项目二柔性制造系统核心技术课件.ppt

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1、项目二 柔性制造系统核心技术,任务1 机械传动技术任务2 气动控制技术任务3 传感器检测技术任务4 电机驱动技术任务5 工业通信网络技术,任务1 机械传动技术,一、任务引入在柔性制造系统中，为了实现对工件的传输、搬运，常常要使用各种机械传动设备，了解和熟悉这些机械传动设备的结构、工作原理，是学习柔性制造系统必须掌握的内容。二、任务分析通过本任务的学习，应实现以下知识目标：(1)了解带传动机构的结构和应用。(2)了解滚珠丝杠机构的结构和应用。(3)了解直线导轨机构的结构和应用。(4)了解齿轮传动机构的结构和应用。,三、相关知识1.带传动机构1)带传动机构认知在自动化生产线机械传动系统中，常利用带

2、传动方式实现机械部件之间的运动和动力的传递。带传动机构主要依靠带与带轮之间的摩擦或啮合进行工作。带传动可分为摩擦型带传动和啮合型带传动，其传动结构图如图2-1所示。带传动机构的两大传动类型及其异同点如表2-1所示。由于啮合型带传动在传动过程中传递功率大，传动精度高，所以在自动化生产线中使用得较为广泛。,2)了解带传动机构的应用带传动机构(特别是啮合型同步带传动机构)目前被大量应用在各种自动化装配专机、自动化装配生产线、机械手及工业机器人等自动化生产机械中，同时还广泛应用在包装机械、仪器仪表、办公设备及汽车等行业。在这些设备和产品中，同步带传动机构主要用于传递电机转矩或提供牵引力，使其他机构在一

3、定范围内往复运动(直线运动或摆动运动)。2.滚珠丝杠机构1)滚珠丝杠机构认知将滚珠丝杠机构沿纵向剖开可以看到，它主要由丝杠、螺母、滚珠、滚珠回流管、压板、防尘片等部分组成，如图2-2所示。丝杠属于直线度非常高的转动部件，在滚珠循环滚动的方式下运行，实现螺母及其连接在一起的负载滑块(例如工作台、移动滑块)在导向部件作用下的直线运动。工业应用中几种典型滚珠丝杠机构的外形如图2-3所示。,滚珠丝杠机构虽然价格较贵，但由于其具有高刚度、高精度、运动可逆、能高速进给和微量进给、驱动扭矩小、传动效率高、使用寿命长等一系列突出优点，能够在自动化机械的各种场合实现所需要的精密传动，所以仍然在工程上得到了极广泛

4、的应用。2)滚珠丝杠机构的应用滚珠丝杠机构作为一种高精度的传动部件，被大量应用于数控机床、自动化加工中心、电子精密机械进给机构、伺服机械手、工业装配机器人、半导体生产设备、食品加工和包装、医疗设备等领域。图2-4所示为滚珠丝杠机构在数控雕刻机中应用的实物图。图2-5所示为滚珠丝杠机构应用于各种精密进给机构的X-Y工作台，其中步进电动机为驱动部件，直线导轨为导向部件，滚珠丝杠机构为运动转换部件。,3.直线导轨机构1)直线导轨机构认知直线导轨机构通常也被称为直线导轨、直线滚动导轨、线性滑轨等，它实际是由能相对运动的导轨(或轨道)与滑块两大部分组成的，其中滑块由滚珠、端盖板、保持板、密封垫片组成。直

5、线导轨机构的内部结构如图2-6所示。几种典型直线导轨机构的外形如图2-7所示。,直线导轨机构由于采用了类似于滚珠丝杠的精密滚珠结构，所以具有如表2-2所示的一系列特点。使用直线导轨机构除了可以获得高精度的直线运动以外，还可以直接支撑负载工作，降低了自动化机械的复杂程度，简化了设计与制造过程，从而大幅度降低了设计与制造成本。2)直线导轨机构的应用由于在机器设备上大量采用直线运动机构作为进给、移送装置，所以为了保证机器的工作精度，首先必须保证这些直线运动机构具有较高的运动精度。直线导轨机构作为自动化机械最基本的结构模块被广泛应用于数控机床、自动化装配设备、自动化生产线、机械手、三坐标测量仪器等装备

