机电一体化系统设计课件姜培刚.ppt

《机电一体化系统设计课件姜培刚.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化系统设计课件姜培刚.ppt（256页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一节第一节 机电一体化的定义机电一体化的定义v传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践基础；v现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、计算机、传感与测试等技术为实践基础。v机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实现微小复杂运动难。v电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现重载运动。8/18/20241第一节第一节 机电一体化的定义机电一体化的定义v机电一体化和机械电气化的区别n电气机械在设计过程中不考虑或较少考虑电气与机械的内在联系。n机械和电气装置之间界限分明n装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，属于强电范畴。8/18/20242第一节第一

2、节 机电一体化的定义机电一体化的定义 机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。机械技术（机械学机构学）机电一体化技术领域微电子技术（半导体技术、计算机技术）8/18/20243第一节第一节 机电一体化的定义机电一体化的定义 机电一体化涉及到许多相关的学科：机械学、电子学、控制论、计算机科学 机电一体化的产生与迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。微电子技术的发展，半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质

3、基础；8/18/20244第一节第一节 机电一体化的定义机电一体化的定义vMechtronics是一个综合的概念，包含技术和产品两方面。n机电一体化技术指包括技术基础、技术原理在内的使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。n机电一体化产品指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创建出来的新一代机电产品。8/18/20245第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方机电一体化系统设计的目标与方法法v机电一体化产品和系统的分类 按机电一体化产品和系统的用途分类，有产业机械，信息机械，民用机械等；按机械和电子的功能和含量分类，有以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的电子产品；按机电结合

4、的程度分类，有功能附加型、功能替代型和机电融合型。8/18/20246第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v机电一体化产品的优越性n使用安全性和可靠性提高n生产能力和工作质量提高n调整和维护方便，使用性能改善n具有复合功能，适用面广n改善劳动条件，有利于自动化生产n节约能源，减少耗材8/18/20247第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v现代机械的机电一体化目标n提高精度n增强功能n提高生产效率n节约能源，降低能耗n提高安全性、可靠性8/18/20248第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方机电一体化系统设计的目

5、标与方法法n改善操作性和实用性n减轻劳动强度，改善劳动条件n简化结构，减轻重量n降低价格n增强柔性应用功能8/18/20249第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v机电一体化技术方向n在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强n用电子装置局部代替机械传动装置和机械控制装置，以简化结构，增强控制灵活性8/18/202410第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法u用电子装置完全代替原来执行信息处理功能的机构，即减化了结构，又极大地丰富了信息传输内容，提高了速度。u用电子装置替代机械的主要功能，形

6、成特殊的加工能力u将机电技术完全融合形成新型机电一体化产品8/18/202411第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方机电一体化系统设计的目标与方法法v机电一体化系统开发的设计思想 在开发过程中，一方面要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。8/18/202412第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v机电一体化系统设计方法n取代法n整体设计法n组合法8/18/202413第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v取代法

7、 这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。 这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。8/18/202414第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v整体设计法 这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。8/18/202415第二节第二节 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法v组合法 这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。 利用此方

8、法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。8/18/202416第三节第三节 机电一体化系统的基本功能要素机电一体化系统的基本功能要素v机械本体v动力单元v传感检测单元v执行单元v驱动单元v控制与信息处理单元v接口8/18/202417第三节第三节 机电一体化系统的基本功能要机电一体化系统的基本功能要素素v机械本体（机械系统） 包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。 其开发重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换8/18/202418第三节第三节 机电

9、一体化系统的基本功能要素机电一体化系统的基本功能要素v动力单元 按照机电一体化系统的控制要求。为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。 其显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。8/18/202419第三节第三节 机电一体化系统的基本功能要机电一体化系统的基本功能要素素v传感检测单元 对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。 对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰性强8/18/202420第三节第三节 机电一体化系统的基本功能要机电一体化系统的基本功能要素素v

10、执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。v驱动单元 在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。8/18/202421第四节第四节 机电一体化系统的基本功能要机电一体化系统的基本功能要素素v控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。8/18/202422第三节第三节 机电一体化系统的基本功能要机电一体化系统的基本功能要素素v接口 将各要素或子系统连接成为一个有机

11、整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。 其基本功能主要有三个：变换、放大、传递8/18/202423第四节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v机械技术（精密机械技术）v微电子技术v传感检测技术v信息处理技术v自动控制技术v伺服驱动技术v系统总体技术8/18/202424第四节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v机械技术（精密机械技术） 是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。 机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构、材

12、料、性能以及功能上的变更。8/18/202425第四节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v传感检测技术 是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象那获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。 传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究如何将转换的电信号的加工处理。8/18/202426第四节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是计算机，因此信息处理技术与计算机技术是密

13、切相关的。 信息处理的发展方向是如何提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。8/18/202427第四节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v自动控制技术 自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。8/18/202428第四节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v伺服驱动技术 伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。8/18/202429第四

14、节第四节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术v系统总体技术 系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关的应用技术。即从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干子系统，从而实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案，对于子系统与子系统之间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案。8/18/202430第二章第二章 机械系统设计机械系统设计 机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调与控制，用于完成一系列运动的机械和机电部件相互联系的系统。 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

15、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、寿命长等特点。8/18/202431第二章第二章 机械系统设计机械系统设计v传动机构：机电一体化系统中传动结构的主要功能是传递转矩和转速。因此，它实际上是一种转矩、转速变化器。v导向机构：其作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。v执行机构：用来完成操作任务。能根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。8/18/202432第一节第一节 传动装置传动装置2.1.1传动机构的种类及特点 机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构等。

16、对于工作机中的传动机构，既要求能实现运动的转换，又要求能够实现动力的转换；对于信息机中的传动机构，主要要求运动的转换；对于动力，则只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦力（力矩）以及较小的工作负载即可。8/18/202433第一节第一节 传动装置传动装置2.1.2传动机构的基本要求v影响机电一体化系统中的传动链动力学性能的因素一般有以下几个n负载的变换n传动链惯性n传动链固有频率n间隙、摩擦、润滑和温升8/18/202434第一节第一节 传动装置传动装置v在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能小v刚度越大伺服系统动力损失越小；刚度越大机构固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产

17、生共振；刚度越大闭环系统的稳定性越高v机械零件产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低8/18/202435第一节第一节 传动装置传动装置v系统传动部件的静摩擦力应尽可能小；动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减少。v此外，还要求抗振性好，稳定性高，间隙小（减少误差，提高伺服系统中位置环的稳定性），避免谐振，特别是其动态特性与伺服电动等其他环节的动态性能相匹配。8/18/202436第一节第一节 传动装置传动装置v转动惯量 在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量越小越好。转

18、动惯量大会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易产生谐振。同时转动惯量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。8/18/202437第一节第一节 传动装置传动装置v摩擦 两物体接触面间的摩擦力在应用上可以简化为粘性摩擦力、库伦摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向（或运动趋势方向）相反。粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比；库伦摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力，其最大值发生在相对开始运动前的一瞬间，运动开始后静摩擦力即消失。8/18/202438第一节第一节 传动装置传动装置v阻尼

19、 运动中的机械部件容易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率，系统的阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快；线性阻尼下的振动为实模态，非线性阻尼下的振动为复模态。机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小，而运动副的摩擦阻尼占主导地位的。在实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼8/18/202439第一节第一节 传动装置传动装置v刚度 刚度为弹性体产生单位变形量所需的作用力。机械系统的刚度包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度两类。静态力和变形之比为静刚度；动态力和变形之比为动刚度。8/18/202440第一节第一节 传动装置传动装置v谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统

