1、江苏大学测控系江苏大学测控系2023年5月15日星期一机电光仪一体化技术第10章 机电光仪一体化系统设计指导 第10章 机电光仪一体化系统设计指导 知识点：u机电光仪一体化系统分析u机电光仪一体化系统设计原则u机电光仪一体化系统设计过程u模糊洗衣机设计u变频空调器设计uGPS智能交通指挥系统设计u曲臂光电综合测量系统 u激光扫描圆度误差测量系统 u管道直线度光电检测系统 本章导读 u机电光仪体化技术从系统工程观点出发，应用机械、微电子技术等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。u机电光仪一体化系统设计是按机电一体化思想、原理和方法进行的机电光仪一体化产品设计，它是
2、一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术才能完成。u机电光仪一体化是一门综合技术，是一项多级别、多单元组成的系统工程。机电光仪一体化系统所包容的设计与开发范围是非常广泛的。u给定机电光仪一体化系统(产品)目的功能与规格后，机电光仪一体化技术人员利用机电光仪一体化技术进行设计、制造的整个过程为机电光仪一体化工程。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 10.1.1 机电光仪一体化系统分析u一般来讲，机电光仪一体化系统分析应包括以下内容。一、可行性论证、准备技术资料 1）了解企业现状与系统开发的内外环境，收集国内外有关技术资料，包括现有同类产品的资料、相关的理论研究成果和先进技术资料等。
3、2）了解所设计产品的使用要求和开发目标，包括功能、性能等方面的要求。3）了解生产单位的设备条件、工艺手段、生产基础等，能为产品开发提供的技术支持、物质支持，作为研究具体结构方案的重要依据。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 二、根据目的功能确定产品规格、性能指标 1）功能性指标u包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等。2）经济性指标u包括成本指标、工艺性指标、标准化指标、美学指标等。3）安全性指标u包括可靠性指标、操作指标、自身保护指标和人员安全指标等。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 三、拟定总体方案 1）方案设计u选择设计原则、设计原理，进行总体方案初步设计。2）系统性
4、能指标分析u依据所掌握的技术资料以及以往的设计经验，找出设计难点及特征指标。3）系统分解，预选各环节结构 u在性能指标分析的基础上，初步选出多种实现各环节功能和满足性能要求的可行的结构方案。4）整体评价 u选定一个或几个评价指标，求出各方案的评价指标值并进行比较和评价，从中选出最优者作为拟定的总体方案。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 10.1.2 机电光仪一体化系统设计原则 1）机电互补原则综合考虑机械技术和电子技术各自的特点，达到优势互补。u从机械技术、电子技术、硬件技术和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊得失，选择最佳方案。2）功能优化原则u主要指在系统设计时，要抓住用户最关
5、心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性、经济性等。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 3）自动化、省力化原则u高精度、高效率、高可靠化是机电一体化系统的重要指标，因此要求系统在运行过程中,最大限度地减少人的干预，降低人的体力和智力劳动强度，尽可能排除人为的不利因素的影响。4）效益最大原则u要在满足用户的目的功能和适当的使用寿命的前提下，最大限度地降低成本。5）开放性原则 u以一组标准、规范或约定的原则来统一系统的接口、通信和与外部的使系统能容纳不同厂家制造的设备及软件产品。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 10.1.3 机电光仪一体化系统设计过程 一、机电光仪一体化产品基本开发
6、工程路线 二、机电光仪一体化系统设计步骤u机电光仪一体化系统设计具体可分为以下几个步骤：1市场调查与预测u市场调查与预测是产品开发成败的关键性一步。市场调查就是运用科学方法。系统地全面地收集有关市场需求和营销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 2构思比较u构思就是创新，技术转移就是突破。一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新，功能上的突破，还能带来制造过程的简化，使用的方便，以及经济上的高效益。因此，机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造能力和聪明才智来构思和创造新的方案。3方案评价u对各种构思和多种方案进行筛选，选
7、择较好的可行方案进行分析组合和概述评价，从中再选几个方案。按机电一体化系统设计评价原则和评价方法，进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 4根据目的功能确定产品规格、性能指标 1）基本性能指标 u运动参数：用来表征机器工作运动的轨迹、行程、方向和起、止点位置正确性的指标，如速度、加速度、转速、调速范围等。u动力参数：用来表征机器输出动力大小的指标，如力、力矩和功率等。u品质指标：用来表征运动参数和动力参数品质的指标 2）工艺性指标 u对产品结构提出的方便制造和维修的要求，要做到容易制造和便于维修。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 3）“人机工
