第八章機電系統(tǒng)集成與控制實例

第八章機電系統(tǒng)集成與控制實例8.1數(shù)控車床設(shè)計實例8.2機器人應(yīng)用實例8.3辦公及家用自動化中的機電一體化系統(tǒng)

8.3.1辦公設(shè)備

8.3.2家用電器8.1數(shù)控機床設(shè)計實例

數(shù)控車床設(shè)計分為以下部分：8.1.1機床總體設(shè)計8.1.2機床傳動系統(tǒng)設(shè)計

（1）主軸箱傳動鏈設(shè)計計算（2）進給軸傳動設(shè)計（3）傳動系統(tǒng)剛度8.1.3機床結(jié)構(gòu)設(shè)計8.1.4機床控制系統(tǒng)設(shè)計（1）數(shù)控系統(tǒng)的選型（2）主軸驅(qū)動系統(tǒng)（3）伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)（4）數(shù)控鏜銑床的PLC軟件開發(fā)8.1.1機床總體設(shè)計確定擬設(shè)計機床總體目標：以一個回轉(zhuǎn)運動加上X向、Z向兩直線聯(lián)動驅(qū)動代替X向、Y向、z向三直線聯(lián)動驅(qū)動，可以對較復雜的大型回轉(zhuǎn)曲面、圓周分度精度要求較高的孔系及具有特殊要求的環(huán)面凸輪進行鏜削、銑削、鉆削加工，加工精度好，效率高，編程方便，并且結(jié)構(gòu)緊湊，體積是傳統(tǒng)直角坐標系數(shù)控機床的三分之一。8.1.2機床傳動系統(tǒng)設(shè)計

機床傳動系統(tǒng)設(shè)計包括以下3部分：（1）主軸箱傳動鏈設(shè)計計算；（2）進給軸傳動設(shè)計；（3）傳動系統(tǒng)剛度。一、主軸箱傳動鏈設(shè)計計算（1）確定傳動方案：（2）計算總傳動比和分配各級傳動比：（3）計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)：根據(jù)傳動方案，可以確定主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5—3所示，它采用一級帶傳動、級固定齒輪和一級滑移齒輪結(jié)構(gòu)，通過改變滑移齒輪與固定齒輪的嚙合狀態(tài)，可以實現(xiàn)低速和高速擋兩種轉(zhuǎn)速。（2）計算總傳動比和分配各級傳動比在已知總傳動比要求時，如何合理選擇和分配各級傳動比，要考慮以下幾點：①各級傳動結(jié)構(gòu)的傳動比應(yīng)盡量在推薦范圍內(nèi)選?。虎趹?yīng)使傳動裝置結(jié)構(gòu)尺寸較小、質(zhì)量較輕；③應(yīng)使各傳動件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)均勻合理，避免干涉碰撞。（3）計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)設(shè)計計算傳動件時，需要知道各軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。因此，應(yīng)將工作機上的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率推算到各軸上。二、進給軸傳動設(shè)計進給軸傳動設(shè)計分為垂直方向（Z向）和水平方向（X向）進給電動機的設(shè)計與計算。內(nèi)容包括：（1）額定輸出轉(zhuǎn)矩的選擇；（2）計算負載慣量；（3）空載加速轉(zhuǎn)矩計算和校核三、傳動系統(tǒng)剛度傳動系統(tǒng)的剛度K計算：總剛度與各個環(huán)節(jié)的剛度關(guān)系為：8.1.3機床結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化加工設(shè)備，要求數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性才能保證。這些特性包括結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運動的平穩(wěn)性及運動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度等。提高機床結(jié)構(gòu)靜剛度的措施包括：①合理設(shè)計基礎(chǔ)件的截面形狀和尺寸，采用合理的筋板結(jié)構(gòu)。②采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善機床的受力狀態(tài)，提高機床的靜剛度。③補償有關(guān)零、部件的靜力變形。④提高機床各部件的接觸剛度。提高機床結(jié)構(gòu)抗振性的措施包括：①基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料②表面采用阻尼涂層。③采用新材料制造基礎(chǔ)件。④充分利用接合面間的阻尼。減小機床熱變形的措施包括：①改進機床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計。②控制溫升。③熱變形補償。

