第6章 典型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計簡介 (1)

1、第第6章章典型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計簡介第一節(jié) 計算機數(shù)控機床第二節(jié) 工業(yè)機器人第三節(jié) 汽車的機電一體化概況第四節(jié) 三坐標測量機 第五節(jié) 自動售票機第六節(jié) 自動售貨機 第七節(jié) 電子秤第八節(jié) 電子灶烹調(diào)自動化習題與思考題第一節(jié)第一節(jié) 計算機數(shù)控（計算機數(shù)控（CNCCNC）機床）機床 一、 機械加工中心（MC）1. 基本組成 機械加工中心作為機電一體化的典型產(chǎn)品，靠機電之間的互相促進，得到了很大發(fā)展，開發(fā)加工中心的目的是實現(xiàn)加工過程自動化，減少切削加工時間和非切削加工時間，提高勞動生產(chǎn)率。 以日本FHNl00T機械加工中心為例，其機械裝置的規(guī)格如下表所示。機械加工中心通常由以下幾部分構(gòu)成：數(shù)控x、y、

2、z三個移動裝置；能夠進行工件多面加工的回轉(zhuǎn)工作臺；自動換刀裝置(ATC)；CNC控制器。 2.機床的機械裝置(如下圖所示） （1 1）床身、工作臺、立柱）床身、工作臺、立柱。床身上裝有兩個正交導軌，以實現(xiàn)工作臺、的x軸運動和立柱的y軸運動。 在立柱上設(shè)置有主軸頭上、下(z軸)運動的導軌，以實現(xiàn)z軸運動。各軸都通過與伺服電動機直接聯(lián)接的大直徑滾珠絲杠驅(qū)動，以實現(xiàn)高精度定位。 （2)2)回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)工作臺。安裝工件用回轉(zhuǎn)工作臺，由電動機驅(qū)動進行粗定位，井通 過具有72個齒的(每齒5)端齒分度裝置進行精密定位。 （3)3)主軸頭。主軸頭。主軸頭通過26kW(30分額定)22kW(連續(xù)額定)的交流伺

3、服電動 機實現(xiàn)203600rmin之間的無級調(diào)速驅(qū)動。主軸軸承使用了具有高剛性和高速 性的雙列向心球軸承和復合圓錐滾子止推軸承，并使用控制溫度的潤滑油進行強 制循環(huán)來抑制熱變形。 （4)4)自動換刀裝置自動換刀裝置( (ATC)ATC)。ATC由存放48、64把刀具的刀庫和換刀機械手組成。 刀具是按就近判別刀具號碼進行選擇并迅速更換的。 （5 5）隨行夾具更換裝置）隨行夾具更換裝置。在前一個工件的加工過程中就要進行下一個工件或夾具的安裝，以便第一個工件加工完后，立即更換裝有下一個工件的隨行夾具。隨行夾具存放處一般可存放610個隨行夾具，以實現(xiàn)長時間地無人化加工。 （6 6）立式加工設(shè)備。）立式

4、加工設(shè)備。該加工中心還備有立式加工設(shè)備。這種設(shè)備由垂直刀架和垂直加工用刀具及其輸送裝置組成(如下圖所示)。垂直刀架由垂直輸送裝置搬送并安裝到主軸上。標準刀庫存放的刀具可利用同一輸送裝置裝在垂直刀架上。 3. 數(shù)控（CNC）系統(tǒng) 本機的控制系統(tǒng)框圖如下圖a所示，控制電路中采用了高速微處理器及許多專用大規(guī)模集成電路。它以順序控制為主，實現(xiàn)接觸式傳感功能、管理功能、自適應(yīng)功能，利用工（刀）具碼(T碼)選擇工（刀）具，利用速度碼(S碼)選擇主軸轉(zhuǎn)速，以及回轉(zhuǎn)工作臺的分度控制等?？刂葡到y(tǒng)的人機對話型CNC系統(tǒng)框圖如下圖b所示。 （1 1）接觸式傳感器功能，）接觸式傳感器功能， 如下圖所示。如下圖所示。自

5、動定心功能以主軸中心孔為基準，實現(xiàn)工（刀）具的自動定心，自動定心刀具和定心功能如圖a所示，工（刀）具以此孔為加工基準，可以連續(xù)自動運轉(zhuǎn)，不受主軸熱變形和不同工件的影響，維持較高的工作精度。刀具折損檢測功能能判斷刀具的折損，使機床停止運轉(zhuǎn)，從而防止下一把刀具的折損或損傷工件。它采用在切削進給中預先設(shè)定的刀具與工件未接觸的范圍內(nèi)進行檢測的方式，如圖c所示?？s短空切時間功能是在切削進給行程范圍內(nèi)，以指定空切范圍內(nèi)以進給速度的兩倍的速度自動空切送進，當檢測到工具與工件接觸時，開始用正常進給速度進給，從而縮短了空切時間，如圖b所示。x、y、z 軸基準面校正功能如圖d所示。該功能可自動檢測并求出主軸位置與

6、基準面之間的關(guān)系(測試x1、y1決定基準面A(x軸)和B(y軸)，以此為加工基準實施程序)，并以其實際位置為加工基準，連續(xù)自動運轉(zhuǎn)的功能。這種功能消除了熱變形和不同工件尺寸變化的影響，提高了加工精度。自動檢測校正系統(tǒng)利用接觸式傳感技術(shù)，自動檢測孔徑大小，并以該檢測結(jié)果自動調(diào)整刀具，以確保加工尺寸的自動校正。自動檢測校正的目的有二個，一是掌握批量生產(chǎn)中工件尺寸的變化，適時校正刀頭伸出量，確保加工工件的尺寸接近目標值；另一個是使批量生產(chǎn)的首件加工靠操作人員試削檢測調(diào)整刀頭的過程實現(xiàn)自動化。 （2) 2) 管理功能。管理功能。 刀具的壽命管理。通過預先設(shè)定的刀具壽命與實際使用時間進行比較來更換刀具。

