工作過(guò)程中，若將自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置，則0006為ON，輸出1000~1015均復(fù)位，自動(dòng)工作停止。這時(shí)，按相應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕，便可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松動(dòng)作。利用手動(dòng)操作使機(jī)械手回到原點(diǎn)后，將自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)位置，即可再次進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。10.5機(jī)器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

10.5.1液壓挖掘機(jī)器人分布式測(cè)控系統(tǒng)

工程機(jī)械機(jī)器人化是提高工作效率的有效途徑，它能完成遙控、工況監(jiān)測(cè)、自動(dòng)挖掘等功能。挖掘機(jī)器人不同于固定式的工業(yè)機(jī)器人，它經(jīng)常在惡劣的野外環(huán)境下工作，有多個(gè)工作裝置需要控制，同時(shí)其內(nèi)部空間緊湊。采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的分布式、嵌入式控制結(jié)構(gòu)則是一種較好的解決方案，具有體積小、安裝位置隨意、可靠性高、維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，每一個(gè)工作裝置采用一個(gè)控制模塊，模塊之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信。挖掘機(jī)器人具有以下主要功能：

（1）動(dòng)力系統(tǒng)具有節(jié)能控制功能，能減少動(dòng)力系統(tǒng)功率損失。

（2）具有無(wú)線(xiàn)監(jiān)控端，能在非工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀(guān)察挖掘機(jī)器人反饋回來(lái)運(yùn)行參數(shù)。

（3）具有遙控功能，并能在監(jiān)控端屏幕上用三維動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)顯示遙控效果。

（4）可以在監(jiān)控端對(duì)機(jī)器人的工作軌跡進(jìn)行規(guī)劃，用三維動(dòng)畫(huà)仿真演示規(guī)劃效果，并控制機(jī)器人按此規(guī)劃進(jìn)行工作。

（5）機(jī)器人具有半自動(dòng)控制功能，司機(jī)只需操縱一只操作桿，就能使機(jī)器人的工作裝置按預(yù)定軌跡進(jìn)行工作，即通常所說(shuō)的“單桿操縱”，這對(duì)提高挖掘機(jī)的工作效率有重要意義。

（6）能夠在無(wú)線(xiàn)監(jiān)控端對(duì)挖掘機(jī)器人的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。挖掘機(jī)器人分布式測(cè)控系統(tǒng)的通信體系如圖10－26所示。其中，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)四個(gè)模塊接收來(lái)自管理節(jié)點(diǎn)的指令，分別控制挖掘機(jī)器人的四個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)；動(dòng)力控制模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵；管理節(jié)點(diǎn)一方面用來(lái)完成與無(wú)線(xiàn)監(jiān)控端的通信功能，另一方面用來(lái)完成對(duì)其他功能模塊的控制管理，如控制參數(shù)設(shè)置、軌跡跟蹤控制、工作參數(shù)收集等。無(wú)線(xiàn)監(jiān)控端使用PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)挖掘機(jī)器人的工作參數(shù)，如姿態(tài)、系統(tǒng)壓力等，并可實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、遙控、參數(shù)設(shè)置等功能。圖10－26挖掘機(jī)器人分布式測(cè)控系統(tǒng)的通信體系圖10－27為監(jiān)控端界面，它能根據(jù)管理節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示挖掘機(jī)器人的工作參數(shù)。其中，工作姿態(tài)以三維動(dòng)畫(huà)的形式顯示，工作參數(shù)則以示波器和編輯框數(shù)值的形式顯示。在界面菜單上還有挖掘機(jī)器人控制參數(shù)設(shè)置項(xiàng)，選中后以對(duì)話(huà)框的形式完成參數(shù)的設(shè)置。圖10－27泵控工作參數(shù)顯示挖掘機(jī)器人控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖10－28所示?？刂破鞣譃橹靼搴蛿U(kuò)展接口板兩部分。其中，主板電路適用于所有的控制模塊，由單片機(jī)、復(fù)位電路、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制電路、RS232電路、電源等組成。擴(kuò)展接口板電路則隨著功能模塊的不同而不同。圖10－28挖掘機(jī)器人控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖10.5.2多自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

