机电一体化资料(一到四章)

第一节机电一体化的定义传统机械：主要以力学为理论根底，以阅历为实践根底；现代机械：以力学、电子学、计算机学、掌握论、信息论等为理论根底，以阅历、机、电、计算机、传感与测试等技术为实践根底。机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实现微小简单运动难。电子：可实现简单的检测和掌握；但无法实现重载运动。机电一体化和机械电气化的区分电气机械在设计过程中不考虑或较少考虑电气与机械的内在联系。机械和电气装置之间界限清楚装置所需的掌握以基于电磁学原理的各种电器，属于强电范畴。机电一体化涉及到很多相关的学科：机械学、电子学、掌握论、计算机科学制论和信息论是机电一体化的理论根底半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质根底；Mechtronics是一个综合的概念，包含技术和产品两方面。的技术。机电一体化产品指承受机电一体化技术，在机械产品根底上创立出来的一代机电产品。其次节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化产品的优越性使用安全性和牢靠性提高生产力量和工作质量提高调整和维护便利，使用性能改善具有复合功能，适用面广改善劳动条件，有利于自动化生产节约能源，削减耗材现代机械的机电一体化目标提高精度增加功能提高生产效率节约能源，降低能耗提高安全性、牢靠性改善操作性和有用性减轻劳动强度，改善劳动条件简化构造，减轻重量降低价格增加柔性应用功能机电一体化技术方向在原有机械系统的根底上承受微型计算机掌握装置，使系统的性能提高，功能增加用电子装置局部代替机械传动装置和机械掌握装置，以简化构造，增加掌握敏捷性输内容，提高了速度。用电子装置替代机械的主要功能，形成特别的加工力量将机电技术完全融合形成型机电一体化产品机电一体化系统设计方法取代法整体设计法组合法取代法这种方法是用电气掌握取代原传统中机械掌握机构型产品常用的方法。局限性。整体设计法这种方法主要用于全产品和系统的开发设计，所以接口简洁，甚至可能互融一体。组合法这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产治理、使用和修理。第三节机电一体化系统的根本功能要素机械本体动力单元传感检测单元执行单元驱动单元掌握与信息处理单元接口机械本体〔机械系统〕的空间和时间关系安置在肯定位置上，并保持特定的关系。其开发重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换动力单元依据机电一体化系统的掌握要求。为系统供给能量和动力以保证系统正常运行。其显著特征之一，是用完可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。传感检测单元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展检测号，传输到掌握信息处理单元，经过分析、处理产生相应的掌握信息。对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰性强执行单元依据掌握信息和指令完成所要求的动作。驱动单元在掌握信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。掌握与信息处理单元掌握与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元外部输入命令进展集中、存储、分析、加工，依据信息处理结果，依据肯定的程序发出相应接口成机电一体化的系统工程。其根本功能主要有三个：变换、放大、传递第四节机电一体化的相关技术机械技术〔周密机械技术〕、机械功能更强、性能更优越。构造、材料、性能以及功能上的变更。传感检测技术是实现自动掌握、自动调整的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。传感检测技术的争论内容包括两方面二是争论如何将转换的电信号的加工处理。信息处理技术机，因此信息处理技术与计算机技术是亲热相关的。信息处理的进展方向是如何提高信息处理的速度、牢靠性和智能化程度。自动掌握技术自动掌握技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最正确化。机电一体化系统中的自动掌握技术主要包括位置掌握、速度掌握、最优掌握、自适应掌握、模糊掌握、神经网络掌握等。伺服驱动技术动，并具有良好的动态性能。常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。系统总体技术系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关的应用技术需要来选择解决方案。其次章机械系统设计机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调与掌握件相互联系的系统。机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应当具有较大的刚度、较高的牢靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。种转矩、转速变化器。导向机构：其作用是支撑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。第一节传动装置传动机构的种类及特点动副、间歇机构、绕性传动机构等。息机中的传动机构，主要要求运动的转换；对于动力，则只需要抑制惯性力〔力矩〕和各种摩擦力〔力矩〕以及较小的工作负载即可。传动机构的根本要求影响机电一体化系统中的传动链动力学性能的因素一般有以下几个负载的变换传动链惯性传动链固有频率间隙、摩擦、润滑和温升在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能小产生共振；刚度越大闭环系统的稳定性越高统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低生爬行，精度降低，寿命削减。〔避开谐振，特别是其动态特性与伺服电动等其他环节的动态性能相匹配。