机电传动控制1.ppt

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Control,机电工程学院,2012年8月,第,1,章,概述,机电传动控制简介,机电传动的典型代表,机电传动的发展概况,电气控制系统的发展概况,“,机电传动控制,”,课程的性质和任务,.,1,机电传动控制简介,机电传动控制研究的内容是什么？,机电,;传动；控制,机电：,“机电一体化技术”,和,“Mechatronics”即结合应用机械技术和电子技术于一体。综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术,，,1,机电传动控制简介,机电传动控制研究的内容是什么？,传动,:,传,动是指利用构件或机构把动力从机器,的一部分传递到另一部分，传递动力使,机器或机器部件运动或运转,控制,：,是指控制主体按照给定的条件和目,标，对控制客体施加影响的过程和行,为,1,机电传动控制简介,典型的机电传动的例子,E:Liang教学机电传动控制liangchapter1德玛吉(DMG)GMX400车铣加工中心获奖作品.flv,1,机电传动控制简介,典型的机电传动的例子,E:Liang教学机电传动控制liangchapter1Motoman_Robotic_Applications.flv,E:Liang教学机电传动控制liangchapter1sony_dance.wmv,E:Liang教学机电传动控制liangchapter1Big_Dog.flv,2,.,机电传动发展的概况,1),成组拖动,一台电动机,-,一根天轴,-,一组生产机械设备,机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差,.,2),单台电动机拖动,一台电动机,-,一台设备,当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了生产工艺要求,.,3),多台电动机拖动,一台专门的电动机,-,同一台设备的每一个运动部件,机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化,.,举例,:,龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的,.,2,.,1机床,发展的概况,20,世纪制造业的变迁,从手工作坊到机械工厂,从单件小批到大量生产,分工可以提高工作效率,机械化生产可以实现零件互换,大量生产可以降低成本、提高质量,20,世纪初的制造车间,由集中动力源驱动的架空天轴,变速用的 多级带轮,带传动,工人操作车床,工人劳动强度大,工作环境不安全,拥挤、昏暗、嘈杂,“奔驰”汽车博物馆的车间模型,带传动,架空天轴,车 床,砂轮机,锯 床,铣 床,直流发电机,-,电动机组,将动力分配到不同设备,20,世纪,50,年代的机床（,1,）,普通车床：回转体加工、螺纹加工,主轴齿轮变速箱,进给齿轮变速箱,溜板箱,刀 架,主 轴,尾 架,工人操作普通车床,20,世纪,50,年代的机床（,2,）,主 轴,升降工作台,万能升降台铣床：平面加工、成形加工,齿轮变速箱,主电动机,摇臂升降电动机,摇 臂,主 轴,摇臂钻床：钻孔、铰孔和攻螺纹,往复滑枕,齿轮变速箱,电动机,移动工作台,牛头刨床：平面加工、沟槽加工,砂轮电动机,工件电动机,往复工作台,外圆磨床：高精度圆柱表面加工,50,年代机床的特点,采用交流电动机单独驱动，齿轮变速，机床主轴可获得多种不同速度，切削功率大为提高。,机床发展成为独立的学科，对其结构配置和刚度，运动精度和动态性能都进行了深入研究，加工精度也有了明显提高。,车间工作条件有所改善，但机床使用特点仍停留在：一台机床一个操作者，使用一把刀具加工一个工件，完成一道工序。,加工复杂形状的工件仍有一定难度。,多轴加工专用组合机床,工件：,C6132,车床主轴箱体,16,根主轴从两面同时加工,2,个零件,进给驱动采用电气液压控制,多主轴加工，效率显著提高,机械、电气、液压综合自动化,组成自动生产线的基本单元,90,年代的数控机床,数控车床,数控系统,机床主轴,回转刀架,大型数控龙门铣床,机床主轴,数控系统,卧式加工中心刀具自动交换托板自动交换,机床主轴,刀 库,托 板,数控系统,立式加工中心,数控系统,刀 库,机床主轴,电火化加工机床,激光切割机床,数控机床的特点,可加工形状复杂的工件。刀具轨迹由计算机数字控制系统确定，自动完成加工过程,。,工序集中，一台机床可加工不同的工序，完成复杂工件的全部加工过程。,数控程序可由程序员编制，或由,CAD/CAM,集成系统自动生成。,操作者和机床在时间上和空间上分离，可进行多台机床管理。,机床结构模块化，可实现刀具和工件的自动交换。,信息化的车铣加工中心,数码相机,铣削卡盘,加工任务完成情况和机床状态可用手机查询,信息塔,(,e-Tower),车间工作地信息化，具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网，实时反映机床工作状态和加工进度,操作权限由指纹确认。工件试切时，可在屏幕上观察加工过程。故障报警显示、在线帮助排除,指纹确认,操作许可,信息化机床的特点,机床不仅是一台加工设备，机床信息化以后，工作地就成为一个独立自主管理的单元。,机床的操作需要通过指纹认证，然后即可下载加工任务和数控程序。,工作地与工厂计划调度系统联网，自动记录加工进度和工作状态。,工作地与物料（在制品、毛坯、工具和夹具）供应者联网，实时提出物料需求。,通过视像、语音交互，以及手机查询信息。