机电一体化重点

机电一体化系统设计第一章概论1.3机电一体化系统构成要素及功能构成执行元件系统控制信息信息处理系统（CNC）动力系统传感检测系统机械系统参数变化信息驱动力能量检测参数构成要素：五大部分1.3机电一体化系统构成要素及功能构成机电一体化系统（产品）的五大要素及其对应的五大功能1.6机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型1)机电互补法

2)结合(融合)法

3)组合法机电一体化系统（产品）设计的考虑方法1.6机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型二、机电一体化系统设计的设计类型1）开发性设计2）适应性设计3）变异性设计第二章机械系统部件的选择与设计第2章小结机电一体化机械系统的三大机构①传动机构：②导向机构：③执行机构：机械系统部件的设计要求(1)高精度(2)快速响应性

(3)良好的稳定性

2.1机械系统部件的设计要求为满足机械一体化系统的三大要求，在设计中常采取以下几种措施：2.1机械系统部件的设计要求1)低摩擦

2)短传动链

3)最佳传动比4)反向死区误差小5)高刚性本章小结机电一体化系统中常用的机械传动部件一、滚珠丝杠传动二、齿轮传动三、谐波齿轮传动四、同步带传动五、间歇传动部件2.2机械传动部件的选择与设计特点:

滑动摩擦机构:

结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁功能，传动效率低（30%~40%）。滚动摩擦机构：结构复杂、制造成本高，无自锁功能，摩擦阻力小，传动效率高（92%~98%）。丝杠螺母机构作用：将旋转运动转为直线运动或者将直线运动转为旋转运动。

分类：滑动摩擦机构，滚动摩擦机构2.2机械传动部件的选择与设计丝杠螺母机构的基本传动形式a)螺母固定，丝杠转动并移动b)丝杠转动，螺母移动c）螺母转动，丝杠移动d)丝杠固定，螺母转动并移动螺纹滚道型面的（法向）形状及主要尺寸

本章小结单圆弧型滚道双圆弧型滚道本章小结滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。

插管循环优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。本章小结滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧常用的预紧方法有以下几种(5种)（1）双螺母螺纹预紧调整式（2）双螺母齿差预紧调整式（3）双螺母垫片调整预紧式（4）弹簧式自动调整预紧式（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式本章小结二、齿轮传动（**）总传动比的确定原则：负载加速度最大JmiJLTm,θmTL,θL负载惯量模型2.各级传动比的最佳分配原则对于小功率传动系统，使各级传动比满足，对于大功率，各级传动比一般应以“先小后大”

（降速先慢后快）原则处理。(1)重量最轻原则本章小结(2)输出轴转角误差最小原则(3)等效转动惯量最小原则利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。本章小结

如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：本章小结因为：所以：即：代入式：本章小结可得：1谐波齿轮传动的工作原理

三、谐波齿轮传动谐波齿轮传动优点：具有结构简单、传动比大(一级传动传动比范围为50～500，二级可达2500～25000)；传动精度高、传动平稳；承载能力强、效率高（单级传动可达69%～96%）。三、谐波齿轮传动本章小结齿轮传动间隙的调整方法（传动精度）1.

偏心调整法2.轴向垫片调整法3.

双片薄齿轮错齿调整法4.

斜齿轮传动调整法本章小结2.3导向支撑部件的选择与设计2.导轨副应满足的基本要求（a）导向精度（b）刚度（c）精度的保持性(耐磨性)（d）运动的灵活性和低速运动的平稳性（e）对温度的敏感性和结构工艺性本章小结

滑动摩擦的特点：导轨副相对静止时，静摩擦系数较大，一旦开始运动，静摩擦变为动摩擦，动摩擦系数很小。导轨的爬行现象机理（弹簧-阻尼系统）**弹簧-阻尼系统图1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨本章小结防止爬行现象采取以下几项措施**为防止爬行现象的出现，可同时采取以下措施：

1)减少动静摩擦系数的差异，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加剂的导轨油；

2)提高传动系统的刚度，用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副数量等方法。3.导轨副间隙的调整

为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。本章小结

常用的调整方法有压板和镶条法两种方法。对燕尾形导轨可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。本章小结