6、制造行业。图2-8所示为直线导轨机构在双柱车床中的应用。图2-9所示为直线导轨机构在卧式双头焊接机床中的应用。,4.间歇传动机构1)机械间歇传动机构认知在自动化生产线中，根据工艺的要求，经常需要沿输送方向以固定的时间间隔、固定的移动距离将各工件从当前的位置准确地移动到相邻的下一个位置，实现这种输送功能的机构称为间歇传输机构，工程上有时也称为步进输送机构或步进运动机构。工程上常用的间歇性运动机构主要有槽轮机构和棘轮机构等。图2-10所示为常用间歇传动机构的结构图。,虽然各种间歇传动机构都能实现间歇输送的功能，但是它们都有其自身结构、工作特点及工程应用领域，如表2-3所示。2)间歇传动机构的应用间

7、歇传动机构具有结构简单紧凑和工作效率高两大优点。采用间歇传动机构能有效简化自动化生产线的结构，方便地实现工序集成化，形成高效率的自动化生产系统，提高自动化专机或生产线的生产效率，因而在自动化机械装备，特别是电子产品生产、轻工机械等领域得到广泛的应用。5.齿轮传动机构1)齿轮传动机构的认知齿轮传动机构是应用最广的一种机械传动机构。常用的传动机构有圆柱齿轮传动机构、圆锥齿轮传动机构和蜗杆传动机构等。图2-11所示为各种齿轮传动机构的外形图。,齿轮传动是依靠主动齿轮和从动齿轮的齿廓之间的啮合来传递运动和动力的，与其他传动相比，齿轮传动具有如表2-4所示的特点。2)齿轮传动机构的应用齿轮传动机构是现代

8、机械中应用最为广泛的一种传动机构，比较典型的应用是在各级变速器、汽车的变速箱等机械传动变速装置中。图2-12所示为齿轮传动机构在减速器和汽车变速箱中的应用。,任务2 气动控制技术,一、任务引入在柔性制造系统中，气动控制技术应用广泛，掌握和了解气源的产生、输送，气源的减压控制，气源的流量控制，电磁阀、汽缸的结构和自动控制，都是为学好柔性制造系统所必须掌握的内容。二、任务分析通过本任务的学习，应实现以下知识目标：(1)了解气动控制系统的组成。(2)熟悉和了解各种汽缸的结构和工作原理。(3)熟悉和了解各种气动控制元件的结构和作用。,三、相关知识1.气动控制系统认知图2-13所示为一个简单的气动控制系

9、统构成图。该控制系统有静音气泵、气动二联件、汽缸、电磁阀、检测元件和控制器等组成，能实现汽缸的伸缩运动控制。气动控制系统是以压缩空气为工作介质，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气压缩能转化为机械能，从而完成汽缸直线或回转运动，并对外做功。一个完整的气动控制系统基本由气压发生器(气源装置)、执行元件、控制元件、辅助元件、检测装置及控制器等6部分组成。,图2-13中的静音气泵为压缩空气发生装置，其中包括空气压缩机、安全阀、过载安全保护器、储气罐、罐体压力指示表、一次压力调节指示表、过滤减压阀及气源开关等部件，如图2-14所示。气泵是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化

10、、处理及存储的一套装置，气泵的输出压力可通过其上的过滤减压阀进行调节。2.气动执行元件在气动控制系统中，气动执行元件是一种将压缩空气的能量转化为机械能，实现直线、摆动或者回转运动的传动装置。气动控制系统中常用的执行元件是汽缸和气马达。汽缸用于实现直线往复运动，气马达则用于实现连续回转运动的动作。图2-15所示为几种常见的气动执行元件实物图。,气动执行元件作为气动控制系统中重要的组成部分，被广泛应用在各种自动化机械及生产装备中。为了满足各种应用场合的需要，实际设备中使用的气动执行元件不仅种类繁多，而且各元件的结构特点与应用场合也都不尽相同。表2-5给出了工程实际应用中常用气动执行元件的应用特点。

