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(diǎn)智能制造的概念人工智能與新一代智能制造我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)

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(dòng)化為特征的先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，涉及制造過(guò)程中的設(shè)計(jì)、工藝、裝備（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、控制、軟件、集成）和管理。《智能制造概論》智能制造所涵蓋的內(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(chē)間，車(chē)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(chǎng)無(wú)人化的設(shè)備：智能制造推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人、多軸運(yùn)動(dòng)控制等智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使工廠無(wú)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(guò)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)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(chǎng)，每隔幾秒就收集一次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)很多形式的分析，包括設(shè)備開(kāi)機(jī)率、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)率、主軸負(fù)載率、運(yùn)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(yíng)管理模式，它可為企業(yè)提供一個(gè)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(kāi)發(fā)時(shí)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?！吨悄苤圃旄耪摗穲D1-2所示為三維立方體企業(yè)模型，該體系結(jié)構(gòu)的每個(gè)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(jì)、系統(tǒng)實(shí)施和運(yùn)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(diǎn)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(jì)、系統(tǒng)實(shí)施和運(yùn)行維護(hù)四個(gè)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(guò)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(lái)統(tǒng)一集成建模，最終形成具有一定柔性的動(dòng)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(kù)，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(zhuān)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(duì)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(yǔ)意，而且能提供一個(gè)由分析模型到投入實(shí)際實(shí)施模型的轉(zhuǎn)換接口，從而使得該模型能夠被企業(yè)實(shí)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(guò)程模型)：它一般包含諸如工作流模型名稱(chēng)、版本號(hào)、過(guò)程啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)：主要屬性有活動(dòng)名稱(chēng)、活動(dòng)類(lèi)型、活動(dòng)前、后條件、調(diào)度約束參數(shù)等。當(dāng)工作流運(yùn)行在分布的環(huán)境下時(shí)，在活動(dòng)的屬性中還應(yīng)包括執(zhí)行該活動(dòng)的工作流機(jī)的位置。轉(zhuǎn)換條件：主要負(fù)責(zé)為過(guò)程實(shí)例的推進(jìn)提供導(dǎo)航依據(jù)，主要參數(shù)包括工作流過(guò)程條件(flowcondition，過(guò)程實(shí)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(gè)活動(dòng)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(chēng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)值等。角色：角色屬性主要包括角色的名稱(chēng)、組織實(shí)體、角色的能力等。角色或組織實(shí)體決定了參與某個(gè)活動(dòng)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(lèi)型、名稱(chēng)、路徑及運(yùn)行參數(shù)。通過(guò)以上分析得出：工作流定義與活動(dòng)、工作流相關(guān)數(shù)據(jù)之間是一對(duì)多的關(guān)系，即一個(gè)工作流定義由多個(gè)活動(dòng)與多個(gè)工作流相關(guān)數(shù)據(jù)組成?！吨悄苤圃旄耪摗坊顒?dòng)：主要屬性有活動(dòng)名稱(chēng)、活動(dòng)類(lèi)型、活動(dòng)前、后條件、調(diào)度約束參數(shù)等。當(dāng)工作流運(yùn)行在分布的環(huán)境下時(shí)，在活動(dòng)的屬性中還應(yīng)包括執(zhí)行該活動(dòng)的工作流機(jī)的位置。轉(zhuǎn)換條件：主要負(fù)責(zé)為過(guò)程實(shí)例的推進(jìn)提供導(dǎo)航依據(jù)，主要參數(shù)包括工作流過(guò)程條件(flowcondition，過(guò)程實(shí)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(gè)活動(dòng)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(duì)生產(chǎn)端，衡量標(biāo)準(zhǔn)也不僅僅是自動(dòng)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(shí)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(shí)技術(shù):這是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的支持技術(shù)，也是實(shí)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(yùn)行方式上，而且表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上，所以稱(chēng)這種柔性為超柔性，如同一群人類(lèi)專(zhuān)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(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫(kù)，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(jiǎn)稱(chēng)AI）是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)分支，1970年代以來(lái)被稱(chēng)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?yàn)榻陙?lái)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(gè)獨(dú)立的分支，無(wú)論在理論和實(shí)踐上都已自成一個(gè)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(shí)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(jì)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?jì)算機(jī)來(lái)模擬人的某些思維過(guò)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能的原理、制造類(lèi)似于人腦智能的計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)能實(shí)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為新一代智能制造?！