串聯(lián)五自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖10－29所示，采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。機(jī)器人共有五個(gè)自由度：腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體除基座以外的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)；肩關(guān)節(jié)是個(gè)直移關(guān)節(jié)，可以帶動(dòng)大臂、小臂、手腕、手爪及工件的上下移動(dòng)，以滿(mǎn)足機(jī)器人工作空間上高度的要求；可以在小范圍內(nèi)調(diào)整小臂、手爪和工件的位姿；手腕包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，分別可以實(shí)現(xiàn)手爪的俯仰和擺動(dòng)。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局對(duì)其綜合性能有很大影響。按照設(shè)備安裝、拆卸和檢修方便的原則，把驅(qū)動(dòng)腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)1安裝在機(jī)座上；把驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)的電機(jī)2安裝到機(jī)器人的頂部，直接驅(qū)動(dòng)絲杠；由于大臂、小臂、手腕等均是懸空的，因此把驅(qū)動(dòng)電機(jī)3和電機(jī)4均配置到大臂的末端，以便平衡機(jī)器人的質(zhì)量；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)需要的扭矩較小，故電機(jī)5的體積小、質(zhì)量小，按照就近的原則，將其放在手腕的末端。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局如圖10－29（a）所示。圖10－29串聯(lián)五自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和控制，需對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可將機(jī)器人簡(jiǎn)化成由各連桿和末端執(zhí)行器首尾相接，并通過(guò)關(guān)節(jié)相連而構(gòu)成的一個(gè)開(kāi)式連桿系。據(jù)此將機(jī)器人簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)，并在底座上建立基坐標(biāo)系，每個(gè)關(guān)節(jié)上建立一相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。連桿系統(tǒng)的坐標(biāo)系如圖10－29（b）所示。

機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三級(jí)，如圖10－30所示。PC機(jī)為第一級(jí)，主單片機(jī)為第二級(jí)，從單片機(jī)為第三級(jí)。圖10－30機(jī)器人的控制系統(tǒng)示意圖

PC機(jī)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制界面和串行通信功能，通過(guò)PC機(jī)的COM2口將各種控制命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給主單片機(jī)。

主單片機(jī)是PC機(jī)與從單片機(jī)之間的橋梁，其主要功能包括與PC機(jī)、從單片機(jī)之間的通信控制，數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)，以及對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。主單片機(jī)選型為AT89C51單片機(jī)，并與MAX232電平轉(zhuǎn)換器、62256數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、INS8250等芯片組合構(gòu)成主單片機(jī)系統(tǒng)。其中，AT89C51是一種低功耗、高性能，內(nèi)部帶有4KB的可下載FLASH存儲(chǔ)器、128BRAM的8位CMOS單片機(jī)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51的指令和管腳排列兼容。從單片機(jī)選擇AT89C2051單片機(jī)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制、與主單片機(jī)的通信及完成行程開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)理。從單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由AT89C2051單片機(jī)、SH－20402A驅(qū)動(dòng)器組成。其中，AT89C2051單片機(jī)是AT89系列中的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品，與MCS－51結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別是減少了P0和P2端口，增加了一個(gè)模擬比較器。它執(zhí)行速度快，有良好的性能價(jià)格比。

機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如圖10－31所示。從單片機(jī)AT89C2051實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)高速、中速、低速的控制，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，以及在各種既定的速度控制中精確地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)—位控制。圖10－31步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖10.5.3高速并聯(lián)機(jī)械手位置控制系統(tǒng)

二平動(dòng)自由度高速、輕型并聯(lián)機(jī)械手——Diamond以美國(guó)NI公司的高性能運(yùn)動(dòng)控制器+PC為硬件平臺(tái)，采用圖形化的編程環(huán)境——Labview開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的高速、高精度位置控制。圖10－32（a）是天津大學(xué)研制的Diamond600型高速并聯(lián)機(jī)械手。