20、，若阻尼不计，可简化为质量、弹簧系统。由此可确定系统的固有频率。当外界的激振频率接近或等于系统的固有频率时，系统将产生谐振而不能正常工作。机械传动部件实际上是个多自由度系统，有一个基本固有频率和若干高阶固有频率，分别称为机械传动部件的一阶谐振频率和n阶谐振频率。8/18/202441第一节第一节 传动装置传动装置v间隙 间隙将使机械传动系统中间产生回程误差，影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益 间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、连轴器的扭转间隙等。在机电一体化系统中，为了保证系统良好的动态性能，要尽可能避免间隙的出现。当间隙出现时，

21、要采取消隙措施。8/18/202442第一节第一节 传动装置传动装置v2.1.3 常用传动机构的设计方法n滚珠丝杠副传动机构n齿轮传动n同步带传动n谐波齿轮传动n棘轮传动机构n软轴传动机构8/18/202443第一节第一节 传动装置传动装置一、滚珠丝杠副传动机构 滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构，具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件滚珠。主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动8/18/202444第一节第一节 传动装置传动装置v滚珠丝杠副的特点n传动效率高n运动具有可逆性n系统刚度好n传动精度高n使用寿命长n不能自锁n工艺复杂8/18/202445第一节第一节 传动装置

22、传动装置v滚珠丝杠副的结构类型可从螺纹滚道的界面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别n单圆弧型和双圆弧型8/18/202446第一节第一节 传动装置传动装置n内循环和外循环 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触内循环方式的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高螺母的尺寸也较小。缺点是反向器加工困难，装配调整也不方便8/18/202447第一节第一节 传动装置传动装置内循环浮动式反向器在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅，摩擦性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统8/18/202448第一节第一节 传动装置传动装置 外循环 滚珠在循环

23、返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母或体外作循环运动8/18/202449第一节第一节 传动装置传动装置螺旋槽式的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造，但是挡珠器刚性差，易磨损8/18/202450第一节第一节 传动装置传动装置 内循环和外循环插管式结构简单，容易制造，但是径向尺寸较大，弯管端部比较容易磨损8/18/202451第一节第一节 传动装置传动装置 内循环和外循环端盖式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易加工准备而影响其性能，故应用较少。8/18/202452第一节第一节 传动装置传动装置v滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧n预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动，过大将使驱动力矩

24、增大，效率降低，寿命缩短。n要特别注意减少丝杠安装部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响8/18/202453第一节第一节 传动装置传动装置v双螺母螺纹预紧调隙式 结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确地调整8/18/202454第一节第一节 传动装置传动装置v双螺母齿差预紧调隙式可实现定量调整，调整精度很高，工作可靠，使用中调整较方便；但结构复杂，加工和装配工艺性能较差8/18/202455第一节第一节 传动装置传动装置v双螺母垫片预紧调隙式 结构紧凑、刚度高、预紧可靠、应用广泛，但使用中调整不方便，也不很准确，适用于一般精度的传动结构8/18

25、/202456第一节第一节 传动装置传动装置v弹簧式自动调整预紧式 能消除使用过程中由于摩擦或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂。轴向刚度低8/18/202457第一节第一节 传动装置传动装置8/18/202458第一节第一节 传动装置传动装置二、齿轮传动 齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置，主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数。传动精确，且强度大、能承受重载、结构紧凑。摩擦力小、效率高。8/18/202459第一节第一节 传动装置传动装置三、同步带传动 同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动8/18/202460第一节第一节 传动装置传动装置v同步带传动的特

26、点n能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高n工作平稳，能吸收振动n不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，维护保养方便n强度高，厚度小，质量轻n中心距要求严格，安装精度要求高n制造工艺复杂，成本高8/18/202461第一节第一节 传动装置传动装置四、谐波齿轮传动 依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。8/18/202462第一节第一节 传动装置传动装置v谐波齿轮传动的优点n传动比大n承载能力大n传动精度高n可以向密封空间传递运动或动力n传动平稳n传动效率高n结构简单，体积小，质量轻8/18/202463第一节第一节 传动装置传动装置v谐波齿轮

27、传动的缺点n揉轮和波发生器制造复杂，需专门设备，成本较高n传动比下限值较高n不能做成交叉轴和相交轴的结构8/18/202464第一节第一节 传动装置传动装置五、软轴传动机构 软轴又称作钢丝软轴，是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的，相邻层的缠绕方向相反。工作时相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。8/18/202465第一节第一节 传动装置传动装置 钢丝软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的传动。它可以弯曲绕过各种障碍物，远距离传递回转运动。适合于受连续冲击的场合，也适用于高速、小转矩的场合。不适合低速大转矩的传动

28、。因为这将使从动轴的转速不均匀，扭转刚度无法保证。8/18/202466第一节第一节 传动装置传动装置六、棘轮传动机构 棘轮传动机构主要用于将原动机构的连续运动转换成间歇运动。8/18/202467第一节第一节 传动装置传动装置 棘轮机构具有结构简单、制造方便和运动可靠等优点，故在各类机械中有广泛的应用。但是由于回程时摇杆上的棘爪在棘轮齿面上滑行时引起噪声和齿尖磨损。同时为使棘爪顺利落入棘轮齿间，摇杆摆动的角度应略大于棘轮的运动角，这样就不可避免的存在空程和冲击。此外棘轮的运动角必须以棘轮齿数为单位有级地变化。因此棘轮机构不宜应用于高速和运动精度要求较高的场合。棘轮8/18/202468第二节

29、第二节 导向机构导向机构 在机电一体化机械系统中，导向支撑部件的作用是支撑和限制运动部件能按给定的运动要求和运动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。8/18/202469第二节第二节 导向机构导向机构2.2.1导轨的组成、分类及特点 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；另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。 8/18/202470第二节第二节 导向机构导向机构2.2.2导轨的基本要求 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。 对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严

30、格分开；运动件较重时，必须设有卸荷装置；运动件的支承必须符合三点定位原理8/18/202471第二节第二节 导向机构导向机构v导向精度 导轨按给定方向作直线运动的准确程度n直线度n两导轨面间的平行度8/18/202472第二节第二节 导向机构导向机构v耐磨性 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。导轨的耐磨性主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表明硬度、表面润滑及受力情况等。提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护8/18/202473第二节第二节 导向机构导向机构v运动的灵活性和低速运动的平稳性 工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬

31、行现象，高速运动时应无振动。 为了防止产生爬行现象，可以采取：采用滚动导轨、静压导轨，卸荷导轨、贴塑料层导轨。或者在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油。也可以用减少结合面、增加结构尺寸、缩短传动链。减少运动副等方法8/18/202474第二节第二节 导向机构导向机构2.2.3 常用导向机构的设计方法v塑料导轨 塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成。这种导轨定位精度较高，摩擦因数较小，刚度较高，无爬行现象，吸振较好，寿命长，化学稳定性高，工艺性好，维护方便；但由于其耐热性差，在使用中必须注意散热。8/18/202475第二节第二节 导向机构导向机构u塑料导轨软带 可与铸铁或钢组成滑动摩擦副，