吨悄苤圃旄耪摗分悄苤圃斓娜N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(guò)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(shí)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(chǎng)景人工智能對(duì)于新一代智能制造的價(jià)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(jì)水平并促進(jìn)新型生產(chǎn)方式實(shí)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(shí)產(chǎn)生和利用的效率，從而推動(dòng)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。《智能制造概論》新一代智能制造的應(yīng)用場(chǎng)景具體如下：1.機(jī)器感知應(yīng)用：包括產(chǎn)品外觀檢測(cè)、手機(jī)玻璃蓋板檢測(cè)、動(dòng)力鋰電池的極片毛刺檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)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(dòng)作識(shí)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(cè)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(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)、人工智能物流調(diào)度與決策、高速動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)車(chē)間的生產(chǎn)因素識(shí)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(wú)人倉(cāng)庫(kù)管理、自動(dòng)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(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略1.3.1制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的背景新中國(guó)成立尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門(mén)類(lèi)齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動(dòng)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)綜合國(guó)力，支撐我世界大國(guó)地位。然而，與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)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(jí)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(guó)際金融危機(jī)發(fā)生后，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(guó)際市場(chǎng)空間。我國(guó)制造業(yè)面臨發(fā)達(dá)國(guó)家和其他發(fā)展中國(guó)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(guó)，固本培元，化挑戰(zhàn)為機(jī)遇，搶占制造業(yè)新一輪競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)?！吨悄苤圃旄耪摗?.我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境發(fā)生重大變化我國(guó)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(dòng)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(jí)、提質(zhì)增效刻不容緩。3.建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)任務(wù)艱巨而緊迫建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，必須緊緊抓住當(dāng)前難得的戰(zhàn)略機(jī)遇，積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，突出創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，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(shì)，動(dòng)員全社會(huì)力量奮力拼搏，更多依靠中國(guó)裝備、依托中國(guó)品牌，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變，中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌的轉(zhuǎn)變，完成中國(guó)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(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)立足國(guó)情，立足現(xiàn)實(shí)，力爭(zhēng)通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。第一步：力爭(zhēng)用十年時(shí)間，邁入制造強(qiáng)國(guó)行列。第二步：到2035年，我國(guó)制造業(yè)整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國(guó)陣營(yíng)中等水平。第三步：新中國(guó)成立一百年時(shí)，制造業(yè)大國(guó)地位更加鞏固，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)前列?！吨悄苤圃旄耪摗?.3.3制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略重點(diǎn)加快推動(dòng)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(guò)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(diǎn)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(dòng)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(cè)量?jī)x表、工業(yè)控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)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(guò)程智能化：在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車(chē)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(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(qǐng)列舉近年來(lái)我國(guó)工業(yè)和信息化部公布的“智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目名單”，并搜集相關(guān)資料就其中3項(xiàng)其智能制造項(xiàng)目的內(nèi)涵和特征進(jìn)行列表說(shuō)明。2請(qǐng)用思維導(dǎo)圖畫(huà)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(qǐng)繪制工作流元模型圖，并以你所熟悉的制造業(yè)企業(yè)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。5我國(guó)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(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)到新一代智能制造？7請(qǐng)簡(jiǎn)要闡述我國(guó)的制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)和戰(zhàn)略重點(diǎn)。第2章智能傳感技術(shù)《智能制造概論》本章要點(diǎn)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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(cè)量的元件。即被測(cè)量通過(guò)傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)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(guò)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(lèi)傳感器由很多種分類(lèi)方法，比較常用的有如下四種：按傳感器的物理量分類(lèi)，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(lèi)，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(hào)的性質(zhì)分類(lèi)，可分為：輸出為“１”、