Diamond并聯(lián)機(jī)械手可應(yīng)用于電子、食品和醫(yī)藥等輕工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)輕小物料進(jìn)行高速中、短距離抓取、搬運(yùn)和放置等操作，在工作空間內(nèi)最高運(yùn)動(dòng)速度約5m/s，最大加速度可達(dá)60m/s2。圖10－32二平動(dòng)自由度高速并聯(lián)機(jī)械手及其機(jī)構(gòu)模型圖10－32（b）是Diamond并聯(lián)機(jī)械手的二平動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它由兩條支鏈和動(dòng)平臺(tái)組成，各支鏈包含兩個(gè)平行四邊形桿結(jié)構(gòu)，分別由機(jī)架—主動(dòng)臂—連架副主動(dòng)臂—支架和支架—從動(dòng)臂—?jiǎng)悠脚_(tái)組成。各構(gòu)件間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，進(jìn)而在主動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的二自由度平動(dòng)。該機(jī)構(gòu)可以與垂直于工作平面的單軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)相串接，構(gòu)成三自由度混聯(lián)機(jī)械手。

在如圖10－33所示的Oxy坐標(biāo)系中，動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)O′（x，y）的位置矢量r=(xy)T是根據(jù)機(jī)械手的工作需要而確定的，一般是一條連續(xù)的軌跡。機(jī)構(gòu)的位置逆解是建立機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的理論依據(jù)，通過(guò)求解位置逆解，可以得到對(duì)應(yīng)位置矢量r=(xy)T的主動(dòng)臂轉(zhuǎn)角，即對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)角θ1i(i=1,2)，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。圖10－33二平動(dòng)并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖在Oxy坐標(biāo)系中，有閉環(huán)方程（10－1）對(duì)式10-1兩端取模方，得到：（10－2）（10－3）

Diamond并聯(lián)機(jī)械手采用基于PC+運(yùn)動(dòng)卡的控制解決方案，如圖10－34所示。其控制系統(tǒng)主要由機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、運(yùn)動(dòng)控制卡和工業(yè)PC組成。圖10－34控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)工業(yè)PC作為上位機(jī)，主要完成計(jì)算和監(jiān)控的功能。運(yùn)動(dòng)控制卡采用NI公司的高性能四軸運(yùn)動(dòng)控制器PCI－7344，其內(nèi)嵌的32位實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)可以精確地控制多軸完成預(yù)定的軌跡，且可以使用LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBASIC以及C/C++進(jìn)行編程。作為控制系統(tǒng)的核心，PCI－7344執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的指令并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)由西門(mén)子SIMOD－RIVE611A驅(qū)動(dòng)器放大驅(qū)動(dòng)IFT5044無(wú)刷伺服電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)Diamond機(jī)構(gòu)。同時(shí)，該控制器也可將電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的位置和速度采集下來(lái)，作為軌跡精度和速度跟隨特性分析的依據(jù)。

Diamond的系統(tǒng)控制軟件使用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于Flexmotion進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabVIEW是NI公司推出的專(zhuān)門(mén)為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)的圖形化的編程環(huán)境(GraphicalDevelopmentStudio)。Flexmotion軟件包作為運(yùn)動(dòng)控制卡的驅(qū)動(dòng)程序與NI公司的運(yùn)動(dòng)控制卡一起提供給用戶(hù)，它支持在Windows2000/NT/9x上使用的大量應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。

運(yùn)行于上位機(jī)的操作軟件用來(lái)完成操作空間軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)、位置逆解、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、用戶(hù)NC編程、數(shù)據(jù)報(bào)告等功能。運(yùn)行于PCI－7344的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS用來(lái)控制運(yùn)動(dòng)I/O和數(shù)字I/O并通過(guò)DPRAM與上位機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。圖10－35為軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖。圖10－35軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖10.6機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)例

10.6.1數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)

數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)集成了激光、機(jī)械、傳感器和自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、微機(jī)自動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)等多項(xiàng)技術(shù)，能完成平面和三維曲面的激光加工。它主要用于汽車(chē)制造廠(chǎng)車(chē)身模具制造維修中的熱處理、表面熔覆和對(duì)汽車(chē)大型覆蓋件及梁類(lèi)零件的激光切割與焊接。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

如圖10－36所示，該加工機(jī)由主機(jī)、橫流激光器、電氣控制系統(tǒng)等組成。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表10－1。圖10－36多用途數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)表10－1主要技術(shù)參數(shù)

