机电毕业论文-浅析传感器在机电一体化中的应用.doc

浅析传感器在机电一体化中的应用 姓 名: 学 号: 年 级: 2011级 所 在 系 名 称: 专 业 名 称: 机电一体化工程 指导教师姓名: 指导教师职称: 副教授 摘 要 2 前 言 4 第一章 传感器在机电一体化系统中的作用及地位 5 1.1 机器人用传感器 5 1.2 机械加工过程的传感检测技术 5 1.3 采集系统中传感技术 6 第二章 机电一体化系统中传感器的选择 6 2.1 数控机床对传感器的要求 7 2.2 位移的检测 7 2.3 位置的检测 8  HYPERLINK \l "_Toc309067564" 2.4 速度的检测  PAGEREF _Toc309067564 \h 8  HYPERLINK \l "_Toc309067565" 2.5 压力的检测  PAGEREF _Toc309067565 \h 9  HYPERLINK \l "_Toc309067566" 2.6 温度的检测  PAGEREF _Toc309067566 \h 9  HYPERLINK \l "_Toc309067567" 2.7 刀具磨损的监控  PAGEREF _Toc309067567 \h 10  HYPERLINK \l "_Toc309067568" 第三章 我国传感器技术的发展趋势  PAGEREF _Toc309067568 \h 10  HYPERLINK \l "_Toc309067569" 3.1 与国外的差距  PAGEREF _Toc309067569 \h 10  HYPERLINK \l "_Toc309067570" 3.2 今后的发展趋势  PAGEREF _Toc309067570 \h 11  HYPERLINK \l "_Toc309067571" 结 论  PAGEREF _Toc309067571 \h 13  HYPERLINK \l "_Toc309067572" 参考文献  PAGEREF _Toc309067572 \h 14  HYPERLINK \l "_Toc309067573" 致 谢  PAGEREF _Toc309067573 \h 15 摘 要 在机电一体化系统中，传感器处系统之首，其作用相当于系统感受 器官，能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验，是机电一体化系统达 到高水平的保证。如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动 检测，系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。文章概述传感器 研究现状与发展，探讨传感器在机电一体化系统中的应用，并分析我国传感 器技术发展的若干问题及发展方向。 关键词：传感器技术，机电一体化，应用 THE SENSOR TECHNOLOGY APPLICATION IN MECHATRONICS SYSTEM AND ITS DEVELOPMENT ABSTRACT In mechatronics system, where the sensor system, the role of the equivalent system feeling Organs, can quickly and accurately to obtain information and can withstand harsh environment test, is electromechanical integration system reaches To a high level of assurance. Such as lack of these sensors on the system state and accurate and reliable information to be automatic Testing, the system's information processing, control decision-making functions cannot talk about and realization. This article summarizes the sensor Research situation and development, discusses the sensors in the electromechanical integration system, and analyzes the application of sensor Implement technology development certain problems and development direction. KEY WORDS:sensor technology，Optic-mechanical integration，application 前 言 从20世纪80年代起，逐步在世界范围内掀起一股“传感器热”，各先进工业国都极为重视传感技术和传感器研究、开发和生产。传感技术已成为重要的现代科技领域，传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。 传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。 传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。 第一章 传感器在机电一体化系统中的作用及地位 在机电一体化系统中，传感器处系统之首，其作用相当于系统感受器官，能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验，是机电一体化系统达到高水平的保证。如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动检测，系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现[2]。 传感器是左右机电一体化系统（或产品）发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化产品之中。 1.1 机器人用传感器 工业机器人之所以能够准确操作，是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态，包括：其自身状态信息的获取通过内部传感器（位置、位移、速度、加速度等）来完成，操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现，这个过程非常重要，足以为机器人控制提供反馈信息。 1.2 机械加工过程的传感检测技术 （1）切削过程和机床运行过程的传感技术。 切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或（金属）材料的切除率等。切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。对于机床的运行来讲，主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等，其传感参数有机床的故障停机时间、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。 　　 （2）工件的过程传感。 与刀具和机床的过程监视技术相比，工件的过程监视是研究和应用最早、最多的。它们多数以工件加工质量控制为目标。20世纪80年代以来，工件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。