機電一體化概論2.1機械技術(shù)教學目標：1.理解機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)組成及其基本要求。2.以機器人的機構(gòu)為例，了解機電一體化系統(tǒng)對機械部件的選用。機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。機電一體化的機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品之間的區(qū)別在于：機械結(jié)構(gòu)更簡單、機械功能更強和性能更優(yōu)越。2.1.1機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)及其基本要求1.機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)是由控制器協(xié)調(diào)與控制的，用于完成一系列機械運動的機械和（或）機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。概括地講，機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)主要包括以下五大部分：1)傳動機構(gòu)。機電一體化機械系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)的主要功能是傳遞能量和運動，因此，它實際上是一種力、速度變換器。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是其傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速性有重大影響。2)導向機構(gòu)。其作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和給定的運動方向運動，為機械系統(tǒng)中各運動裝置安全、準確的完成其特定方向的運動提供保障。3)執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作。一般要求它具有較高的靈敏度、精確度、良好的重復性和可靠性等。4)軸系。軸系由軸、軸承及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成。軸系的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩及精確的回轉(zhuǎn)運動，它直接承受外力（力矩）。5)機座或機架。機座或機架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既承受其他零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對位置的基準作用。2.機電一體化中機械系統(tǒng)的基本要求傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)和機電一體化系統(tǒng)的主要功能都是完成一系列的機械運動，但由于它們的組成不同，導致它們實現(xiàn)運動的方式不同。傳統(tǒng)機械系統(tǒng)一般是由動力件、傳動件、執(zhí)行件三部分加上電器、液壓和機械控制等部分組成，而機電一體化中的機械系統(tǒng)是由計算機協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成。其核心是由計算機控制的，包括機、電、液、光、磁等技術(shù)的伺服系統(tǒng)。

機電一體化中的機械系統(tǒng)需使伺服馬達和負載之間的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩得到匹配，也就是在滿足伺服系統(tǒng)高精度、高響應速度、良好穩(wěn)定性的前提下，還應該具有較大的剛度、較高的可靠性和重量輕、體積小、壽命長等優(yōu)點。因此，機電一體化中的機械系統(tǒng)除了滿足一般機械設(shè)計的要求以外，還必須滿足機電一體化系統(tǒng)的各種特殊要求。總體上講，這些要求主要可歸納為以下幾個方面：1)高精度精度是機電一體化產(chǎn)品的重要性能指標，對其機械系統(tǒng)設(shè)計主要是執(zhí)行機構(gòu)的位置精度，其中包括結(jié)構(gòu)變形、軸系誤差和傳動誤差，另外還要考慮溫度變化的影響。2)小慣量大慣量會使機械負載增大、系統(tǒng)響應速度變慢、靈敏度降低，使系統(tǒng)固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振；使電氣驅(qū)動部分的諧振頻率變低，阻尼增大。反之，小慣量則可使控制系統(tǒng)的帶寬做的比較寬，快速性好、精度高，同時還有利于減小用于克服慣性載荷的伺服電機的功率，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應和精度。3)大剛度機電一體化機械系統(tǒng)要有足夠的剛度，彈性變形要限制在一定范圍之內(nèi)。彈性變形不僅影響系統(tǒng)精度，而且影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率、控制系統(tǒng)的帶寬和動態(tài)性能。4)快速響應性快速響應即要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務之間的時間間隔短。這樣控制系統(tǒng)才能及時根據(jù)機械系統(tǒng)的運行情況得到消息，下達指令，使其準確的完成任務。5)良好的穩(wěn)定性穩(wěn)定性即要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強。例如某飲料灌裝機，若每分鐘灌裝450瓶，每秒就需灌裝7.5瓶，此時已經(jīng)難以看出瓶子的輪廓和機器的動作。為了使每個瓶子都灌滿，而且飲料中的氣體不得溢出，則要求機器在高速運行中十分平穩(wěn)；在瓶子高速運動的情況下，為了壓蓋機構(gòu)靈巧、迅速的壓上蓋子而不壓碎瓶子，要求瓶子不得晃動，壓蓋機構(gòu)的動作也應準確、協(xié)調(diào)。這些要求對機械的支架、傳動等提出了很嚴格的要求。2.1.2機電一體化產(chǎn)品對機械部件選用實例機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，下面以機器人的機構(gòu)為核心，介紹一些機器人中較常選用的機械部件。1.螺紋的應用螺紋必須是內(nèi)螺紋和外螺紋成對使用才能實現(xiàn)功能，通過內(nèi)外螺紋的相互滑動接觸能夠起到擰緊或傳遞運動的作用。差動螺旋機構(gòu)如圖2.1.1所示，在螺桿或中空的螺母兩端分別制成左旋螺紋和右旋螺紋，將螺桿或螺母向一個方向轉(zhuǎn)動時，兩端將同時縮進或者同時伸出，這種機構(gòu)稱為顫動螺旋機構(gòu)。由于差動螺旋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，所以在機械手上應用很多。圖2.1.1雙向螺旋建筑用長螺桿目前出現(xiàn)有建筑用長螺桿（圖2.1.2），其長度可達300～1000mm。將其應用于簡單的機器人上，可以組成大移動量的機構(gòu)，非常方便。滾珠絲杠

將螺紋的軸截面形狀設(shè)計成圓弧形，在螺母和螺桿之間的螺旋溝槽中放入一排滾動軸承用的小鋼球就構(gòu)成了滾珠絲杠。鋼球從螺母一端排出，通過螺母中的孔道返回螺母另一端的溝槽中。由于滾珠絲杠的摩擦力小，所以常作為直線運動的驅(qū)動絲杠使用。（圖2.1.3）圖2.1.2建筑用長螺桿圖2.1.3滾珠絲杠2.彈簧的作用彈簧作為重要的機械零件，應用范圍很廣，在機器人的機械中也被大量使用。1)快速夾緊分析機器人上利用彈簧的情況可以發(fā)現(xiàn)，利用彈簧最多的部位是手部。從安全的觀點出發(fā)，可將機器人的手爪設(shè)計成用彈簧力夾緊物體的結(jié)構(gòu)，與一般的概念相反，執(zhí)行裝置只是起到將手爪張開的作用。這樣，在緊急停電或因故障停電時，可以防止被抓起的物體意外下落而造成事故（圖2.1.4）。圖2.1.4利用彈簧力的快速夾緊機構(gòu)2)步進電機大多數(shù)的機器人都使用步進電機。但是，在步進電機驅(qū)動的機器人上，當驅(qū)動電源斷開時，步進電機將處于自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)，機器人的臂部就會在重力作用下向下擺動，有時會破壞限位開關(guān)等。為了防止這種情況發(fā)生，可以采用如圖2.1.5所示的結(jié)構(gòu)，在臂部齒輪上安裝一個螺旋彈簧來平衡臂部的重力.圖2.1.5安裝在機器人肩部齒輪上的彈簧3.制動器的用途制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮芪眨瑥亩惯\動的機械速度降低或停止的裝置，大致可分為機械制動器和電氣制動器兩類。在機器人機構(gòu)中，一般在如下情況使用制動器：①特殊情況下的瞬時停止和需要采取安全措施。②停電時，防止運動部分下滑而破壞其它裝置。②停電時，防止運動部分下滑而破壞其它裝置。1)機械制動器機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等，其中最典型的是電磁制動器。

在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電機，由伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的。從原理上將，這種制動器就是用彈簧力制動的盤形制動器，當有勵磁電流通過線圈時制動器打開，不起制動作用。而當電源斷開時，線圈中無勵磁電流，在彈簧力的作用下使制動器而處于制動狀態(tài)。因此這種制動器通常稱為常合式電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動器（如圖2.1.6所示）。圖2.1.6常合式電磁制動器2)電氣制動器（動力制動器）電動機是將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的裝置，反之它也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換成機械能，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)其相反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰?.齒輪機構(gòu)在設(shè)計機器人時，必須盡量降低重量，特別是驅(qū)動系統(tǒng)的重量直接影響到可搬運的重量，必須特別注意。雖然可以實現(xiàn)直接驅(qū)動方式，但采用高速伺服電機與減速器組合的形式也較多。因此對機器人來說，減速器是其中非常關(guān)鍵的部件。

典型的減速機構(gòu)如：直齒圓柱齒輪減速機構(gòu)、蝸輪蝸桿機構(gòu)、齒輪齒條直線運動機構(gòu)等，其基本原理與傳動機械系統(tǒng)區(qū)別不大，在此不再贅述。下面主要介紹一下諧波減速器的結(jié)構(gòu)。