"０”或“開(kāi)”、“關(guān)”等開(kāi)關(guān)量的開(kāi)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?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)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(dú)立線性度及絕對(duì)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(gè)常數(shù)。由于某種原因，會(huì)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?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量時(shí)，輸出信號(hào)隨時(shí)間的穩(wěn)定性，如圖所示。它可用理論電氣行程輸出信號(hào)電壓波動(dòng)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。可用下式表示：（2-4）式中：UCC：峰-峰值最大變化，輸出信號(hào)的最大波動(dòng)值；U0：傳感器的理論輸出信號(hào)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(chēng)為降功耗曲線。一般以傳感器在-55℃到70℃時(shí)功耗為100%，70℃到125℃之間時(shí)功耗開(kāi)始下降直至零。所以在使用時(shí)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(chēng)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?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜃鋈砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得的特性曲線不一致的程度。實(shí)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(gè)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(cè)時(shí)也可以選取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)點(diǎn)多次從一個(gè)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(gè)△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?！吨悄苤圃旄耪摗?.分辨率與閥值分辨率是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)能檢測(cè)出被測(cè)輸入量最小變化值。有時(shí)對(duì)該值相對(duì)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(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)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(gè)區(qū)的大小稱(chēng)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(cè)出被測(cè)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(cè)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(chēng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(guò)一定規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來(lái)表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效期來(lái)表示。漂移漂移指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的，不需要的變化。漂移常包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移，每一種又可分為時(shí)間漂移（簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)漂）和溫度漂移（簡(jiǎn)稱(chēng)溫漂）。時(shí)漂是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫漂是指由周?chē)鷾囟茸兓鸬牧泓c(diǎn)或靈敏度的變化?！吨悄苤圃旄耪摗罚?-8）△Y0：最大零點(diǎn)偏差；YFS：滿量程輸出傳感器的溫漂一般以溫度變化1℃時(shí)輸出的最大偏差與滿量程的百分比來(lái)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(duì)誤差；YFS—滿量程輸出。YFS通常精確度是以測(cè)量誤差的相對(duì)值來(lái)表示的。傳感器與測(cè)量?jī)x表精確度等級(jí)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(gè)數(shù)值是傳感器和測(cè)量?jī)x表在規(guī)定條件下，允許的最大絕對(duì)誤差值相對(duì)于其測(cè)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(cè)概述力及壓力是智能制造中最常見(jiàn)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(chē)、煤炭、地震監(jiān)測(cè)等幾乎所有行業(yè)中需要進(jìn)行智能控制的場(chǎng)合，都有力及壓力量檢測(cè)方面的需求。《智能制造概論》2.2.2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(shí)，它的電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這一物理現(xiàn)象稱(chēng)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(lèi)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(lèi)。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(lèi)應(yīng)變片的敏感柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成?！吨悄苤圃旄耪摗?.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(lái)說(shuō)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(chēng)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(gè)阻值相等的電阻條。《智能制造概論》2.壓力測(cè)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(gè)壓力腔。一個(gè)是和被測(cè)壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)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(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)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(shí)，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(duì)壓電晶片施加力時(shí)，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)。沿著Y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱(chēng)之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶片受壓力或拉力時(shí)，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(dòng)等許多非電量的測(cè)量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等等?！吨悄苤圃旄耪摗废聢D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(guò)二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓的壓電式力傳感器?！吨悄苤圃旄耪摗?.3位移傳感器2.3.1位移測(cè)量概述位移是智能制造中最常見(jiàn)的被控量之一，有角位移和線位移之分，測(cè)量位移主要是為了控制被測(cè)物的移動(dòng)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(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自動(dòng)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(chē)、煤炭、地震監(jiān)測(cè)等幾乎所有行業(yè)中需要進(jìn)行自動(dòng)控制的場(chǎng)合，都有位移量檢測(cè)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(guò)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(dòng)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(hào)電壓；x為被測(cè)量位移；L為傳感器敏感電阻長(zhǎng)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(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向I與磁場(chǎng)方向B不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間將會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，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(yùn)動(dòng)所致，這種物理現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)?！吨悄苤圃旄耪摗坊魻栃?yīng)所產(chǎn)生的電壓叫霍爾電壓，它的形成過(guò)程分析如下：磁場(chǎng)B垂直于導(dǎo)體正面，此時(shí)導(dǎo)體中的自由電子不僅在外加電壓作用下運(yùn)動(dòng)，而且還受到磁場(chǎng)作用產(chǎn)生定向移動(dòng)，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(chǎng)EH，稱(chēng)其為霍爾電場(chǎng)，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(chǎng)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(hào)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(kāi)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(kāi)口擋圈；6-轉(zhuǎn)軸；7-尼龍軸套；8-絕緣隔套；9-信號(hào)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(cè)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(cè)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(lèi)型有長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類(lèi)，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(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)示意圖b)

