机电一体化系统设计备课教案

1、机电一体化系统设计备课教案纸 年 月 日第一章 绪 论本章教学重点：机电一体化功能要素、相关技术。本章教学难点：机电一体化相关技术。本章教学方式：多媒体教学、机电一体化功能要素举例说明。第一节 机电一体化概念一、机电一体化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品）。图1-1 机电一体化产品归类图机电一体化产品分类：数控机床、机器人、自动生产设备生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具运输、包装及工程用机电一体化产品

2、数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品二、机电一体化产品的表现形式1.机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功

3、能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。 （3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。 （4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火

4、花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床等。2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。第二节 机电一体化构成要素及相关技术一、机电一体化构成要素图1-2 机电一体化系统与人体对应关系举例1：数控系统组成图1-3 数控系统组成图举例2：机器人组成图1-4 机器人组成图举例3：钢板自动切割系统组成成型板材自动切割工作原理图1-5 钢板自动切割系统组成图二、相关技术1.机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越

5、。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。2 .传感检测技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。图1-6 机电一体化相关技术图机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息 3 信息处理技术 实现信息处理的主要工具是计算机，计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络与通讯技术

6、和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。4 自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经

7、网络控制等。 5 伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）两类。6 系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。 三、学科构成图1-7 机电一体化学科构成第三节 机电一体化发展方向一、机电一体化特点1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高3、可靠性高4、柔性好 二、发展方向1、复合化2、小型化，轻量化3、高速化4、移动化5、智能化6、层次化和系统化7、全盘化总之，性能上:向高精度、高效率、高

8、性能、智能化方向发展； 功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展； 层次上：向系统化、复合集成化方向发展。第二章 机械系统设计本章教学重点：数学模型建立、机电一体化对机械传动的要求、齿轮传动设计要点。本章教学难点：机电一体化系统数学模型。本章教学方式：多媒体教学、动画演示。机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。本章首先介绍机械系统数学模型的建立；其次分析机械传动系统的特性；最后介

9、绍机电一体化系统中常用的新型机械传动装置和支承部件。第一节 机械系统数学模型的建立一、 机械移动系统机械平移系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。建立机械平移系统数学模型的基本原理是牛顿第二定律。下面以如图2-1a）所示的组合机床动力滑台铣平面为例说明平移系统的建模方法。图2-1 动力滑台铣平面及其力学模型a）动力滑台铣平面 b）系统力学模型设动力滑台的质量为m，液压缸的刚度为k，粘性阻尼系数为c，外力为f（t）。若不计动力滑台与支承之间的摩擦力，则系统可以简化为如图2-1b）所示的力学模型。由牛顿第二定律知，系统的运动方称为对上式取拉氏变换，得到系统的传递函数 （2-1）二、机械转动系统机械转动

10、系统的基本元件是转动惯量、阻尼器和弹簧。建立机械转动系统数学模型的基本原理仍是牛顿第二定律。简单扭摆的工作原理如图2-2所示，图中J为摆锤的转动惯量；c为摆锤与空气间的粘性阻尼系数；k为扭簧的弹性刚度；m（t）为加在摆锤上的扭矩；q（t）为摆锤转角。则系统的运动方称为：图2-2 扭摆工作原理图 （2-2）对上式取拉氏变换，得系统的传递函数为 （2-3）可以看出，式（2-3）与式（2-1）具有相同的形式。三、基本物理量的折算在建立机械系统数学模型的过程中，经常会遇到基本物理量的折算问题，在此结合数控机床进给系统，介绍建模中的基本物理量的折算问题。数控机床进给系统如图2-3所示。电动机通过两级减速

11、齿轮z1、z2、z3、z4及丝杠螺母机构驱动工作台做直线运动。图2-3 数控机床进给系统图2-3中，J1为轴I部件和电动机转子构成的转动惯量；J2、 J3为分别为轴II、III部件的转动惯量；k1、k2、k3分别为轴I、II、III的扭转刚度系数；k为丝杠螺母副及的轴向刚度系数；m为工作台质量；c为工作台导轨粘性阻尼系数；T1、T2、T3分别为轴的输入转矩。1 转动惯量的折算将轴I、II、III上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴I上，作为系统总转动惯量。设、分别为轴I、II、III的负载转矩，w1、w2、w3分别为轴I、II、III的角速度，v为工作台的运动速度。1） 轴I、II、III转动

