第八章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用第一節(jié)機電一體化系統(tǒng)機械部分的設(shè)計第二節(jié)工業(yè)鍋爐節(jié)能計算機控制系統(tǒng)設(shè)計第三節(jié)高速線材軋鋼機測控系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié)單片機控制電風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計第五節(jié)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計習(xí)題與思考題參考文獻第一節(jié)機電一體化系統(tǒng)機械部分的設(shè)計

一、機械執(zhí)行機構(gòu)和傳動機構(gòu)的設(shè)計

1.機械執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)是機電一體化產(chǎn)品的重要組成部分。它直接接受系統(tǒng)控制器的指令，并通過傳動機構(gòu)來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)特定的功能。對執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計要求主要有以下三點：(1)具有實現(xiàn)所需的全部運動形式的能力，包括給定的運動軌跡、給定的行程、速度方向及運動的起止點位置的范圍等，并具有相應(yīng)的精度和靈敏度。(2)具有傳遞所需動力的能力。這要求執(zhí)行機構(gòu)具有相應(yīng)的強度和剛度。(3)具有良好的動態(tài)品質(zhì)，即要求盡量減少機械的轉(zhuǎn)動量，提高傳動剛度，系統(tǒng)固有頻率，以及減少機械部件摩擦和間隙等。下一頁2.傳動機構(gòu)的設(shè)計傳動機構(gòu)作為扭矩和轉(zhuǎn)速的變換器，在設(shè)計時應(yīng)符合以下要求：(1)具有足夠的傳動精度以適應(yīng)機電一體化產(chǎn)品的控制工作精度要求。(2)具有適應(yīng)高速傳動的能力。(3)具有小型化、輕型化的特點。這對保證產(chǎn)品系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少沖擊，降低能耗是必要的。上一頁下一頁2.電子類標(biāo)準(zhǔn)件的選擇方法在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，對于任何一種機電系統(tǒng)，分別是由機械和電子兩大部分組成。對于系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件選擇的共性問題，分別給出電子類如傳感器、放大器、記錄儀、控制器、A/D、D/A、AK控制器、電源驅(qū)動器、電機、集成電子器件、電子開關(guān)等標(biāo)準(zhǔn)件選擇方法：(1)標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)與系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)和配套性要求進行選擇。其中有傳感器與放大器配套；電機驅(qū)動器與電機配套；控制器A/D、D/A、AK系列板與計算機配套；執(zhí)行機構(gòu)功率指標(biāo)與負載功率指標(biāo)配套；開關(guān)量控制器與被控設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求配套等。(2)標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)與系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸要求一致。(3)標(biāo)準(zhǔn)件精度指標(biāo)應(yīng)滿足系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求。(4)標(biāo)準(zhǔn)件安裝方式應(yīng)滿足系統(tǒng)總體設(shè)計要求。(5)標(biāo)準(zhǔn)件性能參數(shù)應(yīng)滿足系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)性能要求。(6)標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)具有抗干擾，較強的適應(yīng)環(huán)境能力。(7)標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)安裝使用方便，可互換性好。(8)標(biāo)準(zhǔn)件的穩(wěn)定性，可靠性等應(yīng)滿足系統(tǒng)總體設(shè)計要求。上一頁下一頁三、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中的質(zhì)量控制1.質(zhì)量目標(biāo)管理在接到設(shè)計任務(wù)設(shè)計所需信息開始，在構(gòu)思、規(guī)劃的同時，確立該設(shè)計的質(zhì)量目標(biāo)。然后將其分解到設(shè)計過程的每一步驟，而且要最大限度地做到定量化。2.實行可靠性設(shè)計產(chǎn)品要贏得信譽，除功能上滿足要求外，還應(yīng)做到產(chǎn)品壽命期內(nèi)少出故障，出了故障也要便于修理，因此必須借助于可靠性設(shè)計的手段進行設(shè)計。3.質(zhì)量評審方法(1)方案設(shè)計階段。(2)技術(shù)設(shè)計階段。(3)樣機試制、試驗階段。(4)技術(shù)鑒定，設(shè)計定型階段。4.標(biāo)準(zhǔn)化與工藝評審設(shè)計產(chǎn)品圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化、文件管理標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化等進行評審。上一頁下一頁5.建立設(shè)計質(zhì)量責(zé)任制(1)設(shè)計階段應(yīng)由質(zhì)量管理人員和設(shè)計人員共同負責(zé)。(2)研制和生產(chǎn)階段由研制生產(chǎn)人員和質(zhì)量檢測人員負責(zé)。6.建立質(zhì)量保證體系主要內(nèi)容(1)根據(jù)用戶調(diào)查和收集來的質(zhì)量信息制定質(zhì)量目標(biāo)；(2)根據(jù)驗證試驗資料，鑒定方案論證的質(zhì)量；(3)審查產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量；(4)檢查產(chǎn)品試制、鑒定質(zhì)量；(5)監(jiān)督產(chǎn)品試驗方法、試驗質(zhì)量；(6)審查產(chǎn)品定型質(zhì)量；(7)審查設(shè)計圖紙、工藝等技術(shù)文件是否規(guī)范齊全；(8)組織新產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的技術(shù)與經(jīng)濟分析。上一頁下一頁第二節(jié)工業(yè)鍋爐節(jié)能計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

