第10章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法與實例10.1機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法學概論10.2基于單片機的機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例10.3基于PC機的機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例10.4基于PLC的機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例10.5機器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計案例10.6機電一體化系統(tǒng)的綜合設(shè)計實例10.1機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法學概論

10.1.1機電一體化系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計是一種創(chuàng)造性活動，必須依靠思考和推理，綜合運用多種學科的專門知識和豐富的實踐經(jīng)驗，才能獲得正確、合理的設(shè)計。對機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計，一般有如下一些共同的基本原則：

（1）機電互補原則。綜合機械技術(shù)和電子技術(shù)各自的特點，達到優(yōu)勢互補。這就要求從機械技術(shù)、電子技術(shù)、硬件技術(shù)和軟件技術(shù)四個方面權(quán)衡和比較經(jīng)濟上、技術(shù)上的利弊得失，選擇最優(yōu)方案。（2）功能優(yōu)化原則。在系統(tǒng)設(shè)計時，要抓住用戶關(guān)心的技術(shù)指標，特別是系統(tǒng)的可靠性、實用性、經(jīng)濟性等，對各種相關(guān)技術(shù)進行優(yōu)化組合，而不是片面追求高指標、全功能。

（3）自動化、省力化原則。機電一體化系統(tǒng)的重要特點之一是自動化，一般要求系統(tǒng)在運行過程中能實現(xiàn)自動控制、自動檢測、自動調(diào)節(jié)、自動記錄及自動顯示；在出現(xiàn)故障時能進行自動檢測，自動采取應急措施，實現(xiàn)自動保護等；在工作對象變化時，能夠靈活改變其工作狀態(tài)，實現(xiàn)最大限度的柔性化。要能最大限度地減少人的干預，降低人的體力和智力勞動強度，盡可能排除人為的不利因素的影響。（4）效益最佳原則。要在滿足用戶的目的功能和適當?shù)氖褂脡勖疤嵯?，最大限度地降低成本。要合理選用材質(zhì)和零件，正確進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡化制造工藝，降低生產(chǎn)成本。積極采用先進適用的成熟技術(shù)，提高系統(tǒng)的技術(shù)附加價值，增強系統(tǒng)的競爭力。要使系統(tǒng)運行可靠，維修方便，減少消耗，合理利用自然資源，降低用戶的使用成本。

（5）開放性原則。以一組標準、規(guī)范或約定的原則來統(tǒng)一系統(tǒng)的接口、通信和與外部的連接，使系統(tǒng)能容納不同廠家制造的設(shè)備即軟件產(chǎn)品，同時又能適應未來新技術(shù)的發(fā)展。10.1.2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計類型

機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計類型大致可以分為：開發(fā)性設(shè)計、適應性設(shè)計和變異性設(shè)計。

（1）開發(fā)性設(shè)計：在沒有參照對象的情況下從無到有的創(chuàng)造性設(shè)計。它是在不知道具體方案的情況下，僅僅根據(jù)抽象的設(shè)計原理和要求，設(shè)計出在質(zhì)量和性能方面滿足要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)。最初的電視機等產(chǎn)品的設(shè)計就屬于開發(fā)性設(shè)計。（2）適應性設(shè)計：在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)，或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部適應性改動，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量提高并增加某些附加價值。例如，汽車的電子式汽油噴射裝置代替原來的機械控制汽油噴射裝置，電子式縫紉機采用微機控制，這些都屬于適應性設(shè)計。（3）變異性設(shè)計：在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，使其適應于量的方面有所改變的要求，以滿足市場對該項產(chǎn)品的系列要求。例如，由于傳遞扭矩或速比發(fā)生變換而重新設(shè)計傳動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸，屬于變異性設(shè)計。

機電一體化領(lǐng)域多變的設(shè)計類型，要求我們摸索出一套現(xiàn)代化設(shè)計的普遍規(guī)律，以適應更新?lián)Q代的需要。10.1.3機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的方法通常有機電互補法、機電結(jié)合法和組合法，其目的是綜合應用機械技術(shù)和電子技術(shù)，設(shè)計最佳的機電一體化系統(tǒng)。

1）機電互補法

這種方法也稱為取代法或替代法，其特點是利用通用或?qū)Ｓ秒娮悠骷〈鷤鹘y(tǒng)機械產(chǎn)品中的復雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以便簡化結(jié)構(gòu)，獲得更好的功能或性能。如在一般的工作機中用可編程控制器（PLC）或單片機應用系統(tǒng)來取代機械式變速機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、離合器、脫落渦桿等機構(gòu)，彌補機械技術(shù)的不足；用變頻調(diào)速系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪箱變速系統(tǒng)，簡化機構(gòu)，提高調(diào)整性能等。這種方法是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品和開發(fā)新產(chǎn)品的常用方法。

2）機電結(jié)合法

這種方法也稱為融合法，是將機、電各組成要素有機結(jié)合為一體，構(gòu)成專用或通用的功能部件。用這種方法可以使該產(chǎn)品各要素和參數(shù)之間的匹配問題考慮得更充分、更合理、更經(jīng)濟，更能體現(xiàn)機電一體化的優(yōu)越性。這種方法還可以使接口更簡單，甚至可能融為一體。如在金屬切屑機床中，把電機軸與主軸部件作為一體，就是將執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)結(jié)合的例子。某些高性能的機電一體化產(chǎn)品，如激光打印機和掃描機構(gòu)——激光掃描鏡，把掃描鏡轉(zhuǎn)軸與電動機的轉(zhuǎn)子軸做成一體，使結(jié)構(gòu)簡單緊湊。在大規(guī)模集成電路和計算機不斷普及的今天，隨著精密機械技術(shù)的發(fā)展，完全能設(shè)計出執(zhí)行元件、運動機構(gòu)、檢測傳感器、控制與機體五要素融為一體的機電一體化產(chǎn)品。

3）組合法

機電一體化產(chǎn)品或設(shè)備可設(shè)計成由相應于五大要素的功能部件組成，也可以設(shè)計成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成要素。這些功能部件或功能子系統(tǒng)經(jīng)過標準化、通用化和系列化，就成為功能模塊。每一個功能模塊可視為一個獨立體，在設(shè)計時只需了解其性能規(guī)格，按功能來選用，而不需了解其結(jié)構(gòu)細節(jié)。將用結(jié)合法（或機電互補法）制成的功能部件、功能模塊像堆積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的方法稱為組合法。例如，將工業(yè)機器人各自由度的執(zhí)行元件、運動機構(gòu)、檢測傳感器元件和控制器等做成機電一體化的驅(qū)動功能模塊，用于驅(qū)動不同的關(guān)節(jié)，組成工業(yè)機器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰等各種功能模塊系列，從而組合成結(jié)構(gòu)和功能不同的機器人。在新產(chǎn)品系列設(shè)計與設(shè)備機電一體化改造中應用這種方法，可以縮短設(shè)計和研制周期，節(jié)約供應設(shè)備費用，從而降低生產(chǎn)成本，也有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。10.1.4機電一體化系統(tǒng)設(shè)計步驟

機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計一般采用三階段法，即總體設(shè)計、部件選擇與設(shè)計、技術(shù)設(shè)計與工藝設(shè)計。在實驗性設(shè)計與計算機輔助設(shè)計中，為了相互協(xié)調(diào)，多采用既分階段又兼顧平行的設(shè)計，也就是并行設(shè)計。

總體設(shè)計是指在具體設(shè)計之前對所要求設(shè)計的機電一體化系統(tǒng)的各個方面，按照簡單、實用、經(jīng)濟、安全、美觀等原則進行綜合性設(shè)計。機電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計的一般步驟如下：

（1）詳盡收集用戶對所設(shè)計產(chǎn)品的需求。

首先要收集所有相關(guān)信息，包括設(shè)計需求、背景技術(shù)資料，在此基礎(chǔ)上準確判斷用戶對產(chǎn)品的需求。這一步是進行總體方案設(shè)計的基本依據(jù)。一般情況下，需要對下列設(shè)計需求做詳細的調(diào)查：

①設(shè)計對象自身的工作效率，包括年工作效率及小時工作效率。對于動力傳動系統(tǒng)還要了解機械效率方面的需求。

②設(shè)計對象所具有的主要功能,包括總功能及實現(xiàn)總功能時各分功能的動作順序，特別是操作人員在總功能實現(xiàn)中所介入的程度。③設(shè)計對象與其工作環(huán)境的界面，主要包括輸入/輸出界面，裝載工作形式，操作員控制器界面，輔助裝置界面，溫度、濕度、灰塵等情況，以及這些界面中哪些是由設(shè)計人員保證的，哪些是由用戶提供的。

④設(shè)計對象對操作者技術(shù)水平的需求，要求操作人員達到什么樣的技術(shù)等級，并具備哪些專長。

⑤設(shè)計對象是否被制造過。假如與設(shè)計對象類似的產(chǎn)品已在生產(chǎn)，則應參觀生產(chǎn)過程，并尋找有關(guān)的設(shè)計與生產(chǎn)文件。

⑥了解用戶自身的一些規(guī)定、標準，例如廠標、一般技術(shù)要求、對產(chǎn)品表面的要求等。（2）設(shè)計對象工作原理的設(shè)計。

在明確設(shè)計對象的技術(shù)要求后開始工作原理的設(shè)計。設(shè)計質(zhì)量的優(yōu)劣取決于設(shè)計人員能否有效地對系統(tǒng)的總功能進行合理的抽象和分解，并能合理運用技術(shù)效應，提出合理的原理方案。勇于開拓、不斷探索新的工作原理，有利于使總體設(shè)計方案最優(yōu)化。工作原理設(shè)計后將形成總體方案的初步輪廓。（3）主要結(jié)構(gòu)方案的選擇。