改善運動導軌副摩擦特性的措施包括：①采用減摩材料。②對導軌進行潤滑。③對導軌進行防護。④盡量使用滾動導軌。8.1.4機床控制系統(tǒng)設(shè)計8.1.4.1數(shù)控系統(tǒng)的選型一、選擇數(shù)控系統(tǒng)的基本原則

大體上說，選擇系統(tǒng)的基本原則和要求有：①數(shù)控基本功能。②基本技術(shù)指標：聯(lián)動軸數(shù)、分辨率(設(shè)定單位)、速度等。③附加功能，如生產(chǎn)管理、測量要求、刀具管理、程序編制要求、DNC接口聯(lián)網(wǎng)要求等。④性能價格比要高。⑤購后的使用維護要方便、系統(tǒng)的市場壽命要長(不能選淘汰系統(tǒng)，否則使用幾年后將找不到維修備件)等。二、鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控鏜銑床以鏜銑加工工藝為主，用于箱體、殼體以及各種復雜零件特殊曲線、孔系和軸輪廓的加工，對電控系統(tǒng)的要求可概述如下：（1）數(shù)控系統(tǒng)（2）控制軸數(shù)與聯(lián)動軸數(shù)（3）主傳動驅(qū)動系統(tǒng)（4）伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)（5）通信功能（6）PLC功能8.1.4.2主軸驅(qū)動系統(tǒng)

為滿足鏜銑類數(shù)控機床對主軸驅(qū)動的要求，主軸驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具備以下性能：①主軸電動機功率要大，且在大的調(diào)整范圍內(nèi)速度要穩(wěn)定，恒功率調(diào)速范圍寬；在斷續(xù)負載下電動機轉(zhuǎn)速波動要??；加速、減速時間短；溫升低，噪聲小，振動小，可靠性高，壽命長；電動機過載能力強。②主軸系統(tǒng)應(yīng)該具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，且具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。③極坐標數(shù)控鏜銑床在精鏜箱體類零件時，要求主軸能夠?qū)崿F(xiàn)定角度停止，防止刀具退出時劃傷已加工表面。8.1.4.3伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動單元、伺服電機及光電位置編碼器三個部分組成。8.1.4.4數(shù)控鏜銑床的PLC軟件開發(fā)

PLC中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序，操作系統(tǒng)用來實現(xiàn)與特定的控制任務(wù)無關(guān)的功能，處理PLC的啟動、刷新輸入／輸出過程映像表、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和處理通信等。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也稱掃描工作方式。主程序就是用于循環(huán)處理的組織塊，操作系統(tǒng)在每一次循環(huán)中調(diào)用一次該程序，一個循環(huán)周期分為輸入、程序執(zhí)行、輸出和其他任務(wù)，例如下載、刪除塊，接收和發(fā)送全局數(shù)據(jù)等。用戶程序由用戶在STEP7中生成，然后將它下載到CPU。用戶程序包含處理用戶特定的自動化任務(wù)所需要的所有功能，例如處理過程數(shù)據(jù)、指定對中斷的響應(yīng)和處理程序正常運行中的干擾等。用戶程序一般可分為主程序和子程序兩大部分。主程序(稱為OBl)的主體是放置控制應(yīng)用程序指令的位置，其指令按順序執(zhí)行，每次執(zhí)行CPU的一次掃描循環(huán)。子程序是指令的一個選用集，存放在分開的程序塊中，僅在主程序調(diào)用時執(zhí)行。數(shù)控鏜銑床的PLC軟件開發(fā)主要包括主程序和子程序兩大部分的編制，其開發(fā)的步驟大體如下：①熟悉機床控制設(shè)備的動作順序和控制邏輯。②按照CNC提供給PLC的資源情況，合理擴展和分配PLC的I／O點。③用STEP7—Micro／WIN32編制梯形圖。④將通過編譯的源程序下載到PLC中。⑤根據(jù)實際動作要求糾正控制邏輯錯誤。⑥備份源程序代碼。8.2機器人應(yīng)用實例

