机电一体化系统

1、机电一体化系统复习资料概念部分1、 机电一体化系统基本要素机电一体化系统一般包括七个基本结构要素：机械本体、动力部分、传感检测部分、执行部分、驱动部分、控制部分及信息处理单元。2、 机电一体化系统各元素功能3、 执行机构含义、种类机械本体含机械传动装置和机械结构装置人的身体,骨骼（数控的工作台,丝杆等） 机械系统内涵：起传递功率，支承连接、执行功能。机械系统种类和作用1、传动机构：机电一体化系统中传动机构的主要功能是传递转矩和转速，实际上它是一种转矩、转速变换器。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速响应性有重

2、大影响。2、导向机构：其作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。该机构应能保证安全准确。3、执行机构：用来完成操作任务，执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作，一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、良好的重复性和可靠性等。动力单元1、按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。2、机电一体化的显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。 传感控制单元1、自动检测人的五官、皮肤（感应同步器,光栅） 。2、对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分

3、析、处理产生相应的控制信息。执行和驱动单元1、驱动单元:是在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。2、机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性；另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便，并且尽可能实行标准化、系列化、通用化。3、常见执行和驱动单元：机械、电磁、电液执行机构和步进电机、交直流伺服电机驱动系统。 控制与信息处理单元机电一体化系统的核心单元，其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口

4、送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。1、接口连接机电一体化系统各个要素或子系统顺利进行物质、能量、信息交换的部件。2、接口的基本功能：交换、放大、传递3、机电一体化系统设计、调试和运行的难点在于接口部分。系统机械技术特点精度要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更优越，同时还要有更好的可靠性、维护性和更新颖的结构。零部件要求模块化、标准化、规格化，对结构进行优化设计，采用新型复合材料使系统减轻重量，缩小体积，又不降低机械的静、动刚度，采用高精度导轨、精密滚珠丝杠、高精度主轴轴承和高精度齿轮等，以提高关键零部件的精度和可靠性；提高其互换性和维护性等。机械本体部分1、机械系统

5、主要作用：接受电机或原动机（发电机等）传递来的能量，并进行转换；完成规定的动作，传递功率、传递运动，支承和连接相关部件。2、机械系统通常是微机控制的伺服系统的组成部分。使系统各部分保持确定的位置定位3、多级传动系统中三种传动比分配原则4、 滚珠丝杆基本功能和特点单轴：当d /dt= 0 ，n或 为常数称静态（相对静止）或稳态（稳定运动）。大于、小于0？多轴系统，为了列出这个系统的运动方程，必须把上述各量折算到某一轴上（电机轴），即折算成为单轴系统。5、机械手设计的基本要求？机电传动系统的运动方程式（单轴）当d /dt= 0 ，n或 为常数称静态（相对静止）或稳态（稳定运动）TM 电机产生的 转

6、矩TL 负载转矩n 转速 角速度J 单轴传动系统中转动惯量t 时间 单轴机电传动运动方程 一对齿轮传动总转动惯量二对齿轮传动传动总速比i=i1×i21、齿轮3、4装在中间轴，其转动惯量折算到电机轴上为： J2 （ z1 / z2 ）2 J3（ z1 / z2 ）22、齿轮4的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为 i1=z2/z1 i2=z4/z3二对齿轮传动等效转动惯量计算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算负载转矩的折算基本原则：功率守恒原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系上保持不变。则电动机轴上的负载功率是：（M 电动机角速度）TN.m=9550 Pkw/nr/mi

7、n滚珠丝杠结构原理图滚珠丝杆可将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。螺母和丝杆可互为主动、从动一端装止推轴承（固定自由式） 承载能力小，轴向刚度低，适用于短丝杆、轻载、低速、垂直安装丝杆。一端装止推轴承，另一端深沟球轴承（固定支承式）适用于中速、精度较高的长丝杆。 两端装止推轴承 并市价预紧力，提高传动精度，适用于中速精度较高丝杆传动。对热伸长较敏感。两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定固定式）施加预紧力，热变形可转化成止推轴承预紧力。适用于高刚度、高速度、高精度的精密丝杆传动。总传动比三种原则的选择具体工作条件进行选择1、对于以提高传动精度和减小回程误差为主的降速

8、齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小的原则设计。若是增速机构，则应在开始几级就增速。2、对于要求运动平稳。启动频繁和动态性能好的伺服减速机构，可按最小转动惯量和输出轴转角误差最小原则设计；3、对于负载变化大的齿轮传动装置，各级传动比最好用不可约的比数，避免同时啮合。4、对于质量要求尽可能小的降速传动链，按质量最小原则设计；5、对于传动比很大的齿轮传动链，可把定轴轮系和行星齿轮系结合设计。同步齿形带特点1、 利用齿形带的齿形和皮带轮的轮齿依次啮合来传递运动和动力。2、 和平皮带，三角带比：传动比准确、传动效率高、能吸振，噪声低、传动平稳、高速传动、维修保养方便等。但是，安装精度要求高、中心距要求严