機械結(jié)構(gòu)類型很多，選擇主要結(jié)構(gòu)方案時必須保證系統(tǒng)所要求的精度、工作穩(wěn)定可靠、制造工藝性好，應符合運動學設(shè)計原則或誤差均化原理。

按運動學原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不允許有過多的約束，但當約束點有相對運動且載荷較大時，約束處變形大，易磨損，這時可以采用誤差均化原理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且允許有過多的約束。例如，滾動導軌中的多個滾動體利用滾動體的彈性變形使?jié)L動體直徑的微小誤差相互得到平均，從而保證了導軌的導向精度。（4）摩擦形式的選擇。

設(shè)計機電一體化機械系統(tǒng)時，要認真選擇運動機構(gòu)的摩擦形式，如果處理不好而使動、靜摩擦力差別太大，造成爬行，則會影響控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。因此設(shè)計總體方案時，必須選取具有適用于工作要求摩擦形式的導軌。導軌相對運動時的摩擦形式有滑動、滾動、液體靜壓滑動、氣體靜壓滑動等幾種，各有不同的優(yōu)缺點，設(shè)計時可以根據(jù)需求，綜合考慮各方面因素進行選擇。（5）系統(tǒng)簡圖的繪制。

在選擇或設(shè)計了系統(tǒng)中各主要功能元件之后，用各種符號代表各子系統(tǒng)中的功能元件，包括控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、機械執(zhí)行系統(tǒng)等，根據(jù)總體方案的工作原理，畫出它們的總體安排，形成機、電、控有機結(jié)合的機電一體化系統(tǒng)簡圖。

根據(jù)這些簡圖進行方案論證，并做多次修改，確定最佳方案。在總體安排圖中，機械執(zhí)行系統(tǒng)應以機構(gòu)運動簡圖或機構(gòu)運動示意圖表示，其他子系統(tǒng)可用方框圖表示。（6）總體布局及環(huán)境設(shè)計。

布局設(shè)計是總體設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其任務(wù)是確定系統(tǒng)各主要部件之間相對應的位置關(guān)系以及它們之間所需要的相對運動關(guān)系。布局設(shè)計是一個帶有全局性的問題，它對產(chǎn)品的制造和使用都有很大的影響。（7）總體精度分配。

總體精度分配是將機、電、控、檢測各系統(tǒng)的精度進行分配。在進行精確分配時，應根據(jù)各子系統(tǒng)所用技術(shù)的特點進行分配，不應采取平均分配的方法。對于具有數(shù)字特征的電、控、檢測子系統(tǒng)，可按其數(shù)字精度直接分配；對于具有模擬量特征的機、電、檢測子系統(tǒng)，可按技術(shù)難易程度進行精確分配。在精度初步分配后，要進行誤差計算，把各子系統(tǒng)的誤差按系統(tǒng)誤差、隨機誤差分類，分別計算，與分配的精度進行比較經(jīng)反復修改后，使各部分的精度盡可能合理?？傮w精度分配的目標是以滿足總體精度為約束，使各子系統(tǒng)的精度盡可能低，達到取得最佳性能價格比的目標。（8）總體設(shè)計報告。

總結(jié)上述設(shè)計過程的各個方面，寫出總體設(shè)計報告，為總體裝配圖和部件裝配圖的繪制做好準備?？傮w設(shè)計報告要突出設(shè)計要點，將所設(shè)計系統(tǒng)的特點闡述清楚，同時應列出所采取的措施及注意事項。在總體設(shè)計過程中，應逐步形成下列技術(shù)文件與圖紙：

①系統(tǒng)工作原理簡圖；

②控制器、驅(qū)動器、執(zhí)行器、傳感器工作原理圖等；

③總體設(shè)計報告；

④總體裝配圖；

⑤部件裝配圖。機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）（以工作機為例）的具體設(shè)計中須關(guān)注的主要問題有：

1.確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標

工作機的目的功能是用來改變物質(zhì)的形狀、狀態(tài)、位置尺寸或特性，歸根到底必須實現(xiàn)一定的運動，并提供必要的動力。其基本性能指標主要是指實現(xiàn)運動的自由度數(shù)、軌跡、行程、精度、速度、動力、穩(wěn)定性和自動化程度。用來評價機電一體化產(chǎn)品質(zhì)量的基本指標是那些為了滿足使用要求而必須具有的輸出參數(shù),如：①運動參數(shù)：用來表征機器工作運動的軌跡、行程、方向和起止點位置正確性的指標。

②動力參數(shù)：用來表征機器輸出動力大小的指標，如力、力矩和功率等。

③品質(zhì)指標：用來表征運動參數(shù)和動力參數(shù)品質(zhì)的指標，如運動軌跡和行程的精度，運動行程和方向的可變性，運動速度的高低與穩(wěn)定性，力和力矩的可調(diào)性或恒定性等。以上基本性能指標通常要根據(jù)工作對象的性質(zhì)、用戶要求，有時還要通過實驗研究才能確定?；拘阅苤笜艘阅軌驖M足用戶使用要求為度，不需要追求過高的要求。在滿足基本性能指標的前提下，還要考慮如下一些指標：

①工藝性指標：對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提出的方便制造和維修的要求，要做到容易制造和維修。

②人－機工程學指標：考慮人和機器的關(guān)系，針對人類在生產(chǎn)和生活中涉及的衛(wèi)生、體型、生理和心理等方面對產(chǎn)品提出綜合性要求，如操作方便等。

③美學指標：對產(chǎn)品的外部性質(zhì)，如儀容、風格、勻稱、和諧、色澤以及與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)等各方面提出的要求。

④標準化指標：即組成產(chǎn)品的元部件的標準化程度。

2.系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分

工作機必須具備適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)才能滿足所需性能。在形成具體結(jié)構(gòu)時，要以各組成要素及要素之間的接口為基礎(chǔ)來劃分功能部件或功能子系統(tǒng)。復雜機器的運動常由若干直線或回轉(zhuǎn)運動組合而成，形成若干自由度，因此，也可以按運動的自由度劃分成若干功能子系統(tǒng)，再按子系統(tǒng)劃分功能部件。這種功能部件可能包括若干組成要素，各功能部件的規(guī)格要求可根據(jù)整機的性能指標來確定。

特定機器的操作（執(zhí)行）機構(gòu)和機體通常必須自行設(shè)計，而執(zhí)行元件、檢測傳感元件和控制器等功能要素既可自行設(shè)計，也可選用市售的通用產(chǎn)品。

3.接口設(shè)計

接口問題是各組成要素間的匹配問題，有機械接口、電子硬件接口和軟件接口。執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間、檢測傳感元件與執(zhí)行機構(gòu)之間通常是機械接口。機械接口有兩種形式。一種是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的聯(lián)軸器和傳動軸，以及直接將檢測傳感元件與執(zhí)行元件或執(zhí)行機構(gòu)連接在一起的聯(lián)軸器、螺釘、鉚釘?shù)?，直接連接時不存在任何運動和運動變換。另一種是機械傳動機構(gòu)，如減速器、絲杠、螺母等?？刂破髋c執(zhí)行元件之間的驅(qū)動接口、控制器與檢測傳感元件之間的轉(zhuǎn)換接口是電子傳輸、轉(zhuǎn)換電路。因此，接口設(shè)計問題也就是機械技術(shù)和電子技術(shù)的具體應用問題。

4.綜合評價（或整機評價）

綜合評價主要是對產(chǎn)品實現(xiàn)目的功能的性能、結(jié)構(gòu)進行評價。機電一體化的目的是提高系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的附加價值，而附加價值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標為依據(jù)。不同的評價指標可選用不同的評價方法。

5.可靠性復查

機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)既可能產(chǎn)生電子故障、軟件故障，又可能產(chǎn)生機械故障，而且容易受到電噪聲的干擾。因此，其可靠性問題顯得格外突出，也是用戶最關(guān)心的問題之一。在產(chǎn)品設(shè)計中，除用可靠性設(shè)計方法之外，還必須采用必要的可靠性措施，在產(chǎn)品設(shè)計初步完成之后，還需進行可靠性復查和分析，以便發(fā)現(xiàn)問題并及時改正。

6.試制與調(diào)試

樣機試制是檢驗產(chǎn)品設(shè)計的制造可行性的重要階段，并可通過樣機調(diào)試來印證各項性能指標是否符合設(shè)計要求。這個階段也是最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題以便及時修改和完善產(chǎn)品設(shè)計的必要階段。10.1.5機電一體化系統(tǒng)的性能評價

1.系統(tǒng)評價的目的和任務(wù)

系統(tǒng)評價是根據(jù)預定的系統(tǒng)目的，通過調(diào)查研究，應用科學合理的程序與方法，對被評價系統(tǒng)的經(jīng)濟、技術(shù)或綜合性的價值做出判定，從多個方案中選擇其中在技術(shù)上先進、在經(jīng)濟上合理、在操作上可行的系統(tǒng)最優(yōu)方案。評價的目的是為了決策，決策需要評價。即便是對于一個已經(jīng)做出決策、已經(jīng)正常運行的系統(tǒng)進行評價，其根本目的仍然是為了獲取成功的經(jīng)驗及失敗的教訓，以便將來做出更合理的決策。在方案設(shè)計階段進行系統(tǒng)評價主要是對該方案在各個方面能產(chǎn)生的后果及其影響進行評價，以便提供決策所需要的定性及定量的信息資料。