如圖2.1.7所示，諧波減速機構(gòu)由固定的內(nèi)齒圈（A）、波發(fā)生器（B）、柔性外齒圈（C）（可彈性變形）三個基本零件構(gòu)成，其特點為：1)減速比大2)齒側(cè)間隙小3)不存在質(zhì)量偏心4)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕目前，大多數(shù)機器人都采用了這種諧波減速器。圖2.1.7諧波減速器的結(jié)構(gòu)5.柔性傳動機構(gòu)要在兩軸之間傳遞旋轉(zhuǎn)運動和力矩，可以采用在兩軸上分別安裝皮帶輪，并在帶輪上環(huán)繞皮帶的傳動方法。這種傳動方法稱為柔性傳動，特別適合軸間距較大的運動傳遞。1)繩索傳動圖2.1.8所示為應用繩索傳動方式實現(xiàn)多關(guān)節(jié)機器人的手爪張開與抓緊動作的機構(gòu)。為了減輕機器人臂部前端的重量，將電機等驅(qū)動部分設(shè)計在主體的一邊，而在臂桿中的長距離驅(qū)動則采用鋼絲繩來實現(xiàn)。圖2.1.8采用繩索傳動的機械手驅(qū)動機構(gòu)2)滾子鏈（臂桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）滾子鏈與齒輪相比主要用于低速大轉(zhuǎn)矩的傳動，可以實現(xiàn)像同步帶那樣的同步運轉(zhuǎn)。因為采用金屬結(jié)構(gòu)，所以壽命較長。適用于像多關(guān)節(jié)機器人那樣，希望將驅(qū)動系統(tǒng)盡可能安裝在主體上的傳動機構(gòu)。它與同步帶相比價格便宜，可布置在較小的空間內(nèi)，但在長距離傳動時會產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，必須采用張緊機構(gòu)。3)同步帶同步帶傳動機構(gòu)是在皮帶的內(nèi)側(cè)和帶輪外圓周上加工出與齒輪相似的齒形，完全由齒形的嚙合來傳動，能夠?qū)崿F(xiàn)同步運轉(zhuǎn)。與普通V帶相比，同步帶不需要皮帶的張緊機構(gòu)；與齒輪傳動相比，具有噪聲小、不需要潤滑，適用于軸間距較大的輕載傳動。同步帶的材質(zhì)可以采用橡膠等各種材料。但同步帶傳動機構(gòu)與V型帶輪傳動機構(gòu)相比造價要高15～20倍。6.連桿機構(gòu)用銷軸等零件將細長的桿件連接起來組成的機構(gòu)稱為連桿機構(gòu)。這些連桿機構(gòu)在機器人中得到了廣泛的應用，使機器人尤其是手臂部分的動作十分靈活。下面介紹一些連桿機構(gòu)的應用實例。1)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄與滑塊機構(gòu)組合起來能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動（或直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動）。一般驅(qū)動機器人臂部運動的伺服裝置都是電動機，所以經(jīng)常需要將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動。圖2.1.9所示為曲柄滑塊機構(gòu)。圖2.1.9曲柄滑塊機構(gòu)2)曲拐曲拐機構(gòu)是連桿機構(gòu)的一種應用，很早以前就開始在曲柄夾緊機構(gòu)和沖壓機構(gòu)上使用。這種機構(gòu)的往復運動范圍大，并能夠產(chǎn)生較大的壓力。圖2.1.10所示為曲拐機構(gòu)在機械手夾緊部分的應用。3)平行四連桿機構(gòu)在多關(guān)節(jié)機器人臂部使用平行四連桿機構(gòu)是為了始終保持臂部的方向不變（圖2.1.11）。圖2.1.10曲拐機構(gòu)（機械手）圖2.1.11平行四連桿機構(gòu)2.2傳感檢測技術(shù)教學目標1．了解傳感器的組成和分類2．了解常用傳感器的工作原理及應用2.2.1傳感器簡介1.傳感器的定義及組成傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖2.2.1所示圖2.2.1傳感器的組成框圖

圖中的敏感元件是在傳感器中直接感受被測量的元件，即被測量通過傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。

這一非電量通過傳感元件后就被轉(zhuǎn)換成電參量。測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。應該說明，不是所有的傳感器都有敏感、傳感元件之分，有些傳感器是將兩者合二為一的，例如熱電偶、半導體氣體傳感器等，它們一般將感受到的被測量直接轉(zhuǎn)換為電信號，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。2.傳感器的分類傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有以下三種：1）按傳感器的物理量分類可分為位移、力、速度、加速度、溫度、流量、氣體成分、流速等傳感器。2）按傳感器工作原理分類可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶那個傳感器。3）按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類可分為輸出量為開關(guān)量（“1”和“0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器、輸出為模擬型傳感器和輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。3.傳感器發(fā)展趨勢1）傳感器的集成化

隨著半導體集成技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的集成化程度越來越高，人們將傳感器與信號處理電路制作在同一塊硅片上，從而獲得集成度更高、體積更小的新型傳感器。比如高精度的集成溫度傳感器如圖2.2.2所示。今后還將在光、磁、溫度、壓力等領(lǐng)域開發(fā)出新的傳感器。圖2.2.2集成溫度傳感器AD221002）傳感器的多功能化隨著傳感器的集成化不斷提高，人們有可能將不同的傳感器集成在一塊芯片上，而實現(xiàn)傳感器的多功能化。3）傳感器的智能化隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已將計算機技術(shù)應用于傳感器檢測系統(tǒng)中，使現(xiàn)有的傳感器智能化。2.2.2常用傳感器及其應用傳感器有很多種類，接近開關(guān)是一種較常用的傳感器。它在航空、航空、航天技術(shù)以及工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應用。在日常生活中，如賓館、飯店、車庫的自動門，自動熱風機上都有應用。在安全防盜方面，如資料檔案、財會、金融、博物館、金庫等重地，通常都裝有由各種接近開關(guān)組成的防盜裝置。在測量技術(shù)中，如長度，位置的測量；在控制技術(shù)中，如位移、速度、加速度的測量和控制，也都使用著大量的接近開關(guān)。1.接近開關(guān)的定義接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號，而不象機械式行程開關(guān)那樣，需要施加機械力。它給出的是開關(guān)信號（高電平或低電平），多數(shù)接近開關(guān)具有較大的負載能力，可以直接驅(qū)動中間繼電器。

接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體具有較高的感辨能力。2.接近開關(guān)的外形接近開關(guān)的外形如圖2.2.3所示，可以分成圓柱型、平面安裝型、方形、槽型和貫穿型。圓柱形安裝方便，便于調(diào)整與被測物的距離。平面安裝型和方型可用于板材的檢測，槽型和貫穿型可用于線材的檢測。2.2.3接近開關(guān)的外形a）圓柱型b）平面安裝型c）方型d）槽型e）貫穿型3.接近開關(guān)的特點與機械開關(guān)相比，接近開關(guān)具有以下優(yōu)點：1）非接觸測量，避免了對傳感器自身和目標物的損壞；2）無觸點輸出，輸出信號大，易于與計算機或可編程控制器（PLC）等接口；3）采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強；4）反應速度快；5）小型感測頭，安裝靈活，方便調(diào)整。接近開關(guān)的缺點主要是觸點容量小，輸出短路時易燒毀。4.常見的接近開關(guān)及其應用1）電渦流式接近開關(guān)(俗稱電感接近開關(guān))

電渦流式接近開關(guān)由LC高頻振蕩電路、振蕩器、比較器、末級放大電路組成，具體的結(jié)構(gòu)如圖2.2.4所示。圖2.2.4電渦流式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)

它是利用金屬導體接近這個能產(chǎn)生高頻電磁場的感辨頭時，金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)的振蕩能量衰減，內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出是否有金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。這種開關(guān)檢測的物體必須是導電性能良好的金屬。

這種接近開關(guān)常用于工作臺、油缸、及氣缸的行程控制還可用于生產(chǎn)工件的加工定位、產(chǎn)品計數(shù)等場合。圖2.2.5顯示了電渦流式接近開關(guān)的部分應用。圖2.2.5電渦流式接近開關(guān)的應用a）機加工的位置檢測b）機器人手臂位置檢測2）電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)的核心是由感應電極和罩極構(gòu)成的檢測端，感應電極和罩極位于接近開關(guān)的最前端，兩者構(gòu)成了一個電容。如圖2.2.6所示。圖2.2.6電容式接近開關(guān)的檢測端結(jié)構(gòu)電容式接近開關(guān)由RC高頻振蕩電路、振蕩器、比較器和末級放大電路組成。如圖2.2.7所示。圖2.2.7電容式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)

當有物體靠近時，不論它是否是導體，由于它的接近,總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,從而使電容量發(fā)生變化,使得RC振蕩電路開始振蕩,通過比較器和末級放大輸出開關(guān)信號。這種接近開關(guān)檢測的對象,不限于金屬導體,可以絕緣的液體或飼料等。