12、惯量的折算 根据动力平衡原理，对于轴I有 （2-4）对于轴II有 （2-5）由于轴II的输入转矩是从轴I上的负载转矩获得的，且与他们的转速成反比，所以有 （2-6）又由传动关系知 （2-7）将式（2-6）和（2-7）代入式（2-5）得 （2-8）对于轴III有 （2-9）根据力学原理和传动关系，整理得 （2-10）2）工作台质量的折算 根据动力平衡关系：丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功，对于工作台和丝杠有 （2-11）式中 L丝杠导程。根据传动关系有 （2-12）将式（2-13）代入式（2-11）得 （2-13）3）折算到轴I上的总转动惯量 将式（2-8）、（2-1

13、0）、（2-13）代入式（2-4）并整理得 （2-14）式中 系统折算到轴I上的总转动惯量。 （2-15）其中，第二项为轴II转动惯量折算到轴I上的当量转动惯量；第三项为轴III转动惯量折算到轴I上的当量转动惯量；第四项为工作台质量折算到轴I上的当量转动惯量。2 粘性阻尼系数的折算机械系统的相对运动元件之间存在着粘性阻尼，并以一定的形式表现出来。在机械系统的数学建模过程中，粘性阻尼同样需要折算到某一部件上，求出系统的当量阻尼系数。其基本方法是将摩擦阻力、流体阻力及负载阻力折算成与速度有关的粘性阻尼力，再利用摩擦阻力与粘性阻尼力所消耗的功相等这一原则，求出粘性阻尼系数，最后进行相应的当量阻尼系数

14、折算。在本例中工作台得摩擦损失占主导地位，其它各环节的摩擦损失相对而言可以忽略不计。当只考虑阻尼力时，根据工作台和丝杠之间动力关系有 （2-16）即丝杠旋转一周所做的功，等于工作台前进一个导程时其阻尼力所做的功。根据力学原理和传动关系有， 将以上两式代入式（2-16），并整理得 （2-17）式中 工作台导轨折算到轴I上的粘性阻尼系数 （2-18）3 刚度系数的折算机械系统中各元件在工作时受到力和/或力矩的作用，将产生伸长（或压缩）和/或扭转等弹性变形，这些变形将影响整个系统的精度和动态性能。在机械系统的数学建模中，需要将其折算成相应的当量扭转刚度系数和/或线性刚度系数。在本例中，首先将各轴的扭

15、转角折算到轴I上，丝杠与工作台之间的轴向弹性变形会使轴III产生一个附加扭转角，所以也要折算到轴I上，然后求出折算到轴I上的系统的当量刚度系数。1）轴向刚度系数的折算 当系统受到载荷作用时，丝杠螺母副和螺母座都会产生轴向弹性变形，其示意图如图2-4所示。设丝杠的输入转矩为T3，丝杠和工作台之间的弹性变形为d，相应的丝杠附加转角为Dq3。根据动力平衡和传动关系，对于丝杠轴III有图2-4 弹性变形等效示意图所以 即 （2-19）式中 附加扭转刚度系数 （2-20）2）扭转刚度系数的折算 设q1、q2、q3分别为轴I、II、III在输入转矩T1、T2、T3作用下产生的扭转角，根据动力平衡和传动关系

16、有 （2-21） （2-22） （2-23）因为丝杠和工作台之间的轴向弹性变形，使得轴III产生了一个附加扭转角Dq3，所以轴III上的实际扭转角qIII为：qIII=q3+Dq3 （2-24）将式（2-19）和式（2-21）代入式（2-22）得qIII= （2-25）将各轴的扭转角折算到轴I上，得到系统的当量扭转角III （2-26）将式（2-21）、（2-22）和（2-23）代入式（2-25）得 （2-27）式中 折算到轴I上的当量扭转刚度系数 （2-28）将基本物理量折算到某一部件后，即可按单一部件对系统进行建模。在本例中，设输入量为轴I的转角xi，输出量为工作台的线位移xo，则可以得到

17、数控机床进给系统的数学模型 （2-29）对应于该二阶线性微分方程的传递函数为 （2-30）式中 系统的固有频率， 系统的阻尼比， 和是二阶系统的两个特征参数，对于不同的系统可由不同的物理量确定，对于机械系统而言，它们是由质量、阻尼系数和刚度系数等结构参数决定的。第二节 机械传动系统的特性一、机电一体化对机械传动的要求 1、高精度2、快速响应3、良好的稳定性二、机械传动系统的特性转动惯量小 摩擦小 阻尼合适 刚度大 抗振性能好 间隙小 转动惯量大会是机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但

18、定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。第三节 机械传动装置一、齿轮传动齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床中传动装置几乎都离不开齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个，一是将高转速低转矩的伺服电机（如步进电机、直流或交流伺服电机等）的输出，改变为低转速大转矩的执行件的输出；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外，对开环系统还可以保证所要求的精度。提高传动精度的结构措施有：（一）适当提高零部件本身的精度；（二）合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响1、合理选择传