转动惯量增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降，简洁产生谐振。同时转动惯量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。摩擦〔或运动趋势方向摩擦力即消逝。阻尼运动中的机械部件简洁产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率，系统的阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快；线性阻尼下的振动为实模态，非线性阻尼下的振动为复模态。中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼刚度刚度为弹性体产生单位变形量所需的作用力度谐振频率分别称为机械传动部件的一阶谐振频率和n阶谐振频率。间隙减小位置环增益的消灭。当间隙消灭时，要实行消隙措施。常用传动机构的设计方法滚珠丝杠副传动机构齿轮传动同步带传动谐波齿轮传动棘轮传动机构软轴传动机构一、滚珠丝杠副传动机构珠。主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动滚珠丝杠副的特点传动效率高运动具有可逆性系统刚度好传动精度高使用寿命长不能自锁工艺简单滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧预紧力大小必需适宜，过小不能保证无隙传动，过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。度有直接影响双螺母螺纹预紧调隙式构造简洁、刚性好、预紧牢靠，使用中调整便利，但不能准确地调整双螺母齿差预紧调隙式可实现定量调整，调整精度很高，工作牢靠，使用中调整较便利；但构造复杂，加工和装配工艺性能较差双螺母垫片预紧调隙式构造紧凑、刚度高、预紧牢靠、应用广泛，但使用中调整不便利，也不很准确，适用于一般精度的传动构造弹簧式自动调整预紧式能消退使用过程中由于摩擦或弹性变形产生的间隙，但其构造简单。轴向刚度低齿轮传动齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置为常数。传动准确，且强度大、能承受重载、构造紧凑。摩擦力小、效率高三、同步带传动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型传动同步带传动的特点能便利地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高工作平稳，能吸取振动不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，维护保养便利强度高，厚度小，质量轻中心距要求严格，安装精度要求高制造工艺简单，本钱高、谐波齿轮传动依靠柔性齿轮所产生的可掌握弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。谐波齿轮传动的优点传动比大承载力量大传动精度高可以向密封空间传递运动或动力传动平稳传动效率高构造简洁，体积小，质量轻谐波齿轮传动的缺点揉轮和波发生器制造简单，需特地设备，本钱较高传动比下限值较高不能做成穿插轴和相交轴的构造软轴传动机构转矩。钢丝软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同始终线上刚度无法保证。棘轮传动机构棘轮传动机构主要用于将原动机构的连续运动转换成间歇运动由于回程时摇杆上的棘爪在棘轮齿面上滑行时引起噪声和齿尖磨损外棘轮的运动角必需以棘轮齿数为单位有级地变化度要求较高的场合。棘轮其次节导向机构和运动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。导轨的组成、分类及特点作直线或回转运动，称为动导轨导轨的根本要求变化影响小以及构造工艺性好。设有卸荷装置；运动件的支承必需符合三点定位原理滚动导轨滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之间参加滚动体线运动支撑。滚动导轨的优点摩擦因数小，运动敏捷；动静摩擦系数根本一样，因而启动阻力小，不易产生爬行现象；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑便利，一次装填，长期使用。滚动导轨按滚动体外形的不同，可以分为滚珠导轨。滚珠导轨和滚针导轨滚珠为点接触，摩擦小、灵敏度高，但承载力量小、刚度低，适用于载荷不大，行程较小，而运动灵敏度要求较高的场合。磨损加快，精度降低。滚针导轨的尺寸小，构造紧凑、排列密集。承载力量大，但摩擦相应增加，精度较低，适用〔构造尺寸较小的滚柱导轨滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简洁，调整防护简洁等优点。2.3.1常用执行机构的设计方法热变形式的热变形实现微小位移。微进给量的掌握。为了使传动杆恢复到原来的位置，可以利用压缩空气或乳化液来冷却热变形微动机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过掌握加热电流来得到所需微量位移；高的场合。磁致伸缩式该类机构利用某些材料在磁场作用下具有转变尺寸的磁致伸缩效应，来实现微量位移。磁致伸缩式微动机构的特征为重复精度高，无间隙，刚度好，转动惯量小，工作稳定性好，构造简洁、紧凑；但由于工程材料的磁致伸缩量有限，该类机构所供给的位移量很小该类机构适用于准确位移调整、切削刀具的磨损补偿及自动调整系统。工业机器人末端执行器工业机器人是一种自动掌握，可重复编程，多功能、多自由度操作机，是能搬动物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化产品类：机械夹持器、特种末端执行器、万能手第三节执行机构机械夹持器它是工业机器人中最常用的一种末端执行机构开。另外，它还应保证工件夹持姿势再现几何偏差在给定的公差带内。动轨迹的不同，机械夹持器可有下述几种型式圆弧开合型圆弧平行开合型直接平行开合型圆弧开合型在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧夹持器工作时，两手指绕支点作圆弧运动，造成工件状态失常圆弧平行开合型这类夹持器两手指工作时作平行开合运动，而指端运动轨迹为一圆弧直接平行开合型这类夹持器两手指的运动轨迹为直线，且两指夹持面始终保持平行不同将多个真空吸附手组合使用。