机电一体化的原理是什么
你问的很笼统 要清楚点 什么地方 什么用途
现在我以一个激光切割机为例讲一下
激光切割机 配有工控机 就是一台电脑 你用电脑打开一个图片 点一下运行按钮
激光头发射激光的同时 开始运动 激光头运动的轨迹如果是一个圆形 就切割一个圆
当然亦可以切割更复杂的图形
这样回答不知合不合适 反正你问的就很模糊
这是一个典型的气动控制回路原理图。图中主要由电磁阀和气缸类气动元件组成。
靠控制电磁阀或气动阀的状态实现气缸的动作。
同时.1.为了防止气动误动作等错误,用电磁阀控制气路导通,而用气动阀控制实际动作,当气路压力小于额定压力时气动阀将不打卡,防止误动作等错误发生。
2.气缸使用环境有防爆要求或环境噪音大(粉尘、潮湿等),在气缸等执行部位用气动阀控制。
因你图没有画出气体走向。只能大致说了说。
直动电磁阀相比较先导的启动速度快,如果用于快速切断的话,建议用直动式的,此外先导的相比于直动的流通能力要大些,一般CV至可以达到3以上,而直动的一般CV至都小于1.直动电磁阀是0压启动,而先导的必须有先导压力,一般在2bar左右。直动的功率要比先导的大,先导的对压缩空气的纯净度要求较高,直动的就没有那么严格了。
电动执行机构的硬件设计及工作原理
电动执行机构控制系统原理框图如图2-1所示。智能执行机构从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。
控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。
系统工作原理:
霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号,经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器,产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM,实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。
控制系统各功能元件的选型与设计:
1)单片机 选用INTEL公司生产的8031单片机,它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理:接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号,并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号;处理IPM发出的故障信号和报警信号;处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号;提供显示电动执行机构的工作状态信号;执行控制系统来的控制信号,向控制系统反馈信号;
2)三相PWM波发生器 PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂,有温漂现象,精度低,限制了系统的性能;数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点,并存入内存,然后通过查表及必要的计算产生PWM波,这种方法占用的内存较大,不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号,保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能,文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是专用大规模集成电路,具有独立的标准微处理器接口,芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。
3)智能逆变模块IPM 为了满足执行机构体积小,可靠性高的要求,电机电源采用智能功率模块IPM。该执行机构主要适用功率小于5.5kW的三相异步电机,其额定电压为380V,功率因数为0.75。经计算可知,选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体,并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出,是一种高性能的功率开关器件。
4)位置检测电路 位置检测电路是执行机构的重要组成部分,它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位器目前较为流行,但它是有触点的,寿命也不可能很长,精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器,这种传感器是无触点的,且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。
5)电压、电流及检测 检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩,以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0~50Hz,采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小,采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流,对于IPM输出电压的检测采用分压电路。
6)通讯接口 为了实现计算机联网和远程控制,选用MAX232作为系统的串行通讯接口,MAX232内部有两个完全相同的电平转换电路,可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS-232标准电平,把其它微机送来的RS-232标准电平转换成TTL电平给8031,实现单片机与其它微机间的通讯。
7)时钟电路 时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM,可用来存入需长期保存的数据。
8)液晶显示单元 为了实现人机对话功能,选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择,可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式,显示直观、清晰。
