机械电子工程Word格式文档下载.docx
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对于任何先进的机电一体化系统,其共性关键技术应包括精密机械技术、检测传感技术、自动控制技术、微处理机技术、信息处理技术以及系统总体技术。
一句话,统称为机械系统与微电于系统协同组合的机电一体化技术,即机械电子工程。
系统是为了形成某种特殊功能而装配起来的一组物理元件。
一般的机电系统是机械和电的组合系统。
利用机械电于工程新概念设计的系统(产品)通常称为机电一体化系统或产品。
当前,从传统的机械产品向机电一体化系统或产品过渡,已经在各个领域逐渐出现:
这种过渡主要是依靠对机械系统引用不断完善的电子控制技术加以实现的,其范围包括监控、开环控制、闭环控制、自适应控制、模糊控制以及智能控制等。
因此,有人认为机械电子工程的基础是电子和控制。
但是,必须注意,控制技术和机械电子工程两者之间存在着基本的区别。
所谓控制,就是按照给定的目标,依靠调节能量输入,改变系统行为或性能的方法学;
控制系统是某些在物理上受可调节能量输入控制的一类系统。
而机械电子工程伴随着机械系统的再设计,以获得微处理机能够提供的附加功能的全部优点。
以机械电于工程设计的机电一体化系统往往是将复杂的功能,如精密定位,由机械转移给电子,从而产生更加简单的机械系统。
在工厂自动化中,最典型的机电一体化系统是本课研究的重点,主要型式如下:
(a)伺服系统伺服系统又叫做伺服机构。
它是一种反馈控制系统,它的受控变量是机械运动或者位置。
多数伺服系统用来保持运动机构的输出位置紧密对应电的输入参考信号,因而是一种跟踪控制系统。
伺服系统通常是另一个机电一体化系统的组成部分。
(b)数控机床带有数控(NC、CNC)系统的机床称为数控机床,数控系统是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。
(C)工业机器人工业机器人是另一类数控机器。
它是一种可编程机械于,用米通过一系列动作,搬运物料、零件、工具,或者其他装置,以实现结定的仟务。
工业机器人有能力移动零件、加载NC机床、操作压铸机、装配产品、焊接、喷漆、打毛刺,以及包装产品。
(d)自动导引车另一种形式的工业机器人是自动导引车(AGV)。
它能够跟踪编程路径,在工厂内将零件从一个地方运送到另一个地方。
在汽车工业、电子产品加工工业、以及柔性制造系统中,自动导引车物料运输系统已经得到广泛使用。
(e)顺序控制系统顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统。
在顺序控制系统中,每一步操作是一个简单的二进制动作,如电源开关的通断或制造设备专用控制器的启停等。
实现顺序控制功能可有多种手段,如继电器逻辑、固态集成电路、通用微
处理机等。
(f)柔性制造系统(FMS)在制造工业中,要求生产系统有能力响应不断变化的市场,以很短的周期生产出各种形式急需的小批量产品。
不管是手工生产,或者是大批量生产线,都是不能满足这些要求的。
前者虽然适应性强,但是生产率低;
后者固有的装配与传送线缺少柔
性,改变起来耗费时问和代价。
这种在制造过程中增加柔性的要求,必然导致秉性制造系统概念的发展。
三技术要求与设计原则
在设计一个机电一体化系统时,必须确定一系列的设计指标,也就是说,对所设计的系统提出必须满足的技术要求,然后才能着手具体系统的设计。
同时,在设计时,应遵照机械电子工程的新概念,即机械系统与微电子系统协同组合的原则。
3.1技术要求
对于任何一个机电一体化系统,一般性的技术要求大体上应包括以下个方向:
3.1.1系统功能
任何系统都是供给最终用户使用的,最终用户添置该系统后,能具有哪些用途,这是人们首先关心的问题,同时也是系统生产者预测市场需求的大事。
譬如,当市场上三轴驱动两轴联动的数控系统已经成熟时,生产者应该注意进一步开发五轴联动三轴联动的系统。
这样既可以具有更高要求的用户订货,又可更广泛地开拓市场。
所以说,任何系统的功能要求,都应该从市场需求出发,尊重最终用户的意见,结合技术上的可行性,再作出抉择,切不可片面追求功能的多寡。
3.1.2性能指标
