机电一体化系统的构成

机电一体化系统的构成

　　机电一体化系统的构成【1】

　　摘要：本文以工业电脑绣花机为例，通过分析其设备组成、结构特点、自控原理，阐明了一个完整的机电一体化产品必须具备的五大结构要素及其对应的功能。

　　关键词：电脑绣花机;机电一体化系统;功能;结构要素

　　电脑绣花机是随着电子、计算机、精密机械的发展和应用而产生并成熟起来的一种高自动化、高生产效率的光、机、电相结合的机电一体化的刺绣设备。

　　其广泛用于刺绣、服装、鞋帽、袜业、床上用品、窗帘、台布及针织等行业。

　　现以工业电脑绣花机为例，通过分析其设备组成、结构特点、自控原理，从理论上阐明，一个完整的机电一体化产品必须具备的五大结构要素及其对应的功能。

　　1 电脑绣花机的工作原理及主要机构

　　1.1 工作原理

　　工业电脑绣花机按用户所需的图案，通过编程打版，将图案变成能为电脑识别的信息，通过磁碟将信息传输给电脑绣花机，从而完成对织物的刺绣。

　　其工作原理框图见图1。

　　电脑绣花机工作时，主电机通过针杆带动绣线作上下刺布运动，固定在绣花框内的绣品随步进电机作X、Y方向的移动。

　　两者的配合在绣品上完成绣花图案的刺绣。

　　电脑绣花机主要机构有三大部分组成：机械系统、传动系统、电控系统。

　　1.2 机械系统

　　机械系统主要由机架部件、箱体部件、刺布机构、挑线机构、换色机构、夹线机构、送布机构、绣花框部件、手拉开关箱部件等组成，在此不作详细介绍。

　　1.3 传动系统

　　主电机为交流滑差电机，根据绣花图案针距的长短变化调节电机的转速。

　　为保证绣花精度，主电机带有电磁刹车装置。

　　主电机通过同步齿形带带动下轴，下轴通过链轮传动上轴，上轴带动刺布机构和挑线机构运动。

　　下轴又通过锥齿轮传动旋梭及剪线机构运动，从而完成绣花底线和面线的锁套，在织物上形成绣花线迹。

　　受主控板控制的X方向及Y方向的步进电机，分别带动几组同步齿形带运动，并由齿形夹板带动绣花框在绣花机台面上，以一定速度沿X、Y方向移动，保证织物上绣出与绣花图案完全一致的花型。

　　换色电机带动针杆箱移动，替换绣花面线的颜色。

　　工业电脑绣花机主传动系统如图2所示。

　　1.4 自控系统

　　电控系统由电源箱、控制箱、操作键盘箱、外围控制板及执行部件组成。

　　自动控制系统框图如图3所示。

　　2 机电一体化产品系统的构成

　　2.1 机电一体化产品的功能构成

　　任何一种产品都是为了满足人们的某种需要而开发和生产的，即产品应具有相应的目的功能。

　　产品不同其目的功能也不同，但所有的机电一体化产品的功能都是要对三大工业要素――输入的物质、能量和信息进行基本处理，输出具有所需形式或所需特性的物质、能量和信息。如图4所示。

　　产品的目的功能是通过其内部功能实现的。

　　机电一体化产品一般具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。

　　每一种功能又由产品中具体的功能部件加以实现。

　　而传统的机械产品一般不完全具备上述五种内部功能。

　　2.2 机电一体化产品的五大基本结构要素

　　由以上分析可知，机电一体化系统是由下述五个基本结构要素构成：

　　机械本体：包括机身、框架、机械联接等在内的产品支持结构，属于基础部件，实现产品的构造功能。

　　要尽量采用新结构、新材料、新工艺，以适应机电一体化产品的要求。

　　动力源：向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。

　　要求动力源效率高、可靠性好。

　　检测与传感装置：包括各种传感器及其信号检测电路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。

　　要求传感装置体积小、检测精度高、抗干扰、受环境影响小、安装与联接方便。

　　控制与信息处理装置：根据产品的功能和性能要求及对传感器的反馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施以相应的控制，实现控制功能。

