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1、 机电一体化系统设计:0.1 机电一体化基本概念机电一体化的基本定义：机电一体化的英文名称是Mechatronics,是通过截取英文机械学(Mechanics)的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在一起而创造出来的一个新的英文名词。一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。第1页/共52页 常用的机电一体化产品基本组成要素分析。数控铣床机电一体化系统设计：0.1 机电一体化基本概念第2页/共52页数控车床
2、的基本组成要素？数控车床的基本组成要素？第3页/共52页数控车床的基本组成要素？数控车床的基本组成要素？计数器计数器专用控制程序EPROM用户加工程序外部RAM键盘显示驱动8031单片机I/O计数器计数器光电隔离功放X或Y向步进电机驱动电路三相异步电机刀架移动刀架转动刀架主 轴刀架进给脉冲刀架进给脉冲光栅光栅车床车床微型计算机微型计算机零位脉冲零位脉冲主轴脉冲编码器主轴脉冲编码器图图 数控车床闭环控制系统数控车床闭环控制系统第4页/共52页一、传动装置功能及性能要求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）第一章 机械系统设计二、滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动1、工作原理与结构形式 丝杠和螺母
3、的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。第5页/共52页2、滚珠的循环方式：内循环和外循环3、公称直径（滚珠中心圆直径）D0（mm）导程(或螺距)p（mm）4、尺寸标注：FC1B-606-5-E2 左 (汉江机床厂)5、当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。6、不能自锁，垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制动装置。滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧，轴向间隙调整的目
4、的：保证反向传动精度，预紧目的：提高刚度方法：双螺母预紧调整法第6页/共52页 简单计算：螺距t=6mm，旋转式位置传感器测得丝杆旋转角度为7290，求螺母的直线位移x？螺母丝杠螺距x=？支承方式的选择：三种支承方式支承方式的选择：三种支承方式第7页/共52页四、机械手四、机械手四、机械手四、机械手末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类：机械夹持器、特种末端执行器、万能手（或灵巧手）。三、三、支承导向机构设计支承导向机构设计 导轨的作用是支撑导向作用。一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨(或导动轨)，另一 部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨(或滑座
5、)。第8页/共52页 第二章 检测系统设计机电一体化一体化系统检测系统实质：机电一体化一体化系统检测系统实质：非电量非电量 电量电量显示或输出显示或输出1 传感器的定义定义：是一种以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之能确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。转换元件基本转换电路敏感元件被测量电量第9页/共52页 2 2传感器静态特性：传感器静态特性：线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差灵敏度：输出变化对输入变化的比值灵敏度：输出变化对输入变化的比值迟滞性：在正反行程期间输入迟滞性：在正
6、反行程期间输入输出特性曲线不重合程度输出特性曲线不重合程度重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合度重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合度 分辨力、零漂、精度分辨力、零漂、精度第10页/共52页3、电容传感器4、电感传感器5、光栅直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距。第11页/共52页 当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，由于挡光效应(当线纹密度50条/
7、mm时)或光的衍射作用(当线纹密度100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹称为“莫尔条纹”。光栅第12页/共52页 光栅第13页/共52页莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用举例光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，计算光栅的栅距和莫尔条纹的宽度？则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：L W/=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“
8、观察”莫尔条纹光强的变化。第14页/共52页 光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。7、光电编码器第15页/共52页（1）M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）T 编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）m1一定时间内用角编码器产生的脉冲数来确定速度的方法8 数字测速例：有一增量式光电编码器，其参数为2048p/r，在0.2s时间内测得8K个脉冲，则转速（r/min)为：n=60 8192/（2048 0.2）r/min =1200 r/min第16页/共52
