机电一体化课程作业要求总结.pdf

光机电一体化课程作业要求以某个具体的（光）机电一体化产品或系统为例，分析其工作要求，介绍其组成（包括机械、电气等部分） ，尽可能详细地叙述电气部分的协调关系（控制系统的设计，包括：如传感检测、驱动等的实现形式及控制逻辑等） ，要求：概述性地描述，表达形式上可图文并茂，字数3000 左右（含图5-6 页） ，可参照以下例子完成。快放假了，有空写写吧， 。尽早交吧。例 1例 21 1 / 1010Diamond 机器人及其控制并联机构具有刚度大、定位精度高、承载能力强、自重负荷比小、易实现高速及无积累误差等优点。Diamond 并联机构是天津大学开发的一种二自由度平动并联机构，与控制器配合，构成 Diamond 机器人，可满足电子、轻工、食品和医药等行业高速、一定的点位精度的要求，完成诸如插装、封装、包装、分拣、检测等操作。1 1、DiamondDiamond 并联机构并联机构如图 1，Diamond 机构由 2 条对称分布、含汇交平行四边形结构的运动支链形成闭环结构， 通过 2 个安装在基座上的伺服电机分别驱动 2 个主动臂, 实现动平台平面运动， 动平台上安装有气动手爪用于抓取物体。从构件布置和连接情况看， 该机构可看做平面机构，其只能在垂直于电机轴的某个平面内运动， 内侧从动臂在垂直于该平面的布置某种程度上限制了偏离该平面的运动和绕该平面内某根轴的转动， 故该空间机构可简化为如图 2 所示的平面机构。如图 2 所示，两条支链结构形式完全相同，共同连接于动平台7，其中任一条的布置形式是：主动臂 2、副主动臂 3 一端连接于机架 1，另一端铰接于衬架4，从动臂 5、副从动臂 6 两端分别铰接于衬架 4 和动平台 7。设计时，保证 AB与 CD 等距，AD 与 BC 也等距，故四边形 ABCD 为平行四边形；DE 与 FG 等距，DG 与 EF 也等距，这样，四边形 DEFG 也为平行四边形，且这两个平行四边形结构在衬架 4 处交汇。需指出的是，AB 定长且位置不变，驱动主动臂 2，FG 的姿态可以保持不变，通过两条支链的作用，就可保证动平台 7 的姿态，即使得动平台 7 只有运动平面的两个平动自由度。由于采用闭环并联结构,伺服电机安装在基座上，故机构刚度大，运动负荷小。将运动臂制成轻质细杆结构（如采用碳纤维材料） ，可进一步减小机构运动质量，特别适合于开发对轻小物料中、短距高速抓取操作的高速、轻型并联机械手。图 1 Diamond 机构2 2 / 1010C4ED3BNM1121AL12K10J5869GHF7I1.机架2、12.主动臂3、11.副主动臂4、10.衬架5、8.从动臂6、9.副从动臂7.动平台图 2 简化的 Diamond 机构运动简图2 2、控制需求、控制需求针对 Diamond 机构，协调驱动主动臂2、12，动平台7 平动，特定的电机转角对于动平台 7 特定的位置， 这种对应关系唯一确定，故该机构的控制系统需完成对主动臂 2、12 两个电机的同步控制，即严格控制两电机的输出转角关系。为便于和能够控制，电机采用步进电机或伺服电机。3 3、控制系统设计、控制系统设计（1 1）总体方案）总体方案由上分析，并从经济角度考虑，设计控制系统方案（如图 3 所示） ：硬件方面，选择以 PLC 为主体的自动控制系统，提出以松下 FP 系列可编程控制器为核心，辅以触摸屏等设备的控制系统总体方案。软件方面，研究 PLC 对 Diamond机器人的控制问题，通过数控技术与机器人技术的结合，采用一种基于软件插补的无位置控制模块的多轴精密插补控制方法。对于该控制系统，硬件已基本上做到最精简，PLC 在控制系统中扮演的角色是负责传送预设的控制指令给驱动器继而驱动伺服电机实现伺服电机的动作。总体控制方案采用离线编程、在线控制的思想，尽可能让软件发挥最大的作用，使得软件（编程）成为该控制系统开发的核心，具体体现为：根据 Diamond 机器人工作任务完成路径规划，根据机器人运动学逆解的方法，获得主动臂的位移及速度信息，这主要使用数控技术的插补思想，获取离散位置的关节信息，再将离散的位置、速度信息转换成脉冲数量及频率，这样，获得了满足PLC 控制要求并被伺服电机所接受的控制信息。最终借3 3 / 1010助于硬件 PLC 、驱动器-伺服电机，完成对 Diamond 机器人的控制。触摸屏是可视化的方便控制操作的人机界面。触摸屏小型 PLC驱动器伺服电机Diamond机器人本体通信接口路径规划机器人运动学方程轨迹规划精密插补计算脉冲数量和频率计算图 3 Diamond 机器人控制系统总体方案（2 2）硬件分析）硬件分析如图 4 所示，Diamond 机器人控制系统以松下 FP 系列小型 PLC 为核心，通过驱动器-减速器驱动机器人主动臂，主动臂带动从动臂及动平台实现 Diamond机器人的预定运动。