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1、机电一体化概论机电一体化概论作者：作者：2.1 2.1 机械技术机械技术教学目标：1.理解机电一体化系统中的机械系统组成及其基本要求。2.以机器人的机构为例，了解机电一体化系统对机械部件的选用。机械技术是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统机械产品之间的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强和性能更优越。2.1.1 机电一体化系统中的机械系统及其基本要求1.机电一体化系统中的机械系统机电一体化系统的机械系统是由控制器协调与控制的，用于完成一系列机械运动的机械和（或）机电部件相互联系的系统。概括地讲，机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大部分：1)传动机构。机电一体化机械系统中的传动
2、机构的主要功能是传递能量和运动，因此，它实际上是一种力、速度变换器。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。4)轴系。轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。5)机座或机架。机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。2.机电一体化中机械系统的基本要求 传统的机械系统和机电一体化系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但由于它们的组成不同，导致它们实现运动
3、的方式不同。传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统是由计算机协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配，也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等优点。因此，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些
4、要求主要可归纳为以下几个方面：2)小惯量 大惯量会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，使系统固有频率下降，容易产生谐振；使电气驱动部分的谐振频率变低，阻尼增大。反之，小惯量则可使控制系统的带宽做的比较宽，快速性好、精度高，同时还有利于减小用于克服惯性载荷的伺服电机的功率，提高整个系统的稳定性、动态响应和精度。3)大刚度 机电一体化机械系统要有足够的刚度，弹性变形要限制在一定范围之内。弹性变形不仅影响系统精度，而且影响系统结构的固有频率、控制系统的带宽和动态性能。5)良好的稳定性 稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。例如某饮料灌装机，若每分钟灌装450瓶，每
5、秒就需灌装7.5瓶，此时已经难以看出瓶子的轮廓和机器的动作。为了使每个瓶子都灌满，而且饮料中的气体不得溢出，则要求机器在高速运行中十分平稳；在瓶子高速运动的情况下，为了压盖机构灵巧、迅速的压上盖子而不压碎瓶子，要求瓶子不得晃动，压盖机构的动作也应准确、协调。这些要求对机械的支架、传动等提出了很严格的要求。差动螺旋机构 如图2.1.1所示，在螺杆或中空的螺母两端分别制成左旋螺纹和右旋螺纹，将螺杆或螺母向一个方向转动时，两端将同时缩进或者同时伸出，这种机构称为颤动螺旋机构。由于差动螺旋机构的结构简单，所以在机械手上应用很多。图2.1.1 双向螺旋 将螺纹的轴截面形状设计成圆弧形，在螺母和螺杆之间的
6、螺旋沟槽中放入一排滚动轴承用的小钢球就构成了滚珠丝杠。钢球从螺母一端排出，通过螺母中的孔道返回螺母另一端的沟槽中。由于滚珠丝杠的摩擦力小，所以常作为直线运动的驱动丝杠使用。（图2.1.3）图2.1.2 建筑用长螺杆图2.1.3 滚珠丝杠2.弹簧的作用 弹簧作为重要的机械零件，应用范围很广，在机器人的机械中也被大量使用。1)快速夹紧 分析机器人上利用弹簧的情况可以发现，利用弹簧最多的部位是手部。从安全的观点出发，可将机器人的手爪设计成用弹簧力夹紧物体的结构，与一般的概念相反，执行装置只是起到将手爪张开的作用。这样，在紧急停电或因故障停电时，可以防止被抓起的物体意外下落而造成事故（图2.1.4）。