電容式接近開關(guān)可以用于物料分揀、檢測谷倉高度，檢測物體的含水量等。圖2.2.8所示的是用電容式接近開關(guān)進行物位檢測。當谷物高度達到電容式接近開關(guān)的底部時，電容式接近開關(guān)發(fā)出信號關(guān)閉輸送管道閥門，停止輸送谷物。圖2.2.8物位檢測示意圖1-糧倉外壁2-輸送管道3-谷物4-電容式接近開關(guān)5-谷物界面3）霍爾接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)采用的霍爾元件是一種磁敏元件。它的外形如圖2.2.9所示。圖2.2.9霍爾元件

利用霍爾元件做成的開關(guān),叫做霍爾開關(guān)。當磁性物件接近霍爾開關(guān)時,開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化,由此識別附近有磁性物體存在,進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。霍爾開關(guān)通常應用于運動部件的位置檢測，如圖2.2.10所示。圖2.2.10霍爾接近開關(guān)的應用a）運動部件的限位保護b）工作臺的行程控制4）光電開關(guān)光電開關(guān)是將光敏傳感器當做檢測物體有無的工具而制作出來的器件。它通常由發(fā)射器與接收器構(gòu)成，發(fā)射器通常采用發(fā)光二極管，接收器則采用光敏二極管、光敏三極管或光電池。光電開關(guān)根據(jù)檢測方式的不同可以分成透射型和反射型兩大類，如圖2.2.11所示，圖2.2.11光電開關(guān)的類型a）透射型b）反射板反射型c）被測物反射型

圖a所示的為透射型，發(fā)射器和接收器相對安放。必須排列在同一條直線上（該過程叫做光軸調(diào)整），，當有物體從兩者之間通過，發(fā)射器發(fā)出的紅外光束被遮斷，接收器接收不到光線而發(fā)出一個負脈沖信號。透射型由于其穩(wěn)定性好，，所以可以進行長距離（幾十米左右）的檢測。反射型光電開關(guān)采用發(fā)射器和接收器按一定方向裝在同一個檢測頭內(nèi)，可分成反射板反射型和被測物體漫反射型兩類，其外型如圖2.2.12所示。2.2.12反射型光電開關(guān)的外形反射板反射型傳感器單側(cè)安裝，需要調(diào)整發(fā)射板的角度以獲取最佳的反射效果。反射板使用的是偏光三角棱鏡，如圖2.2.13所示2.2.13反射板

它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成偏振光反射回去，接收器的光敏元件表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光，不接收物體表面反射回來的各種非偏振光的干擾。它的檢測距離一般可達幾米

被測物漫反射型主要是檢測發(fā)射到被測物體上并反射回來的光線，它的檢測距離與被測物體的表面的反射率有關(guān)。粗糙的表面反射回來的光線強度必將小于光滑表面反射回來的強度，而且被測物體的表面必須垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。常用材料的反射率如表1所示表1常見材料的反射率材料反射率材料反射率白畫紙90%不透明黑色塑料14%報紙55%黑色橡膠4%餐巾紙47%黑色布料3%包裝箱硬紙板68%未拋光白色金屬表面130%潔凈松木70%光澤淺色金屬表面150%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%

人的手掌心75%光電開關(guān)適用于生產(chǎn)流水線上統(tǒng)計產(chǎn)量、檢測產(chǎn)品的包裝，精確定位，廣泛應用于自動包裝機、裝配流水線等自動化機械裝置中。圖2.2.14所示是光電開關(guān)的部分應用。圖2.2.14光電傳感器的使用舉例a）防盜報警檢測b）電子元件引腳檢測c）標簽檢測2.3計算機控制技術(shù)教學目標：1.了解計算機控制。2.掌握計算機控制系統(tǒng)的組成及特點。3.理解計算機控制系統(tǒng)的各種類型及應用。

計算機的種類很多，從能夠超高速處理數(shù)據(jù)的超級計算機，到可以嵌入到全自動洗衣機等家用電器中的單片計算機應有盡有。盡管這些計算機在性能上有天壤之別，但在工作原理上卻并沒有本質(zhì)性的不同。在機電一體化系統(tǒng)中，計算機的作用極其重要，它相當于人的大腦，是系統(tǒng)的控制中樞，擔負著信息處理，指揮整個系統(tǒng)運行等任務。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率，因此計算機控制技術(shù)已成為機電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。2.3.1計算機控制在對機器進行控制時，如果采用專用的硬件設(shè)備進行，我們就稱這種控制方式為固定布線式邏輯控制（wiredlogic），也稱為硬件邏輯控制。與此相反，在一些采用計算機進行控制的通用控制設(shè)備中，控制方法及設(shè)備工作順利都是以程序的形式描述的，這種控制方式稱為軟件式邏輯控制（softwarelogic）。圖2.3.1列出了兩種控制方式的特點。下面對這兩種控制方式進行詳細的說明。圖2.3.1兩種控制方式的特點

1.固定布線式邏輯控制繼電器順序控制是最典型的固定布線式邏輯控制。對于功能單一（或者固定不變）的控制處理以及大批量生產(chǎn)的機器，采用硬件式邏輯控制將有利于降低系統(tǒng)成本。2.軟件式邏輯控制在軟件式邏輯控制中，機器的基本結(jié)構(gòu)不受控制的復雜程度影響，因此當系統(tǒng)需要更改樣式或改進性能時，采用軟件式邏輯控制方式可以在不改變機器基本結(jié)構(gòu)的前提下，比較容易地實現(xiàn)系統(tǒng)的變更。在多品種小批量生產(chǎn)的控制類產(chǎn)品（系統(tǒng)）中，采用這種控制方式具有極大的優(yōu)越性，而且通過精心設(shè)計程序還可以提高產(chǎn)品的可靠性。因此，在很多機器中普遍采用計算機進行控制。2.3.2計算機控制系統(tǒng)的組成及特點在控制系統(tǒng)中根據(jù)系統(tǒng)中信號相對于時間的連續(xù)性，通常分為連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)(簡稱連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng))。在采用計算機進行信號處理的控制系統(tǒng)中，計算機處理的信號是以數(shù)碼的形式存在的，也稱為數(shù)字信號，它在時間上是離散的。由于計算機字節(jié)有限，所以信號的幅值也是離散的，通常用二進制數(shù)表示，因此計算機控制系統(tǒng)是一種離散控制系統(tǒng)。離散控制理論是研究計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。圖2.3.2是計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖。包括工作于離散狀態(tài)下的計算機和具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對象兩大部分。被控制量一般為連續(xù)變化的物理量(如位移、速度、壓力、流量、溫度等)，稱為模擬量，經(jīng)過檢測傳感量轉(zhuǎn)換成相應的電信號，再經(jīng)過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的數(shù)字量送入計算機，從而完成了信號的輸入過程。圖2.3.2計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)計算機經(jīng)數(shù)字運算和處理后的數(shù)字信號還需要經(jīng)過數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換和保持（轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號），再經(jīng)過執(zhí)行機構(gòu)施加到被控對象，實現(xiàn)了信息的輸出。因此從信息轉(zhuǎn)換的觀點來觀察計算機控制系統(tǒng)，可以抽象為信息的變換與處理過程。其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成了信息的獲取(輸入)，計算機對輸入的信息進行比較和處理(控制算法與邏輯運算)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了信息的輸出。計算機控制系統(tǒng)中信號的具體變換與傳輸過程如圖2.3.3所示。圖2.3.3計算機控制系統(tǒng)中的信號變換與傳遞從圖2.3.3可以清楚看出計算機獲得信息的過程，把模擬信號按一定時間間隔T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r0，T，2T，…，nT的一系列脈沖輸出信號y(t)的過程稱為采樣過程。經(jīng)過采樣的信號y(t)稱為離散模擬信號，即時間上離散而幅值上連續(xù)的信號。從離散模擬信號y(t)到數(shù)字信號y(kt)的過程稱為量化過程。即為有限字長的二進制數(shù)碼來逼近離散模擬信號。微型計算機通常采用8位或16位字長，因此量化過程會帶來量化誤差。量化誤差的大小取決于量化單位q。若被轉(zhuǎn)換的模擬量滿量程為M，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量的位數(shù)為N，則量化單位q定義為而量化誤差為顯然N越大，量化誤差越小，但N過大會導致計算上有效字長的增加