一、工業(yè)鍋爐計算機控制系統(tǒng)的主要功能1.自動控制功能計算機控制系統(tǒng)能自動地完成對給水、給油、送風(fēng)、引風(fēng)、增溫、增水等。進口鍋爐的物料量的自動控制，使鍋爐的氣包水位、蒸氣壓力、蒸氣溫度、風(fēng)油配比系數(shù)、煙氣含氧量、爐膛負壓等運行參數(shù)保持在規(guī)定的最佳數(shù)值附近，以保證鍋爐的安全運行、平穩(wěn)操作，達到降低油耗、提高供氣質(zhì)量的目的。2.運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示功能，分析判斷輸出功能區(qū)別不同情況，對采集得到的數(shù)據(jù)進行濾波等數(shù)據(jù)處理。在系統(tǒng)所配備的彩色顯示屏上，顯示出主要工作參數(shù)的實時數(shù)值。一般設(shè)有動態(tài)流程模擬圖、光柱模擬圖、單點回路圖等多種顯示畫面，同時還可顯示各個控制系統(tǒng)輸出值、控制參數(shù)、報警限定值、報警狀態(tài)、控制狀態(tài)、實時時鐘等。

下一頁3.報警功能計算機控制系統(tǒng)可對氣包水位、蒸氣壓力、爐膛溫度、爐膛負壓等參數(shù)實現(xiàn)過負荷報警。當(dāng)運行參數(shù)超過規(guī)定的界限數(shù)值時，發(fā)出聲、光自動報警信號。4.檢測控制數(shù)據(jù)報表打印功能計算機控制系統(tǒng)配備了通用打印機，可定時打印出各種運行工作參數(shù)的數(shù)據(jù)，以生產(chǎn)日志和產(chǎn)耗統(tǒng)計報表。系統(tǒng)具有定時打印、隨機打印、報警打印等多種打印方式，以表格化形式打印出全部檢測結(jié)果。5.控制參數(shù)計算功能計算機控制系統(tǒng)對氣、水、油等產(chǎn)耗數(shù)據(jù)進行累計計算，并對產(chǎn)氣量進行壓力校正計算。上一頁下一頁6.手操作/自動雙向切換功能計算機控制系統(tǒng)備有后備操作裝置，能實現(xiàn)強電手動操作，并可配合軟件共同實現(xiàn)手/自動雙向切換，這樣既可以方便操作，又可提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、工作的可靠性、安全性。7.控制參數(shù)在線修改功能控制系統(tǒng)能在自動工作狀態(tài)下，在不停止閉環(huán)控制作用的同時，對各給定值、PID整定參數(shù)、配比系數(shù)、實時時鐘等實現(xiàn)在線修改。8.完備的過程通道控制接口功能控制系統(tǒng)有完備的工作過程通道接口，可直接與DDZⅡ、DDZⅢ型驅(qū)動器、執(zhí)行儀表，熱電偶、熱電阻等連接。各部分均采取了有效的電路隔離措施、抗干擾措施。同時，系統(tǒng)還備有RS232全雙工串行接口，以利于進行多級計算機控制和管理.