7、图2.1.4 利用弹簧力的快速夹紧机构2)步进电机 大多数的机器人都使用步进电机。但是，在步进电机驱动的机器人上，当驱动电源断开时，步进电机将处于自由转动状态，机器人的臂部就会在重力作用下向下摆动，有时会破坏限位开关等。为了防止这种情况发生，可以采用如图2.1.5所示的结构，在臂部齿轮上安装一个螺旋弹簧来平衡臂部的重力.3.制动器的用途 制动器是将机械运动部分的能量变为热能吸收，从而使运动的机械速度降低或停止的装置，大致可分为机械制动器和电气制动器两类。在机器人机构中，一般在如下情况使用制动器：特殊情况下的瞬时停止和需要采取安全措施。停电时，防止运动部分下滑而破坏其它装置。停电时，防止运动部分
8、下滑而破坏其它装置。1)机械制动器 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等，其中最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中常使用伺服电机，由伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的。从原理上将，这种制动器就是用弹簧力制动的盘形制动器，当有励磁电流通过线圈时制动器打开，不起制动作用。而当电源断开时，线圈中无励磁电流，在弹簧力的作用下使制动器而处于制动状态。因此这种制动器通常称为常合式电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器（如图2.1.6所示）。2)电气制动器（动力制动器）电动机是将电能转换为旋转机械能的装置，反之它也具有将旋转
9、机械能转变为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换成机械能，同时也能够实现其相反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同的电机，必须分别采用适当的制动电路。4.齿轮机构 在设计机器人时，必须尽量降低重量，特别是驱动系统的重量直接影响到可搬运的重量，必须特别注意。虽然可以实现直接驱动方式，但采用高速伺服电机与减速器组合的形式也较多。因此对机器人来说，减速器是其中非常关键的部件。如图2.1.7所示，谐波减速机构由固定的内齿圈（A）、波发生器（B）、柔性外齿圈（C）（可弹性变形）三个基本零件构成，其特点为：1)减速比大2)齿侧间隙小3)不存在质量偏
10、心4)结构紧凑，重量轻目前，大多数机器人都采用了这种谐波减速器。图2.1.7 谐波减速器的结构5.柔性传动机构 要在两轴之间传递旋转运动和力矩，可以采用在两轴上分别安装皮带轮，并在带轮上环绕皮带的传动方法。这种传动方法称为柔性传动，特别适合轴间距较大的运动传递。1)绳索传动 图2.1.8所示为应用绳索传动方式实现多关节机器人的手爪张开与抓紧动作的机构。为了减轻机器人臂部前端的重量，将电机等驱动部分设计在主体的一边，而在臂杆中的长距离驱动则采用钢丝绳来实现。图2.1.8 采用绳索传动的机械手驱动机构2)滚子链（臂杆的内部结构）滚子链与齿轮相比主要用于低速大转矩的传动，可以实现像同步带那样的同步运
11、转。因为采用金属结构，所以寿命较长。适用于像多关节机器人那样，希望将驱动系统尽可能安装在主体上的传动机构。它与同步带相比价格便宜，可布置在较小的空间内，但在长距离传动时会产生松弛现象，必须采用张紧机构。3)同步带 同步带传动机构是在皮带的内侧和带轮外圆周上加工出与齿轮相似的齿形，完全由齿形的啮合来传动，能够实现同步运转。与普通V带相比，同步带不需要皮带的张紧机构；与齿轮传动相比，具有噪声小、不需要润滑，适用于轴间距较大的轻载传动。同步带的材质可以采用橡胶等各种材料。但同步带传动机构与V型带轮传动机构相比造价要高1520倍。6.连杆机构 用销轴等零件将细长的杆件连接起来组成的机构称为连杆机构。这
12、些连杆机构在机器人中得到了广泛的应用，使机器人尤其是手臂部分的动作十分灵活。下面介绍一些连杆机构的应用实例。1)曲柄滑块机构 曲柄与滑块机构组合起来能够将旋转运动变为直线运动（或直线运动变为旋转运动）。一般驱动机器人臂部运动的伺服装置都是电动机，所以经常需要将旋转运动变成直线运动。图2.1.9所示为曲柄滑块机构。图2.1.9 曲柄滑块机构2)曲拐 曲拐机构是连杆机构的一种应用，很早以前就开始在曲柄夹紧机构和冲压机构上使用。这种机构的往复运动范围大，并能够产生较大的压力。图2.1.10所示为曲拐机构在机械手夹紧部分的应用。3)平行四连杆机构 在多关节机器人臂部使用平行四连杆机构是为了始终保持臂部
13、的方向不变（图2.1.11）。图2.1.10 曲拐机构（机械手）图2.1.11 平行四连杆机构2.2 2.2 传感检测技术传感检测技术教学目标教学目标1了解传感器的组成和分类2了解常用传感器的工作原理及应用2.2.12.2.1传感器简介传感器简介1.传感器的定义及组成传感器的定义及组成 传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图2.2.1所示图2.2.1传感器的组成框图 图中的敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。这一