計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。1.硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件主要是由主機、外圍設(shè)備、過程輸入輸出設(shè)備、人機聯(lián)系設(shè)備和通信設(shè)備等組成。就計算機本體而言從70年代起，隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，針對著工業(yè)應用領(lǐng)域相繼開發(fā)出一系列的工業(yè)控制計算機。如可編程序控制器(PLC)、單回路調(diào)節(jié)器、總線式工業(yè)控制機、單片微計算機和分散計算機控制系統(tǒng)等等。這些工業(yè)控制計算機彌補了商用機的缺點，并成功地應用于各種工業(yè)領(lǐng)域，這大大推動了機電一體化控制系統(tǒng)的自動化程度。2.軟件組成軟件是各種程序的統(tǒng)稱。軟件的優(yōu)劣不僅關(guān)系到硬件功能的發(fā)揮，而且也關(guān)系到計算機控制系統(tǒng)的品質(zhì)。軟件通常分為兩大類：系統(tǒng)軟件和應用軟件。1)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件包括匯編語言、高級語言、控制語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡軟件等等。計算機設(shè)計人員負責研制系統(tǒng)軟件，而計算機控制系統(tǒng)設(shè)計人員則要了解系統(tǒng)軟件，并學會使用，從而更好地編制應用軟件。2)應用軟件應用軟件是設(shè)計人員針對某個應用系統(tǒng)而編制的控制和管理程序。一般分為輸入程序、控制程序、輸出程序、人機接口程序、打印顯示程序和各種公共子程序等等。其中控制程序是應用軟件的核心，是基于控制理論的控制算法的具體實現(xiàn)。2.3.3計算機控制系統(tǒng)的類型根據(jù)計算機在控制系統(tǒng)中擔當?shù)摹敖巧辈煌翱刂葡到y(tǒng)的復雜程度，可以將計算機控制系統(tǒng)分為以下幾種類型。1.操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)如圖2.3.4所示。計算機只起數(shù)據(jù)采集和處理的功能，它不參加對系統(tǒng)的控制。計算機根據(jù)一定的數(shù)學模型，依賴檢測傳感裝置測得的被控對象的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，計算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。操作人員根據(jù)計算機的輸出信息，如CRT顯示圖形或數(shù)據(jù)、打印機輸出、報警等，去改變系統(tǒng)的給定值或直接操作執(zhí)行機構(gòu)。在這種系統(tǒng)里，電腦的作用是助手或參謀，真正的操作還需要人去進行。圖2.3.4操作指導控制系統(tǒng)2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)這類系統(tǒng)中計算機的運算和處理結(jié)果直接輸出作用于被控對象，故稱為直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC(DirectDigitalControl)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.3.5所示。DDC系統(tǒng)中計算機參與閉環(huán)控制，不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID(比例、積分、微分)控制，而且只要改變程序就可以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，如非線性、純滯后、自適應控制、解耦控制、最優(yōu)控制等。DDC是一個最典型的應用形式，它在工業(yè)控制中得到廣泛應用。圖2.3.5直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制是真正意義上的計算機控制，在這里計算機既是“決策者”，又是“操作者”。由于計算機的作用在這里非常重要，因此控制機的選擇就十分關(guān)鍵。除了要根據(jù)控制對象的不同和任務的難易而選擇不同類型和配置外，一個最基本的要求就是高可靠性，目前可靠性已經(jīng)達到的水平，其平均無故障時間(MTBF)在20000～50000小時以上甚至更高。另外還要求可維護性好，就是一旦機器出了故障，要能在最短時間內(nèi)修復。有些要求高的場合，可以采用備份機，出現(xiàn)故障，備份機組可立即自動接入。3.監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)所謂監(jiān)督控制(SupervisoryComputerControl)就是根據(jù)原始的生產(chǎn)工藝信息及現(xiàn)場檢測信息按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)字模型，計算出生產(chǎn)過程的最優(yōu)設(shè)定值。輸入給DDC系統(tǒng)或連續(xù)控制系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)原理框圖如圖2.3.6所示。SCC系統(tǒng)的輸出值不直接控制執(zhí)行機構(gòu)，而是給出下一級的最佳給定值。因此是較高一級的控制。它的任務是著重于控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應控制等，實際上它是操作指導系統(tǒng)與DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。這種系統(tǒng)的計算機主要起“決策人”的作用，同時也充當“監(jiān)工”，能達到省料、高產(chǎn)、低消耗，不過方案的缺點是仍需常規(guī)的模擬儀表。應當指出，SCC的兩級控制形式目前在較復雜的控制設(shè)備中應用相當普遍，如在多坐標高精度數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中，上一級的任務是完成插補運算(即插補數(shù)學模型)及加工過程管理，下一級實現(xiàn)多坐標的進給。又如工業(yè)機器人的兩級控制中，上一級完成機器人運動軌跡的計算和機器人工作過程的管理，而下一級完成各關(guān)節(jié)的進給與定位。圖2.3.6監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)4.分級控制系統(tǒng)分級控制是由多臺計算機或微處理器構(gòu)成一個控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是分層次的，每一個層次負責部分任務，但各層之間又有通信聯(lián)系，以構(gòu)成一個總體。以數(shù)控機床的加工為例，其加工過程是將金屬或其他材質(zhì)原材料，加工成一定形狀和規(guī)格的零件。這一加工過程可以分解成三個層次。第一個層次是伺服及主軸控制級。它完成點位控制和輪廓控制。點位控制要求比較簡單，主要是精確的定位。而輪廓控制則要求：1)按照加工零件外形軌跡要求，計算每個加工軸的運動位置量和運動速度，驅(qū)動并控制每個軸按照一定速度要求各自需要的位移。2)協(xié)調(diào)控制每個軸，保證軌跡誤差不超過規(guī)定范圍。這一級的任務由伺服控制級來完成，通常是每個軸一個控制系統(tǒng)，這個層次還應包括主軸控制在內(nèi)。第二個層次是過程控制級。它完成的任務主要是各加工軸的管理，刀具磨損的監(jiān)控與補償，切削力矩的控制，刀具交換控制(在加工中心的場合)，以及通過可編程邏輯控制器機床電器直接與機床交換信息等。這一級主要是對實時變化的過程參量進行控制。第三個層次是管理監(jiān)控級。它的任務有二：1)與機床操作工通過顯示屏幕、手動數(shù)據(jù)輸入(包括鍵盤、軟鍵，以及操作面板上的各種按鈕開關(guān)等)進行信息交換。2)與其他機床、運料車、CNC、計算機或管理人員進行信息交換。這部分可稱之為管理控制。數(shù)控機床加工過程的三級控制示意圖見圖2.3.7。這個三級控制系統(tǒng)可以由多臺計算機構(gòu)成，也可以由多個微處理器在一臺計算機機箱內(nèi)組成。圖2.3.7數(shù)控機床加工過程的三級控制系統(tǒng)示意圖上面提到的分級控制，可以在一臺數(shù)控機床上實現(xiàn)，也可以在一條柔性制造系統(tǒng)中應用，其范圍一般不大。下面要討論的一些系統(tǒng)，一般都是涉及一個車間或整個工廠的生產(chǎn)過程以及綜合管理等大范圍多功能的控制。5.集散控制系統(tǒng)(DCS)集散控制系統(tǒng)是國內(nèi)的流行術(shù)語，因為這類系統(tǒng)的控制是分散在現(xiàn)場各處，而監(jiān)視管理則是集中的。集散控制系統(tǒng)也稱分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystems)。“分布”在這里有兩重含義：一是指整個工廠的生產(chǎn)設(shè)備所在地理位置一般是分散在廠內(nèi)各處的，相應地要求控制設(shè)備的地理位置也是分散的；二是指整個控制系統(tǒng)的各種功能，如數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、監(jiān)視操作和運行顯示等是分散的。概括地說，集散控制系統(tǒng)的控制是分散的，但綜合管理則是集中的。從另一個角度看，集散控制系統(tǒng)又是一種層次結(jié)構(gòu)的分級控制系統(tǒng)。其層次可分成二到四級不等。圖2.3.8是一個四級層次的示意圖。圖中從頂?shù)降坠卜钟媱潓?、協(xié)調(diào)層、監(jiān)督層和控制層四個層次。可以看出，現(xiàn)場設(shè)備和工藝控制是分散實現(xiàn)的，但計劃、協(xié)調(diào)和監(jiān)督等管理功能則是集中的。圖中沒有表示的是通信網(wǎng)絡，它是賴以實現(xiàn)集中管理和分散控制的紐帶。圖2.3.8集散控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2)集散控制的特點集散控制系統(tǒng)的特點表現(xiàn)在以下幾個方面：①很好的適應性集散控制系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)代化生產(chǎn)管理和控制的需求而發(fā)展起來的，激烈的市場競爭迫使生產(chǎn)商追求實現(xiàn)有效的管理和生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，以縮短生產(chǎn)周期和降低成本。集散控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和功能上均具備高度的適應性，從而可以滿足多種企業(yè)的需求。②很大的靈活性集散控制系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的性質(zhì)和規(guī)模進行合理的組配，可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化或生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展進行適當增減或變化，具有很大的靈活性。③很高的可靠性集散控制系統(tǒng)在設(shè)計上的層次結(jié)構(gòu)，硬件和軟件的冗余技術(shù)，保證了系統(tǒng)的可靠性。由于控制部件分散在現(xiàn)場，即使出現(xiàn)局部故障，也易于維護。甚至在出現(xiàn)一些故障的情況下，整體仍能繼續(xù)維持運行。集散控制系統(tǒng)的安全可靠性、通用靈活性、最優(yōu)控制性能和綜合管理能力，為計算機控制開創(chuàng)了新方法。6.全自動化工廠(FA)由于計算機技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，我們甚至可以構(gòu)成能對整個綜合型系統(tǒng)（包括訂貨、生產(chǎn)、發(fā)貨）進行統(tǒng)一管理的全自動化工廠(FactoryAutomation)系統(tǒng)，如圖2.3.9所示。圖2.3.9全自動化工廠（FA系統(tǒng)）2.4伺服技術(shù)教學目標：1.掌握伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類。2.理解直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進電機控制系統(tǒng)的工作原理。伺服(Servo)的意思即“伺候服務”，就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動元件，使機械系統(tǒng)的運動部件按照指令要求進行運動。伺服系統(tǒng)主要用于機械設(shè)備位置和速度的動態(tài)控制，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人、坐標測量機以及自動導引車等自動化制造、裝配及測量設(shè)備中，已經(jīng)獲得非常廣泛的應用。2.4.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類1.伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖2.4.1伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型繁多，其組成和工作狀況也是不盡相同。一般來說，其基本組成可包含控制器、功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)和檢測裝置等四大部分，如圖2.4.1所示。1)控制器控制器的主要任務是根據(jù)輸入信號和反饋信號決定控制策略。常用的控制算法有PID(比例、積分、微分)控制和最優(yōu)控制等?？刂破魍ǔＳ呻娮泳€路或計算機組成。2)功率放大器伺服系統(tǒng)中的功率放大器的作用是將信號進行放大，并用來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成某種操作。在現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)中的功率放大裝置，主要采用各種電力電子器件組成。3)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)主要由伺服電動機或液壓伺服機構(gòu)和機械傳動裝置等組成。目前，采用電動機作為驅(qū)動元件的執(zhí)行機構(gòu)占據(jù)較大的比例。伺服電動機包括步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。4)檢測裝置檢測裝置的任務是測量被控制量(即輸出量)，實現(xiàn)反饋控制。伺服傳動系統(tǒng)中，用來檢測位置量的檢測裝置有：自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤等；用來檢測速度信號的檢測裝置有：測速發(fā)電機、光電碼盤等。應當指出，檢測裝置的精度是至關(guān)重要的，無論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是低于檢測裝置的精度。對檢測裝置的要求除了精度高之外，還要求線性度好、可靠性高、響應快等等。2.伺服系統(tǒng)的分類1)根據(jù)使用能量的不同，可以將伺服驅(qū)動系統(tǒng)分為電氣式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖2.4.2所示。圖2.4.2伺服驅(qū)動系統(tǒng)的種類電氣式是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動運行機構(gòu)運動。液壓式是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動運行機構(gòu)運動。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。這三種伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本特點見表2.4.1。表2.4.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點及優(yōu)缺點種類特點優(yōu)點缺點電氣式可使用商用電源；信號與動力的傳送方向相同；有交流和直流之別，需注意電壓大小操作簡單；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服；響應快、易與CPU相接；體積小，動力較大；無污染瞬時輸出功率大；過載差，由于某種原因而卡住時，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響液壓式輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服；易與CPU相接；響應快設(shè)備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、測量、質(zhì)量）嚴格；易泄漏且有污染氣壓式；要求操作人員技術(shù)熟練氣源方便、成本低；無泄漏污染；速度快、操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)；不易小型化；遠距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服圖2.4.3開環(huán)伺服系統(tǒng)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)2)按控制方式劃分，可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)（如圖2.4.3a所示）結(jié)構(gòu)上較為簡單，技術(shù)容易掌握，調(diào)試、維護方便，工作可靠，成本低。缺點是精度低、抗干擾能力差。一般用于精度、速度要求不高、成本要求低的機電一體化系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)（如圖2.4.3b所示）采用反饋控制原理組成系統(tǒng)，它具有精度高、調(diào)速范圍寬、動態(tài)性能好等優(yōu)點。缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、成本高等。一般用于要求高精度、高速度的機電一體化系統(tǒng)。2.4.2直流伺服系統(tǒng)采用直流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱為直流伺服系統(tǒng)。1.直流電機的結(jié)構(gòu)及其工作原理使用直流電源的電機叫做直流電機。因此，只要把直流電機的端子接到直流電源上就可以簡單的使其運轉(zhuǎn)。直流電機是一種具有優(yōu)良控制特性的電機。圖2.4.4直流電機的結(jié)構(gòu)圖2.4.4所示為直流電機的結(jié)構(gòu)。可以看出，直流電機由永磁鋼構(gòu)成的定子、繞有線圈的轉(zhuǎn)子以及換向器和電刷等構(gòu)成。當電流通過電刷和換向器流過線圈時產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，這時轉(zhuǎn)子成為一個電磁鐵，在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生吸引力或推斥力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由電刷和換向器來切換電流方向，使電機按同一方向旋轉(zhuǎn)從而帶動負載作功。2.直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制為了改變直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以采取以下不同的控制方法：①作電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時→可改變電源電壓②作電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)時→可改變電樞電流實際上，作上述調(diào)節(jié)時，電壓和電流是同時變化的，因此電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩也在同時變化。例如，充電式電動扳手使用了直流電機，在轉(zhuǎn)速變化時，緊固力矩也會同時發(fā)生變化。因此，在直流電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制時，一般均采用改變輸入電壓的方法。改變輸入電壓時，大體上有線性控制方式和PWM控制方式兩種。1)線性控制方式線性控制方式的原理如圖2.4.5所示。線性控制方式也可稱為電阻控制方式。在電機與電源之間插入晶體三極管，這個晶體三極管相當于一個可變電阻器，也就相當于控制了加于電機上的電壓，從而改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。晶體管工作于不飽和區(qū)，基本上與低頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)相同。圖2.4.5線性控制方式的原理晶體管的內(nèi)電阻變化控制基極電壓通過晶體管內(nèi)電阻消耗功率來控制電機轉(zhuǎn)速。晶體管工作于不飽和區(qū)。由于直流電機線性控制方式不改變電流的波形，因此對電刷、換向器的換向作用影響很小，可以做到轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。但是晶體三極管產(chǎn)生的功率損耗將變成焦耳熱而消耗掉，使得線性控制方式的效率降低，是一種不經(jīng)濟的控制方式。可用于額定功率為數(shù)瓦的小電機的控制電路。圖2.4.6PWM控制方式2)PWM控制方式PWM(PulseWidthModulation)控制方式的原理如圖2.4.6所示。PWM控制方式是脈沖控制方式的一種。晶體三極管作為一個開關(guān)，使加到電機上的電壓的ON與OFF的時間比（占空比，DutyRatio）發(fā)生變化，從而控制電機電壓的平均值。由于三極管工作于飽和狀態(tài)，幾乎不消耗功率，因此PWM控制方式具有良好的經(jīng)濟性。但由于電機供電電壓處于開關(guān)狀態(tài)，因此會導致噪聲、振動以及電刷、換向器損傷等問題出現(xiàn)；這些問題從控制技術(shù)上已經(jīng)逐步得到解決。PWM控制方式已經(jīng)成為現(xiàn)代直流電機控制技術(shù)上的主流。3)直流電機的PWM控制電路舉例①直流電機PWM控制的原理直流電機的PWM控制原理如圖2.4.7所示。圖2.4.7a為利用PWM發(fā)生器來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方法，PWM波形的占空比由輸入的模擬電壓控制。圖2.4.7b中，由微型計算機的I/O接口直接產(chǎn)生PWM信號，用該信號來驅(qū)動大功率晶體管的開關(guān)，從而控制直流電機的轉(zhuǎn)速。在任何情況下，都需要設(shè)置續(xù)流二極管，以便在晶體三極管OFF期間電機電流能夠繼續(xù)流通而使電機平滑地旋轉(zhuǎn)。PWM控制時電機中將流過的平均電流與PWM波形的占空比成比例（如圖2.4.7c所示），改變占空比就可以控制電機的轉(zhuǎn)速。中速高速低速圖2.4.7PWM控制的原理圖2.4.8PWM控制電路②直流電機的PWM控制電路舉例圖2.4.7所示為由PWM發(fā)生器產(chǎn)生PWM波來控制直流電機正、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速一種電路，其中直流電機為CYLINOID，用來代替液壓油缸。機電一體化技術(shù)中，電機的控制很少使用圖2.4.7所示的單方向控制，一般情況下都是如圖2.4.8所示，正、反轉(zhuǎn)控制與轉(zhuǎn)速控制。PWM發(fā)生器中，由控制二極管1S1588的ON和OFF的時間來產(chǎn)生PWM信號，調(diào)節(jié)可變電阻器可以改變PWM信號的占空比。當占空比為50%時，電機停止，占空比為0%時在CW方向高速運行，占空比接近100%時在CCW方向高速運行。圖2.4.9所示為一種可同時實現(xiàn)直流電機正、反轉(zhuǎn)控制和轉(zhuǎn)速控制的電路。電路中同樣采用了CYLINOID，該控制電路要與微型計算機組合起來使用。8253PIT為計數(shù)器/定時器用LSI（大規(guī)模集成電路），具有按程序自動產(chǎn)生PWM信號的功能，因而不會增加CPU的負擔，在機電一體化技術(shù)中是一個寶貴的接口電路。圖2.4.9PWM控制電路圖2.4.10所示為一個電流約1A的小型直流電機正、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制電路，也是一種與微型計算機組合起來的控制電路。在圖2.4.8和圖2.4.9所示的分離式電路中，必須有脈沖分配電路和高速開關(guān)的偏置電路，而圖2.4.10中的TA8440H可以把上述功能集中于一個IC芯片中，使用起來十分方便。圖2.4.10PWM控制電路））該二極管用于防止開關(guān)時的貫通電流3.鑒幅型直流伺服系統(tǒng)圖2.4.11為鑒幅型直流伺服系統(tǒng)的原理框圖。圖2.4.11鑒幅型直流伺服系統(tǒng)的原理框圖