32、也可以与滚动导轨组成滚动摩擦副8/18/202476第二节第二节 导向机构导向机构u金属塑料复合导轨板一般用胶粘贴在金属导轨上，成本较高u塑料涂层主要用于导轨的维修和设备的改造，也可用于新产品设计8/18/202477第二节第二节 导向机构导向机构v滚动导轨 滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之间加入滚动体，变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支撑。n滚动导轨的优点 摩擦因数小，运动灵活；动静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行现象；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，一次装填，长期使用。8/18/202478第二节第二节 导向机构导向机构u滚动导轨按 滚动体形状的不同，可以

33、分为滚珠导轨。滚珠导轨和滚针导轨8/18/202479第二节第二节 导向机构导向机构 滚珠为点接触，摩擦小、灵敏度高，但承载能力小、刚度低，适用于载荷不大，行程较小，而运动灵敏度要求较高的场合。8/18/202480第二节第二节 导向机构导向机构 滚柱导轨为线接触，承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的场合，但制造安装精度要求高。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。8/18/202481第二节第二节 导向机构导向机构 滚针导轨的尺寸小，结构紧凑、排列密集。承载能力大，但摩擦相应增加，精度较低，适用于载荷大。导轨尺寸受限制的场合。（结

34、构尺寸较小的滚柱导轨）滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。 8/18/202482第二节第二节 导向机构导向机构u按滚动体的循环方式，滚动导轨又可分为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式导轨两种。 滚动体不循环式导轨的滚动体可以是滚珠、滚柱或滚针。它们的共同特点是滚动体不循环，因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。8/18/202483第三节第三节 执行机构执行机构2.3.1常用执行机构的设计方法v热变形式 热变形式执行机构属于微动机构，该类机构利用电热元件作为动力源，电热元件通电后产生的热

35、变形实现微小位移。8/18/202484第三节第三节 执行机构执行机构 热变形微动机构可以利用变压器、变阻器等来调节传动杆的加热速度，以实现对位移速度和微进给量的控制。为了使传动杆恢复到原来的位置，可以利用压缩空气或乳化液来冷却 热变形微动机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过控制加热电流来得到所需微量位移；但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因，这种微动系统只适用于行程较短、频率不高的场合。8/18/202485第三节第三节 执行机构执行机构v磁致伸缩式该类机构利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应，来实现微量位移。8/18/202486第三节第三节 执行机构执行机构 磁致伸

36、缩式微动机构的特征为重复精度高，无间隙，刚度好，转动惯量小，工作稳定性好，结构简单、紧凑；但由于工程材料的磁致伸缩量有限，该类机构所提供的位移量很小，因而该类机构适用于精确位移调整、切削 刀具的磨损补偿 及自动调节系统。8/18/202487第三节第三节 执行机构执行机构v工业机器人末端执行器 工业机器人是一种自动控制，可重复编程，多功能、多自由度操作机，是能搬动物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化产品。工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能的机构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8/18/202488第三

37、节第三节 执行机构执行机构n机械夹持器 它是工业机器人中最常用的一种末端执行机构。机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹工件在移动、停留和装入过程中不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开。另外，它还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内。8/18/202489第三节第三节 执行机构执行机构 机械夹持器常用压缩空气作动力源，经传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持器可有下述几种型式圆弧开合型圆弧平行开合型直接平行开合型8/18/202490第三节第三节 执行机构执行机构圆弧开合型 在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧夹持器工作时，两手指

38、绕支点作圆弧运动，同时对工件进行夹持和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常8/18/202491第三节第三节 执行机构执行机构圆弧平行开合型这类夹持器两手指工作时作平行开合运动，而指端运动轨迹为一圆弧8/18/202492第三节第三节 执行机构执行机构直接平行开合型 这类夹持器两手指的运动轨迹为直线，且两指夹持面始终保持平行8/18/202493第三节第三节 执行机构执行机构 真空吸附手结构简单，价格低廉，且吸附作业具有一定柔顺性，这样即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的工作。它常用小件搬运，也根据工件形状、尺寸、质量大小的不同将多个真空吸附手

39、组合使用。8/18/202494第三节 执行机构2）电磁吸附手它同样结构简单、价格低廉，但它吸附工件的过程是从不接触工件开始的。这种吸附方式可以用于搬运较大的可磁化性材料的工件8/18/202495第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识 检测系统是机电一体化设备中不可缺少的组成部分。其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其转变成可识别的电信号，传递给信息处理单元。如果把机电一体化系统中的机械系统看做是人的手足，信息处理系统看做是人的大脑，则检测系统好比人的感觉器官。自动化程度越高，控制系统对传感器的要求也就越高8/18/202496第一节第一节 传感器的基础知识

40、传感器的基础知识v把各种非电量信息转换为电信号 v对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理 8/18/202497第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识3.1.1传感器的基本用途 传感器是借助检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式，由于电信号是最易于处理和便于传输的，所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。8/18/202498第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识3.1.2传感器的组成与分类v传感器的组成8/18/202499第一

41、节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识n敏感元件 直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量n转换元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成其他参数n基本转换电路 将电路参数转换成便于测量的电量8/18/2024100第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识v传感器的分类 目前采用的传感器分类方法主要有n按被测物理量分类：这种方法明确表明了传感器的作用，便于使用者选择，如位移、压力传感器n按传感器工作原理分类：这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器设计和应用，如压阻式、压电式、电感式8/18/2024101第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识n按传感器转换能量的方式分类1

42、）能量转换型（发电型）不需外加电源而将被测量转换成电能输出，如压电式，光电式等2）能量控制型（参量型）需外加电源才能输出测试电量，如电阻、电感等8/18/2024102第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识n按传感器工作机理分类1）结构型：被测参数变化引起传感器的结构变化，使输出电量变化，利用物理学中的定律和运定定律等构成2）物性型：利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能与材料密切相关8/18/2024103第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识n按传感器输出信号的形式分类1）模拟式：传感器输出为模拟电压量2）数字式：传感器输出为数字量 习惯上，常把工作原

43、理和用途结合起来命名传感器，有利于设计检测系统选择8/18/2024104第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识3.1.4传感器的性能与选用原则v传感器的性能 传感器的性能分为静态性能指标和动态性能指标n传感器的静态性能 传感器在静态信号作用下，其输入输出关系称为静态性能，其包含有线性度、灵敏度、迟滞和重复性8/18/2024105第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识线性度：传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差8/18/2024106第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识灵敏度：是指传感器在静态信号输入情况下，输入变化对输入变化的比值s 一般

44、希望传感器的灵敏度高一些，并且在满量程范围内是恒定的，即传感器的输入输出特性为直线8/18/2024107第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识迟滞性：表明传感器在正、反行程期间输入输出特性曲线不重合的程度 产生迟滞性现象的主要原因是机械的间隙、摩擦或 磁滞等因素8/18/2024108第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识重复性：表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时所得特性曲线的不一致程度8/18/2024109第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识u传感器的动态特性 指传感器对输入信号的响应特性，一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律。但实际上除了具

45、有理想的比例特性环节外，输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输入与输出之间的差异叫做动态误差8/18/2024110第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识v传感器的选用原则 传感器是测量与控制系统的首要环节，通常应该具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求。u足够的容量，传感器的工作范围或量程要足够的大，具有一定过载的能力。8/18/2024111第一节第一节 传感器的基础知识传感器的基础知识u与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高，要求其输出信号与被测输入信号成确定关系，且比值要大。u反应速度快，工作可靠性好u适用性和适应性强，动作能量小，对被测对象的状

