XI’AN JIAOTONG
UNIVERSITY
《工程训练》之一
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年12月
讲义V 1.1
训练目的
了解一个典型机电一体化产品的设计思想，形成对机电一体化设计的基本认识。 培养机电产品分析的初步能力
本讲内容（2课时）
软驱的结构和原理
磁头系统
主轴系统
磁头系统和主轴系统的协同工作 磁盘进出机构
软驱主板
盘片和盘套
软驱主要技术特性
训练内容
软盘的存储容量
早期：5.25英寸盘 1.2MB
现在：3.5英寸盘 1.44MB
3.5英寸盘5.25英寸盘
3.5英寸软盘结构
磁盘用硬磁性材料作
介质，利用材料的剩
磁表示信息
写保护拨块
盘片密度
主定位凹坑
次定位凹坑
活门
定位孔
驱动孔
盘毂
磁盘
512188021474560147456010241440/B KB
???== 格式化(format)：新软盘格式化后才可以存储数据。所谓“格式化”就是在软盘上按一定标准划分出所谓“磁道”和“扇区”。
通常，3.5英寸软盘格式化为80磁道（同心圆）、18扇区。一个磁道在某一扇区内的一段称为扇段，每个扇段可以存储512字节(Byte)的数据。除18个扇段外，在扇段00和扇段17之间还设有间隙区。数据被存放在这些磁道扇区上，在读取数据时，也会以这些磁道扇区为基准进行检索。
软盘格式化后，盘上所有数据将被全部清除。
磁道i 扇区j
扇区00
扇区01
磁道00
磁道79
扇区17
GAP4
GAP1盘片转动
磁头径向直线运动
磁盘旋转，磁盘
形成相对高
速运动
磁头的电磁
感应线圈
铁磁薄膜介质，
磁化方向表示
0、1
磁头系统：磁头小车、导轴、丝杠螺母副和步进电机、00号磁道检测传感器。
导轴和丝杠以主板为参照基准，共同决定了磁头的直线运动轨迹。丝杠由步进电机带动。
磁头小车：
有上、下两个磁头，上、下磁头的通过扁平线束与控制电路连接。
小车的一侧有滑孔，导轴穿过滑孔后固定在主板上。小车的另一侧有简化为一根钢针的螺母，与丝杠共同构成丝杠-螺母副。
滑孔、导轴和丝杠-螺母都具有很高的加工精度和光洁度。
磁头小车的运动：
丝杠和导轴构成一个平面，保证小车的平稳运动。
丝杠由步进电机带动，步进电机在控制器发出的步进脉冲和方向信号控制下转过预定的角位移，通过丝杠-螺母副转换为磁头小车的直线运动，使磁头找到预定的磁道。
当磁头移动到位于最外圈的00号磁道时，小车上的档片就会遮挡光电对管的光路，这个光电对管作为00磁道传感器，立即向
控制器发出信号，表示磁头已到00号磁道。
定子绕组层叠硅钢片
定子铁芯霍尔转子位置传感器
引线
永磁转子
转子外壳
漏磁窗口
索引传感器
定子电路板
柔性驱动销
无刷直流电机
主轴带动盘片转动，其核心主轴电机是一个外形扁平的直流无刷电机。
读写操作中，盘片以恒速300r/min±1.5%作旋转运动，也有的软驱转速是600r/min。
A
I t
ω0 120°240°360°
B
I t
ω0 120°240°360°
C
I t
ω0 120°240°360°
HA
＋V
＋V
＋V
A
'
A
'
B
B
C
'
C C
E B
E A
E (a)三相定子绕组的电流时序
(b)基本原理
转子位置传感器：霍尔器件
为了使转子角位移满360°时重新从0°记起，在永磁转子外壳的边缘开了一个漏磁窗口，在转子外壳附近的定子印制板上，安装了一个霍尔器件或者一个电感线圈，作为索引传感器。转子每转一周，窗口的漏磁使传感器产生一个索引脉冲。两个索引脉冲之间，转子运动了360°的角位移。
以恒速300r/min旋转时，索引脉冲周期为200ms，脉宽4ms。
索引脉冲除用于划分磁道的起始和终止点外，还被利用来作转速控制。可以用频压转换，也可以用锁相技术进行控制。与普通直流电机一样，可以用PWM控制电枢电流实现转速控制。
上
夹
板
下夹板
盘套
磁盘弹出按键
(将下夹板推进)
主板
下夹板
复位弹簧
上磁头
下磁头磁性
托盘
柔性
驱动销
盘套次水平
定位销和下
夹板导槽§11.4 磁盘进出机构
§11.4 主板
作用：系统的装配模块，为所有的静态零部件和动态机构提供了定位基准和运动参照。
构成：
1)控制电路印制板；检测写保护、盘密度和盘片到位位传感器；
00号磁道传感器。
2)磁头系统的导轴和丝杠固定在主板上，两个轴的加工精度和
