機電一體化系統(tǒng)設計報告

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. 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設 計 報 告 院 系：機電學院 專 業(yè)：機械電子1202班 指導教師：史麗晨 小組成員：蔣友列 120740216 景軍軍 120740217 劉琪 120740219 盧科峰 120740220 目 錄 1.機電一體化系統(tǒng)概述 2.機電一體化的系統(tǒng)構成 1、 動力能源單元 2、 傳感與檢測單元 3、 機械本體 4、 執(zhí)行與驅動單元 5、 控制與信息處理單元 任務分配 l 蔣友列——匯總、傳感與檢測單元 l 景軍軍——執(zhí)行與驅動單元、控制與信息處理單元 l 劉 琪——動力能源單元 l 盧科峰——機械本體 . 機電一體化系統(tǒng)設計報告 ——家用全自動洗衣機的系統(tǒng)設計分析 1.機電一體化系統(tǒng)概述 “機電一體化”的英文名詞是“mechatronics”，20世紀70年代初起源于日本，由機械學（mechanics）和電子學（electronics）兩個次組合而成，表示機械學與電子學兩種學科的綜合。 機電一體化含有產(chǎn)品與技術兩個方面的內(nèi)容。機電一體化技術是指其技術原理，即機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術。其次是機電一體化產(chǎn)品，該產(chǎn)品主要是機械系統(tǒng)與電子系統(tǒng)用相關軟件有機結合而構成的新的系統(tǒng)，且賦予其新的功能和性能的新一代產(chǎn)品。 機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的形式多種多樣，功能也各不相同。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，包括以下幾個基本要素：機械本體、動力能源、傳感與檢測、執(zhí)行與驅動、控制與信息處理等，各要素之間通過接口相聯(lián)系，也可以說這些基本要素構成了機電一體化系統(tǒng)的多個子系統(tǒng)。這些基本要素的功能實例如下圖： 機電一體化的關鍵技術有：機械技術、計算機信息處理技術、傳感檢測技術、自動控制技術、伺服驅動技術、系統(tǒng)總成技術。機電一體化技術與相關學科、技術、行業(yè)的結合關系圖如下： 2.機電一體化的系統(tǒng)構成 一．動力能源單元 （1） 機電一體化系統(tǒng)中的動力源概述 機械運動是將其他形式的能量轉換成機械能，動力能源單元的功能是按照機電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力，克服各種載荷去驅動執(zhí)行機構，完成信息處理使系統(tǒng)正常運行，能源包括電能、氣能以及液能等。例如，數(shù)控機床的動力主要來自于電能。機電一體化產(chǎn)品的動力部分，就像人體的內(nèi)臟產(chǎn)生能量來維持人的生命、思維和運動一樣。機電一體化系統(tǒng)的顯著特征之一，是用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出，不但要求驅動效率高、反應速度快，而且要求對環(huán)境適應性強、可靠性高、方便維修和回收等。 （2） 全自動洗衣機的動力源 常用全自動洗衣機（如：小天鵝、海爾、西門子等），額定參數(shù)為：額定電壓--交流220V；額定頻率--50HZ；額定功率--300W；洗衣重量--5-7kg。 二．傳感與檢測單元： （一）機電一體化系統(tǒng)中的傳感器概述 機電一體化系統(tǒng)中，傳感器與檢測單元的功能是對系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并轉換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理產(chǎn)生相應的控制信息。測試傳感部分的功能一般由專門的傳感器和儀表來完成，再通過相應的信號檢測裝置將其反饋給信息處理與控制單元。檢測傳感裝置相當于人體的感受器官，將外界信息傳輸給大腦，因此，傳感器的精度決定了系統(tǒng)精度的上限，傳感器的技術水平制約著整個機電一體化技術的發(fā)展。 （2） 傳感器的性能指標 1. 靜態(tài)特性：是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。 2.