8.2.1概述機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，一般由機械本體、傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動部分組成。機械本體是機器人的基礎(chǔ)框架，提供系統(tǒng)的支撐；執(zhí)行機構(gòu)用來完成一定的運動功能，如機械手的手臂和手爪；驅(qū)動部分為機器人提供驅(qū)動力，常見的驅(qū)動元件有直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機和液壓、氣壓驅(qū)動元件；控制器對本體進行精確的運動控制，一般使用工業(yè)控制計算機、微處理器和專用伺服控制器；傳感器應(yīng)提供機器人本體或其所處環(huán)境的信息，為機器人的控制提供反饋信號，常用的傳感器有光電編碼器、電位計、測速發(fā)電機、和腕力傳感器等。

機器人是由馬達驅(qū)動的，計算機控制的機器，可以自動完成多種動作機器人系統(tǒng)的組成原理圖。一個設(shè)備被稱為機器人需要滿足以下5個條件：①執(zhí)行機構(gòu)。②末端。③驅(qū)動器。④傳感器。⑤控制器。機器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，種類繁多，有許多分類方法，按結(jié)構(gòu)及運動形式可以劃分：①關(guān)節(jié)式，如工業(yè)機器人。②移動式，如汽車機器人、類人機器人、爬行類仿生機器人等。③飛行式，如仿生飛行機器人、無人機等。按功能可以劃分為：①工業(yè)機器人，如裝配機器人、焊接機器人和噴漆機器人等。②農(nóng)業(yè)機器人如采摘果實機器人和收割機器人等。③仿生機器人等。如類人機器人、仿生魚和仿生昆蟲④危險環(huán)境作業(yè)機器人，如軍用機器人、太空機器人和水下機器人等。⑤服務(wù)機器人，如機器人護士、售貨機器人、家政服務(wù)機器人等。⑥醫(yī)療機器人，如外科手術(shù)機器人、康復機器人等。⑦娛樂機器人，如機器人寵物，競賽機器人等。理想中的機器人如圖6—2所示，它應(yīng)該是能直立行走并有一定的思維能力。圖6—3所示的是典型的工業(yè)機器人系統(tǒng)原理圖，工業(yè)機器人主要用于完成一定的作業(yè)任務(wù)，它是實際中應(yīng)用最多的機器人。

8.2.2關(guān)節(jié)式機器人設(shè)計

8.2.2.1擬定機器人的技術(shù)指標本機器人系統(tǒng)主要作為教學研究用，其工作環(huán)境為教學實驗室，要求它能夠進行連續(xù)軌跡控制，同時應(yīng)該具有示教再現(xiàn)功能。機器人的主要參數(shù)包括坐標形式，各個桿件的長度，關(guān)節(jié)的運動范圍、運動速度、運動精度和負載能力等。由于機器人是教學實驗機器人，主要用來完成一些實驗、演示機器人的基本功能、完成機器人的操作方法訓練，以便了解機器人的工作原理和使用方法。因此對機器人的負載能力、運動速度要求較低，希望系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡量簡單、成本低、控制功能比較強。根據(jù)以上特點，機器人采用關(guān)節(jié)式運動形式，其結(jié)構(gòu)形式如圖6—5所示，系統(tǒng)的基本參數(shù)要求如表6—1所示。

8.2.2.2

機器人的機械本體及驅(qū)動方案設(shè)計

一、結(jié)構(gòu)方案機器人的動態(tài)特性通常用質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)來描述。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，在設(shè)計時應(yīng)盡量減少質(zhì)量和慣量，提高結(jié)構(gòu)剛度和系統(tǒng)的固有頻率，增加阻尼。本系統(tǒng)采用關(guān)節(jié)式三自由度的運動形式。關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)形式的機器人動作靈活、工作空間大、在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)相對部位密封易于實現(xiàn)。但關(guān)節(jié)型機器人的運動學原理較復雜，逆解困難，確定末端件的位置不直觀，進行控制時計算量比較大。方案一是肩關(guān)節(jié)的伺服電機安裝在腰座上，而肘關(guān)節(jié)的伺服電機安裝在大臂上。這種驅(qū)動方案的結(jié)構(gòu)較簡單，但系統(tǒng)的慣量大，會增加腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的驅(qū)動功率，給系統(tǒng)的控制帶來一定的困難。改進的方案如圖6—6所示，肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的兩臺伺服電機對稱布置在腰座上，一臺驅(qū)動大臂，另一臺驅(qū)動小臂。其優(yōu)點是系統(tǒng)容易獲得靜態(tài)平衡，慣量減小，穩(wěn)定性得到提高，缺點是肘關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜。二、驅(qū)動方案