7、備用刀具的自動更換功能。如果刀庫中預先準備有備用刀具，則這種功能通過刀具壽命管理功能，在發(fā)出更換刀具指令時便可自動地換成備用刀具。監(jiān)視功能和故障診斷功能。更換刀具的T碼顯示和接觸式傳感器校正量的顯示等，在監(jiān)視各種管理信息的同時，通過時序電路、輸入輸出信號的顯示，便可發(fā)現(xiàn)確切的故障，從而大幅度地減少故障時間。 （3)3)自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制( (AC)AC)功能。功能。這種功能是通過為各軸進給電動機和主軸電動機設(shè)置的檢測器，檢測加工過程中的負載變化情況，如負載值在設(shè)定值范圍內(nèi)變化，則屬正常；如負載突然減小、到設(shè)定范圍以下可自動加快進給速度、縮短加工時間；如負載突然增大超過設(shè)定范圍，可自動降低進給

8、速度，以防止刀具損傷；如果負載變化過大，應(yīng)做異常處理。 二、二、BKX-IBKX-I型變軸數(shù)控機床型變軸數(shù)控機床 BKX-I型變軸數(shù)控機床是以Stewart平臺為基礎(chǔ)構(gòu)成的一種新型并聯(lián)機床，由六根伸縮桿帶動動平臺實現(xiàn)刀具的六個自由度運動，從而實現(xiàn)復雜幾何形狀表面零件的加工，又由于數(shù)控加工所需的運動軸X、Y、Z、A、B、C 并不真正存在，所以這種機床又被稱做虛擬軸機床。機床的結(jié)構(gòu)模型如圖a所示。圖b為單伸縮桿硬件系統(tǒng)示意圖。 機床的基本性能參數(shù)如下表所示。圖b圖aBKX-I型變軸（并聯(lián)）數(shù)控機床六軸并聯(lián)機構(gòu)工作臺動平臺數(shù)控柜（六軸數(shù)控系統(tǒng)）1. BKX-I的機構(gòu)原理及其坐標設(shè)置如圖a所示，BKX

9、-I機床主要由三部分組成：支架頂部的靜平臺、裝有電主軸的動平臺和六根可伸縮的伺服桿，伺服伸縮桿的上端通過萬向聯(lián)軸節(jié)與靜平臺相聯(lián)接，下端通過球鉸與動平臺相聯(lián)接。每個伺服伸縮桿均由各自的伺服電動機，通過同步帶與滾珠絲杠傳動，帶動動平臺進行6自由度運動，從而改變電主軸端部的刀具相對于工作臺上所裝工件的相對空間位置，滿足加工中刀具軌跡的要求。機床整體結(jié)構(gòu)自封閉，具有較高的剛性。部件設(shè)計模塊化，易于異地重新安裝 。 為研究方便，在BKX-I機床的結(jié)構(gòu)模型上建立與動平臺固聯(lián)的動坐標系O-XYZ（相對坐標系），在工作臺上建立靜坐標系O-XYZ（絕對坐標系），如圖a所示。動、靜平臺均為半正則六邊形結(jié)構(gòu)，機床在

10、初始位置時，動靜平臺俯視圖如圖b所示。于是靜平臺各鉸鏈中心點的絕對坐標 可以表示為：),(Xbibibibizyx=三、PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機床 1. PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)分析直線電動機驅(qū)動的三桿并聯(lián)機構(gòu)X-Y工作臺PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機床動平臺3. 3. X-YX-Y工作臺的逆運動學分析工作臺的逆運動學分析 4.PRS-XY數(shù)控系統(tǒng)的綜合逆運動學變換5.基于“PC+Turbo PMAC”的數(shù)控系統(tǒng)原理6.PRS-XY數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 機床主要參數(shù)有 工作臺參數(shù)：工作臺面積（250250mm2）、工作臺到主軸端面距離（340mm）； 行程參數(shù)：X軸（195mm）、 Y軸（195mm

11、）、 Z軸（185mm）、A軸（27）、B軸（27）；主軸參數(shù)：最大功率（1kW）、 最高轉(zhuǎn)速（24000rpm）、 輸出轉(zhuǎn)矩（0.4N.m），調(diào)速方式為變頻無級恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，冷卻方式為循環(huán)水冷卻；刀具參數(shù)：直柄刀具，直徑為36，彈簧夾頭夾持；電氣參數(shù)：工作電壓為單相AC220V10，最大工作電流為25A。典 型 樣件切削加工含平面、圓槽、圓環(huán)槽倒角（24） 與球冠加工。 數(shù)控加工程序 采用 G代碼編制，切削條件如下：工件材料為60mmZL12鋁合金棒料；切削刀具為4高速鋼2齒鍵槽銑刀。圖為加工的典型樣件，a為典型樣件圖、b為典型樣件照片。 （b）(a) 加工的典型樣件 7. 機床的主要參數(shù)和樣

12、件加工 第二節(jié)第二節(jié) 工業(yè)機器人工業(yè)機器人 工業(yè)機器人(Industrial Robot)是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，是典型的機電一體化產(chǎn)品，在實現(xiàn)柔性制造、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境條件下工作中發(fā)揮著重要作用。 工業(yè)機器人一般應(yīng)由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成。 機械系統(tǒng)是完成抓取工件(或工具)實現(xiàn)所需運動的執(zhí)行機構(gòu)，包括以下幾個部分：手部是工業(yè)機器人直接與工件或工具接觸用來完成握持工件(或工具)的部件。有些工業(yè)機器人直接將工具(如焊槍、噴槍、容器)裝在手部位置，而不再設(shè)置手部

13、。腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，主要用來確定手部工作方位、姿態(tài)并適當擴大臂部動作范圍。臂部是支承腕部、手部、實現(xiàn)較大范圍運動的部件；機身是用來支承臀部、安裝驅(qū)動裝置及其它裝置的部件；行走機構(gòu)是擴大工業(yè)機器人活動范圍的機構(gòu)，有的是專門的行走裝置，有的是軌道、滾輪機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行機構(gòu)提供動力。執(zhí)行元件驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式可分為液動式、氣動式、電動式和機械式等；。 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的指揮系統(tǒng)。它控制工業(yè)機器人按規(guī)定的程序運動?？捎洃浉鞣N指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間等)，同時按指令信息向各執(zhí)行元件發(fā)出指令。必要時還可對機器人動作進行監(jiān)控，當動作有誤