在系統(tǒng)運行階段進行系統(tǒng)評價主要是對該方案進行分析和評價，弄清問題，對現(xiàn)狀心中有數(shù)，以便有效地改進工作，及時調(diào)整方向，抓住機會，進行合理的決策。

在系統(tǒng)方案完成以后進行系統(tǒng)評價主要是定量地掌握系統(tǒng)已經(jīng)達到的目標以及與預定目標的差距，為下一步?jīng)Q策或其他系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作提供信息。

系統(tǒng)評價對于決策的有效性關(guān)系很大，正確的評價可使決策獲得成功，取得較好的效益；錯誤的評價會導致決策失敗，付出沉重的代價。

2.系統(tǒng)評價原則

（1）客觀性原則。一方面是指參加評價的人員應站在客觀立場，實事求是地進行資料收集、方法選擇及對其評價結(jié)果做出客觀解釋。另一方面是指評價資料應當真實可靠和正確。需要注意的是，在采取各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，一定要弄清統(tǒng)計數(shù)據(jù)與評價問題之間真正的內(nèi)在關(guān)系，不要受到假象的迷惑。

（2）可比性原則。它是指被評價的方案之間在基本功能、基本屬性及強度上要有可比性。例如，將一臺洗衣機和一臺電視機放在一起進行對比評價，就很難指出兩者之間的優(yōu)劣；而一臺石英電暖器和一臺充油式電暖器之間就較容易從技術(shù)指標、經(jīng)濟性及適用性等各方面進行比較，做出合理的評價。（3）合理性原則。它是指所選擇的評價指標應當正確反映預定的評價目的，要符合邏輯，有科學依據(jù)。

（4）整體性原則。它是指評價指標應當相互關(guān)聯(lián)、相互補充，形成一個有機的整體，能從多側(cè)面綜合反映評價方案。如果片面強調(diào)某一方面的指標，就可能歪曲系統(tǒng)的真實情況，誘導決策者做出錯誤決策。

3.評價內(nèi)容

（1）技術(shù)性評價。系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計以及運行的根本目的是為了實現(xiàn)特定的功能，以便為人們提供物質(zhì)和精神的財富，或是帶來生活的便利。技術(shù)評價就是評定該系統(tǒng)方案是否達到預定目標，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、先進性、適用性、屬性的完善性等都屬于技術(shù)評價。

（2）經(jīng)濟性評價。它主要是指評價系統(tǒng)方案的經(jīng)濟效益，如投入產(chǎn)出比、性能價格比、成本費用分析等經(jīng)濟可行性分析。（3）安全性評價。

安全性要求包括對人身安全的要求和對產(chǎn)品安全的要求。前者是指在產(chǎn)品運行過程中，不因各種原因（如誤操作等）而危及操作者或周圍其他人員的人身安全；后者是指不因各種原因(如偶然故障等)而導致產(chǎn)品被損壞甚至永久性失效。安全性指標需根據(jù)產(chǎn)品的具體特點而定。為保證人身安全而采取的措施有：

①設(shè)置安全檢測和防護裝置，如數(shù)控機床的防護罩、互鎖安全門，沖壓設(shè)備的光電檢測裝置，工業(yè)機器人周圍的安全柵等。

②產(chǎn)品外表及殼罩等應倒角去毛刺，以防劃傷操作人員。

③在危險部位或區(qū)域設(shè)置警告性提示燈或安全標語等。

④當控制裝置和被控對象為分離式結(jié)構(gòu)時，兩者之間的電氣連線應埋于地下或架在高空，并用鋼管加以保護，以防導線絕緣層損壞而危及人身安全。（4）綜合評價。對機電一體化系統(tǒng)的綜合評價主要是對其實現(xiàn)目的功能的結(jié)構(gòu)、性能進行評價。機電一體化的目的是提高產(chǎn)品的附加價值，而附加價值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標為依據(jù)，不同的評價指標可選不同的評價方法。具體設(shè)計時，常采用不同的設(shè)計方案來實現(xiàn)產(chǎn)品的目的功能、規(guī)格要求、性能指標。因此，必須對這些方案的價值進行綜合評價，從中找出最佳方案，以便決策者做出正確的決策。

機電一體化系統(tǒng)一方面由微電子裝置取代人對機械的絕大部分控制功能，并加以延伸和擴大，克服了人體能力的不足和弱點；另一方面，它具有節(jié)省能源和降低材料消耗的特點。這些特點使得機電一體化系統(tǒng)是一種多功能、高性能、省能省資源的高附加值的產(chǎn)品。因此，附加價值成了機電一體化系統(tǒng)的綜合評價指標。10.2基于單片機的機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例

10.2.1基于89C52單片機的連續(xù)紙膠印機控制系統(tǒng)

在連續(xù)紙膠印機中，印刷色組和走紙系統(tǒng)通常采用純機械傳動配合，實現(xiàn)連續(xù)紙印刷，因此，若需要印刷不同頁長規(guī)格的連續(xù)電腦紙，必須更換相應規(guī)格直徑的印刷色組。這里給出一種膠印機的電子傳動方案，采用光電編碼器、交流伺服系統(tǒng)和計算機實時控制技術(shù)，將印刷色組和走紙系統(tǒng)設(shè)計為兩套完全獨立的無機械連接的主從傳動系統(tǒng)，通過電子連接方式，實現(xiàn)主從跟隨傳動控制。這一方法實現(xiàn)了僅用一組直徑152mm的間隙式印刷色組，可以印刷8~14英寸不同頁長規(guī)格的電腦紙，無需調(diào)換相應規(guī)格印刷色組。圖10－1印刷機組和走紙系統(tǒng)傳動示意圖圖10－1是印刷機組和走紙系統(tǒng)傳動示意圖。其中，印刷色組由直徑152mm的間隙式雙色印版漆橡皮布滾和壓印滾組成，印版滾和壓印滾均通過齒輪與橡皮布滾的主傳動軸同步。走紙系統(tǒng)由前、后走紙器組成，由同步帶傳動，使進紙沒有間隙，采用交流伺服系統(tǒng)控制，確保輸出驅(qū)動的高精度全閉環(huán)和高性能同步跟隨。

印刷色組和走紙系統(tǒng)之間無機械連接，是主、從兩套完全獨立的傳動系統(tǒng)。通過高分辨率光電編碼器檢測主傳動軸(橡皮布滾)的當前角度，根據(jù)當前的車速和用戶設(shè)定的頁長，經(jīng)計算機運算、判別，在主傳動軸轉(zhuǎn)到0點時，控制由交流伺服系統(tǒng)帶動的從傳動軸，驅(qū)動走紙器開始走紙，保持走紙起印點和主印滾起印點一致的同步跟隨印刷，并且控制走紙器走紙的線速度與橡皮布滾的線速度完全一致。圖10－2膠印機系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

89C52單片機實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定與參數(shù)顯示，檢測主傳動軸光電編碼器信號和印刷控制信號，控制交流伺服系統(tǒng)實現(xiàn)走紙跟隨。單片機可以對OMRON2000P/R光電編碼器的ABZ三相信號進行4倍細分檢測，使主傳動軸檢測分辨率達到8000點/周，因此，可以準確確定主傳動軸角度，實現(xiàn)正確的測速和提供走紙同步的位置信號。單片機根據(jù)主傳動軸光電編碼器信號計算后，輸出脈沖控制伺服電機走紙。

信號輸入和驅(qū)動輸出控制信號及光電傳感器輸入均采用了光電耦合器進行隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾功能。圖10－3壓印0點示意圖間隙式橡皮布滾和壓印滾均設(shè)有缺口，壓印滾有效壓印區(qū)域為14英寸，缺口作為離壓時控制調(diào)整部分，實現(xiàn)連續(xù)紙的倒退，缺口一角作為機械0點，如圖10－3所示?？梢哉{(diào)整連軸節(jié)，使光電編碼器的0點與機械0點一致。依靠控制軟件實現(xiàn)主傳動軸與走紙器在每一頁印刷周期內(nèi)起印點一致和線速度一致的同步跟隨電子傳動控制。印刷時，當光電編碼器檢測到0點時，伺服電機帶動走紙器跟隨主傳動軸的角度變化開始加速，當走紙器加速到與印滾的線速度一致時，開始壓印，并勻速跟隨走完相應的設(shè)定頁長距離，然后離印，走紙器開始減速至零速。由于在加速、跟隨及減速過程中，走紙器走紙長度略大于設(shè)定頁長，因此，隨后伺服電機帶動走紙系統(tǒng)通過反轉(zhuǎn)加速，勻速反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)減速至停止，把前面多走的長度倒退回去，使伺服電機運行周期內(nèi)走紙器走紙的前進長度就是一個頁長，而反轉(zhuǎn)倒退的區(qū)域恰好在離壓后的缺口部分。圖10－4給出了印刷一頁長度時伺服電機跟隨主傳動軸角度的運行過程。圖10－4伺服電機運行過程

在正常同步跟隨時，主傳動軸光電編碼器增加1，單片機向交流伺服驅(qū)動器發(fā)一個正轉(zhuǎn)脈沖，使走紙線速度同印滾運行線速度保持一致，走紙器走完設(shè)定長度后，自動停止，等待下一頁起始位置。