燕尾形导轨及其组合的间隙调整

1-斜镶条；2-压板；3-直镶条对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整本章小结

矩形导轨垂直方向间隙的调整

1-压板；2-接合面；3-调整螺钉；4-调整垫片各种支承结构简图2.4旋转支承的选择与设计支承件圆柱支承运动件圆锥支承球面支承顶针支承填入式支承刀口支承气液摩擦支承弹性支承方向精度和置中精度方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。置中精度是指在任意截面上，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。2.4旋转支承的选择与设计2.5轴系部件的选择与设计一、基本要求（P75）二、轴(主轴)系用轴承的类型与选择标准滚动轴承深沟球轴承双列向心短圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承推力轴承

2.5轴系部件的选择与设计配套应用例**机架主轴1.如何安装2.轴承间隙调整3.轴向力的传递2.6机电一体化系统(产品)的机座或机架提高刚度的措施：

1）合理选择截面形状与尺寸

封闭空心截面的刚度比实心的大，矩形节截面的抗弯刚度最大，圆心截面的抗扭刚度最大；

2）加肋板及加强肋

3）合理开孔和加盖

面壁开孔：开孔时要尽量对称排列

4）机座连接处要加厚或加筋板

2.6机电一体化系统(产品)的机座或机架机座的结构工艺性1）铸件形状简单，拔模容易，便于制造。2）机座壁厚应尽量均匀，避免截面的急剧变化。3）在同一侧面的加工表面，应处于同一个平面上，以便一起刨出或铣出。第三章执行元件的选择与设计

一、执行元件的种类及特点

根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，1.电气式执行元件2.液压式执行元件3.气压式执行元件1.惯量小、动力大2.体积小、重量轻通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度为P/G。比功率T2/J

比功率密度为(T2/J)/G。

3.便于维修、安装执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。

4.宜于微机控制用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。二、对执行元件的基本要求一、对控制用电动机的基本要求步进电动机具有以下特点：①步进电动机的工作状态不易受各种干扰因②步进电动机的步距角有误差，但不会长期积累。③控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。步进电动机的结构组成：步进电机组成定子转子——由硅钢片叠成,有一定数量的磁极和绕组——用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构

2.步进电动机的种类

步进电动机的种类很多，有旋转式步进电动机，也有直线步进电动机；从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。常用的旋转式步进电动机的按转子结构的不同，可将其分为以下三种：

1）可变磁阻(VR-VariableReluctance)型

2)永磁(PM-PermanentMagnet)型

3)混合(HB-Hybrid)型特点

1）可变磁阻(VR-VariableReluctance)型特点：转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力铁心无极性，故不需改变电流极性。步距角小、响应频率高2)永磁(PM-PermanentMagnet)型特点：定子的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。3)混合(HB-Hybrid)型优点：步距角小、响应频率高（VR型步进电动机的优点），励磁功率小、效率高（PM型步进电动机）无励磁时具有保持力。励磁时的静止转矩都比VR型步进电动机的大HB步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用60Hz驱动每步1.8°的电动机可作为72r／min的同步电动机使用。1.步进电动机工作原理BCIAIBICNS

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相双三拍

按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。1.三相单三拍“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。

与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。

与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。

步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：步距角＝360°／(zm)

式中:z-转子齿数；

m-运行拍数，

m=KN(N为电动机的相数，

K为通电状态系数，

单拍或双拍工作时K=1，单双拍混合方式工作时K=2)。(1)三相单三拍工作方式，A-B-C-A;K=1(2)三相双三拍工作方式，AB-BC-CA-AB;K=1(3)三相单、双六拍工作方式，A-AB-B-BC-CA-A;K=2三、步进电动机的运行特性及性能指标**

1.

分辨力

2.静态特性失调角：单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合所夹角最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值矩角特性:单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系步进电动机的静态稳定区：动稳定区

步进电动机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。空载稳定区：3.动态特性步进电机运行的拍数越多，稳定裕量θr角越大，步进电机运行越稳定。启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了电机的承载能力最大空载的运行频率fmax

：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。最大空载起动频率fq

：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。4.

步进电动机技术指标实例BF,BYG,BY分别代表什么类型的步进电机BF反应式步进电动机BY永磁(PM-PermanentMagnet)型BYG混合(HB-Hybrid)型四、步进电动机的驱动与控制**

四、步进电动机的驱动与控制驱动器的组成：由脉冲分配器、功率放大器等组成

变频信号源：是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。步进电动机的转角及转速如何控制？2.功率放大器功率放大电路的类型电压型：单电压型、双电压型(高低压型)电流型：恒流驱动、斩波驱动等。（1)单电压功率放大电路（1)单电压功率放大电路时间常数=L/R

二级放大电路利用三级管的放大作用，所用三级管均为ＮＰＮ型Ａ相得电，三极管３ＤＫ４、３ＤＤ１５导通，线圈Ｗ得电二极管ＶＤ的作用：三级管截止时，使存储在绕组中的能量释放，从而保护三级管Ｒ为限流电阻，以免线圈Ｗ发热烧坏。（2)高低压功率放大电路特点：不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。ＴＩ为脉冲变压器无脉冲输入时，有脉冲输入时，二极管ＶＤ２的作用：三级管截止时，使存储在绕组中的能量释放，从而保护三级管Ｒ为限流电阻，以免线圈Ｗ发热烧坏。ＶＤ３、４、５的作用？

在步进电机步距角不能满足使用条件时，可采用细分驱动器来驱动步进电机3.细分驱动以A→B为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由θb变为0.5θb，从而也就实现了2步细分。IAIB在步进电机步距角不能满足使用条件时，可采用细分驱动器来驱动步进电机3.细分驱动由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。3.细分驱动

细分驱动的特点：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。

细分的方法：（1）采用多路功率开关器件（2）将各开关的控制脉冲信号进行叠加4.步进电动机的微机控制

（串行、并行控制示意）串行控制：采用串行控制时，单片机与步进电机的功率接口之间必须有两条控制线：一条用于发送走步脉冲传（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。并行控制：用微型计算机的数个端口直接控制步进电机各项驱动电路第四章微机控制系统的选择及接口设计CPU、MC与MCS的关系第三节 微型计算机的系统构成及种类

微机的基本构成ROM通常存储固定程序和数据，

RAM而输入／输出数据和作业领域的数据由存储。2．微型计算机的种类

(1)按组装形式分类按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。(2)按微处理机位数分类按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32位和64位等机种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。

(3)按用途分类对单片机来说：可分为通用型和专用型。

三、存储器

微机控制系统中使用的存储器的分类如下图所示。按其功能可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类。2716EPROM：只读：工作时，数据单向输出；编程状态：数据输入。2716EPROM功能表静态RAM2114静态RAM6116和6264

PPI(ProgrammablePeripheralInterface)8255芯片具有可按照程序指定进行数据输入或输出的三个独立的端口A、B、C，每个端口都是8位，其引脚配置见下图所示。通常，A或B端口为输入、输出数据端口；而C端口作为控制或状态信息的端口。它在“状态”字控制下，可以分成两个4位的端口，每个端口均有锁存器，分别与A端口或B端口配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

PPl8255芯片的工作方式是通过CPU的控制字来指定的。在PPI内有控制寄存器，接受来自CPU输出的控制字。端口C是按照控制字来实现每一位的“复位”与“置位”控制的。1.PPI8255芯片使用简介ABC2.I/O寻址方法（端口的选择）8255有三种工作方式：

0方式：基本输入输出方式，可分别将A、B、C设为输入输出使用；

1方式：选通控制方式，A、B用于输入输出，端口A由端口C（高4位）控制；端口B由端口C（低4位）控制；

2方式：双向选通输入输出方式，只能使用A口，且端口A由端口C控制。3、实现片选的方法3、实现片选的方法I/O地址码见P154第八节单片机的结构特点及其最小应用系统

一、MCS-51系列单片机的结构特点

MCS-51系列单片机包括805l、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。

8051片内有4KB的ROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1000片以上)时，经济上才合算。

8751片内有4KB的EPROM。用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路，也可以作为开发系统片内8051ROM单片机的代用芯片。由于EPROM可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可用于程序的开发工作。

8031芯片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。如不使用805l或8751芯片片内的ROM或EPROM即可将其作为8031芯片使用。这三种引脚相容的产品均可寻址64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。下图为MCS-51系列单片机的引脚及功能。

MCS-51单片机片外总线配置地址总线：

P2口（高8位A15~A8）和P0口（低8位A7~A0）可寻址64KB。数据总线：

P0口（D7~D0）控制总线：

ALE、PSEN、WR、RD8051地址锁存器ALEPSENWRRD地址总线数据总线控制总线.程序存储器的作用----存放程序代码或常数表格

.存储器地址分析----究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。程序存储器的扩展MCS-5l系列单片机的扩展2764----8KEPROM2764引脚功能A0~A12地址线CE选片OE读D0~D7数据线VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D32764.扩展时所用芯片1编程脉冲输入PGM编程电源VppD7D6D5D4D3D2D1D0G74LS373GND+5VEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0.扩展时所用芯片2373引脚功能D0~D7数据输入E输出允许G数据输出Q0~Q7使能端当E=0，G=1时，输出Q=输入D(透明)；当E=0，G=0时，输出Q端不变（锁存）当E=1，输出高阻态.扩展电路连接扩展电路图单片机

8031P2.0:.A8...ALEPSEN74LS373G2764A7..A0O0..O7P0.0

:P0.7OECEQ0..Q7D0..D78031

2764数据总线的连接：P0.0-P0.7（数据总线）--------------------------------------O0-O7地址总线的连接：P0.0-P0.7（地址总线低8位）--------------------------------

A0-A7P2.0-P2.4（地址总线高8位中的5位）-------------------------A8-A12控制总线的连接：PSEN（程序存储器允许，即读指令）--------------------------OEALE（地址锁存允许）--------------------------------接373的使能端G经过锁存器373

A12P2.4.存储器地址分析----究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。

8031

P2.4…………P2.0P0.7…P0.0

选中单元(2732

A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0)

0000000000000（0000H）00000000000001（0001H）10000000000010（0002H）20000000000011（0003H）30000000000100（0004H）4...

1111111111111（1FFFH）8K-1

可见，当单片机输出地址0000H~1FFFH时，选中2764的0~8K-1号单元，即按照上面电路扩展的4K存储器的地址范围是0000H~1FFFH（共8K字节）。

数据存储器的扩展.数据存储器的作用----存放数据，可改写.扩展时所用芯片----一般用静态读写型存储器芯片SRAM，也可以用E2PROM、FLASH芯片等.扩展电路连接

----用SRAM6264扩展程序存储器。.存储器地址分析----究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。.扩展时所用芯片6264----8KSRAM6264引脚功能A0~A12地址线CE选片OE读D0~D7数据线N.CA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccWECSA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D36264写WE.扩展电路连接扩展电路数据总线的连接：P0.0~P0.7（数据总线）---------------------D0~D7

地址总线的连接：P0.0~P0.7（地址总线低8位）---------------

A0~A7P2.0~P2.4（地址总线高8位中的5位）-------A8~A12控制总线的连接：RD（读外部数据）-------------------------OEWR（写外部数据）-------------------------WEALE（地址锁存允许）--------------接373的使能端G

经过373

A86264WE单片机

8031P2.0:.A8..ALERD74LS373GA7..A0P0.0

:P0.7OECEQ0..Q7D0..D7A12P2.4WR80316264.存储器地址分析----究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。

8031

P2.7…

P2.4…

P2.0

P0.7…P0.0

选中单元(6264CEA12A11…

…A8A7A6A5A4A3A2A1A0)

0XX0000000000000（0000H）00XX0000000000001（0001H）10XX0000000000010（0002H）20XX0000000000011（0003H）30XX0000000000100（0004H）4...0XX1111111111111（1FFFH）8K-1

可见，当单片机输出地址0000H~1FFFH时，选中6264的0~8K-1号单元，即按照上面电路扩展的4K存储器的地址范围是0000H~1FFFH（共8K字节）。

第九节数字显示器及键盘的接口电路

一、数字显示器的结构及其工作原理

LED(LowEmittingDiode发光二极管)CRT（Cathode-raytube显示器

LCD(LiquidCrystalDisplay液晶显示器)

显示器有静态和动态两种方法：

1.静态显示

如：3FH:001111113F7FH：011111117F

段数据口扫描口

2.动态显示1.键盘工作原理

行列式键盘电路原理，按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5V时，被嵌位在高电平状态。键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字、行线读入行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为l。

例如：

D7D6D5D4D3D2D1D0

01110111

77

HD7D6D5D4D3D2D1D001111011

7BH

键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。这里仅简单介绍一下编程扫描方式。

编程扫描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。

2.键盘工作方式

（1）判断键盘上有无键按下。其方法为：PA口输出全扫描字00H，读PC口状态，PC0~PC3为全l，则键盘无键按下，若不全为1，则有键按下。（2）去键的机械抖动影响。其方法为，在判断有键按下后，软件延时一段时间再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则按键抖动处理。例如：FEXE：“0”键PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0

11111110PC7PC6PC5PC4PC3PC2PC1PC0———X———1110

FDXE：“1”键PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1