1)位置檢測與信號綜合環(huán)節(jié)①旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)角變化的角位移測量裝置。②相敏放大器相敏放大器也稱為鑒幅器。它的功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應。③位置檢測與信號綜合環(huán)節(jié)位置檢測與信號綜合環(huán)節(jié)的原理框圖如圖2.4.12所示。旋轉(zhuǎn)變壓器組完成了位置檢測和信號綜合功能。放大器和相敏放大器承擔了信號變換任務。圖2.4.12相敏放大器原理框圖和方框圖2.PWM功率放大器PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。有關(guān)PWM控制方式前面已有介紹，此處不再重復。3.減速器減速器的任務是實現(xiàn)電動機與負載之間的匹配。2.4.3交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱為交流伺服系統(tǒng)。目前常將交流伺服按其選用不同的電動機而分為兩大類：同步型交流伺服電動機和異步型交流伺服電動機。采用同步型交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，多用于機床進給傳動控制、工業(yè)機器人關(guān)節(jié)傳動和其它需要運動和位置控制的場合。異步型交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，多用于機床主軸轉(zhuǎn)速和其它調(diào)速系統(tǒng)。圖2.4.14為恒壓頻比控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。此系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)。圖內(nèi)各框的簡單作用原理如下。1)絕對值運算器根據(jù)電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的要求，給定電位器輸出的正值或負值電壓。但在系統(tǒng)調(diào)頻過程中，改變逆變器輸出電壓和頻率僅需要單一極性的控制電壓。因而設(shè)置了絕對值運算器。絕對值運算器輸出單一極性的電壓，輸出電壓的數(shù)值與輸入相同。