14、非电量通过传感元件后就被转换成电参量。测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。应该说明，不是所有的传感器都有敏感、传感元件之分，有些传感器是将两者合二为一的，例如热电偶、半导体气体传感器等，它们一般将感受到的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节。2.传感器的分类传感器的分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有以下三种：1）按传感器的物理量分类 可分为位移、力、速度、加速度、温度、流量、气体成分、流速等传感器。2）按传感器工作原理分类 可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶那个传感器。3）按传感器输出信号的性质分类 可分
15、为输出量为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器、输出为模拟型传感器和输出为脉冲或代码的数字型传感器。3.传感器发展趋势传感器发展趋势1）传感器的集成化 随着半导体集成技术的发展，电子元器件的集成化程度越来越高，人们将传感器与信号处理电路制作在同一块硅片上，从而获得集成度更高、体积更小的新型传感器。比如高精度的集成温度传感器如图2.2.2所示。今后还将在光、磁、温度、压力等领域开发出新的传感器。图2.2.2集成温度传感器AD221002）传感器的多功能化 随着传感器的集成化不断提高，人们有可能将不同的传感器集成在一块芯片上，而实现传感器的多功能化。3）传感器的智能化 随着计算机
16、技术的不断发展，人们已将计算机技术应用于传感器检测系统中，使现有的传感器智能化。2.2.2 2.2.2 常用传感器及其应用常用传感器及其应用 传感器有很多种类，接近开关是一种较常用的传感器。它在航空、航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在测量技术中，如长度，位置的测量；在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。1.接近开关的定义 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）
17、内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号，而不象机械式行程开关那样，需要施加机械力。它给出的是开关信号（高电平或低电平），多数接近开关具有较大的负载能力，可以直接驱动中间继电器。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体具有较高的感辨能力。2.接近开关的外形 接近开关的外形如图2.2.3所示，可以分成圆柱型、平面安装型、方形、槽型和贯穿型。圆柱形安装方便，便于调整与被测物的距离。平面安装型和方型可用于板材的检测，槽型和贯穿型可用于线材的检测。2.2.3接近开关的外形a）圆柱型b）平面安装型c）方型d）槽型e）贯穿型3.接近开关的特点 与机械开关相比，接近开
18、关具有以下优点：1）非接触测量，避免了对传感器自身和目标物的损坏；2）无触点输出，输出信号大，易于与计算机或可编程控制器（PLC）等接口；3）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；4）反应速度快；5）小型感测头，安装灵活，方便调整。接近开关的缺点主要是触点容量小，输出短路时易烧毁。4.常见的接近开关及其应用1）电涡流式接近开关(俗称电感接近开关)电涡流式接近开关由LC高频振荡电路、振荡器、比较器、末级放大电路组成，具体的结构如图2.2.4所示。图2.2.4电涡流式接近开关的结构 它是利用金属导体接近这个能产生高频电磁场的感辨头时，金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接
19、近开关的振荡能量衰减，内部电路参数发生变化，由此识别出是否有金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种开关检测的物体必须是导电性能良好的金属。这种接近开关常用于工作台、油缸、及气缸的行程控制还可用于生产工件的加工定位、产品计数等场合。图2.2.5显示了电涡流式接近开关的部分应用。图2.2.5电涡流式接近开关的应用a）机加工的位置检测b）机器人手臂位置检测2）电容式接近开关 电容式接近开关的核心是由感应电极和罩极构成的检测端，感应电极和罩极位于接近开关的最前端，两者构成了一个电容。如图2.2.6所示。图2.2.6电容式接近开关的检测端结构电容式接近开关由RC高频振荡电路、振荡器、比较器和末级放大电