由于電子傳動不是剛性的，它建立在系統(tǒng)的狀態(tài)反饋上，因而走紙系統(tǒng)對橡皮布滾主傳動軸的跟隨會產(chǎn)生控制滯后。伺服系統(tǒng)位置指令發(fā)出與位置控制的到達在不同的速度下會產(chǎn)生不同的滯后量，伺服電機速度越大，位置控制的滯后也越多。圖10－5是伺服電機位置閉環(huán)控制的原理圖。通過對伺服電機速度設(shè)定脈沖的檢測和伺服電機光電編碼器對實際速度的反饋的對比，可以估計伺服電機的位置滯后量，然后通過控制軟件增加伺服電機的前饋量，對位置滯后進行動態(tài)補償，以實現(xiàn)電子傳動的同步跟隨。圖10－5伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)控制原理圖10.2.2基于P87C591單片機的溫室控制單元

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展需要現(xiàn)代化的溫室作為基礎(chǔ)，先進的玻璃溫室是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，它具有對溫室內(nèi)環(huán)境的溫、濕、光、氣進行自動調(diào)控的功能。實現(xiàn)溫室環(huán)境控制，需要使用大量的傳感器、控制執(zhí)行機構(gòu)對環(huán)境的溫、濕、光、氣參數(shù)進行檢測和調(diào)節(jié)，一般情況下，溫室的面積很大，因此這些傳感器、控制執(zhí)行機構(gòu)需要分布在非常廣闊的空間范圍內(nèi)。應用基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化計算機環(huán)境監(jiān)控技術(shù)對大面積溫室進行監(jiān)控，可以降低溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件成本，簡化傳感與執(zhí)行裝置的布線工作量，并具有良好的開放性和可擴展性。一種基于CAN總線的溫室網(wǎng)絡(luò)化計算機環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10－6所示。其中無論是傳感器及其信號調(diào)理電路或執(zhí)行機構(gòu)的控制電路，均作為溫室控制單元，采用CAN總線以雙絞線作為遠程通信介質(zhì)直接布局在溫室中需要布置的地方。圖10－6溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖10－7是應用于溫室網(wǎng)絡(luò)化計算機環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線溫室控制單元的基本結(jié)構(gòu)。其中，包括傳感器及其數(shù)據(jù)采樣的A/D變換器、對執(zhí)行加熱或通風等控制動作的機械執(zhí)行機構(gòu)進行控制的控制開光電路、鍵盤、顯示器和CAN總線收發(fā)器電路等。圖10－7溫室控制單元原理圖溫室控制單元選用P87C591作為微處理器。P87C591是一款從80C51派生而來的單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，采用80C51指令集，并成功地包含了PHILIPS半導體公司的SJA1000CAN控制器強大的PeliCAN功能。其全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴展的節(jié)電方式，振蕩器可停止和恢復而不會丟失數(shù)據(jù)；改進的1∶1內(nèi)部時鐘預分頻器在12MHz外部時鐘速率時可實現(xiàn)500ns指令周期。

P87C591具有16KB內(nèi)部程序存儲器和512B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM；3個16位定時/計數(shù)器，1個片內(nèi)看門狗定時器；6路10位ADC模擬輸入，可選擇快速8位ADC；2個8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出(PWM)；32個可編程I/O口(準雙向、推挽、高阻和開漏)；帶硬件I2C總線接口；全雙工增強型UART，帶有可編程波特率發(fā)生器；支持CAN2.0B規(guī)范；采用PLCC44、QFP44封裝。

溫室控制單元選用PCA82C250作為CAN總線收發(fā)器。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，工業(yè)PC機主要完成監(jiān)控系統(tǒng)的離線組態(tài)、生成及在線系統(tǒng)監(jiān)控，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常運作；每個溫室控制單元節(jié)點各自獨立完成該節(jié)點的控制任務(wù)，具有實時數(shù)據(jù)采集、實時控制功能，可以通過CAN現(xiàn)場總線與PC機和各控制單元之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。10.2.3基于壓力平衡原理的汽車燃油檢漏儀

燃油系統(tǒng)泄漏是汽車的主要污染源之一，國家標準要求汽車在出廠之前必須檢驗燃油系統(tǒng)泄漏情況是否達到標準要求。對氣密性的檢測，傳統(tǒng)方法有氣泡法、靜壓法、U型管法、氦質(zhì)譜法等，這些方法需要較長的測試時間，受人為因素影響大，不適合工業(yè)現(xiàn)場在線批量檢測?；趬毫ζ胶庠淼奈⑿孤z測方法具有測試精度高、測試時間短的優(yōu)點，是一種可以應用于工業(yè)現(xiàn)場在線批量檢測的新方法?；趬毫ζ胶庠淼钠嚾加蜋z漏儀的工作原理如圖10－8所示?；驹硎牵簩⒁粋€密封平衡系統(tǒng)分割成兩個子系統(tǒng)，它們之間既可連通，又可密封阻斷。檢測時，首先將兩個子系統(tǒng)連通并充入相等氣壓的氣體，然后密封阻斷兩個子系統(tǒng)，進入保壓平衡期。兩個子系統(tǒng)之一是“標準件腔”，工作時可以基本保證密封無泄漏，另一子系統(tǒng)是被測的汽車燃油系統(tǒng)，簡稱被測件。在保壓平衡期內(nèi)，檢測兩個子系統(tǒng)的壓力差，并采用容積補償氣缸補充被測件的泄漏氣體，使得兩個子系統(tǒng)的壓力差保持為零。由保壓平衡期時間和容積補償氣缸補充的氣體量，可計算得到單位時間的氣體泄漏量。圖10－8基于壓力平衡原理的汽車燃油檢漏儀的原理圖圖10－8中，兩個子系統(tǒng)通過同一氣源充氣，控制V1、V2、V3、V4、V5閥門的通斷，實現(xiàn)檢測過程中充氣期、平衡期、測量期、放氣期、待機期的切換。

為了減少充氣和閥門開關(guān)造成的壓力波動，將平衡期分為第一平衡期和第二平衡期。檢測過程中各閥門狀態(tài)如下：充氣期：閥V2關(guān)，閥V1、V3、V4、V5開；

第一平衡期：閥V1、V2關(guān)，閥V3、V4、V5開；

第二平衡期：閥V1、V2、V3、V4、V5關(guān)；

測量期：閥V1、V2、V3、V4關(guān)，V5開；

放氣期：閥V1、V3、V5關(guān)，閥V2、V4開；

待機期：閥V1、V3、V5關(guān)，閥V2、V4開?；趬毫ζ胶庠淼钠嚾加蜋z漏儀單片機控制系統(tǒng)原理圖如圖10－9所示。系統(tǒng)選用法國KMD公司CP100系列高精度微差壓傳感器測量壓差，該傳感器具有4~20mA和0~10V標準輸出，采用三線或四線制連接，具有零點漂移小，分辨率高，量程寬，單邊瞬間超載高等特點。系統(tǒng)選用MCS－51系列單片機作為控制核心，采用MAX194作為A/D變換器，該變換器為逐次逼近型，14位串行輸出，帶有采樣保持電路，最高采樣頻率為85kHz，最快轉(zhuǎn)換時間為9.4μs，具有單極性和雙極性兩種輸入。LED顯示器采用串行接口8位LED驅(qū)動器MAX7219，具有電路簡單、占用端口少、功耗低及軟件開銷少的特點，可對各段進行單獨控制，并能按數(shù)字段進行譯碼和非譯碼控制，串行數(shù)據(jù)傳送速率為100MHz，可以級聯(lián)使用。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，采用隔離驅(qū)動方式對電磁閥門進行控制，在單片機和驅(qū)動電路之間加三態(tài)緩沖器74LS244和光電耦合器。圖10－9基于壓力平衡原理的汽車燃油檢漏儀單片機控制系統(tǒng)原理圖基于壓力平衡原理的汽車燃油檢漏儀的主要技術(shù)指標有：

（1）最大測試壓力200kPa；

（2）測試差壓的范圍1500Pa；

（3）測量差壓精度±1.5%FS；

（4）測試容積可達50L；

（5）泄漏的檢測流量為0.1mL/min。10.3基于PC的機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例

10.3.1基于機器視覺的晶振外殼缺陷在線抽檢系統(tǒng)

晶體振蕩器（CrystalOscillator，簡稱晶振）具有頻率穩(wěn)定度高、體積小、精度高的優(yōu)點，廣泛應用于各種模擬和數(shù)字電路中，作為基準時鐘源。其品質(zhì)的好壞直接影響到硬件電路系統(tǒng)能否按照特定要求正常工作。圖10－10晶振外殼外形圖晶振外殼的外形如圖10－10所示。其沖壓品質(zhì)對于晶振的質(zhì)量有重要影響，如果其破損或變形，則不能用于晶振封裝。

