机电一体化系统设计_2014复习

1、河南理工大学机械学院机电一体化系统(xtng)设计复习提纲主讲(zhjing)教师：张业明QQ403597998Tel: 158 3890 (zym123)河南理工大学机械学院精品资料河南理工大学机械学院机电一体化系统设计 2013-2014年度第一学期 新校区考试安排：时间：16周，2013年12月21日 周五下午2点半-4点半地点：3204（机制09-5 机制09-6 机制09-7 机制09-8 机制09-9 ）；3202（机制本11-3 机制本11-4， 机制单09-1 ）；3203（机制才11-1）。考试形式(xngsh)：闭卷。题型：一、填空题（8个小题，共16分）；二、多项选择题（

2、8个小题，共16分）；三、简答题（5个小题，共45分）；四分析题（2个小题，共23分）精品资料河南理工大学机械学院第第1章章 绪论绪论(xln) 目的：对什么是目的：对什么是“机电一体化机电一体化”有初步的感性有初步的感性认识，了解机电一体化系统的概念，基本认识，了解机电一体化系统的概念，基本(jbn)组成及相关技术。组成及相关技术。 重点：掌握组成机电一体化系统的五大组成重点：掌握组成机电一体化系统的五大组成部分即机械系统、控制系统、能源动力系统、部分即机械系统、控制系统、能源动力系统、执行单元、检测传感器等的功能。执行单元、检测传感器等的功能。精品资料河南理工大学机械学院 物质、能量和信息

3、物质、能量和信息(即工业三大要素即工业三大要素) 机电一体化系统须具有机电一体化系统须具有(jyu)以下三大以下三大“目目的功能的功能”：变换：变换(加工、处理加工、处理)功能、传递功能、传递(移动、移动、输送输送)功能和储存功能和储存(保持、积累、记录保持、积累、记录)功能。功能。 机电一体化机电一体化的外文名词是机电一体化机电一体化的外文名词是 Mechatronics ，来源于日本（，来源于日本（70年代）。年代）。取英语取英语Mechanics（机械学）的前半部和（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成。（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为机电一体化或机

4、械电子学；我国通常称为机电一体化或机械电子学；精品资料河南理工大学机械学院 典型的机电一体化系统包含哪些基本要素典型的机电一体化系统包含哪些基本要素(yo s)？ 一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素要素(yo s)： 机械本体、动力与驱动部分、机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。 这些组成要素这些组成要素(yo s)内部及其之间内部及其之间,形成通过形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。

5、等有机融合的一个完整系统。精品资料河南理工大学机械学院 什么是机电一体化技术？它主要涉及哪些学科？什么是机电一体化技术？它主要涉及哪些学科？ 从系统从系统(xtng)的观点出发，将机械技术的观点出发，将机械技术 、微电、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统子技术、信息技术、控制技术等在系统(xtng)工工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统程基础上有机地加以综合，以实现整个系统(xtng)最佳化的一门新科学技术。机电一体化不最佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论和系统(xtng)论等的基础上建立起来

6、的应用技论等的基础上建立起来的应用技术。术。 涉及到许多相关的学科：涉及到许多相关的学科： 机械学：机械设计、机械制造等；机械学：机械设计、机械制造等； 电子学：电工学、电机学、数字电路、模拟电路电子学：电工学、电机学、数字电路、模拟电路等；等； 控制论：经典控制（控制工程基础控制论：经典控制（控制工程基础)、现代控制（、现代控制（多变量多变量)等；等； 计算机科学：微处理系统计算机科学：微处理系统(xtng)及接口技术，应及接口技术，应用软件技术（用软件技术（CAD、CAM、FMS、CAT、CNC）等。）等。精品资料河南理工大学机械学院机电一体化系统的主要关键技术机电一体化系统的主要关键技术