9、页（2）T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为 n=60fc/（Nm2）用角编码器产生的相邻两个脉冲之间的时间来确定速度的方法例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为1000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)？第17页/共52页传感器输出信号有些什么特点？1、信号比较微弱、信号比较微弱2、为非电压信号、为非电压信号3、携带噪声信息、携带噪声信息因此，传感器在使用中需要进
10、行信号调理。信号调理一般包括放大、变换、调制与解调、滤波等。2.3 信号放大电路第18页/共52页高输入阻抗放大器虚短，虚断，”虚地”为保证共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子项1、高输入阻抗放大电路第19页/共52页当只有共模信号，共模抑制比无穷大 2、高共模抑制比放大器高共模抑制比差动放大器第20页/共52页浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入2、原理框图浮置电源光耦合器 输 入 放大器输 出放大器输出输入VLC 变压器耦合不仅隔离了输入与输出电路，而且也隔离了浮置电源，但体积大。光电耦合先将被测信号放大后由发光二极管转换成光信号，再由光敏三极管转换成电信号放大
11、输出，但非线性。3、隔离放大电路第21页/共52页 当电桥平衡，流过检流计的电流为零时，有即若比例臂 和Rs为已知，可以求出被测电阻Rx为的阻值。R1、R2均为固定电阻，Rx为被测电阻，Rs为可调标准电阻，G为灵敏电流计，E为工作电源。2.4 信号变换电路电桥测量电阻原理第22页/共52页1）电流）电流-电压变换电压变换模拟信号变换电路 电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为 2）电压-电流变换第23页/共52页2.5 信号调制与解调1、什么是信号调制？调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。2、什么是解调
12、？在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。c)ustuctb)a)O xtxO xO第24页/共52页2.6 信号滤波电路1.滤波器的类型按功能分：1.低通滤波器 低频通过，高频衰减;2.高通滤波器 低频衰减，高频通过;3.带通滤波器 通带内通过，通带外衰减;4.带阻滤波器 通带内衰减，通带外通过.例：滤波器的设计。第25页/共52页在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器
13、是RC滤波器。无源滤波器 第26页/共52页27一、人机接口一、人机接口第四章 机电一体化计算机接口设计R：上拉电阻OFF：高电平ON：低电平输入口输入波形A简单的开关输入电路第27页/共52页28软件去抖硬件去抖开关：OFF高电平低电平开关：ON开关：OFF开关：ON发生抖动的时间在10ms以下OFFON积分后的输出史密特触发器的输出史密特触发器积分电路第28页/共52页2901234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V键盘接口方法上图示出了8031通过P1口与一个44键盘的接口电路，其中P1.7P1.4作扫描线，P1.3P1.
14、0作输出线。第29页/共52页30键输入程序流程有键闭合？开始 调键扫描子程序，求键号，送（20H)延时10ms(A)=(20H)?键释放否？延时10ms键释放否？认定键号，转相应键处理子程序返回返回返回NYNYNNYYb.判断闭合键的键号，方法为依次从P1.7P1.4送出低电平，并从其他列线送出高电平，相应地顺序读入P1.3P1.0的状态，若全为“1”，则列线输出为“0”的这一列上没有键闭合；若不全为“1”，则有键闭合。状态为低电平的键的行号加上其所在列的列首号即为该键键号。a.判断键盘上有无键闭合，其方法为在扫描线P1.7P1.4上全部送“0”，然后读取P1.3P1.0的状态，若全部为“1
15、”，则无键闭合，若不全为“1”，则有键闭合。c.去除键的机械抖动，方法为读取键号后延时10ms,再次读键盘，若此键闭合则认为有效，否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的。d.使控制微机对键的一次闭合仅做一次处理，方法为等待闭合键释放后再处理。第30页/共52页31 发光二极管显示器（Light Emitting Diode）的接口设计12345678abcdefgdpdpabcdefgDPYabcdefgdpCOM共阳极abcdefgdpCOM共阴极将发光二极管组成阵列，封装于标准外壳中，即发光二极管显示器（LED显示器）。以七段LED显示器最为常用。引线有共阳极与共阴极两种结构如图
16、。人机输出接口第31页/共52页开光量的输入输出通道设计图11 用光耦合器隔离开关信号的电路图 Ui高-A低-B低U0高Ui低-A高-B高U0低第32页/共52页第五章 伺服系统设计 在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，精确地复现输入指令的变化规律。其组成如下图：第33页/共52页伺服系统根据控制原理，即根据有无检测环节及其检测部件，可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方式图5-3 伺服系统的控制原理类型第34页/共52页一、单向晶闸管的结构与工作原理一、单向晶闸管的
17、结构与工作原理晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A A）、阴极（K K）、门极（G G）。A N N P KG P J1J2J3 AGK图2 晶闸管的图形符号和内部结构1)单向晶闸管的结构第35页/共52页2)单向晶闸管导通必须同时具备两个条件：阳极与阴极之间加正向电压控制极与阴极之间加正向电压第36页/共52页（一）电阻性负载图6 单相半波可控整流电路及波形第37页/共52页VT的移相范围为0180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式相位控制方式，简称相控方式相控方式。n控制角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用表示,