動態(tài)特性：是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率 響應來表示。 3.線性度：通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。 4.遲滯特性：表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程間輸出-輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出FS的百分比表示。遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成。 5.靈敏度：是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度 S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度 。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。 6.分辨力：是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。 （三）全自動洗衣機中的傳感器 1.水位傳感器 水位檢測的精度直接影響洗凈度、水流強度、洗滌時間等參數(shù)。對于模糊控制的洗衣機,要求水位的檢測必須是連續(xù)的,故常采用諧振式水位傳感器。諧振式水位傳感器是利用電磁諧振電路LC作為傳感器的敏感元件,將被測物體的變化轉變?yōu)長C參數(shù)的變化,最終以頻率參數(shù)輸出。其工作原理是:將水位的高低通過導管轉換成一個測試內(nèi)腔氣體變化的壓力,驅動內(nèi)腔上方的一塊隔膜移動,帶動隔膜中心的磁芯在某線圈內(nèi)移動,從而線圈電感發(fā)生變化。由此引起諧振電路的固有頻率隨水位變化。水位測量電路如下圖所示,為便于與單片機接口,水位傳感器采用數(shù)字振蕩電路,電感與電容組成的三點式振蕩電路經(jīng)C2耦合接入數(shù)字式諧振放大器A1,隨著水位變化,諧振頻率作相應變化,放大器在a點輸出,經(jīng)A2整形,由c點輸出,此時即可 將數(shù)字量接到單片機.水位傳感器的測量電路如下圖： 2.光傳感器 光傳感器即洗凈程度傳感器。人工洗衣時可以隨時用眼睛檢查衣物是否洗凈,但在洗滌桶內(nèi)的衣物不斷地進行翻滾運行, 無法直接檢測衣物的洗凈程度。全自動洗衣機通過采用光傳感器檢測洗滌液的透光率, 從而間接檢測了洗凈程度二在洗衣機排水管兩側分別安裝紅外發(fā)光管和光電接收管。洗滌前、排水管中充滿清水, 光電接收管受光導通,以此時光敏三極管輸出電壓為設定值。洗滌開始后, 衣物的污垢不斷地擴散到洗滌液中,洗滌液逐漸變渾濁,致使透光率降低,相應地光敏三極管的輸出電壓也隨之下降。經(jīng)過一段時間后, 該輸出電壓趨于穩(wěn)定值, 洗滌過程結束，然后進人漂流階段。光傳感器的檢測頭由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，分別安裝在排水閥之前的排水口左右對稱兩側。為了防止天然水中的淡黃色和淡綠色以及自然背景光對檢測結果的干擾，用國產(chǎn)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，其光譜如下圖，接收端用硅光電三極管，其光譜如下圖，因為在同樣的發(fā)光二極管驅動電流作用下，光敏三極管所能接收到的光信號與檢測頭之間的介質有關。 為了克服發(fā)光二極管、光電三極管的老化和不一致以及長期運行之后在檢測窗口所存污垢的不利影響，因此用下圖所示的接口電路。 光傳感器的工作原理為發(fā)光二極管發(fā)出的光透過洗滌液照射到光敏三極管的基極，使光敏三極管基極電流、集電極電流發(fā)生變化、再將電流變化轉換成電壓變化。在將電壓的變化傳到PLC中從而實現(xiàn)洗滌時間、漂洗時間和脫水時間的長短并自動選擇漂洗次數(shù)以及自動判斷排水是否結束等。 3.布量傳感器 布量傳感器其原理如下：在波輪空轉時，電機內(nèi)要有一定的電流強度。在洗滌桶放人適量的水后，再開動電動機，這時桶內(nèi)的波輪要推動水流翻滾，由于水對波輪的阻力，電動機中的電流會有所增加，但水的阻力是相對均勻的，使電機內(nèi)的電流也是穩(wěn)定增加的。如果這時我們再加入衣物后，電流的增加就不再是穩(wěn)定的了。其原因很簡單，因為衣物在水中的位置是浮動的，所以波輪對它的推動力是變化的，這樣也就導致了電動機所需的動力是變化的，最終使電動機內(nèi)電流值的增加也有一定的波動范圍。