14、或發(fā)生故障時即發(fā)出警報信號。 檢測傳感系統(tǒng)主要檢測工業(yè)機器人執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置、狀態(tài)，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整。從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置狀態(tài)。 人工智能系統(tǒng)主要賦予工業(yè)機器人五感功能，以實現(xiàn)機器人對工件的自動識別和適應(yīng)性操作。 通常按坐標形式可分為五類，如下圖所示。a)直角坐標型； b)圓柱坐標型；c)極坐標型；d)SCARA型；e)多多關(guān)節(jié)型。 工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明機器人規(guī)格與性能的具體指標，一般有以下幾個方面： （1)握取重量(即臂力)。握取重量標明了機器人的負荷能力。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，通常

15、指正常運行速度所能握取的工件重量。當機器人運行速度可調(diào)時，低速運行時所能握取工件的最大重量比高速時為大。為安全起見，也有將高速時所能握取的工件重量作為指標的情況，此時常指明運行速度。 （2）運動速度。運動速度是反映機器人性能的一項重要技術(shù)參數(shù)。它與機器人握取重量、定位、精度等參數(shù)都有密切關(guān)系，同時也直接影響機器人的運動周期。 （3)自由度。確定工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（手部）在運動空間的位置和姿態(tài)的、獨立的變化參數(shù)就是工業(yè)機器人的自由度。自由度越多，其動作越靈活，適應(yīng)性越強，但結(jié)構(gòu)也相應(yīng)越復雜。一般具有46個自由度即滿足使用要求。 (4)定位精度。定位精度即重復定位精度，是衡量機器人工作質(zhì)量的又

16、一項重要指標。定位精度的高低取決于位置控制方式以及運動部件本身的制造精度和剛度，與握取重量、運動速度等也有密切關(guān)系。 （5)程序編制與存儲容量。該技術(shù)參數(shù)是用來說明機器人的控制能力的，存儲容量大，則適應(yīng)性強、通用性好，從事復雜作業(yè)的能力強。 一、一、BJDP-1BJDP-1型電動噴砂機器人（多關(guān)節(jié)型）型電動噴砂機器人（多關(guān)節(jié)型） 該機器人為全電動式、五自由度、具有連續(xù)軌跡控制等功能的多關(guān)節(jié)型示教再現(xiàn)型機器人，用于高噪聲、高粉塵等惡劣環(huán)境的噴砂作業(yè)。 1.機器人機構(gòu)原理 該機器人的五個自由度分別是立柱回轉(zhuǎn)（L）、大臂回轉(zhuǎn)（D）、小臂回轉(zhuǎn)（X）、腕部俯仰（W1）、腕部轉(zhuǎn)動（W2），其機構(gòu)原理如圖a

17、所示，機構(gòu)的傳動關(guān)系如圖b所示。圖a圖b 2.控制(驅(qū)動與檢測)系統(tǒng)組成框圖 機器人控制系統(tǒng)框圖如下圖所示，控制系統(tǒng)(包括驅(qū)動與檢測)主要由微型計算機微型計算機、接口電路接口電路、速度控制單元速度控制單元、位置檢測位置檢測( (碼盤一編碼器碼盤一編碼器) )電電路路、示教盒示教盒等組成。計算機：實現(xiàn)機器人示教、校驗、再現(xiàn)的控制功能包括示教數(shù)據(jù)編輯、坐標正逆變換、直線插補運算，以及伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制。 接口電路接口電路：通過光電編碼器進行機器人各關(guān)節(jié)坐標的模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)，及把計算機運算結(jié)果的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量(D/A)傳送給速度控制單元。 速度控制單元：它是驅(qū)動機器人各關(guān)節(jié)運動的電氣驅(qū)動系統(tǒng)。

18、 示教盒示教盒：它是人機聯(lián)系的工具，主要由一些點動按鍵和指令按鍵組成。通過點動按鍵可以對機器人各關(guān)節(jié)的運動位置進行示教，利用指令鍵完成某一指定的操作、實現(xiàn)示教、再現(xiàn)的各種功能。 微機控制系統(tǒng)的硬件組成 如下圖如下圖所示，CPU為Intel8086，主頻5MHz。RAMl6k主要用于存儲示教數(shù)據(jù)。ROM32k存儲計算機的監(jiān)控程序和示教再現(xiàn)的全部控制程序。兩片8259A中斷控制器相聯(lián)，共有15級中斷，用于向計算機輸入示教、校驗、再現(xiàn)的所有控制指令。定時器8253用于產(chǎn)生計算機實時時鐘信號，通過中斷實現(xiàn)采樣控制。A/D變換器完成將機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 變換器為16位，主要由光電(碼盤)編碼器

19、(包括方向判別、可 逆計數(shù)、清零電路及與計算機的接口電路)組成。首先由裝在電動機軸上的增量式光電編碼器將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變換成數(shù)字脈沖，然后經(jīng)方向判別電路將變換后的脈沖分成正轉(zhuǎn)脈沖和反轉(zhuǎn)脈沖，用可逆計數(shù)器記錄這些脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)由轉(zhuǎn)角向數(shù)字量的變換。 D/A變換器位數(shù)為9位，由一片集成D/A變換器DAC0832和一個觸發(fā)器、反相器、運算放大器組成，基準 電源5V，輸出是雙極性的，其原理如下圖如下圖a a所示。計算機輸出的數(shù)碼低8位D0D7由八位DAC0832變換，計算機輸出的最高位(符號位)D15，由D觸發(fā)器接收，經(jīng)反相器反相之后，將D151變換成5V，將D150變換成零伏。運算放大器2對DAC083