　　要求可靠性高、柔性和智能性好。

　　执行机构：包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能，是实现产品目的功能的直接参与者。

　　机电一体化产品的五大其本要素及其功能有对应关系如图6所示。

　　3 结束语

　　从电脑绣花机这一典型的机电一体化产品的浅析中，不难看出任何一个完整的机电一体化系统必须具备五大结构要素，而这五大基本结构要素之间并非彼此无关或是简单拼凑。

　　在结构上，各结构要素通过各种接口与相关软件的有机结合，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。

　　从系统外部看，机电一体化产品的输入/输出是与人、自然及其他系统之间的接口;从系统内部看机电一体化产品是由许多接口将系统构成要素的输入/输出联系为一体的系统。

　　在系统工作时，这五大结构要素必须各司其职，互相补充、互相协调，才能共同完成该产品所规定的目的功能。

　　即在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给控制及信息处理装置，通过对各种信息的处理，按系统要求控制动力源驱动执行机构工作。

　　参考文献

　　[1]赵延雯.绣花工艺与设备[J].武汉科技学院，2000，(2).

　　[2]郑堤，唐可洪.机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，1997.

　　光机电一体化实训项目的设计与实践【2】

　　摘 要：针对电子实训课程中项目单一情况，设计了一套可用4种方法实现的，光机电一体的直流电机调速控制实训项目，项目设计主要包括单片机、功率驱动、转速测量、LED显示保护电路及传动机构6部分，每部分均可用多种方案实现，在教学实践中激发了学生的兴趣和激情，切实提高了学生的工程设计能力和解决工程问题的能力，起到了四两拨千斤的效果。

　　关键词：工程实训;光机电一体化;电机调速

　　引言

　　工程训练课程是高等教育的一个重要环节，在培养学生的工程实践能力、专业综合能力和创新能力等方面有着其它课程不可代替的作用。

　　但实训内容较为单一刻板存在着照本宣科，依葫芦画瓢的现象，多数情况下学生只是跟着教学进度进行练习而已，学生个人的想象力和直觉思维没有开发出来，不善于质疑、批判并超越教师和书本。

　　为主动适应当代社会对人才的需求，主动衔接“卓越工程师教育培养计划”，本文通过多年教学实践，试图从电子工程实训项目的内容出发，设计了一种集光、机、电技术于一体的直流电机调速控制实训项目。

　　项目内容丰富，合理并具有层次性，注重经典与先进性相结合，有较好的灵活性和拓展性，为培养学生的工程意识和工程综合能力提供了一个行之有效的载体。

　　1 项目的基本工作原理与设计

　　1.1 PWM直流调速原理

　　我们知道直流电动机转速n可表示如下：

　　n=(U-IR)/kφ (1)

　　式(1)中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每级磁通量， k为电动机结构参数。

　　从式中可知，改变U、φ、R等变量都可达到电机调速的目的，但最方便有效的调速方法是对电枢电压U进行控制。

　　本文采用经典的脉宽调制PWM直流控制技术，利用晶体管的开关特性对电压进行调制，按一个固定的周期来接通与断开功率晶体管，并根据外加控制信号来改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，使加在电动机电枢的电压占空比改变，即改变电枢两端平均电压大小，从而达到控制PWM信号。

　　在实训过程中，产生PWM信号有4种方法可供学生选择：

　　a、分立元件组成的PWM信号发生器。

　　成本低、原理清晰，但电路复杂、调试难度大。

　　b、采用专用PWM集成电路，电路简单、性能好，但成本较高。

　　c、软件模拟法，利用8051单片机的I/O口，通过软件对该引脚输出高低电平来实现PWM波。

　　这种方法需占用CPU的大量资源，编程复杂，使得单片机的工作效率大为降低。

　　d、利用新一代单片机自带的PWM口，通过控制单片机的初始化设置，使其自动产生占空比可变的PWM，只有在改变脉冲宽度时，CPU才进行干预，该方法控制直流电动机转速简单、可靠。