46、态影响小，内部噪声小又不易受外界干扰的影响，使用安全。u使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准8/18/2024112第二节第二节 常用传感器常用传感器 位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域应用十分广泛。常用的直线位移传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码器8/18/2024113第二节第二节 常用传感器常用传感器3.2.1线位移检测传感器 线位移传感器是利用敏感元件某些电参数随位移变化而改变的特性进行工作v电阻式线位移传感器v电感式线位移传感器v电容式线位移传感器v光栅式线位移传感器v激光式

47、线位移传感器8/18/2024114第二节第二节 常用传感器常用传感器v电阻式线位移传感器n电位器式线传感器 电位器式线位移传感器利用被测部件的移动通过拉杆带动电刷移动，从而改变输出的电量。其优点是：结构简单、性能稳定。缺点是 分辨率不高，易 磨损。8/18/2024115第二节第二节 常用传感器常用传感器n电阻应变计式线位移传感器利用应变片的弯曲，造成电阻变化，将其转化成电压和电流的变化。其优点结构简单，性能稳定，精度高。不足之处是动态范围窄8/18/2024116第二节第二节 常用传感器常用传感器v电感式线位移传感器n(1)差动电感式线位移传感器 利用磁芯在线圈筒中自由移动，切割磁力线产生

48、电动势使电桥失去平衡，产生测量信号 其优点是具有动态范围宽和线性度好的优点 。缺点是有 残余电压。8/18/2024117第二节第二节 常用传感器常用传感器n差动变压器式线位移传感器将被测量转化为线圈的互感变化。这种传感器具有分辨率高、线性度好等优点，其缺点是残余电势较大8/18/2024118第二节第二节 常用传感器常用传感器v电容式线位移传感器 平板电容器的电容决定于极板的工作面积、极板间介质的介电常数和极板间的距离，位移使电容器三个参数中的任意一个发生变化，均会引起电容量的变化。通过检测电路将电容量的变换转换为电压信号输出。电容式传感器具有结构简单，动态性能好、灵敏度和分辨率高的特点。它

49、可用于无接触检测，并可在恶劣环境下工作。8/18/2024119第二节第二节 常用传感器常用传感器v光栅式线位移传感器8/18/2024120第二节第二节 常用传感器常用传感器光栅是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精度高、响应速度快和量程范围大等。8/18/2024121第二节第二节 常用传感器常用传感器v激光式线位移传感器这种传感器动态范围宽、精度高、可用于非接触检测。其缺点是装置复杂、使用调试不方便、价格高。8/18/2024122第二节第二节 常用传感器常用传感器3.2.2角位移传感器及转速传感器v电阻式角位移传感器v旋转变压器角位移传感器v电容角位移传感器v光栅角位移传感器v磁电

50、式角位移传感器及转速传感器8/18/2024123第二节第二节 常用传感器常用传感器v电阻式角位移传感器 其工作原理和电位器线位移传感器相似，不同之处是将电阻器做成圆弧型，电刷绕中心轴作旋转运动，这样电刷输出的电压就反映了电刷的转角。电阻式角位移传感器具有结构简单、动态范围大、输出信号强等特点；缺点是在圆弧型电阻器各段电阻率不一致情况下，会产生误差。8/18/2024124第二节第二节 常用传感器常用传感器v旋转变压器角位移传感器 旋转变压器角实际上是初级和次级绕组之间的角度可以改变的变压器。常规变压器的两个绕组之间是固定的，其输入电压和输出电压之比保持常数。旋转变压器励磁绕组和输出绕组分别安

51、装在定子和转子上。 旋转变压器具有精度高、可靠性好等特点，广泛应用在各种机电一体化系统中。8/18/2024125第二节第二节 常用传感器常用传感器v电容角位移传感器 电容角位移传感器的工作原理是当动极板产生角位移时，电容器的工作面积发生变换，电容量随之改变。测量电路检测这种电容量变换，即可确定角位移。8/18/2024126第二节第二节 常用传感器常用传感器v光栅角位移传感器 与光栅线位移传感器相比，光栅角位移传感器将光栅印在圆盘的圆周上。8/18/2024127第二节第二节 常用传感器常用传感器v磁电式角位移传感器及转速传感器 利用导磁材料制成的齿轮代替光栅传感器的光栅盘，利用磁芯绕组代替

52、光电元件，由于齿轮的转动会影响磁路的磁阻，使磁通量发生变化，进而在绕组中会产生相应的感应脉冲电压。对脉冲电压整形后进行计数，也可以达到测量角位移及角速度的目的。8/18/2024128第二节第二节 常用传感器常用传感器3.2.3速度与加速度传感器v电磁式速度传感器 其原理为壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一个试件，线圈置于内外磁极构成的均匀磁场中。如果线圈相对磁场运动，线圈由于切割磁力线而产生感应电动势，其大小为8/18/2024129第二节第二节 常用传感器常用传感器v压电式加速度传感器 一些晶体材料，受到外力作用发生变形时，其内部发生极化，在材料的表明上会产生电荷，形成电场。压力发生变化时

53、，表面电荷量也会随之发生变换，这种现象叫压电效应。利用压电效应，可以把机械力变换转换成电荷量的变换。做成压电 传感器8/18/2024130第二节第二节 常用传感器常用传感器 下图为压电加速度传感器的一般原理图，当基座在垂直方向产生加速度a时，质量块对压电材料产生ma作用力，使陶瓷片两级产生相应的电荷，通过引线输出到电荷测量电路中，这样可以得到相应 的加速度值。8/18/2024131第二节第二节 常用传感器常用传感器3.2.4力传感器v电阻应变片传感器 弹性体在外力作用下会产生变形，将应变片粘贴在弹性体表面，即可检测到这种变形产生的应变，进而可以检测力的大小。利用应变片在弹性体上布片方式的不

54、同或电阻丝形式的不同，可以检测拉压力、弯矩、扭矩、剪切力及压力等。由于电阻应变片结构简单、使用灵活，广泛应用在检测系统中。8/18/2024132第二节第二节 常用传感器常用传感器v压力传感器 除了可以利用电阻应变片检测压力外，对液体或气体压力还可以采用其他方法检测。下列元件随着内外压力不同，会产生变形，通过测量变形大小或变形力的大小 即可测 量出压 力大小8/18/2024133第二节第二节 常用传感器常用传感器3.2.5接近传感器与距离传感器v电容式接近传感器 电容式接近传感器是利用检测被检测对象与检测极板间电容的变化，来检测物体的接近程度。8/18/2024134第二节第二节 常用传感器

55、常用传感器v电感式接近传感器 如果检测对象为钢、铁等磁性材料，可以利用其磁通特性检测物理的接近程度。8/18/2024135第二节第二节 常用传感器常用传感器 电感式接近传感器和电容式接近传感器相比，电感式传感器的灵敏度会更高一些，检测电路也要简单一些，但被检测物体必须是磁性体。要检测地面、水面或生物体时，一般可使用电容式接近传感器。如果需要检测非良导电体，如塑料等材料物体的接近程度，上述两种传感器都无能为力，需要利用光电式或其他类型的传感器8/18/2024136第二节第二节 常用传感器常用传感器v光电式接近传感器 使用一个发光二极管和一个光电三级管组成，当被检测物体表面接近交点时，发光二极