20、路组成。如图2.2.7所示。图2.2.7电容式接近开关的结构 当有物体靠近时，不论它是否是导体，由于它的接近,总要使电容的介电常数发生变化,从而使电容量发生变化,使得RC振荡电路开始振荡,通过比较器和末级放大输出开关信号。这种接近开关检测的对象,不限于金属导体,可以绝缘的液体或饲料等。电容式接近开关可以用于物料分拣、检测谷仓高度，检测物体的含水量等。图2.2.8所示的是用电容式接近开关进行物位检测。当谷物高度达到电容式接近开关的底部时，电容式接近开关发出信号关闭输送管道阀门，停止输送谷物。图2.2.8 物位检测示意图1-粮仓外壁 2-输送管道 3-谷物 4-电容式接近开关 5-谷物界面3）霍尔
21、接近开关 霍尔接近开关采用的霍尔元件是一种磁敏元件。它的外形如图2.2.9所示。图2.2.9 霍尔元件 利用霍尔元件做成的开关,叫做霍尔开关。当磁性物件接近霍尔开关时,开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化,由此识别附近有磁性物体存在,进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔开关通常应用于运动部件的位置检测，如图2.2.10所示。图2.2.10 霍尔接近开关的应用a）运动部件的限位保护 b）工作台的行程控制4）光电开关光电开关是将光敏传感器当做检测物体有无的工具而制作出来的器件。它通常由发射器与接收器构成，发射器通常采用发光二极管，接收器则采用
22、光敏二极管、光敏三极管或光电池。光电开关根据检测方式的不同可以分成透射型和反射型两大类，如图2.2.11所示，图2.2.11 光电开关的类型a）透射型 b）反射板反射型 c）被测物反射型 图a所示的为透射型，发射器和接收器相对安放。必须排列在同一条直线上（该过程叫做光轴调整），当有物体从两者之间通过，发射器发出的红外光束被遮断，接收器接收不到光线而发出一个负脉冲信号。透射型由于其稳定性好，所以可以进行长距离（几十米左右）的检测。反射型光电开关采用发射器和接收器按一定方向装在同一个检测头内，可分成反射板反射型和被测物体漫反射型两类，其外型如图2.2.12所示。2.2.12 反射型光电开关的外形反
23、射板反射型传感器单侧安装，需要调整发射板的角度以获取最佳的反射效果。反射板使用的是偏光三角棱镜，如图2.2.13所示2.2.13 反射板 它能将光源发出的光转换成偏振光反射回去，接收器的光敏元件表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光，不接收物体表面反射回来的各种非偏振光的干扰。它的检测距离一般可达几米 被测物漫反射型主要是检测发射到被测物体上并反射回来的光线，它的检测距离与被测物体的表面的反射率有关。粗糙的表面反射回来的光线强度必将小于光滑表面反射回来的强度，而且被测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。常用材料的反射率如表1所示表1 常见材料的反射率材料反射率材料反射率白画纸
24、90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%光电开关适用于生产流水线上统计产量、检测产品的包装，精确定位，广泛应用于自动包装机、装配流水线等自动化机械装置中。图2.2.14所示是光电开关的部分应用。图2.2.14 光电传感器的使用举例a）防盗报警检测 b）电子元件引脚检测 c）标签检测2.3 2.3 计算机控制技术计算机控制技术教学目标：教学目标：1.了解计算机控制。2.掌握计算机控制系统的组
25、成及特点。3.理解计算机控制系统的各种类型及应用。计算机的种类很多，从能够超高速处理数据的超级计算机，到可以嵌入到全自动洗衣机等家用电器中的单片计算机应有尽有。尽管这些计算机在性能上有天壤之别，但在工作原理上却并没有本质性的不同。在机电一体化系统中，计算机的作用极其重要，它相当于人的大脑，是系统的控制中枢，担负着信息处理，指挥整个系统运行等任务。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机控制技术已成为机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。2.3.1 计算机控制 在对机器进行控制时，如果采用专用的硬件设备进行，我们就称这种控制方式为固定布线式逻辑控制（wired log