9、格，有蠕动性。同步齿形带基本组成组成源头刚轮1、柔轮2、波发生器3组成。柔轮：有外齿的弹性薄壁件，刚轮是刚性内齿圈，波发生器是椭圆凸轮及压配在凸轮上的薄壁轴承。同步齿形带特点1、 传动比大，单级为50500，多级可达30000以上；2、 承载能力大：同时啮合齿数可达总齿数的30%40%。3、 传动精度高：比齿轮传动精度高一级以上。4、 齿侧间隙小：可以调整到最小，减少回程误差。5、 传动平稳：基本无冲击振动。6、 结构简单、体积小、重量轻，可减少对应齿轮减速器的1/2到1/3。同步齿形速比计算波发生器输入i刚轮固定，柔轮输出0，传动比i=i/0 = - ZR（ZG-ZR）（负号表示转向相反）Z

10、R柔轮外齿数，ZG刚轮内齿数柔轮固定，刚轮输出0 ，传动比i= i / 0 = ZG（ZG-ZR）滚动导轨1、 两导轨之间为滚动摩擦，放置滚珠、滚柱、滚珠、滚针等实现无滑动的相对运动。2、 特点：磨损小、寿命长、定位精度高、灵敏度高、运动平稳可靠。结构复杂，几何精度要求高、抗震性差，防护要求高、制造困难。3、 适用：工作部件移动均匀、动作灵敏、精度要求高场合。机械手机械夹持器基本功能夹持和松开机械手夹持器设计计算要点1、 利用手指或卡爪与工件接触面间的摩擦力夹持工件，工件从静止状态开始可能有多种运动状态，受理情况是不同的。2、 除自重外，运动变速时有惯性力。3、 设计时，夹持本位很重要。4、

11、计算时，着重考虑正压力。开关量输入输出接口（ I / 0 ）开关量输入接口开关量输入电路可分为 3 类：直流输入接口、交流输入接口和交直流输入接口。 直流输入接口直流输入接口所用的电源，一般由 PLC 内部 24V 直流电源供给。 交流输入接口交直流输入接口 开关量输出接口（外部供电） 直流输出接口（晶体管输出型） 交流输出接口（双向晶闸管输出型） 交直流输出接口（继电器输出型）开关量输入输出单元接线1、汇点式接线：输入或输出回路又一个公共端（汇集端）COM，可以把全部输入或输出为一组，公用一个公共端和同一个电源；2、分隔式接线：每个输入或输出点单独用各自电源接入，没有公共端汇点，有各自的CO

12、M端，每个输入或输出是隔离的。伺服系统伺服系统（伺服机构、随动机构）以机械量（如位移、速度、加速度、力、力矩等）为被控制量的自动控制系统。即系统输出能快速准确地跟随输入指令的变化。分类：开环、半闭环、闭环伺服控制系统开环：一般为步进电机驱动控制系统半闭环、闭环：一般为伺服电机驱动控制系统对伺服系统的基本要求1、稳定性：作用在系统上扰动信号消失后系统能恢复到原来稳定状态下运行或在输入指令信号作用下系统能达到新的稳定运行状态的能力。2、精度及系统误差：精度是指输出量复现输入指令信号，其准确程度由三种误差衡量，即动态、静态、稳态误差。对伺服系统的影响精度因素系统误差可以根据规律加以消除；随机误差不能

13、消除，只能控制在运行范围内。步进电机概念1、步进电机的含义是自动控制系统中常见的执行元件，属于阶跃型同步电机，输入信号为脉冲电流；它能将输入的脉冲电流转换为阶跃型的角位移或直线位移，即每接收到一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进一步；2、步进电机基本特点直接接受数字信号，不需要进行数模转换；转动惯量小，在电机允许范围内能够快速启动和停止；定位精度非常高，虽然步距角有误差，但一圈后可以消除误差、无积累误差；工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压波动、电流大小波动、温度变化）的影响，只要干扰大小未引起丢步（输入脉冲后未能使电机转动），就不会影响工作。3、步进电机的典型应用需要精确定

14、位场合，如机床进给系统、转盘驱动系统、绘图机、打印机；工业控制系统中，可不需要传感器就可达到精确定位，在开环控制系统中广泛使用。步进电机运行特性、性能指标及意义1、分辨力在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转过的角位移，即步距角。 越小分辨力越高。常用有0.6°/1.2°、0.9°/1.8°、1°/2°、1.5°/3°等。反应式电机一般为1.5°；永磁式7.5°或15°；混合式两相1.8°，五相0.72°。2、额定电压驱动电源供给的电压，一般不等于加在绕组两端的电压；