11、,3.气动控制元件在气动控制系统中，气动控制元件用于控制和调节压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并可按设计的程序正常工作。气动控制元件主要有气动压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀。,1)气动压力控制阀气动压力控制阀用来控制气动控制系统中压缩空气的压力，可将压力减到每台装置所需的压力，并使压力稳定在所需的压力值上，以满足各种压力需求或节能的要求，气动压力控制阀主要有安全阀、顺序阀、减压阀等几种。图2-16所示为常用气动压力控制阀的实物图。表2-6所示为主要气动压力控制阀的类型、作用及应用特点。在气动控制系统工程应用中，经常将分水滤气器、减压阀和油雾器组合在一起

12、使用，此装置俗称气动三联件。,2)气动流量控制阀流量控制阀在气动控制系统中通过改变阀的流通截面积来实现对流量的控制，以达到控制汽缸运动速度或者控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度。流量控制阀包括调速阀、单向节流阀和带消声器的排气节流阀等几种。图2-17所示为常用气动流量控制阀的实物图。表2-7所示为主要气动流量控制阀的类型、作用及应用特点。特别是单向节流阀上带有气管的快速接头，只要将适合的气管往快速接头上一插就可以接好，使用非常方便，因而在气动控制系统中得到了广泛的应用。,3)方向控制阀方向控制阀是气动控制系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流通断来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动元

13、件。电磁阀是气动控制中最主要的元件，它利用电磁线圈通电时静铁心对动铁心产生的电磁吸引力使阀切换以改变气流方向。根据阀芯复位的控制方式，又可以将电磁阀分为单电控和双电控两种。图2-18所示为电磁控制换向阀的实物图。,电磁控制换向阀易于实现电气联合控制，能实现远距离操作，在气动控制系统中广泛使用。在使用双电控电磁阀时应特别注意的是，两侧的电磁线圈不能同时得电，否则将会使电磁阀线圈烧坏。为此，在电气控制回路上，通常设有防止同时得电的联锁回路。电磁阀按阀切换通道数目的不同可以分为二通阀、三通阀、四通阀和五通阀；同时，按阀芯的切换工作位置数目的不同又可以分为二位阀和三位阀。例如，有两个通口的二位阀称为二

14、位二通阀；有三个通口的二位阀称为二位三通阀。常用的还有二位五通阀，用在推动双作用汽缸的回路中。图2-19所示为部分电磁换向阀的图形符号。所谓“位”，指的是为了改变气体方向，阀芯相对于阀体所具有的不同的工作位置。“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。,在工程实际应用中，为了简化控制阀的控制线路和气路的连接，优化控制系统的结构，通常将多个电磁阀及相应的气控和电控信号接口、消声器和汇流板等集中在一起组成控制阀的集合体使用，将此集合体称为控制阀岛。图2-20所示为气动控制系统中常用的电磁阀岛实物图。为了方便气动控制的调试，各电磁阀均带有手动换向和加锁功能的手动旋钮。,任务3 传感

15、器检测技术,一、任务引入在柔性制造系统中，传感器被大量使用，有检测机构运行位置的传感器、检测工件颜色的传感器、判断工件材料属性的传感器，还有检测物体温度的变送器和检测电动机旋转角度的编码器，等等。学习和掌握它们的使用方法，也是为学习柔性制造系统必须掌握的知识内容。二、任务分析通过本任务的学习，应实现以下知识目标：(1)了解和掌握开关量传感器的工作原理和使用方法。(2)熟悉数字量传感器的工作原理。,三、相关知识传感检测技术是实现自动化的关键技术之一。传感检测技术能有效地实现各种自动化生产设备运行信息的自动检测，并按照一定的规律将其转换成与之相对应的电信号进行输出。自动化设备中用于实现传感检测功能