粗略地讲，工序识别是为辨识所执行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件识别是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同时还要求辨识工件安装的位姿是否是工艺规程要求的位姿。此外，还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器，如基于TV或CCD的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。 （3）刀具,砂轮的检测传感。 切削与磨削过程是重要的材料切除过程。刀具与砂轮磨损到一定限度（按磨钝标准判定）或出现破损（破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称），使它们失去切（磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时，称为刀具/砂轮失效。工业统计证明，刀具失效是引起机床故障停机的首要因素，由其引起的停机时间占NC类机床的总停机时间的1/5-1/3.此外，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。 1.3 采集系统中传感技术 在产业控制现场，经常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、湿度、气压等，并将这些数据采集模块采集的数据传输到主机进行处理，由主机根据处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操纵。传感器将采集到的数据进行转换，转转成4~20mA的电流或1~5V的电压。使人们很容易采集，从而实现了非电量转换成电量的技术。在采集系统里，通过传感器的转换电路，使标准的数据转换成人们想要的各种数据，从而进行现场监控的数据变成了可控的，而且易于维护。 第二章 机电一体化系统中传感器的选择 传感器的应用范围广，种类繁多。如何为我们机电一体化系统选择合适的传感器呢？下面我们就以数控机床为例讲讲机电一体化系统中传感器的选择。 数控机床综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点，在制造业技术设备更新中，数控机床正迅速地在企业得到普及。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。 2.1 数控机床对传感器的要求 （1）可靠性高和抗干扰性强；（2）满足精度和速度的要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境；（4）成本低不同种类数控机床对传感器的要求也不尽相同，一般来说，大型机床要求速度响应高，中型和高精度数控机床以要求精度为主。 2.2 位移的检测 位移检测的传感器主要有脉冲编码器、直线光栅、旋转变压器、感应同步器等。 （1） 脉冲编码器的应用脉冲编码器是一种角位移（转速）传感器，它能够把机械转角变成电脉冲。脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁式三种，其中，光电式应用比较多。 （2）直线光栅的应用直线光栅是利用光的透射和反射现象制作而成，常用于位移测量，分辨力较高，测量精度比光电编码器高，适应于动态测量。在进给驱动中，光栅尺固定在床身上，其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。用光栅检测工作台位置的伺服系统是全闭环控制系统。 （3） 旋转变压器的应用旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。旋转变压器由定子和转子组成，具体来说，它由一个铁心、两个定子绕组和两个转子绕组组成，其原、副绕组分别放置在定子、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。 （4） 感应同步器的应用感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的。其功能是将角度或直线位移转变成感应电动势的相位或幅值，可用来测量直线或转角位移。按其结构可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺安装在机床床身上，滑尺安装于移动部件上，随工作台一起移动；旋转式感应同步器定子为固定的圆盘，转子为转动的圆盘。感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗干扰能力强、使用寿命长、维护简单、长距离位移测量、工艺性好、成本较低等优点。直线式感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床、高精度重型机床及加工中心测量装置等。旋转式感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。 2.3 位置的检测位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同。位置传感器有接触式和接近式两种。 （1）接触式传感器的应用 接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动范围。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。 （2） 接近开关的应用接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。接近开关有很多种类，主要有自感式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式等。接近开关在数控机床上的应用主要是刀架选刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。霍尔传感器是利用霍尔现象制成的传感器。将锗等半导体置于磁场中，在一个方向通以电流时，则在垂直的方向上会出现电位差，这就是霍尔现象。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便产生霍尔现象，从而判断物体是否到位。 2.4 速度的检测 速度传感器是一种将速度转变成电信号的传感器，既可以检测直线速度，也可以检测角速度，常用的有测速发电机和脉冲编码器等。测速发电机具有的特点是：（1）输出电压与转速严格成线性关系；（2）输出电压与转速比的斜率大。可分成交流和直流两类。脉冲编码器在经过一个单位角位移时，便产生一个脉冲，配以定时器便可检测出角速度。在数控机床中，速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测。 2.5 压力的检测压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。根据工作原理，可分为压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。电容式压力传感器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定，因灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。在数控机床中，可用它对工件夹紧力进行检测，当夹紧力小于设定值时，会导致工件松动，系统发出报警，停止走刀。另外，还可用压力传感器检测车刀切削力的变化。再者，它还在润滑系统、液压系统、气压系统被用来检测油路或