如果所洗的衣物吸水性越強，則水中運動需要的力量就越大，電動機內(nèi)電流的變化范圍也就越寬，反之，洗衣物的吸水性弱，則電流的變化范圍就變窄。所以通過測定電動機電流和波動的大小，即可判斷出洗衣物的種類及重量。按照這些對應關系，編好程序，程控器即可自動確定洗滌時的水流強弱和確定洗滌時間的長短。 4. 其他傳感器 (1).水溫傳感器：可以根據(jù)環(huán)境溫度和水溫，自動決定洗滌時間。 (2).混濁度傳感器：該傳感器主要通過檢測被洗衣物的贓污程度、贓污性質來決定洗滌時間、漂洗次數(shù)等參數(shù)。 三．機械本體 機電一體化產(chǎn)品中一定有運動機械，機械本體主要包括機械傳動機構和機械結構裝置。其主要功能是使各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時間關系安置在一定位置上，實現(xiàn)在一定的載荷條件下的微小運動和復雜運動，它是機電一體化的基礎，起著支撐系統(tǒng)中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。 機械本體就像人的身軀骨架，是運動機械實現(xiàn)柔性化和智能化的直觀體現(xiàn)。 在全自動洗衣機的設計里面，機械本體主要包括機械支撐系統(tǒng)、洗滌脫水系統(tǒng)、進水排水系統(tǒng)和傳動結構。 機械支撐系統(tǒng):全自動洗衣機采用一種彈性支撐結構，如左圖所示； 洗滌脫水系統(tǒng)：它主要有盛水桶，洗滌桶和波輪組成。盛水桶又稱為外桶，主要用來盛放洗滌液。盛水桶固定在鋼制底板上，通過4根吊桿懸掛在洗衣機箱體上。電動機，離合器，排水閥等部件都裝在桶底下面。洗滌桶又稱為脫水桶或者離心桶，也稱為內(nèi)桶，它的主要功能是用來盛放衣物，在洗滌或漂洗時配合波輪完成洗滌或漂洗功能，在脫水時便成為離心式的脫水桶。波輪是全自動洗衣機中對衣物產(chǎn)生機械作用的主要部件。按波輪的形狀來分，基本上有小波輪（直徑在160mm左右）的渦卷式水流和大波輪（直徑在300mm左右）新水流兩類。 排水進水系統(tǒng)：波輪式全自動洗衣機的進排水系統(tǒng)都采用了電磁閥控制。為了對桶內(nèi)的水位進行檢測和控制，洗衣機上都安裝有水位控制器（水位開關）。波輪式全自動套桶洗衣機使用最多的水位開關是空氣壓力式開關，主要有氣壓傳感器裝置，控制裝置及電觸點開關3部分組成，用來監(jiān)視水位的高低。此外電磁閥分進水和排水電磁閥，進水電磁閥是洗衣機上的自動進水開關，它受水位開關動斷觸點的控制。而排水電磁閥是全自動洗衣機上的自動排水裝置，同時還起改變離合器工作狀態(tài)。進水、排水電磁閥是采用電流流過線圈形成磁場的原理，洗衣機電磁閥在進，排水時使用，220V交流電壓與電磁閥線圈接通，形成磁場，電磁線圈吸合。自動打開香蕉閥門，洗衣機里的水就順著管道流出去了。斷電后，電磁閥線圈失去電流，磁場消失，電磁鐵松開，橡膠閥門自動關閉，洗衣機里的水就流不出去了。 傳動結構：傳動結構中，波輪軸總成是關鍵部分。 4． 執(zhí)行與驅動單元 執(zhí)行與驅動單元包括執(zhí)行元件及其驅動電路，其功能是根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動作，將各種形式的能量轉換為機械能，帶動機械機構完成規(guī)定的機械運動。驅動方式按動力源的不同可分為：液壓、氣壓、電動三種，例如數(shù)控機床的主軸電機、進給電機及其實現(xiàn)功率放大的驅動電路模塊等。執(zhí)行元件在機械一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中，作用相當于人體中的四肢，可在大腦的控制下完成各種動作。機電一體化系統(tǒng)一方面要求執(zhí)行與驅動單元具有高效率和快速響應等特性，同時有要求其對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應性和可靠性。由于電子電力技術的高速發(fā)展，高性能步進電機、直流和交流伺服驅動電機將大量應用于機電一體化系統(tǒng)。 電機是自動洗衣機的心臟，是整個洗滌工作的動力來源。工業(yè)上用的電機各式各樣，規(guī)格型號數(shù)不勝數(shù)，其中按使用電源可以分為交流電機和直流電機兩種。交流電機又分為異步電機和同步電機。洗衣機上所用到的電機是單相電容起動運轉式異步電機，使用220v交流電源。全自動洗衣機上使用的電機輸出功率一般150W以上，配12μF以上的電容器。這種電機的特點是啟動轉矩大，過載能力強，可以充分滿足洗衣機負載頻繁變化的使用要求。 在洗衣機中使用的電機都要配接電容器。電容器的作用是加大電機的起動轉矩和工作轉矩，它還起確定旋轉方向的作用。在洗衣機中使用的電容器一般都是紙介質或塑料介質的。電容器容量的大小一定要按照電機的要求選配，容量大了，容易使電機升溫過高，縮短電機壽命；容量小了，會降低電機的起動轉矩和過載能力。電容器的電壓也要按照電機標牌的要求選配，一般洗衣機電機對電容器的要求電壓為400伏到450伏交流電。 波輪式全自動套桶洗衣機的電動機及傳動系統(tǒng)主要由電動機和離合器組成，離合器又有普通離合器和減速離合器兩種。其中普通離合器用在采用小波輪的套桶洗衣機上，這種洗衣機在洗滌或者漂洗時波輪的轉速和脫水時離心桶的轉速相同，目前各種大波輪新水流套桶洗衣機普遍采用減速離合器，它在洗滌，漂洗時波輪的轉速較慢，而脫水時離心桶的轉速較快。電動機同時作為洗滌和脫水時的動力源，普遍采用主，副繞組完全對稱的電容式電動機。由于一般全自動套桶洗衣機的額定洗滌容量較大，因此電動機的功率較大。采用減速離合器的全自動套桶洗衣機傳動系統(tǒng)的原理如圖所示： 電動機與固定在離合器下端的大傳動帶盤之間用V帶傳動。經(jīng)第一級減速后大傳動帶盤得到150r/min的轉速。當洗衣機處于洗滌或漂洗狀態(tài)時，再經(jīng)離合器內(nèi)部的行星齒輪減速后，使波輪得到175r/min低轉速。此時，洗滌（脫水）桶不動。當洗衣機處于脫水狀態(tài)時，離合器輸出的是未經(jīng)減速的850r/min的高轉速，驅動脫水桶和波輪作同步高速運轉。對于使用普通離合器的小波輪套桶洗衣機來說，有區(qū)別的僅僅是離合器內(nèi)部沒有行星齒輪減速機構，因此在洗滌或漂洗時其波輪的轉速與脫水時的轉速時相同的。 五．控制與信息處理單元 控制與信息處理單元是機電一體化系統(tǒng)的核心單元。其功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、存儲、分析、加工，根據(jù)信息處理結果，按照一定的程序發(fā)出相應的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)行元件，控制整個系統(tǒng)有目的的運行，并達到預期的性能?？刂婆c信息處理單元一般由計算機、邏輯電路、A\D與D\A轉換，I/O(輸入與輸出）和計算機外部設備等組成。例如，數(shù)控機床中數(shù)控裝置的CPU板、CRT顯示器、鍵盤及打印機等，其作用正如人的大腦一樣。機電一體化系統(tǒng)對控制和信息處理單元的基本要求是：提高信息處理速度和可靠性，增強抗干擾能力，完善系統(tǒng)自診斷能力，實現(xiàn)信息處理智能化和產(chǎn)品小型、輕量、標準化等。 1.控制要求: PLC投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好啟動。 （1） 按下啟動按鈕及水位選擇開關，開始進水加洗衣粉，水滿（即水位到達高低）時停止進水，開始洗滌。 （2） 洗滌時，正轉20秒后暫停，暫停3秒后開始反轉洗滌，反轉洗滌20秒后暫停，暫停3秒。 （3） 如此循環(huán)3次，洗滌結束。然后排水，當水位下降到低位時進行脫水并繼續(xù)排水。脫水時間是10秒，這樣完成一個大循環(huán)。 （4） 整個洗滌為3次大循環(huán)，一次為加洗衣粉， 兩次凈水洗滌，經(jīng)過3次大循環(huán)后洗衣結束，并且報警。 （5） 報警10秒結束全過程，自動停機。 （6） 此外按排水按鈕可實現(xiàn)手動排水；按停車按鈕可停止進水、排水、脫水及報警。 2.I/O地址分配 根據(jù)洗衣機操作的工藝過程及對控制系統(tǒng)的要求，首先歸納本系統(tǒng)中所有輸入信號和輸出信號；然后根據(jù)PLC的輸入點和輸出點進行I/O地址分配，使每個輸入信號對應PLC內(nèi)部的輸入繼電器，每個輸出信號對應PLC內(nèi)部的輸出繼電器。PLC洗衣機控制的I/O地址分配如表所示: 3.全自動洗衣機的工作順序分析 PLC 投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好啟動。按下啟動按鈕時開始進水，水滿(即水位到達高水位)時停止進水，2s后開始正轉洗滌。正轉洗滌20s后暫停，暫停3s后開始反轉洗滌。反轉洗滌20s 后暫停，暫停3s 后，若正、反洗滌未滿3次，則返回從正轉洗滌開始的動作; 若正、反洗滌滿3 次時，則開始排水。排水水位若下降到低水位時，開始脫水并繼續(xù)排水。脫水10s即完成一次從進水到脫水的工作循環(huán)過程。若完成了3 次大循環(huán)，則進行洗完報警。報警10s結束全部過程，自動停機。若按下停止按鈕，可以手動排水和手動脫水。