16、的装置称为传感器。传感器种类繁多，按从传感器输出电信号的类型不同，可将其划分为开关量传感器、数字量传感器和模拟量传感器。1.开关量传感器开关量传感器又称为接近开关，是一种采用非接触式检测，输出开关量的传感器。在自动化设备中，应用较为广泛的主要有磁感应式接近开关、电容式接近开关、电感式接近开关和光电式接近开关等。1)磁感应式接近开关磁感应式接近开关简称磁性接近开关或磁性开关，其工作方式是当有磁性物质接近磁性开关传感器时，传感器感应动作，并输出开关信号。在自动化设备中，磁性开关主要与内部活塞(或活塞杆)上安装有磁环的各种汽缸配合使用，用于检测汽缸等执行元件的两个极限位置。为了方便使用，每一磁性开关

17、上都装有动作指示灯。当检测到磁信号时，输出电信号，指示灯亮。同时，磁性开关内部都具有过电压保护电路，即使磁性开关的引线极性接反，也不会使其烧坏，只是不能正常检测工作。图2-21所示为磁性开关实物图及电气符号图。,2)电容式接近开关电容式接近开关利用自身的测量头构成电容器的一个极板，被检测物体构成另一个极板，当物体靠近开关时，物体与接近开关的极距或者介电常数发生变化，引起静电容量发生变化，使得和测量头连接的电路状态也发生相应地变化，并输出开关信号。电容式接近开关不仅能检测金属零件，而且能检测纸张、橡胶、塑料、木块等非金属物体，还可以检测绝缘的液体。电容式接近开关一般应用在尘埃多、易接触到有机溶剂

18、及需要较高性价比的场合中。由于检测内容的多样性，所以得到更广泛的应用。图2-22所示为电容式接近开关实物及电气符号图。,3)电感式接近开关电感式接近开关是利用涡流效应制成的开关量输出位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近时能使其内部产生电涡流，使得接近开关振荡能力衰减、内部电路的参数发生变化，进而控制开关的通断。由于电感式接近开关基于涡流效应工作，所以它的检测对象必须是金属。电感式接近开关对金属与非金属的筛选性能好，工作稳定可靠，抗干扰能力强，在现代工业检测中也得到广泛应用。图2-23所示为电感式接近开关的实物及电气符号图。,4)光电式接近开关光电式接近开关是利用

19、光电效应制成的开关量传感器，主要由光发射器和接收器组成。光发射器和接收器有一体式和分体式两种。光发射器用于发射红外光或可见光；光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。图2-24所示为各种光电式接近开关的实物及电气符号图。按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫反射式三种。这三种形式的光电接近开关的检测原理和方式都有所不同。它们的检测原理分别如图2-25、图2-26和图2-27所示。,(1)对射式光电接近开关的光发射器与光接收器分别处于相对的位置上，根据光路信号的有无判断信号是否进行输出改变。此开关最常用于检测不透明物体。对射式光电接近

20、开关的光发射器和光接收器有一体式和分体式两种。(2)反射式光电接近开关的光发射器与光接收器为一体化的结构，在其相对的位置上安置一个反射镜，光发射器发出的光被反射镜反射，根据是否有反射光线被光接收器接收来判断有无物体。,(3)漫反射式光电接近开关的光发射器与光接收器集于一体，利用光照射到被测物体上反射回来的光线而进行工作。漫反射式光电接近开关的可调性很好，其敏感度可通过其背后的旋钮进行调节。光电接近开关在安装时，不能安装在水、油、灰尘多的地方，应回避强光及室外太阳光等直射的地方，注意消除背景物景的影响。光电接近开关主要用于自动包装机、自动灌装机、自动或半自动装配流水线等自动化机械装置上。2.数字

21、量传感器数字量传感器是一种能把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统连接。数字量传感器具有测量精度和分辨率高、抗干扰能力强、稳定性好、易于与计算机接口，便于信号处理和实现自动化测量以及适宜远距离传输等优点，在一些精度要求较高的场合应用极为普遍。工业装备上常用的数字量传感器主要有数字编码器(在实际工程中应用最多的是光电编码器)、数字光栅和感应同步器等。1)光电编码器光电编码器通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的测量装置的位置信息。图2-28所示为光电编码器的实物图。,根据光电编码器的工作原理，可以将其分为绝对式光电编码器和增量式光电编码器两种。绝对式光电