小型 PLC驱动器伺服电机Diamond 机器人本体图 4 Diamond 机器人控制系统主要硬件结构对于该控制系统，涉及以下器件：A电气开关电源： 开关电源有两种， 一种是直流开关电源； 另一种是交流开关电源。其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电） ，如市电电源或蓄电池电源，转4 4 / 1010换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电） 。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。广泛应用于工业自动化控制、工控设备等。继电器、接触器：继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。 通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。接触器工作原理与继电器相似，只不过继电器用于控制回路，接触器用于主回路。B、检测编码器：编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。本控制系统，编码器集成于伺服电机，与伺服电机同轴安装，检测电机轴转角。光电开关：光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属， 所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出， 接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度） 。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。（3 3）软件设计）软件设计针对 Diamond 机器人，其控制是基于脉冲量的运动控制，类型是多轴（两轴）同步控制。同步控制，也称随动控制或跟踪控制，是用于多个坐标的运动控制， 目的是使一个或多个坐标的运动能跟上某个坐标的运动，以实现坐标间的运动同步。如图 5，采用一种基于PLC 的无位置控制模块的多轴精密插补控制方法来解计算机轨迹生成控制数据表生成PLC通信程序控制数据表Diamond 机械手伺服电机图 5 PLC 对机械手的控制实现方法决 PLC 对机械手的控制问题。该方法具体为：采用修正梯形运动规律作为轨迹规划方法， 在操作空间中以三至十毫秒时间间隔进行插补，得到操作空间中的执行5 5 / 1010器运行的离散位置点组； 将所述的离散位置点组使用机器人学中的逆解方法转化为 PLC 所能识别的脉冲数量和脉冲频率数组； 然后根据 PLC 所提供的脉冲发送指令格式在所述脉冲数量和脉冲频率数组中添加控制符， 从而形成可供下载的控制数据表；最后依据通信协议，编制通信程序，将控制数据表下载至PLC。该方法在 PLC 平台上解决了无位置控制模块的伺服控制问题。具体地，控制软件编写流程如图 6。机器人运动学正逆解路径规划轨迹规划精密插补计算脉冲数量和频率计算原始控制数据生成通信控制数据表生成人机界面触摸屏程序控制数据表下载图 6 控制程序总结构返回6 6 / 1010基于 PLC 的波轮全自动洗衣机控制系统分析洗衣机从洗衣的方式来看， 主要分为波轮洗衣机和滚筒洗衣机两大类。波轮洗衣机相比滚筒洗衣机，价格低廉，工作噪音小，洗净效果好，目前，占据较大的市场份额。波轮洗衣机又可分为单缸、套缸、双缸三种。本文以常见的套缸波轮洗衣机为分析实例，主要从控制系统的角度，说明“全自动”的实现方式。结构组成结构组成图 1 是套缸波轮全自动洗衣机的结构简图（主体部分） 。套缸波轮全自动洗衣机由洗涤系统、传动系统、给排水系统、支承系统、控制系统和箱体组成。（1）洗涤系统：由盛水捅、脱水桶、盛水桶罩、波盘等组成。它的洗涤系统包括脱水系统，盛水桶既作洗涤桶用又作脱水缸用。（2）传动系统：由减速离合器、皮带轮、传动皮带、电动机、波轮等组成。电动机的动力经传动皮带、减速离合器传递给波轮和脱水桶，实现洗涤和脱水。其洗涤和脱水的转换，是利用离合器的组件、抱簧和制动杆来实现的。（3）支承系统和箱体：一般采用 1mm 左右的薄钢板制成。箱体背面开口，顶部和底部四个角设角撑，上角撑与吊杆连接，下角撑装有支承脚体。支承系统的四根吊杆把整个箱体及传动机构一起吊压在箱体的四角。 支撑杆总成包括减振弹簧，一般洗衣机采用阻尼筒。（4）给、排水系统：进水系统，进水管一头接在进水龙头上，另一头接在进水电磁阀上，由程控器电磁阀控制。排水系统由电磁铁牵引器和排水阀体组成。 电磁铁牵引器由程控器控制。