2.系統(tǒng)工作原理

1）平面與三維曲面的激光熱處理和表面熔覆

由于熱處理和熔覆的零件較重，一般直接裝在工作臺(tái)上。激光器可輸出5kW、直徑?37mm的高階模激光束。如圖10－37所示，激光束通過(guò)反射鏡1、2進(jìn)入Y軸方向，經(jīng)過(guò)反射鏡3沿Z軸方向傳到反射鏡4后，經(jīng)聚焦頭上的曲面反射鏡5聚焦到工件表面，光頭保持垂直，沿Y軸移動(dòng)，工作臺(tái)沿X軸可進(jìn)行平面加工。如果加上Z、C、A軸的運(yùn)動(dòng)，就能進(jìn)行三維軸面的熱處理與熔覆。

2)激光切割與焊接

機(jī)床換上帶聚焦透鏡的聚焦光頭，激光器輸出可達(dá)3kW、直徑?25mm的低價(jià)模激光束，如圖10－37所示，通過(guò)反射鏡6反射，由透鏡7聚焦到工件表面，機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)則可進(jìn)行三維曲面的切割與焊接。圖10－37激光加工機(jī)光路示意圖

3）激光切割焦點(diǎn)位置的自動(dòng)測(cè)量與控制

為了保證激光切割的質(zhì)量，需要自動(dòng)檢測(cè)激光焦點(diǎn)的位置，并控制光頭移動(dòng)使焦點(diǎn)相對(duì)工作表面保持在一定位置上。

以主機(jī)三個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置自動(dòng)控制，當(dāng)激光焦點(diǎn)檢測(cè)裝置測(cè)出焦點(diǎn)位置有變化時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)控制X、Y、Z坐標(biāo)軸做相應(yīng)移動(dòng)，以確保焦點(diǎn)與工作表面的相對(duì)距離不變。

4）三維曲面激光切割的示教編程

進(jìn)行三維曲面的激光切割時(shí)，由于被加工對(duì)象形狀復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，加工機(jī)設(shè)計(jì)了示教編程功能。加工前，操作人員先根據(jù)零件的工藝要求，在加工對(duì)象上畫(huà)出加工軌跡，然后通過(guò)示教裝置操縱各個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)，使激光頭按實(shí)際切割的需要沿加工軌跡預(yù)走一遍，找到軌跡中的關(guān)鍵點(diǎn)，并記錄關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再采用插補(bǔ)算法生成零件加工的軌跡規(guī)劃程序。實(shí)際加工時(shí)，激光頭將按軌跡規(guī)劃程序預(yù)定的軌跡進(jìn)行加工。

5）CAD／CAM軟件系統(tǒng)

為便于進(jìn)行二維平面切割，加工機(jī)配置了CAD／CAM軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有圖文設(shè)計(jì)、漢字矢量化處理、優(yōu)化排樣、NC程序自動(dòng)生成和加工過(guò)程仿真等功能。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)要求高精度、高速度、慣性小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠，這些要求不僅由機(jī)械傳動(dòng)模式和機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，還必須通過(guò)控制技術(shù)使傳動(dòng)部分與伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能相匹配，使系統(tǒng)達(dá)到高固有頻率、高剛度、合適的阻尼、線(xiàn)性的傳遞性能和小的慣量，以保證伺服傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的伺服特性（精度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性）。

激光加工機(jī)的X、Y、Z、A、C五個(gè)數(shù)控軸的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是加工機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。X、Y、Z三個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的行程均小于4m，因此選擇滾珠絲杠副傳動(dòng)。X、Y、Z三個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸均采用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副。C、A兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸選擇渦輪渦桿傳動(dòng)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸與伺服電機(jī)可直接用彈性聯(lián)軸器連接。

2）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)由五軸聯(lián)動(dòng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）和伺服驅(qū)動(dòng)單元、系統(tǒng)邏輯控制單元、激光焦點(diǎn)位置控制單元以及示教單元組成，如圖10－38所示。圖10－38電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

4.數(shù)控系統(tǒng)

CNC系統(tǒng)是激光加工機(jī)的控制中樞，主要完成五軸聯(lián)動(dòng)的加工運(yùn)動(dòng)軌跡和各個(gè)單元的協(xié)調(diào)。CNC軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)化編程，便于維護(hù)與擴(kuò)展。