20、2和反相器的輸出進行綜合，實現(xiàn)9位雙極性D/A變換，輸出模擬量電壓到驅(qū)動速度控制單元。各關(guān)節(jié)速度控制單元都是雙環(huán)速度閉環(huán)系統(tǒng)， 其框圖如下圖如下圖b b所示。電動機為永磁式直流伺服電動機(功率400W，最高轉(zhuǎn)速2000rmin，額定電流12A)，功率放大器為三相可控硅全波整流可逆電路，內(nèi)環(huán)為電流反饋環(huán)，采用純比例調(diào)節(jié)。外環(huán)為速度環(huán),由于電動機軸上的光電編碼器輸出的數(shù)字脈沖頻率與電動機轉(zhuǎn)速成正比，因此只要將碼盤的脈沖頻率變換成與頻率成比例的電壓就能測出測出電動機的轉(zhuǎn)速；所以速度檢測就是進行頻率電壓轉(zhuǎn)換，由其的輸出作為速度負反饋，速度環(huán)的調(diào)節(jié)器為帶有非線性特性的PID調(diào)節(jié)器。圖a圖b3.機器人規(guī)格

21、參數(shù)，如下表所示。4.控制算法簡介 二、二、SCARASCARA型機器人型機器人( (裝配機器人裝配機器人) ) SCARA是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫，意思是具有選擇順應(yīng)性的裝配機器人手臂。這種機器人在水平方向具有順應(yīng)性，而在垂直方向則具有很大的剛性，最適合于裝配作業(yè)使用。它有大臂回轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、腕部升降與回轉(zhuǎn)四個自由度，圖所示。下面以ZP-1型多手臂裝配機器人為例作一簡單介紹。 該機器人裝配系統(tǒng)用于裝配40火花式電雷管，代替人從事易爆易燃的危險作業(yè)。電雷管的組成如圖如圖a a所示，機器人完成的工作是，將導電帽彈簧組合件裝在雷管體上；

22、將小螺釘擰到雷管體上，把導電帽、彈簧組合件和雷管體聯(lián)成一體；檢測雷管體外徑、總高度及雷管體與導電帽之間是否短路。裝配前雷管體倒立在10行10列的料盤5上，彈簧與導電帽的組合件插放在另一個10行10列的料盤6上，小螺釘散放在振動料斗8中，裝配好的成品放在10行10列料盤7上，如圖如圖b b所示。機器人在裝配點的重復定位精度可達土0.05mm，電雷管重約100g，一次裝配過程約需20s。 1. 機械系統(tǒng)構(gòu)成 2. 驅(qū)動系統(tǒng) 3. 控制與檢測傳感系統(tǒng) 4. 微機控制系統(tǒng)組成 5. 電雷管的裝配過程 第三節(jié)第三節(jié) 汽車的機電一體化 當代，為了提高汽車的動力性、經(jīng)濟性、安全性以及減少排放污染、增強舒適性

23、等，汽車的機電一體化已成為一種不可阻擋的潮流，且技術(shù)日益成熟和普及。汽車的機電一體化使汽車性能煥然一新。當今對汽車的控制已由發(fā)動機擴大到全車，例如實現(xiàn)發(fā)動機的燃油噴射電子點火控制、自動變速換檔、防滑制動、防抱死系統(tǒng)（ABS）、雷達防碰撞、自動調(diào)整車高、全自動空調(diào)、自動故障診斷及自動駕駛等。 汽車機電一體化的中心內(nèi)容是以微機為中心的自動控制改善汽車的性能、增加汽車的功能，實現(xiàn)汽車降低油耗、減少排氣污染，提高汽車行駛的安全性、可靠性、操作方便和舒適性。 汽車行駛控制的重點是：汽車發(fā)動機的正時點火、燃油噴射、空燃比和廢氣再循環(huán)的控制，使燃燒充分、減少污染、節(jié)省能源；汽車行駛中的自動變速和排氣凈化控制

24、，以使其行駛狀態(tài)最佳化， 汽車的防滑制動、防碰撞，以提高行駛的安全性；汽車的自動空調(diào)、自動調(diào)整車高控制，以提高其舒適性。要實現(xiàn)上述各種控制，傳感檢測技術(shù)是重要的一環(huán)。 一、傳感器在汽車發(fā)動機等中的應(yīng)用一、傳感器在汽車發(fā)動機等中的應(yīng)用 現(xiàn)代汽車發(fā)動機的點火時間和空燃比的控制已實現(xiàn)用微機控制系統(tǒng)進行精確控制。例如美國福特汽車公司的電子式發(fā)動機控制系統(tǒng)(EEC)如如圖圖a a、日本豐田汽車公司發(fā)動機的計算機控制系統(tǒng)(TCCS)如圖如圖b b。從圖可以看出，上述控制系統(tǒng)中，必不可少的使用了曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氧氣傳感器等多種傳感器。 發(fā)動機控制用傳感器的精度多以百分數(shù)表

25、示，這個百分數(shù)值必須在各種不同條件下滿足燃料經(jīng)濟性指標和排氣污染指標規(guī)定?？刂苹钊桨l(fā)動機，基本上就是控制曲軸的位置。利用檢測曲軸位置的傳感器，可測出曲軸轉(zhuǎn)角位置從而計算點火提前角，并用微機計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速，其信號以時序脈沖形式輸出。燃料供給信號可以用二種方法獲得，一種是直接測量空氣的質(zhì)量流量；另一種是檢測曲軸位置，再由技管絕對壓力(MAP)和溫度計算出每個汽缸的空氣量。燃料控制環(huán)路多采用第二種方法，或采用測量空氣質(zhì)量流量的方法。因此MAP傳感器和空氣質(zhì)量流量傳感器都是重要的汽車用傳感器。 MAP傳感器有膜盒線性差動變換傳感器、電容盒MAP傳感器和硅膜壓力傳感器。 在空氣流量傳感器中，離子遷移