排水时， 电磁铁牵引器将排水阀的排水水封拉到一定的位置，使洗涤液体通过排水口排出机外，排水结束后，电磁铁牵引器断电，排水阀心弹簧复位，拉动排水水封堵住了排水口，完成整个排水过程。（5）控制系统：由控制器（PLC） 、电源开关、水位开关、安全开关等组成。核心是控制器 PLC。洗衣机的进水、洗涤、漂洗、排水、脱水等全过程由控制系统外桶波轮脱水桶离合器电机排水阀牵引器皮带图 1 套缸波轮洗衣机结构简图7 7 / 1010控制洗衣机，按照设定程序进行工作。工作原理工作原理波轮洗衣机的桶底的圆盘波轮，上有凸出的筋。电机驱动波轮，在波轮的带动下，桶内水流形成了时而右旋、时而左旋的涡流，带动织物跟着旋转、翻滚，这样就能将衣服上的污物清除掉。水流控制方式一般为正向旋转 1 至 3 秒，停 0.5 至 1 秒，再反向旋转 1 至 3秒，再停 0.5 至 1 秒，这和旧式水流大不一样，这种方式也是多年研究的成果，有利于各因素之间的平衡，兼顾了洗涤力、磨损率、缠绕状况、洗涤均匀度等因素。控制要求控制要求波轮全自动洗衣机控制系统的要求是能够实现“正常运行” 和“强制停止”两种控制方式。正常运行时只需要将电源按钮按下，再按下“启动/暂停” 按钮，洗衣机自动执行全部的洗衣过程直到结束。强制停止是指在正常运行的过程中，不希望再运行时， 可以通过手动某些按钮或开关之类的控制设备来强制停止在运行的程序。（1）全自动洗衣机的正常运行。全自动洗衣机的“ 正常运行”具体控制要求如下：按下电源按钮，5min 后不按下“启动/暂停”按钮则自动断开电源；洗衣机自动称衣物重量， 根据衣物重量设定水位和浸泡、 洗涤的时间； 按下 “启动/暂停”按钮一次，洗衣机开始运行，进水电磁阀打开，开始进水，直到判定洗衣机的水位与设定水位一致后停止进水；进水停止 2s 后开始浸泡，浸泡时，洗涤电动机带动波轮正转 5s 后停止 25s，再正转 5s，如此循环执行设定的分钟数，待浸泡完毕后，进入洗涤过程；洗涤时，洗涤电动机带动波轮正转 3s，停止 1s，接着反转 3s，停止 1s，再正转 3s，如此循环，直到完成设定的洗涤时间；洗涤完毕排水电磁阀打开，开始排水，排水完毕浮球开关打开，判定水已排完；排水完毕进入漂洗过程，漂洗开始时自动脱水 30s，脱水完毕开始进水到 45L，进水完毕后波轮运转，波轮正转2s 后反转 2s，再正转2s，如此循环15次即计时 1 分钟后自动排水。 整个漂洗过程包含了三次从脱水 30s 到进水至 45L，再到波轮运转 1 分钟， 最后排水的这一系列过程； 漂洗完毕后开始脱水 3min；从启动到完成脱水 3min 的洗衣全过程结束后，报警3s，断开电源， 标志整个洗衣过程结束。（2）全自动洗衣机的强制停止。全自动洗衣机的“强制停止”具体控制要求如下，有两种方式：在运行过程中，若按下“启动/暂停”按钮，洗衣过程暂停，洗涤电动机、进水电磁阀、排水电磁阀和脱水设备全部关闭；需要继续时，可以再次按动“启动/暂停”按钮恢复暂停前执行的程序，相应的设备再次开启；在运行过程中，若按下“电源”按钮，洗衣过程停止，洗涤电动机进水电磁阀、排水电磁阀和脱水设备全部关闭；完全“停止”后可通过手动“电源”按钮和“脱水”按钮来排水和脱水，当按“脱水”按钮后洗衣机是自动判定水是否排完的，未排完则自动开启排水电磁阀脱水。控制系统控制系统控制系统功能包括：启动/暂停、默认执行标准程序、自动测量衣物重量并根据重量选定水位及浸泡和洗涤时间、水位检测、进水、浸泡、洗涤、排水、漂洗、脱水、洗完报警等功能。控制系统包含的电气元器件及控制要素：输入：按钮、空满水位压力传感器等。8 8 / 1010输出：进排水电磁阀、电机正反转、报警器等。控制的核心是依据工作流程，协调输入、输出的顺序逻辑关系。控制器选择PLC，可对 PLC 的 I/O 进行如下分配（表 1） ：表 1I/O 分配表输入X1X2X3X4X5项目电源按钮启动按钮暂停按钮空水位压力传感器满水位压力传感器输出Y1Y2Y3Y4Y5项目进水电磁阀排水电磁阀电机正转继电器电机反转继电器报警器根据控制要求，有如下控制流程（图 2、图 3） ：电源电机正转 3s洗涤流程停止 1s电机反转 3s是启动停止 1s洗完报警脱水自动称量否脱水3min模糊控制：设定水位，设定浸泡、洗涤时间开进水电磁阀水进水否到洗涤 设定时间是是停 止 进 水计时 2s水排完浸泡是漂洗到浸泡 设定时间是否漂洗 3 次是图 2 正常洗涤流程图9 9 / 1010否否计时3s是到位开排水电磁阀水排水否结束否电源启动/暂停按钮正常运行否关闭电源是电机停止转动进、 排水电磁阀关闭否脱水开关打开是自动脱水自动排水结束图 3 断电强制停止及恢复流程图依据上述流程图及 I/O 分配，可设计 PLC 控制程序。返回1010 / 1010