柵線放大示意圖1-長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)型和非對(duì)稱(chēng)型。a)不對(duì)稱(chēng)型b)

對(duì)稱(chēng)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(hào)錄制到磁柵上，在測(cè)量位移時(shí)由讀磁頭讀取磁柵上預(yù)先錄制的信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)處理部分處理后就得到磁頭與磁柵的相對(duì)位移量。長(zhǎng)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(cè)量的精度和范圍，實(shí)現(xiàn)了大位移的高精度測(cè)量。直線容柵的結(jié)構(gòu)原理示意圖如下圖所示：主要由動(dòng)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(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，是測(cè)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(dòng)螺管式、差動(dòng)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(shí)際使用中,常采用兩個(gè)相同的電感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)電感式位移傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測(cè)量誤差。下圖所示為變間隙型、變面積型及螺管型三種類(lèi)型的差動(dòng)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(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的測(cè)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(dòng)源振動(dòng)方向波方向振動(dòng)源振動(dòng)方向波方向a）b）《智能制造概論》超聲波測(cè)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(guò)時(shí)間t后，探頭接收到從液面反射回來(lái)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(cè)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(shí)間差。2L

1

ct《智能制造概論》2.4速度傳感器2.4.1速度測(cè)量概述速度也是智能控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)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(guò)程中設(shè)備或產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)快慢有關(guān)，涉及到生產(chǎn)的效率和設(shè)備運(yùn)行的安全。測(cè)量速度主要是為了控制被測(cè)物的移動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化?！吨悄苤圃旄耪摗?.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(cè)速傳感器，用途十分廣泛。霍爾傳感器（也叫霍爾器件或霍爾元件）是一種基于霍爾效應(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(kāi)關(guān)電路組合起來(lái)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(jì)圖2霍爾車(chē)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(cè)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(cè)，可以檢測(cè)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(jiàn)的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類(lèi)。下圖所示為常見(jiàn)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(hào)，

Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)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(hào)I。按照光電傳感器中光電元件輸出電信號(hào)的形式可以分為模擬式和脈沖式兩大類(lèi)?！吨悄苤圃旄耪摗?.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(cè)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(cè)量呈確定的函數(shù)關(guān)系，這類(lèi)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(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開(kāi)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(hào)。其速度檢測(cè)裝置安裝如圖所示，將信號(hào)盤(pán)固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)著信號(hào)盤(pán)?！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(lái)的新型測(cè)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(hào)處理技術(shù)的完善，使得這一新型傳感器得到了越來(lái)越多的實(shí)際應(yīng)用。它主要用于角速度和線速度的檢測(cè)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(lái)檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)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(lèi)型，但它們都是將外來(lái)的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長(zhǎng)的光，并以光的形式發(fā)射出來(lái)。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(cè)量概述溫度是很多工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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(cè)主要是為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的正常溫度，進(jìn)而確保產(chǎn)品品質(zhì)并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制。用于溫度檢測(cè)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(hào)分有模擬式和數(shù)字式兩大類(lèi)。《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(cè)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(chǎng)的溫度檢測(cè)，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?！吨悄苤圃旄耪摗?.熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)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(shí)的電阻值；R0為溫度為0℃時(shí)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(diǎn)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(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)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(shí)物《智能制造概論》2.5.4紅外輻射式溫度傳感器對(duì)于不適合接觸式測(cè)量的高溫和超高溫場(chǎng)合，需要用到非接觸式測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器。各種不同的電磁波按照波長(zhǎng)

(或頻率)排成如圖所示的波譜圖，稱(chēng)為電磁波譜。名稱(chēng)聲波無(wú)線電波紅外線可見(jiàn)光紫外線X射線γ射線波長(zhǎng)