26、式、熱絲式、葉片式傳感器是真正的空氣質(zhì)量流量計。渦流式、渦輪式是測量空氣流速的，需把它換算成質(zhì)量流量。為算出恰當?shù)狞c火時刻，需要檢測曲軸指示脈沖、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負荷三個參量。 其中，發(fā)動機負荷可用歧管負壓換算。在美國的發(fā)動機控制系統(tǒng)中，雖然前二個參量均用曲軸位置傳感器測量，但其控制環(huán)路的組成方法不同。有的系統(tǒng)直接測量歧管負壓，有的系統(tǒng)采用類似MAP傳感器的傳感器測量環(huán)境空氣壓力(AAP)，用減法算出歧管負壓。后者可用準確的環(huán)境空氣壓力完成海拔高度修正，以便對燃料供給和EGR(廢氣再循環(huán))環(huán)路進行微調(diào)。在點火環(huán)路中，歧管負壓信號響應(yīng)性要快，但準確度并不需MAP和AAP那么高。 過去的火花點火

27、發(fā)動機是在很寬的空燃比范圍內(nèi)工作的，因而并不要求計算化學當量，由于汽車排氣標準的確定，需從根本上改進發(fā)動機的工作情況。為此，很多汽車采用了一種三元催化系統(tǒng)，其三元催化劑只有在廢氣比例較小時，才能有效地凈化HC、CO和NOx。所以，發(fā)動機必須在正確計算化學當量的7%范圍內(nèi)工作。帶催化劑的發(fā)動機可看作氣體發(fā)生器，按要求需在燃料供給環(huán)路中加裝氧環(huán)路，這一環(huán)路的關(guān)鍵傳感器是氧傳感器，它可以檢測廢氣中是否存在過剩的氧氣。氧化鋯氧傳感器和二氧化鈦氧傳感器可以完成此任務(wù)。 為了確定發(fā)動機的初始條件或隨時進行狀態(tài)修正，還裝了爆震傳感器，如空氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器等，在某些汽車中，還裝了爆震傳感器，渦輪

28、增壓發(fā)動機在中速或高負荷狀態(tài)下，震動較大，從而帶來許多問題，安裝爆震傳感器后，當震動超過某一限度時，就自動推遲點火時間，直至震動減弱為止。這就是說，發(fā)動機在無激烈震動時提前點火，找出了最佳超前量。機械共振傳感器、帶通振動傳感器和磁致伸縮傳感器可以提供這種震動信息。二、二、 微機控制的數(shù)字化電子點火系統(tǒng)微機控制的數(shù)字化電子點火系統(tǒng) 機械式點火系統(tǒng)由于機械系統(tǒng)的滯后效應(yīng)、磨損以及裝置本身的機械記憶量等因素的影響，不能保證發(fā)動機點火時刻處于最佳值，因此需要數(shù)字控制裝置取代機械式點火提前裝置。數(shù)字式電子點火系統(tǒng)應(yīng)滿足下述要求：能在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供點火所需的定值點火能量，即足夠的點火電壓和跳火持續(xù)時間

29、。在不同負荷和轉(zhuǎn)速條件下，能為發(fā)動機提供最佳點火時間。特別是在小負荷時能提供較大的點火提前角。能把點火提前到發(fā)動機剛好不致于發(fā)生爆震的范圍。數(shù)字式電子點火系統(tǒng)一般由傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、微型計算機及點火控制器等部分組成，其原理框圖如下圖如下圖所示。 微機控制數(shù)字式電子點火系統(tǒng)原理框圖 下圖下圖a a為第一代數(shù)字點火系統(tǒng)實裝原理框圖。點火提前裝置除能適應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制初級線圈通電時間外，還可以通過電子手段調(diào)整點火提前角。 圖圖b b為顯示的是輸入存儲片的一個標準三維點火特性曲線圖。圖中三個軸分別代表發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火提前角和發(fā)動機負荷。如已知轉(zhuǎn)速和負荷就可以從圖中找出相應(yīng)的最佳的點火提前角。 下圖是

30、微機控制的多環(huán)路點火控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有爆震傳感檢測環(huán)路、溫度檢測環(huán)路及其它控制環(huán)路。到底是把微處理器控制的環(huán)路集中在一起好呢，還是一個微處理器只控制幾個隨動環(huán)路呢，或者用一個中央處理器（CPU）進行控制好呢，說 法不一，但圖中包括的基本要點均是不可缺少的。 三、汽車的自動空調(diào)系統(tǒng)三、汽車的自動空調(diào)系統(tǒng) 汽車的空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過不斷發(fā)展、元件的改進、功能的完善和電子化，最終發(fā)展成為自動空調(diào)系統(tǒng)。自動空調(diào)系統(tǒng)的持點為：空氣流動的路線和方向可以自動調(diào)節(jié)，并迅速達到所需的最佳溫度；在天氣不是燥熱時，使用設(shè)置的“經(jīng)濟檔”控制，使空壓機關(guān)掉，但仍有新鮮空氣進入車內(nèi)，既保證一定舒適性要求，又節(jié)省制冷系統(tǒng)燃料，

31、具有自動診斷功能，迅速查出空調(diào)系統(tǒng)存在“曾經(jīng)”出現(xiàn)過的故障，給檢測維修帶來極大方便。 下圖為自動空調(diào)系統(tǒng)框圖。 上圖上圖由操縱指示(顯示)裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、空調(diào)電動機控制裝置以及各種傳感器和自動空調(diào)系統(tǒng)各種開關(guān)組成；溫度傳感器是系統(tǒng)中應(yīng)用最多的，一般是采用NTC熱敏電阻，它是由錳、鉆、鎳、銦 和 鈦等金屬氧化物，按特定的工藝制成的熱敏元件。有兩個相同的外部溫度傳感器，分別安裝在蒸發(fā)器殼體和散熱器罩背后，計算機感知這二個檢測值，一般用低值計算，因為在行駛時和停止時，溫度會有很大差別。高壓傳感器實際上是一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻，起保護作用。它裝在 冷 凝器和膨脹閥之間，以保證壓縮機在超壓的情況下