装配平行度直接影响磁头的运动精度；主轴电机也固定在软驱
主板上，它的轴心定位精度对读写操作有最为重要的作用。
3)上、下夹板，盘套活门拨杆底转动轴和复位弹簧也固定在主
板底面上。
4)盘片的主、次两个水平驱动销
5)上下盖、前面板
软驱主板是铝镁合金精密铸造件，也有用钢板精密冲压件的，钢板的厚度应能保证足够的刚性。
磁道格式：每一个扇段内，分为ID标记段和数据区两部分。ID标记段以同步信号SYNC起始，以间隙GAP2结
束。数据区也以同步信号SYNC起始，以间隙GAP3结
束。
读写操作
扇段定位：同步信号确保了写在任何一个扇段里的标志、地址和数据总能在读操作中被磁头正确地对准
磁道定位：寻找磁道的操作由控制器根据来自主机的命令和目标磁道号，将当前磁道号与目标磁道号比较，从而决定磁头的
移动方向和位移量。
控制器：解释来自CPU的命令，检测驱动器的工作状态，向磁头系统和主轴系统发出各种控制信号。
工作状态检测
工作状态检测
1)00磁道传感器：一个红外发射-接收对管，当磁头移动
到00号磁道，也就是最外面的磁道时，磁头小车上的挡板遮断光电对管的光路，输出到达00号磁道的信号。 2)写保护传感器：一个微动开关，如果盘套上的拨块被
拨到写保护位置，此微动开关不被压下。
3)磁盘到位传感器：一个微动开关，每当盘片被推到底
时，上夹板下降，此开关就被盘套压下，发出盘片已到位的信号。
4)磁盘密度传感器：一个微动开关，高密度磁盘的盘套
上有一个方孔，磁盘到位时不会压下此开关，而低密度磁盘的盘套上没有方孔，磁盘到位时此开关被压下，由此区分盘片的密度。
1.采用何种传感器检测以下物理量？
角位移：
直线位移：00磁道：2.磁盘写保护、磁盘密度如何检测？
3.主轴电机转速300r/min ±1.5％，如何保证误差不累积？
4.磁头和主轴分别用什么电机驱动？
霍尔传感器对步进电机的脉冲计数光电对管
微动开关
每转一圈输出一个索引脉冲，转速300r/min 时，索引脉冲周期为200ms ，脉宽4ms 。
步进电机、直流无刷电机
1.怎样保证盘片不会放反？
软盘上的斜角和软驱中的阻尼弹簧共同作用
2.如何保证磁盘不被弹射出来？
阻尼弹簧的阻力
3.磁盘怎样与主轴同心、同步？
软盘上定位孔与主轴电机轴心的对准，软盘上
的驱动孔于主轴电机上的柔性驱动销对准
4.怎样保证磁头小车直线运动？
磁头小车上的导轴与丝杠安装在同一平面上，共同决定下车的直线运动
实验题目： 某一化工生产过程中需要对储气罐内的气体压力进行精度控制及安全保护，压力设定值为8Mpa，其中压力采集使用压阻式压力传感器，压力控制采用电动V型调节球阀调节。此外，当压力高于10Mpa时必须关断调节球阀。请结合本门课所学知识及选用的相关仪器设备，查阅相关文献，给出采用工业控制计算机作为控制器的设计方案。 压阻式压力传感器的主要技术参数： 1、工作电源10v 2、测量范围0~20Mpa 3、全程线性度好 4、灵敏度20mv/ Mpa 电动调节球阀的主要技术参数： 1、工作电源：AC220V; 2、控制信号：0~10V. (对应阀的开度：0％－100％). 一、系统总体结构框图： 二、系统工作原理：
该系统属于闭环PID控制系统，利用反馈通道和控制通道对储气罐中的气体压力进行动态快速、稳定和准确的控制。其具体工作原理是工控机首先设定储气罐中理想压强re ,然后根据反馈的数字信号和理想值进行比较得到差值 e 。然后利用PID 控制算法根据e 算出控制信号的算法控制信号的电压大小u ，通过数据通道D/A 转换把u 这一数据量转换成模拟量，这一模拟量直接控制电动V型调节球阀，进而控制储气罐的气压。然后是反馈通道，首先通过压阻式传感器，得到电压信号，再通过信号调理，调理后的信号经过数据通道A/D转换，转换成数字量，把数字信号送入工控机，工控机再根据这个信号输出符合要求的控制信号对电压V型调节阀进行控制，进而控制储气罐的气压。 三、传感器测量电路： 四、仪器设备和元器件： 一台工控机、一块数据采集板卡、一个电动V型调节球阀、一个扩散硅压阻式压力传感器、两个10KΩ电阻、两个500KΩ电阻、一个差动放大器、一台稳压电源及导线若干。 五、软件流程图：