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(chēng)為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類(lèi)。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(cè)溫計(jì)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(jiǎn)介智能傳感器（

Intelligent

sensor或Smart

sensor）自1970年代初出現(xiàn)以來(lái)，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)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(bǔ)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(cè)、信號(hào)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(jì)算機(jī)，可以是單片機(jī)、單板機(jī)，也可以是微型計(jì)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(hào)，并用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換器主要由測(cè)量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成，同時(shí)增加顯示單元和現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)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(jì)算機(jī)、信號(hào)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(hào)處理電路等各個(gè)部分以不同的組合方式集成在幾個(gè)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(gè)或多個(gè)敏感元件與微處理器、信號(hào)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(diǎn)智能傳感器的功能：具有自校準(zhǔn)功能具有自補(bǔ)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(chǔ)和記憶功能具有數(shù)字信號(hào)輸出功能《智能制造概論》智能傳感器的特點(diǎn)：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(bǔ)償。測(cè)量可靠性高。測(cè)量精度高。靈敏度高，可進(jìn)行微小信號(hào)的測(cè)量。具有數(shù)字通信接口，能與微型計(jì)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(cè)量。超小型化，微型化，微功耗。《智能制造概論》下圖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(cè)量飛機(jī)機(jī)翼上各個(gè)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(cè)量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤(pán)監(jiān)控及通過(guò)串口與計(jì)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(jì)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(qǐng)闡述傳感器的組成，并以圖1所示的測(cè)溫槍為例來(lái)說(shuō)明。題1圖2請(qǐng)闡述傳感器的技術(shù)指標(biāo)，請(qǐng)下載測(cè)溫槍的說(shuō)明書(shū)，說(shuō)明其中3個(gè)技術(shù)指標(biāo)含義。3力傳感器的應(yīng)用場(chǎng)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(qǐng)說(shuō)出幾種常見(jiàn)的機(jī)床加工位移測(cè)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(cè)量方式有哪幾種？7測(cè)量電動(dòng)機(jī)的溫度一般用那種傳感器？請(qǐng)說(shuō)明原因。8電感傳感器用于振動(dòng)測(cè)量有何優(yōu)越性？9應(yīng)用超聲波傳感器探測(cè)工件時(shí)，在探頭與工件接觸處要有一層耦合劑，請(qǐng)問(wèn)這是為什么?10請(qǐng)用圖來(lái)表示模塊式智能傳感器的構(gòu)成原理。11請(qǐng)問(wèn)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(diǎn)PLC控制技術(shù)基于PLC的模糊控制電動(dòng)機(jī)的變頻控制4伺服電動(dòng)機(jī)及其控制5

電動(dòng)機(jī)參數(shù)的智能辨識(shí)《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(kāi)始采用類(lèi)似微型計(jì)算機(jī)的通用結(jié)構(gòu)，把程序存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，用軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算、延時(shí)等過(guò)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）。現(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(yùn)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(hào)由按扭開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等提供各種開(kāi)關(guān)信號(hào)，并通過(guò)接口進(jìn)入PLC，經(jīng)PLC處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，通過(guò)輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動(dòng)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(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)用計(jì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)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(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等?！吨悄苤圃旄耪摗稰LC的運(yùn)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(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。

3.輸入、輸出和特殊功能模塊這些模塊統(tǒng)稱(chēng)為接口模塊，它們是CPU與現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(duì)電流、電壓、溫度、壓力、流量、位移和速度等模擬量進(jìn)行信號(hào)采集和輸入給CPU進(jìn)行判斷和控制。專(zhuān)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(dòng)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(zhuān)用工具，還可以通過(guò)其鍵盤(pán)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(xiě)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(mén)子、三菱、Rockwell、

MOELLER、松下、LG、匯川、信捷、和利時(shí)等公司編程系統(tǒng)的開(kāi)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(yǔ)言還有一定距離，但這些公司的編程系統(tǒng)會(huì)逐漸或終將與IEC

61131-3編程語(yǔ)言一致，是毋庸質(zhì)疑的。IEC

61131是國(guó)際電工委員會(huì)(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(yǔ)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(yǔ)言元素。配置是PLC的整個(gè)軟件，它用于定義特定應(yīng)用的

