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1、第4章 机电一体化技术应用实例,4.1 汽车中的ABS系统 4.2 视频监控系统 4.3 微机电系统 4.4 焊接机器人 4.5 数控机床,4.1 汽车中的ABS系统,当代汽车是一个典型的机电一体化产品 ABS是一种大家熟知的汽车主动安全辅助系统。 ABS的主要功能： （1）在制动过程中，防止车轮被完全抱死； （2）在制动过程中提高汽车稳定性，保证汽车方向的可操纵性； （3）获得最佳的制动效果，缩短制动距离，减少轮胎的磨损。,4.1 汽车中的ABS系统,ABS系统主要包括 3个主要部分 : 轮速传感器 电子控制单元（Electronic control unit，简称ECU） 制动压力调节器,
2、4.1 汽车中的ABS系统,ABS: Anti-lock brake system, 防抱死制动系统,4.1 汽车中的ABS系统,without ABS with ABS,4.1 汽车中的ABS系统,ABS的作用就是控制轮胎的滑移率在15%20%范围内。,4.1 汽车中的ABS系统,ABS的轮缸制动压力调节循环过程： （1） 增压阶段。 （2）保压阶段。 （3）减压阶段。,4.2 视频监控系统,视频监控（Video surveillance）,4.2 视频监控系统,视频监控（Video surveillance）,4.2 视频监控系统,视频监控（Video surveillance）,4.2
3、视频监控系统,视频监控系统划分： 第一代-模拟视频监控系统 第二代-数字视频监控系统 第三代-网络视频监控系统。 第二代和第三代视频监控系统可以统称为数字视频监控系统。,4.2 视频监控系统,从机电一体化技术角度，视频监控系统可以分为3个部分： 检测单元 控制单元 执行单元,4.2 视频监控系统,视频动态目标跟踪 智能视频监控系统能够自动对监控场景中的目标进行检测、分类、跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为。,4.3 微机电系统,MEMS- Microelectromechanical system 一般将特征尺寸在0.01mm1mm范围的机械称为微型机械 MEMS的主要特征 （1）系统微型
4、化。 （2）系统集成化。 （3）以硅微细加工为基础。 （4）批量生产的成本低。,4.3 微机电系统,完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。 微传感器是将外部的力、热、声、光、化学等信息转化为电信号, 并传给处理电路;处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理, 并对微执行器发出指令; 微执行器根据指令对外部发生动作。,4.3 微机电系统,Packaged MEMS accelerometer,“黑色大黄蜂”-直升机,携带微型数码摄像头，依靠电动马达提供动力，平均时速为32公里。 远程遥控直升机只能匀速飞行不同，“黑色大黄蜂”能够
5、加速和减速，还可以在空中盘旋，这归功于机上安装了“全世界最小最轻的伺服控制装置”。 “黑色大黄蜂”是专门为间谍和士兵准备的，在未来战争中可能派上大用场。 它可以轻易被装进口袋，紧急情况下几秒钟内就能升空；可以神不知鬼不觉地潜入敌方阵营或被占领的建筑物进行侦查活动。,微型涡喷发动机,(a) A MEMS silicon motor together with a strand of human hair , and (b)the legs of a spider mite standing on gears from a micro-engine.,手机中的MEMS加速计: MEMS传感器可以把
6、图像、视频和网页进行旋转。 通过上下左右倾斜手机，还可以查看手机菜单； 只要轻轻击打手机机身，就可以在屏幕上选中不同的图标.,ST的LIS202DL传感器,IBM Thinkpad手提电脑里就内置了MEMS加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度地保护里面的数据。 数码相机和摄像机里，用MEMS加速度计来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。,4.3 微机电系统,安全气囊系统（SRS，Supplementa