驅(qū)動方案包括確定機器人的驅(qū)動方式和驅(qū)動元件。機器人驅(qū)動方式有電動、液壓和氣動三種。電動系統(tǒng)適合于中等負載、動作復雜、運動軌跡嚴格的場合。關(guān)節(jié)驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種。關(guān)節(jié)直接驅(qū)動機器人(DDR)將電動機直接做在關(guān)節(jié)上。目前大部分機器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動，即電動機通過減速器與關(guān)節(jié)軸相連。在選擇機器人的制造材料時要綜合考慮材料的強度、剛度、密度、彈性、抗振性、可加工性、外觀及價格等。常用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼：、合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁、鋁合金及其他輕合金等等。本系統(tǒng)采用鋁合金材料鑄造殼體。在機器人的設(shè)計中，可選擇通用的標準零部件，如伺服電機、減速器、傳感器和手爪等。對一些專用的部件則需自行設(shè)計，如底座、手臂和交叉滾子軸承等。本體采用交流伺服電機驅(qū)動，位置、速度檢測傳感器采用松下MINASA系列交流伺服電機自帶的17位絕對位置碼盤。其配套驅(qū)動器上帶有各種安全保護與報警接口，可用于保護電機和減速器。各關(guān)節(jié)上采用的電機及驅(qū)動型號如表6—2所示。8.2.2.2機器人的控制方案設(shè)計

機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分。機器人控制可分為兩部分：關(guān)節(jié)的運動伺服控制和各個關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)控制。一、機器人控制系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)采用分散控制方式，由一臺工業(yè)控制計算機，進行大間隔的插補指令值的計算，在各個關(guān)節(jié)軸上用PMAC多軸運動控制卡進行小間隔的插補運算和伺服系統(tǒng)的處理。系統(tǒng)配有鼠標和鍵盤輸入、CRT顯示輸出接口實現(xiàn)人機信息交互，控制系統(tǒng)原理圖如圖6—7所示。圖6—8所示為系統(tǒng)硬件原理圖。二、機器人的運動軌跡控制機器人一般要求示教再現(xiàn)功能和運動控制功能。按照控制形式又可以分為點位控制(PTP)和連續(xù)軌跡控制(CP)兩種方式，如圖6—9所示。點位控制對機器人在兩點之間運動的路徑和姿態(tài)不做任何規(guī)定，只要求其快速準確地實現(xiàn)兩點間的運動。連續(xù)軌跡控制則要求連續(xù)地控制機器人的末端執(zhí)行器在空間的位姿，要求它嚴格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運動，而且速度可控，軌跡連續(xù)光滑，運動平穩(wěn)。

由于機器人在運動過程中，每個關(guān)節(jié)對應(yīng)于起始點的關(guān)節(jié)角度可通過絕對碼盤檢測獲得同時通過對運動學的逆解也可以得到終止點的關(guān)鍵角度，于是可用于起始點的關(guān)節(jié)角度與終止點的關(guān)節(jié)角度之間的一個平滑插值函數(shù)來描述運動軌跡。一個完整的運動軌跡可用多個三次樣條曲線表示，加上角度、速度和加速度等的約束，可以求解出樣條曲線的各項系數(shù)，得到機器人末端手爪的路徑運動規(guī)律。8.3辦公及家用自動化中的機電一體化系統(tǒng)

