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浅谈机电一体化中的接口技术
摘要:接口技术是在机电一体化技术的基础上发展起来的,随着机电一体化技术的发展而变得越来越重要。文章以机电一体化控制系统(微电子系统)为例,将接口分为人机接口与机电接口两大类进行探讨。
关键词:机电一体化;接口技术;人机接口;机电接口
机电一体化系统可分为机械和微电子系统两大部分,各部分连接须具备一定条件,这个联系条件通常称为接口。各分系统又由各要素(子系统)组成。本文以机电一体化控制系统(微电子系统)为例,将接口分为人机与机电接口两大类。
一、机电接口
由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别,两者间的联系须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲,因此机电接口起着非常重要的作用:(1)行电平转换和功率放大。一般微机的I/O芯片都是TTL电平,而控制设备则不一定,因此必须进行电平转换;另外,在大负载时还需要进行功率放大;(2)抗干扰隔离。为防止干扰信号的串入,可以使用光电耦合器、脉冲变压器或继电器等把微机系统和控制设备在电器上加以隔离;(3)进行A/D或D/A转换。当被控对象的检测和控制信号为模拟量时,必须在微机系统和被控对象之间设置A/D和D/A转换电路,以保证微机所处理的数字量与被控的模拟量之间的匹配。
1、模拟信号输入接口。在机电一体化系统中,反映被控对象运行状态信号是传感器或变送器的输出信号,通常这些输出信号是模拟电压或电流信号(如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热偶电阻、温敏电阻、转速检测用的测速发电机等)计算机要对被控对象进行控制,必须获得反映系统运行的状态信号,而计算机只能接受数字信号,要达到获取信息的目的,就应将模拟电信号转换为数字信号的接口——模拟信号输入接口。
2、模拟信号输出接口。在机电一体化系统中,控制生产过程执行器的信号通常是模拟电压或电流信号,如交流电动机变频调速、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等。而计算机只能输出数字信号,并通过运算产生控制信号,达到控制生产过程的目的,应有将数字信号转换成模拟电信号的接口——模拟信号输出接口。任务是把计算机输出的数字信号转换为模拟电压或电流信号,以便驱动相应的执行器,达到控制对象的目的。模拟信号输出接口一般由控制接口、数字模拟信号转换器、多路模拟开关和功率放大器几部分构成。
3、开关信号通道接口。机电一体化系统的控制系统中,需要经常处理一类最基本的输入/输出信号,即数字量(开关量)信号包括:开关的闭合与断开;指示灯的亮与灭;继电器或接触器的吸合与释放;电动机的启动与停止;阀门的打开与关闭等。这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。在机电一体化控制系统中,对应二进制数码的每一位都可以代表生产过程中的一个状态,此状态作为控制依据。(1)输入通道接口。开关信号输入通道接口的任务是将来自控制过程的开关信号、逻辑电平信号以及一些系统设置开关信号传送给计算机。这些信号实质是一种电平各异的数字信号,所以开关信号输入通道又称为数字输入通道(DI)。由于开关信号只有两种逻辑状态“ON”和“OFF”或数字信号“1”和“0”,但是其电平一般与计算机的数字电平不相同,与计算机连接的接口只需考虑逻辑电平的变换以及过程噪声隔离等设计问题,它主要由输入缓冲器、电平隔离与转换电路和地址译码电路等组成。
(2)输出通道接口。开关信号输出通道的作用是将计算机通过逻辑运算处理后的开关信号传递给开关执行器(如继电器或报警指示器)。它实质是逻辑数字的输出通道,又称为数字输出通道(DO)。DO通道接口设计主要考虑的是内部与外部公共地隔离和驱动开关执行器的功率。开关量输出通道接口主要由输出锁存器、驱动器和输出口地址译码电路等组成。
二、人机接口
人机接口是操作者与机电系统(主要是控制微机)之间进行信息交换的接口。按照信息的传递方向,可以分为输入与输出接口两大类。机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息;另一方面,操作者通过输入接口向机电系统输入各种控制命令,干预系统的运行状态,以实现所要求的功能。