19、动型式2、合理确定级数和分配各级传动比3、合理布置传动链（三）采用消隙机构以减少或消除空程。由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面的要求，总是存在着一定的误差，因此两个啮合着的齿轮，总应有微量的齿侧隙才能使齿轮正常地工作。以下介绍的几种消除齿轮传动中侧隙的措施，都是在实践中行之有效的。1. 圆柱齿轮传动(1) 偏心轴套调整法图2-5所示为简单的偏心轴套式消隙结构。电机1是通过偏心轴套2装到

20、壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。 图2-5 偏心轴套式消除间隙结构1-电动机 2-偏心轴套 (2) 锥度齿轮调整法图2-6是用带有锥度的齿轮来消除间隙的机构。在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化（其外形类似于插齿刀）。装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。但如增大圆锥面的角度，则将使啮合条件恶化。图2-6 带锥度齿轮的消除间隙结构1、2-齿轮 3-垫片以上两种方法的特点是结构简单，但齿侧隙调整后不能自动补偿。(3) 双向薄齿轮

21、错齿调整法采用这种消除齿侧隙的一对啮合齿轮中，其中一个是宽齿轮，另一个由两相同齿数的薄片齿轮套装而成，两薄片齿轮可相对回转。装配后，应使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿轮的齿槽左、右两侧，这样错齿后就消除了齿侧隙，反向时不会出现死区。图2-7为圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整结构。图2-7 圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整法1、2-齿轮 3、8-凸耳 4-弹簧 5、6-螺母 7-螺钉在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调整螺钉7上，通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完毕

22、用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了齿侧间隙。2. 斜齿轮传动斜齿轮传动齿侧隙的消除方法基本上与上述错齿调整法相同，也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。图2-8是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少t，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙。垫片厚度的增减量t可以用下式计算： tcos式中 齿侧间隙； 斜齿轮的螺旋

23、角。垫片的厚度通常由试测法确定，一般要经过几次修磨才能调整好，因而调整较费时，且齿侧隙不能自动补偿。图2-9是轴向压簧错齿调整法，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。图2-8 斜齿薄片齿轮垫片错齿调整法图2-9 斜齿薄片齿轮轴向压簧错齿调整法二、同步齿形带传动同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图2-10所示，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机床上

24、亦有应用。 图2-10 同步齿形带传动三、滚珠丝杠螺母副机构1、滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，如图2-11所示。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。图2-11 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠副的特点是：1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率0.920.96，比常规的丝杠螺母

25、副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/41/3。2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。5）磨损小，使用寿命长。6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。2、滚珠丝杠副轴向间隙的调整方法常用的双螺母消除轴向间隙的结构

26、型式有以下三种。(a)垫片调隙式（图2-12） 通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。图2-12 双螺母垫片调隙式结构1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片图2-13 双螺母螺纹调隙式结构1、2-单螺母 3-平键 4-调整螺母(b)螺纹调隙式（图2-13）其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预

27、拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。 (c)齿差调隙式（图2-14）在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。图2-14双螺母齿差调隙式结构1、2-单螺母 3、4-内齿圈除了上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧及单螺母钢球过盈预紧方式。3、 滚珠丝杠副的精度滚珠丝杠副的精度等级为1、2、3、4、5、7、10级精度，代

28、号分别为1、2、3、4、5、7、10。其中1级为最高，依次逐级降低。4、 滚珠丝杠副的标注方法滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按下列格式编写。 × 循环方式 预紧方式 公称直径 基本导程 负荷滚珠总圈数 精度等级 螺纹旋向负荷滚珠总圈数为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5圈，代号分别为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。浮动式 F 双螺母齿差预紧 C内循环 双螺母垫片预紧 D 固定式 G 预紧方式 双螺母螺纹预紧 L 单螺母变导程自预紧B 插管式 C外循环 螺旋槽式 L螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。滚珠螺纹的代号用GQ

29、表示，标注在公称直径前，如GQ50×83例 CTC63×103.53.5/2000×1600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm。第三章 传感检测系统设计本章教学重点：位移测量传感器，速度、位置传感器，接口电路设计。本章教学难点：接口电路设计。本章教学方式：多媒体教学、动画演示。第一节 传感器第二节一、传感器分类图3-1 传感器类型二、机电一体化对检测系统的基本要求：精度、灵敏度、分辨率高；线性、

30、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。三、传感器特性：静态特性： 1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。第二节 位移测量传感器一、电容传感器a)1. 变极距型电容传感器 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 。图3-2 电容传感器原理图 注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较

31、小间隙变化范围内工作。2. 变面积型电容传感器 原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。3变介质型电容传感器 两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。图3-3 可变磁阻式传感器原理图1线圈 2铁心 3衔铁二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：