9)程序出格自恢复电路 为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常,选用MAX705组成程序出格自恢复电路,监视程序运行。如图2-3所示,该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。工作原理为:一旦程序出格,WDO由高变低,由于微分电路的作用,由“与非”门输入引脚2变为高电平,引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲,使单片机产生一次复位,复位结束后,又由程序通过P1.0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲,使WDO引脚回到高电平,程序出格自恢复电路继续监视程序运行。
阀位及速度控制原理
采用双环控制方案,其中内环为速度环,外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较,通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率,实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法(具体内容另文叙述)。
外环主要根据当前位置速度的设定,通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器的工作原理为:通过比较实际阀位与给定阀位,当二者不相等时,以恒定加速度加速,减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。
执行机构各阶段运行速度的计算原理
图3-2为执行机构的典型运行速度图,它由若干段变化速率不同的折线组成。将曲线上速率开始发生改变的那一点称为起始段点,相应的时间称为段起始时间,如图3-2中的t(i)(i=0,1,2,……),相应的速度称为段起始速度,如图3-2所示v(i)(i=0,1,2,…)。
设第i段速度的变化速率为ki,则有:
式中:Δv为两段点之间的速度变化值,Δv=vi+1-vi;
Δt为两段之间的时间,Δt=ti+1-ti。
显然,当ki=0时为恒速段,ki>0时为升速段,ki<0时为减速段。任意时刻的速度给定值为:
Ts为采样周期。
变化速率ki的取值由给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定。
4 关键技术问题的解决
该电动执行机构采用了最新的变频调速技术,电机驱动功率小于5.5kW。用户可根据需要设定力矩特性,根据控制的阀设定速度,速度分多转式、直行程、角行程3种方式。控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统,控制特性视运行方式、速度而定,并具有自动过流保护、过载保护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。
该执行机构解决的关键性技术问题主要有:
1)阀门柔性开关 柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时,保证阀门不卡死与损伤。执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流,通过精确计算,得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩,自动降低速度,以避免阀门内部过度的撞击,从而达到最优关闭,实现过力矩保护。
2)阀位的极限位置判断 阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统执行机构中,该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低,在运行中易松动,可靠性差。在文中,电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。其原理是,单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较,如果未发生变化或变化较小,即认为己达到极限位置,立即切断异步电机的供电电源,保证阀门的安全关闭或全开。省去了机械式限位开关,无需在调试时对其进行复杂的调整。
3)电机保护的实现 为了防止电机因过热而烧毁,单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度,如果温度传感器检测到电机温度过高,自动切断供电电源。温度传感器内置于电机内部。
4)准确定位 传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度,当接近停止位置时,电机断电后,由于机械惯性,其阀门不可能立即停下来,会出现不同程度的超程,这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki,使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位,从而将超程降到最低。
5)模拟信号的隔离。
对于变频器的直流电压以及输出的三相电压,它们之间的地址不一致,存在着较高的共模电压,为了保证系统的安全性,必须将它们彼此相互隔离。采用LM358和4N25组成了隔离线性放大电路。如图4-1所示,采用±15V和±12V两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地,则运放A输出端的电位将降低,因而光电耦合器的发光强度将增强,则使其集射极电压减小,最后使运放A反相端的电位降低,回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地,也可以重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。
该执行机构集微机技术和执行器技术于一体,是一种新型的终端控制单元,其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制,因此,同一台智能执行机构可以在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩。该智能执行机构采用了液晶显示技术,它利用内置的液晶显示板,不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度,还可以通过菜单选择运行参数设定,当系统出现故障时,能显示出故障信息。总之,该执行机构集测量、决断、执行3种功能于一体,顺应了电动执行机构的发展趋势,它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路。
就比如说我用电脑控制一个机器,控制其运动,那么电脑发出的电子信号是怎样被机械识别然后产生运动的?