上一頁下一頁圖8－1微機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

返回三、軟件的主要功能模塊設(shè)計1.初始化功能模塊2.運算模塊3.控制系統(tǒng)組態(tài)模塊4.控制參數(shù)在線修改功能模塊5.顯示功能模塊6.打印功能模塊7.報警功能模塊8.鍵盤按鍵處理功能模塊9.控制數(shù)據(jù)表格與工作圖形10.主控管理與中斷服務(wù)模塊上一頁下一頁四、控制系統(tǒng)設(shè)置設(shè)計由于工業(yè)鍋爐是具有多輸入、多輸出、參數(shù)間相互耦合、大延遲時間等明顯特征的復(fù)雜過程，在控制上有一定難度。在自控系統(tǒng)的設(shè)置與控制規(guī)律、算法的選擇上，需要一定的技巧與經(jīng)驗。應(yīng)充分利用計算機在計算、比較、邏輯判斷上的優(yōu)勢、靈活、綜合地運用多種手段，使其達到滿意的控制技術(shù)指標(biāo)。為了保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，保證供氣負荷量與供氣質(zhì)量，一般按能量平衡、水量平衡、風(fēng)量平衡來設(shè)置控制系統(tǒng)，并應(yīng)保證供氣壓力與供氣溫度基本穩(wěn)定。燃燒控制系統(tǒng)實質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)。水位控制系統(tǒng)，實質(zhì)上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。爐膛負壓控制系統(tǒng)是使進出爐膛的空氣量維持平衡的控制系統(tǒng)。一般以爐膛壓力作為空氣量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整排向大氣的引風(fēng)量達到空氣量進出平衡。上一頁下一頁返回圖8－2智能綜合系統(tǒng)的信息傳遞方塊圖第三節(jié)高速線材軋鋼機測控系統(tǒng)設(shè)計

一、高速線材軋鋼機測控系統(tǒng)的組成和功能1.測控系統(tǒng)組成高速線材軋機速度高，軋機架數(shù)多，對控制系統(tǒng)要求高，所以高速線材軋機都采用計算機控制系統(tǒng)。目前，高速線材軋機普遍采用二級控制系統(tǒng):一級為設(shè)備控制級，一級為過程控制級。這種控制系統(tǒng)采用的是分散控制的設(shè)計方法，在設(shè)備控制級中把生產(chǎn)過程按區(qū)域或功能劃分為若干區(qū)段，配備多臺可編程序控制器，分別控制各區(qū)段的生產(chǎn)過程；生產(chǎn)過程控制級由一臺或多臺計算機實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程監(jiān)控。圖8－3給出了二級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