1、输入接口。
(1)拨盘输入接口。拨盘是机电一体化系统中常见的一种输入设备,若系统需要输入少量的参数,如修正系数、控制目标等,采用拨盘较为方便,这种方式具有保持性。拨盘的种类很多,作为人机接口使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD码拨盘。BCD码拨盘可直接与控制微机的并行口或扩展口相连,以 BCD码形式输入信息。(2)键盘输入接口。键盘是一组按键集合,向计算机提供被按键的代码。常用的键盘有: 1)编码键盘,自动提供被按键的编码(如ASCII码或二进制码);2)非编码键盘,仅仅简单地提供按键的通或断(“0”或“1”电位),而按键的扫描和识别,则由设计的键盘程序来实现。前者使用方便,但结构复杂,成本高;后者电路简单,便于设计。
2、输出接口。在机电一体化系统中,发光二极管显示器(LED)是典型的输出设备,由于LED显示器结构简单、体积小、可靠性高、寿命长、价格便宜,因此使用广泛。常用的LED显示器有7段发光二极管和点阵式LED显示器。7段LED显示器原理很简单,是同名管脚上所加电平高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同字形的。点阵式LED显示器一般用来显示复杂符号、字母及表格等,在大屏幕显示及智能化仪器中有广泛应用。结语: 接口技术是研究机电一体化系统中的接口问题,使系统中信息和能量的传递和转换更加顺畅,使系统各部分有机地结合在一起,形成完整的系统。接口技术是在机电一体化技术的基础上发展起来的,随着机电一体化技术的发展而变得越来越重要;同时接口技术的研究也必然促进机电一体化的发展。从某种意义上讲,机电一体化系统的设计,就是根据功能要求选择了各部分后所进行的接口设计。接口的好与坏直接影响到机电一体化系统的控制性能,以及系统运行的稳定性和可靠性,因此接口技术是机电一体化系统的关键环节。参考文献: [1]费仁元,张慧慧,郑刚。机电接口技术的内涵和发展。北京工业大学学报。2003.(4)[2]佘明辉。基于机电一体化系统接口技术的研究。江西电力职业技术学院学报。2006.(4)
（二）亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置
一、亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置简介
实训装置由铝合金导轨式实训台、典型的机电一体化设备的机械部件、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、模拟生产设备实训模块、接线端子排和各种传感器等组成。整体结构采用开放式和拆装式，实训装置用于机械部件组装，可根据现有的机械部件组装生产设备，也可添加机械部件组装其他生产设备，使整个装置能够灵活的按教学或竞赛要求组装具有生产功能的机电一体化设备。模块采用标准结构和抽屉式模块放置架，互换性强；按具有生产性功能和整合学习功能的原则确定模块内容，使教学或竞赛时可方便的选择需要的模块。
亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置用于教学，可按工作过程导向，工学结合的模式规划教学活动，完成以下工作任务：
1.气动系统的安装与调试项目：
选用该装置配置的单出杆气缸、单出双杆气缸、旋转气缸等气动执行元件和单控电磁换向阀、双控电磁换向阀和磁性开关等气动控制元件，可完成下列气动技术的工作任务：
★气动方向控制回路的安装；★气动速度控制回路的安装；★摆动控制回路的安装；★气动顺序控制回路的安装；★气动机械手装置的安装；★气动系统安装与调试；
2.电气控制电路的安装和PLC程序编写项目：
选用该装置配置的PLC模块、变频器模块和指令开关、传感器等，可完成下列PLC应用技术工作任务：
★电动机正反转控制电路的连接与控制程序编写；★电动机调速控制电路的连接与控制程序编写；★气动方向控制程序编写；★气动顺序动作控制程序编写；★气动机械手控制程序编写；★皮带输送机控制程序编写；★机电一体化设备控制程序编写；★自动生产线控制程序编写。
3.机电设备安装与调试项目
选用该装置配置的机电一体化设备部件、PLC模块、变频器模块和指令开关、传感器等，可完成下列机电设备安装和机电一体化技术的工作任务： ★传动装置同轴度的调整；★皮带输送机的安装与调整；★搬运机械手设备安装与调试；★物件分拣设备的安装与调试；★送料设备的安装与调试；★自动生产线设备安装与调试。