工业测量系统 摘要:工业测量是现代工业技术的主要组成部分，是测绘学科的重要分支。目前主要介绍了除经纬仪外的五种工业测量系统包括全站仪极坐标测量系统、坐标测量机系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统的原理、特点及最新进展。 关键词：工业测量系统；全站仪极坐标测量系统；坐标测量机系统；数字近景摄影测量系统；激光跟踪测量系统；激光扫描测量系统 1.前言 随着现在科技的迅猛发展，特别是计算机技术、通信技术等的发展，在我们测绘领域出现了很多的技术创新。其中工业测量系统就是应用广阔、测量精度高、简单方便的一种测量新技术。 2.工业测量系统分类 二十世纪八十年代开始，工业测量系统在现代工业部门得到广泛的应用。根据所用的测 量仪器的不同，可分为三坐标测量机系统、电子经纬仪工业测量系统、全站仪极坐标测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统等。 2.1.三坐标测量机系统 三坐标测量机系统又包括了固定式的三坐标测量机（如图1）和便携式的关节式坐标测量机（如图2）。 三坐标测量机是指在一个三维空间内，能够对几何形状、长度等进行测量的仪器，它是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。目前，通过计算机自动控制的运用，计算机数字控制测量机已经出现并在生产实践中得到广泛的应用。具有自动瞄准定位的功能同时能按照预先编制好的程序自动完成全部测量和计算过程。其优点是测量精度高、效率高、操作便捷、应用广；其不足是属于接触式测量，对非刚体的测量误差大，同时是固定的，只适合室内作业，适用性弱。因此，一般测绘单位已经不配备这类仪器，只在工厂等生产单位使用。 便携式-关节臂式三坐标测量机取代传统的直尺/卷尺/测径器/千分尺/深度计/直径仪器/测隙规/厚薄规/柱形测孔规/显示测径器/标尺角度测量器甚至 小型台式三坐标测量机。是专为现场测量而设计，是当下通用的在线检测、数字化和质量验证的现代化检测工具。 图1坐标式测量机 图2臂式三坐标测量
工业过程测量和控制系统标准体系 The standard scheme for industrial process measurement and control system 梅恪1张桂玲2 (1.机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055) (Instrumentation technology & Economy institute P.R.China Beijing 100055) [摘要] 本文在分析了我国工业自动化仪表现状的基础上,提出了我国工业过程测量和控制系统标准体系框架和实施计划。 [关键词] 标准体系框架工业过程测量和控制系统 Abstract: Based on the present situation of industrial automation devices in our country, the article illustrates the standard scheme for industrial process measurement and control system and puts forward the plan of implementation. Key word: standard scheme industrial process measurement and control system 收稿日期：2010-01-11 作者简介：梅恪（1973-），男，北京市人，硕士，北京理工大学计算机科学与技术专业毕业，教授级高级工程师，全国工业过程测量和控制标准化技术委员会工业通信（现场总线）及系统分委会秘书长，长期从事工业自动化标准化工作。 引言 工业过程测量和控制系统广泛应用于石油、化工、电力、煤炭、冶金、纺织、轻工、食品、烟草等各个领域，是工业生产高产、稳定、优质、低耗、安全、环保的重要保障。“走新型工业化道路，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”是中央在全面总结我国工业化历史经验和深刻洞察世界经济与科技发展趋势的基础上，做出的一项重大战略决策。工业过程测量和控制系统是工业化与信息化融合的桥梁和手段。标准体系研究作为国家重要基础研究工作，是一项涉及经济、技术、管理等诸多因素的工作，其目的是为了指导开发、推荐技术、规范市场、保证质量、方便用户使用，为用户建立信心。 1、我国工业自动化仪表发展概况 我国工业自动化仪表产业在70年代形成了上海、西安、重庆、安徽、北京几个基地，并以系统带单表的发展战略带动了许多工程项目的实施。80年代，我国在DCS制造生产方面有了新的突破，开始打破了国外DCS全面占领中国市场的局面。90年代，现场总线技术和实时以太网技术蓬勃发展，国际上流行的现场总线通信协议有FF、PROFIBUS、WORLDFIP、P-NET等40多种，每一种