下一頁由圖可知設(shè)備控制級和生產(chǎn)過程控制級都由幾臺設(shè)備組成。在實際應(yīng)用中，設(shè)備控制級劃分多個區(qū)段，可按實際工藝狀況和所選的控制設(shè)備類型而定，生產(chǎn)過程控制級則要根據(jù)加工實際需要進行配備返回圖8－3二級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖二、高速線材軋鋼機測控系統(tǒng)設(shè)計思想及關(guān)鍵技術(shù)1.總本設(shè)計分析設(shè)計好控制系統(tǒng)的硬件后，就要根據(jù)工藝過程的要求進行全系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在高速線材軋機自動化控制系統(tǒng)中，其中關(guān)鍵技術(shù)包括速度級聯(lián)控制、動態(tài)速度補償、微張力控制、活套控制、聯(lián)網(wǎng)通信等。2.速度控制設(shè)計分析決定速度大小的兩大要素是軋機孔型的大小和軋機的速度，軋機的孔型一旦調(diào)整好后就固定不變，只有通過選擇和調(diào)整軋機的速度才能滿足坯料速度平衡的關(guān)系。在實際應(yīng)用中，孔型輥縫的大小一般無法給出精確的量值，均采用伸長率的概念加以描述。

3.動態(tài)速降補償方法在高速線材軋制中，當(dāng)鋼坯頭部進入軋機時，由于傳動系統(tǒng)的固有特性，會使軋機形成瞬間速度下降，速降量約為設(shè)定速度的1%～2%之間，持續(xù)時間約為數(shù)百毫秒。為了保證線材生產(chǎn)的正常安全進行，防止由于動態(tài)速降而產(chǎn)生堆鋼現(xiàn)象，自動控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)動態(tài)速降補償。為了簡化控制系統(tǒng)，動態(tài)速降補償采用在速度設(shè)定值中增加一個動態(tài)速降量的方法。

上一頁下一頁4.張力控制原理與控制方法張力控制是保證高速線材軋機順利軋制和提高產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段。張力控制是一個復(fù)雜的過程，在高速線材軋機中一般是采用微張力控制。實現(xiàn)微張力控制有許多方法，“電流—速度”間接微張力控制方法是一種簡單實用的方法。

5.活套控制設(shè)計高速線材軋機在預(yù)精軋機組多采用活套控制。采用活套控制時，要求軋機之間要有一定的距離并采用單獨傳動，這樣便于活套設(shè)備的安裝和活套控制的實現(xiàn)。采用活套控制時，需要的檢測儀表有熱金屬檢測器和活套掃描器。6.控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)計高速線材軋機自動化控制系統(tǒng)采用二級控制，按工藝劃分和控制功能又分為若干個控制子系統(tǒng)，這就要求進行大量的數(shù)據(jù)交換。按照

圖8－4的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中包括設(shè)備控制級和過程控制級之間，設(shè)備控制級各子系統(tǒng)之間兩部分聯(lián)網(wǎng)通信。上一頁下一頁返回圖8－4高速線材軋機控制系統(tǒng)示意圖第四節(jié)單片機控制電風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計一、單片機控制系統(tǒng)組成單片機控制系統(tǒng)電路如圖8－5所示，它由單片機MCS51，工作電源、過零檢測電路、顯示電路和輸入按鍵、雙向晶閘管等組成。二、單片機控制電風(fēng)扇的工作原理1.無級調(diào)風(fēng)控制無級調(diào)風(fēng)控制在單片機MCS51檢測到設(shè)定為無級調(diào)風(fēng)時，則去接收來自AN0輸入的模擬信號。再根據(jù)AN0輸入信號的大小去控制雙向晶閘管TA的導(dǎo)通角，輸入信號越大，則導(dǎo)通角越大，否則相反。無級調(diào)風(fēng)也可以根據(jù)AN0的輸入信號進行過零載波控制。輸入信號越大，則載波系數(shù)越小，反之亦然。

上一頁下一頁返回圖8－5單片機控制器電路原理圖第五節(jié)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