晶振外殼采用沖床連續(xù)沖壓成形，沖壓過程自動上料、自動沖壓，可在無人管理的情況下連續(xù)工作數(shù)十小時。晶振外殼的沖壓品質(zhì)主要由沖壓模具來保證，若沖壓模具損壞，在無人監(jiān)視的情況下沖床仍連續(xù)作業(yè)，則將造成大量廢品。為此，需要在沖壓生產(chǎn)線上配置晶振外殼品質(zhì)在線自動抽檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過抽檢外殼來間接判斷模具狀況，工作頻率不需很高，一般數(shù)分鐘抽檢一次即可。晶振外殼品質(zhì)在線自動抽檢系統(tǒng)可以完成對連續(xù)沖壓成形的晶振外殼進行自動在線取樣、樣品六面攝像、圖像分析、判斷和廢品報警。當圖像分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干個晶振外殼樣品外形出現(xiàn)異常時，將發(fā)出報警信號，請求更換沖壓模具，同時停止沖床沖壓工作。該抽檢系統(tǒng)機械裝置的原理圖如圖10－11所示。其工作過程是：來自沖床的已完成沖壓的晶振外殼全部經(jīng)水平輸送帶2傳送到輸送槽1，下滑至取樣槽4，抽檢系統(tǒng)不取樣時，取樣槽4在電磁鐵控制下，左側(cè)抬起，晶振外殼不能進入取樣槽，直接滑入存儲箱3。抽檢系統(tǒng)取樣時，取樣槽4在電磁鐵控制下，左側(cè)放下，與輸送槽1對齊銜接，被取樣的晶振外殼滑入振動整理槽9，經(jīng)過振動調(diào)理方向并緩慢前行到凹槽10，氣動機械手13將晶振外殼樣品夾至CCD顯微鏡a14處，氣動機械手可以上下翻轉(zhuǎn)晶振外殼，由CCD顯微鏡a14攝取晶振外殼樣品的上表面和下表面圖像，然后由氣動機械手將晶振外殼樣品放置到電動轉(zhuǎn)臺15上，電動轉(zhuǎn)臺可受控停止在0°、90°、180°和270°四個位置，使晶振外殼樣品的四個側(cè)表面依次對準CCD顯微鏡b16，以攝取晶振外殼的四個側(cè)表面圖像。圖10－11晶振外殼品質(zhì)在線自動抽檢系統(tǒng)機械裝置原理圖圖10－12晶振外殼品質(zhì)在線自動抽檢系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)原理圖晶振外殼品質(zhì)在線自動抽檢系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)原理圖如圖10－12所示。其中CCD顯微鏡攝取的晶振外殼樣品的上表面、下表面和四個側(cè)表面的圖像經(jīng)圖像采集卡（天敏SDK2000PCI總線視頻采集卡）送入工業(yè)PC機進行處理和分析。CCD顯微鏡選用SUNDOO公司的視頻數(shù)碼CCD顯微鏡SVMP－208，照明光源采用紅色LED，以擴散光照明方式進行照明。

選用EVOC公司的基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集與控制卡PCI－16P16R和端子板PCLD－880實現(xiàn)工業(yè)PC機與現(xiàn)場被控制器件的連通。PCI－16P16R具有16路繼電器輸出，16路光隔離數(shù)字輸入和數(shù)字量輸入信號調(diào)整電路。PCLD－880利用20芯扁平電纜和37芯D型接口作為I/O端口連接外部信號。電磁閥、電磁鐵以及報警裝置的控制信號通過PCI－16P16R的繼電器輸出端進行控制。氣動機械手由SMC的氣動執(zhí)行元件組合構(gòu)成，包括氣爪MRHQ16D－180S－F9BV－F9B，旋轉(zhuǎn)底盤MSQB10A，頂桿氣缸MGPL16－10－Z73L。氣動旋轉(zhuǎn)定位臺也采用旋轉(zhuǎn)底盤MSQB10A控制轉(zhuǎn)位。選用Airtac的快速響應的三位五通電磁閥4V130C－06對氣動執(zhí)行元件進行控制。氣動執(zhí)行元件的位置信息通過安裝在元件上的位置開關(guān)傳送給端子板PCLD－880后輸入PCI－16P16R數(shù)據(jù)采集與控制卡。

晶振外殼品質(zhì)在線自動抽檢系統(tǒng)的控制軟件采用VC++6.0編程，使用了SDK－2000視頻采集卡的VC++6.0二次開發(fā)包提供的DDStream32位動態(tài)函數(shù)庫，圖像采集功能通過直接調(diào)用該函數(shù)庫中定義的接口函數(shù)來實現(xiàn)。10.3.2基于PC的并聯(lián)機床控制系統(tǒng)

并聯(lián)機床是近年來迅速發(fā)展起來的新一代機床。它采用并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)運動，與傳統(tǒng)的以笛卡爾坐標為基礎(chǔ)的串聯(lián)運動機床相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、動態(tài)性能好、速度快、可重構(gòu)等優(yōu)點。

6－SPS并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)簡圖如圖10－13所示。該機床采用PC機作為控制系統(tǒng)的硬件工作平臺，采用并行接口LPT1和LPT2作為PC機與伺服驅(qū)動系統(tǒng)之間的接口。其中，LPT1是PC機的基本配置（中斷口地址為378H），另行擴展了LPT2（中斷口地址為278H），以避免其與軟盤驅(qū)動器的中斷沖突問題。圖10－13

6－SPS并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)簡圖程序通過PC機并行口LPT1和LPT2發(fā)出脈沖，控制步進電機工作。由于6軸并聯(lián)機床需要6個步進電機驅(qū)動，每個電機需要兩位數(shù)據(jù)位控制，因此，1~4號電機使用LPT1的8位數(shù)據(jù)位控制，5、6號電機使用LPT2的高4位控制。

并聯(lián)機床以兼容普通加工中心的加工能力為設(shè)計目標之一，因而在數(shù)控加工程序編制上仍采用傳統(tǒng)的NC代碼指令，以便于程序的移植。但是，由于機床結(jié)構(gòu)的根本不同，并聯(lián)機床不能像傳統(tǒng)機床那樣直接控制X、Y、Z軸。在并聯(lián)機床上，必須將刀具位置和姿態(tài)轉(zhuǎn)換為控制空間時刻變動的運動副的長度和轉(zhuǎn)角，才能實現(xiàn)刀具位置和姿態(tài)的控制。因此，控制程序必須包含準NC代碼格式變換、進給算法、坐標變換及運動學變換等模塊。并聯(lián)機床控制軟件流程圖如圖10－14所示。圖10－14并聯(lián)機床控制軟件流程圖在機床的動平臺進給過程中，6根驅(qū)動軸與動平臺的鉸接點必須始終在同一個平面內(nèi)，否則就會產(chǎn)生運動干涉。因此，采用等時細分法來實現(xiàn)機床6個分支組件步進電動機的脈沖分配。通過逆解運算，得到6驅(qū)動軸的桿長變化量，由于驅(qū)動軸能伸長和縮短，因此桿長變化量有正有負。選取6桿桿長變化量絕對值最大的一個，作為時間控制量。6個桿長變化量分別與此最大值相除，然后根據(jù)時間控制變量，分別以前面相除得到的值為累加單位進行累加，每累加一次所得的累加值，根據(jù)四舍五入原則取整，再減去上一次累加值的取整值，這樣所得的值為0、1、-1三個數(shù)值中的一個。數(shù)值1表示向驅(qū)動此桿的步進電動機發(fā)一個正向脈沖；0表示不發(fā)脈沖；-1表示發(fā)一個反向脈沖。這樣，就完成了步進電動機脈沖的分配。圖10－15等時細分法的流程圖等時細分法的程序框圖如圖10－15所示。其中，Δli是桿長變化量，onestep為脈沖當量，Si是累加和。

并聯(lián)機床控制軟件的設(shè)計可采用VisualC++程序設(shè)計語言實現(xiàn)。由于VisualC++是一個面向?qū)ο蟮摹⒖梢暬拈_發(fā)工具，它的函數(shù)可以直接訪問內(nèi)存和I/O端口地址，因此比較容易實現(xiàn)對并聯(lián)機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的實時控制。它的可視化功能及各種控件又能較方便地生成十分友好的用戶界面。并聯(lián)機床控制程序用以實現(xiàn)以下幾種基本進給運動軌跡：

（1）水平和鉛垂方向運動(機床靜坐標系X和Z軸方向)；

（2）空間任意兩點之間的直線軌跡；

（3）水平面上不同半徑的圓弧軌跡；

（4）不同半徑的局部球面的加工；

（5）動平臺姿態(tài)的連續(xù)變化。10.3.3基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

開放式數(shù)控系統(tǒng)是20世紀90年代開始發(fā)展的新型數(shù)據(jù)系統(tǒng)，是計算機軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)融合的數(shù)控技術(shù)產(chǎn)物。根據(jù)IEEE(美國電氣電子工程師學會)的定義，開放式數(shù)控系統(tǒng)指一個開放式系統(tǒng)應能使各種應用系統(tǒng)有效地運行于不同供應商提供的平臺上，具有與其他應用系統(tǒng)相互操作及用戶交換的特點。開放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為三類：第一類是“PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機器中，PC板主要運行于非實時控制，CNC主要運行于以坐標軸運動為主的實時控制；第二類是“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，把運動智能控制板插入PC機的ISA標準插槽或PCI標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制用；第三類是純PC型開放數(shù)控系統(tǒng)，其開放功能完全由軟件實現(xiàn)。