PLC系統(tǒng)特性，是一個(gè)特定類(lèi)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(chǔ)地址和系統(tǒng)能力。《智能制造概論》軟件模型的圖形表示《智能制造概論》資源資源在一個(gè)“配置”中可以定義一個(gè)或多個(gè)“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(gè)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(yùn)行期的特性。任務(wù)是一個(gè)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(gè)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(lái)，實(shí)現(xiàn)信息的存取。IEC軟件模型是面向未來(lái)的開(kāi)放系統(tǒng)IEC61131-3提出的軟件模型是整個(gè)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(yǔ)言以外的全部?jī)?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(kù)元素如何產(chǎn)生衍生元素，下圖所示的編程模型也稱(chēng)為功能模型，因?yàn)樗枋隽薖LC系統(tǒng)所具有的功能?！吨悄苤圃旄耪摗?.信號(hào)處理功能信號(hào)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(hào)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(lái)自機(jī)器或過(guò)程的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的信號(hào)電平，并將信號(hào)處理功能的輸出信號(hào)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的電平信號(hào)，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(jì)算機(jī)等裝置的通信，用于實(shí)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(hào)處理、機(jī)器或過(guò)程之間信息相互作用的平臺(tái)，也稱(chēng)為人機(jī)接口功能?！吨悄苤圃旄耪摗肪幊?、調(diào)試和測(cè)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(dú)立部分來(lái)實(shí)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(hào)，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。《智能制造概論》3.2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(duì)于模糊控制的評(píng)價(jià)是模糊控制不依賴于被控對(duì)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(shí)有很多不完替之處。同時(shí)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(lái)越重要，這點(diǎn)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(yǔ)言轉(zhuǎn)化為PLC的知識(shí)庫(kù)及程序，以便在PLC運(yùn)行程序時(shí)，能模擬人的思維方式，對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)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(wèn)題隸屬度《智能制造概論》擰水龍頭角度問(wèn)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(dòng)”隸屬度大。選它，其對(duì)應(yīng)的則是水龍頭相對(duì)轉(zhuǎn)角0°。②依隸屬度加權(quán)平均確定輸出，即水龍頭相對(duì)轉(zhuǎn)角:

0.75*0+0.25*1=0.25°由此可知，不管檢測(cè)到的溫度是多少，總可計(jì)算出與其對(duì)應(yīng)的水龍頭相對(duì)轉(zhuǎn)角。從模糊控制原理知，模糊控制算法的要點(diǎn)是:從輸入到模糊量的轉(zhuǎn)換，稱(chēng)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(chēng)解模糊?！吨悄苤圃旄耪摗纺：惴ㄝ斎肓磕：康氖前褭z測(cè)到的被控量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)隸屬度的模糊子集，即要對(duì)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(guò)運(yùn)行PLC程序?qū)崿F(xiàn)。模糊推理的依據(jù)是規(guī)則?！吨悄苤圃旄耪摗?.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(lèi)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(dòng)機(jī)的變頻控制3.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)概述在所有類(lèi)型的交流電動(dòng)機(jī)中，三相異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中是最常見(jiàn)的，這種電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)可分為繞線型和籠型兩種。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)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(duì)稱(chēng)繞組，可以聯(lián)結(jié)成Y形或△形。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組《智能制造概論》籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組則與定子繞組大不相同，它是一個(gè)自行短路的繞組。在轉(zhuǎn)子的每個(gè)槽里放置一根導(dǎo)體，每根導(dǎo)體都比轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)，在鐵心的兩端用兩個(gè)端環(huán)把所有的導(dǎo)條都短路起來(lái)，形成一個(gè)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(dòng)機(jī)的電磁感應(yīng)當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接到對(duì)稱(chēng)三相電源時(shí)，定子繞組中就通過(guò)對(duì)稱(chēng)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(dòng)勢(shì)建立的主磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)示意圖《智能制造概論》勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通絕大部分同時(shí)與定轉(zhuǎn)子繞組交鏈，稱(chēng)為主磁通。主磁通參與能量轉(zhuǎn)換，在電動(dòng)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(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電路。為了方便分析定子、轉(zhuǎn)子的各個(gè)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(dòng)機(jī)的等效電路異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有電路上的聯(lián)系，只有磁路上的聯(lián)系，不便于實(shí)際工作的計(jì)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(dòng)勢(shì)、電流、及功率因數(shù)等），而且轉(zhuǎn)子對(duì)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(shí)要保持折算前后轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)不變，以保證磁動(dòng)勢(shì)平衡不變和折算前后各功率不變?！吨悄苤圃旄耪摗贰吨悄苤圃旄耪摗啡喈惒诫妱?dòng)機(jī)的T型等效電路《智能制造概論》3.3.4三相異步電動(dòng)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(dòng)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(gè)部分：整流部分：通常又被稱(chēng)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(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換。逆變部分：通常又被稱(chēng)為負(fù)載側(cè)變流部分，它通過(guò)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逆變?cè)囊?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?jiàn)的逆變部分是由六個(gè)半導(dǎo)體主開(kāi)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(lái)作用，如圖所示。(4)制動(dòng)或回饋環(huán)節(jié)：將能量以熱能形式釋放或者通過(guò)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(cè)傳感電路、控制信號(hào)的輸入輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成。通用百年品奇包括以下部分：①開(kāi)關(guān)電源；②DSP（數(shù)字信號(hào)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(dòng)異步電動(dòng)機(jī)帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩輸出為：（3-4）此式表明，對(duì)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(yùn)行時(shí)，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(shí)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(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。如圖所示，其中虛線為補(bǔ)償定子壓降后的機(jī)械特性?！吨悄苤圃旄耪摗窞榱私频乇３謿庀洞磐ú槐?，以便充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，發(fā)揮電動(dòng)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(shí)行恒壓頻比控制時(shí)，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(dòng)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(zhuān)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(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)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(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)。控制器通常是PLC、計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)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(dòng)被控對(duì)象工作。被控對(duì)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(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)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。《智能制造概論》3.4.2伺服電動(dòng)機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)一般是指永磁同步型電動(dòng)機(jī)，它主要由定子、轉(zhuǎn)子及測(cè)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(dòng)機(jī)類(lèi)似，采用三相對(duì)稱(chēng)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(duì)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?！吨悄苤圃旄耪摗酚来磐叫徒涣魉欧妱?dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)《智能制造概論》伺服電動(dòng)機(jī)的通用結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)通常會(huì)采用如下圖所示的方式，它包括電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、軸承、編碼器、編碼器連接線、伺服電動(dòng)機(jī)連接線等?！吨悄苤圃旄耪摗?.4.3伺服驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與控制模式

1.伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)《智能制造概論》伺服驅(qū)動(dòng)器又稱(chēng)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(dòng)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(dòng)電路（能耗制動(dòng)電路）、逆變電路和動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路，可見(jiàn)比變頻器的主電路增加了動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路，即在逆變電路基極斷路時(shí)，在伺服電動(dòng)機(jī)和端子間加上適當(dāng)?shù)碾娮杵鬟M(jìn)行制動(dòng)?！吨悄苤圃旄耪摗?.伺服驅(qū)動(dòng)器的控制模式交流伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)可將驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合起來(lái)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(dòng)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(dòng)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(guò)控制輸出電源的頻率來(lái)對(duì)電動(dòng)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(dòng)器轉(zhuǎn)矩控制模式是通過(guò)外部模擬量輸入來(lái)控制伺服電動(dòng)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(dòng)器位置控制模式可以接受PLC或定位模塊等運(yùn)動(dòng)控制器送來(lái)的位置指令信號(hào)。位置控制模式《智能制造概論》3.5電動(dòng)機(jī)參數(shù)的智能辨識(shí)3.5.1概述電動(dòng)機(jī)定子電阻變化的補(bǔ)償對(duì)于磁鏈（ΨS或Ψr）、轉(zhuǎn)矩Te、轉(zhuǎn)速（ωr）和頻率（ωe）的正確估計(jì)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(bǔ)償時(shí)需要TS的信息，TS的平均值雖然可以通過(guò)在定子的幾個(gè)地方安裝的熱敏電阻傳感器來(lái)確定，但現(xiàn)實(shí)中大部分電動(dòng)機(jī)是無(wú)法安裝熱敏電阻的，因此需通過(guò)模糊規(guī)則來(lái)進(jìn)行進(jìn)行電動(dòng)機(jī)定子參數(shù)辨識(shí)?！吨悄苤圃旄耪摗?.5.2基于模糊規(guī)則的電動(dòng)機(jī)定子參數(shù)辨識(shí)以數(shù)控銑床的主軸電動(dòng)機(jī)3.7KW為例，并在該電動(dòng)機(jī)定子上安裝五個(gè)用于測(cè)試定子溫度的熱敏電阻。記錄電動(dòng)機(jī)穩(wěn)