提高工业视觉测量系统精度的途径 一、引言 工件三维曲面或三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域。汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线检测，特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。该类工件在车间条件下一般采用靠模法测量，但可测截面少，测量精度低；在计量室条件下采用三坐标测量机测量虽然精度较高，但数据采集速度慢，测量成本高，且难于实现在线测量。鉴于接触式测量方法的局限性，激光三角法、莫尔投影法、工业视觉测量法等多种非接触测量方法日益受到重视，其应用也渐趋广泛。 工业视觉测量技术（或称数字近场摄影测量技术）是一种立体视觉测量技术[1]，其测量系统结构简单，便于移动，数据采集快速、便捷，操作方便，测量成本较低，且具有在线、实时三维测量的潜力，尤其适合于三维空间点位、尺寸或大型工件轮廓的检测。 二、测量原理 利用CCD摄像机可以获得三维物体的二维图像，即可以实现实际空间坐标系与摄像机平面坐标系之间的透视变换。通过由多个摄像机从不同方向拍摄的两帧（或两帧以上）的二维图像，即可综合测出物体的三维曲面轮廓或三维空间点位、尺寸。 为便于说明，设物空间坐标系为O-XYZ，CCD像面的像平面坐标系为o-xy。 现以双摄像机为例说明系统的透视变换关系。如图1所示，P为任一空间三维物点，设该点的物空间坐标为P（X，Y，Z），其在摄像机Ⅰ和摄像机ⅡCCD像面上的像点坐标分别为P1（x1，y1）和P2（x2，y2）。 图1 物空间坐标系和双摄像机的像平面坐标系 对于摄像机Ⅰ，像点坐标与物点坐标的变换关系为[2] （1） 其中w1为非零参数，a1，a2，…，a11为系统变换矩阵的元素，与摄像机Ⅰ的安放位置及成像系统Ⅰ的参数有关，可通过系统定标来确定。 对于摄像机Ⅱ，像点坐标与物点坐标的变换关系为 （2）
工业测量的技术手段和仪器设备，伴随着科学技术的发展与应用，其名目繁多。但归纳起来，最主要是以电子经纬仪或全站仪，摄影仪或显微摄影仪，激光扫描仪等传感器，在电子计算机和软件的支持下形成的三维测量系统，系统大概可分为三大类，以电子经纬仪或全站仪为传感器的工业大地测量系统；以摄影仪或显微摄影仪为传感器的工业摄影测量系统；以激光扫描仪为传感器的激光扫描测量系统。除此以外，还有基于莫尔条纹的工业测量系统，基于磁力场的三维量测系统，用于空间抛物体运动轨迹测定的全球定位系统等。 5．1工业大地测量系统 工业大地测量系统发展最早，应用较广 5．2工业摄影测量系统 工业摄影测量系统，是借助目标的影像，通过图像处理和摄影测量处理过程，以获取目标的几何状态和运动状态。其优点是通过像片提供大量信息，施测周期短，可在瞬间完成测量全过程，可对动态目标进行测量，可多重摄影，有多余观测值，精度可靠，相对精度可达百万分之一。特别适用于待测点密集的目标，适用于目标环境不甚稳定，乃至剧烈变化的目标，适用于工业生产流水线上产品的快速检测 5．3地面激光雷达系统， 前面3．2节中所说的地面激光雷达系统，最初是为工业测量设计的三维工业测量系统，如瑞士研制Cyrax激光扫描仪，具有扫描范围大，速度快，分辨率高、建模快，拼接好的特点，激光扫描“点阵”可再现所测物体的三维立体景观，可直接用于点对点的量测，利用拟合软件，点阵可以转换成三维模型，二维平面图，等高线图或断面图。它的问世，使三维工业测量系统加速向自动化、智能化、多用途方向发展。 三维工业测量系统是在制造业和机械安装检测行业中，利用各种测量仪器包括电子经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、扫描仪、专业相机等组合，在计算机的控制下，对工件和产品进行精密三维坐标测量的复杂系统。根据测量数据的获取方式不同总体上可分为接触式和非接触式两类。