机电一体化重点.doc

第一章 机电一体化概论机电一体化的概念：机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称机电一体化系统的组成及其作用：执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能 量检测参数第二讲 精密机械技术机电一体化对机械系统的基本要求 高精度 快速响应（高速的计算机单元+慢速的机械单元） 良好的稳定性滚珠丝杠的特点 传动效率高 传动灵敏平稳 定位精度高 使用寿命长 同步性能好滚珠丝杠传动精度 影响传动精度的主要因素 轴向间隙原有预留间隙弹性变形引起的间隙 调整方法：施加预紧力 双螺母螺纹预紧调整式 双螺母齿差预紧调整式 双螺母垫片预紧调整式 调整间隙应注意的问题 预紧力大小适中 过大会增大摩擦，效率降低；过小会降低传动精度滚珠循环方式： 内循环和外循环间歇传动结构形式： 棘轮传动机构 槽轮传动机构 蜗形凸轮传动机构 不完全齿轮机构导轨的基本要求： 导向精度： 主要技术指标，指动导轨沿支承导轨的直线度或圆度。 耐磨性（精度保持性）： 除耐磨外，还应在磨损后能自动补偿或便于调整。 刚度： 刚度不够，变形将影响导向精度及部件之间的相对位置。 低速运动平稳性： 不易产生低速爬行现象或低速摆动现象。 热变形： 摩擦生热，热变形不易太大，会影响动导轨的运动甚至卡死。导轨低速运动的平稳性分析 低速爬行现象：动导轨在做低速运行时，在支承导轨上会出现时走时停的现象。低速爬行现象产生的原因分析：1.动摩擦与静摩擦之间存在差异2.所需要动力很小消除低速爬行的方法：提高系统的刚度：减小杆件的跨度、适当增加杆件的直径或减小长度减小摩擦力的变化：选用摩擦系数小的材料，用滚动摩擦代替滑动摩擦第三章 工业控制计算机机电一体化控制系统的类型 基于PC的控制系统 工业控制计算机+工业IO接口板 特点（见书本P65） 基于MCU的控制系统 单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器(DSP) 特点（见书本P65） 基于PLC的控制系统 顺序控制 特点（见书本P65） 其他控制系统 数控系统(NCS)、集散控制系统(DCS)、现场总线系统(FCS)工业组态软件的功能 实时数据采集(数字量、模拟量) 动态显示数据(文本、曲线、图、表等方式) 数据的实时运算处理(内置数字处理+脚本支持) 过程控制(脚本实现控制策略，流程控制) 历史数据记录 报警功能 网络通信功能(TCP/IP、RS422/485) 开放式结构(可扩充性，允许二次开发)工业组态软件的特点 1.用户无需具备计算机编程技术，可以再短时间完成开发工作 2.操作简单，可视性好，可维护性强，高性能，高可靠性第五章 可编程序控制器1. 物料的多级输送物料的多级输送过程中，为了防止物料的堵塞，n 启动：先启动后级输送带，再启动前级输送带，ABCn 停止：先停止前级输送带，再停止后级输送带，CBA BCA程序见实验册实验二2. 加工中心的钻头的总的使用时间由PLC计数。如果总使用时间超过钻头的使用寿命（100小时），PLC输出一个钻头需要替换的报警信号。P0000P0001P0002P0040P0041P0042电机L替换完成传感器钻头报警灯RST T000 T000 TMR T000 36000 ( P0040 )P0000C000U CTU C000R 00100T000C000P0001P0040T0001小时定时器计数器(1小时100次= 100小时)报警梯形图P0001P0001程序：LOAD P0000TMR T000 36000LOAD T000RST T000OR P0001LOAD T000LOAD C000OR P0001CTU C000 00100LOAD C000OR P0040AND NOT P0001OUT P0040END3.电动机正反转控制（联锁）控制要求：用PLC控制三相交流异步电机的正反转，设有三个操作按钮SB停、SB正和SB反。当SB正按下后，三相电机M开始正转。当SB反按下后，电动机M开始反转。SB停是紧急停止开关，当它按下时，电动机M将会停止运行。（正反转切换时须先停车！）输入输出SB停P00K正P40SB正P01K反P41SB反P02LOAD P0001 LOAD P0002OR P0040 OR P0041AND NOT P0000 AND NOT P0000AND NOT P0041 AND NOT P0040OUT P0040 OUT P0041 END开关量输入模块 直流开关量输入PLC内部电路COM输入端子现场开关DCR1R2LED光耦如上图所示：R1和R2构成分压器，R2、C构成阻容滤波，二极管D起保护作用（防止电源接反），发光二极管LED指示输入状态（亮表示现场开关合上），光耦实现输入电路的信号联接、电气隔离和电平转换。PLC内部电路COM输入端子现场开关R3CR1R2LED双向光耦 交流开关量输入 R1和R2构成分压器，R3是限流电阻，C是滤波电容，双向光耦实现整流和隔离作用，发光二极管LED指示输入状态（亮表示现场开关合上）。开关量输出模块PLC内部电路COM输出端子R1R2光耦LEDFuseLG(NPN) 晶体管输出 如右图所示：三极管G作为开关元件，发光二极管LED指示输出状态（亮表示负载通电），光耦实现输出电路的信号联接、电气隔离和电平转换。PLC内部电路继电器LEDCOMFuse输出端子L 继电器输出 如右图所示：发光二极管LED指示输出状态（亮表示负载通电），继电器实现输出电路的信号联接和电平转换，负载可以是直流的，也可以是交流的。 晶闸管输出 适合于大功率输出场合。可编程序控制器的编程语言 1梯形图 2命令语句表达式（助记程序） 3顺序功能图（SFC） 4控制流程图 5其他第六章 传感器与计算机接口1.M/T法测速M/T法测速原理：同时测量检测时间和在此检测时间内计数脉冲个数，从而得到被测转速。