這里主要介紹“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PC機作為主體，多軸智能運動控制卡插在其PCI標準插槽中，外接電機驅(qū)動模塊和主軸變頻調(diào)速模塊，與電機等設(shè)備構(gòu)成硬件總體結(jié)構(gòu)。PC機作為非實時處理，實時控制由控制卡承擔，從而方便地實現(xiàn)了人機界面的開放化和個性化。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)總體框圖如圖10－16所示，主要由5大部分組成，分別是PC機、運動控制卡、伺服驅(qū)動器、交流伺服電機、編碼器。PC機為聯(lián)想啟天6200，主頻3GHz。運動控制卡為臺灣ADLink公司生產(chǎn)的開放式運動控制卡PCI－8134，該控制卡使用了兩塊專業(yè)集成電路PCL5023，每塊PCL5023控制兩個軸的運動。PCI－8134使用32位PCI總線，能夠做到即插即用，可以產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動步進電機和伺服電機。伺服驅(qū)動器采用日本松下公司生產(chǎn)的MSDA153A1A，額定輸入電壓為三相線電壓200V。伺服電動機采用日本松下公司生產(chǎn)的三相交流伺服電動機MSMA152A，額定輸出功率為1.5kW。該伺服電動機內(nèi)裝有增量式編碼器，該編碼器與電機同軸轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)一周發(fā)出2500個脈沖信號，并將發(fā)出的脈沖信號傳送給驅(qū)動器。圖10－16“NC嵌入PC”型數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖運動控制卡PCI－8134可同時控制4個軸，以第一軸為例，說明其信號連接與電氣連接的實現(xiàn)，如圖10－17所示。圖中虛線框代表運動控制卡的輸入/輸出信號接口CN2，數(shù)字代表接口CN2中對應的引腳序號，這里使用差分輸出方式對脈沖信號OUT和方向信號DIR進行輸出，這樣可以減少傳輸中的干擾，在線路較長的時候應盡量采用此方式。特別注意，該運動控制卡需要外接24VDC電源供電，24VDC電源需要接在控制卡外部電源輸入接口CN1中的第1引腳和第2引腳。實線框代表的是伺服驅(qū)動器的CNI/F接口，帶小括號的數(shù)字代表接口CNI/F中對應的引腳序號，其中，引腳（41）與引腳（12）也需要外接24V直流電源，引腳（50）要與驅(qū)動器的保護性接地正確連接，以防止人體觸電。圖10－17伺服驅(qū)動器與運動控制卡接線圖

PCI－8134運動控制器提供了DOS和Windows下的函數(shù)庫，方便了不同操作系統(tǒng)下的應用程序開發(fā)。該系統(tǒng)基于Windows2000操作系統(tǒng)，在編程語言方面采用VisualBasic6.0作為開發(fā)工具。為克服VB在實時性方面的不足，該系統(tǒng)采用多線程編程、多通道處理，這不僅很好地解決了系統(tǒng)資源利用瓶頸的問題，而且可以有效縮短開發(fā)周期。10.4基于PLC的機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例

10.4.1鍋爐膜式水冷壁管屏自動焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

膜式水冷壁是鍋爐中三大受壓元件之一。采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)的鍋爐具有傳熱效率高，密封性能好，爐墻重量輕，節(jié)能、污染小的優(yōu)點，廣泛應用于電力生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著社會對環(huán)保要求的不斷提高，膜式水冷壁將在工業(yè)鍋爐中得到大力推廣。

膜式水冷壁由單根的鋼管與精密扁鋼相間雙面拼焊形成一定寬度的管屏，如圖10－18所示。為確保膜式水冷壁的制造質(zhì)量，必須保證膜式水冷壁鋼管間的節(jié)距精度，因此，膜式水冷壁的制造一般采用膜式水冷壁管屏自動焊接生產(chǎn)線進行自動化焊接，如圖10－19所示。

圖10－18鍋爐膜式水冷壁管屏及彎曲成型的膜式水冷壁圖10－19膜式水冷壁管屏自動焊接生產(chǎn)線圖10－20膜式水冷壁管屏的生產(chǎn)工藝流程焊前準備階段將鋼管去除局部急彎并拋光，清除氧化皮至露出金屬光澤，然后按公差范圍分組；退火狀態(tài)盤卷料冷拔扁鋼經(jīng)扁鋼自動化精整生產(chǎn)線按計算寬度進行精整，使扁鋼達到規(guī)定尺寸，且表面平整、無扭曲。

單元及拼排焊接階段通過膜式水冷壁管屏自動焊接生產(chǎn)線完成，這時將經(jīng)焊前預處理的鋼管及扁鋼排放在前輥道并移送至點焊裝置，進行頭部點焊定位，再經(jīng)前輥道橫移裝置移至焊機正前方，壓輥壓下工件進入焊接工段，布置在上槍架上的焊槍對鋼管和扁鋼間的上部角焊縫施焊。待管屏繼續(xù)行走至下焊槍工位時，啟動下焊槍焊接電源并引弧，焊接管屏下部焊縫。當整個管屏整體通過焊機后，先后停止上、下焊槍，完成焊接過程，上、下焊縫焊接成型。成型后的管屏將被移送到焊機后輥道上。小單元管排經(jīng)拼排焊接直至規(guī)定寬度。達到規(guī)定寬度的管屏通過成排彎曲裝備按設(shè)計要求角度進行彎曲，然后開天窗或看火門，最后進行手工焊拼排至更大寬度。經(jīng)熱校、焊銷釘、切頭等工序，最后進行水壓試驗。

膜式水冷壁管屏自動焊接生產(chǎn)線采用PLC進行控制，采用工業(yè)級人機界面、氣體壓力繼電器、交流變頻器、光電編碼器等組成焊接過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接參數(shù)的實時監(jiān)控和修正，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10－21所示。圖10－21焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)在每一工位設(shè)置一個操作箱，相互獨立操作，焊接速度由變頻器調(diào)節(jié)，人機界面對工況、焊接參數(shù)等進行實時顯示?？刂葡到y(tǒng)中的人機界面通過RS485接口和主控PLC進行通信，將反饋到主控PLC的焊接參數(shù)以數(shù)字的形式顯示在屏幕上，如果參數(shù)超出設(shè)定的范圍，則屏幕顯示異常，發(fā)出警告，實現(xiàn)焊接參數(shù)的實時監(jiān)控。同時通過對所選焊接電源實際工作參數(shù)的分析建模，實現(xiàn)了焊接參數(shù)預置功能，可對各焊接電源的焊接參數(shù)在焊前通過人機界面進行預先設(shè)定。圖10－22氣動機械手工作示意圖10.4.2氣動機械手控制系統(tǒng)

圖10－22是一個應用于自動化車間的自動搬運機械手的工作示意圖。該機械手用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制。對于上升/下降、左移/右移，其運動由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。對于夾緊/放松，其運動由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。

將機械手的原點（即原始狀態(tài)）定為左位、高位、放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，檢測到左工作臺上有工件時，機械手下降到低位，夾緊工件，上升到高位，右移到右位。在右工作臺上無工件時，機械手下降到低位，放松，然后上升到高位，左移回原位。其動作邏輯關(guān)系圖如圖10－23所示。圖10－23機械手動作邏輯關(guān)系圖動作過程中，上升、下降、左移、右移、夾緊為輸出信號。放松和夾緊共用一個線圈，線圈得電時夾緊，失電時放松，所以放松不作為輸出信號。低位、高位、左位、右位、工作臺上有無工件信號為輸入信號。

為便于控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護，控制系統(tǒng)中加有手動功能和顯示功能。當手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動位置時，按下相應的手動操作按鈕，可實現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動控制。同時，“手動”狀態(tài)指示燈亮，動作時，相應的動作指示燈亮。當機械手處于原點時，將手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動位置時，“自動”狀態(tài)指示燈亮，進入自動工作狀態(tài)，手動按鈕無效。設(shè)置手動功能和顯示功能后，增加了8個輸入信號和2個輸出信號。圖10－24系統(tǒng)硬件原理圖圖10－25機械手的PLC控制程序

PLC程序控制原理如下：

機械手在左位、高位、放松狀態(tài)下，將自動/手動開關(guān)打至自動位置，1000變?yōu)镺N，程序進入自動狀態(tài)。當光電開關(guān)檢測到左工作臺上有工件時，0004為ON，使得1001變?yōu)镺N，機械手下降。當下降到低位時，壓合低位開關(guān)0001為ON，使得1002為ON，HR000變?yōu)闉镺N，使得1005為ON，因而1006變?yōu)镺N，1004復位，上升停止，右移開始。右移到右位時，壓合右位開關(guān)0003為ON，使得1007為ON，因而1008變?yōu)镺N，1006復位，右移停止，進入等待下降狀態(tài)。在光電開關(guān)檢測到右工作臺上無工件時，0004為OFF，1009變?yōu)镺N，使得1010為ON，1008復位，下降開始。下降到低位時，壓合低位開關(guān)0001為ON，1011變?yōu)镺N，使得1012為ON，1010復位，HRO00復位，下降停止，放松開始。延時3秒后，TIM01為ON，使得1013為ON，1012復位，上升開始。上升到高位，壓合高位開關(guān)0000為ON，1014變?yōu)镺N，使得1015為ON，1013復位，上升停止，左移開始。左移到左位時，壓合左位開關(guān)0002為ON，使得1015復位，左移停止。至此，一次工作完成。當再檢測到左工作臺上有工件時，重復上述動作。

在自動工作過程中，若將自動/手動開關(guān)打到手動位置，則0006為ON，輸出1000~1015均復位，自動工作停止。這時，按相應的手動操作按鈕，便可實現(xiàn)手動上升、下降、左移、右移、夾緊、放松動作。利用手動操作使機械手回到原點后，將自動/手動開關(guān)打到自動位置，即可再次進入自動工作狀態(tài)。10.5機器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計案例

10.5.1液壓挖掘機器人分布式測控系統(tǒng)