26、ic），也称为硬件逻辑控制。与此相反，在一些采用计算机进行控制的通用控制设备中，控制方法及设备工作顺利都是以程序的形式描述的，这种控制方式称为软件式逻辑控制（software logic）。图2.3.1列出了两种控制方式的特点。下面对这两种控制方式进行详细的说明。图2.3.1 两种控制方式的特点 1.固定布线式逻辑控制 继电器顺序控制是最典型的固定布线式逻辑控制。对于功能单一（或者固定不变）的控制处理以及大批量生产的机器，采用硬件式逻辑控制将有利于降低系统成本。2.软件式逻辑控制 在软件式逻辑控制中，机器的基本结构不受控制的复杂程度影响，因此当系统需要更改样式或改进性能时，采用软件式逻辑控制方
27、式可以在不改变机器基本结构的前提下，比较容易地实现系统的变更。在多品种小批量生产的控制类产品（系统）中，采用这种控制方式具有极大的优越性，而且通过精心设计程序还可以提高产品的可靠性。因此，在很多机器中普遍采用计算机进行控制。2.3.2 计算机控制系统的组成及特点 在控制系统中根据系统中信号相对于时间的连续性，通常分为连续时间系统和离散时间系统(简称连续系统和离散系统)。在采用计算机进行信号处理的控制系统中，计算机处理的信号是以数码的形式存在的，也称为数字信号，它在时间上是离散的。由于计算机字节有限，所以信号的幅值也是离散的，通常用二进制数表示，因此计算机控制系统是一种离散控制系统。离散控制理论
28、是研究计算机控制系统的理论基础。图2.3.2是计算机控制系统的典型结构框图。包括工作于离散状态下的计算机和具有连续工作状态的被控对象两大部分。被控制量一般为连续变化的物理量(如位移、速度、压力、流量、温度等)，称为模拟量，经过检测传感量转换成相应的电信号，再经过模/数(A/D)转换器将信号转换成计算机能够处理的数字量送入计算机，从而完成了信号的输入过程。图2.3.2 计算机控制系统的典型结构 计算机经数字运算和处理后的数字信号还需要经过数/模(D/A)转换和保持（转换成连续信号），再经过执行机构施加到被控对象，实现了信息的输出。因此从信息转换的观点来观察计算机控制系统，可以抽象为信息的变换与处
29、理过程。其中模/数转换器完成了信息的获取(输入)，计算机对输入的信息进行比较和处理(控制算法与逻辑运算)，数/模转换器实现了信息的输出。计算机控制系统中信号的具体变换与传输过程如图2.3.3所示。图2.3.3 计算机控制系统中的信号变换与传递 从图2.3.3可以清楚看出计算机获得信息的过程，把模拟信号按一定时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T，nT的一系列脉冲输出信号y(t)的过程称为采样过程。经过采样的信号y(t)称为离散模拟信号，即时间上离散而幅值上连续的信号。从离散模拟信号y(t)到数字信号y(kt)的过程称为量化过程。即为有限字长的二进制数码来逼近离散模拟信号。微型计算机通常采用8位或1
30、6位字长，因此量化过程会带来量化误差。量化误差的大小取决于量化单位q。若被转换的模拟量满量程为M，转换成二进制数字量的位数为N，则量化单位q定义为 而量化误差为 显然N越大，量化误差越小，但N过大会导致计算上有效字长的增加 计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。1.硬件组成计算机控制系统的硬件主要是由主机、外围设备、过程输入输出设备、人机联系设备和通信设备等组成。就计算机本体而言从70年代起，随着微处理器技术的发展，针对着工业应用领域相继开发出一系列的工业控制计算机。如可编程序控制器(PLC)、单回路调节器、总线式工业控制机、单片微计算机和分散计算机控制系统等等。这些工业控制计算机弥补了商用机
31、的缺点，并成功地应用于各种工业领域，这大大推动了机电一体化控制系统的自动化程度。2.软件组成 软件是各种程序的统称。软件的优劣不仅关系到硬件功能的发挥，而且也关系到计算机控制系统的品质。软件通常分为两大类：系统软件和应用软件。1)系统软件 系统软件包括汇编语言、高级语言、控制语言、数据结构、操作系统数据库系统、通信网络软件等等。计算机设计人员负责研制系统软件，而计算机控制系统设计人员则要了解系统软件，并学会使用，从而更好地编制应用软件。2)应用软件 应用软件是设计人员针对某个应用系统而编制的控制和管理程序。一般分为输入程序、控制程序、输出程序、人机接口程序、打印显示程序和各种公共子程序等等。其
32、中控制程序是应用软件的核心，是基于控制理论的控制算法的具体实现。2.3.3 计算机控制系统的类型 根据计算机在控制系统中担当的“角色”不同及控制系统的复杂程度，可以将计算机控制系统分为以下几种类型。1.操作指导控制系统 操作指导控制系统如图2.3.4所示。计算机只起数据采集和处理的功能，它不参加对系统的控制。计算机根据一定的数学模型，依赖检测传感装置测得的被控对象的状态信息数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、打印机输出、报警等，去改变系统的给定值或直接操作执行机构。在这种系统里，电脑的作用是助手或参谋，真正的操作还需要人去进