,现在数控机床组成,数控机床的工作原理和组成,按所用进给伺服系统分类,步进电机系统、传动元件等,基本组成,：,控制实现：,脉冲频率、个数、方向控制进给速度、位移、方向,1、开环数控机床,特点：,加工精度低、结构简单、成本低、容易调试,按所用进给伺服系统分类,交、直伺服电机、检测装置、传动机构等,基本组成,：,控制实现：,直接检测输出量进行反馈控制,特点：,精度高、速度快、驱动功率大但系统复杂、稳定性不容易控制，易受干扰，成本高,2、闭环数控机床,按所用进给伺服系统分类,交、直伺服电机、检测装置、传动机构等,基本组成,：,控制实现,：,间接检测输出量进行反馈控制,特点,：,精度、速度，成本介于两者之间,3、半闭环数控机床,数控机床组成,返回,返回,数控车床结构,数控车床与普通车床结构差别,右图是同一品牌的数控车床与普通车床。结构上具有明显差异,数控系统；,床身稳固 装有防护门；,保留主轴箱、尾座；,取消挂轮箱、进给箱、溜板箱、光杆、丝杆等；,配备自动刀架对刀仪自动排屑等辅助设备。,伺服系统；,2.2,机器人发展,及结构,机器人的发展,机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。,二、机器人的分类,从应用环境上把机器人分为两类：,工业机器人：,是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。如：,机械手。,特种机器人,而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。,包括：服务机器人、水下机器人、,微操作机器人,、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。,机器人举例,机械手,机器爬虫,机械手,2工业机器人概述,一、工业机器人的含义,工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(主要是动作功能)、有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。,二、工业机器人的组成,工业机器人是机电一体化的系统，它由以下几个部分组成：,1、执行机构,2、机械本体,3、控制系统,4、检测系统,1）、执行机构,执行机构可以抓起工件，并按规定的运动速度、运动轨迹、把工件送到指定位置处，放下工件。通常工业机器人通过执行机构握持工件或工具，直接与工件或工具接触。有些工业机器人直接将工具（如电焊枪、油漆喷枪、容器等）固定在联结周上的。,2）、机械本体,（,1）机械本体的作用,机械本体用来固定驱动装置及其他装置的。,（2）行走机构,对用可以行走的工业机器人，它的机械本体是可以移动的；否则，机械本体直接固定在基座上。行走机构用来移动工业机器人。有的行走机构是模仿人的双腿，有的只不过是轨道和车轮机构而已。,（3）驱动系统,驱动系统装在机械本体内，执行机构的作用是向执行元件提供动力。根据不同的动力源，驱动系统的传动方式也分为液压式、气动式、电动式和机械式四种。,3）、控制系统,（,1）控制系统的作用,控制系统是工业机器人的指挥中心。,他控制工业机器人按规定的程序动作。控制系统还可存储各种指令（如动作顺序、运动轨迹、运动速度以及动作的时间节奏等），同时还向各个执行元件发出指令。必要时，控制系统汉对自己的行为加以监视，能自己排查出故障发生的原因并及时发出报警信号。,（2）人工智能系统,人工智能系统赋予工业机器人各种感觉功能，以实现机器人对工件的自动识别和适应性操作。,具有自适应性的智能化的机械系统也是当前机电一体化技术的发展方向，模糊计算机的应用虽然处于这一步的初级阶段但真正具有自适应性的智能化系统必将总这里突破。,4）、检测系统,检测系统主要用来检测自己的执行系统所处的位置、姿势，并将这些情况及时反馈给控制系统，控制系统根据这个反馈信息在发出调整动作的信号，使执行机构进一步动作，从而使执行系统一一定的精度到达规定的位置和姿势。,3 UP6工业机器人的结构,UP-6工业机器人,一、驱动装置,机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。,对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。,二、机器人对关节驱动电机的要求,1、快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。,2）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。,3、控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。4、调速范围宽。能使用于1：100010000的调速范围。5、能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。,6、体积小、质量小、轴向尺寸短。,三、主要使用的驱动电机,目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载在1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机和DC伺服电动机。交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭环控制，应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。