32、，如散熱風扇損壞時關(guān)閉并被保護。各種開關(guān)如防霜開關(guān)、外部溫度開關(guān)、高低壓保護開關(guān)、自 動 跳合開關(guān)等，當外部溫度T5時可通過外部溫度開關(guān)關(guān)斷壓縮機電磁離合器，自動跳合開關(guān)的作用是在加速、急踩油門踏板時關(guān)斷壓縮機，使發(fā)動機有足夠的功率加速，然后再自動接通壓縮機。 某Audi轎車自動空調(diào)系統(tǒng)中的傳 感 器，各種開關(guān)及各種裝置的安裝位置如下圖所示如下圖所示。自動空調(diào)系統(tǒng)無疑帶來很大便利，但 也 使系統(tǒng)更為復雜，給維修帶來很大困難。但采用了自動診斷系統(tǒng)后，給查找故障和維修都帶來極大方便。某Audi車采用的自動診斷系統(tǒng)是采用頻道代碼進行自動診斷的。即在設(shè)定的自檢方式下，將空調(diào)系統(tǒng)的各需檢測的內(nèi)容分門別類

33、地分到各頻道，在各個頻道里用不同的代碼表示不同的意義，然后查閱有關(guān)的專用手冊，便可確定系統(tǒng)各部件的狀態(tài)。 自動空調(diào)系統(tǒng)元件安裝位置示意圖1低壓保護開關(guān)；2 防霜開關(guān)；3外部溫度開關(guān)；4安裝在蒸發(fā)器殼體上的外部溫度傳感器；5空調(diào)電動機控制裝置； 6控制和調(diào)節(jié)裝置；7一內(nèi)部溫度傳感器；6 操縱機構(gòu)；9 高壓傳感器；l0自動跳合開關(guān)；l1高壓保護開關(guān)；12壓縮機；13 安裝在散熱器柵處的外部溫度傳感器；14-水溫傳感器 四、電子控制的自動變速器電子控制的自動變速器 自動變速器是為降低變速器的功率損耗、提高動力傳遞系統(tǒng)的有效功率、增加變速檔數(shù)以適應(yīng)汽車行駛條件的最佳速比、實現(xiàn)汽車的省能、省力、安全、舒

34、適之目的而出現(xiàn)的。 下圖為以電子控制實現(xiàn)變速器自動換檔的程序控制原理框圖。 以電子控制實現(xiàn)變速器自動換檔的程序控制原理框圖 日美西德等發(fā)達國家，為了占領(lǐng)國際市場而不斷提高汽車的性能價格比，其主要手段是通過各種傳感器獲取必要信息從而實現(xiàn)汽車的機電一體化。 我國的汽車工業(yè)面臨激烈競爭局面。為了提高競爭能力，應(yīng)加速汽車用傳感器的發(fā)展，在上批量的同時 ，還要使汽車在性能上上一個新臺階。發(fā)達國家的實踐證明，政府制定的限制油耗和排氣污染的政策法規(guī)，不僅保護了環(huán)境，還有力地推動了傳感檢測技術(shù)的發(fā)展。這也是值得我國借鑒的。 在汽車和家電等為主的幾乎所有行業(yè)均擁有三坐標測量。其測量對象不單是機械加工零件，而且還

35、可用于現(xiàn)場測量具有復雜自由曲面的模具或成型品等的位置、尺寸和形狀。 1. 基本構(gòu)成 三坐標測量機的構(gòu)成框圖如圖如圖所示，其測量部分主體形式如測量部分主體形式由下頁圖由下頁圖所示，由于圖c形式裝卸操作工件較自由、自由度空間較大，故實際應(yīng)用較多。利用探測頭測量放在主體上的工件的各個測點的三維坐標(x，y，z)的數(shù)值，通過計數(shù)器得到數(shù)據(jù)并輸出。利用測量部分主體前邊的鍵盤，鍵入指示處理碼。 例如，指示根據(jù)三處測點的數(shù)據(jù)求出圓心，或是求出面，根據(jù)這個指令，計算機進行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)計算機進行一系列處理后，再通過繪圖機繪圖、打印機輸出。 三坐標測量機構(gòu)成框圖第四節(jié)第四節(jié) 三坐標測量機三坐標測量機 測量部分主體

36、形式 2. 探測頭形式 將不同形式的探測頭安裝在三坐標測量機Z軸下端，沿x、y、z 軸方移動進行測量。根據(jù)被測對象不同，常用下圖所示幾種形式。測頭的形式 3. 計算機數(shù)據(jù)處理 計算機處理的內(nèi)容如下：選定基準(求取作為測量基準的一組數(shù)據(jù)，即求出并確定工件的坐標系)；根據(jù)需要對各測量點的數(shù)據(jù)進行處理；對工件形狀的測量數(shù)據(jù)的處理；數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析(平均值、標準偏差等)；三坐標測量機的自動運轉(zhuǎn)(操縱桿的操作等)。 在設(shè)計運行程序時，必須注意其可操作性，故應(yīng)考慮以下幾點： 工件的的安置與固定（盡可能預先調(diào)整好，易于安裝)。 盡量減少固定、調(diào)整的次數(shù)。 以簡明易懂的形式選定測量法。 測量操作要簡單。 避免同

37、一點的重復測量(要充分靈活運用存儲功能)。 測量結(jié)果的輸出要容易讀、容易整理。 能及早發(fā)現(xiàn)測量差錯并容易恢復正常。 免去相同形狀零件的處理指定。 明確顯示測量部位和數(shù)量(靈活運用顯示功能)。 利用測量誤差和工件形狀誤差的均一性來提高測量精度(最小二乘法)。 常用的有效數(shù)據(jù)處理方式有自動測量法、與設(shè)計值的比較法、運用數(shù)據(jù)存儲及坐標存儲功能方法，以及最小二乘法(誤差的平方和為最小的一種回歸分析方法)。 4. CNC型三坐標測量機 CNC型三坐標測量機的優(yōu)點是： 測量是有一定順序的，不會出現(xiàn)不同人操作有不同測量誤差的現(xiàn)象。 由于是自動測量，能夠極大地減少人為誤差，而且測量力也能保持一定。例如，因為溫