当系统功能决定后、每—项功能都应该满足一定的性能指标,只有这样,该项功能材才具有文用价值。
譬如,一台数控系统具有轮廓切削的功能,但是它的定位精度很差,最终还是不能达到加工出合格零件的目的,这项功能等于乌有。
所以,性能指标是系统功能的定量度量。
性能指标有分辨率、灵敏度、精度、线性度、速度和位移范围以及承载能力、功耗、体积、重量等。
制定性能指标时,必须有科学的依据,切不可轻率从事;
否则,便会造成巨大的浪费。
性能指标降低了,会使设计出来的系统不能实用;
而性能指标高了,将加大实现的难度和代价。
3.1.3使用条件
任何系统都是在—定条件下运行的,其中包括客观的环境条件和主观的人员素质。
客观的环境条件有温度、湿度、振动、冲击、噪声、电磁干扰等;
主观因素应考虑系统适合何种文化水平的人员使用,这里必须满足可操作性、可维修性、安全性及可靠性等一系列有关人员和设备的正常运转的要求。
在满足客观环境和主观因素这两方而的使用条件下,系统应具有一定的平均无故障时间和足够的使用寿命。
只有这样,系统才能经久耐用,具有实用价值。
3.1.4经济效益
在社会主义市场经济时代,任何新产品的开发,都应该考虑经济效益。
所谓经济效益,应从两个方面考虑,一是从投资一方.花多少经费、人力及时间,可以开发出新一代产品并投放市场,估计在市场上占有多大的份额,将有多大的收益;
二是从最终用户这一方,分析他们的费效比和经济承受能力;
只有在这两方面都考虑成熟了,才能制定出好的新产品开发策略。
总之,在设计机电一体化系统时,应全面考虑各项技术指标,力求做到系统功能相对齐全,性能指标比较合理,实用性强,安全可靠性高,经济效益好。
同时,在开发新产品时,还应该与世界同类产品比较,注意他们的技术特点、先进性(费效比、节能节材、工作柔性等)以及社会效益等。
3.2设计原则
在采用机械电子工程新概念进行工程设计时,为了提高系统的性能和柔性,要求广泛的物质和信息的集成。
无论在概念设计阶段或者详细设计阶段,都必须始终贯彻机械系统与微电子系统协同组合原则。
换言之,在整个机电一体化系统的设计过程中,都必须考虑机械技术与电子控制技术的集成,创造出机械、电子以及软件等有机结合的新产品。
、
机电一体化系统设计往往伴随着机械系统的再设计,而且机械系统的再设计还不是全部。
许多现代的机电一体化工程设计不是被动的依靠机遇来革新机电产品,而是预先精心计划应用,并充分集成电子技术和机械技术,有目的地创造出最优的新产品,以达到新的系统比它们的原有产品更便宜、更简单、更可靠以及更具有工作柔性。
机械电子工程方法将给产品设计带来各种发展机会。
在进行机电一体化系统设计时,通常应遵循如下原则来处理“机”与“电”的关系:
3.2.1替代机械系统
在极端情况下,机械的功能可以完全由微处理机和执行器取代,从而使机械产品变成电子产品。
如电子手表取代机械手表,由微处理机、信号线及执行器组成的电操纵取代飞机上笨重的驾驶杆和控制面之间的连杆机构c
3.2.2简化机械系统
在许多情况—下,机械系统可采用机械电子工程方法加以简化。
依靠微处理机和执行器可以提供诸如轮廓、速度以及定位控制任务的功能。
例如,传统的打字机为了移动打字头和带动纸前进,需要几套机械系统。
现代的打印机,特别是激光打印机,附加了电子控制装置和微处理机,不仅能自功打印文字,而巳有绘图能力c冉如,安装在地面上的大型天体望远镜和卫星跟踪天线,采用轻巧的二自由度平衡环结构和计算机控制方法,可以跟踪空间的任意目标。
3.2.3增强机械系统
将正常设计的机械与闭环控制回路相结合,可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性。
在闭环回路中,固有的比例控制在部件上的应力,与终点急刹车的执行器相比较,要小得多,因此,有关的部件可以做得更轻、惯量更小。
例如、某些早期的机器人用开关控制终点急刹车的方式工作;
还有—些为了实现它们的手爪沿直线路径运动,采用了复杂的机械系统。
自从在机器人的每个轴上用了直流驱动电动机和谐波齿轮传动后,设计就进步多了,可以对每—根轴提供编程的比例速度,但是由于这些电动机在空间运功,其惯性效应比较严重。