8.3.1辦公設(shè)備

辦公設(shè)備的總類很多，打印機是具有代表性的辦公設(shè)備之一，是各類計算機主要的硬輸出設(shè)備。打印機種類繁多，根據(jù)輸出方式可以將打印機分成串行式打印機、行式打印機和頁式打印機；根據(jù)最終輸出效果又可以分為單色打印機和彩色打印機；根據(jù)功能將打印機分成普通打印機和專業(yè)打印機；根據(jù)打印機方式的不同，將其分為擊打式打印機和非擊打式打印機。擊打式打印機利用機械作用擊打活字載體上的字符，使之與色帶和紙相撞而印字，所謂的字模式打印機；或者利用打印鋼針撞擊色帶和紙打印出點陣組成的字符或圖形，所謂的針式打印機。非擊打式打印機不是依靠機械的擊打動作，而是利用光、電、磁、各種物理和化學的方法印刷出字符和圖形。

打印機是集精密機械、計算機控制、傳感器接口、電源等技術(shù)于一體，是典型的機電一體化產(chǎn)品，以下以針式打印機為例進行介紹。

8.3.1.1針式打印機的基本結(jié)構(gòu)

針式打印機雖然形態(tài)各樣，但其基本結(jié)構(gòu)主要是由機械部分和電路部分構(gòu)成的，以EP-SONLQ-1600K針式打印機為例，它包括以下單元：①打印機械：有打印頭、輸紙系統(tǒng)和字車色帶傳動系統(tǒng)組成，是整機的執(zhí)行機構(gòu)。②控制電路：有打印頭驅(qū)動電路、輸紙步進電機控制、字車步進電機控制、各傳感器控制、數(shù)據(jù)通信、接口和面板控制電路等，是整機控制的主體。③電源電路：有35VDC、±12VDC、5VDC為整機提供必需的能源。（1）機械結(jié)構(gòu)針式打印機的機械部分主要包括打印機構(gòu)、字車機構(gòu)、色帶機構(gòu)、走紙機構(gòu)及傳感器系統(tǒng)等5部分。當打印機接收到打印命令后，在控制電路的控制下，字車機構(gòu)驅(qū)動字車，打印機構(gòu)控制出針，同時色帶機構(gòu)適時轉(zhuǎn)動色帶，待走紙機構(gòu)完成進紙過程后，即完成一系列打印過程。①打印機構(gòu)打印機構(gòu)指針式打印機的打印頭部分，它主要包括打印頭和印字膠輥，是針式打印機中的關(guān)鍵部件之一。針式打印機印頭上的鋼針數(shù)分為12針、24針，在我國使用最廣泛的是帶漢字字庫的24針打印機。除此之外，打印頭部分還包含驅(qū)動線圈、鐵心、復位彈簧及連接電纜等部件，其結(jié)構(gòu)如圖7—1所示。②字車結(jié)構(gòu)字車結(jié)構(gòu)如圖7—2所示，它主要由字車驅(qū)動電動機、打印頭托架、同步齒形帶和色帶盒托架等部分構(gòu)成。打印頭托架主要用于固定打印頭。打印時，字車驅(qū)動電動機直接驅(qū)動齒條皮帶傳動，從而帶動打印頭托架一起作左右往復直線運動，配合打印機構(gòu)完成橫向打印工作。在字車機構(gòu)中，有一個位于起始位置的傳感器，主要用于檢測打印頭的初始位置。③走紙機構(gòu)走紙機構(gòu)也稱紙驅(qū)動機構(gòu)，它主要由走紙步進電機、輸紙輪、壓紙輥等部件組成。通常，針式打印機的走紙方式有摩擦式走紙方式和牽引式走紙方式兩種。按用戶選擇輸紙方向的要求，經(jīng)走紙傳動齒輪帶動卷筒、拖紙器、鏈輪送紙器、單頁送紙器等，送紙一行。走紙機構(gòu)中包含三個傳感器：紙盡傳感器、摩擦牽引傳感器、紙厚傳感器。