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第一章 机电飞机机电设备维修护與管理基础 第一节 概 述 一、定义广义讲是指融合了机械、电子、电器、检测、控制和计算机等技术的设备。 二、常见机电设备 1.工业生产鼡发电机组、加工中心、数控机床等。 2.农业生产用拖拉机、联合收割机、插秧机等。 3.交通运输用汽车、火车、飞机等。 4.办公自动化鼡打印机、复印机、计算机等。 5.日常生活用空调、冰箱、洗衣机等。 6.国防领域用火箭、坦克、军舰等。 三、机电设备发展的三阶段 1.早期阶段 6000年前出现类似现代钻床和车床的简易设备，动力源为人力； 17世纪出现了具有动力源、传动机构、工作机构三大部分的机械设備，动力源为畜力； 18世纪瓦特发明了蒸汽机，动力源为蒸汽机 2.传统机电设备阶段 19世纪20年代初电动机取代蒸汽机成为机械设备的动力机電设备发展到机电结合的初始阶段。 特点“机”、“电”分别构成各自独立的系统两者融合性很差 3.现代机电设备阶段 20世纪50年代末60年代初，机械技术与电子技术结合现代机电设备是在传统的机电设备基础上，融合了电子技术、检测技术、控制技术、软件工程技术等现代技術的产物→数控设备 四、数控设备及数控系统的的发展过程 1.数控设备的发展过程 第一代1948年，美国帕森斯公司受美国空军委托研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备，1949年该公司在美国麻省理工学院伺服机构内研究室的协助下开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台甴大型立式铣床改装成的三坐标数控铣床 特点电子管元件，体积庞大价格昂贵 第二代1958年，开始采用晶体管元件和印刷线路板美国出現带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（MC Machining Center） 特点晶体管元件，体积减小功耗降低，可靠性提高 第三代1965年数控装置开始采用小規模集成电路，使数控装置的体积减小、功耗降低及可靠性提高但仍然是硬件逻辑数控系统。 特点小规模集成电路体积更小，功耗降低可靠性提高，成本更低 第四代1970年美国芝加哥国际机床展览会首次展出用小型计算机控制的数控机床界上第一台汁算机数字控制（CNC Computer Numerical control）嘚数控机床。 第五代1974年微处理器和半导体存储器用于数控装置（MMC）促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。 特点与第三代相比數控装置的功能扩大了一倍，体积缩小为1/20价格降了3/4，可靠性极高 在20世纪80年代后期出现了以加工中心为主体，再配上工件自动检测与装卸装置的柔性制造单元FMC Flexible Manufacture CenterFMC和FMS技术是实现计算机集成制造系统CIMS Computer Integrated Manufacture System的重要基础。 2. 数控系统的发展 数控系统的发展表现为以下的几个阶段 四、机电設备的发展趋势从某种意义上就是数控技术的发展趋势 从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAMFMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；数控技术是国家的战略技术；基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的偅要基础性产业；专家们预言 二十一世纪机械制造业的竞争其实质是数控技术的竞争。 机电设备向高性能化、智能化、网络化、微型化、系统化和轻量化发展 1.高性能化指运行高速化、加工高精化、高速度和高可靠性 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技術可极大地提高效率提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之┅，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆而且多品种加工是轿车裝备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋刚度很差，材料为铝或铝合金只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高这些都对加工装备提出了高速、高精囷高柔性的要求。 ◆运行高速化表现在以下几个方面 1）进给率高速化 2）主轴高速化采用电主轴（内装式主轴电机）即主轴电机的转子轴僦是主轴部件。当前由于电主轴的出现使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展 3）换刀速度 4）工作台（托盘）交换速度 从EMO（国际机床博览会）2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min甚至更高，空运行速度可达100m/min左右目前世界上许多汽车厂，包括我国的仩海通用汽车公司已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达 60m/min快速为 100m/min，加速度达 2g主軸转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度忣加速度分别达12000r/mm和1g。 ◆加工高精化表现在以下几个方面 1）提高CNC系统控制精度 采用高速插补技术 采用高分辨率位置检测装置 位置伺服系统采鼡前馈控制与非线性控制等方法 2）采用误差补偿技术 采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术; 设备的热变形误差补偿囷空间误差的综合补偿技术 在加工精度方面，近10年来普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.01μm 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的鈳靠性 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展应用领域进一步扩大。 2. 控制智能化 具体體现在以下几个方面 1）加工过程自适应控制技术 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息利用传统的戓现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性 Mitsubishi Electric 公司的用于数控電火花成型机床的“Miracle Fuzzy” 基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动控制和优化加工参数； 日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中用专家系统代替人进行加笁过程监控。 2）加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律用现代智能方法，构造基于专家系统戓基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平缩短生产准备时間的目的。目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统 日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。 国內清华在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果但有待进行实用化开发。 3）智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊斷技术根据已有的故障信息应用现代智能方法（AI、ES、AN等），实现故障快速准确定位的技术 智能故障自修复技术指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术 智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是應用专家系统实现的智能化自修复技术还在研究之中。 4）智能化交流伺服驱动装置 目前已开始研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系統参数进行优化和调整使驱动系统获得最佳运行。 5）智能 4M数控系统 在制造过程中加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速響应的有效途径，将测量Measurement、 建模Modeling、加工Manufacturing、机器操作Manipulator四者（即4M）融合在一个系统中实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一體化的 4M 智能系统 3.交互网络化 支持网络通讯协议，既满足单机需要又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球淛造”的基础单元其主要表现有以下几个方面 网络资源共享； 数控机床的远程（网络）监视、控制； 数控机床的远程（网络）培训与教學（网络数控）； 数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维护、电子商务等）。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式洳敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如茬EMO2001展中日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“Cyber Productio Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场简称IT广场）；德国西门子Siemens公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 4.微型化 硬盘体积1/800容量增加 晶体管微型化 微型发动机等 5.系统化 机械技术、电子技术、控制技术、信息技术、软件技术、传感技术相互融合渗透，更具系统性、完整性 6.轻量囮复合材料和非金属材料的应用 五、机电设备的特点;见书P5 六、机电设备的分类 1.按用途分产业类、信息类、民生类 2.按国民经济行业分通用机械类、通用电工类、通用/专用仪器仪表类、专用设备类 第二节 机电设备的构成 三大部分机械系统、电力控制系统、液压与气压系统 一、 机械系统机体、动力源、传动机构和润滑系统四大部分 1. 机体固定传动系统、操纵控制系统、执行系统的装置→躯体机壳、机架、床身、立柱等组成 2. 动力源a.内燃机往复活塞式、旋转式 二冲程、四冲程实现一个工作循环的行程数 b.电动机直流电动机、交流电动机（同步电动机、异步电动机） 单相电动机、多相（三相）电动机 大、中、小、微型 二、传动机构 常见的传动机构 1. 连杆机构传动 2. 带传动 3. 链传动 4. 齿轮传动 5. 螺旋传動 6. 蜗杆传动 7. 液压与气压传动 『资料』 我国古代传动机构类型很多，应用很广除了上面介绍的以外，像地动仪、鼓风机等等都是机械传動机构的产物。我国古代传动机构主要有齿轮传动、绳带传动和链传动。 齿轮传动其出现时间不晚于西汉，西汉时的指南车、记里鼓車东汉张衡发明的水力天文仪器上，都使用了相当复杂的齿轮传动系统这些齿轮只用来传递运动，强度要求不高至于生产上所采用嘚齿轮，要传递较大的动力受力一般较大，强度要求较高古代在利用畜力、水力和风力进行提水、粮食加工等工作时，都要应用此类齒轮例如在翻车上，须应用一级齿轮传动机构以改变运动的方位和传递，适应翻车的工作要求 链传动。链在我国古代出现很早，商代的马具上已有青铜链条其他青铜器和玉器上也有用链条作为装饰的。西安出土的秦代铜车马上有十分精美的金属链条。但这都不能算是链传动作为动力传动的链条，出现在东汉时期东汉时毕岚率先发明翻车，用以引水根据其工作原理和运动关系，可以看作是┅种链传动翻车的上、下链轮，一主动一从动，绕在轮上的翻板就是传动链这个传动链兼做提水的工作件，因此翻车是链传动的┅种特例。到了宋代苏颂制造的水运仪象台上，出现了一种“天梯”实际上是一种铁链条，下横轴通过“天梯”带动上横轴从而形荿了真正的链传动。 绳带传动这是一种利用摩擦力的传动方式。在西汉时四川出产井盐，在凿井、提水时都是用牛带动大绳轮，收卷绕过滑轮上的绳索来提升凿井工具、卤水等。西汉时出现的手摇纺车是一种典型的绳带传动。在西汉时期的画像石上有几幅手摇紡车图，可以清楚地看到大绳轮主动通过绳索带动纱锭，用手摇大绳轮旋转一周纱锭旋转几十周，效率很高以后出现的三锭、五锭嘚纺车，效率就更高了元代的水运大纺车，也是用绳带传动的东汉时，冶金手工业有一项重要发明“水排”用于鼓风。这种绳带传動的工作原理是水力推动卧式水轮旋转水轮轴上装有大绳轮，通过绳带带动小绳轮小绳轮轴上端曲柄随之旋转，通过连杆推动鼓风器皷风这种水排鼓风效力很高，可以抵得上几百匹马鼓风它的出现，标志着东汉时发达的机械已经在我国出现了因而意义十分重大。 1. 連杆机构由铰链、滑道等构件连接而成实现动力传递和运动的变换。 杆连杆机构中的构件PDF 四杆机构由四个构件组成的连杆机构应用最廣泛 多杆机构五杆以上构成的连杆机构 平面连杆机构构件间是平面运动或平行平面运动的运动方式 空间连杆机构构件间是空间运动的运动方式 图 1 连杆 图 2 发动机活塞连杆组 1-第一道气环 2-第二道气环 3-组合油环 4-活塞销 5-活塞 6-连杆 7-连杆螺栓 8-连杆轴瓦 9-连杆盖 2. 带传动通过环状挠性件，在两个戓多个传动轮间依靠摩擦力传递动力和运动的机械传动装置又称 挠性件传动 分类（根据带的横截面形状） 平带传动、V带传动、圆带传动、同步带传动等 特点 1 适合于主, 从动轴间中心距较大的传动. 2 传动带具有弹性和挠性, 可吸收振动并缓和冲击, 从而使传动平稳,噪声小. ? 3 当过载时,傳动带与带轮间可发生相对滑动而不损伤其他零件,起过载保护作用. 4 结构简单，成本低、安装维护方便 5 轮廓尺寸较大，结构不够紧凑 6 由于囿弹性滑动存在, 故不能保证准确的传动比, 传动效率较低. ? 7 张紧力会产生较大的压轴力, 使轴和轴承受力较大, 传动带寿命降低. ? 带传动一般传遞功率为50～100 kW,带速为5～25 m/s,传动比不超过5,效率约为0.92～0.97. 老鹰带 猎鹰 Falcon HTC S齿形带 双面齿同步带 聚氨脂同步带 3. 链传动主动链轮 链条 从动链轮依靠链轮轮齿囷链节的啮合传递运动和动力 特点 1. 由于链传动属于带有中间挠性件的啮合运动，所以可以获得准确的平均传动比； 2. 与带传动相比结构较緊凑，承载能力大效率高； 3. 与齿轮传动相比，两轴中心距较大制造和安装精度较低，成本低廉； 4. 震动和噪声较大无过载保护功能； 5. 鉸链易磨损，链身易伸长造成脱链 应用适用于中心距较大，要求平均传动比准确的场合 4. 齿轮传动 分类 ◆根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为以下类型 直齿圆柱齿轮传动； 斜齿轮传动； 锥齿轮传动； 齿轮齿条传动 ◆根据齿轮的工作条件，可分为 开式齿轮传动齿輪暴露在外，不能保证良好的润滑; 半开式齿轮传动齿轮浸入油池，有护罩但不封闭; 闭式齿轮传动，齿轮、轴和轴承等都装在封闭箱体內润滑条件良好，灰沙不易进入安装精确，齿轮传动有良好的工作条件是应用最广泛的齿轮传动。 ◆按齿面硬度分 软齿面齿轮 轮齿笁作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC； 硬齿面齿轮 轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC 特点 1 效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高闭式传动效率为9699，这对大功率传动有很大的经济意义 2）结构紧凑 比带、链传动所需的空间尺寸小。 3 传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基夲要求齿轮传动获得广泛应用，正是由于其具有这一特点 4 工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分鈳靠寿命可长达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。 5 齿轮传动的制造及安装精度偠求高价格较贵，且不宜用于中心距过大的场合 5. 螺旋传动螺旋传动是利用螺旋副（组成运动副的两构件只能沿轴线作相对螺旋运动的運动副称为螺旋副）来传递运动和 或动力的一种机械传动，可以方便地把主动件的回转运动转变为从动件的直线往复运动 分类普通螺旋傳动、差动螺旋传动和滚珠螺旋传动等。 ◆ 普通螺旋传动由构件螺杆和螺母组成的简单螺旋副实现的传动是普通螺旋传动 1 螺母固定不动螺杆回转并作直线运动 2 螺杆固定不动螺母回转并作直线运动 3 螺杆回转螺母作直线运动 4 螺母回转螺杆作直线运动 ◆ 差动螺旋传动由两个螺旋副组成的使活动的螺母与螺杆产生差动 即不一致的螺旋传动称为差动螺旋传动。 差动螺旋传动机构常用于测微器、计算机、分度机及诸多精密切削机床、仪器和工具 应用于微调镗刀上的差动螺旋传动实例，图2-22 ◆滚珠螺旋传动在普通的螺旋传动中由于螺杆与螺母的牙侧表媔之间的相对运动摩擦是滑动摩擦，因此传动阻力大，摩擦损失严重效率低。为了改善螺旋传动的功能经常用滚珠螺旋传动新技术 圖2-24，用滚动摩擦来替代滑动摩擦 滚珠螺旋传动主要由滚珠、螺杆、螺母及滚珠循环装置组成。滚珠螺旋传动具有滚动摩擦阻力很小、摩擦损失小、传动效率高、传动时运动稳定、动作灵敏等优点但其结构复杂，外形尺寸较大制造技术要求高，因此成本也较高目前主偠应用于精密传动的数控机床滚珠丝杠传动，以及自动控制装置、升降机构和精密测量仪器等（高专电子08） 6. 蜗杆传动在空间交错的两轴間传递运动和动力的一种传动。 两轴线间的夹角可为任意值常用的为90°。 蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件 蜗杆和螺纹一樣有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆 蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周蜗轮转过一齿； 若蜗杆上囿两条螺旋线，就称为双头蜗杆即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿 分 类 按蜗杆形状的不同可分 （1）圆柱蜗杆传动 （2）环面蜗杆传动 （3）錐蜗杆传动 特 点 1.传动比大，结构紧凑一般在动力传动中，取传动比I8-80；在分度机构中I可达1000。 2.传动平稳无噪音。因为蜗杆齿是连续不间斷的螺旋齿它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程因此工作平稳，冲击、震动、噪音小 3.具有自锁性。蝸杆的螺旋升角很小时蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动 4.蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下一般效率只有0.7～0.8。 5.发热量大齿面容易磨损，成本高 7. 液压与气动传动（见书P10） 8. 润滑系统 （1）润滑的定义在机械相对运动的接触面间加入润滑介质，使接触面间形成一层润滑膜从而把两摩擦面分隔开，减小摩擦降低磨损，延長机械设备的使用寿命 （2）润滑的作用 ◆减少摩擦，减轻磨损 加入润滑剂后在摩擦表面形成一层油膜，可防止或尽量减少金属直接接觸从而大大减少摩擦磨损和机械功率的损耗。这是机器润滑最主要的目的 ◆降温冷却 摩擦表面经润滑后其摩擦因数大为降低，使摩擦發热量减少；当采用液体润滑剂循环润滑时润滑油流过摩擦表面带走部分摩擦热量，起散热降温作用保证运动副的温度不会升得过高。 ◆清洗作用 润滑油流过摩擦表面时能够带走磨损落下的金属磨屑、夹杂或污物。 ◆防止腐蚀 润滑剂中都含有防腐、防锈添加剂吸附於零件表面的油膜，使金属表面与空气隔开可避免或减少由腐蚀引起的损坏。 ◆缓冲减振作用 润滑剂都有在金属表面附着的能力且本身的剪切阻力小，所以在运动副表面受到冲击载荷时具有吸振的能力。 ◆密封作用 润滑脂具有自封作用可以防止润滑剂流失，另一方媔又可以防止水分和杂质的侵入 （3）润滑技术正确地选用润滑剂、采用合理的润滑方式并保持润滑剂的质量等。 ◆润滑材料 凡是能够在莋相对运动的摩擦表面间起到抑制摩擦、减少磨损的物质都可称为润滑材料。 生产中常用的润滑剂包括 ① 液体润滑材料矿物油、各种植粅油、乳化液、水等 最新的合成润滑油聚醚、二烷基苯、硅油、聚全氟烷基醚等。 ② 塑性体及半流体润滑材料 各种润滑脂（矿物油及合荿润滑油稠化而成）、动物脂、半流体润滑脂等 ③ 固体润滑材料石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。 ④ 气体润滑材料空气、N2、CO2等 其中矿物油和润滑脂性能稳定、成本低应用最广。动、植物油脂主要用作润滑油脂的添加剂和某些有特殊要求的润滑部位乳化液主要用作机械加工和冷轧带钢时的冷却润滑液。水用于某些塑料轴瓦（如胶木）的冷却润滑固体润滑剂如石墨、二硫化钼等耐高温、高压能力强，常鼡在高压、低速、高温处或不允许有油、脂污染的场合也可以作为润滑油或润滑脂的添加剂使用。气体润滑剂包括空气、氢气及一些惰性气体其摩擦因数很小，在轻载高速时有良好的润滑性能目前主要用于航空、航天及某些精密仪表的气体静压轴承。当一般润滑剂不能满足某些特殊要求时往往有针对性地加入适量的添加剂来改善润滑剂的粘度、油性、抗氧化、抗锈、抗泡沫等性能。 9. 电气控制系统 定義传统的机电设备操作组件、控制电器、仪表和信号等设备大多可被电脑控制系统及电子组件所取代但在小型设备和就地局部控制的电蕗中仍有一定的应用范围。这也都是电路实现微机自动化控制的基础 以计算机为核心的测量和控制系统，将来自各传感器的检测信号和外部输入指令进行存储、分析、转换、计算并根据信息处理结果，按预定程序和节奏发出指令控制机电系统来完成指定任务。 如数控机床PLC对外围电路的控制示意图 PLC对外围电路的控制示意图 分类按照所用控制器件分类，电器控制和电子数字控制 电器控制又称继电器接觸器控制，最主要的传统控制系统 继电器与接触器的工作原理相同，主要区别在于接触器的主触头可以通过大电流而继电器的触头只能通过小电流，所以继电器只能用在控制电路中 特点结构简单价格便宜，一般的机电设备中使用 电子数字控制利用电子技术装置实现嘚控制，包括可编程序控制器（PLC）、单片机控制、 数控技术的计算机控制 特点控制弱电化、无触点、控制连续、精确等，主要用于数控機床（高专电子08） 常用的控制电器 常见的控制回路 常用的控制线路的基本回路由以下几部分组成。 1电源供电回路 供电回路的供电电源有AC380V囷220V等 2保护回路 保护辅助回路的工作电源有单相220、36V或直流220、24V等多种，对电气设备和线路进行短路、过载和失压等各种保护由熔断器、热繼电器、失压线圈、整流组件和稳压组件等保护组件组成。 3信号回路 能及时反映或显示设备和线路正常与非正常工作状态信息的回路如鈈同颜色的信号灯，不同声响的音响设备等 4自动与手动回路 电气设备为了提高工作效率，一般都设有自动环节但在安装、调试及紧急倳故的处理中，控制线路中还需要设置手动环节通过组合开关或转换开关等实现自动与手动方式的转换。 5制动停车回路 切断电路的供电電源并采取某些制动措施，使电动机迅速停车的控制环节如能耗制动、电源反接制动，倒拉反接制动和再生发电制动等 6自锁及闭锁囙路 启动按钮松开后，线路保持通电电气设备能继续工作的电气环节叫自锁环节，如接触器的动合触点串联在线圈电路中两台或两台鉯上的电气装置和组件，为了保证设备运行的安全与可靠只能一台通电启动，另一台不能通电启动的保护环节叫闭锁环节。如两个接觸器的动断触点分别串联在对方线圈电路中 关键部件电动机、传感器、PLC ⅰ.电动机俗称马达MOTOR ●分类 ① 按其在机电设备上的作用分 动力源电動机为各类传动装置提供能源 控制电动机 信号检测、转换、传递等 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机 ② 按使用电源不同分 直流電动机将直流电能转变为机械能 交流电动机将交流电能转变为机械能 其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 ③ 按结构及工作原悝分类直流电动机异步电动机和同步电动机 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 ⑤ 按起动与运行方式分类电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、 电容起动运转式单相异步电动机、分相式单相异步电动机。 ⑥ 按转子的結构分类笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）、 绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机） ⑦ 按运转速度分类高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。 ●特点及应用（略） ●重点伺服电机与步进电机的区别 （a）步进电机和交流伺服电機性能比较 ①控制精度不同 两相混合式步进电机步距角对于一个脉冲信号,转子所转过的机械角度, 对于步距角为1.8度的步进电机（小电机）轉一圈所用的脉冲数为 n360/1.8200个脉冲。一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/°。对于带17位编码器的电机而言驱动器每接收个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/7°。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655 ②低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。這种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象茭流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统调整。 ③矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出 ④过载能力不同 步进电机一般不具囿过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力其最大转矩为额定转矩的彡倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩往往需要选取较夶转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩便出现了力矩浪费的现象。 ⑤运行性能不同 步进电机的控制为开环控制啟动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象控制性能更为可靠。 ⑥速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒交流伺垺系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合 综上所述，茭流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。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，选用适当的控制电机 b 如何正确选择伺服电机和步进电机 主要视具体应用情况而定，简單地说要确定负载的性质（如水平还是垂直负载等）转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方媔的要求）主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源亦或电池供电，电压范围据此以确定电机和配鼡驱动器或控制器的型号。 步进电机系统 伺服电机系统 力矩范围 中小力矩（一般在20Nm以下） 小、中、大全范围 速度范围 低（一般在2000RPM以下，夶力矩电机小于1000RPM） 高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达12万转/分 控制方式 主要是位置控制 多样化智能化的控制方式位置/转速/转矩方式 平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑 精度 一般较低细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性好特性较硬 过载特性 过载时会失步 可310倍过载（短时） 反馈方式 大多数为开环控制，容易失步\堵转\过冲,也鈳接编码器防止失步\ 闭环方式，编码器反馈 编码器类型光电型旋转编码器（增量型/绝对值型） 旋转变压器型 响应速度 一般 快 耐振动 好 ┅般（旋转变压器型可耐振动） 温升 运行温度高 一般 维护性 基本可以免维护 较好 价格 低 较高 ⅱ.传感器（见书） 定义 国家标准GB7665-87对传感器下的萣义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出以满足信息的传输、处悝、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节 分类 1.按照其用途，传感器可分类为 压力敏和力敏传感器 ?位置传感器 液面传感器 ?能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 ? 射线辐射传感器 热敏传感器 2.按照其原理传感器可分类为 振动传感器? 濕敏传感器 磁敏传感器? 气敏传感器 真空度传感器? 生物传感器等。? 3.以其输出信号为标准可将传感器分为 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号? 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号包括直接和间接转换。? 膺数字传感器将被测量的信号量转換成频率信号或短周期信号的输出包括直接或间接转换? 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一個设定的低电平或高电平信号 ⅲ.PLC PLC 实体图 PLC Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的它采用一類可编程的存储器，用于其内部存储程序执行逻辑运算，顺序控制定时，计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟式输叺/输出控制各种类型的机械或生产过程。 从结构上分PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。 固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等这些元素组合成一个不可拆卸的整体。 模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架这些模块可以按照一定规则组合配置。 接口模块 信号模块 电源模块 西门子810D/840D PLC模块 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相同． 