更现代的方法是采用扁平型电动机直接安装在机器人的基座上,依靠同轴软管和钢管驱动每一根轴。
3.2.4综合机械系统
采用嵌入式微处理机系统,有能力综合不同的机械系统以及相关的功能。
总之,机械电子工程设汁方法应在一开始就注意充分发挥机械和电子的综合优势,通过机电互补和集成,以求达到设计出最优的新产品,适应竞争日益激烈的世界市场。
在这个市场上,工业产品的制造和销售能否获得成功,越来越依赖于机械电子工程的设计能力。
四主要内容介绍
本课程主要介绍了传感器、调理电路、测量系统、系统数学模型、系统动态响应、系统频率响应、控制器、伺服系统、步进电动机运动、微处理机、输入输出接口、计算机网络、PLC控制器的内容及相互之间的联系联系。
4.1传感器
传感器在机电一体化系统中起着重要作用。
如果没有传感器对各种参数进行精确而可靠的自动检测,那么信号转换、信息处理、控制器的最佳控制等,都是无法进行和实现的。
在机电一体化系统中常用的位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力、扭矩和压力传感器以及温度传感器。
机电一体化系统要求传感器具有快速、准确、可靠而又经济等特点。
即:
(1)足够的容量;
传感器的工作范围或量程足够大,并具有一定过载能力。
(2)线性好,灵敏度高。
(3)精度适当,且稳定件高。
(4)反应速度快,可靠性好。
(5)使用经济,成本低、寿命长。
传感器的性能指标包含的面很广,应根据实际的需要和可
能、确保主要指标,放宽对次要指标的要求,以求得高性能价格比。
另外,还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能。
例如:
(1)差动技术:
可消除零位输出和偶次非线性项,抵消共模误差,减小非线性。
差动技术在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得到广泛的应用。
(2)平均技术。
常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。
误差平均效应的原理是利用n个传感器单元同时感受被测量,因而其输出将是这些单元输出的总和,这在光栅、感应同步器等栅状传感器中都取得明显的效果。
数据平均处理是在相同条件下测量重复n次,然后取均值。
平均技术可使随机误差减小
倍。
(3)稳定性处理。
传感器作为长期使用的元件,其稳定性显得特别重要。
为提高传感器性能的稳定性,应该对其进行必要的稳定性处理,如结构材料的时效处理、电子元器件的老化与筛选等。
(4)屏蔽、隔离。
屏蔽、隔离措施可抑制电磁干扰,另外如隔
热、密封、隔振等措施可削弱温度、湿度、机械振动的影响。
(5)闭环技术。
利用反馈控制技术与传感器相结合而构成的闭环传感器,具有高精度、高灵敏度、稳定可靠等特点。
4.2调理电路
传感元件将被测物理变化过程的信号转化成为各种电路性参数(如电阻、电容、电感等)或电源性参数(如电压、电荷等)形式的信号、但这些信号在种类和强度上一般不能直接地为后面的数据处理和显示等所利用,需要经调理电路进行中间处理。
例如将电路性参数转换为电压、电流信号;
弱小信号放大;
减小噪声或选出有用信号等。
主要讨论调理电路中常用的电桥电路、调制与解调、放大电路、滤波器电路。
4.2.1电桥
电桥是用来测量传感器的电阻、电容或电感变化的电路,它是将这些参量的变化变换为电压或电流信号变化的电路。
电桥电路简单可靠、可以达到高精度和高灵敏度,所以应用较为广泛。
电桥按其激励电源不同可分为直流电桥和交流电桥。
直流电桥用于电阻的测量,而交流电桥可用于电阻、电容和电感的测量。
4.2.2调制与解调
调制是用一个低频信号对一高频信号某一特征参量(振幅、频率或相位)进行的控制。
低频信号称为调制信号,高频信号称为载波,而调制后的信号称为已调制波。
解调是从已调制波中不失真地恢复原行缓变测量信号的过程。
调制和解调是一对对信号进行变换的过程,其中以幅值调制和频率调制为最常用。
4.2.3放大电路
(1)前置放大器
(a)电压跟随器
电压跟随器是运算放大器的一种简单应用。
输人接到运算放大器的同相输入端,而将其输出反馈到反相输入端。
它的特点是输出电压等于输入电压,但输入、输山阻抗大小相同。