22、编码器通过读取编码盘上的二进制编码信息来表示绝对位置信息，二进制位数越多，测量精度越高，输出信号线对应越多，结构越复杂，价格越高。增量式光电编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲信号A、B和Z相，A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位；其测量精度取决于码盘的刻线数，但结构相对绝对式光电编码器简单，价格便宜。光电编码器是一种角度(角速度)检测装置，它将输入的角度量，利用转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小、精度高、工作可靠和接口数字化等优点，被广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。,

23、2)数字光栅传感器数字光栅传感器是根据标尺光栅与指示光栅之间形成的莫尔条纹制成的一种脉冲输出数字式传感器。它广泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以及精密测量方面，测量精度可达几微米。图2-29所示为数字光栅传感器的实物图。数字光栅传感器具有测量精度高、分辨率高、测量范围大、动态特性好等优点，适合于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。但是光栅在工业现场使用时，对工作环境要求较高，不能承受大的冲击和振动，要求密封，以防止尘埃、油污和铁屑等的污染，成本较高。,3)感应同步器感应同步器是应用定尺与滑尺之间的电磁感应原理来测量直线位移和角位移的一种精密

24、传感器。感应同步器是一种多极感应元件，可对误差起补偿作用，所以具有很高的精度。图2-30所示为感应同步器的实物图。感应同步器具有对环境温度、湿度变化要求低，测量精度高，抗干扰能力强，使用寿命长和便于成批生产等优点，在各领域的应用极为广泛。直线式感应同步器已经广泛应用于大型精密坐标镗床、坐标铣床及其他数控机床的定位、数控和数显；圆盘式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、导弹制导、精密机床或测量仪器设备的分度装置等领域。,3.模拟量传感器模拟量传感器是将被测量的非电学量转化为模拟量电信号的传感器。它可检测在一定范围内变化的连续数值，发出的是连续信号，用电压、电流、电阻等表示被测参数的大小。在工程应用

25、中模拟量传感器主要用于生产系统中位移、温度、压力、流量及液位等常见模拟量的检测。在工业生产实践中，为了保证模拟信号检测的精度，提高抗干扰能力，便于与后续处理器进行自动化系统集成，所使用的各种模拟量传感器一般都配有专门的信号转换与处理电路，两者组合在一起使用，把检测到的模拟量变换成标准的电信号输出，这种检测装置称为变送器。图2-31所示为各种变送器的实物图。,变送器所输出的标准信号有标准电压或标准电流。电压型变送器的输出电压为-5+5 V、05 V、010 V等，电流型变送器的输出电流为020 mA及420 mA等。由于电流信号抗干扰能力强，便于运距离传输，所以各种电流型变送器得到了广泛应用。变

26、送器的种类很多，用在工业自动化系统上的变送器主要有温/湿度变送器、压力变送器、液位变送器、电流变送器和电压变送器等。,任务4 电机驱动技术,一、任务引入在柔性制造系统中，工件的传送和搬运都涉及电机驱动技术，要对运动的工件进行精确的定位，使用最多的技术是通过PLC的输出脉冲控制步进电动机或者伺服电动机的转动进行定位。如何对步进电动机或者伺服电动机进行控制，首先必须了解它们的工作原理，然后才能正确地通过编程对它们进行控制。学习和掌握步进电动机或伺服电动机的使用方法，是为学习柔性制造系统必须掌握的知识内容。二、任务分析通过本任务的学习，应了解和熟悉以下知识目标：(1)了解和掌握步进电动机的工作原理及

27、使用方法。(2)了解伺服电动机的工作原理。,三、相关知识(一)步进电动机认知1.步进电动机概述步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图2-32所示。步进电动机的角位移量或线位移量s与脉冲数k成正比，它的转速n或线速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因而可在开环系统中用作执行元件，使控制系统大为简化。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域采用步进电机来进行控制变得非常简单。步进

28、电动机还可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动。它不需要变换，能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用PLC控制。,2.反应式步进电动机的工作原理按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以这里着重分析这类电机。反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机，其典型结构如图2-33所示。这是一台四相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个磁极(大齿)，每个磁极上又有许多小齿。四相反应式步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，沿圆周有很多小齿，转子上