15、额定电流电机不动时第一相绕组允许通过的电流，而转动时每相绕组通过的是脉冲电流。3、静态特性在稳定状态下的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。步距角1、在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转子转过的角位移称为步距角。2、步距角愈小，则驱动控制的精度愈高。作为控制系统而言，也认为是分辨率高。3、一般反应式步进电机的步距角为0.75°3°。 4、特殊情况下，步距角0.036 °，即一转能达到1000步（每转步数称分辨率）。通过细分电路（将一个脉冲分解成若干等距脉冲），可以细化分辨率，但精度不一定提高。5、 矩角特性：单项通电的静态转矩T与失调角的变化曲线。外加转矩取消

16、，电机能会未定平衡点（ =0）。步进电机启动频率fq1、fq：步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行所允许的最高启动频率称为的启动频率或突跳频率。2、若系统启动时频率大于启动频率，步进电机就不能正常启动。根据加工精度确定脉冲当量选择步距角1、脉冲当量：步进电机一个脉冲（或一个步距角）经过传动链使得执行机构移动的距离。2、脉冲当量的设定与加工精度和执行机构位移分辨率有关。对于滚珠丝杆螺母传动机构： 步距角 = 360°· / P· i 为步距角（°） P: 丝杆螺距（mm） i传动比 脉冲当量 其中P通过计算得到，i通过计算分配（不超过三级传动）根据

17、进给速度（最高）确定步进电机工作频频率1、找到执行机构最高运行速度和电机频率的关系。其运行速度收电机最高频率限制。2、电机样本一般给出电机最高频率；3、注意拨码开关设置，可能分高速和低速。根据负载转矩或阻力选择步进电机转矩1、 若执行机构速度（如进给速度）要求的频率大于启动频率，电机有加速运动。2、 电机转矩须克服负载转矩（含负载转矩+摩擦阻力局等）和惯性转矩。必须克服最大峰值转矩。3、 一般加上保险系数1.051.1。做出负载图（在速度上的分布情况）与厂家样本给出的矩频特性图比较，与负载匹配。要求各段负载转矩钧小于矩频特性上转矩，并留有余地。根据初选电机惯频特性校核系统启动性能根据惯频特性查

18、出电机带负载惯量后的启动频率应满足系统要求。通过计算则一般是： TL/Tm0.5 JL/Jm 4 根据矩频特性计算加减时间校核系统快速性1、步进电机带摩擦和负载后的启动频率较低（如步距角1.5°时，启动频率不超过1000Hz），因此不能满足伺服系统的快速要求需要采用加减速电路。2、加减时间对系统快速性影响极大，可根据矩频特性分段线性化粗略计算加减时间。计算结果的时间大于系统允许的加、减时间或整个行程的平均速度低于系统的要求，则应该重新选择电机或传动比。根据电机精度和矩角特性校对静态定位误差1、静态定位误差=步距误差+传动累计误差+负载摩擦引起随机误差2、负载摩擦引起随机误差可从矩角特

19、性作出，或近似计算 3、若定位误差不能满足系统要求，重选高精度等级的电机或减小步距角或采用细分电路等措施。伺服系统1、 伺服控制系统的含义2、 闭环、半闭环、开环控制系统的异同，用途3、 步进电机步距角、相、工作方式、拍等含义4、 如何使步进电机换向和变速5、 步进电机驱动器拨码开关的作用6、 变频调速器组成7、 变频调速有哪两种8、 变频调速器主要接线端子9、 伺服电机与配套电机的异同10、比较闭环、半闭环、开环控制步进电机的PLC控制其中：步进电机驱动器一端提供与PLC相连的转速信号CP、转向信号DIR、启动信号EN；一端提供与步进电机相线（U、u、V、v）相连的驱动接口。驱动器与PLC接

20、线图步进电机驱动器及接线两相步进电机接线图1. PLS+、PLS-：步进电机驱动器脉冲信号端子，接受PLC发来的脉冲信号。2. DIR+、DIR-：步进电机驱动器方向信号端子。3. FREE+、FREE-：为脱机信号。被接步进电机每脉冲信号输入时具有自锁功能，可锁住转子不动。有脱机信号时解除自锁功能，转自出于自由状态不响应步进脉冲。4. V+、GDN：驱动器直流电源端子。交流电源较少。分析实例步进电机点动控制按下正转按钮电机正转，电动速度是1r/s。步进电机细分数为2000脉冲/r。 控制信号规定：X1正转、X2反转，Y0脉冲输出点，Y2方向信号（断开正转，接通反转）。计算脉冲频率：因速度为1r/s，细分数2000脉冲/r。则频率2000（脉冲/s），即脉冲频率设定为2000Hz。程序：说明：脉冲数量不一定如程序中的99999999，只要设定数量足够大就可以。因为点动对对脉冲数量不确定，按下按钮就转。若脉冲数量小于点动值，脉冲走完电机就会停止。变频调速原则及其机械特性常见方法恒磁通、恒流、恒功率变频调速1、恒磁通变频调速：保持磁通量恒定，须使电压随频率成正比变化，即定子电压和频率比值不变，