56、管的发射光被光电三级管接受，产生电信号。当物体远离交点时，反射区不在光电三极管的视角内，检测电路没有输出。8/18/2024137第二节第二节 常用传感器常用传感器v超声波距离传感器 利用超声波进行距离检测的原理是，向被检测物体发射超声波，并由被检测物体反射回来，通过检 测从发射到接收到反 射波所利用的时间来 实现距离测量。8/18/2024138第二节第二节 常用传感器常用传感器3.2.6温度、流量传感器v热电偶温度传感器v热敏电阻传感器v流量传感器8/18/2024139第二节第二节 常用传感器常用传感器v热电偶温度传感器 热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的

57、闭合回路中，如果它们两个结 点的温度不同，则回路中产生 一个电动势，通常我们称这种 电动势为热电势，这种现象就 是热电效应8/18/2024140第二节第二节 常用传感器常用传感器v热电阻传感器热电阻传感器 利用热敏电阻可以制成温度传感器。 所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体，其电阻值随温度的变化而显著改变。8/18/2024141第二节第二节 常用传感器常用传感器v流量传感器n涡流式流速传感器n浮子式流量传感器 涡流式流量传感器具有结构简单、精度高、安装方便等优点，流速过小或过大都会产生较大误差。浮子式流量传感器量程范围比较大，但工作条件要求比较高，由于靠重力平衡浮子的浮力，当发生倾斜或较大

58、幅度振动时，会造成较大误差，甚至无法工作。8/18/2024142第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理 传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现为形式不同的电信号。按传感器输出电信号的参量形式，可分为电压输出、电流输出和频率输出。其中以电压输出型为最多。在电流输出和频率输出传感器中，除了少数直接利用其电流或频率输出信号外，大多数采用变换器，将它们转换成电压输出型传感器。8/18/2024143第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理 由于传感器输出的信号往往较弱，因此必须先将其放大。随着集成运算放大器的不断完善和价格的不断下降，传感器的信号放大采用集成运算放大器的越来越

59、多。这里主要介绍几种典型的传感器信号放大器8/18/2024144第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理v测量放大器这种放大器具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。8/18/2024145第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理v程控增益放大器 经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理 当数模信号送到模/数变换器时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号在模/数变换器输入的允许范围内尽可能达到最大值，然而当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟信号变化也较大。8/18/2024

60、146第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理 这种情况下如果输出只使用一个放大倍数的放大器，在进行小信号转换时将会引入较大的误差，无法满足上述要求。为了解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法来实现不同幅度信号的放大。在计算机自动测控系统中，往往不希望。有时也不可能利用手动办法来实现增益变换，而希望利用计算机采用软件控制的办法来实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器就叫 程控增益放大器。8/18/2024147第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理 右下图为一利用改变反馈电阻值的办法来实现量程变换的可变增益放大器电路。当开关 闭合而其余两个开关断开时其放大倍

61、数为 选择不同的开关 闭合，即可实现 增益的变换。8/18/2024148第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理v隔离放大器 在有强电信号或强磁场干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。一般来说，隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流和电阻彼此隔离使之没有直接耦合的测量放大器8/18/2024149第三节第三节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理 由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此还具有以下特点。n保护系统元件不受高共模电压防止高压对低压信号系统的损坏n泄漏电

62、流低，对于测量放大器的输入端，无须提供偏流返回通路。n共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。8/18/2024150第四节第四节 传感器接口技术传感器接口技术v传感器信号的采样/保持 在对模拟信号进行模/数转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于A/D转换器的孔径时间，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转后又能跟踪输入信号的变换，即使输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器8/18/2024151第四节第四节 传感器接口技术传感器接口

63、技术v采样/保持器原理 集成采样/保持器的特点n采样速度快、精度高n下降速度慢8/18/2024152第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术 许多传感器的输出信号与被测参数间存在着非线性，这种非线性直接影响机电一体化产品的精度。因此常采用软件方法对传感器的非线性特性进行补偿，降低对传感器的要求，提高检测精度。用软件处理的方法有：计算法、查表法和插值法8/18/2024153第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术v计算法 当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿，即在软件编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤

64、波和标度变换后直接进入计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。8/18/2024154第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术v查表法 所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。查表法是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作。它具有编写程序简单。执行速度快等优点。8/18/2024155第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术 表的排列不同，查表的方法也不同。常用的查表方法有：顺序查表法、计算查表法、对分查表法。8/18/20

65、24156第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术8/18/2024157第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术v插值法n插值原理 设法找到一个函数去逼近输出与输入的函数关系式，使找到的函数在规定处与输出输入函数相等。n插值的计算机实现方法8/18/2024158第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术8/18/2024159第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术8/18/2024160第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术第一步：用实验法测出传感器的变化曲线第二步：将上述曲线进行分段，选取各插值基点（等距分段法、非等

66、距分段法）第三步：确定并计算出各插值点xi、yi值及相邻插值点的拟合直线的斜率，并存放在存贮器中。第四步：计算xxi第五步：找出x所在的区间（xi,xi+1）,并从存储器中取出该段的斜率的ki8/18/2024161第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术第六步：计算ki（x-xi）第七步：计算结果y=yi+ki（x-xi） 对于非线性参数的处理，除了前面讲过的几种以外，还有许多其它方法，对于机电一体化测控系统来说具体采用哪种方法来进行非线性计算机处理，应根据实际情况和具体被测对象要求而定。8/18/2024162第五节第五节 传感器非线性补偿技术传感器非线性补偿技术8/18/2

67、024163第六节第六节 数字滤波数字滤波v算术平均值法 算术平均值法是寻找一个Y值与各采样值间误差的平方和最小v中间值滤波法 中间值滤波法是在三个采样周期内，连续采样读入三个检测信号，从中选择一个居中的数据有效信号8/18/2024164第六节第六节 数字滤波数字滤波v防脉冲干扰平均值法 将算术平均值法和中值滤波法结合起来，便可得到防脉冲干扰平均值法v程序判断滤波法n限幅滤波法n限速滤波法8/18/2024165 篇章结构篇章结构第一章 绪论第二章 机械系统设计第三章 传感器检测及其接口电路第四章 伺服系统第五章 工业控制计算机及其接口技术第六章 几点一体化系统设计及应用举例8/18/202

68、4166第四章第四章 伺服系统伺服系统第一节 伺服系统的基本结构形式及特点第二节 伺服系统的执行元件第三节 执行元件的控制与驱动第四节 伺服系统设计8/18/2024167第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特点伺服系统的基本结构形式及特点v伺服系统的基本概念 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。 伺服是机电一体化产品的一个重要组成部分。其输出量是机械位置和角度。伺服系统主要用于机械设备位置和角度的动态控制。8/18/2024168第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特伺服系统的基本结构形式及特点点v伺服系统的基本要求 由于执行元件是直接的被控对

69、象，为了能按照控制命令的要求准确、迅速、精确、可靠地实现对控制对象的调整与控制，对伺服系统提出以下要求：n高可靠性n良好的动态性n动作的准确性n高效率8/18/2024169第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特伺服系统的基本结构形式及特点点 在伺服系统的执行元件中，广泛使用的是伺服电动机，其作用是把电信号转换为机械运动。伺服电动机技术性能直接影响着伺服系统的动态特性、运动精度、调速性能等。一般情况下、伺服电动机应满足如下的技术要求。8/18/2024170第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特伺服系统的基本结构形式及特点点n具有较硬的机械特性和良好的调节特性(理想情况下，两种特性曲线是一