29、没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。图中转子齿数为50个，定子每个磁极上的小齿数为5个。,1)三相反应式步进电动机工作原理为了便于说明问题，以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。图2-34是一台三相反应式步进电动机，定子有6个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相且接通B相时，转子便按逆时针方向转过30，使转子齿2和4的轴线与定子B极

30、轴线对齐。若断开B相且接通C相，则转子再转过30，使转子齿1和3轴线与定子C极轴线对齐。如此按ABCA的顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，如图2-34所示。转子的转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入的脉冲频率)，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为ACBA则电机转向相反，按顺时针方向转动。,这种按ABCA运行的方式称为三相单三拍运行。“三相”是指此步进电动机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”是指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。除了这种运行方式外，三相步进电动机还可以三相六拍和三相双三拍的方

31、式运行。三相六拍运行的供电方式是AABBBCCCAA这时，每一循环换接6次，总共有6种通电状态，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)。图2-35表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。,开始运行时先单独接通A相，这时与单三拍的情况相同，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐，如图2-35(a)所示。当A相和B相同时接通时，转子的位置应兼顾到使A、B两对磁极所形成的两路磁通在气隙中所遇到的磁阻同样程度地达到最小。这时，相邻两个A、B磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡。按照这个原则，当A相通电后转到A、B两相

32、同时通电时，转子只能按逆时针方向转过15，如图2-35(b)所示。这时，转子齿既不与A极轴线重合，又不与B极轴线重合，但A极与B极对转子齿所产生的磁拉力却互相平衡。当断开A相使B相单独接通时，在磁拉力的作用下转子继续按逆时针方向转动，直到转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐为止，如图2-35(c)所示。这时，转子又转过15。依此类推，如果下面继续按照BCCCAA的顺序使绕组换接，那么步进电动机就不断地按逆时针方向旋转，当接通顺序改为AACCCBBBAA时，步进电动机以反方向即顺时针方向旋转。在实际使用中，还经常采用三相双三拍的运行方式，也就是按ABBCCAAB方式供电。这时，与单三拍运行时一样

33、，每一循环也是换接3次，总共有3种通电状态，但不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。双三拍运行时，每一通电状态的转子位置和磁通路径与三相六拍相应的两相绕组同时接通时相同，如图2-35(b)、(d)所示。可以看出，这时转子每步转过的角度与单三拍时相同，也是30。,综上所述，三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍(不论是单三拍还是双三拍)运行时要小一半，因此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角(每一步转子转过的角度)可有两种不同数值，如上面这台三相步进电动机三拍运行时的步距角为30，六拍运行时则为15。2)四相反应式步进电动机工作原理以上讨论的是一台最简单的三相反应式步进电动机的工作原理。

34、这种步进电动机每走一步所转过的角度即步距角是比较大的(15或30)，它常常满足不了系统精度的要求，所以现在大多采用如图2-36所示的转子齿数很多且定子磁极上带有小齿的反应式结构，其步距角可以做得很小。下面进一步说明这种电机的工作原理。设步进电动机为四相单四拍运行，即通电方式为ABCDA当图2-33中的A相控制绕组通电时，产生了沿AA极轴线方向的磁通，由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因而使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿轴线和定子磁极A和A上的齿轴线对齐为止。,因为转子共有50个齿，每个步距角t=7.2，定子一个极距所占的齿数为，不是整数，因此当A、A极下的定、转子齿轴线对齐时，相邻两

35、对磁极B、B和D、D极下的齿和转子齿必然错开1/4步距角，即1.8。这时，各相磁极的定子齿与转子齿相对位置如图2-36所示。如果断开A相而接通B相，这时磁通沿B、B极轴线方向，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向应转过1.8，使转子齿轴线和定子磁极B和B下齿轴线对齐。这时，A、A和C、C极下的齿和转子齿又错开1.8。依此类推，控制绕组按ABCDA顺序循环通电时，转子将按顺时针方向一步一步地连续转动起来。每换接一次绕组，转子转过1/4步矩角。显然，如果要使步进电动机反转，那么只要改变通电顺序，按ADCBA即可。,如果运行方式改为四相八拍，其通电方式为AABBBCCCDDDAA即单相通电和两相