33、行。图2.3.4 操作指导控制系统2.直接数字控制系统(DDC)这类系统中计算机的运算和处理结果直接输出作用于被控对象，故称为直接数字控制系统DDC(Direct Digital Control)。直接数字控制系统的构成如图2.3.5所示。DDC系统中计算机参与闭环控制，不仅完全取代模拟调节器，实现多回路的PID(比例、积分、微分)控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律，如非线性、纯滞后、自适应控制、解耦控制、最优控制等。DDC是一个最典型的应用形式，它在工业控制中得到广泛应用。图2.3.5 直接数字控制系统 直接数字控制是真正意义上的计算机控制，在这里计算机既是“决策者”，又是“操作
34、者”。由于计算机的作用在这里非常重要，因此控制机的选择就十分关键。除了要根据控制对象的不同和任务的难易而选择不同类型和配置外，一个最基本的要求就是高可靠性，目前可靠性已经达到的水平，其平均无故障时间(MTBF)在20 00050 000小时以上甚至更高。另外还要求可维护性好，就是一旦机器出了故障，要能在最短时间内修复。有些要求高的场合，可以采用备份机，出现故障，备份机组可立即自动接入。3.监督控制系统(SCC)所谓监督控制(Supervisory Computer Control)就是根据原始的生产工艺信息及现场检测信息按照描述生产过程的数字模型，计算出生产过程的最优设定值。输入给DDC系统或
35、连续控制系统。SCC系统原理框图如图2.3.6所示。SCC系统的输出值不直接控制执行机构，而是给出下一级的最佳给定值。因此是较高一级的控制。它的任务是着重于控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等，实际上它是操作指导系统与DDC系统的综合与发展。这种系统的计算机主要起“决策人”的作用，同时也充当“监工”，能达到省料、高产、低消耗，不过方案的缺点是仍需常规的模拟仪表。应当指出，SCC的两级控制形式目前在较复杂的控制设备中应用相当普遍，如在多坐标高精度数控机床的控制系统中，上一级的任务是完成插补运算(即插补数学模型)及加工过程管理，下一级实现多坐标的进给。又如工业机器人的两级控制中，上一级完
36、成机器人运动轨迹的计算和机器人工作过程的管理，而下一级完成各关节的进给与定位。图2.3.6 监督计算机控制系统4.分级控制系统 分级控制是由多台计算机或微处理器构成一个控制系统。这个系统是分层次的，每一个层次负责部分任务，但各层之间又有通信联系，以构成一个总体。以数控机床的加工为例，其加工过程是将金属或其他材质原材料，加工成一定形状和规格的零件。这一加工过程可以分解成三个层次。第一个层次是伺服及主轴控制级。它完成点位控制和轮廓控制。点位控制要求比较简单，主要是精确的定位。而轮廓控制则要求：1)按照加工零件外形轨迹要求，计算每个加工轴的运动位置量和运动速度，驱动并控制每个轴按照一定速度要求各自需
37、要的位移。2)协调控制每个轴，保证轨迹误差不超过规定范围。这一级的任务由伺服控制级来完成，通常是每个轴一个控制系统，这个层次还应包括主轴控制在内。第二个层次是过程控制级。它完成的任务主要是各加工轴的管理，刀具磨损的监控与补偿，切削力矩的控制，刀具交换控制(在加工中心的场合)，以及通过可编程逻辑控制器机床电器直接与机床交换信息等。这一级主要是对实时变化的过程参量进行控制。第三个层次是管理监控级。它的任务有二：1)与机床操作工通过显示屏幕、手动数据输入(包括键盘、软键，以及操作面板上的各种按钮开关等)进行信息交换。2)与其他机床、运料车、CNC、计算机或管理人员进行信息交换。这部分可称之为管理控制
38、。数控机床加工过程的三级控制示意图见图2.3.7。这个三级控制系统可以由多台计算机构成，也可以由多个微处理器在一台计算机机箱内组成。图2.3.7 数控机床加工过程的三级控制系统示意图上面提到的分级控制，可以在一台数控机床上实现，也可以在一条柔性制造系统中应用，其范围一般不大。下面要讨论的一些系统，一般都是涉及一个车间或整个工厂的生产过程以及综合管理等大范围多功能的控制。5.集散控制系统(DCS)集散控制系统是国内的流行术语，因为这类系统的控制是分散在现场各处，而监视管理则是集中的。集散控制系统也称分布式控制系统(Distributed Control Systems)。“分布”在这里有两重含义