4.自动控制系统安装与调试项目
选用该装置配置的机电一体化设备部件、PLC模块、变频器模块和指令开关、传感器等，可完成下列机电设备安装和机电一体化技术的工作任务：
★多种传感器的安装与调试；★机械手的自动控制；★皮带输送机的自动控制；★机电一体化设备的自动控制；★PLC控制系统的安装与调试；★自动生产线的安装与调试。
亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置用于考核或技能竞赛，可考察的职业能力：
★机械构件的装配与调整能力；★机电设备的安装与调试能力；★电路安装能力；★气动系统的安装与调试能力；★机电一体化设备的控制程序的编写能力；★自动控制系统的安装与调试能力。
该实训考核装置PLC模块的I/O 端子、变频器的接线端子、各常用模块与PLC的连接端子，均与安全插座连接，使用带安全插头的导线进行电路连接；各指令开关、光电开关、传感器和指示元件的电路，则通过端子排进行连接。插拔线连接电路与端子排连接电路相结合，既保证学生基本技能的训练、形成和巩固，又保证电路连接的快速、安全和可靠。
二、亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置的外形
三、亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置的配置 序号 名称 主要元件或型号、规格 数量 单位 制造商 备注实训桌 1190×800×840 mm 1 张 亚龙触摸屏模块 MT4300C 1 块 步科PLC模块台
用户可在清单内选择，详见附表一变频器模块台电源模块 三相漏电开关1个，熔断器3只，单相电源插座2个，安全插座5个； 1 块 亚龙按钮模块 24 V/2 A、12 V/2 A各一组；急停按钮1只，转换开关2只，蜂鸣器1只，复位按钮黄、绿、红各1只，自锁按钮黄、绿、红各1只，24V指示灯黄、绿、红各2只； 1 套 亚龙物料传送机部件 直流减速电机（24 V，输出转速6 r/min）1台，送料盘1个，光电开关1只； 1 套 亚龙气动机械手部件 单出双杆气缸1只，单出杆气缸1只，气手爪1只，旋转气缸1只，电感式接近开关2只，磁性开关5只，缓冲阀2只，非标螺丝2只，双控电磁换向阀4只； 1 套 亚龙皮带输送机部件 三相减速电机（380 V，输出转速40r/min）1台，平皮带1355×49×2 mm 1条； 1 套 亚龙物件分拣部件 单出杆气缸3只，金属传感器1只，光传感器2只，磁性开关6只，物件导槽3个，单控电磁换向阀3只 1 套 亚龙接线端子模块 接线端子、安全插座 1 块 亚龙物料 金属5个，尼龙黑白各5个 15 个 亚龙安全插线套 亚龙气管 Φ4Φ6 1 套
线架个 亚龙电脑推车 亚龙 1 台电脑台 选配或学校自带工具 万用表、剥线钳、尖嘴钳、压线钳、试电笔、记号笔、一字和十字螺丝刀小号、一字和十字螺丝刀中号、电烙铁、活动扳手、内六角扳手、钢板尺、安全保护用品、制图工具等。1 套
选手自带、均为手动工具
四、主要技术参数
1.交流电源：三相五线 AC 380V±10% 50 Hz；
2.温度：-10～40 ℃；环境湿度：≤90%（25℃）；
3.外形尺寸：长×宽×高=1200×800×1500 mm；
4.整机功耗：≤1.5 kW；
5.安全保护措施：具有接地保护、漏电保护功能，安全性符合相关的国家标准。采用高绝缘的安全型插座及带绝缘护套的高强度安全型实验导线。
附表一：PLC及变频器选配表（注：在参赛报名时请注明使用哪种PLC）序号 名称 型号及规格 单位 制造商 备注三菱PLC主机 FX2N-48MR 台 三菱
三菱变频器 E540，≥0.75 kW 台 三菱西门子PLC主机 CPU226CN+EM222CN继电器型输出 台 西门子
西门子变频器 MM420，三相输入，≥0.75 kW 台 西门子欧姆龙PLC主机 CPM2AH-40CDR+CPM1A-8ER 台 欧姆龙
欧姆龙变频器 3G3JV-A4007，≥0.75 kW 台 欧姆龙松下PLC主机 FPX-L60 台 松下
松下变频器 BFV00074，≥0.75 kW 台 松下
参赛人员的要求：
1、掌握PLC的硬件和软件设计；
2、掌握传感器的性能和使用以及PLC的连接；
3、掌握气动技术和使用；
4、会利用PLC技术来控制电磁阀和变频器；
5、掌握变频控制技术。