（1）CNC系統(tǒng)的基本硬件采用研華AWS－860一體化工業(yè)控制機(jī)，由10槽無(wú)源PC總線(xiàn)母板、基于PC總線(xiàn)的PCA－6136CPU卡、ET4000顯示卡、10inch高分辨率彩色顯示器、230W開(kāi)關(guān)電源和PCD8931電子盤(pán)卡及電子盤(pán)組成。

（2）工業(yè)控制機(jī)通過(guò)RS232串行總線(xiàn)接口與PLC邏輯控制單元和示教單元相連，通過(guò)PC線(xiàn)與兩塊位置控制板相連。（3）CNC系統(tǒng)的位置控制采用Technology80公司基于PC總線(xiàn)的位置控制板，外接的伺服驅(qū)動(dòng)單元采用了Fagor公司的交流伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)。位置控制板1控制X、Y、Z軸伺服驅(qū)動(dòng)單元，位置控制板2控制A、C軸伺服驅(qū)動(dòng)單元。圖10－39所示為X軸位控板和伺服驅(qū)動(dòng)單元接線(xiàn)示意，其余Y、Z、A、C數(shù)控驅(qū)動(dòng)軸與此類(lèi)似。（4）系統(tǒng)的邏輯控制單元采用三菱公司的F1－60MR外裝式PLC，利用PLC的I/O口輸入行程開(kāi)關(guān)、壓力繼電器和工業(yè)控制機(jī)以及各單元的邏輯控制信號(hào)，輸出控制電磁閥、指示燈以及各單元的邏輯動(dòng)作。

5.檢測(cè)系統(tǒng)

在激光切割加工中，為了使切口處獲得最大的功率密度，保證切割質(zhì)量，激光焦點(diǎn)一般應(yīng)位于被加工工件表面以下板厚約1/3處。由于工件存在表面起伏誤差，在加工過(guò)程中，聚焦頭與工件之間的間隙將會(huì)有較大的變化，因此為了對(duì)激光焦點(diǎn)位置進(jìn)行有效的控制，必須先對(duì)焦點(diǎn)位置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，焦點(diǎn)的位置是根據(jù)聚焦頭與工件之間的間隙來(lái)決定的。

焦點(diǎn)位置檢測(cè)的要求是激光焦點(diǎn)位置的控制精度指標(biāo)為±0.2mm，檢測(cè)誤差不能超過(guò)±0.1mm。檢測(cè)方法有接觸式和非接觸式兩類(lèi)，在此介紹差動(dòng)變壓器接觸式檢測(cè)電路。差動(dòng)變壓器將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為傳感器的互感變化，使次級(jí)線(xiàn)圈感應(yīng)電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于傳感器做成差動(dòng)形式，故稱(chēng)為差動(dòng)變壓器。螺管形差動(dòng)變壓器可測(cè)量一毫米至上百毫米的位移范圍，應(yīng)用十分廣泛。但由于是接觸式檢測(cè)，因而這種系統(tǒng)僅在平面切割的激光機(jī)床中使用。

由于激光頭與工件之間的間隙一般為0.8～3mm，為提高線(xiàn)性度，傳感器檢測(cè)范圍應(yīng)留有余量，故選擇名義量程為±10m，實(shí)際只用到了±2.5mm。為保證導(dǎo)桿能與工件時(shí)刻保持緊密接觸而不留機(jī)械間隙，并且運(yùn)動(dòng)起來(lái)伸縮自如而不致卡死，應(yīng)選擇鐵芯通過(guò)復(fù)位彈簧與殼體相連的導(dǎo)向回彈式結(jié)構(gòu)。其基本參數(shù)有基本誤差±0.1％，線(xiàn)性度誤差±0.1％，回差0.04％，重復(fù)誤差0.04％。圖10－40中AD598為新型差動(dòng)變壓器信號(hào)處理芯片，輸出為±5V直流電壓，它經(jīng)過(guò)LM310射極跟隨器隔離后首先由測(cè)量放大器AD620進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換為0～10V輸出，以滿(mǎn)足后續(xù)電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片AD654的輸入要求。AD654將此