70、直线)n具有宽广而平滑的调速范围n具有快速响应特性n具有小的空载始动电压8/18/2024171第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特点伺服系统的基本结构形式及特点v伺服系统的基本结构形式 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。 8/18/2024172第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特点伺服系统的基本结构形式及特点n比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。n控制器 控制器通常是计算机或P

71、ID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。 8/18/2024173第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特点伺服系统的基本结构形式及特点n执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。n被控对象 n检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。8/18/2024174第一节第一节 伺服系统的基本结构形式及特点伺服系统的基本结构形式及特点 按照系统执行元件的性质不同，伺服系统可

72、分为电气伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。其中电气伺服系统又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。按照系统的控制方式，可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。8/18/2024175第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v执行元件的种类及特点 因为执行元件是直接参与调节以及完成动作执行的装置，因此要求执行元件能够按控制器的指令准确、迅速、精确、可靠地实现对被控对象的调整和控制。执行元件的种类繁多，通常按推动执行元件工作的能源形式分为三种：电动式、液压式和气动式。8/18/2024176第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n电动执行元件 电动执行元件以电能作为动

73、力，并把电能转变成位移或转角形式的机械能，以实现对被控对象的调整和控制。电动执行元件主要以电动机为主，具有高精度、高速度、高可靠性、易于控制等特点。常见的有直流伺服电动机。交流伺服电动机、步进电动机等。8/18/2024177第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n液压执行元件 液压执行元件是将高压液体的能量转换为机械能，拖动负载实现直线或回转动作。做功介质可以用水，但大多用液压油。常见的执行元件有液压缸、液压马达等。液压执行元件具有工作平稳、冲击振动小、无极调速范围大、输出力或扭矩大、过载能力强、结构简单等优点。但其缺点有，需要精心维护管理；噪声大；远距离操作受到限制；由于漏油可

74、能污染环境；性能随油温的变化而变化8/18/2024178第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n气动执行元件 气动执行元件是把压缩气体的能量转换成机械能，拖动负载完成对被拉对象的控制。做功介质可以是空气，也可以用惰性气体。气动执行元件结构简单、工作可靠、维护方便、成本低。但由于是用气体做介质，所以可压缩性大、精度较差、传输速度低。8/18/2024179第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v直流伺服电动机 直流伺服电动机是用直流电信号控制的伺服电动机，其功能是将输入的电压控制信号快速转变为轴上的角位移或角速度输出。 直流伺服电动机的主要结构及原理与普通直流电动机相比

75、较没有特殊的区别，但为了满足工作需要，在以下几方面直流伺服电动机与普通直流电动机不同：8/18/2024180第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n电枢长度与直径的比要大n磁极的一部分或全部使用叠片工艺n为进行可逆运行，电刷应准确地位于中性线上，使正反特性一致n为防止转矩不均匀，电枢应制成斜槽形状n用电枢控制方式时，为了减少磁场磁通变化的影响，应充分使用在饱和状态n根据控制方式，也有使用分段励磁绕组的形式8/18/2024181第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v直流伺服电动机的特点：n稳定性好n可控性好n响应迅速n控制功率低n转矩大8/18/2024182第二节

76、第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v交流伺服电动机 交流伺服电动机是把加在控制绕组上的交流电信号转换为一定的转速和偏角的电动机。与直流伺服电动机相比，交流伺服电动机具有结构坚固、维护简单、便于安装以及转子惯量可以设计得较小和能够高速运转等优点。8/18/2024183第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n交流伺服电动机的工作特点 交流伺服电机的工作原理与两相异步电机相似 。然而 ，由于它在数控机床中作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度 ，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时它不转动。特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止

77、转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，它往往不能立即停止而要继续转动一会儿。 8/18/2024184第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n结构特点 交流伺服电动机采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境不需要定期检查和维修。其定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻。定子铁心较一般电动机开槽多且深，围绕在定子铁芯上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的稳定性。8/18/2024185第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件 转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩/惯量比，动态

78、响应好，运行平稳。转轴安装有高精度的脉冲编码器作检测元件。因此交流伺服电动机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。8/18/2024186第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n交流伺服电动机的控制方法 和普通感应电动机相同，两相伺服电动机磁转矩的大小取决于气隙磁场的每极磁通量和转子电流的大小及相位。也即取决于控制电压的大小和相位。所以，可以通过改变控制电压的大小和相位的方法来控制电动机，常用的控制方式包括以下几种8/18/2024187第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件幅值控制：保持控制电压的相位角不变，只改变其幅值大小来控制电动机。相位控制：保持控制电压的

79、幅值不变，只改变其相位来控制电动机。幅相控制：同时改变控制电压的幅值和相位来控制电动机。8/18/2024188第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件 永磁式同步电动机的特点是电动机定子铁芯上装有三相电枢绕组，接在可控的电源上，用以产生旋转磁场；转子由永磁材料制成，用于产生恒定磁场，无需励磁绕组和励磁电流。当定子接通电源后，电动机异步启动，当转子转速接近同步转速时，在转子磁极产生的同步转矩作用下，进入同步运行。永磁式同步电动机的转速采用改变电源频率的办法来进行控制。8/18/2024189第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v步进电动机 步进电动机是将电脉冲控制信号转

80、换成机械角位移的执行元件。每接受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，步进电动机转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。8/18/2024190第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。 步进电动机的工作方式是以转动一个齿距所用的拍数来表示的。拍数实际上就是转动一个齿距所需的电源电压换相次数，上述电动机采用的是三相单三拍

81、方式。8/18/2024191第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件 除了单三拍外，还可以有双三拍，即每拍有有两相绕组通电，通电顺序为AB-BC-CA-AB，步距角与单三拍相同。但是双三拍时，转子在每一步的平衡点受到两个相反方面的转矩而平衡，振荡弱，稳定性好。此外还有三相单、双六拍等通电方式8/18/2024192第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v直线电动机n直线电动机是近年来国内外积极研究发展的新型电动机之一。它是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。8/18/2024193第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件n直线电动机的优点直线

82、电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。快速响应提高可靠性，延长使用寿命可提高电动机的容量定额装配灵活性大8/18/2024194第二节第二节 伺服系统的执行元件伺服系统的执行元件v其他种类的执行元件 在伺服系统的执行元件当中，除电气执行元件外，还广泛应用液压式和气动式执行元件。n液压缸8/18/2024195第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计v系统设计方案 当伺服系统的负载不大，精度要求不高，可采用开环控制。当系统精度要求较高或负载较大时，开环伺服系统往往满足不了要求，这时应采用闭环或半闭环控制的伺服系统。一般来讲，开环伺服系统的稳定性容易满足

83、要求，设计时应主要考虑满足精度方面的要求，并通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。8/18/2024196第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计n开环控制伺服系统的方案设计 在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是数控机床的伺服进给系统及数控X-Y工作台。8/18/2024197第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面要求。开环伺服系统中可采用步进电动机、液压脉冲马达、伺服阀控制的液压缸和液压马达等作为执行元件，其中步进电动机应用最为广泛。一般情况下应优先选用步进电动

84、机，当其负载能力不够时，再考虑选用液压脉冲马达。8/18/2024198第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计传动机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的机械接口，用于对运动和立进行变换和传递。在伺服系统中执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。8/18/2024199第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计 前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造比较困难，且存在传动间隙；后者因结构简单、制造容易而应用广泛，尤其是滚动丝杠螺母副，目前已成为伺服系统中的