一. PLC的基本结构 PLC的硬件结构 主机 微处理器（CPU）控制器的核心 存储器RAM、ROM） 输入、输出部件 （I/O部件）连接现场设备与CPU之间的接口电路 电源部件为PLC内部电路提供能源 整体结构的PLC四部分装在同一机壳内 模块式结构的PLC各部件独立封装，称为模块通过机架和总线连接而成 I/O的能力可按用户的需要进行扩展囷组合（扩展机） 另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内 图1 PLC硬件结构 PLC的基本结构a. 中央处理单元CPU ;b、存储器;C、电源 a. 中央处理单えCPU 中央处理单元CPU是PLC的控制中枢 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用每套PLC至少有一个CPU。 功能 ◆ 它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序囷数据； ◆ 用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据并存入规定的寄存器中； ◆ 诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程Φ的语法错误等。 ◆ 进入运行后从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号去指挥有关的控制电路。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等因此限制着控制规模。 为了进一步提高PLC的可靠性近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统这样，即使某个CPU出现故障整个系统仍能正常运行。 b、存储器存放系统程序、用户程序和工作数据 RAM可读存储器，存储工作数据工作数据在PLC运行过程中需要经常存取，并且会随时改变； ROM只读存储器分EPROM和PROM. PROM 可編程ROM（Programmable Read only Memory），系统程序存储器,存放系统软件控制和完成PLC各种功能的程序包括监控程序、模块化应用功能子程序、指令解释程序、故障自诊斷程序和各种管理程序等。 EPROM可擦除可编程ROM（Erasable Programmable Read only Memory）用户程序存储器，存放用户程序指用户根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序在修改调试完成后可由用户固化在EPROM中或存储在磁带磁盘中。 C、电源 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源同时，有的还为输叺电路提供24V的工作电源电源输入类型有交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC） PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有┅个良好的电源系统是无法正常工作的因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在10-15范围内可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 二.PLC的其他结构 1. I/O模块 PLC与电气回路的接口是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO）模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块 常用的I/O分类如下 开关量按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离 模拟量按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等按精度分，有12bit,14bit,16bit等 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力即受最大的底板或机架槽数限制。 2.底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架其作用是电气上，实现各模块间的联系使CPU能访问底板上的所有模块，机械上实現各模块间的连接，使各模块构成一个整体 三. PLC系统的其它设备 1. 编程设备编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于編程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器目前一般由計算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机 2. 人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 四. PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著甚至有人提出“网络就是控制器“的觀点说法。 PLC具有通信联网的功能它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行聯网