的關(guān)系曲線2)函數(shù)發(fā)生器圖2.4.13分段調(diào)制

與函數(shù)發(fā)生器用來實現(xiàn)調(diào)速過程中電壓和頻率的協(xié)調(diào)關(guān)系，即實現(xiàn)圖2.4.13控制特性。函數(shù)發(fā)生器的電壓信號，輸出是正比于的電壓信號。的輸入是正比于頻率3)邏輯控制器根據(jù)給定電位器送來的正值電壓、零值電壓或負值電壓，經(jīng)過邏輯開關(guān)，使控制系統(tǒng)的SPWM波輸出按正相序、停發(fā)或逆相序送到逆變器，以實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)、停止或反轉(zhuǎn)。另外，邏輯控制器還要完成各種保護控制。圖2.4.14恒壓頻比控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖載頻比控制主要作用是實現(xiàn)圖2.4.13的控制。實際中，上述系統(tǒng)的控制部分可以用計算機或?qū)Ｓ眉呻娐穪韺崿F(xiàn)，其性能更好，控制更靈活。2.4.4步進電機控制系統(tǒng)步進電機控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。由于開環(huán)控制系統(tǒng)使用位置、速度檢測及反饋，沒有閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，因此，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點。另外，步進電機是受控于脈沖量，它比直流電機或交流電機組成的開環(huán)控制系統(tǒng)精度高，適用于精度要求不太高的機電一體化伺服系統(tǒng)。目前，一般數(shù)控機械和普通機床的微機改造中大多數(shù)均采用開環(huán)步進電機控制系統(tǒng)。圖2.4.15所示為開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖，主要由環(huán)形分配器、功率驅(qū)動器、步進電動機等組成。圖2.4.15開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖1.步進電動機步進電動機是一種將輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移的旋轉(zhuǎn)電機，可以實現(xiàn)高精度的角度控制。由于可以用數(shù)字信號直接控制，因此很容易與微型計算機相聯(lián)接，是位置控制中不可缺少的執(zhí)行裝置。2.環(huán)形分配器步進電動機在一個脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個相應的步距角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進電動機轉(zhuǎn)過的相應的角度。但步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動機繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形分配器。3.功率驅(qū)動器功器驅(qū)動器實際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進行功率放大，得到步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流(對于伺服步進電動機，勵磁電流為幾安培，而功率步進電動機的勵磁電流可達十幾安培)及所需要的脈沖波形。步進電動機的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅(qū)動器應使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進電動機繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。4.使用通用集成邏輯電路的步進電機驅(qū)動電路舉例圖2.4.16所示為采用通用集成邏輯電路的步進電機驅(qū)動電路。下面考察一下它的工作原理。圖2.4.16由通用邏輯IC構(gòu)成的步進電機驅(qū)動電路1)由振蕩器構(gòu)成信號發(fā)生電路決定步進電機轉(zhuǎn)速的驅(qū)動脈沖由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生后，加到圖2.4.16所示的“驅(qū)動脈沖輸入”端。也可以采用555定時器等專用集成電路構(gòu)成振蕩器。555定時器可以方便地接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等狀態(tài)，常用于脈沖波形的產(chǎn)生、變換、測量與控制。這里用作多諧振蕩器，利用電位器來改變振蕩頻率從而調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速。除555定時器之外，也可以使用通用集成邏輯電路來構(gòu)成振蕩電路。2)脈沖分配電路由“異-或”門74HC86以及D觸發(fā)器74HC74構(gòu)成。當正、反轉(zhuǎn)輸入端子為“1”時電機正轉(zhuǎn)，為“0”時電機反轉(zhuǎn)。由加到驅(qū)動脈沖輸入端子上的脈沖來控制電機的轉(zhuǎn)速。3)功率放大器以大功率晶體管2SC1881為中心構(gòu)成。圖2.4.16中電容器和二極管的作用是，當大功率晶體管關(guān)斷時，為了抑制電機線圈的反電動勢，電容器和二極管作為電氣阻尼器而工作，從而抑制電機的振蕩，同時實現(xiàn)快速響應。步進電動機驅(qū)動電路的種類很多，按其采用的功率元件來分，有晶閘管功率驅(qū)動器和晶體管功率驅(qū)動器等；按其主電路結(jié)構(gòu)分，有單電壓驅(qū)動和高、低電壓驅(qū)動兩種。目前廣泛應用的是晶體管功率驅(qū)動器，它具有控制方便、調(diào)試容易、開關(guān)速度快等優(yōu)點。2.5接口技術(shù)教學目標：1.掌握接口的概念、功能及分類。2.理解機電接口與人機接口技術(shù)，了解系統(tǒng)對接口技術(shù)的要求。機電一體化系統(tǒng)是由許多要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，各要素或子系統(tǒng)之間必須能順利的進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。因此，各要素或各子系統(tǒng)相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件稱為接口。目前，接口技術(shù)已成為機電一體化領(lǐng)域的一個重要技術(shù)，特別是在先進的計算機控制系統(tǒng)中，接口功能的優(yōu)劣將直接影響著系統(tǒng)的性能。2.5.1接口的概述1.接口技術(shù)的概念在機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)中，“接口技術(shù)”是指系統(tǒng)中各個器件及計算機間的連接技術(shù)。因為在機電一體化產(chǎn)品中，微型計算機，機械設(shè)備，傳感器等各主要組成部分互相傳遞信息，但是它們之間又不能直接連接，因此需要接口將各部分聯(lián)系在一起。如圖2.5.1所示，一方面，機電一體化系統(tǒng)通過輸入/輸出接口將其與人、自然及其他系統(tǒng)相連；另一方面，機電一體化系統(tǒng)通過許多接口將系統(tǒng)構(gòu)成要素聯(lián)系為一體。因此，系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于接口的性能。從某種意義上講，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計歸根結(jié)底就是“接口設(shè)計”。圖2.5.1系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口接口設(shè)計的總?cè)蝿帐墙鉀Q功能模塊間的信號匹配問題，根據(jù)劃分出的功能模塊，在分析研究各功能模塊輸入/輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，計算制定出各功能模塊相互連接時所必須共同遵守的電氣和機械的規(guī)范和參數(shù)約定，使其在具體實現(xiàn)時能夠“直接”相連。因此，把機電一體化產(chǎn)品可看成是由許多接口將組成產(chǎn)品各要素的輸入/輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。2.接口的功能接口的功能可分為以下三種：1)變換兩個需要進行信息變換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間，由于信號的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等）無法直接實現(xiàn)信息或能量的交流，通過接口完成信號或能量的統(tǒng)一。2)放大在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)之間，經(jīng)接口的放大，達到能量的匹配。3)傳遞變換和放大后的信號在環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準確的交換，必須遵循協(xié)調(diào)一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范，接口具有保證信息傳遞的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進行傳遞。接口使組成系統(tǒng)的各要素聯(lián)接成為一個整體。在控制和信息處理單元預期信息導引下，使各功能環(huán)節(jié)有目的協(xié)調(diào)一致的運動，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能目標。3.接口的分類在機電一體化系統(tǒng)中各要素和子系統(tǒng)之間，接口使得物質(zhì)、能量、信息在連接要素的交界面上平穩(wěn)地輸入/輸出，它是保證產(chǎn)品具有高性能、高質(zhì)量的必要條件，有時會成為決定系統(tǒng)綜合性能好壞的關(guān)鍵因素，這是由機電一體化系統(tǒng)的復雜性決定的。1)根據(jù)接口的變換和調(diào)整功能特征分類①零接口。不進行參數(shù)的變換與調(diào)整，即輸入/輸出的直接接口，如聯(lián)軸器、輸送管、插頭、插座、導線、電纜等。②被動接口。僅對被動要素的參數(shù)進行變換與調(diào)整，如齒輪減速器、進給絲杠、變壓器、可變電阻以及光學透鏡等。③主動接口。含有主動因素、并能與被動要素進行匹配的接口，如電磁離合器、放大器、光電耦合器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。④智能接口。含有微處理器、可進行程序編制或適應條件變化的接口，如自動調(diào)速裝置、通用輸入/輸出芯片(如8255芯片)、RS232串行接口、通用接口總線等。2)根據(jù)接口的輸入/輸出功能的性質(zhì)分類①信息接口(軟件接口)。受規(guī)格、標準、法律、語言、符號等邏輯、軟件的約束，如GB、ISO標準、RS232C、ASCII碼、C語言等。②機械接口。根據(jù)輸入/輸出部位的形狀、尺寸、配合、精度等進行機械聯(lián)結(jié)，如聯(lián)軸器、管接頭、法蘭盤等。③物理接口。受通過接口部位的物質(zhì)、能量與信息的具體形態(tài)和物理條件約束，如受電壓、頻率、電流、阻抗、傳遞扭矩的大小、氣(液)體成分(壓力或流量)約束的接口。④環(huán)境接口。對周圍的環(huán)境條件(溫度、濕度、電磁場、放射能、振動、水、火、粉塵等)有具體的保護作用和隔絕作用(如屏蔽、減振、隔熱、防爆、防潮、防放射線等)，如防塵過濾器、防水聯(lián)結(jié)器、防爆開關(guān)等。圖2.5.2所示的機電一體化原理框圖中采用了一些不同性質(zhì)的接口。圖2.5.2機電一體化系統(tǒng)的接口3)按照所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同分類以控制微機（微電子系統(tǒng)）為出發(fā)點，將接口分為人機接口與機電接口兩大類。如圖2.5.3所示，機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)之間的聯(lián)系必須通過機電接口進行調(diào)整、匹配、緩沖，同時微電子系統(tǒng)的應用使機械系統(tǒng)具有“智能”，達到較高的自動化，但該系統(tǒng)仍然離不開人的干預，必須在操作者的監(jiān)控下進行，因此人機接口也是必不可少的。圖2.5.3人機接口與機電接口