39、：一是指整个工厂的生产设备所在地理位置一般是分散在厂内各处的，相应地要求控制设备的地理位置也是分散的；二是指整个控制系统的各种功能，如数据采集、设备控制、监视操作和运行显示等是分散的。概括地说，集散控制系统的控制是分散的，但综合管理则是集中的。从另一个角度看，集散控制系统又是一种层次结构的分级控制系统。其层次可分成二到四级不等。图2.3.8是一个四级层次的示意图。图中从顶到底共分计划层、协调层、监督层和控制层四个层次。可以看出，现场设备和工艺控制是分散实现的，但计划、协调和监督等管理功能则是集中的。图中没有表示的是通信网络，它是赖以实现集中管理和分散控制的纽带。图2.3.8 集散控制系统的层次
40、结构2)集散控制的特点集散控制系统的特点表现在以下几个方面：很好的适应性集散控制系统是根据现代化生产管理和控制的需求而发展起来的，激烈的市场竞争迫使生产商追求实现有效的管理和生产过程的优化控制，以缩短生产周期和降低成本。集散控制系统从结构和功能上均具备高度的适应性，从而可以满足多种企业的需求。很大的灵活性集散控制系统可以根据生产企业的性质和规模进行合理的组配，可以根据生产情况的变化或生产企业的发展进行适当增减或变化，具有很大的灵活性。很高的可靠性集散控制系统在设计上的层次结构，硬件和软件的冗余技术，保证了系统的可靠性。由于控制部件分散在现场，即使出现局部故障，也易于维护。甚至在出现一些故障的情
41、况下，整体仍能继续维持运行。集散控制系统的安全可靠性、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力，为计算机控制开创了新方法。6.全自动化工厂(FA)由于计算机技术及网络技术的飞速发展，我们甚至可以构成能对整个综合型系统（包括订货、生产、发货）进行统一管理的全自动化工厂(Factory Automation)系统，如图2.3.9所示。图2.3.9 全自动化工厂（FA系统）2.4 2.4 伺服技术伺服技术教学目标：教学目标：1.掌握伺服系统的结构组成及分类。2.理解直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机控制系统的工作原理。伺服(Servo)的意思即“伺候服务”，就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机
42、械系统的运动部件按照指令要求进行运动。伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，在数控机床、工业机器人、坐标测量机以及自动导引车等自动化制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应用。2.4.1 伺服系统的结构组成及分类1.伺服系统的结构组成图2.4.1 伺服系统的组成 伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也是不尽相同。一般来说，其基本组成可包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图2.4.1所示。1)控制器 控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。常用的控制算法有PID(比例、积分、微分)控制和最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。2)功率放大器
43、 伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要采用各种电力电子器件组成。3)执行机构 执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。4)检测装置 检测装置的任务是测量被控制量(即输出量)，实现反馈控制。伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘等；用来检测速度信号的检测装置有：测速发电机、光电码盘等。应当指出，检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系
44、统的控制精度总是低于检测装置的精度。对检测装置的要求除了精度高之外，还要求线性度好、可靠性高、响应快等等。2.伺服系统的分类1)根据使用能量的不同，可以将伺服驱动系统分为电气式、液压式和气压式等几种类型，如图2.4.2所示。图2.4.2 伺服驱动系统的种类 电气式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。这三种伺服驱动系统的基本特点见表2.4.1。表2.4.1 伺服驱动系统的特点及优缺点种类特点优点缺点电气式可使用商用电源；信号与动力的传送方