8、程学”指标 u考虑人和机器的关系，针对人类在生产和生活中所表现出来的卫生、体形、生理和心理学等对产品提出的综合性要求。4）美学指标 u对产品的外部性质，如仪容、风格、匀称、和谐、色泽以及与外部环境的协调等方面提出的要求。5）标准化指标 u即组成产品的元、部件的标准化程度。6）可靠性和安全性参数 u各种可靠性指标、强度、刚度、电压值电流的极限值和额定等。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 5详细设计 1）系统总体设计 包括人一机系统的详细设计，对象作业的流程系统。2）系统功能部件、功能要素的划分及设计u以各构成要素及要素之间的接口为基础来划分功能部件或功能子系统，也可以按运动的自由度划分成
9、若干个功能子系统，再按子系统划分功能部件。3）机械本体及工具设计u包括现有设备的利用与改造部分设计，新设计产品的详细设计方案和工程图设计，对象的加工相关性设计(精度、基准部位等)。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 4）控制系统设计u包括标准及扩展方案的讨论，机器控制的顺序与方法的确定，接口设计。5）程序设计u根据系统设计及接口技术方案进行程序编制和调试。6）后备系统设计u包括故障预测及修复方法设计，控制对策和准备工作的设计。7）完成详细设计书及制造图样u包括整体构成、各模块及局部的设计说明书。8）产品出厂致使用文件的设计u包括用户使用说明书，调整维护说明书验证书，出厂检验证书，教育训练
10、计划等。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 6综合评价u对机电一体化系统的综合评价主要是对其实现目的功能的性能、结构进行评价。7可靠性复查u机电一体化系统既可能产生电子电路故障、软件故障，又可能产生机械故障，受到电噪声的干扰，因此可靠性问题显得格外交出。在产品设计初步完成之后，还需要进行可靠性复查和分析，以便发现问题及时改进。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 8试制与调试u样机试制是检验产品设计的制造可行性的重要阶段，并通过样机调试来验证各项性能指标是否符合设计要求。u系统调试包括硬件调试、软件调试、模拟调试和现场试运行等几方面。硬件调试和软件调试为基本调试；模拟调试是检查硬件和
11、软件的整体性能，为现场试运行做准备；现场调试是对全系统的实际考验与检查。10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 9系统设计中的质量控制 1）质量目标管理 2）实行可靠性设计 3）进行质量评审 4）加强标准化与工艺审查。5）建立设计质量责任制。6）建立质量保证体系 10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 10制造工程质量管理 1）元器件的筛选 2）应力筛选 3）老化处理 4）产品的生产质量检验10.1 机电光仪一体化系统设计开发过程 10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 10.2.1 模糊控制洗衣机设计u模糊洗衣机是一种智能型的洗衣机，它和传统的洗衣机相比，是一种全新的家用电器。u传统
12、的全自动洗衣机有两种，一种是机械控制式，一种是单片机控制式。一、模糊控制洗衣机系统控制系统硬件设计u用MC6805R3控制的模糊洗衣机和传统的洗衣机有很大的区别，它能自动识别衣质、衣量、自动识别肮脏程度，自动决定水量、自动投入恰当的洗涤剂，从而全部自动地完成整个洗涤过程。由于洗涤程序是通过模糊推理而决定的，故有着极高的洗涤效能。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-1 单片机控制的逻辑结构 10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 1）电源电路u电源电路由变压器TF、桥式整流器、滤波电容和集成稳压电路7805组成。2）洗衣机状态检测电路u状态检测电路一共有7个。3）显示电路 4）
13、输出控制电路u输出控制电路由触发电路和相应的双向晶间管组成；控制电路一共有5路。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 二、模糊洗衣机的物理量检测方法 1浑浊度的检测u衣物的脏污程度、肮脏性质和洗净程度等都需要检测，以便进行工作过程的整定和控制。浑浊度的检测是采用红外光电传感器来完成的。利用红外线在水中的透光率和时间的关系，通过模糊推理，以得出检测的结果，而这个结果就可以用于控制推理。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-2 混浊度检测原理10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-3 洗涤过程中透光度变化情况 10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 2布量和布质的检