2.5.2機電接口微型計算機是機電一體化產(chǎn)品中的重要部分，對機械裝置起著信息處理與控制的作用，但是微型計算機不能直接與機械裝置連接，主要由于以下原因：①微型計算機工作速度很快，例如一般每秒可計算幾百萬次甚至更多，而機械裝置相對來說是極其緩慢的。②微型計算機輸出的信號是以并行方式傳遞的脈沖數(shù)字代碼，而機械裝置所能接受的無論是電流還是電壓形式的信號，與計算機所能輸出的信號差別很大。③微型計算機所能接受的輸入信號都是數(shù)字脈沖形式，而機電一體化產(chǎn)品的機械裝置是通過傳感器檢測，并反饋給計算機以信號，這些傳感器來的信號大多是模擬量。因此，微型計算機與機械裝置之間必須設(shè)置接口電路，以解決工作速度慢的外圍設(shè)備與計算機之間進行信息交流時所需要的接口，以及不同類型元器件之間進行連接所需要的接口。1.微型計算機與機械裝置之間的聯(lián)接微型計算機與機械裝置之間的聯(lián)接方法如圖2.5.4所示。1)機械裝置上裝有檢測位置、速度、加速度、力、力矩和溫度等參數(shù)的傳感器，傳感器輸出的信號通過接口電路反饋到微機的輸入端口。2)輸入微機的反饋信號經(jīng)過微機處理后，微機發(fā)出控制信號。控制信號由微機的輸出端口輸出，再經(jīng)接口電路傳送給執(zhí)行元件。這里，接口電路的作用是將檢測器及傳感器的信號變換成微機可以接受的信號，又將微機發(fā)出的控制信號，變換成執(zhí)行元件可以接受的信號。圖2.5.4微機與機械裝置的聯(lián)接2.專用輸入/輸出接口電路專用輸入/輸出接口電路分為四類，如圖2.5.5所示。圖2.5.5接口電路的分類數(shù)字信號—數(shù)字信號接口主要起緩沖、放大和邏輯變換的作用，如圖2.5.6所示。從微機PC0端口輸出的數(shù)字信號經(jīng)過緩沖放大器IC進行功率放大之后，再驅(qū)動繼電器、螺線管等執(zhí)行元件。圖2.5.6數(shù)字緩沖放大2)數(shù)字信號—模擬信號轉(zhuǎn)換(D/A)接口微機控制機械裝置時，微機輸出的是“0”和“1”的數(shù)字信號，而執(zhí)行元件只能接受電壓或電流的模擬信號，因此需要采用圖2.5.7所示的D/A轉(zhuǎn)換接口電路。接口電路可使用D/A轉(zhuǎn)換器，如圖2.5.8所示。D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號，可以是8，10，12，16等位數(shù)，輸出的電壓有：0～10V、-5～+5V、0～5V、-1～+1V等4種。電源多采用±15V兩種電源，但也有用+5V、±5V電源的。總之，可根據(jù)不同的用途，選用不同的D/A轉(zhuǎn)換器。圖2.5.7D/A轉(zhuǎn)換電路圖2.5.8D/A轉(zhuǎn)換器3)模擬信號—數(shù)字信號轉(zhuǎn)換(A/D)接口A/D轉(zhuǎn)換器能把傳感器接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成微機能夠處理的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程與D/A轉(zhuǎn)換器相反，但轉(zhuǎn)換的時間較長，轉(zhuǎn)換電路也比較復雜，如圖2.5.9所示。圖2.5.9A/D轉(zhuǎn)換器聯(lián)接示意圖A/D轉(zhuǎn)換器中有一個標志位，標志位為“0”時，表示正在轉(zhuǎn)換；標志位為“1”時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，按輸入電壓分有：0～10V、-5～+5V、-10～+10V、-50V等；按輸出數(shù)字信號的位數(shù)分有：4，8，10，12，16位等；按電源電壓分有±5V、±15V和+5V等；按變換方式分有：積分型、反饋比較型、無反饋比較型等。4)模擬信號—模擬信號接口通過模擬信號—模擬信號接口，可將傳感器接收到的微弱信號進行放大，或?qū)⑦^強的信號經(jīng)過減小后再送到A/D轉(zhuǎn)換器。放大電路如圖2.5.10所示。減小信號時可采用圖2.5.11所示的電阻分壓法，分壓電阻減小，負載電流就增大，輸出電壓就會減小。圖2.5.10模擬放大電路3．系統(tǒng)對機電接口的要求不同類型的接口，其設(shè)計要求有所不同。這里僅從系統(tǒng)的角度討論微機接口和機械接口設(shè)計的各自要求。a)固定分壓：1/2b)可變分壓：0～1