一、溫度控制系統(tǒng)組成與工作原理圖8－7是采用PN結(jié)作為溫度傳感器的溫度采集、轉(zhuǎn)換以及數(shù)字顯示的硬件電路圖。二、溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計在進行程序設(shè)計時，設(shè)置了三個工作單元BCDLO、BCDHI和SEGMNT。由于顯示溫度范圍在-40℃～+150℃，因此需要三位BCD碼。溫度控制器的程序主要包括三部分：一是主程序，包括初始化程序和溫度采集、A/D轉(zhuǎn)換程序；二是將A/D轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼子程序；三是定時器中斷及顯示中斷服務(wù)程序。下面分別介紹每一部分的編程方法。下一頁返回圖8－7溫度控制器電路圖1.主程序設(shè)計主要程序流程圖如圖8－8所示。上一頁下一頁2.二進制數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計該子程序?qū)X寄存器中的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼。一個8位二進制數(shù)最多可轉(zhuǎn)換為3位BCD碼，因此轉(zhuǎn)換后的BCD碼的第1位和第0位存入BCDLO單元中，BCD碼的第2位存入BCDHI中。在BCD三轉(zhuǎn)換過程中禁止CPU中斷。首先清BCDLO單元，測試IX寄存器的內(nèi)容，若不為0，則IX減1，BCDLO單元的內(nèi)容加1。然后測試BCDLO單元的低4位，若不等于10，則重新測試IX的內(nèi)容，重復(fù)以上過程；若等于10，則BCDLO單元的內(nèi)容加1，進行BCD調(diào)整，并將相加的結(jié)果存回BCDLO單元中，搠著測試BCDLO單元的高4位，若不等于10，則重新測試IX的內(nèi)容，重復(fù)以上過程；若等于10，清BCDLO單元，BCDHI單元加1，重新測試IX的內(nèi)容，重復(fù)以上過程，直到IX的內(nèi)容為0為止。上一頁下一頁3.定時器中斷和顯示中斷程序設(shè)計首先將進位C置位，關(guān)閉顯示驅(qū)動器。將SEGMNT單元的內(nèi)容循環(huán)右移，若進位C為0，則表示要重新開始顯示BCD碼的最高位，因此置SEGMNT單元的內(nèi)容為%11111011；若不為0，將BCDLO單元的內(nèi)容送入累加器中，并且根據(jù)SEGMNT單元的內(nèi)容判斷需要顯示哪一位。若SEGMNT單元的第1位為0，則顯示BCD碼的第1位，A循環(huán)右移4次，否則判斷SEGMNT單元的第2位，若為0，則顯示BCD碼的第2位（即最高位），將BCDHI單元的內(nèi)容送入累加器A中，若A中的內(nèi)容不為0，顯示對應(yīng)的數(shù)字；若為0，顯示閃爍。若SEGMNT單元的第2位不為0，則顯示BCD碼的第0位。不論顯示哪一位，A中的低4位為要顯示的BCD碼值，使用查表法得到對應(yīng)于BCD碼的七段代碼值，并將對應(yīng)的七段代碼值送入B口，允許對應(yīng)的顯示驅(qū)動器，因而可顯示數(shù)字。最后設(shè)置定時器的向下計數(shù)器的初值為$10；定時器的分頻因子為128；選擇內(nèi)部時鐘；預(yù)分頻器清0，允許定時器溢出中斷。根據(jù)計數(shù)器的初值和分段因子，可知每經(jīng)2048（16×128）個機器周期定時器產(chǎn)生溢出中斷，即2048個機器周期顯示一次。上一頁

返回習(xí)題與思考題

1.舉例說明標(biāo)準(zhǔn)件的選擇原則？2.分析質(zhì)量控制的方法和作用是什么？3.質(zhì)量管理的原則是什么？4.機械部件的現(xiàn)代設(shè)計方法有幾種？應(yīng)用哪些場合？5.自擬題目說明暖氣鍋爐檢測控制系統(tǒng)設(shè)計原理。6.簡述單片機控制風(fēng)扇的原理7.設(shè)計一個計算機溫度控制系統(tǒng)，溫度20℃±2℃。8.根據(jù)實例說明計算機采集程序設(shè)計思路。9.計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計原則。10.計算機控制多參數(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是什么？返回參考文獻

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