其中： m1：检测时间内得到的测速脉冲数 m2：检测时间内得到的时钟脉冲数 fc：时钟频率 p：编码盘每转送出的脉冲数2. 采样/保持电路（见第四章P103）作用：因为A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，在A/D转换的过程中，要求信号的电压保持不变，在A/D转换完成后，又要能跟踪信号电压的变化 香农采样定理：对于一个有限频率的连续信号，当采样频率fs2f信MAX时，采样函数才能不失真地恢复原来的连续信号。采样定理给出是采样的最低频率，为了保证精度，工程上通常fs(4-10)f信MAX。RF AvIvOCHRITS采样/保持电路由存储电容CH、模拟开关T(N沟道增强型MOS管)、输入电阻RI (限流)、反馈电阻RF和运算放大器A组成，有两种工作模式： 采样模式：控制信号S为高电平，T导通，输入信号vI通过RI、T向电容CH充电，若RI=RF，充电结束后，vO=vC=-vI ； 保持模式：控制信号S为低电平，T截止，输出电压vO由电容CH两端电压保持对采样/保持电路的要求在采样阶段，存储电容要尽快充电，以快速跟踪信号电压；在保持阶段，存储电容漏电流必须接近于零，以保持信号电压（相当于一个模拟信号存储器）A/D转换A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程一般分为四个步骤：采样、保持、量化和编码。 量化 输入信号经采样/保持后，得到一个阶梯波（模拟量）。 将阶梯波离散化，把采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，称为量化。指定的离散电平称为量化电平。 量化就是将样值电压表示成量化单位电压的某一整数倍，因此，量化必然存在误差（系统误差）。 量化一般有两种方法，只舍不入（类似于取整运算）和有舍有入（类似于四舍五入），前一种量化误差（1LSB）是后一种量化误差（0.5LSB）的两倍双极性偏移码的计算：例：一个12位的双极性AD转换器（-5V+5V）输出的编码为1011，0110，0001，1001，请问前端的信号电压多少？ (1011，0110，0001，1001)2 & 0X0FFF = (0000，0110，0001，1001)2 = (1561)10 1561 / 212 (5 (-5) + (-5) = -1.18896(V)第七讲 驱动元件及控制步进电机齿距角：转子相邻两齿之间的角度式中：Z是转子齿数步距角：转子每拍转过的角度。式中：Z是转子齿数；m：定子绕组（相）数；K：通电方式系数（单相、双相通电方式，K=1；单双相轮流通电方式，K=2）低频振荡：当步进运行频率或低速运行频率与步进电机的固有频率相等或相近时，就会产生共振现象，此时，电机只振荡不前进，这种现象称为低频振荡。为避免低频振荡，工作频率应尽量避开固有频率附近的共振区或调节步进电机上的阻尼器来改变固有频率。 步进电机的功率驱动接口 脉冲发生器 （决定转速与转角） 产生脉冲序列信号（频率由几赫到几十千赫可变）。通过控制输入脉冲的数量和频率，即可控制电机的角位移和转速。 脉冲分配器 （决定工作方式） 将序列脉冲按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。 脉冲放大器（功率放大） 脉冲分配器输出端的电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400A，而步进电机的驱动电流较大，如75BF001型步进电机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。脉冲分配器之软件分配器 基本原理：脉冲分配数据表查表获取相应控制数据输出到步进电机驱动电路。用途：用于步进电机的计算机控制例如：用8031单片机对数控X-Y工作台的两台四相步进电机进行控制。8031+5V+15VP1.0P1.7ABCDABCDX向电机 单片机与步进电机的接口电路1.实现信号传递2.电平转换：+5V+15V3.反相：P1.0=0XA=1脉冲分配数据表 序号Y向X向通电相控制数据转向P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111101110A0XEE反正211001100AB0XCC311011101B0XDD410011001BC0X99510111011C0XBB600110011CD0X33701110111D0X77801100110DA0X66例如：从8031的P1口输出数据：0xEE，X、Y的A相通电 0xEC，Y的A相通电，X的AB相通电 细分驱动例：用四相步进电机驱动滚珠丝杠以带动滑台作往运动。滚珠丝杠的螺距p=1cm，步进电机的转子齿数z=50，工作在双四拍方式，问滚珠丝杠在一个节拍内移动的距离为多少mm？如果通过细分使步进电机的细分数达到2000，当输入脉冲的频率f=1500Hz时，滑台的移动速度为多少mm/s？解： 直流电机部分 H型桥式（双向）PWM晶体管功率放大器电路原理图其中： T1-T4：大功率晶体管 D1-D4：续流二极管，保护大功率晶体管工作过程 在Us0时，T1、T4导通，T2、T3截止，电机是的电流方向是从左向右，此时电机处于加速过程； 在Us0，Us的占空比50，平均值0，正向导通时间反向导通时间，Up0，正转； Ui0，Us的占空比50，平均值0，正向导通时间反向导通时间，Up0，反转；交流异步电机的变频调速变频器的作用就是将工频交流电变为适合于交流电机调速的电压、频率可变的交流电。 结构 整流电路：对工业交流电进行整流，给后续的逆变电路和控制电路提供直流电源（直流电压源或直流电流源）。 直流中间电路：对整流电路出来的直流电进一步平滑，以保证逆变电路和控制电路得到质量较高的直流电。 逆变电路：将平滑直流电转变成电压和频率可调的交流电以驱动交流电机。 控制电路：起控制、保护和提供驱动。