7、1. 机械技术机械技术 机械技术是机电一体化的基础。机械技术是机电一体化的基础。2. 计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术 包括信息的输入、变换、运算、存储及输出。包括信息的输入、变换、运算、存储及输出。信息处理的工具是计算机，因此信息处理技术是和计算信息处理的工具是计算机，因此信息处理技术是和计算机技术紧密机技术紧密(jnm)相关，包括硬件、软件、网络与通讯相关，包括硬件、软件、网络与通讯、数据库技术等；、数据库技术等；机电系统中采用工业控制计算机进行信息处理，其硬件机电系统中采用工业控制计算机进行信息处理，其硬件包括输入包括输入/输出设备、显示器、外部存储器、主机、可编输出设备、显示器

8、、外部存储器、主机、可编程控制器、数控装置等。程控制器、数控装置等。精品资料河南理工大学机械学院3.自动控制技术 机电系统自动控制包括(boku)位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分为经典控制理论和现代控制理论4. 伺服传动技术 所谓“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。 在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 伺服传动系统采用的驱动技术与使用的执行元件有关。按照执行元件的不同分为电气伺服、液压伺服、气压伺服精品资料河南理工大学机械学院5. 检测传感技术 是机电一体化系统的感觉器官，即从待

9、测对象获取信号并送到信息处理(chl)部分。 主要内容包括：一是将物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转换的电信号的加工处理(chl)如放大、补偿、标定。 检测传感装置是实现自动控制的重要环节，要求传感器及其放大处理(chl)电路快速、精确地获取信息，并能够抗干扰、可靠性高。精品资料河南理工大学机械学院6.系统总体技术 从整体的观点出发，组织应用各种相关(xinggun)技术，即从全局和系统目标角度，将系统分解成若干功能子系统，对于每个子系统的技术方案要从整个系统技术协调的观点考虑，最终使整个系统实现最优化。精品资料河南理工大学机械学院第第2章章

10、机械系统部件的选择机械系统部件的选择(xunz)与设计与设计 目的：通过本章的学习，把已学过的一些机械设计的初步目的：通过本章的学习，把已学过的一些机械设计的初步知识运用到系统中，并进一步学习一些典型的机械结构设知识运用到系统中，并进一步学习一些典型的机械结构设计方法。计方法。 重点：突出在机电一体化系统中常用的机械传动装置的设重点：突出在机电一体化系统中常用的机械传动装置的设计和选用，以及主要机械结构如主轴组件、导轨、支承件计和选用，以及主要机械结构如主轴组件、导轨、支承件在设计时应注意的问题。在设计时应注意的问题。 难点：常用的传动装置如滚珠丝杠副、同步齿轮难点：常用的传动装置如滚珠丝杠副

11、、同步齿轮(chln)带带等的选择及设计计算。等的选择及设计计算。 技巧注意事项：因为该部分内容与所学过的机械设计课程技巧注意事项：因为该部分内容与所学过的机械设计课程联系紧密，学生必要时应该复习以前内容。联系紧密，学生必要时应该复习以前内容。精品资料河南理工大学机械学院p机电机电(jdin)一体化系统常用的传动机构有一体化系统常用的传动机构有哪些？它们的作用是什么？哪些？它们的作用是什么？ 常用传动部件：螺旋常用传动部件：螺旋(luxun)传动、齿轮传动、同步齿形传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，及各种凸轮、连杆其它非线性传动元传动、高速带传动，及各种凸轮、连杆其它非线性传动元件。件

12、。 其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。矩、转速变换器。 目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。匹配。精品资料河南理工大学机械学院滚珠滚珠(gnzh)的循环方式的循环方式滚珠滚珠(gnzh)丝杠副中滚珠丝杠副中滚珠(gnzh)的循环方的循环方式有内循环和外循环两种。式有内循环和外循环两种。内循环：内循环： 滚珠在循环过程中始滚珠在循环过程中始终终(shzhng)与螺杆保持接触的与螺杆保持接触的循环叫内循环。循环叫内循环。外循环：外循环： 滚珠在返回