32、电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器）。1、自感型（一）可变磁阻式由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可该变线圈的电感量。注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。 （二）涡流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为d。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通f。此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡流将产生交变磁通f1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发

33、生变化，变化程度与距离有关。 影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。 应用：可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。 特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。2、互感型：差动变压器式：原理：将被测位移转换成线圈互感变化。注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。 2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，

34、输出不为零。图3-4 差动变压器式传感器结构图解决办法：后接电路。应用：位移测量仪。第三节 速度、加速度传感器一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是台微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷相换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 测速机的结构有多种，但原理基本相同。图3-5所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。图3-5 永磁式测速机原理图 直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机

35、轴上，有的电机本身就已安装了测速机。二、光电式转速传感器光电式转速传感器是由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图3-6所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。图3-6 光电式转速传感器结构原理图 当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测出转速为 n=60N/ZtZ圆盘上的缝隙数；n转速(rmin)；t测量时间(s)。第四节 位置传感器位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，

36、确定是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某物体的一种传感器。一、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。二、接近式位置传感器 接近式位置传感器按其上作原理主要分：电磁式；光电式；静电容式；气压式；超声波式。其基本工作原理可用图37表示出来。图3-7 接近式位置传感器工作原理图第五节 传感器信号处理一、测量放大器：在许多检测技术应用场合传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，

37、对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。图3-8 测量放大器原理图 图3-9 AD522典型接法二、程控增益放大器图3-10 程控增益放大器原理图经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。当模拟信号送到模数变换器时为减少转换误差一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用AD变换器进行模数转换时，在AD输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在

38、这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换。图3-11为利用AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻RG的办法来实现增益控制。b)图3-11 AD521构成的程控增益放大器三、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，

39、能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。图 3-12 284型隔离放大器电路结构图第四章 控制电动机及其选择计算本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、交流伺服电机选用及控制。本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。本章教学方式：多媒体教学、动画演示。第一节 执行元件分类图4-1 执行元件的种类一、液压系统二、气压系统气压系统与液压系统的比较( 1)空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。 (2)空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。 (3)工作压力低可降

40、低对气动元件的材料和制造精度要求。 (4)对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。 (5)维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点：(1)气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置并且信号产生较大失真和延迟，也不便于构成十分复杂的回路。但这个缺点对生产过程不会造成困难。(2)空气的压缩性远大干液压油的收缩性，精度较低。(3)气压传动的效率比液压传动还要低，且噪声较大。(4

41、)工作压力较低，不易获得大的推力。气压传动出力不如液压传动大；应用：液压系统用于需大的功率重型设备 气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线 电动应用最广泛三、伺服电机控制方式图4-5 伺服电机控制方式的基本形式第二节 步进电动机一、步进电动机的结构和工作原理它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图4-6所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。1-绕组 2-定子铁心 3-转子铁心图4-6 反应式步

42、进电动机结构原理图二、步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACBA，步进电动机的转子将逆时针转动30。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15。 图4-7 反应式步进电动机工作原理图三、步进电机特点

43、（1） 步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；（2）（3） 改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；（4）（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；（4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： a= 360/mzk 式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。对于图6-1所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为a=360/3×4×1=30若按三相六拍通电方式工作

44、，则步距角为a=360/3×4×2=15。四、步进电机分类1、反应式步进电机：定子转子均有铁心组成，转子无绕组，步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现。特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小。应用：数控设备，机器人。2、永磁式步进电机：转子用永磁铁，靠与定子产生电磁力特点：控制功率小，效率高，造价低，但步距角大。应用：记录仪，空调机。3、混合式步进电机：转子有齿，带固定极性。特点：步距角小，工作频率高，控制功率小。但结构复杂，成本高。五、步进电机驱动电源（一） 脉冲分配图4-8 步进电动机驱动电源图（一） 脉冲分配1、硬件实现图4-9 CH250管脚图及三

45、相六拍接线图表4-1 CH250工作状态表2、软件脉冲分配 软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。（二）步进电动机的功率放大 1单电压功率放大电路 此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。2高低电压功率放大电路电源U1为高电压，电源大约为80150V，U2为低电压电源，大约为520V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VT

46、1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。3斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出电平的高

47、低，来决定Vin信号能否通过与门A2。若Vref>Vf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，Vref<Vf时Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。第三节 直流伺服电动机直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。 直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的

48、伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。一、 特点1、稳定性好2、可控性好3、响应迅速4、控制功率低，损耗小5、转矩大 二、直流伺服电机控制图4-10 直流伺服电机的控制回路三、驱动与控制一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等。目前常用晶体管驱动和可控硅直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PwM)。 一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。（一）可控硅直流调速驱动（二）脉宽调制放大器(PWM)PWM