　　2.2项目的整体结构与设计

　　我们以自带PWM口的P87LPC768单片机为核心部件进行阐述，光机电一体化直流电动机调速控制实训项目的整体结构如图1所示。

　　(1)单片机

　　选用P87LPC768，由于单片机只有20个引脚，既要控制电机的速度，又要显示转速，还要连接四个按钮开关。

　　I/O口线比较紧张，因此采用了片内振荡和内部复位，使其对应的3个引脚可作为I/O口线使用。

　　单片机的PWM0(P0.1)口作为PWM输出口。

　　本实训项目主要采用P87LPC768的一路PWM输出，PWM输出主要由一个10位的输出频率相关寄存器CNSW及一个10位的脉冲宽度寄存器CPSW组成。

　　根据需要设置CNSW的值，可得到PWM的输出频率：

　　fPWM=fc/(CNSW+1) (2)

　　设置CPSW的值，可得到PWM的脉冲宽度。

　　对运行的电机而言，各种不同的CPSW值就是各种不等的电压。

　　(2)转速检测电路

　　采用光电传感器测速电路。

　　即在电机的转轴上加装一个圆盘，沿圆盘周边均匀开一圈小孔，再通过对射型光电传感器。

　　当电机带动圆盘转动时，对射型光电传感器上的发射单元发射的光线通过圆盘上的透光孔，交替地照射到接收单元，完成光电转换，经放大整形可得相同频率的连续脉冲，将脉冲信号送到CPU的计数器T1，计算出电机的实际转速。

　　(3)功率驱动电路

　　功率驱动采用单电源可逆控制方式，一般采用由功率开关器件组成的H型桥式电路。

　　有以下几种选择：a.采用功率场效应管，开关性能好，但价格较高;b.采用大功率三极管，但因直流放大系数hFE太小，需驱动的功率较大;c.采用中、小功率的三极管连接成达林顿结构，hFE较大，驱动功率较小，可由单片机直接驱动，且价格适中。

　　电路如图2所示，其特点是在一个周期内V12、V13与V23、V24和V21、V22与V15、V16两组达林顿管交替导通，改变一个周期内两组达林顿管导通时间的长短，就可实现对电机转速和转动方向的控制，开关频率可调至25kHz左右。

　　(4)LED显示电路

　　数码管显示电路设计4位数码管来显示设定转速和动态转速，采用动态扫描显示方式，主要采用软件扫描，占用了11条I/O口线。

　　其中7根线用于段码的选择，4根用于位选择，LED采用共阴极接法。

　　(3)按钮开关

　　电机的运行根据需要由四个按钮开关进行控制，单片机采用中断扫描方法读取按钮信号，它们的功能分别是启动/停止键、正转/反转键、定时键、转向键。

　　其中转向键还可以使电机循环定时转向。

　　本项目采用乐高(LEGO)机器人传动结构组件构建减速齿轮，曲柄连杆等机械机构安装在电机转轴上进行动态演示。

　　至于对过电压、欠电压和过电流保护电路的实现方法，相关文献介绍较多，在此不作赘述。

　　3 教学实践

　　3.1教学思路

　　根据电子实训课程教学大纲的要求，我们在教学实践中始终坚持重基础知识，重基本理论，重基本技能的教育，实现了基础与前沿，经典与现代，课外与课内的有机结合(4)。

　　光机电一体化直流电机调速控制实训项目是可供学生自主选择的知识覆盖面较全面的项目之一，学生利用这一实训项目综合运用模拟和数字电路，单片机原理及接口技术，传感器技术和电力传动控制技术，机械机构设计等课程的知识，对其进行综合论证、设计、组装和调试，达到培养学生的综合设计和创新能力为主线的教学指导思想。