38、度不同而造成的誤差會減少。 大批測量同一形狀，或類似形狀的零件時，測量效率高。 夜間或節(jié)假日可無人運轉(zhuǎn)。 CNC三坐標測量機可通過操縱示教桿進行示教，也可利用帶有CNC軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行示教，若 采用后者，則x、y、z 軸的進給控制，探測頭的姿態(tài)控制可完全自動進行。第五節(jié)第五節(jié) 自動售票機自動售票機 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動售票機和數(shù)據(jù)累計機一起將擔負車站售票的重要任務(wù)。發(fā)達國家?guī)缀跛械牡罔F和鐵路車站都設(shè)有自動售票機。 1自動售票機的構(gòu)成 如圖所示，自動售票機由模塊組合而成，用控制部分對整個設(shè)備進行控制，各部分的主要功能介紹如下。自動售票機構(gòu)成 硬幣機構(gòu)：它的作用是辨別投入硬幣的真?zhèn)?，區(qū)

39、分錢的種類，投入硬幣的一次性儲存，找給零錢等。 紙幣機構(gòu)：紙幣機構(gòu)是用來判定插入紙幣的真?zhèn)?、按面值分類、一次統(tǒng)一核算和收納紙幣。 印字機構(gòu)：它的作用是把卷成輥狀的車票紙切成車票，按照控制部分發(fā)出的指令進行印字并發(fā)出車票。在自動檢票機通過的車票，印字后，在車票的背面寫入磁信息發(fā)出。 外部補充零錢部分：它由零錢補充箱和補充盒構(gòu)成，是把找零錢用硬幣供給硬幣機構(gòu)的部分，向找零錢補充箱補充硬幣由補充盒進行。 工作人員操作部分：它由電源的通斷、發(fā)售和停售的設(shè)定、回收、數(shù)據(jù)截止、日期設(shè)定等操作開關(guān)或顯示零錢及輥筒票紙的有無、異常地方的監(jiān)視顯示燈等構(gòu)成，是進行售票機操作和監(jiān)視的部分。 記錄部分：它是把售票機的

40、發(fā)售數(shù)據(jù)或操作數(shù)據(jù)打印輸出的部分。將幾臺售票機連接到數(shù)據(jù)累計機上進行總的累計業(yè)務(wù)的售票機省去了記錄部分，為了進行操作數(shù)據(jù)的記錄，設(shè)有能連接便攜式打印機的連接器。 配電（電源）部分：它是自動售票機AC電源的輸入并將AC和DC電源分配給各部件部分，控制部分：它是將CPU、存儲器、各部分的I/O，外接設(shè)備的I/O等印刷電路板裝在機柜中，與各部分的數(shù)據(jù)或控制信號進行交換以及運算的部分。它對整個售票機進行集中控制。另外還附有紙幣機構(gòu)， 該機構(gòu)是輸入紙幣、輸出車票、找回零錢，并能對插入的紙幣辨別真?zhèn)巍?2自動售票機的工作原理 從投入硬幣或紙幣之后 到給出車票為止的基本工作流程，示于圖示于圖a a，各功能框

41、間的硬幣或紙幣、車票及信號的流程示如圖如圖b b所示。控制這些流程的就是控制部分， 在最新的售票機中已使用微型 電 子計算機。 為了能夠適應(yīng)重新組裝部件構(gòu)成不同功能的售票機控制，各部件內(nèi)也裝了小型微機用來擔負部件中進行處理的細微控制。 控制部分采用了二級控制， 實現(xiàn)控制的分工協(xié)作。 圖a 基本工作流程 圖b 硬幣或紙幣、車票及信號的流程第六節(jié)第六節(jié) 自動售貨機自動售貨機 目前自動售貨機已達到普及的程度。 自動售貨機有自動售飲料機、自動售香煙機和自動服務(wù)機等等。下面以應(yīng)用最多的自動售飲料機為對象來介紹自動售貨機。自動售貨機上裝備的機電一體化裝置有硬幣機構(gòu)、紙幣確認機構(gòu)、主控制箱等。另外為了促進商

42、品銷售，還配有機電一體化的供顧客選用裝置、語音合成裝置(可發(fā)出“歡迎光臨”、“謝謝”等聲音)和節(jié)能裝置。1. 硬幣驗鈔機構(gòu) 硬幣驗鈔機構(gòu)用于檢測所投入的硬幣的真?zhèn)?。對偽幣退回到硬幣退還口，真幣則合計金額并與所售商品價格作比較。如果投入的金額等于或大于商品售價，則發(fā)出允許出售信號。待接到售貨終了信號后， 進行找零錢計算，并起動找零錢電動機，把以不同幣種適當組合而成的零錢，送到退還口。它要求機械技術(shù)與電子技術(shù)緊密地結(jié)合?，F(xiàn)在所有的貨幣機構(gòu)都由微機進行控制。 右圖為驗鈔機構(gòu)的結(jié) 構(gòu) 簡圖。由硬幣檢測部分、運算控制部分；找零錢機構(gòu)、自動售貨機主體和接口部分組成。硬幣驗鈔機構(gòu)中機電一體化最引人注目的是錢

43、幣檢查部分實現(xiàn)了電子化。 硬幣驗鈔機構(gòu)簡圖 2. 紙幣驗鈔確認機構(gòu) 紙幣驗鈔確認機的功能是識別紙幣真?zhèn)?。只有真紙幣，才向外部發(fā)出“收到”的信號。其控制部分也由微機構(gòu)成。紙幣驗鈔確認機的構(gòu)成簡圖如圖如圖所示。 紙幣驗鈔確認機已實現(xiàn)機電一體化。紙幣即使有一點插入紙幣插入口，便會由位置傳感器檢測到，并起動機內(nèi)電動機 使 其正方向旋轉(zhuǎn)，通過傳送帶，拉進機器內(nèi)，同時進行真?zhèn)舞b別。如是假幣，則電動機逆轉(zhuǎn)，退還紙幣；如是真幣，則發(fā)出“收進”的信號，并往里稍拉進一些，以暫存狀態(tài)等待。 其理由是，若顧客確要買東西，則與上述硬幣機聯(lián)動，從其找零錢部找出適當?shù)牧沐X， 機器完成正常收款動作。 顧客若改變想法，中止購物