工程機械機器人化是提高工作效率的有效途徑，它能完成遙控、工況監(jiān)測、自動挖掘等功能。挖掘機器人不同于固定式的工業(yè)機器人，它經(jīng)常在惡劣的野外環(huán)境下工作，有多個工作裝置需要控制，同時其內(nèi)部空間緊湊。采用基于現(xiàn)場總線的分布式、嵌入式控制結(jié)構(gòu)則是一種較好的解決方案，具有體積小、安裝位置隨意、可靠性高、維護性好的優(yōu)點，每一個工作裝置采用一個控制模塊，模塊之間通過現(xiàn)場總線通信。挖掘機器人具有以下主要功能：

（1）動力系統(tǒng)具有節(jié)能控制功能，能減少動力系統(tǒng)功率損失。

（2）具有無線監(jiān)控端，能在非工作現(xiàn)場實時觀察挖掘機器人反饋回來運行參數(shù)。

（3）具有遙控功能，并能在監(jiān)控端屏幕上用三維動畫實時顯示遙控效果。

（4）可以在監(jiān)控端對機器人的工作軌跡進行規(guī)劃，用三維動畫仿真演示規(guī)劃效果，并控制機器人按此規(guī)劃進行工作。

（5）機器人具有半自動控制功能，司機只需操縱一只操作桿，就能使機器人的工作裝置按預定軌跡進行工作，即通常所說的“單桿操縱”，這對提高挖掘機的工作效率有重要意義。

（6）能夠在無線監(jiān)控端對挖掘機器人的控制參數(shù)進行設(shè)置。挖掘機器人分布式測控系統(tǒng)的通信體系如圖10－26所示。其中，動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)四個模塊接收來自管理節(jié)點的指令，分別控制挖掘機器人的四個運動關(guān)節(jié)；動力控制模塊控制發(fā)動機和液壓泵；管理節(jié)點一方面用來完成與無線監(jiān)控端的通信功能，另一方面用來完成對其他功能模塊的控制管理，如控制參數(shù)設(shè)置、軌跡跟蹤控制、工作參數(shù)收集等。無線監(jiān)控端使用PC機實時監(jiān)測挖掘機器人的工作參數(shù)，如姿態(tài)、系統(tǒng)壓力等，并可實現(xiàn)挖掘機器人的軌跡規(guī)劃、遙控、參數(shù)設(shè)置等功能。圖10－26挖掘機器人分布式測控系統(tǒng)的通信體系圖10－27為監(jiān)控端界面，它能根據(jù)管理節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)實時顯示挖掘機器人的工作參數(shù)。其中，工作姿態(tài)以三維動畫的形式顯示，工作參數(shù)則以示波器和編輯框數(shù)值的形式顯示。在界面菜單上還有挖掘機器人控制參數(shù)設(shè)置項，選中后以對話框的形式完成參數(shù)的設(shè)置。圖10－27泵控工作參數(shù)顯示挖掘機器人控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖10－28所示?？刂破鞣譃橹靼搴蛿U展接口板兩部分。其中，主板電路適用于所有的控制模塊，由單片機、復位電路、現(xiàn)場總線控制電路、RS232電路、電源等組成。擴展接口板電路則隨著功能模塊的不同而不同。圖10－28挖掘機器人控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖10.5.2多自由度機器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

串聯(lián)五自由度機器人的結(jié)構(gòu)如圖10－29所示，采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。機器人共有五個自由度：腰部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機器人本體除基座以外的機構(gòu)的轉(zhuǎn)動；肩關(guān)節(jié)是個直移關(guān)節(jié)，可以帶動大臂、小臂、手腕、手爪及工件的上下移動，以滿足機器人工作空間上高度的要求；可以在小范圍內(nèi)調(diào)整小臂、手爪和工件的位姿；手腕包括兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，分別可以實現(xiàn)手爪的俯仰和擺動。機器人的結(jié)構(gòu)布局對其綜合性能有很大影響。按照設(shè)備安裝、拆卸和檢修方便的原則，把驅(qū)動腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的電機1安裝在機座上；把驅(qū)動肩關(guān)節(jié)的電機2安裝到機器人的頂部，直接驅(qū)動絲杠；由于大臂、小臂、手腕等均是懸空的，因此把驅(qū)動電機3和電機4均配置到大臂的末端，以便平衡機器人的質(zhì)量；手腕轉(zhuǎn)動需要的扭矩較小，故電機5的體積小、質(zhì)量小，按照就近的原則，將其放在手腕的末端。機器人的結(jié)構(gòu)布局如圖10－29（a）所示。圖10－29串聯(lián)五自由度機器人的結(jié)構(gòu)圖為了對機器人進行運動模擬和控制，需對機器人進行運動學分析。對機器人進行運動學、動力學分析時，可將機器人簡化成由各連桿和末端執(zhí)行器首尾相接，并通過關(guān)節(jié)相連而構(gòu)成的一個開式連桿系。據(jù)此將機器人簡化為連桿機構(gòu)，并在底座上建立基坐標系，每個關(guān)節(jié)上建立一相對運動坐標系。連桿系統(tǒng)的坐標系如圖10－29（b）所示。

機器人的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三級，如圖10－30所示。PC機為第一級，主單片機為第二級，從單片機為第三級。圖10－30機器人的控制系統(tǒng)示意圖

PC機主要實現(xiàn)機器人的控制界面和串行通信功能，通過PC機的COM2口將各種控制命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給主單片機。

主單片機是PC機與從單片機之間的橋梁，其主要功能包括與PC機、從單片機之間的通信控制，數(shù)據(jù)的處理與存儲，機器人運動軌跡插補，以及對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。主單片機選型為AT89C51單片機，并與MAX232電平轉(zhuǎn)換器、62256數(shù)據(jù)存儲器、INS8250等芯片組合構(gòu)成主單片機系統(tǒng)。其中，AT89C51是一種低功耗、高性能，內(nèi)部帶有4KB的可下載FLASH存儲器、128BRAM的8位CMOS單片機，與工業(yè)標準的80C51的指令和管腳排列兼容。從單片機選擇AT89C2051單片機，其主要功能是實現(xiàn)對步進電機的調(diào)速控制、與主單片機的通信及完成行程開關(guān)信號調(diào)理。從單片機控制系統(tǒng)主要由AT89C2051單片機、SH－20402A驅(qū)動器組成。其中，AT89C2051單片機是AT89系列中的經(jīng)濟型產(chǎn)品，與MCS－51結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別是減少了P0和P2端口，增加了一個模擬比較器。它執(zhí)行速度快，有良好的性能價格比。

機器人采用步進電機驅(qū)動，步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)的原理圖如圖10－31所示。從單片機AT89C2051實現(xiàn)對步進電機高速、中速、低速的控制，實現(xiàn)步進電機的正、反轉(zhuǎn)，以及在各種既定的速度控制中精確地實現(xiàn)步進電機的點—位控制。圖10－31步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)原理圖10.5.3高速并聯(lián)機械手位置控制系統(tǒng)

二平動自由度高速、輕型并聯(lián)機械手——Diamond以美國NI公司的高性能運動控制器+PC為硬件平臺，采用圖形化的編程環(huán)境——Labview開發(fā)控制系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)機構(gòu)的高速、高精度位置控制。圖10－32（a）是天津大學研制的Diamond600型高速并聯(lián)機械手。

Diamond并聯(lián)機械手可應用于電子、食品和醫(yī)藥等輕工業(yè)領(lǐng)域，對輕小物料進行高速中、短距離抓取、搬運和放置等操作，在工作空間內(nèi)最高運動速度約5m/s，最大加速度可達60m/s2。圖10－32二平動自由度高速并聯(lián)機械手及其機構(gòu)模型圖10－32（b）是Diamond并聯(lián)機械手的二平動自由度并聯(lián)機構(gòu)，它由兩條支鏈和動平臺組成，各支鏈包含兩個平行四邊形桿結(jié)構(gòu)，分別由機架—主動臂—連架副主動臂—支架和支架—從動臂—動平臺組成。各構(gòu)件間采用轉(zhuǎn)動副連接，進而在主動臂驅(qū)動下可實現(xiàn)動平臺的二自由度平動。該機構(gòu)可以與垂直于工作平面的單軸進給機構(gòu)相串接，構(gòu)成三自由度混聯(lián)機械手。

在如圖10－33所示的Oxy坐標系中，動平臺參考點O′（x，y）的位置矢量r=(xy)T是根據(jù)機械手的工作需要而確定的，一般是一條連續(xù)的軌跡。機構(gòu)的位置逆解是建立機構(gòu)控制系統(tǒng)的理論依據(jù)，通過求解位置逆解，可以得到對應位置矢量r=(xy)T的主動臂轉(zhuǎn)角，即對應的電機轉(zhuǎn)角θ1i(i=1,2)，通過對電機轉(zhuǎn)角的控制實現(xiàn)對動平臺運動軌跡的控制。圖10－33二平動并聯(lián)機械手機構(gòu)運動學簡圖在Oxy坐標系中，有閉環(huán)方程（10－1）對式10-1兩端取模方，得到：（10－2）（10－3）