Ts態(tài)時(shí)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(jì)器的隸屬函數(shù)《智能制造概論》用于ΔTSS(pu)估計(jì)的規(guī)則庫(kù)表《智能制造概論》定子電阻的模糊估計(jì)框圖下圖給出了完整的定子電阻估計(jì)框圖，它包括一個(gè)熱時(shí)間常數(shù)曲線和熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)。《智能制造概論》a)定子溫度估計(jì)器性能

b)電阻估計(jì)器性能定子電流動(dòng)態(tài)變化、轉(zhuǎn)速恒定時(shí)定子溫度估計(jì)器的性能及電阻估計(jì)器性能熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)用于形成下圖所示的實(shí)驗(yàn)曲線、TS的校正和電動(dòng)機(jī)熱時(shí)間常數(shù)τ的估計(jì)。《智能制造概論》【思考與練習(xí)題】1請(qǐng)闡述PLC的IEC組織定義，根據(jù)定義來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用功能。2

IEC61131-3中對(duì)于編程語(yǔ)言的規(guī)范是什么？3請(qǐng)舉例說(shuō)明目前主流PLC都支持IEC61131-3中的哪些規(guī)范。4

PLC對(duì)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(qǐng)舉例說(shuō)明洗衣機(jī)模糊控制的工作原理。6請(qǐng)用流程圖來(lái)說(shuō)明水溫模糊控制的過(guò)程。7三相電動(dòng)機(jī)的變頻控制優(yōu)點(diǎn)是什么？8如何實(shí)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(dòng)機(jī)自身有哪些參數(shù)需要進(jìn)行辨識(shí)？10電動(dòng)機(jī)的變頻與伺服控制如何做到智能化？請(qǐng)舉例說(shuō)明。11變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？為什么會(huì)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(diǎn)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(jiǎn)稱(chēng)

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(dòng)化為特征的先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，涉及制造過(guò)程中的設(shè)計(jì)、工藝、裝備（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computerized

Numerical

Control)，簡(jiǎn)稱(chēng)CNC。伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)包括伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)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(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?！吨悄苤圃旄耪摗份o助控制裝置數(shù)控機(jī)床除對(duì)各坐標(biāo)軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(kāi)關(guān)、工件的裝夾、分度工作臺(tái)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(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)等。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)單，而機(jī)床的剛度和傳動(dòng)精度較高?！吨悄苤圃旄耪摗?.1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)

1.按工藝用途分類(lèi)金屬切削類(lèi)：這類(lèi)數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床和加工中心等。金屬成型類(lèi)：這類(lèi)數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控沖床等。特種加工類(lèi)：這類(lèi)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(dòng)軸數(shù)分類(lèi)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(dòng)軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)按加工要求控制同時(shí)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸數(shù)目。目前有2軸聯(lián)動(dòng)、3軸聯(lián)動(dòng)、4軸聯(lián)動(dòng)、

5軸聯(lián)動(dòng)等。3軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(lèi)型分類(lèi)1）開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)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(kāi)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(dòng)部件上直接裝有直線位移檢測(cè)裝置，將測(cè)得的實(shí)際位移值反饋到輸入端，與輸入信號(hào)作比較，用比較后的差值進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(cè)裝置（如感應(yīng)同步器或光電編碼器），通過(guò)檢測(cè)角位移間接檢測(cè)移動(dòng)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(bǔ)功能:就是在工件輪廓的起始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)密化”，求取中間點(diǎn)的過(guò)程。 進(jìn)給功能: