机电一体化课本内容汇总

机电一体化（个人整理参考看一定还要看看课本）机电一体化一一是在机械的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。机电一体化产品一般都具有五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能，控制功能和构造功能。而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体和系统。（1）机械本体设计要求：小型轻量（2）动力源设计要求：效率高、可靠性好3）检测与传感装置设计要求：精度高、抗干扰能力强（4）控制与信息处理装置（5）执行机构。分类（1）功能附加型（2）功能替代型（3）机电融合型关键技术（1）机械技术。（2）计算机与信息处理技术。（3）检测与传感器技术。（4）自动控制技术。（5）伺服驱动技术。（6）系统总体技术。%—Z±ZL第—章稳定是前提，精度和快速响应性是关键1、传动机构功能：不仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的一部分，要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。2、导向机构作用：是支撑和导向。3、执行机构作用：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定操作，要有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。传动机构性能要求：转动惯量小摩擦小阻尼合适刚度大抗振性能好间隙小常用传动结构：1、无侧隙齿轮传动机构2、滚珠丝杠副传动机构3、软轴传动机构4、同步带传动机构5、谐波齿轮减速器6、间歇机构无侧隙齿轮传动机构由于机电一体化产品中的传动机构具有自动换向功能，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，以保证机构的双向传动精度。（一）圆柱齿轮传动⑴偏心轴套调整法电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，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。不能自动补偿。（2）双片薄齿轮错齿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At,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。结构复杂但能够自动补偿（-）斜齿轮传动⑴垫片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。（2）轴向压簧错齿调整法（三）锥齿轮传动机构⑴轴向压簧调整法（2）周向压簧调整法（四）齿轮齿条传动机构1滚珠丝杠副工作原理与结构丝杠和螺母的螺纹滚道间有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，相对运动时产生滚动摩擦。在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，与螺纹滚动形成循坏回路。滚珠丝杠副特点：①传动效率高。达到90%95%。②运动具有可逆性。③系统刚度好。④传动精度高。⑤使用寿命长。⑥不能自锁。需要设置制动装置⑦工艺复杂A.滚珠丝杠副的螺纹滚道型面（法向）的形状有单圆弧型和双圆弧型，B滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循坏两种。为了提高轴向刚度，常采用止推轴承组合来支撑丝杠。目前常用的轴承组合有以下三种：双推——自由式（一端固定，一端自由）适用于短丝杠或垂直安装的丝杠。双推一简支式（一端固定，一端游动）适用于较长的卧式安装丝杠双推一一双推式（两端固定）调节轴承的间隙，并根据预计温升产生的热膨胀量对丝杠进行预拉伸。适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。（b）制动装置垂直传动时，由于滚珠丝杠副的传动效率高，又无自锁能力，故需安装制动装置以满足其传动要求。2同步带传动副同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动。利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。（1）兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便的实现较远距离传动且无相对滑动，平均传动比较准确。（2）传动精度高，且带的强度高、厚度小、重量轻，用于低速及高速传动，传动效率高。（3）在使用中齿形带不需张紧，作用在轴和轴承处的载荷小，传动效率高，在数控机床和工业机器人中得到了广泛应用。3谐波齿轮传动椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。谐波齿轮传动的优点①传动比大；②承载能力高；③传动精度高，基本无冲击振动；④可以向密封空间传递运动或动力；⑤传动平稳，传动效率高：⑥结构简单、体积小、质量轻。缺点①柔轮和波发生器制造复杂，需要专门设备，成本较高。②传动比卞限值较高。③不能做成交叉轴和相交轴的结构。4软轴传动机构有几层紧密缠绕在一起的弹簧钢丝层组成，相邻层的缠绕方向相反。工作时相邻两层钢丝中一层趋于拧紧，一层趋于拧松，使各层趋于压紧来传递转矩。（1）主要用于两个传动件的轴线不在同一直线上或工作时彼此要求有相对运动的场合。（2）可以弯曲地绕过各种障碍物，远距离传递回转运动。（3）适合受连续冲击，也适合高速、小扭矩的场合，其转速可达20000i7nun，功率不超过5.5kW。（4）不适合低速大转矩的传动。1、导轨的功用：机电一体化产品的导向结构是导轨，其作用是导向和支撑。2、导轨的组成导轨主要由两部分组成:支撑（静）导轨和动导轨。（2）滚动导轨:磨损少，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可靠，结构复杂，制造困难，成本高。3、导轨的基本要求（1）导向精度：指动导轨沿支撑导轨运动的直线度或圆度。（2）耐磨性。（3）疲劳和压溃（4）刚度。（5）运动的灵活性和低速运动的平稳性，避免爬行现象。爬行现彖一运动件在低速运行时，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停。（6）结构工艺性：注意制造调整维修方便，力求机构简单，工艺性及经济性好。滚动导轨的特点1）承载能力人2）刚性强3）寿命长4）传动平稳可靠5）具有机构自调整能力滚动导轨按滚动体形状，分为滚珠导轨、滚柱导轨二种。（b）按导轨截面形状分：矩形和梯形两种。四、执行机构⑴手动机械式（2）热变形式（3）磁致伸缩式⑶工业机器人末端执行器机械夹持器机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束。圆弧开合型圆弧平行开合型直线平行开合型。特种末端夹持器一一工业机器人完成某类特定的作业。真空吸附手b.电磁吸附手c.灵巧手kk第二章人机接口是指操作者（人）和计算机间的接口。人机接口常用输入设备：开关、拨码盘、键盘等。常用输出设备：显示器（LED、LCD、CRT）、打印机、喇叭等。1、专用性2、低速性3、高性能价格比机电接II是指机电一体化产品中机械装置与控制微机之间的接II。按信息传递的方向可分为信息采集接口和控制输出接口。1、AQ转换接口及主要技术指标信息采集接【I中模拟模拟放大电路与CPU的接II。由A/D芯片完成。常用的有双积分式和逐次比较式两种。双积分式的转换速度慢，精度高；逐次比较式的转换速度快。2、D/A转换接口在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量做控制信号，而计算机只能输出数字量，这就要求将计算机输出的数字量通过D/A转换接II（D/A转换器）转换成模拟量。3、功率接口在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般比较人，而计算机发出的数字控制信号或经D/A转换后得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过功率放人后才能够驱动被控对象。实现功率放大的接口电路称为功率接口电路。单向晶闸管（SCR）：〈导通条件〉：是指晶闸管从阻断到导通所需的条件。在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。〈截止条件〉：是指晶闸管懂导通到阻断所需的条件，晶闸管一旦导通，控制极就不起控制作用了。只用当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。〈控制角〉：从零电压到被触发导通的瞬间的这段时间所对应的电度角。〈导通角〉：从被触发导通的瞬间开始到电压为零这段时间所对应的电度角。对纯阻性负载有：控制角+导通角=180度功率晶体管：（1）功率晶体管的特点：所谓功率晶体管就是指在人功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管，与晶闸管相比，功率晶体管有如卞特点；①不仅可以工作在开关状态，也可以工作在模拟状态。②开关速度远人于晶闸管。③控制比晶闸管容易。④价格高于晶闸管。光电耦合器（1）光电耦合器采取电一光一电形式，发光部分和受光部分不接触，被耦合的两部分可以自成系统不“共地”，能够实现强电部分和弱电部分的隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。（2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收脉冲干扰信号，具有很强的抗干扰能力。（3）可靠性高、速度快。光电耦合器（1）光电耦合器采取电一光一电形式，发光部分和受光部分不接触，被耦合的两部分可以自成系统不“共地”，能够实现强电部分和弱电部分的隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。（2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收脉冲干扰信号，具有很强的抗干扰能力。（3）可靠性高、速度快。第四章检测系统设计1检测系统的功用及组成对系统运行中所需的自身和外界坏境参数及状态进行检测，将其变成系统可识别的电信号,传递给信息处理单元。2、检测系统的基本要求⑴灵敏度及分辨率。分辨率是指系统能检测到的被检测量的最小变化，一般情况下，系统灵敏度越高，其分辨率就越强，而分辨率高也意味着系统具有高的灵敏度。⑵精确度。表示检测系统所获得的检测结果与被测量真值的一致程度。⑶系统的频率响应特性一一求快速响应一个系统对外界输入信号作出反应的快慢。（4）稳定性避免或减小漂移（5）线性特性一一用非线性度来表示⑹静、动态特性好二、模拟式传感器信号的检测模拟信号检测系统的组成振荡器3数字式传感器信号的检测四、检测信号的采集和预处理信号的预处理：信号被采入计算机后由于含有部分干扰信号，因此，在计算机对信号进行分析、运算前必须去除混杂在有用信号中的这部分干扰信号，这个过程就是信号的预处理。预处理的目的：去干扰预处理的方法：（1）模拟信号输人方式、采样方式及其采样频率的选择。（2）数字信号的预处理（3）检测系统的非线性处理。（4）零位误差、增益误差的补偿和修正等。p传感器H放大一（3）检测系统的非线性处理。（4）零位误差、增益误差的补偿和修正等。p传感器H放大一...■-|葩三态缓冲器.总线模拟多路开关-模拟多路开关-器冲缓并行输入口多路模拟开关。模拟多路开关-器冲缓并行输入口它的作用是切换各路输入信号。系统中通常使用公共的采样保持器、放人器及A/D转换器等器件，因此，需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。模拟信号采样与保持。采样，就是连续信号的离散化。香侬(Shaimon)采样定理一一合理选择采样频率为了保证在采样过程中不丢失原来信号中所包含的信息，采样频率必须按照香侬(Shannon)采样定理来确定，即要求fsA2finax式中fniax为被采原信号f(t)的最高有效频率。在实际应用中，常取fsA(510)finax采样/保持电路A/D转换过程需要一定时间，在这段时间内外部信号会发生变化，从而使得A/D的结果与实际会产生误差，为了防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称为采样/保持电路。四数字信号的预处理预处理任务：去干扰周期干扰:数字滤波方法消除(软件方法)随机干扰:选用积分为干扰信号周期整数倍的双积分A/D(硕件方法)数字滤波优点：数字滤波过程是计算机的运算过程，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配等问题，可靠性高，稳定性好；可以对频率很低或很高的信号实现滤波；可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数。但不能代替模拟滤波器？输入信号很小、且有干扰：混叠现彖中值滤波。对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。原理：对信号连续进行n次采样。然后对采样值排序，并取序列中位值作为采样有效值。算术平均滤波。原理：对信号连续进行n次采样，以其算术平均值作为有效采样值。适用场合：该方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果。滑动平均滤波。原理：该方法采用循环队列作为采样数据存储器，队列长度固定为11,每进行一次新的采样，把采样数据放队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，在队列中始终有n个最新的数据。对这n个最新数据求取平均值，作为此次采样的有效值。。低通滤波。利用软件算法来模拟硬件低通滤波器的功能，实现对信号的低通滤波。5传感器的非线性补偿：有计算法和查表法两大类。6零位误差和增益误差的补偿零位误差补偿采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，零位误差补偿原理：模拟多路开关可在微型机控制下将任一路被测信号接通，并经测量及放人电路和A/D转换器后，将信号采入

微型机。在测量时，先将多路开关接通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端，由微型机先后对被测量和零信号进行采样。设采样值分别为X和aO,其中aO即为零位误差，由微型机执行下列运算：y=x-aO就可得到经过零位误差补偿后的采样值y°（2）增益误差补偿增益误差补偿又称校准，采用软件方法可实现全自动校准，其原理与数字调零相似。校准时，在微型机控制下先把多路开关接地得到样值aO,然后把多路开关接基准输入UR,得到采样值xR,并寄存aO和xR。正式测量时，如测得对应输入信号U1的采样值为XI,则输入信号ui可按下式计算。•E—C、第五章伺服系统设计1、伺服系统的基本概念伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对彖的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。2、伺服系统的基本结构形式（1）比较元件（2）调节元件（3）执行元件（4）被控对象（5）测量反馈元件比松元件兀件035-1何JB隘系统基手结枸方框3伺服系统的分类按照执行元件性质的不同开环伺服系统：无检测反馈环节，精度低，抗干扰能力差，成本低。兀件闭环伺服系统：有检测反馈坏节，精度高，抗干扰能力强，成本高，结构复杂，结构式与半闭环伺服系统的区别是将整个机械装置都包括到反馈环中。半闭环伺服系统：有检测反馈环节，精度较高，性能居中2、伺服系统对执行元件的要求（1）惯性小，动力犬（2）体枳小、质量轻（3）便于计算机控制（4）成本低、可靠性好、便于安装和维修。3、步进电动机步进电动机又称电脉冲马达。可以按照输入的脉冲指令一步步地旋转。能将脉冲信号直接转换为相应的角位移（或直线位移）的控制电动机。相：磁极的对数称为“相”，相对的磁极为一相。“拍”一一步进电动机绕组的每一次通断电操作。单相通电方式：每拍中只有一相绕组通电。双相通电方式：每拍中只有两相绕组通电。单双相轮流通电方式：步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态。一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式。分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。

采用单双相轮流通电方式可使步矩角减小一半，提高了步进电动机输出转角的分辨率。m一定子相数z一转子齿数k一通电方式系数，若连续两次通电相数相同为1；若不同则为2（单双相轮流通电）。1、步距误差：空载时实测的步矩角与理论的步矩角之差，反映了步进电动机角位移的精度。2、最大静转矩：步进电机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最人外加转矩。3、启动矩频特性：指步进电机在外加负载转矩时，不失步的正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率与负载转矩的对应关系。步进电动机的主要参数及特点4、启动惯频特性：步进电动机带动纯惯性负载启动时，启动频率与转动惯量之间的关系。5、运行矩频特性：步进电动机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。2、直流伺服电动机主要用于闭环或半闭环控制的伺服系统。工作原理：当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和人小，就可以控制旋转方向和速度。结构组成：1）按定子磁场产生方式：永磁式、励磁式2）按电枢的结构和形状：平滑电枢型、空心电枢型、有槽电枢型3）按转子转动惯量的人小：人惯量、中惯量、小惯量电枢电压控制：即在定子磁场不变的情况下，通过控制加在电枢绕组两端的电压信号来控制电机的转速和输出转矩；又称为恒转矩调速方式。励磁磁场控制：即通过改变励磁电流的人小来改变定子磁场强度，从而控制电机的转速和输出转矩；又称为恒功率调速方式机电一体化伺服系统中通常采用永磁式直流伺服电动机（四）直流伺服电动机的静态特性所谓静态特性是指电机在稳态情况卞工作时，其转子转速、电磁力矩和电枢电压三者之间的关系。（4）影响静态特性的因素功放电路.由图可见，由于功放电路内阻的存在，使电动机的j机械特性变软了。应设法减小其内阻。直流伺服电动机内部的摩O人ZlZA擦对调速特性的影响。电机的摩擦转矩越人，所需的启动电压越高。负载变化对调节特性的影响。但在实际中，经常会遇到负载随转速变化的情况，这时由于负载的变化的影响导致调节特性变为非线性。调节特性曲线调节特性：是指在一定的转矩条件下，转速与电枢电压的关系。（2）步进电动机的控制与驱动电路单压驱动电路（1）单电源供电，结构简单，成本低。（2）效率低、出力小，电流波形差，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机驱动。高低压驱动电路采用高压和低压两个电源供电。在步进电机绕组刚接通时，由高压电源供电，以加快电流上升速度，一段时间后，切换到低压电源供电，将电流维持在一个恒定值附近。功耗小、效率低，性能比单压驱动电路好。斩波限流驱动电路出力人，功耗小、效率高，电阻小，性能优于①、②，目前应用最广2、直流伺服电动机的控制与驱动通过控制电枢电压来控制输出转矩和转速。控制信号由计算机控制系统给定，通过接II和功放电路驱动直流伺服电动机。直流伺服电动机驱动电路主要有晶闸管功率放人器和晶体管功率放人器两种。晶体管功率放大器有线性直流伺服放人器和脉宽调制放大器（PWM）（一）脉宽调制放大器（PWM）电压■脉宽变换器其作用是根据控制指令对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制人功率管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。由于比较器的限幅特性US的幅度不变，但脉宽随UI的变化而变化。US的频率由三角波的频率所决定。当UI=O时，US的正负脉宽相等当UI>0时，US的正脉宽〉负脉宽当UI<0时，US的正脉宽V负脉宽当UI2UTPP/2时，为一正直流信号；当UIWUTPP/2时，为一负直流信号；开关功率放大器其作用是对电压-脉宽变换器输出的信号US进行放人，输出具有足够功率的信号UP,以驱动直流伺服电动机。采用大功率晶体管组成。根据各晶体管基极所加控制电压波形，可分为单极性输出、双极性输出和有限单极性输出三种方式。当UI=O时，US的正、负脉宽相等，电机不转。但在交流分量的作用卞，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑的作用，可消除电动机启动时的摩擦，减小启动电压。当UI>0时，电机正转。且随着UI的增加，转速增加当UI<0时，电机反转。且随着UI的减小，转速增加。当UI2UTPP/2或UIWUTPP/2时，US的为正或负的直流信号，V电动机在最高转速下正转或反转。四、伺服系统设计（一）、系统设计方案总原则：当伺服系统负载不大，精度要求不高时，采用开环控制，当负载较人或精度要求较高时，采用闭环或半闭环。1开环伺服系统的设计方案（1）执行元件的选择，优先选用步进电机。当负载能力不够时才考虑选择马达和液压缸等执行元件。（2）传动机构的选择优先选用滚珠丝杠副机构传递方式：①联轴器结构简单，可获得较高的速度，但带负载能力差，主要用于小负载场合。②减速器作用：配凑脉冲当量；转矩放人；惯量匹配。可获得较大的负载转矩，用于负载较人场合。当电机与丝