18、也称触发角或触发延迟角。n导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。直流输出电压平均值为第38页/共52页计算练习：可控整流电路中，U2=220V，RL=10,可控硅控制角=30180，求输出电压平均值UL的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值第39页/共52页 （1）由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。360/ZKm 其中：Z转子齿数 m定子绕组相数 K通电系数 K=1,2例：若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角为多少？二、步进电机的控制二、步进电机的控制第40页/共52页 单三拍时：单三拍时：A AB BC,
19、C,A AB BC C 电压电流波形电压电流波形第41页/共52页 双三拍时：双三拍时：单双拍（即六拍）时：单双拍（即六拍）时：ABABBCBCCA,CA,ABABBCBCCACAA AABABB BBCBCC CCA,CA,-A-AABABB BBCBCC CCA CA 第42页/共52页 （2）驱动电源的组成脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号ABC脉冲分配器脉冲分配器+功率放大电路功率放大电路第43页/共52页步进电机控制信号的产生步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单
20、片机（或计算机）产生，其基本（或计算机）产生，其基本控制作用控制作用如下：如下：控制换相顺序（也称脉冲分配）控制换相顺序（也称脉冲分配）控制转向（正反序通电）控制转向（正反序通电）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）硬件环分软件环分+功率驱动第44页/共52页 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。1)输出接口 8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例
21、中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。第45页/共52页因此可以通过改变电枢电压Ua进行调速电压的平均值为第46页/共52页2 2PWMPWM驱动电路装置驱动电路装置 根据根据PWMPWM的工作原理，必须有一种电路的工作原理，必须有一种电路或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫直流直流PWMPWM驱动装置驱动装置。图5-25 PWM驱动电路框图第47页/共52页当控制电压当控制电压UeUe为零时，输出电压为零时，输出电压UAUA和和UBUB的脉冲宽度的脉
22、冲宽度相同，且等于相同，且等于T/2(TT/2(T为三角波的周期为三角波的周期)。当控制电压当控制电压UeUe为正时，为正时，UAUA的宽度大于的宽度大于T/2T/2，UBUB的的宽度小于宽度小于T/2T/2；UeUe为负时，情况则相反。为负时，情况则相反。由此得到两种不同的被调制直流电压。由此得到两种不同的被调制直流电压。第48页/共52页3 3）开关功率放大器开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器电路图:由四个大功率晶体管T 1、T 2、T 3、T4 及四个续流二极管组成的桥 式电路。H型：又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4 为调制器输出
23、，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（2）PWM调速系统三、直流伺服电机第49页/共52页工作原理：T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同 时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：电动
24、状态：当0t t1时，Ub1、Ub4为正，T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US T1 T4 地。续流维持电动状态：在t1 t T时，Ub1、Ub4为负，T1 和T4截止；Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的 作用下，电枢电流id=id2，由D2 D3续流，在D2、D3 上的压降使T2、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流 维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时：反接制动状态，电流反向：状态中，在负载较轻时，则id小，续流 电流很快衰减到零，即t=
25、t2 时（见上面右图），id=0。在t2 T 区段，T2、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3 由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。电枢电感储能维持电流反向：在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，T2、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4 D1。（2）PWM调速系统直流伺服电机第50页/共52页电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1 T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度 决定的。双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和 US之间变换一次，故称为双极性。（2）PWM调速系统直流伺服电机第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页