85、首选传动机构。8/18/2024200第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计 在步进电动机与丝杠之间的传递可有多种方式。可将步进电动机与丝杠通过连轴器直接连接，其优点是结构简单，可获得较高的速度，但对步进电动机的负载能力要求较高。此外步进电动机电动机还可通过减速器传动丝杠。减速器的作用主要有三个，即配凑脉冲当量、转矩放大和惯量匹配。当电动机与丝杠中心距较大时，可采用同步齿形带传动，否则可采用齿轮传动，但应采取措施消除其传动间隙。8/18/2024201第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计控制系统方案的选择 控制方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等选择。8/18/2024202

86、第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计 开环系统：开环系统：是系统只管输出需要的信号脉冲，而没有反馈信号接收，就是说进给部件走没走到位或有什么间隙误差都不管。它完全不能保证加工精度。价格便宜，只用在简易的步进电机型数控机床。 闭环系统：闭环系统：是直接在运动部件上安装如光栅尺一类的高精度检测装置，随时给系统提供精确的反馈信号，让系统及时对误差进行调整，提高精度。加工精度高、价格昂贵，用于高精密加工用的加工中心等。8/18/2024203第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计 半闭环系统：半闭环系统：是最常用的一种，是在伺服电机上安装检测装置，将伺服电机的运转情况反馈给系统，而不是在运动部件上安

87、装检测装置，系统只能通过修正电机的运转来修正误差。精度较高，比闭环低。价格中等，适用于各类非高精密加工的加工中心和数控机床。8/18/2024204第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计闭环或半闭环控制方案的确定 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制方案。它将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械系统的动态性能难于提高，系统稳定性难于保证。因而除非精度很高时，一般应采用半闭环控制方案8/18/2024205第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计执行元件的选择 在闭环或半闭环控制的

88、伺服系统中，主要采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或伺服阀控制的液压伺服马达作为执行元件。液压伺服马达主要用在负载较大的大型伺服系统中，在中、小型伺服系统中，则多数采用直流或交流伺服电动机。8/18/2024206第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计检测反馈元件的选择 一般来说，半闭环控制的伺服系统多数采用角位移传感器，闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感器。 机电一体化产品中的伺服系统多数采用计算机数字控制，因而相应的位置传感器也多数采用数字式传感器8/18/2024207第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计 传感器的精度与价格密切相关，应在满足要求的前提下，尽量选用精度低的传感器，以

89、降低成本。 选择传感器还应考虑结构空间及环境条件等的影响。 在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。8/18/2024208第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计机械系统与控制系统方案的确定 在闭环控制的伺服系统中，机械传动与执行机构在结构形式上与开环控制的伺服系统基本一样，即由执行元件通过减速器和滚动丝杠螺母机构，驱动工作台运动。 控制方案的确定主要包括执行元件控制方式的确定和系统伺服控制方式的确定。8/18/2024209第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计系统精度系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以

90、误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。 稳定性稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。 8/18/2024210第四节第四节 伺服系统设计伺服系统设计响应特性响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 工作频率工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工

91、作。 8/18/2024211篇章结构篇章结构第一章 绪论第二章 机械系统设计第三章 传感器检测及其接口电路第四章 伺服系统第五章 工业控制计算机及其接口技术第六章 几点一体化系统设计及应用举例8/18/2024212第五章第五章 工业控制计算机及其接口技工业控制计算机及其接口技术术第一节 工业控制计算机第二节 计算机控制接口技术第三节 可编程控制器第四节 数字控制器设计8/18/2024213第五章第五章 工业控制计算机及其接口技工业控制计算机及其接口技术术 工业控制计算机系统是机电一体化系统的中枢，其主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集、加工处理、分析和判断，作出相应的调节和控制决策，

92、发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现机电一体化系统的目的功能。8/18/2024214第五章第五章 工业控制计算机及其接口技工业控制计算机及其接口技术术v将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现， 就组成了一个典型的计算机控制系统 8/18/2024215第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机v工业控制计算机的特点及要求工业控制计算机的特点及要求 n具有完善的过程输入/输出功能n具有实时控制功能n具有可靠性n具有较强的环境适应性和抗干扰能力n具有丰富的软件n硬件配置的可装配可扩充性8/18/2024216第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机v计算机在控

93、制中的应用方式计算机在控制中的应用方式 n操作指导控操作指导控 制系统制系统 在操作指导 控制系统中 ，计算机的 输出不直接 用来控制生 产对象。 8/18/2024217第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机n直接数字控制系统直接数字控制系统 直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式， 8/18/2024218第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机n监督计算机控制系统监督计算机控制系统 计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由

94、模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。 8/18/2024219第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机v工业控制计算机的分类及其应用特点 在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等，正确的选用工业控制计算机系统。根据计算机软硬件及其应用特点，常将工业控制计算机分为：可编程序控制器、总线型工业控制计算机以及单片机三类。8/18/2024220第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、执行次序或条件

95、需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器PLC（Programable Logic Controller）。把它们统称为可编程序控制器PC（Programable Controller）。8/18/2024221第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机n单片机 单片机是把计算机系统硬件的主要部分如CPU、存储器、I/O口、定时/计数器及中断控制器等都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。单片机可视为一个不带外部设备的计算机

96、，相当于一个没有显示器、键盘、不带监控程序的单板机。8/18/2024222第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机 由于高度集成化，单片机具有体积小、功能强、可靠性高、功耗小、价格低廉、易于掌握、应用灵活等多种优点。单片机目前已越来越广泛地应用于机电一体化领域。其主要有以下几个特点：结构形态的随意性、空间位置的随意性、形态规模的随意性、最佳的经济性、较高的可靠性、较强的控制功能、片内存储容量较小、软件开发工作量大8/18/2024223第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机单片机的硬软件系统： 虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义。严格来说，单片机是微机

97、的一个分类。从原理和硬件结构上看，单片机与微机之间不但没有很大的差别，而且早期微机的许多技术与特点都被单片机继承下来。8/18/2024224第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机 单片机由于硬件支持和需要所限，其软件系统比较简单。首先单片机的系统管理不需要像微机那样复杂的操作系统，而只使用简单的操作系统程序，通常称之为监控程序。其次，大多数单片机不使用高级语言，通常使用的是汇编语言或C语言，但单片机设有自己的专用的编译程序，用户的应用程序是在其他微机上通过交叉编译方法得到的二进制目标码。因此在单片机系统中只有监控程序和二进制目标码的应用程序。8/18/2024225第一节第一节 工业控制

98、计算机工业控制计算机n总线型工业控制计算机 总线结构型的工业控制计算机，根据功能要求把控制系统划分成具有一种或几种独立功能的硬件模块，从内总线入手把各功能模块设计制造成“标准”的印制电路插板，像搭积木一样将硬件插件及模板插入一块公共的成为底板的电路板插槽上组成一个模块网络系统。每块插件之间的信息都通过地底板进行交换。8/18/2024226第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机n总线型工业控制计算机具有的特点：提高设计效率，缩短设计和制造周期提高了系统的可靠性便于调试和维修能适应技术发展的需要具有丰富的过程输入/输出功能具有实时性8/18/2024227第一节第一节 工业控制计算机工业控制