45、向相同；有交流和直流之别，需注意电压大小操作简单；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与CPU相接；体积小，动力较大；无污染瞬时输出功率大；过载差，由于某种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响液压式输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU相接；响应快设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂质、温度、测量、质量）严格；易泄漏且有污染气压式；要求操作人员技术熟练气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操作比较简单功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服图2.4.3 开环伺服系统与闭环伺服系统2)按控制方式划分，可分为开环伺服系统和闭环伺服
46、系统。开环伺服系统（如图2.4.3a所示）结构上较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。缺点是精度低、抗干扰能力差。一般用于精度、速度要求不高、成本要求低的机电一体化系统。闭环伺服系统（如图2.4.3b所示）采用反馈控制原理组成系统，它具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点。缺点是系统结构复杂、成本高等。一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统。2.4.2 直流伺服系统 采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为直流伺服系统。1.直流电机的结构及其工作原理 使用直流电源的电机叫做直流电机。因此，只要把直流电机的端子接到直流电源上就可以简单的使其运转。直流电机是一种具有
47、优良控制特性的电机。图2.4.4 直流电机的结构图2.4.4所示为直流电机的结构。可以看出，直流电机由永磁钢构成的定子、绕有线圈的转子以及换向器和电刷等构成。当电流通过电刷和换向器流过线圈时产生转子磁场，这时转子成为一个电磁铁，在转子与定子之间产生吸引力或推斥力使转子旋转。由电刷和换向器来切换电流方向，使电机按同一方向旋转从而带动负载作功。2.直流电机的转速、转矩控制为了改变直流电机的转速和转矩，可以采取以下不同的控制方法：作电机转速调节时可改变电源电压 作电机转矩调节时可改变电枢电流实际上，作上述调节时，电压和电流是同时变化的，因此电机的转速和转矩也在同时变化。例如，充电式电动扳手使用了直流
48、电机，在转速变化时，紧固力矩也会同时发生变化。因此，在直流电机转速、转矩控制时，一般均采用改变输入电压的方法。改变输入电压时，大体上有线性控制方式和PWM控制方式两种。1)线性控制方式 线性控制方式的原理如图2.4.5所示。线性控制方式也可称为电阻控制方式。在电机与电源之间插入晶体三极管，这个晶体三极管相当于一个可变电阻器，也就相当于控制了加于电机上的电压，从而改变电机的转速和转矩。晶体管工作于不饱和区，基本上与低频功率放大器的电路结构相同。图2.4.5 线性控制方式的原理晶体管的内电阻变化控制基极电压通过晶体管内电阻消耗功率来控制电机转速。晶体管工作于不饱和区。由于直流电机线性控制方式不改变
49、电流的波形，因此对电刷、换向器的换向作用影响很小，可以做到转速的平滑调节。但是晶体三极管产生的功率损耗将变成焦耳热而消耗掉，使得线性控制方式的效率降低，是一种不经济的控制方式。可用于额定功率为数瓦的小电机的控制电路。图2.4.6 PWM控制方式2)PWM控制方式 PWM(Pulse Width Modulation)控制方式的原理如图2.4.6所示。PWM控制方式是脉冲控制方式的一种。晶体三极管作为一个开关，使加到电机上的电压的ON与OFF的时间比（占空比，Duty Ratio）发生变化，从而控制电机电压的平均值。由于三极管工作于饱和状态，几乎不消耗功率，因此PWM控制方式具有良好的经济性。但
50、由于电机供电电压处于开关状态，因此会导致噪声、振动以及电刷、换向器损伤等问题出现；这些问题从控制技术上已经逐步得到解决。PWM控制方式已经成为现代直流电机控制技术上的主流。3)直流电机的PWM控制电路举例 直流电机PWM控制的原理 直流电机的PWM控制原理如图2.4.7所示。图2.4.7a为利用PWM发生器来调节电机转速的方法，PWM波形的占空比由输入的模拟电压控制。图2.4.7b中，由微型计算机的I/O接口直接产生PWM信号，用该信号来驱动大功率晶体管的开关，从而控制直流电机的转速。在任何情况下，都需要设置续流二极管，以便在晶体三极管OFF期间电机电流能够继续流通而使电机平滑地旋转。PWM控