44、時， 按下自動售貨機的退返按鈕，則紙幣驗鈔確認機的電動機逆轉(zhuǎn)，把原紙幣退還。 紙幣驗鈔確認機構(gòu)簡圖 3. 自動售貨機的 控制系統(tǒng) 紙杯式果汁售貨機售出的飲料是 根據(jù)顧客的要求進行調(diào)配的。顧客按下桔汁或葡萄汁等品種選擇按鈕后，機器自動調(diào)理機內(nèi)原料， 即把水、二氧化碳氣體、糖漿、冰等進行調(diào)理，然后供給取出口。 該售貨機的控制系統(tǒng)構(gòu)成如右圖所示，如右圖所示，輸入微機的信號有： 來自硬幣機構(gòu)的可出售信號，選擇按鈕信號，原料系統(tǒng)的原料售完傳感器信號，以及從用于調(diào)配原料的時間和份量的設(shè)定數(shù)字開關(guān)來的輸入信號等等。其輸出信號有：表示“在該品種選擇按鈕， 已投足所定金額，可以出售”的指示燈信號。運送杯子用電動

45、機的驅(qū)動信號，原料排放閥的開、 關(guān)控制信號，以及制冰或冷水用壓縮機的起動、停止等信號。 自動售貨機的控制系統(tǒng)構(gòu)成 典型的電子秤通常都采用模擬伺服系統(tǒng)或光電編碼器來顯示重量值，結(jié)構(gòu)比較簡單。但是隨著電子秤外部設(shè)備的省力化和系統(tǒng)化的進展，對電子秤也開始要求更高的精度，更多的功能、更高速的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。這些如果不采用最新的電子技術(shù)是不可能實現(xiàn)的。 在電子秤的重量傳感部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、控制運算部分、數(shù)據(jù)顯示部分及傳輸部分使用了和其他電子設(shè)備一樣的CPU、各種存儲器、 高精度線性集成電路等電子元部件。此外，各種軟件也開始在電子秤中應(yīng)用。 目前使用的電子秤有組合秤、連續(xù)供料秤、陀螺天平、自動重量

46、分選機等多種形式。下面對組合秤、連續(xù)供料秤和自動重量分選機作簡要說明。第七節(jié)第七節(jié) 電子秤電子秤 1. 組合秤 組合秤主要用于水產(chǎn)品、食品及點心糖果等固態(tài)物體的稱量。它可將這些固態(tài)物品按預先給定的重量自動集中，連續(xù)送往下一道包裝工序包裝。其構(gòu)造及工作原理如下： 組合秤的構(gòu)造原理如右圖如右圖所示。物品由送料傳送帶送入振動加料器。通過振動送料器將大致均等的物品送入供料斗，開始投入所有計量料斗。各個重量信號W1、W2、Wm 作為負載傳感器的輸出信號，用下頁圖運算功能框圖下頁圖運算功能框圖中所示的 幾個放大器分別放大， 再經(jīng)過模擬多路轉(zhuǎn)換器，按序號進行A/D轉(zhuǎn)換，存儲在n個重量值存儲器中。接著，按運算

47、電路指示的序號，從n個存儲器重量值中選擇m 個組合,再將它們的重量值和組合秤的m 個編號分別存入組合重量存儲器和組 合 秤 編號存儲器中。然后，仍在重量存儲器中對 其他組合重量進行運算，把運算的總值與上次總重量值一起和預先給定的基準重量進行比較，求出它們的偏差值。 組合秤的構(gòu)造原理 該偏差與上一次的偏差相比較，如果不到“+”一邊，就要將上次兩方面的值分別更新為這次的值。如果過“+”一邊，就保留上次的值，依次到全部組合完畢為止，再重復相同的運算操作，最后保留最接近“+”的基準值數(shù)值。然后再通過從組合秤號碼存儲器來的指令，打開這種組合中包含的每次秤重的料斗門，使物品落入集中滑槽中。所集中的物品通過

48、斗式輸送機送往包裝機進行包裝后出廠；對于排空了的計量料斗，打開供料門投入物品，從新開始進行組合運算。 組合秤的運算功能 2. 連續(xù)給料裝置 這種裝置主要用于在皮帶輸送機上連續(xù)輸送的粉粒狀物品的稱量，也可用于將幾臺秤上的幾種原料按一定比例混合起來的系統(tǒng)。主要通過控制輸送帶驅(qū)動電動機的速度來控制原料重量。下圖為連續(xù)給料裝置的構(gòu)成和工作原理框圖。圖中，皮帶輸送機上流動的原料通過計量輸送機時，用測力傳感器檢測出其重量，經(jīng)放大傳給A/D轉(zhuǎn)換器。另一方面，利用安裝在傳送帶的驅(qū)動電動機上的脈沖發(fā)生器，使傳送帶每前進一定的距離就產(chǎn)生一個脈沖，將這個脈沖加到A/D轉(zhuǎn)換器，作為A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號。實際瞬間輸入量W1或累計輸送量W2與設(shè)定值WTS之間的偏差，通過PI控制器與D/A從轉(zhuǎn)換器變換成模擬量輸入到調(diào)速(VS)放大器中，對輸送帶電動機進行速度控制，從而控制輸送帶的輸送速度。 連續(xù)供料裝置的構(gòu)成和工作原理 3. 自動重量分選機 自動重量分選機是在點心、糖果等固體包裝線、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品的出廠處理線及汁液、咖啡等液體充填線上用來檢查物品的重量。這些物品需要