要使机械运动,就现代工业而言,一般是由电动机进行拖动。要控制电动机工作(包括:起动、停止、调速和制动),一般需要采用接触器或电力电子元件(如晶闸管——也叫做可控硅、电力晶体管等)对电动机的电路通断进行控制。
接触器要控制电动机电路的通断,主要是控制其线圈的电源(接触器的线圈通电,其触头改变状态——原来闭合的变成断开,原来断开的变成闭合——可参照《控制电器》了解其原理)。计算机输出的信号一般不能用来控制接触的工作(因为容量太小),需要通过继电器或其它元件对控制信号进行功率放大,放大后的信号就可控制接触器线圈的通电与断电,从而控制电动机的工作与停止。采用继电器、接触器控制的电路系统,一般称为有触点的控制系统,是较早期采用的控制方案,但目前仍然还具有相当广泛的应用。
现在的控制系统很多采用晶闸管(可控硅)、电力晶体管等作为控制元件,称为无触点的控制系统。计算机输出的信号同样需要进行功率放大,然后控制晶闸管或大功率晶体管,晶闸管或大功率晶体管允许通过的电流较大(目前可达几千安培),能够承受的电压也很高。通过控制信号控制晶闸管或大功率晶体管,就可使晶闸管或大功率晶体管接通或断开电动机的主电路,从而控制电动机工作。
当然要使电动机按照人们事先设定的要求工作,一个控制系统的元件往往不少,或者说相当复杂。此外,为了保证控制的可靠,一般还需要各种保护元件构成的保护电路。要完全掌握它们的工作原理,一般需要对这些控制元件的性能有较全面的了解。继电器、接触器的原理可参考《控制电器》;晶闸管或大功率晶体管的原理则可参考《电力电子技术》;电动机的原理可参考《电机学》;各种控制电路的原理一般可参考《电力拖动基础》、《交、直流电力拖动》等。
电脑输出的是逻辑信号,要执行必须要有执行部件
日本企业界在1970年左右最早提出“机电一体化技术”这一概念,当时他们取名为“Mechatronics”,即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展,成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术,目前正向光机电一体化技术(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)方向发展,应用范围愈来愈广。
机电一体化技术具体包括以下内容:
(1) 机械技术 机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其它高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中,经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时采用人工智能与专家系统等,形成新一代的机械制造技术。
(2) 计算机与信息技术
其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
(3) 系统技术
系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,它是实现系统各部分有机连接的保证。
(4) 自动控制技术
其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
(5) 传感检测技术
传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验,它是机电一体化系统达到高水平的保证。
(6) 伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。
本专业的培养目标
本专业培养德、智、体、美全面发展,具有创业、创新精神和良好职业道德的高等专门人才,掌握机械技术和电气技术的基础理论和专业知识;具备相应实践技能以及较强的实际工作能力,熟练进行机电一体化产品和设备的应用、维护、安装、调试、销售及管理的第一线高等技术应用型人才。
本专业职业面向
机电一体化专业是一个宽口径专业,适应范围很广,学生在校期间除学习各种机械、电工电子、计算机技术、控制技术、检测传感等理论知识外,还将参加各种技能培训和国家职业资格证书考试,充分体现重视技能培养的特点。学生毕业后主要面向珠江三角洲各企业、公司,从事加工制造业,家电生产和售后服务,数控加工机床设备使用维护,物业自动化管理系统,机电产品设计、生产、改造、技术支持,以及机电设备的安装、调试、维护、销售、经营管理等等。
1、主要就业岗位:机电一体化设备的安装、调试、维修、销售及管理;普通机床的数控化改装等。
2、次要就业岗位:机电一体化产品的设计、生产、改造、技术服务等。
别的复杂的先不说,机电一体化最典型的代表是数控机床的出现.
现就数控机床的动作来说明一下,如何将计算机的信号转化为数控机床的各个动作.
数控机床有自己专用的数控系统,这个就相当于计算机了,现输入一行指令,比如说让工作台运动,众所周知,计算机的输出信号比较小,需要经过放大才能控制步进电机的运动,步进电机的运动再经过丝杠螺母副转化为工作台导轨的直线运动.
其实你所问的问题的关键就是一个放大器,再一个步进电机.
其它的运动也都类似于此:计算机信号-----放大器------步进电机------执行部件的运动!!!
我是搞机电的,这是我的个人理解,希望能对你有所帮助.
一句话:电机与数字信号控制结合起来。电脑只不过起个程序控制的作用。电脑小信号经过放大控制继电器或可控硅来控制电机。
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