13、时与螺杆脱离接触滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不同的循环称为外循环。按结构的不同,外循外循环可分为环可分为螺旋槽式、插管式螺旋槽式、插管式和和端盖式端盖式三种。三种。精品资料河南理工大学机械学院p 什么是滚珠丝杠的轴向间隙？如何调整滚珠丝杠的轴向什么是滚珠丝杠的轴向间隙？如何调整滚珠丝杠的轴向间隙？间隙？p 轴向间隙通常是指丝杠和螺母轴向间隙通常是指丝杠和螺母(lum)无相对转动无相对转动时，丝杠和螺母时，丝杠和螺母(lum)之间的最大轴向窜动。除了结之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还

14、包括弹性变形所造成的窜动。包括弹性变形所造成的窜动。 滚珠与螺母滚珠与螺母(lum)原有的原有的间隙间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程空程，从而影响机构，从而影响机构的传动精度。的传动精度。通常采用通常采用双螺母双螺母预紧预紧的方法的方法消除间隙，提高刚消除间隙，提高刚度。度。 常用调整结构形式：常用调整结构形式：双螺母螺纹预紧调整式双螺母螺纹预紧调整式 双螺母齿差调隙式双螺母齿差调隙式 双螺母垫片调隙式弹簧式自动调整式双螺母垫片调隙式弹簧式自动调整式 单螺母变位导程调隙式和

15、单螺母变位导程调隙式和单螺母滚珠过盈预紧式单螺母滚珠过盈预紧式（不常用）（不常用）当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的转动方向改变，螺母不能立即产生转动方向改变，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某一角度反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运动，这种后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为现象称为空回空回。 轴向间隙包括两部分轴向间隙包括两部分精品资料河南理工大学机械学院 “齿轮传动部件(bjin)是转矩、转速和转向的变换器”一、 齿轮传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学特性。 2.2.4 齿轮齿轮(chln)传动

16、传动 1.最佳总传动比最佳总传动比 由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使中常采用使负载加速度最大的方法负载加速度最大的方法。精品资料河南理工大学机械学院 常用的圆柱齿轮常用的圆柱齿轮(chln)传动传动的间隙调整方法的间隙调整方法 (a) 偏心套偏心套(轴轴)调整法调整法 如右图所示，将相互啮合的一如右图所示，将相互啮合的一对齿轮对齿轮(chln)中的一个齿轮中的一个齿轮(chln)4装在电机输出轴上，装在电机输出轴上，并将电机并将电机2

17、安装在偏心套安装在偏心套1(或或偏心轴偏心轴)上，通过转动偏心套上，通过转动偏心套(偏心轴偏心轴)的转角，就可调节两的转角，就可调节两啮合齿轮啮合齿轮(chln)的中心距，的中心距，从而消除圆柱齿轮从而消除圆柱齿轮(chln)正、正、反转时的齿侧间隙。特点是结反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补构简单，但其侧隙不能自动补偿。偿。 2.2.4 齿轮齿轮(chln)传动传动1偏心套 2电动机3减速箱 4和5减速齿轮 齿轮啮合间隙会造成齿轮啮合间隙会造成传动死区传动死区，若死区在，若死区在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使得系统产生以使得系

18、统产生以15倍的间隙而进行的低频振倍的间隙而进行的低频振荡。荡。 为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高的齿为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高的齿轮传动副。但轮传动副。但为了降低制造成本为了降低制造成本，则多采用，则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除或减小啮合各种调整齿侧隙的方法来消除或减小啮合间隙，以提高传动精度和系统的稳定性。间隙，以提高传动精度和系统的稳定性。精品资料河南理工大学机械学院 (b) 轴向垫片调整法轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮如右图所示，齿轮1和和2相啮合，相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以略有锥度，这样就可以(ky)用轴向垫片用轴向垫片3

19、使齿轮使齿轮2沿轴向沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片侧间隙。装配时轴向垫片3的的厚度应使得齿轮厚度应使得齿轮1和和2之间既之间既齿侧间隙小，运转又灵活。齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套特点同偏心套(轴轴)调整法。调整法。2.2.4 齿轮齿轮(chln)传动传动1 1、2-2-齿轮齿轮 3-3-垫片垫片精品资料河南理工大学机械学院(c) 双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片可相对转动成宽齿轮，另一个用两片可相对转动(zhun dng)的薄齿轮组成。采

20、取措施使的薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。具体措施有：具体措施有： （1）周向弹簧式）周向弹簧式 （2）可调拉簧式）可调拉簧式 2.2.4 齿轮齿轮(chln)传动传动精品资料河南理工大学机械学院p 齿轮齿轮(chln)传动传动链的级数和级比的选择应遵循传动传动链的级数和级比的选择应遵循原则原则 总原则：尽量采用较大传动比的单级传动配置传动比的目的：满足驱动(q dn)元件与负载之间的位

21、移、速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。多级传动时，遵循如下的原则：1、最小等效转动惯量原则 传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时， i 的分配各级相等；大功率传动时， i 的分配先大后小。对数减少传动精度提高精品资料河南理工大学机械学院三、三、 谐波齿轮谐波齿轮(chln)(chln)传动传动1、谐波齿轮、谐波齿轮(chln)传动原传动原理理 利用行星轮系传动原理，波发生利用行

22、星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力引起齿间相对位移，传递运动和动力。 由三个基本构件组成：波由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮，其实质发生器、柔轮、刚轮，其实质是一种新型减速器。是一种新型减速器。波发生器是行星轮系的转臂刚轮是中心轮柔轮是行星轮精品资料河南理工大学机械学院2.2.6 间歇传动(chundng)部件 在机械在机械(jxi)和仪表中，常常需要原动件作连和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而从动件则产生周期性时动时停的间歇运续运动，

23、而从动件则产生周期性时动时停的间歇运动，实现这种间歇运动的机构称为间歇运动机构。动，实现这种间歇运动的机构称为间歇运动机构。 常见的间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动、常见的间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件蜗形凸轮传动等部件精品资料河南理工大学机械学院2.4.1导向导向(do xin)支承部件支承部件导向导向(do xin)支承部件的作用是支承和限制支承部件的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运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副，简向运动。这样的部件通常被标为导轨副，简称导轨。称导轨。 导轨副主要由承导件导轨副主要由

24、承导件1和运动件和运动件2两部分组成，两部分组成，如图如图2-20所示。运动方向为直线的被称为直所示。运动方向为直线的被称为直线导轨副，为回转的被称为回转运动导轨副。线导轨副，为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。摩擦导轨等。 图图2-20 导轨副的组成导轨副的组成(z chn)1承导件承导件 2运动件运动件精品资料河南理工大学机械学院 机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和运机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和运动速度都比较动速度都

25、比较(bjio)高，因此，其导轨应具有较好高，因此，其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动。时应无振动。 在低速运行时在低速运行时(如如0.05mmmin)，往往不是作连续，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停的匀速运动而是时走时停(即爬行即爬行)。其主要原因是。其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。 运动(yndng)的灵活性和低速运动(yndng)的平稳性精品资料

26、河南理工大学机械学院导轨的爬行现象机理（弹簧导轨的爬行现象机理（弹簧(tnhung)-阻阻尼系统）尼系统） 传动系统传动系统 2 带动运动件带动运动件3在静导轨在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段，动是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段，动摩探系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临摩探系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。由此来分析下图所示的运动界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而

27、增加。由此来分析下图所示的运动系统是：匀速运动的主动件系统是：匀速运动的主动件1，通过压缩，通过压缩(y su)弹簧推动静止的运动件弹簧推动静止的运动件3，当运动件当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，时，3不动。直到弹簧力刚不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力刚大于静摩擦力F时，时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，上的弹簧力逐渐减小，3产产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐

28、渐下降，直到生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动停止运动，主动件，主动件 l 这时再重新压缩这时再重新压缩(y su)弹簧，爬行现象进入下一个周期。弹簧，爬行现象进入下一个周期。 弹簧弹簧-阻尼系统图阻尼系统图1-1-主动件；主动件；2-2-弹簧弹簧- -阻尼；阻尼；3-3-运运动件；动件；4-4-静导轨静导轨精品资料河南理工大学机械学院 为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施： 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等； 在普通滑动导轨上使用含有极性添

29、加剂的导轨油；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油； 用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法等方法(fngf)来提高传动系统的刚度。来提高传动系统的刚度。 防止爬行现象采取防止爬行现象采取(ciq)以下几项措施以下几项措施精品资料河南理工大学机械学院第第3章章 传感检测系统传感检测系统(xtng)的选择与设计的选择与设计 目的：了解并会选用在机电一体化系统中目的：了解并会选用在机电一体化系统中常用的一些传感元件。常用的一些传感元件。 重点：掌握传感器的各种类型、测量精度、重点：掌握传感器的各种类型、测量精度、范围、基本的

30、结构以及范围、基本的结构以及(yj)连接方式等。连接方式等。 难点：各类传感器的输入输出信号处理技难点：各类传感器的输入输出信号处理技术和测试技术基本知识的运用。术和测试技术基本知识的运用。精品资料河南理工大学机械学院3.1传感器的组成传感器的组成(z chn)和分类和分类3.1.1传感器的组成传感器的组成(z chn)通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成三部分组成(z chn)。 图3-1传感器的组成（1）敏感元件）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感

31、元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。 精品资料河南理工大学机械学院表表3.2 传感器的技术指标传感器的技术指标精品资料河南理工大学机械学院 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表器、仪表(ybio)）对传感器的特性进行刻度，或者）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。说通过试验建立传感器的输入量与输出量

32、之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定分静态标定和动态标定传感器的标定分静态标定和动态标定:1. 感器静态特性标定感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2. 传感器动态特性标定传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。p 传感器的标定传感

33、器的标定(bio dn)精品资料河南理工大学机械学院3.2 线位移线位移(wiy)检测传感器检测传感器 3.2.1 光栅光栅(gungshn)位移传感器位移传感器 3.2.2 感应同步器感应同步器 3.2.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器精品资料河南理工大学机械学院3.3 角位移检测角位移检测(jin c)传感器传感器 一、旋转变压器一、旋转变压器 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压(diny)信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用

34、于机无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。电一体化产品中。 二、光电编码器二、光电编码器 光电编码器是一种码盘式角度光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两数字检测元件。它有两种基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。种基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。 增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。优点，所以目前采用最多。 绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须

35、作特别处理，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。级检测装置，使其结构复杂、成本高。 精品资料河南理工大学机械学院4 4、传感器与微机的基本接口、传感器与微机的基本接口 输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式信息。传感器的输出形式(xngsh)(xngsh)可分为模拟量、可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见

36、下表。见下表。一、检测系统一、检测系统(xtng)的组成的组成精品资料河南理工大学机械学院第第4章章 微机微机(wi j)控制系统的选择及接口设计控制系统的选择及接口设计 目的：了解控制系统在机电一体化系统的作目的：了解控制系统在机电一体化系统的作用用(zuyng)及常用的控制系统类型，掌握及常用的控制系统类型，掌握基本的设计方法，对执行机构运动的分析等。基本的设计方法，对执行机构运动的分析等。 重点：微机控制系统在机电一体化中的应用。重点：微机控制系统在机电一体化中的应用。考虑接口的设计（主要是硬件）。学习了解考虑接口的设计（主要是硬件）。学习了解Protel电路设计与制板软件的使用。电路设

37、计与制板软件的使用。 难点：程序语言设计和微机控制所学内容在难点：程序语言设计和微机控制所学内容在本章的灵活运用。本章的灵活运用。 技巧注意事项：复习控制工程、微机控制等技巧注意事项：复习控制工程、微机控制等相关内容。相关内容。精品资料河南理工大学机械学院第一节第一节 微机控制系统设计的一般微机控制系统设计的一般(ybn)知识知识 一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求1.作用：作用： 将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制并按照一定的程序和节奏发

38、出相应的指令控制(kngzh)整整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。所处的位置见下图。精品资料河南理工大学机械学院第九节第九节 数字显示器及键盘数字显示器及键盘(jinpn)(jinpn)的接口的接口电路电路 一、数字显示器的结构及其工作原理一、数字显示器的结构及其工作原理 单片机应用系统中，常使用单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管，发光二极管，Light Emitting Diode )、CRT（阴极射线管（阴极射线管Cathode Ray Tube）显示器和）显示器和LCD(液晶显示器，液晶显示器，

39、Liquid Crystal Display )等等作为显示器件。其中作为显示器件。其中(qzhng)LED和和LCD成本低、配置灵成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。活、与单片机接口方便，应用广泛。 精品资料河南理工大学机械学院1、LED显示器显示器LED是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符(z f)。这种笔划式的七段显示。这种笔划式的七段显示器，能显示的字符器，能显示的字符(z

40、f)数量少，但控制简单、使用方便。数量少，但控制简单、使用方便。 发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。共阳极共阳极(yngj)共阴极共阴极精品资料河南理工大学机械学院通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也称之为八段显示块。其中(qzhng)七个发光二极管构成七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节

41、数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数，二者之和为FFH。 精品资料河南理工大学机械学院p 数码管显示有静态数码管显示有静态(jngti)(jngti)和动态两种和动态两种方法：方法：（1 1）. . 静态显示静态显示 就是就是(jish)(jish)当显示器显示某一个字符时，相应当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。例如七段显示器的发光二极管恒定地导通或截止。例如七段显示器的的a a、b b、c c、d d、e e、f f导通，导通，g g截止，显示截止，显示0 0。这种显。这种显示方式每一位都需要一个示方式每一位都需要一个8 8位输出口控制，三位显示位输出口控

42、制，三位显示器的接口逻辑如下图所示。器的接口逻辑如下图所示。精品资料河南理工大学机械学院静态显示静态显示(xinsh)的特点：的特点：每一位都需要一个每一位都需要一个8位输出口控制，用于显示位输出口控制，用于显示(xinsh)位数较少（仅一、二位）的场合；位数较少（仅一、二位）的场合；较小的电流能得到较高的亮度，可以由较小的电流能得到较高的亮度，可以由8255的的输出口直接驱动。输出口直接驱动。精品资料河南理工大学机械学院 （2 2）动态显示）动态显示 动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔

43、时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口(称为扫描口或位选口 )。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口(称为段数据口)。用于显示位数稍多的场合(chng h)，需编写扫描程序。 精品资料河南理工大学机械学院一、光电隔离一、光电隔离(gl)电路设计电路设计为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/OI/O控制电路进入控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔

44、离干扰信号的产生，然后采用光电隔离(gl)(gl)的办法，使微机与的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离(gl)(gl)电路电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示. .精品资料河南理工大学机械学院p 光电隔离电路的主要光电隔离电路的主要(zhyo)作用：作用： （1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电 耦 合 器 输 入 与 输 出 端 之 间 绝 缘 电 阻 非 常 大 ( 一 般 为10111013)

45、，寄生电容很小(一般为0.52pF)，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换。如上图a所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 （3）提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，如达林顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能(gngnng)，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。精品资料河南理工大学机械学院第第5章章 执行元件执行元件(yunjin)的选择与设计的选择与设计 目的：伺服系统的主要目的：伺服系统的主要(zhyo)作用及其分作用及其分类，学习步进电机伺服装置的

46、基本原理和运类，学习步进电机伺服装置的基本原理和运行特性、控制方法，了解直流伺服电机、交行特性、控制方法，了解直流伺服电机、交流伺服电机的特点。流伺服电机的特点。 重点：开环伺服系统的基本设计方法，包括重点：开环伺服系统的基本设计方法，包括步进电机的选择、传动比的分配、惯性匹配、步进电机的选择、传动比的分配、惯性匹配、力矩校核、刚度计算、定位误差分析等。力矩校核、刚度计算、定位误差分析等。 难点：清楚计算过程中每个公式的来龙去脉难点：清楚计算过程中每个公式的来龙去脉及其量纲。及其量纲。精品资料河南理工大学机械学院一、执行元件(yunjin)的作用 1.作用(zuyng)：执行元件主要用来根据控

47、制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。精品资料河南理工大学机械学院执行元件执行元件(yunjin)(yunjin)的种类的种类精品资料河南理工大学机械学院三、对执行(zhxng)元件的基本要求（1 1）惯量小，动力大。）惯量小，动力大。 表征执行元件惯量的性能指标：表征执行元件惯量的性能指标：m(m(直线运动）、转动惯量直线运动）、转动惯量J J（回转运动）（回转运动） 表征输出动力的性能指标：推力表征输出动力的性能指标：推力F F、转矩、转矩T T、功率、功率P P对直线运

48、动：对直线运动：a=F/ma=F/m；对回转运动：；对回转运动：P=TP=T，=T/J=T/J。即加速度。即加速度a a与角加速与角加速度度表征了执行元件的加速性能。表征了执行元件的加速性能。 比功率：表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与转速三种因比功率：表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与转速三种因素，即比功率素，即比功率P /=T2/JP /=T2/J（2 2）体积小，重量轻）体积小，重量轻: :用功率密度或比功率密度来评价用功率密度或比功率密度来评价 功率密度功率密度P/GP/G；比功率密度；比功率密度(T2/J)/G(T2/J)/G，其中，其中G G为执行元件重量。为执

49、行元件重量。（3 3）安装方便、便于维修维护。）安装方便、便于维修维护。 最好不要维修，无刷最好不要维修，无刷DCDC及及ACAC伺服电机伺服电机走向走向(zuxing)(zuxing)无维修无维修（4 4）易于实现自动化控制：主流是电气式。其次是液压式和气压式）易于实现自动化控制：主流是电气式。其次是液压式和气压式( (在驱在驱动接口中需要增加电动接口中需要增加电- -液或电液或电- -气变换环节气变换环节) )。内燃机定位运动的微机控。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。制较难，故通常仅被用于交通运输机械。精品资料河南理工大学机械学院p 伺服系统的基本组成和伺服电动机

50、的主要控制方式伺服系统的基本组成和伺服电动机的主要控制方式p 由以下由以下(yxi)4(yxi)4部分组成：部分组成： p 控制器；控制器； 功率驱动装置；功率驱动装置；p 检测反馈装置；检测反馈装置； 伺服电机伺服电机(M). (M). 例：数控机床例：数控机床(sh kn j chun)伺服系统伺服系统精品资料河南理工大学机械学院(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别(qbi)(qbi)半闭环位置检测半闭环位置检测 装置安装装置安装(nzhung)(nzhung)位位置：置：注意注意: :半闭环位置检半闭环位置检测装置安装测装置安装(nzhung)(nzhung)位位

51、置在滚珠丝杠或置在滚珠丝杠或电机轴上电机轴上, ,而不是而不是工作台上工作台上. .半开环系统半开环系统精品资料河南理工大学机械学院(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别(qbi)(qbi) 精度较低精度较低 传动链有一部分在位置闭环以外，其传传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿动误差没有得到系统的补偿(bchng)(bchng)，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统. . 调整比较容易调整比较容易(4)(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合半闭环和闭环伺服系统应用场合 注意注意: : 半闭环系统应用较多半闭环系统应用

52、较多, ,闭环系统一般只闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上用在精度要求较高的大型数控机床上. .精品资料河南理工大学机械学院图图6-3 伺服电动机控制方式的基本伺服电动机控制方式的基本(jbn)形式形式精品资料河南理工大学机械学院第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动(q (q dn)dn)一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类 1. 1. 步进电动机的特点步进电动机的特点 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。信号转换成机械角位移的执行元件。输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕输入

53、一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得绕组通电相序即可获得(hud)(hud)所需的转角、所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。转速及转向，很容易用微机实现数字控制。精品资料河南理工大学机械学院一、步进电动机的特点一、步进电动机的特点

54、(tdin)(tdin)与种类与种类步进电动机具有以下特点：步进电动机具有以下特点：步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响(如电源电压的如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要在它们的大小的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生未引起步进电动机产生“丢步丢步”现象之前，就不影响其正常工作；现象之前，就不影响其正常工作；步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为误差，但转子

55、转过一转以后，其累积误差变为“零零”，因此不会长期积，因此不会长期积累；累；控制性能好控制性能好,在起动、停止、反转时不易在起动、停止、反转时不易“丢步丢步”。不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；缺点是能量效率较低。缺点是能量效率较低。 因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化统简化(jinhu)，并可靠地获得较高的位置精度。，并可靠地获得较高的位置精度。步进电动机与步进电动机与DC和和AC伺服电动机相比其转矩、效伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电

56、动机具有率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的化方面也可代替低档的DC伺服电动机。伺服电动机。 精品资料河南理工大学机械学院 (3) (3)工作原理小结工作原理小结 步进电机每次转过一个确定的角度步进电机每次转过一个确定的角度, ,即步距角即步距角； 式中：式中： m m为相数为相数,k,k为通电方式系

57、数。为通电方式系数。m m相相m m拍时拍时( (如单相如单相或双相励磁时，或双相励磁时，k=1k=1；m m相相2m2m拍时拍时( (如单双相励磁时如单双相励磁时) )，k=2k=2；z z为转子齿数为转子齿数. . 通过改变通电顺序来改变旋转方向通过改变通电顺序来改变旋转方向(fngxing)(fngxing)； 通电状态的变化频率越高，转速就越高通电状态的变化频率越高，转速就越高. . p步进电动机的工作步进电动机的工作(gngzu)原原理理0360 /()mzk精品资料河南理工大学机械学院334013360360Zkm精品资料河南理工大学机械学院45 .km3

58、4013360360Zkm精品资料河南理工大学机械学院 步进电机的主要步进电机的主要(zhyo)(zhyo)特性特性 主要主要(zhyo)(zhyo)特性有特性有5 5个：个： 步距角与静态步距误差；步距角与静态步距误差； 启动频率启动频率fq fq ； 连续运行的最高工作频率；连续运行的最高工作频率； 加减速特性；加减速特性； 矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩. . 三、步进电动机的运行(ynxng)特性及性能指标精品资料河南理工大学机械学院软件脉冲(michng)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(qzhng)常用的是查表法。精品

59、资料河南理工大学机械学院 减速器传动减速器传动(chundng)比的计算及分配比的计算及分配 减速器传动减速器传动(chundng)比应满足驱动部件与负比应满足驱动部件与负载之间的位移、转速和转矩的关系。不但要求传动载之间的位移、转速和转矩的关系。不但要求传动(chundng)构件要有足够的强度，还要求其转动构件要有足够的强度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。以步即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。以步进电动机为例，其传动进电动机为例，其传动(chundng)比可按下式计比可按下

60、式计算：算： 式中式中 为步进电动机步距角为步进电动机步距角(o)； 为丝杠导程为丝杠导程(mm)； 为工作台运动的脉冲当量为工作台运动的脉冲当量(mm)。 360PpipP脉冲脉冲(michng)当量指对应于系统当量指对应于系统输入端的一个进给脉冲输入端的一个进给脉冲(michng)，系统输出端产生的转角或位移。，系统输出端产生的转角或位移。精品资料河南理工大学机械学院第第 6 章章 机电一体化系统机电一体化系统(xtng)的抗干扰设计的抗干扰设计 p 电磁干扰的两种传输途径：电磁干扰的两种传输途径：p 辐射耦合途径，传导耦合途径。辐射耦合途径，传导耦合途径。 p 电磁干扰的存在必须具备三个