36、通电相间，则与上面三相步进电动机的原理完全相同，当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置由图2-36所示的位置变为图2-37所示的位置(图中只画出A、B两个极下的齿)，转子按顺时针方向只转过1/8齿矩角，即0.9，A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线均错开1/8步距角。转子受到两个极的作用力矩大小相等，但方向相反，故仍处于平衡。当B相一相通电时，转子齿轴线与B极下的齿轴线相重合，转子按顺时针方向又转过1/8步距角。这样继续下去，每换接一次绕组，转子转过1/8步距角。可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半。当步进电动机运行方式为四相双四拍，即按ABBCCDDAAB方式通电

37、时，步距角与四相单四拍运行时一样，为1/4步距角，即1.8。,3)结论由此可见：电机的位置和速度与导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳性、噪声及减少角度等方面的考虑，三相反应式步进电动机往往采用AABBBCCCAA导电状态，这样可将原来每步1/3步距角改变为1/6步距角，甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3步距角变为1/12步距角、1/24步距角，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m、2/m、(m-1)/m、1，并且按一定的相序导电就能控制电机的正反转，这是步进电动机旋转的物理

38、条件。只要符合这一条件，我们从理论上可以制造任何相的步进电动机，但出于成本等多方面的考虑，市场上一般以二、三、四、五相较为多见。3.步进电机的静态指标术语相数：产生N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需的脉冲数或导电状态，或电机转过一个步距角所需的脉冲数，用n表示。以四相电机为例，有四相四拍运行方式，即ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式，即AABBBCCCDDDAA。,步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用表示，=360/(转子齿数J运行拍数)。以常规二、四相且转子齿为50齿的电机为例，四拍运行时的步距角为=360/(504)=1.8(俗称整步)

39、，八拍运行时的步距角为=360/(508)=0.9(俗称半步)。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差引起)。静转矩：也称保持转矩(Holding Torque)，是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。保持转矩与驱动电压及驱动电源等无关，它是步进电动机最重要的参数之一。通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电动机最重要的参数之一。例如，2 Nm的步进电动机在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2 Nm的步进电动机。钳制转矩(De

40、tent Torque)：步进电动机在没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。,4.步进电动机的特点(1)一般步进电动机的精度为步进角的3%5%，且不可累积。(2)步进电动机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点。步进电动机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在130以上，有的甚至高达200以上，所以步进电动机外表温度在8090完全正常。(3)步进电动机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电动机转动时，电机各相绕组的

41、电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在其作用下，电机的相电流随频率(或速度)的增大而减小，从而导致力矩下降。(4)步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机就不能正常启动，可能发生丢步或堵转，在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，则脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。,5.步进电动机的控制在对步进电动机进行控制时，常常会采用步进电动机驱动器对其进行控制。

42、步进电动机驱动器采用超大规模的硬件集成电路，具有高度的抗干扰性以及快速的响应性，不易出现死机或丢步现象。使用步进电动机驱动器控制步进电动机，可以不考虑各相的时序问题(由驱动器处理)，只要考虑输出脉冲的频率(控制驱动器CP端)，以及步进电动机的方向(控制驱动器的DIR端)。PLC的控制程序也简单得多。但是，在使用步进电动机驱动器时，往往需要较高频率的脉冲。因此PLC是否能产生高频脉冲成为能否成功控制步进电动机驱动器以及步进电动机的关键。西门子S7-200 PLC的输出点Q0.0、Q0.1可以输出高频脉冲。6.步进电动机在工业控制领域的主要应用步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广

43、泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等。另外步进电动机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便地控制步进电动机转过的角位移，且步进电动机的误差不积累，可以达到准确定位的目的；还可以通过控制频率很方便地改变步进电动机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电动机可以广泛地应用于各种开环控制系统中。,(二)伺服电动机认知伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中用做执行元件，把所接收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要的特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电动机可以分