14、测u布量和布质的检测是在洗涤之前进行的。在水位为一定的时候，布量和布质的不同就会产生不同的布阻抗。通过给定一定的水位，然后在这个给定水位的条件下使方电机进行间断旋转，则不同布阻抗就会使主电机制动的性能不同，利用主电机在不同布阻抗时的制动特性就可以推断出布质和布量。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-4 布量与布阻抗关系曲线图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 3水温检测u水温检测由温度检测器MTSl02执行。由于MTSl02有线性度好，对温度敏感等特点，故采用它对常温检测有较大的优点。在电路中，采用两个运算放大器对MTSl02的输出信号进行处理，一个用于隔离阻抗，一个用信
15、号放大。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 三、模糊洗衣机的模糊推理u在模糊洗衣机中，浑浊度、布质、布量等都是通过对现行状态的检测，再通过模糊推理得出的。u在模糊推理中，需要考虑推理的前件和后件，也即是推理的输入条件和输出结果，在模糊洗衣机中，主要是要考虑布质、布量、水温和肮脏程度这几种条件，而从这些条件求取水位，洗涤时间和水流，漂洗方式和脱水时间等。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-5 模糊洗衣机的模糊推理10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用u在洗涤剂浓度推理中，其规则如下：n如果浑浊度高，则洗涤剂投入量大；n如果浑浊度偏高，则没涤剂投入量偏大；n如果浑浊度低，
16、则洗涤剂投入量小；u在洗衣推理中，推理规则如下：n如果布量少，布质以化纤偏多，而且水温高，则水流为特弱，洗涤时间特短；n如果布量多，布质以棉布偏多，而且水温低，则把水流定为特弱，洗涤时间定为特长。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-5 水温、布量和时间的模糊量10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 10.2.2 变频空调器设计思路与开发过程u20世纪90年代初，日本的家用电器生产企业将模糊控制理论和交频凋速技术以及先进的传感器技术和微处理技术相结合。成功地开发小模糊控制变频式空调器。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 一、变频式空调控制器的结构和主要功能 1）控制器的
17、结构u新型的变频式模糊控制空调器实际上是一个多CPU控制系统，它主要包括三个部分：红外遥控发射系统、室内机组控制系统、室外机组控制系统。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-6 室内系统结构图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-7 室外系统结构图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 2）控制器的主要功能n温度控制n定时控制n制冷控制n除湿控制n制热控制n风向控制n风速控制n遥控应急控制n状态指示n延时保护10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用u3）室内红外遥控系统设计u红外遥控发射器设有LCD指示和若干功能键，其中LCD可显示设定温度、定时方式和定时时间、风
18、机风速指示、风门工作方式、制冷制热方式、超静快速工作等，其中功能键有：u电源开关 温度设置键 定时方式键 定时时间键u方式键 超静快速键 风门控制键 风速设定键10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用u4）室内机组控制系统设计图10-8 模糊控制空词器室内控制系统框图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-9 风机移相控制电路图10-10 风机的移相控制电压波形(阴形部分)10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-11 过零检测电路10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 （2）室内机组软件系统设计u空调器室内机组软件控制系统的子程序包括三个层次。u高层次有制冷子程序、除
19、湿子程序、快速超静子程序、应急控制子程序。u中间层次有风机速度控制子程序、风门步进电机控制子程序、红外遥控指令输入捕捉中断服务于程序、实时时钟中断服务子程序、IRQ外部中断服务子程序u最低层次有串行通信子程序、数据采集及滤波子程序、延时子程序、报警提示于程序、模糊推理机等。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 5）空调器室外机控制系统设计 1)变频式热泵型空调路的制冷系统u空调器制冷运行时，是根据蒸汽压缩式制冷原理，来自室内机蒸发器中的低压气体被压缩机吸入并压缩成高温高压气体，经室外热交换器和轴流风扇的作用下，被外界空气冷凝成高压液体再经电子膨胀阀节流后成为气液购相共存物，并在蒸发器内吸