,四、减速装置,机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大，常用的减速机构有：,1、RV减速机构；2、谐波减速机械；3、摆线针轮减速机构；4、行星齿轮减速机械；5、无侧隙减速机构；,6、滚珠丝杠机构；,7、带齿形减速机构,五、机器人的控制系统,1、控制系统的功能 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：,1）记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。2）示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。3）与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。4）坐标设置功能：有关节、直角坐标、圆柱坐标、工具坐标、用户自定义五种坐标系。,5）人机接口：示教盒、操作面板、显示屏 6）传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。7）位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。8）故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。,2、机器人控制系统的组成,1）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等,2）示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。,3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。,4）硬盘和软盘存储存 储机器人工作程序的外围存储器。,5）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出。,6）打印机接口 记录需要输出的各种信息。,7）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。,8）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。,9）辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。,10）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。,11）网络接口,3,.,电气控制系统的发展概况,1),继电器,-,接触器控制系统,能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制,;,结构简单,动作可靠,;,控制速度慢,控制精度差,.,2),连续控制方式和自动控制系统,20,世纪,30,年代的电机放大机控制,40-50,年代的磁放大器控制和水银整流器控制,1958,年以后的晶闸管,-,直流电动机无级调速系统,80,年代以来的新型电力电子元件,-,交流电动机无级调速系统,;,控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好,.,3电气控制系统的发展概况,3),可编程序控制器,(PLC),是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开关量输入的工业控制专用计算机,;,具有逻辑运算功能,定时,/,计数功能,数字运算功能,通信功能,.,4),计算机数字控制系统,1952,年美国出现第一台数控铣床,1958,年出现加工中心,20,世纪,70,年代,CNC,应用于数控机床和加工中心,80,年代出现了柔性制造系统,(FNS);,提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自动化,.,4,.“,机电传动控制,”,课程的性质和任务,1),课程性质,该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课,是机电一体化人才所需电知识的驱体,.,它将电机,电器,继电器,-,接触器控制,PLC,电力电子技术,自动调速系统有机地结合在一起,.,2),课程内容,全书,13,章,分为,5,个单元,:,(1),机电传动系统的动力学基础和过渡过程,;,(2),电机及继电器,-,接触器控制系统,;,(3),可编程序控制器,;,(4),电力电子技术的基本知识,;,(5),自动调速系统,.,3),课程学习任务,掌握继电器,-,接触器控制系统的工作原理和元件选择,掌握,PLC,的编程方法与应用,掌握闭环控制系统的工作原理与性能及其应用场所,.,了解电力拖动的一般知识,了解最新电气控制技术在生产机械上的应用,.,课程总结,我们要学习什么,1,2,3,5,7,4,9,6,11,13,15,17,L,11,L,21,L,31,L,12,L,22,L,32,U,V,W,注意电气原理图中的图形符号,文字符号和回路标号,电气原理图举例,例题：,数控机床进给传动系统,例题：,数控机床进给传动系统,在图中所示的数控机床进给传动系统中,电动机通过两级减速齿轮,G1,、,G2,、,G3,、,G4,及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。