紙盡傳感器用來探測有紙／缺紙；摩擦牽引傳感器用來探測走紙方式(牽引式走紙和摩擦式走紙)；紙厚傳感器用來探測超厚度紙或多層紙。摩擦式走紙即打印紙在傳動時被置于印字膠輥和壓紙輥之間，走紙步進電機驅(qū)動印字膠輥沿走紙方向轉(zhuǎn)動，打印紙通過強大的摩擦力隨印字膠輥轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)走紙過程，這種方式通常適用于無走紙孔的打印紙，摩擦式走紙方式示意圖如圖7—3所示。對于有走紙孔的打印紙，一般都使用牽引式走紙方式，其工作原理如圖7—4所示，打印紙邊緣的走紙孔與牽引器上的定位孔相吻合，通過走紙齒輪的轉(zhuǎn)動由牽引器帶動打印紙完成走紙過程。④色帶機構(gòu)色帶機構(gòu)主要由色帶傳動機構(gòu)和色選機構(gòu)(針式彩色打印機)組成，其機構(gòu)如圖7—5所示。打印頭撞擊色帶，將色帶上的油墨粘附在打印紙上以留下印記。為延長色帶的使用壽命，通常將色帶設(shè)計成周長很長的環(huán)形并安裝在色帶盒中，在打印時電動機驅(qū)動色帶傳動機構(gòu)使色帶在打印頭移動的同時自身亦緩慢地作單向步進循環(huán)轉(zhuǎn)動，從而確保打印顏色均勻。（2）控制電路針式打印機的電路部分主要由控制電路、驅(qū)動電路、電源電路、接口電路、操作面板電路和各狀態(tài)檢測電路等幾部分組成。①主控制電路控制電路是打印機的核心部分，它包括主控電路、打印頭控制電路、字車電機控制電路和走紙控制電路。針式打印機的主控電路一般由CPU及外圍電路構(gòu)成，它主要負責打印機與主機間的信息傳遞、打印頭的控制、字車機構(gòu)的動作、操作面板的信號處理和DIP開關(guān)狀態(tài)的檢測等工作。通常，主控電路根據(jù)CPU數(shù)量的不同可以分為單一CPU結(jié)構(gòu)和主從CPU結(jié)構(gòu)兩種。圖7—6所示為LQ-1600K針式打印機主控電路結(jié)構(gòu)方框圖，其中uPD7810為核心CPU，時鐘頻率為14．75MHz，其內(nèi)部包括一個A／D轉(zhuǎn)換器、通用串行接口、256KBRAM以及158條操作指令和11種中斷指令，直接尋址范圍為64KB。對于打印機各開關(guān)和傳感器的檢測結(jié)果，CPU會采取周期性讀取的方法，將得到的信號數(shù)值與內(nèi)存中的存儲值相比較。如果不同，則把新值置入內(nèi)存中，將原有數(shù)值替換掉，然后將改變的參數(shù)通過MMU的串行口移入移位寄存器，使面板指示等顯示新狀態(tài)。對于主從CPU結(jié)構(gòu)的針式打印機來說，主控電路除包括一個主CPU外，還有多個微處理器作為從CPU。其中，主CPU主要完成打印機復位、數(shù)據(jù)的讀／寫操作以及對各種中斷的控制等工作，而走紙控制和操作面板控制則交給從CPU來完成。②驅(qū)動電路驅(qū)動電路一般包括打印頭驅(qū)動電路、字車驅(qū)動電路和走紙驅(qū)動電路三部分。打印頭控制電路、字車控制電路和走紙控制電路的控制指令直接被送到各自對應(yīng)的驅(qū)動電路中，然后打印頭驅(qū)動電路直接驅(qū)動打印頭以不同的出針方式來實現(xiàn)打印，而字車驅(qū)動電路直接通過驅(qū)動字車電動機來實現(xiàn)字車的左右移動，從而帶動打印頭平行移動，與此同時走紙驅(qū)動電路通過對走紙電動機的控制以實現(xiàn)紙張的進退，直至最終完成打印操作。