20、热蒸发成低压蒸气，然后再被吸入压缩机。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-12 变频式热泵型空调器制冷原理图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 2）空调器室外机控制系统设计要求u空调器压缩机对控制系统的要求是，空调器开始运行时，压缩机缓慢提高转速，避免大电流对电网的冲击。若室温与设置温度相差过大，压缩机在较高转速下工作，空调器对压缩机频率要求是20Hzl20Hz。u空调器的主要基本技术参数如下：u(1)最大制冷量：2500W。u(2)最大制热量：2500W。u(3)最大消耗功率：900W。u(4)最大能效比：3.0。u(5)变频范同：20Hz120Hz。10.2 机电光仪
21、一体化产品开发实例及应用 3）室外机控制系统硬件设计u室外机主要完成以下功能：u 综合室内制冷数据，从串行通信口接收数据，对压缩机进行变频调速。u根据室内机传送的数据控制电于膨胀阀。u检测室外环境温度、冷凝器温度、压缩机温度和压缩机工作是否正常，并将数据回送给室内机。u制室外机双速风扇电机。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-13 主电路原理图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-14 控制电路原理图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 4）室外机控制系统软件设计u室外机控制系统软件可分为压缩机变频控制模块，与室内机的通信模块和信号采集、控制输出三大模块。其中变
22、频控制软件是室外机控制系统的核心。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-15 室外机控制软件的主程序流程图图10-16 PWM中断服务程序流程图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-17 脉冲宽度计算子程序流程图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 10.2.3 基于GPS的交通管理系统 1)GPS系统组成u GPS系统包括三大部分：地面控制部分地面监控系统；空间部分GPS卫星星座；用户设备部分GPS信号接收机。GPS卫星星座 GPS工作卫星图10-18 GPS卫星星座和工作卫星u（1）GPS工作卫星及其星座u由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，
23、记作(21+3)GPS星座。u（2）地面监控系统uGPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。u（3）GPS信号接收机 uGPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 2）GPS在空中交通管制(ATC)中的应用 （1）GPS辅助ATC系统概述u在20世纪的最后10年中，世界空中交通平均年增长6.6，2000年欧洲的航空客运量比1986年增加了1倍。u空中交通管理系统(ATC)的目的，就是要采用高度自动化的指挥和管制系统，保证飞机安全、有序地飞行，进而增
24、强民航营运能力、提高民航效益。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 （2）GPS辅助ATC的性能与类型u为了实现ATC系统所需要达到的性能指标，ATC系统对导航、监视和数据通信三部分有相应的要求。GPS和通信卫星构成的全球导航卫星系统具有全球覆盖、全天候的定位和通信能力。这是采用卫星系统辅助ATC系统诸多优点的主要方面。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-19 GPS辅助ATC空间基系统原理图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用u(3)GPSATC的导航、监视和数据通信 图10-20 GPS辅助的空管系统原理图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-21数据
25、通信格式示意图 10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用u(4)GPS/ATC的机载系统 图10-22 ATC机载系统结构框图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用u(5)ATC的地面系统图10-23 ATC地面系统结构框图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用10.2.4 曲臂光电综合测量系统图10-24 曲臂零件及被测量参数示意图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用1、系统的组成与总体布局 主体精密机械系统 模块式激光检测系统 光栅位移与转角测量系统 伺服控制系统 基于虚拟仪器的计算机实时数据处理与控制系统 虚拟仪器软件系统10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-
26、25 曲臂光电综合测量机总体布局图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用2、被测参数测量原理 直径测量原理曲臂各轴颈部位直径测量原理图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 径向圆跳动误差测量原理 有模拟法、直接法、分析法三种方法，因为曲臂形状比较复杂、体积大、重量大，只有采用分析法模拟出基准轴线，才能获得高精度的测量结果。分析法主要利用最小二乘圆法来求出基准的空间位置。得出圆心坐标min)(21RRNii图10-27 最小二乘圆示意图O ab（，）10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 d1 段外圆相对d2 段轴线基准的各点跳动量为：所求圆跳动量为：图10-28 测量圆跳动示意图