44、为直流和交流两种。20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出了各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品，并在不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向。图2-38所示为各种伺服电动机及驱动器的实物图。,交流伺服电动机也是无刷电动机，分为同步和异步电动机，目前运动控制中一般都用同步电动机，它的功率范围大，可以做到很大的功率，惯量大，最高转动速度低且可随着功率增大而快速降低，因而同步电动机适合应用于低速平稳运行的场合。永磁同步交流伺服驱动器主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口

45、单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成。伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等，能实现多种控制运动方式。交流伺服电动机的转动精度取决于电机自带编码器的精度(线数)。永磁同步交流伺服驱动器集先进的控制技术和控制策略于一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，并体现出强度的智能化、柔性化，是传统的驱动系统所不可比拟的。当前，高性能的伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家有德国西门子、美国科尔摩根和日本的松下及安川等公司。交流伺服电动机具有控制精度高、矩频特性好、运行性能优良、响应快速和过载能力较强等

46、优点，在一些要求较高的自动化生产装备领域中应用比较普遍。但由于伺服电动机成本都比较高，所以在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电动机。,任务5 工业通信网络技术,一、任务引入在柔性制造系统中，使用了一个很重要的技术通信网络技术。该技术将每个控制单元组成网络，由主站对每个从站进行控制。针对西门子PLC而言，使用的通信网络技术有PPI通信、MPI通信、PROFIBUS-DP总线通信等。通过学习通信网络技术并掌握其使用方法，为学好柔性制造系统打下坚实的基础。二、任务分析通过本任务的学习，应实现以下知识目标：(1)了解企业通信网络的组成。(2)熟悉现场总线通信的

47、组成结构。,三、相关知识1.了解工业通信网络一般而言，企业的通信网络可划分为三级，即企业级、车间级和现场级。企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。在这个层次的通信网络中IT技术的应用十分广泛，如国际互联网(Internet)和企业内部网(Intranet)。车间级通信网络介于企业级和现场级之间。它的主要任务是解决车间内不同工艺段之间各种需要协调工作的通信，从通信需求角度来看，要求通信网络能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。对车间级通信网络，主要解决方案是使用工业以太网。现场级通信网络处于

48、工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，包括I/O设备、传感器、变送器、变频与驱动等装置。由于连接的设备千变万化，所使用的通信方式也比较复杂，而且现场级通信网络直接连接现场设备、网络上传递的控制信号，因此对网络的实时性和确定性有很高的要求。对现场级通信网络而言，现场总线是主要的解决方案，最具有影响力的有PROFIBUS现场总线、基金会现场总线、Devicenet现场总线和CAN现场总线等。,强大的工业通信网络与信息技术的结合彻底改变了传统的信息管理方式，将企业的生产管理带入到一个全新的境界。为了满足巨大的市场需求，世界著名的自动化产品生产商都为工业控制领域提供了非常完整的通信解决方案，并

49、且考虑到车间级网络的现场级网络的不同通信需求，在不同的层次上提供了不同的解决方案。使用这些解决方案，可以很容易地实现工业控制系统中数据的横向和纵向集成，很好地满足工业领域的通信需求，而且借助于集成的网络管理功能，用户可以在企业级通信网络中很方便地实现对整个网络的监控。图2-39所示为一西门子工业通信网络的拓扑图实例。整个网络分为监控层、操作层和现场层。现场控制信号，如I/O、传感器、变频器等，通过HART、ModBus等各种方式连接到现场S7-300 PLC上，PROFIBUS总线完成S7-300 PLC与现场设备的信息交流，可以很方便地进行第三方设备的扩展。现场层配备有两个数据同步的互为冗余

50、的主站，保证现场层与操作层之间数据信息的稳定可靠；中央集控制室与操作员站、工程师站通过开放、标准的以太网进行数据的交换。,在应用较多的西门子工业通信网络解决方案的范畴内使用了许多通信技术。在通信、组态、编程中，除了图2-39中提到的工业以太网和PROFIBUS总线之外，还需要使用其他一些通信技术。2.PPI通信PPI(Point to Point Interface)通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的一种通信协议，是S7-200 PLC最基本的通信方式，也是其默认的通信方式，该系列PLC可通过自带的通信端口实现西门子公司规定的PPI通信协议。PPI是一种点对点的串行通信协议，