③電源電路電源電路主要用來保證打印機電力能源的供應(yīng)。針式打印機的電源一般由交流濾波電路、電源變壓電路、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路等幾部分構(gòu)成。通常針式打印機的輸出電壓主要有兩種：一種提供給打印機控制面板指示燈和邏輯電路，電壓為十5V；另一種輸出電壓為+35V，主要作為字車驅(qū)動和打印頭驅(qū)動電路的電源。此外，有些打印機還會輸出一個±12V電壓，提供接口電源。針式打印機型號的不同，實際采用的電源類型及輸出的電壓值都會有所不同。④操作面板電路操作面板電路的主要作用是方便用戶操作，以體現(xiàn)打印機的人性化設(shè)計。用戶可以直接通過打印機上的操作面板完成換行、換頁、進紙退紙、單／雙向打印及字體設(shè)置等操作。⑤狀態(tài)檢測電路狀態(tài)檢測電路主要用于檢測打印機的工作狀態(tài)，以確保打印機正常工作，包括字車初始化位置檢測電路、紙張檢測電路、打印頭溫度檢測電路及送紙檢測電路等。例如，字車初始位置檢測電路主要用于檢測字車是否返回打印機的初始位置，紙張檢測電路則會時刻注意當前打印機中是否有紙，而打印頭溫度檢測電路會對打印頭的溫度進行監(jiān)控。正是由于這些狀態(tài)檢測電路才能夠確保打印任務(wù)的順利完成，同時它們對打印機也起到了必要的保護作用。

8.3.1.2軟件技術(shù)LQ—1600K打印機的控制軟件由4個模塊構(gòu)成，完成相應(yīng)的4個進程，每個進程分時又相互配合進行。

4個模塊為：主控模塊、電動機模塊、接口輸入數(shù)據(jù)模塊和打印輸出模塊。圖7—7至圖7—10所示為LQ-1600K打印機控制軟件框圖。

對于不同的針式打印機，打印流程也有所不同。以漢字的打印為例，可以分為圖形打印和字符打印兩種打印方式。圖7—11和圖7—12所示分別為圖形和字符的打印流程圖。這兩種打印方式都是找到字符內(nèi)碼所對應(yīng)的點陣字模以形成打印點陣信息，所不同的是圖形打印方式的打印點陣信息的形成是在主機中完成的，而字符打印方式則是在打印機中完成的。8.3.2家用電器

家用電器是典型的機電一體化產(chǎn)品之一，其特點是產(chǎn)品的種類多、應(yīng)用范圍廣。從外觀上來看有大、中、小等多種形式，大型的有自動洗衣機、洗碗機、電冰箱和空調(diào)機等，中型的有錄像機和影碟機等，小型的有數(shù)碼相機和電子手表等，它們都屬于機電一體化產(chǎn)品。這些機電一體化產(chǎn)品的功能各異，產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)和大小區(qū)別很大，它們的技術(shù)含量差別也都很大。洗衣機是一種常見的家用電器，本節(jié)將以全自動洗衣機為例，介紹家用電器的工作原理和設(shè)計方法。全自動洗衣機的工作過程實際上是模擬人工洗衣的過程，經(jīng)過洗滌、漂洗和脫水等功能，且各功能之間的轉(zhuǎn)換不需要用手工操作而能自動進行。用戶只要設(shè)定好程序，洗衣機即能自動完成進水、洗滌、漂洗、排水、脫水等全過程。全自動洗衣機是一種典型的融合了機電一體化技術(shù)的現(xiàn)代機電產(chǎn)品。從控制方式的發(fā)展階段來分，全自動洗衣機分為機械控制式(電動控制式)洗衣機和計算機控制式洗衣機，前者的程控器由機械定時器和機械觸點等組成，后者的程控器由微型計算機組成。計算機控制全自動洗衣機又可分為普通型、模糊控制型和變頻型。8.3.2.1全自動洗衣機的結(jié)構(gòu)及工作原理