27、22baearctanba)cos(112iiieRRmin12max1212RRt10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-29 圆跳动测量原理示意图 首先通过标准样件调整激光位移检测系统，使其测量头前端面与工件的垂向轴线平行，并根据测量半径的大小调整测量系统与回转中心的距离Hc，之后将工件的测量段放置在测量区内，由激光位移检测系统测量出hc。ccRHh10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-30 径向圆跳动误差测量流程框图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 花键内径定心圆柱面径向跳动误差测量原理 图10-31 花键内径定心圆柱面径向圆跳动误差测量原理示意图10.2
28、 机电光仪一体化产品开发实例及应用 平行度误差测量原理 狭缝激光扫描平行度误差检测原理图cc2DHh10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-33 平行度测量示意图21H1tanFFFaaL21V1-tanFFFbbL21H1FFFbbL21V1FFFbbLV4V3V2GGGbbLH4H3H2GGGbbLHHHGFVVVGFHHfLVVfL22HVfff总10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-34 平行度测量的原理流程图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-34 曲臂光电综合测量机的实物图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用10.2.5 激光扫描圆度误差测
29、量系统1、圆度测量原理图10-35 激光扫描狭缝原理图iihHR1,2,3,imLminmaxRRR0()ditihv tt2cos(1 cos()2()cos()cos2()tvtfRtt 10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用图10-36 测量系统总体结构图10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用2、工件安装偏心误差的检测图10-37 基于LabVIEW的数据采集与处理软件框图程序)sincos()sincos()sincos(2)(12110nbnanbnabaaRnknnnknn)sincos()sincos(2)(2110nbnabaaRnknn10.2 机电光仪一体化产品开发
30、实例及应用3、实验结果与分析 利用上述系统，对一个标准件进行了实际测量(圆度误差检定值 0.0120mm)。其结果标准差 0.00021mm；重复性精度2 0.00042mm。系统的测量误差优于1m。由于该系统的测量方法是一种非接触式测量，不存在测量力的问题，工件安装偏心和表面粗糙度对圆度测量的影响可通过计算机自动消除，所以影响系统测量精度的主要因素是主轴回转精度和狭缝扫描的尺寸测量精度。0R10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用10.2.6 管道直线度光电检测系统图10-38 管道直线度检测系统的结构图1、直线度光电检测的结构与工作原理 系统主要由激光器1、调整机构2、定位机构3、光学准
31、直系统4、光电靶5、炮膛爬行器6、电缆线7和计算机等组成。光电靶的中心是四象限硅光电池，光电靶的定心机构同管道身管内壁为滑配合。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用激光准直系统及定位机构2、检测系统的组成 激光准直系统 1定位螺钉 2外定位环3内定位环 4光学准直系统 5激光器壳体6激光器 7定位螺钉10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 光电靶 图10-40 光电靶定位机构 图10-39 四象限光探测器2CR81-4型四象限硅光电池 光电靶定位机构由光电靶座1 、光电池2、光电池座3、定位轴承4、重锤5、弹簧6和滑轮7组成。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用 图10-41
32、四象限光电池的和差连接)()()(3241xKfSSSSKUx1234()()()yUK SSSSKf y 当偏离较小时，可得到很好的线性度。故本系统采用和差比幅式方法提取直线度误差信息。非线性部分由计算机进行补偿。10.2 机电光仪一体化产品开发实例及应用本章小结u机电光仪一体化技术的发展水平是一个国家技术水平的标志，在一定程度上反映了该国的技术经济实力。u机电光仪一体化已经显示出了强大的生命力，并正以空前的速度和力度冲击着传统的技术思想、生产方式和方法以及传统的机电产品和产业结构，国民经济的各个领域都将因此而发生深刻变革。u机电光仪一体化是科学技术发展的必然趋势，并将成为2l世纪的主流技术之一。