,J1,：轴,部件和电动机转子构成的转动惯量；,J2,、,J3,：轴,、,部件构成的转动惯量；,K1,、,K2,、,K3,分别为：轴,、,、,的扭转刚度系数；,K,为：丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数；,m,为：工作台质量；,C,为：工作台导轨粘性阻尼系数；,T1,、,T2,、,T3,分别为：轴,、,、,的输入转矩。,例题：,数控机床进给传动系统,分析方法,首先是把机械系统中各基本物理量折算到传动链中的某个元件上（本例是折算到轴,上）,使复杂的多轴传动关系转化成单一轴运动,转化前后的系统总机械性能等效；然后,在单一轴基础上根据输入量和输出量的关系建立它的输入,/,输出数学,表达式,例题：,数控机床进给传动系统,1.,转动惯量的折算,把轴,、,、,上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴,上,作为系统的等效转动惯量。设,T,1,、,T,2,、,T,3,分别为轴,、,、,的负载转矩,1,、,2,、,3,分别为轴,、,、,的角速度,v,为工作台位移时的线速度,z,1,z,2,z,3,z,4,分别为四,个齿轮的齿数。,（,1,）,、,、,轴转动惯量的折算。根据动力平衡原理,、,、,轴的力平衡,方程分别是,例题：,数控机床进给传动系统,因为轴,的输入转矩,T2,是由轴,上的负载转矩获得的,且与它们的转速成反比,所以,（,1,）,（,2,）,（,3,）,例题：,数控机床进给传动系统,又根据传动关系有,把,T,2,和,2,值代入式,(2),并将式,(1),中的,T,1,也带入,整理得,（,5,）,（,4,）,例题：,数控机床进给传动系统,（,2,）将工作台质量折算到,轴。在工作台与丝杠间,T,3,驱动丝杠使工作台运动。根据动力平衡关系有,式中,:,v,工作台的线速度；,L,丝杠导程。,所以丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功。,例题：,数控机床进给传动系统,又根据传动关系有,把,v,值代入上式整理后得,（,6,）,例题：,数控机床进给传动系统,（,3,）折算到轴,上的总转动惯量。把式（,4,）、（,5,）、（,6,）分别代入式（,1,）、（,2,）、（,3,）中,消去中间变量并整理后求出电机输出的总转矩,T,1,为,为系统各环节的转动惯量（或质量）折算到轴,上的总等效转动惯量,其中,分别为,、,轴转动惯量和工作台质量折算到,轴上的折算转动惯量。,例题：,数控机床进给传动系统,2.,粘性阻尼系数的折算,当工作台匀速转动时,轴,的驱动转矩,T3,完全用来克服粘滞阻尼力的消耗。考虑到其他各环节的摩擦损失比工作台导轨的摩擦损失小得多,故只计工作台导轨的粘性阻尼系数,C,。,根据工作台与丝杠之间的动力平衡关系有,T32=,CvL,例题：,数控机床进给传动系统,即丝杠转一周,T,3,所作的功,等于工作台前进一个导程时其阻尼力所作的功。,根据力学原理和传动关系有,式中,:C,工作台导轨折算到轴,上的粘性阻力系数,其值为,例题：,数控机床进给传动系统,3.,弹性变形系数的折算,机械系统中各元件在工作时受力或力矩的作用,将产生轴向伸长、压缩或扭转等弹性变形,这些变形将影响到整个系统的精度和动态特性,建模时要将其折算成相应的扭转刚度系数或轴向刚度系数。,上例中,应先将各轴的扭转角都折算到轴,上来,丝杠与工作台之间的轴向弹性变形会使轴,产生一个附加扭转角,也应折算到轴,上来,然后求出轴,的总扭转刚度系数。同样,当系统在无阻尼状态下时,T,1,、,T,2,、,T,3,等输入转矩都用来克服机构的弹性变形。,例题：,数控机床进给传动系统,（,1,）轴向刚度的折算。,当系统承担负载后,丝杠螺母副和螺母座都会产生轴向弹性变形,下图是它的等效作用图。在丝杠左端输入转矩,T,3,的作用下,丝杠和工作台之间的弹性变形为,对应的丝杠附加扭转角为,3,。,根据动力平衡原理和传动关系,在丝杠轴,上有：,T,3,2,=KL,例题：,数控机床进给传动系统,弹性变形的等效图,例题：,数控机床进给传动系统,式中,:,K,附加扭转刚度系数,其值为,K,=,（,2,）,扭转刚度系数的折算。设,1,、,2,、,3,分别为轴,、,、,在输入转矩,T1,、,T,2,、,T,3,的作用下产生的扭转角。根据动力平衡原理和传动关系,有,例题：,数控机床进给传动系统,由于丝杠和工作台之间轴向弹性变形使轴,附加了一个扭转角,3,因此轴,上的实际扭转角,为,3,+,3,将,3,、,3,值代入,则有,将各轴的扭转角折算到轴,上得轴,的总扭转角为,例题：,数控机床进给传动系统,将,1,、,2,、,值代入上式有,例题：,数控机床进给传动系统,式中,:,K,折算到轴,上的总扭转刚度系数,其值为,4.,建立系统的数学模型,设输入量为轴,的输入转角,X,i,输出量为工作台的线位移,X,o,。,根据传动,原理,可把,X,o,折算成轴,的输出角位移,。,在轴,上根据动力平衡原理有,例题：,数控机床进给传动系统,又因为,因此,动力平衡关系可以写成下式：,阅读书目,:,1.,齐占庆主编,.,机床电气控制技术,(,第三版,).,北京,:,机械工业出版社,.2004,年,6,月,.,2.,陈伯时主编,.,电力拖动自动控制系统,(,第三版,).,北京,:,机械工业出版社,.2003,年,8,月,.,3.,程宪平主编,.,机电传动与控制,(,第二版,).,武汉,:,华中科技大学出版社,.2003,年,9,月,.,4.,魏炳贵主编,.,电力拖动基础,.,北京,:,机械工业出版社,.2000,年,8,月,.,课程名称,：,机电传动控制,任课教师：梁辉,电话：,13969690076,邮箱：ilianghui,办公室：,南,1,楼三层,B3101,本节结束,谢谢！,