全自動洗衣機按結(jié)構(gòu)與洗滌方式不同可分為波輪式、滾筒式、攪拌式。下面以波輪式全自動洗衣機為例進行介紹。波輪式全自動洗衣機結(jié)構(gòu)如圖7-13所示，主要由箱體部分、桶體部分、傳動部分、程序控制部分和進排水系統(tǒng)等組成。（1）箱體部分箱體部分由外殼、底座、底腳、吊掛裝置等組成。外殼一般采用薄鋼板壓制成形或用塑料注塑成形。它除了起裝飾作用外，還用來支承、緊固及保護各零部件。（2）桶體部分桶體部分主要由內(nèi)桶(也稱離心桶或洗滌脫水桶)、外桶(盛水桶)、波輪等組成。衣物的洗滌、漂洗、脫水都在這部分進行。內(nèi)桶安裝在外桶內(nèi)，在脫水時旋轉(zhuǎn)。波輪有塔式、棒式、蝶式、碗式和偏置式等多種形狀，用來形成不同的洗滌水流。（3）傳動部分傳動部分包括電動機、減速離合器、三角皮帶等，用來實現(xiàn)機械力的產(chǎn)生和傳遞，驅(qū)動洗滌和脫水等運動機構(gòu)的運行。減速離合器是實現(xiàn)洗滌與脫水功能轉(zhuǎn)換的主要部件。在離合器的作用下，洗滌和脫水可以在同一桶內(nèi)完成。洗滌時，內(nèi)桶不動，波輪運轉(zhuǎn)；脫水時，內(nèi)桶和波輪同步轉(zhuǎn)動。（4）程序控制部分程序控制部分由程控器與水位開關(guān)、安全開關(guān)等組成。它用來控制洗衣機按用戶設(shè)定的程序工作，是洗衣機的“大腦”與“神經(jīng)系統(tǒng)”。

（5）進水系統(tǒng)與排水系統(tǒng)進水系統(tǒng)由進水閥(注水閥)、水位開關(guān)(或水位傳感器)及進水管等組成。它用來實現(xiàn)自動進水并控制進水量的多少。排水系統(tǒng)由排水閥與牽引排水閥的電磁鐵(或旋轉(zhuǎn)式牽引器)組成。它用來將洗滌后的臟水和漂洗脫水時甩出的水排出機外。8.3.2.2全自動洗衣機的傳動機構(gòu)

波輪式全自動洗衣機的傳動機構(gòu)安裝在外桶底部，由電動機通過三角皮帶帶動減速離合器，減速離合器帶動波輪或內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)。帶制動式離合器結(jié)構(gòu)如圖7—14所示，可分解為離合器和減速器兩部分，其動作受排水電磁鐵(或旋轉(zhuǎn)式牽引器)控制，具有洗滌和脫水兩種工作狀態(tài)。8.3.2.3全自動洗衣機的驅(qū)動與控制

一、驅(qū)動電動機洗衣機中使用的電動機可分為單相異步電動機和單相串激式電動機。波輪式全自動洗衣機多選用4槽24極電容運轉(zhuǎn)式單相感應(yīng)電動機，額定輸出功率為180W或250W，同步轉(zhuǎn)速1500r／min。電容運轉(zhuǎn)式電動機(簡稱電容式電動機)的啟動繞組與串入的電容在電動機運行過程中不從電路中切除，故又稱永久分相電動機。滾筒式全自動洗衣機多應(yīng)用單相串勵式電動機，其采用換向式結(jié)構(gòu)，因?qū)⒍ㄗ予F心上的勵磁繞組和轉(zhuǎn)子上的電樞繞組串聯(lián)起來而得名。

傳統(tǒng)的全自動洗衣機電動機本身不變速，通常采用皮帶傳動減速或皮帶與減速器相結(jié)合減速，以得到要求的波輪(或滾筒)轉(zhuǎn)速。變頻型電腦全自動洗衣機使用無刷直流電動機或開關(guān)磁阻電動機，轉(zhuǎn)速可變，采用直接傳動方式，電動機直接驅(qū)動波輪(或滾筒)，消除了因采用傳動皮帶和減速器而產(chǎn)生的弊病，使洗衣機運行更平穩(wěn)，故障率降低。二、控制器全自動洗衣機以程序控制器為控制中心，另配有水位開關(guān)、排水選擇開關(guān)、漂洗選擇開關(guān)、洗滌選擇開關(guān)、安全開關(guān)等電氣控制部件，構(gòu)成程序控制電路，用來控制進水閥、電動機、排水電磁鐵、蜂鳴器等負載部件的通斷，實現(xiàn)進水、洗滌、排水、漂洗、脫水等程序控制。

微處理器和其接口電路構(gòu)成了全自動洗衣機的程序控制系統(tǒng)。程序控制器上使用的主要是4位和8位微處理器。