99、计算机8/18/2024228第三节第三节 可编程控制器可编程控制器vPLC组成及工作原理 可编程序控制器简称PLC，它是将继电器逻辑控制技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统。它的低端为继电器逻辑的代用品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实时控制系统。它以顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术运算等功能。8/18/2024229第三节第三节 可编程控制器可编程控制器 PLC把计算机的功能完善、通用、灵活、智能等特点与继电器控制的简单、直观、价格便宜等优点结合起来，可以取代传统的继电器顺序控制，而且具备继电接触控制所不具备的优点。它克服了继电器接触控制系统

100、中机械触电的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯。8/18/2024230第三节第三节 可编程控制器可编程控制器 特点是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。用户只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC 应用与生产实践。 PLC既能控制开关量，又能控制模拟量。而且具有存储器技术，能存储控制程序。8/18/2024231第三节第三节 可编程控制器可编程控制器

101、 PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、存储器、输入/输出接口、电源、编程器扩展接口和外部设备接口等六个主要部分。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。 除了上面介绍的这几个主要部分外，PLC上还配有和各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、打印机、录音机以及A/D、D/A、串行通信模块等，可以十分方便地用电缆进行连接。8/18/2024232第三节第三节 可编程控制器可编程控制器 PLC的工作原理是采用顺序扫描，不断循环的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条

102、指令开始逐条执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。PLC的一个扫描周期必须经过输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。8/18/2024233第三节第三节 可编程控制器可编程控制器 PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端的通断状态或输入数据读入，并将其写入个对应的输入状态寄存器中，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 在程序执行阶段，PLC按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。8/18/2024234第三节第三节 可编程

103、控制器可编程控制器 输出刷新阶段，当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动相应输出设备工作。 为了提高工作可靠性，及时接受外来的控制命令，PLC在工作期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行系统故障自诊断，与编程器通信等。8/18/2024235第三节第三节 可编程控制器可编程控制器 PLC完成上述步骤所需时间称为一个扫描周期。在PLC产品技术性能参数中所列的扫描周期一般是指按上述步骤扫描1000条指令所需的时间。 由此可见，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点。8/18/2024236第三节第三节 可编程

104、控制器可编程控制器nPLC的技术特性输入/输出点数：指PLC外部输入、输出端数扫描速度：一般以执行1000步指令所需时间来衡量内存容量：一般以PLC能存放用户程序的多少衡量8/18/2024237第三节第三节 可编程控制器可编程控制器指令条数：这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标内部寄存器：寄存器的配置情况常是衡量PLC硬件功能的指标高功能模块：高功能模块的多少及功能强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要标志8/18/2024238第三节第三节 可编程控制器可编程控制器nPLC的编程语言 PLC的主要使用对象不是计算机专用人员，而是广大工程技术人员或操作维护人员。因此PLC不采用计算机编程语言

105、，而常采用面向控制过程、面向对象的“自然语言编程”。这些编程语言有梯形图语言、指令表语言、流程图语言和布尔代数语言8/18/2024239第三节第三节 可编程控制器可编程控制器梯形图语言在形式上类似继电器控制电路。它是用各种图形符号连接而成的，这些符号分别为常开接点、常闭接点、并联连接、继电器线圈等。每一接点和线圈均对应一个编号，不同机型的PLC，其编号方法不一。梯形图直观易懂，为电气人员所熟悉，因此是应用最多的一种编程语言。8/18/2024240第三节第三节 可编程控制器可编程控制器确定指令表语言类似微机汇编语言的形式，它是用指令的助记符来编程的。但PLC的指令语言要比微机的汇编语言通俗易

106、懂，因此助记符也是应用广泛的一种编程语言。流程图语言类似于与、或、分等逻辑电路图，其比较直观，有一定数字电路知识的工程人员很容易掌握。布尔代数语言是利用布尔代数所组成的逻辑表达式来表示系统的控制关系。8/18/2024241第三节第三节 可编程控制器可编程控制器nPLC的基本指令（日本三菱公司的F系列）输入输出指令（LD、LDI、OUT）逻辑“与”指令（AND、ANI）逻辑“或”指令（OR、ORI）支路并联连接指令（ORB）电路块串联连接指令（ANB）置位/复位指令（S/R）8/18/2024242第三节第三节 可编程控制器可编程控制器计数器和位移寄存器复位指令（RST）位指令（SFT）主令控

107、制指令（MC/MCR）跳转指令（CJP/EJP）END指令8/18/2024243第三节第三节 可编程控制器可编程控制器vPLC控制系统设计nPLC控制系统设计步骤分析控制任务，了解被控对象的工艺过程，画出流程图确定输入、输出的类型、点数正确选择输入装置及输出装置的规格、型号合理选择PLC类型及规模编制输入、输出接点的现场编号与PLC内部地址编号的对照表8/18/2024244第三节第三节 可编程控制器可编程控制器根据工艺流程、结合输入输出编号对照表，画出PLC控制的梯形图按照梯形图编写用户控制程序用编程器将用户控制程序送入PLC进行系统模拟调试，检查和修改程序的语法及控制逻辑、控制参数进行P

108、LC控制系统硬件的安装连线，设计PLC外围电路，将外围控制装置与PLC输入输出端连接起来。8/18/2024245第三节第三节 可编程控制器可编程控制器对整个系统进行在线调试正式投入使用8/18/2024246第一节第一节 机电一体化产品的系统设计要机电一体化产品的系统设计要点点v用户需求的抽象 用户对产品提出的要求往往面向产品的使用目的，并不全是设计的技术参数。因此，需要对用户的需求进行抽象，要在分析对象工作原理的基础上，澄清用户需求的目的、原因和具体内容，经过理论分析和逻辑推理，提炼出问题的本质和解决问题的途径，并用工程语言描述设计要求，最终形成产品的规格和性能参数。8/18/202424

109、7第一节第一节 机电一体化产品的系统设计要点机电一体化产品的系统设计要点u运动参数：表征机器工作部件的运动轨迹和行程、速度和加速度u动力参数：表征机器为完成加工运动应输出的力（力矩）和功率u品质参数：表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性8/18/2024248第一节第一节 机电一体化产品的系统设计要点机电一体化产品的系统设计要点u环境参数：表征机器工作的环境，如温度、湿度、输入电源u结构参数：表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型u界面参数：表征机器的人机对话方式和功能8/18/2024249第三节第三节 可编程控制器可编程控制器取指令 LD X0取反指令 LDI X0与指令

110、 LD X0 AND X1与反指令 LD X0 ANI X18/18/2024250第三节第三节 可编程控制器可编程控制器v或指令 LD X0 OR X1v或反指令 LD X0 ORI X1v输出指令 OUT Y08/18/2024251第三节第三节 可编程控制器可编程控制器v串联电路块的并联指令 LD X0 AND X1 LD X2 AND X3 ORB 8/18/2024252第三节第三节 可编程控制器可编程控制器v并联电路块的串联指令 LD X0 OR X2 LD X1 OR X3 ANB 8/18/2024253第三节第三节 可编程控制器可编程控制器v练习1 LD X3 ANI X4 ORI X0 AND X1 AND X2 OUT Y0 END 8/18/2024254第三节第三节 可编程控制器可编程控制器v练习2 LD X0 AND X1 LD X2 ANI X3 ORB LDI X4 AND X5 ORB END 8/18/2024255第三节第三节 可编程控制器可编程控制器v练习3 LDI X0 AND X1 LD X2 ANI X3 ORB AND X4 AND X5 OUT Y0 END 8/18/2024256