Diamond并聯(lián)機械手采用基于PC+運動卡的控制解決方案，如圖10－34所示。其控制系統(tǒng)主要由機構(gòu)、伺服電機、電機驅(qū)動單元、運動控制卡和工業(yè)PC組成。圖10－34控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)工業(yè)PC作為上位機，主要完成計算和監(jiān)控的功能。運動控制卡采用NI公司的高性能四軸運動控制器PCI－7344，其內(nèi)嵌的32位實時多任務(wù)系統(tǒng)可以精確地控制多軸完成預定的軌跡，且可以使用LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBASIC以及C/C++進行編程。作為控制系統(tǒng)的核心，PCI－7344執(zhí)行上位機發(fā)送的指令并將其轉(zhuǎn)化為對電機的控制信號，此信號經(jīng)由西門子SIMOD－RIVE611A驅(qū)動器放大驅(qū)動IFT5044無刷伺服電機，進而驅(qū)動Diamond機構(gòu)。同時，該控制器也可將電機在運行過程中的位置和速度采集下來，作為軌跡精度和速度跟隨特性分析的依據(jù)。

Diamond的系統(tǒng)控制軟件使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，基于Flexmotion進行開發(fā)。LabVIEW是NI公司推出的專門為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析設(shè)計的圖形化的編程環(huán)境(GraphicalDevelopmentStudio)。Flexmotion軟件包作為運動控制卡的驅(qū)動程序與NI公司的運動控制卡一起提供給用戶，它支持在Windows2000/NT/9x上使用的大量應用開發(fā)工具。

運行于上位機的操作軟件用來完成操作空間軌跡規(guī)劃、插補、位置逆解、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、用戶NC編程、數(shù)據(jù)報告等功能。運行于PCI－7344的實時操作系統(tǒng)RTOS用來控制運動I/O和數(shù)字I/O并通過DPRAM與上位機進行高速數(shù)據(jù)交換。圖10－35為軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖。圖10－35軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖10.6機電一體化系統(tǒng)的綜合設(shè)計實例

10.6.1數(shù)控五軸聯(lián)動激光加工機

數(shù)控五軸聯(lián)動激光加工機集成了激光、機械、傳感器和自動檢測、信息處理、微機自動控制和伺服驅(qū)動等多項技術(shù)，能完成平面和三維曲面的激光加工。它主要用于汽車制造廠車身模具制造維修中的熱處理、表面熔覆和對汽車大型覆蓋件及梁類零件的激光切割與焊接。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

如圖10－36所示，該加工機由主機、橫流激光器、電氣控制系統(tǒng)等組成。其主要技術(shù)參數(shù)見表10－1。圖10－36多用途數(shù)控五軸聯(lián)動激光加工機表10－1主要技術(shù)參數(shù)

2.系統(tǒng)工作原理

1）平面與三維曲面的激光熱處理和表面熔覆

由于熱處理和熔覆的零件較重，一般直接裝在工作臺上。激光器可輸出5kW、直徑?37mm的高階模激光束。如圖10－37所示，激光束通過反射鏡1、2進入Y軸方向，經(jīng)過反射鏡3沿Z軸方向傳到反射鏡4后，經(jīng)聚焦頭上的曲面反射鏡5聚焦到工件表面，光頭保持垂直，沿Y軸移動，工作臺沿X軸可進行平面加工。如果加上Z、C、A軸的運動，就能進行三維軸面的熱處理與熔覆。

2)激光切割與焊接

機床換上帶聚焦透鏡的聚焦光頭，激光器輸出可達3kW、直徑?25mm的低價模激光束，如圖10－37所示，通過反射鏡6反射，由透鏡7聚焦到工件表面，機床五軸聯(lián)動則可進行三維曲面的切割與焊接。圖10－37激光加工機光路示意圖

3）激光切割焦點位置的自動測量與控制

為了保證激光切割的質(zhì)量，需要自動檢測激光焦點的位置，并控制光頭移動使焦點相對工作表面保持在一定位置上。

以主機三個直線運動坐標軸作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)焦點位置自動控制，當激光焦點檢測裝置測出焦點位置有變化時，數(shù)控系統(tǒng)控制X、Y、Z坐標軸做相應移動，以確保焦點與工作表面的相對距離不變。

4）三維曲面激光切割的示教編程

進行三維曲面的激光切割時，由于被加工對象形狀復雜，難以建立精確的數(shù)學模型，因此，加工機設(shè)計了示教編程功能。加工前，操作人員先根據(jù)零件的工藝要求，在加工對象上畫出加工軌跡，然后通過示教裝置操縱各個坐標軸移動，使激光頭按實際切割的需要沿加工軌跡預走一遍，找到軌跡中的關(guān)鍵點，并記錄關(guān)鍵點的空間坐標，再采用插補算法生成零件加工的軌跡規(guī)劃程序。實際加工時，激光頭將按軌跡規(guī)劃程序預定的軌跡進行加工。

5）CAD／CAM軟件系統(tǒng)

為便于進行二維平面切割，加工機配置了CAD／CAM軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有圖文設(shè)計、漢字矢量化處理、優(yōu)化排樣、NC程序自動生成和加工過程仿真等功能。

3.系統(tǒng)設(shè)計

1）機械傳動系統(tǒng)設(shè)計

機械傳動系統(tǒng)要求高精度、高速度、慣性小、運動平穩(wěn)、工作可靠，這些要求不僅由機械傳動模式和機械結(jié)構(gòu)決定，還必須通過控制技術(shù)使傳動部分與伺服電機的動態(tài)性能相匹配，使系統(tǒng)達到高固有頻率、高剛度、合適的阻尼、線性的傳遞性能和小的慣量，以保證伺服傳動系統(tǒng)具有良好的伺服特性（精度、快速響應和穩(wěn)定性）。

激光加工機的X、Y、Z、A、C五個數(shù)控軸的機械傳動系統(tǒng)設(shè)計是加工機設(shè)計的關(guān)鍵。X、Y、Z三個直線運動軸的行程均小于4m，因此選擇滾珠絲杠副傳動。X、Y、Z三個直線運動軸均采用直線滾動導軌副。C、A兩個轉(zhuǎn)動軸選擇渦輪渦桿傳動。

傳動機構(gòu)輸入軸與伺服電機可直接用彈性聯(lián)軸器連接。

2）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)由五軸聯(lián)動計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）和伺服驅(qū)動單元、系統(tǒng)邏輯控制單元、激光焦點位置控制單元以及示教單元組成，如圖10－38所示。圖10－38電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

4.數(shù)控系統(tǒng)

CNC系統(tǒng)是激光加工機的控制中樞，主要完成五軸聯(lián)動的加工運動軌跡和各個單元的協(xié)調(diào)。CNC軟件采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)化編程，便于維護與擴展。

（1）CNC系統(tǒng)的基本硬件采用研華AWS－860一體化工業(yè)控制機，由10槽無源PC總線母板、基于PC總線的PCA－6136CPU卡、ET4000顯示卡、10inch高分辨率彩色顯示器、230W開關(guān)電源和PCD8931電子盤卡及電子盤組成。

（2）工業(yè)控制機通過RS232串行總線接口與PLC邏輯控制單元和示教單元相連，通過PC線與兩塊位置控制板相連。（3）CNC系統(tǒng)的位置控制采用Technology80公司基于PC總線的位置控制板，外接的伺服驅(qū)動單元采用了Fagor公司的交流伺服驅(qū)動器及伺服電機。位置控制板1控制X、Y、Z軸伺服驅(qū)動單元，位置控制板2控制A、C軸伺服驅(qū)動單元。圖10－39所示為X軸位控板和伺服驅(qū)動單元接線示意，其余Y、Z、A、C數(shù)控驅(qū)動軸與此類似。（4）系統(tǒng)的邏輯控制單元采用三菱公司的F1－60MR外裝式PLC，利用PLC的I/O口輸入行程開關(guān)、壓力繼電器和工業(yè)控制機以及各單元的邏輯控制信號，輸出控制電磁閥、指示燈以及各單元的邏輯動作。

5.檢測系統(tǒng)

在激光切割加工中，為了使切口處獲得最大的功率密度，保證切割質(zhì)量，激光焦點一般應位于被加工工件表面以下板厚約1/3處。由于工件存在表面起伏誤差，在加工過程中，聚焦頭與工件之間的間隙將會有較大的變化，因此為了對激光焦點位置進行有效的控制，必須先對焦點位置進行自動檢測。在實際檢測過程中，焦點的位置是根據(jù)聚焦頭與工件之間的間隙來決定的。

焦點位置檢測的要求是激光焦點位置的控制精度指標為±0.2mm，檢測誤差不能超過±0.1mm。檢測方法有接觸式和非接觸式兩類，在此介紹差動變壓器接觸式檢測電路。差動變壓器將被測位移量轉(zhuǎn)換為傳感器的互感變化，使次級線圈感應電壓也產(chǎn)生相應變化。由于傳感器做成差動形式，故稱為差動變壓器。螺管形差動變壓器可測量一毫米至上百毫米的位移范圍，應用十分廣泛。但由于是接觸式檢測，因而這種系統(tǒng)僅在平面切割的激光機床中使用。

由于激光頭與工件之間的間隙一般為0.8～3mm，為提高線性度，傳感器檢測范圍應留有余量，故選擇名義量程為±10m，實際只用到了±2.5mm。為保證導桿能與工件時刻保持緊密接觸而不留機械間隙，并且運動起來伸縮自如而不致卡死，應選擇鐵芯通過復位彈簧與殼體相連的導向回彈式結(jié)構(gòu)。其基本參數(shù)有基本誤差±0.1％，線性度誤差±0.1％，回差0.04％，重復誤差0.04％。圖10－40中AD598為新型差動變壓器信號處理芯片，輸出為±5V直流電壓，它經(jīng)過LM310射極跟隨器隔離后首先由測量放大器AD620進行電平轉(zhuǎn)換為0～10V輸出，以滿足后續(xù)電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片AD654的輸入要求。AD654將此