输入阻抗可达100M
,而输出阻抗大约只有l00
。
因此,它与传感器连接,可以进行阻抗变换,降低对传感器的负载效应,提高传感器的变换效率。
图1电压跟随器原理图
(b)电荷放大器
电荷放大器是反相端输入、同相端接地、电容反馈的运算放大器。
运算放大器本身的输入级应是场效应管,保证输入阻抗高达
它的特点是,利用运算放大器求和点为虚地电位,使得输入端的分布电容上没有积累电荷,从而不起作用。
电荷放大器的主要用途是,将压电传感器的电荷量或电容传感器的微小电容变化量转换为电压输出。
图2表示了压电传感器与电荷放大器的组合电路及其等效电路图。
图2a中
为反馈电容,一般取值1nF-lPF;
为提供运算放大器直流工作点的电阻,其值大于
;
C为隔直电容,取值较大。
电容
分别表示压电传感器电容和引线分布电容。
q表示压电传感器的电荷。
图2b中
和
是等效输入电压和等效输人电容。
图2压电传感器与电荷放大器的组合电路及其等效电路图
电荷放大器的输出电压与压电传感器的电荷成正比,与反馈电容成反比,与引线电容和放大器的输入电容无关。
但是,放大器的输出端与输入端之间的分布电容是与
并联的,因此,对输出电压是有影响的,应尽量缩小和固定。
(c)仪表放大器
仪表放大器本质上是一种差动放大器。
它的特点是,高输入阻抗,高共模抑制比、平衡的差动输入,增益由用户选择的外部电阻决定。
为了保证性能,除外部增益电阻外,所有元件都在仪表放大器内部。
高输入阻抗减小了流入输入电路的电流,因而减小了自身的发热量和对传感器的负载效应。
图3表示了由3个运算放大器组成的仪表放大器,输入级是两个同相端输入的电压服随器,第二级是具有平衡电阻的差动放大器。
图3仪表放大器
4.2.4滤波电路
传感器获得的测量信号中,往往因受干扰等原因而含有一些无关的频率成分,应当设法将它衰减到足够小的程度,或者在另—些场合,我们需要的信号和别的信号混在—起,应当设法把信号挑选出来。
为了解决上述问题,可采用滤波电路。
滤波器的种类很多,可以按各种不问的方法分类。
滤波器按所处理的信号是连续变化的还是离散的,可分为模拟滤波器和数子滤波器。
按是否采用有源元件,滤波器可分为源源滤波器和有源滤波器。
按滤波器的选频作用,滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器,图4中a)、b)、c)、d)画出厂它们的幅频特性示意图。
图4四种滤波器的频率特性
4.3测量系统
主要学习了常用测量方法、测量仪器及测员系统的基本组成。
通过学习电容式位移测量系统、重点了解了感应同步器的工作原理、用感应同步器构成的双坐标半闭环鉴幅型微机数显系统、转台角位置测量系统,速度测量中学习了数字式转速测量系统购织成和原理,最后学习了一种测量加速度传导的便携式功态数据采集器。
4.3.1测量系统的分类与组成
测量系统或测量仪器是一种具有标定特性并用于测量的装置,它的输出量能够反映测量信息并直接通过显示装置力操作者所接受,它由若干个测量装置与辅助装置所组成。
它们之间具有通信联系,用来进行信息采集并发出便于传递、处理、显示或用于控制目的的信号。
构成测量系统或测量仪器的核心是测量回路,测量回路是由许多测量与变换单元组合起来的总体。
测量回路的主要功能之一就是实现各种形式的量值比较,即实现被测物理量勺已知基准量之间的比较。
根据所使用的比较方法的不同,也就产生了各种不同结构原理的测量系统。
从测量仪器所测物理量的性质来看,测量仪器可以分为:
(1)长度计量仪器这类仪器包括各种长度、角度测量仪器。
如各种尺寸的量具、工具显微镜、测量仪等。
(2)力学计量仪器这类仪器包括测力仪、压力计、硬度计、振动测量仪器等。
(3)热工计量仪器这类仪器包括各种温度、压力和流量测量仪器。
例如各种温度计,水、气、油的流量计,各种气压计、真空计等。
(4)时间频率计量仪器这类仪器中有各种计时仪器。
例
如石英钟、电子钟和各种频率计等。
(5)电磁计量仪器这类仪器中有电学量测量仪器,例如各
种交流电压表、直流电压表、电流表、功率表、电容和电阻测量仪器。
(6)光学量计量仪器这类仪器巾有光度计、色度计、光谱辐射计等。