7、l restraint system） MEMS加速度传感器 电子控制单元（ECU） 气体发生器和气囊组成,4.4 焊接机器人,Unimate 工业机器人,喷漆机器人,切割机器人,焊接机器人的作用：,（1）提高焊接质量的稳定性。 （2）提高劳动生产率。 （3）缩短产品改型换代的周期。,4.4 焊接机器人,焊接机器人的系统组成,硬件系统,软件总体结构框图,焊接机器人的系统组成,焊接机器人本体的硬件原理结构基本上由机械单元、伺服与驱动单元、控制单元、检测单元和执行单元构成。,典型的焊接机器人,点焊机器人,弧焊机器人,焊接机器人的应用,4.5 数控机床,数控机床综合了微电子技术、计算机应用技术、自动
8、控制技术以及精密机床设计与制造技术，具有专用机床的高效率、精密机床的高精度、通用机床的高柔性等显著特点。,适合多变、复杂、精密零件的高效、自动化加工。较好的解决了多品种和中、小批量生产自动化问题，消除了人为的失误或误差，可以方便地完成如螺旋桨、汽车外形冲压用模具等复杂曲面类零件的加工。,4.5.1 数控机床的发展过程 起动阶段（1953-1979年） 发展应用阶段（1980-1989年） 产业化成熟阶段（1990-1999年） 现代发展阶段（2000年开始）,4.5 数控机床,4.5.2 数控机床的特点 加工精度高，具有稳定的加工质量； 适应性强，灵活性好； 生产效率高，可节省生产准备及辅助时
9、间； 机床自动化程度高，可减轻劳动强度； 有利于进行现代化生产与管理； 对操作人员、维修人员素质、技术要求较高。,4.5 数控机床,4.5.3 数控机床的组成 机床本体是数控机床的主体，用于完成各种切削加工。 输入输出装置主要包括人机交互设备、输入介质、操作面板、通讯接口等。 数控系统（Computer numerical control，CNC）是数控机床的核心. 伺服驱动系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。,4.5 数控机床,4.5.3 数控机床的组成,4.5 数控机床,数控车床传动链简图 1-主轴电机 2-主轴编码器 3-回转刀架 4-X轴光电编码器 5-X轴进给电机 6-
10、X轴进给丝杠 7-Z轴进给丝杠 8- Z轴进给电机 9- Z轴光电编码器 10-尾架 11-主轴,4.5.4 数控机床的主轴驱动与控制,4.5 数控机床,1. 主轴驱动 数控机床一般采用两个电动机分别驱动主轴。高档数控机床常采用电主轴，这种主传动方式简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。,4.5.4 数控机床的主轴驱动与控制,4.5 数控机床,2. 主轴调速 数控机床用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类，其调速方法分别采用直流电动机主轴调速、交流电动机主轴调速。 主轴控制主要目标是速度控制，当切削螺纹时，还需要进行位
11、置控制。,4.5.5 数控机床的进给伺服系统,4.5 数控机床,数控机床移动部件的位置、速度作为控制量的自动控制系统 1开环进给伺服系统 开环进给伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机。,4.5.5 数控机床的进给伺服系统,4.5 数控机床,开环伺服系统中，指令脉冲经驱动线路，送到步进电机，使其输出轴转过一定的角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率，转角的大小由指令脉冲数所决定。 由于没有检测反馈装置，各个部分的误差（如步进电动机的步距误差、起停误差、机械误差等）都合成为系统的位置误差，所以其精度较低。 结构简单，易于调整
12、，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。,4.5.5 数控机床的进给伺服系统,4.5 数控机床,2闭环控制系统 闭环控制系统是采用直线型位置检测装置，如直线感应同步器、长光栅、磁栅，对工作台位移进行直接测量，并反馈控制的位置伺服系统。系统有位置检测反馈，速度反馈,4.5.5 数控机床的进给伺服系统,4.5 数控机床,3半闭环控制系统 采用旋转型角度测量元件和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。 半闭环控制系统的位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以控制电机，但不能直接反应工作台的运动位移，所以为间接测量。 半闭环伺服系统的精度低于闭环系统，但驱动功率大，快速响应好，适用于精度要求适中的中小型数控机床。,4.5.5 数控机床的进给伺服系统,4.5 数控机床,3半闭环控制系统,