圖2.5.11電阻分壓法電路1)微機接口微機接口通常由接口電路和與之配套的驅(qū)動程序組成。具體要求如下：傳感器接口要求傳感器與被測機械量信號源具有直接關(guān)系，要使標度轉(zhuǎn)換及數(shù)學建模精確、可行，傳感器與機械本體之間的連接簡單、穩(wěn)固，能克服機械諧波干擾，正確反映對象的被測參數(shù)。變送接口應滿足傳感器模塊的輸出信號與微機前向通道電氣參數(shù)的匹配及遠距離信號傳輸?shù)囊?，接口的信號傳輸要正確、可靠，抗干擾能力強，具有較低的噪聲容限；接口的輸入阻抗應與傳感器的輸出阻抗相匹配；接口的輸出電平應與微機的電平相一致；接口的輸入信號與輸出信號的關(guān)系應是線性關(guān)系，以便于微機進行信號處理。驅(qū)動接口應滿足接口的輸入端與微機系統(tǒng)的后向通道在電平上一致，接口的輸出端與功率驅(qū)動模塊的輸入端之間不僅電平要匹配還應在阻抗上匹配。另外，接口必須采取有效的抗干擾措施，防止功率驅(qū)動設(shè)備的強電信號竄入微機系統(tǒng)。2)機械接口機械傳動接口，如減速器、絲杠螺母等，要求它的連接結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，具有較高的傳動精度和定位精度，安裝、維修、調(diào)整簡單方便剛度好，響應快。2.5.3人機接口人和機器為了共同完成某種任務而共處于同一環(huán)境之中，機器是人與之交往的對象；因此，他們彼此之間就必然打交道，互相進行溝通，接口就是人機進行聯(lián)系的物質(zhì)基礎(chǔ)。1.計算機系統(tǒng)的人機接口計算機系統(tǒng)的人機接口是最典型的，也是比較全面并發(fā)展最迅速的，它的設(shè)計思想雖然并不一定完全適合各種機電一體化系統(tǒng)，但至少是可以引用或移植的。1)圖形用戶接口當前最流行的接口是以圖形用戶接口為基礎(chǔ)的，用戶可以通過窗口、菜單等方便地進行操作，而不需要去死記硬背大量命令，從而大大方便了非專業(yè)用戶。下面是這種技術(shù)的主要特點。①WIMP接口技術(shù)。這里W指窗口，是用戶的一個工作區(qū)，一個屏幕上可以有多個窗口。I指圖符，這是形象化的圖形標志，易于為人們理解。M指菜單，它是可供用戶選擇的一系列功能提示清單。P指鼠標器等指示裝置，用戶可以利用它很方便地直接對屏幕對象進行操作。②采用的用戶模型。圖形用戶接口采用了人們所熟悉的桌面辦公環(huán)境使用的大量術(shù)語和圖符，給使用者提供了一個非常直觀的接口框架，例如，文件夾、收件箱、筆或畫筆、工作簿、鑰匙以及時鐘等。③用戶可直接操作。在此以前的人機接口，要求用戶記憶大量命令，還要求指定操作對象的位置，如行號、空格數(shù)、x及y坐標等。采用圖形用戶接口后，用戶可直接對屏幕上的對象進行操作，如拖動、插入、刪除，以至放大和旋轉(zhuǎn)等。用戶進行操作后，屏幕上會立即給出反饋信息和結(jié)果。用看、點鼠標代替記憶和擊打鍵盤，給用戶帶來很大方便。2)存在的問題當前流行的人機接口雖然在很大程度上改善了人機通訊能力，但仍存在著一些問題。主要有三方面的問題。①目前人們使用計算機時，主要靠手動眼看，結(jié)果使人的眼和手十分累，效率也不高。②計算機系統(tǒng)所擁有的資源相當龐大，但屏幕可視化的資源相對來說數(shù)量很少。從用戶的需要出發(fā)去尋找特定的資源，就要迫使用戶面對一屏又一屏的可視化對象做出路徑選擇。對于不熟悉系統(tǒng)資源的用戶，有可能因選擇錯誤而徘徊不前；對于熟練用戶又嫌這種多次選擇路徑的方式過于繁瑣。③人們的動作和思維往往帶有不同程度的不確定性，而現(xiàn)在人機交互技術(shù)則要求精確的輸入(鍵盤和鼠標器均要求精確輸入)，這在一定程度上限制了用戶。3)改進的途徑①建立多種模式的人機接口。人的感覺通道有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺和平衡等，它們通過人的眼、耳、口、鼻、舌、皮膚等使人感知，從而對事物做出判斷。人不僅可以用手，還可以用語言、眼神、頭部姿勢、腳的動作以及身體的動作發(fā)出各種信息，與外界進行交流。將人的這些能力充分利用起來，建立與之相適應的人機接口，將會大大改善人機交互能力。②建立因人而異的人機接口。新的人機接口應具有一種能力，它可以對特定用戶進行監(jiān)控，監(jiān)控用戶使用機器的情況和特點，并根據(jù)所得信息，建立該用戶的個性化模型。再用這個模型去分析判斷該用戶在使用機器過程中存在什么問題，需要給以什么樣的有針對性的指導。這樣，將使非專業(yè)的(即非熟練的)用戶能夠得心應手地去使用機器。很顯然，這將是一種高度智能化的人機接口。2.建立機電一體化系統(tǒng)人機接口的原則對計算機系統(tǒng)人機接口的分析，可以在為機電一體化系統(tǒng)建立人機接口時明確幾個原則。①要根據(jù)系統(tǒng)資源的數(shù)量和特點。系統(tǒng)越復雜，資源就越龐大，使用操作起來就越困難，對人機接口的要求就越高。一部照相機或一臺洗衣機，其功能簡單，資源不多，對人機接口的要求不高，很容易實現(xiàn)。一臺數(shù)控加工中心，功能就復雜得多，資源也相當豐富(資源在這里包括硬件、軟件以及加工對象等)，對人機接口的要求就高。至于一個計算機集成制造系統(tǒng)，其資源就更多(除了硬件、軟件資源，還包括人、財、物各種信息和數(shù)據(jù)，市場情況，用戶情況等)，功能極其復雜，對人機接口就要有很高的要求。②要硬件和軟件結(jié)合。③要盡量利用計算機系統(tǒng)成熟的人機接口。計算機技術(shù)發(fā)展迅速，應用廣泛，它積累了大量成熟的人機接口技術(shù)，要充分利用和借鑒這些技術(shù)，可以節(jié)省大量開發(fā)投資。④要逐漸實現(xiàn)智能化。2.6執(zhí)行裝置概述教學目標：1.理解什么是執(zhí)行裝置。2.掌握執(zhí)行裝置的定義及分類。3.了解三種執(zhí)行裝置的構(gòu)造、特點、動作原理及其應用實例。以機器人為代表的機電一體化產(chǎn)品，是利用位移和角度等各種傳感器獲得信息，由計算機進行力及其它操作量的計算，驅(qū)動“手足”等各部分運動來實現(xiàn)操作的。其中“驅(qū)動物體運動”的部分就是執(zhí)行裝置。在執(zhí)行裝置中，有適合大功率輸出、快速運動、精確運動等不同用途的各種裝置。若按使用的能源進行分類，一般可以分為電動式、液壓式和氣動式三種。2.6.1執(zhí)行裝置概述1.執(zhí)行裝置及其分類執(zhí)行裝置就是“按照電信號的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動、直線運動等方式的機械能的裝置”。按利用的能源分類，可將執(zhí)行裝置大體上分為電動執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動執(zhí)行裝置。在電動執(zhí)行裝置中，有直流(DC)電機、交流(AC)電機、步進電機和直接驅(qū)動(DD)電機等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的電動機，以及實現(xiàn)直線運動的直線電機。此外．還有實現(xiàn)直線運動的螺線管和可動線圈。電動執(zhí)行裝置由于其能源容易獲得，使用方便，所以得到了廣泛的應用。液壓執(zhí)行裝置有液壓油缸、液壓馬達等，這些裝置具有體積小、輸出功率大等待點。氣動執(zhí)行裝置有氣缸、氣動馬達等，這些裝置具有重量輕、價格便宜等待點。2.執(zhí)行裝置的基本動作原理直流電機等電動執(zhí)行裝置，都是由電磁力來產(chǎn)生直線驅(qū)動力和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩的，基本工作原理相同。如圖2.6.1所示，當電流通過磁場中的線圈時，在線圈上產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向按左手定則確定。使左手的食指、中指和拇指互相垂自，當食指指向磁場方向(N→S)，中指指向電流流動方向時，拇指所指的方向就是所產(chǎn)生的電磁力方向。設(shè)圖中線圈的有效長度為，磁場強度為，流