(7)电离辐射计量仪这类仪器有放射性核素计量仪,X、Y射线剂量和中子计量仪器。
4.3.2测量系统的组成
测量系统是由若干个测量变换单元所组成的,各个单元是以其在测量系统中所起的作用来划分的,所以这些单元可统称为功能单元。
在对具体的测量系统进行分析时,常常可以将系统分解为按一定顺序连接起来的功能单元,各种不同用途的系统有白己所特有的功能单元和排列顺序。
下面通过数字式转速计来阐述组成测量系统的功能单元。
图5表示了—种数字式转速计。
被测量是转轴的转数。
为了测量转轴的转数,在转轴上装有一只凸轮,并加预压力使一敏感臂与凸轮相接触,因此转轴旋转一圈,敏感臂就上下移动一次。
第一个单元是凸轮与敏感臂组成的敏感单元,它将被测转轴的角位移转换成敏感臂的线位移。
第二个单元是微动开关,它将敏感臂的线位移转换力脉冲,所以是一个信号变换单元。
脉冲信号通过传输线输送给电磁铁,每一个电脉冲使电磁铁吸合一次,从而将电脉冲转换为电磁铁铁芯的往复运动,亦即机械位移,所以电磁铁是一个信号变换单元。
最后一个单元是机械式计数器,它将电磁铁芯的往复机械位移转换成旋转运动,并通过传动放大机构将旋转角运动调理成十进制角运动,以便以十进制数码形式显示出转轴的转数。
所以上述机械式计数器在功能上包含了变换单元、信号调制和数字显示等功能。
4.4系统数学模型
建立控制系统的数学模型,并在此基础上对控制系统进行分析、综合,是机电控制工程的基本方法。
对于机电控制系统,在—定的输入作用下有些什么运动规律,我们不仅希望了解其稳态情况,更重要的是要了解其动态过程。
如果将物理系统在信号传递过程中的这一动态特性用数学表达式描述出来,就得到了组成物理系统的数学模型。
系统数学模型既是分析系统的基础,又是综合设计系统的依据。
经典控制理论采用的数学模型主要以传递函数为基础。
而现代控制理论采用的数学模型主要以状态空间方程为基础。
而以物理定律及实验规律为依据的微分方程又是最基本的数学模型,是列写传递函数的基础。
图5数字式转速计
4.5系统动态响应
机电控制系统的运行在时域中最为直观。
当系统输入某些典型信号时,利用拉氏变换中的终值定理,我们可以了解当时间
t
时系统的输出情况,即稳态状况;
但对动态系统来说,更重要的是要了解系统加上输入信号后其输出随时间变化的情况,我们希望系统响应满足稳、准、快。
另外,我们希望从动力学的观点分析研究机械系统随时间变化的运动规律。
以上就是时域瞬态响应分析所要解决的问题。
在控制理论发展初期.由于计算机还没有充分发展,时域瞬态响应分析只限于较低阶次的简单系统。
随着电子计算机的不断发展,很多复杂系统可以在时域直接分析,使时域分析法在现代控制理论中得到了广泛应用。
4.5.1时域响应及典型输入信号
瞬态响应—系统在某—输入信号的作用下其输出量从初始状态到稳定状态的响应过程。
稳态响应—当某一信号输入时,系统在时间趋于无穷大时的输出状态。
稳态也称为静态,瞬态响应也称为过渡过程。
在分析瞬态响应时,我们往往选择典型输入信号,这有如下好处:
(1)数学处理简单,结定典型信号下的性能指标,便于分析、
综合系统;
(2)典型输入的响应往往可以作为分析复杂输入时系统性
能的基础;
(3)便于进行系统辨识,确定未知环节的传递函数。
4.5.2时域的瞬态响应性能指标
系统性能指标可以在时间域里提出,也可以在频率域里提
出c时域内的指标比较直观。
对于具有贮能元件的系统(即大于或等于—阶的系统)受到输入信号作用时,一般不能立即反应。
总是表现出—定的过渡过程。
时域分析性能指标是以系统对单位阶跃输入的瞬态响应形式给出的,如图6所示。
瞬态响应性能指标包括;
(1)上升时间
—响应曲线从零时刻到首次到达稳态值的时间,即响应曲线从零上升到稳态值所需的时间。
有些系统没有超调,理论上到达稳态值时间需要无穷大,因此,也将上升时间定义为响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间。
(2)峰值时间
—响应曲线从零时刻到达峰值的时间,即响应曲线从零上升到第一个峰值点所需要的时间。
图6瞬态响应性能指标
(3)最大超调量
—单位阶跃输入时,响应曲线的最大峰值与稳态值的差。
通常用百分数表示。
(4)调整时间
—响应曲线达到并一直