电磁吸附手它同样构造简洁、价格低廉，但它吸附工件的过程是从不接触工件开头的。这种吸附方式可以用于搬运较大的可磁化性材料的工件第三章传感器检测及其接口电路第一节传感器的根底学问检测系统是机电一体化设备中不行缺少的组成局部比人的感觉器官。自动化程度越高，掌握系统对传感器的要求也就越高把各种非电量信息转换为电信号对转换后的电信号进展测量,并进展放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理传感器的根本用途传感器是借助检测元件接收一种形式的信息，并按肯定规律将它转换成另一种信息的装置。它猎取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式，由于电信号是最易于处理和便于传输的号。传感器的组成与分类传感器的组成敏感元件直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成其他参数根本转换电路将电路参数转换成便于测量的电量传感器的分类目前承受的传感器分类方法主要有感器压阻式、压电式、电感式按传感器转换能量的方式分类能量转换型〔发电型〕不需外加电源而将被测量转换成电能输出，如压电式，光电式等能量掌握型〔参量型〕需外加电源才能输出测试电量，如电阻、电感等按传感器工作机理分类1〕构造型：被测参数变化引起传感器的构造变化，使输出电量变化，利用物理学中的定律和运定定律等构成2〕物性型：利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能与材料亲热相关传感器的选用原则转换的根本要求。足够的容量，传感器的工作范围或量程要足够的大，具有肯定过载的力量。与测量或掌握系统的匹配性好且比值要大。反响速度快，工作牢靠性好的影响，使用安全。使用经济，本钱低，寿命长，且易于使用、修理和校准位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称常用的直线位移传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码器其次节常用传感器线位移检测传感器线位移传感器是利用敏感元件某些电参数随位移变化而转变的特性进展工作电阻式线位移传感器电感式线位移传感器电容式线位移传感器光栅式线位移传感器激光式线位移传感器电阻式线位移传感器电位器式线传感器电位器式线位移传感器利用被测部件的移动通过拉杆带动电刷移动，从而转变输出的电量。其优点是：构造简洁、性能稳定。缺点是区分率不高，易磨损。电阻应变计式线位移传感器利用应变片的弯曲，造成电阻变化，将其转化成电压和电流的变化。其优点构造简洁，性能稳定，精度高。缺乏之处是动态范围窄电感式线位移传感器(1)差动电感式线位移传感器利用磁芯在线圈筒中自由移动，切割磁力线产生电动势使电桥失去平衡，产生测量信号其优点是具有动态范围宽和线性度好的优点。缺点是有剩余电压。差动变压器式线位移传感器将被测量转化为线圈的互感变化。这种传感器具有区分率高、线性度好等优点，其缺点是剩余电势较大电容式线位移传感器特点。它可用于无接触检测，并可在恶劣环境下工作。光栅是一种型的位移检测元件，它的特点是测量精度高、响应速度快和量程范围大等。激光式线位移传感器这种传感器动态范围宽、精度高、可用于非接触检测。其缺点是装置简单、使用调试不便利、价格高。角位移传感器及转速传感器电阻式角位移传感器旋转变压器角位移传感器电容角位移传感器光栅角位移传感器磁电式角位移传感器及转速传感器电阻式角位移传感器旋转运动，这样电刷输出的电压就反映了电刷的转角。电阻式角位移传感器具有构造简洁、误差。旋转变压器角位移传感器旋转变压器角实际上是初级和次级绕组之间的角度可以转变的变压器别安装在定子和转子上。旋转变压器具有精度高、牢靠性好等特点，广泛应用在各种机电一体化系统中。电容角位移传感器量随之转变。测量电路检测这种电容量变换，即可确定角位移。光栅角位移传感器与光栅线位移传感器相比，光栅角位移传感器将光栅印在圆盘的圆周上。磁电式角位移传感器及转速传感器的转动会影响磁路的磁阻，使磁通量发生变化，进而在绕组中会产生相应的感应脉冲电压。对脉冲电压整形后进展计数，也可以到达测量角位移及角速度的目的。速度与加速度传感器电磁式速度传感器中。假设线圈相对磁场运动，线圈由于切割磁力线而产生感应电动势，其大小为压电式加速度传感器一些晶体材料，受到外力作用发生变形时，其内部发生极化，在材料的说明上会产生电荷，电效应，可以把机械力变换转换成电荷量的变换。做成压电传感器a材料产生ma作用力，使陶瓷片两级产生相应的电荷，通过引线输出到电荷测量电路中，这样可以得到相应的加速度值力传感器电阻应变片传感器可以检测拉压力、弯矩、扭矩、剪切力及压力等。由于电阻应变片构造简洁、使用敏捷，广泛应用在检测系统中。压力传感器件随着内外压力不同，会产生变形，通过测量变形大小或变形力的大小即可测量出压力大小接近传感器与距离传感器电容式接近传感器电容式接近传感器是利用检测被检测对象与检测极板间电容的变化电感式接近传感器假设检测对象为钢、铁等磁性材料，可以利用其磁通特性检测物理的接近程度。器都无能为力，需要利用光电式或其他类型的传感器光电式接近传感器内，检测电路没有输出。超声波距离传感器利用超声波进展距离检测的原理是，向被检测物体放射超声波，并由被检测物体反射回来，通过检测从放射到接收到反射波所利用的时间来实现距离测量。温度、流量传感器热电偶温度传感器热敏电阻传感器流量传感器热电偶温度传感器热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体〔或半导体和B组成的闭合回路中，假设它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应热电阻传感器利用热敏电阻可以制成温度传感器。所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体，其电阻值随温度的变化而显著转变。流量传感器涡流式流速传感器浮子式流量传感器浮力，当发生倾斜或较大幅度振动时，会造成较大误差，甚至无法工作。第四章伺服系统第一节伺服系统的根本构造形式及特点伺服系统的根本概念伺服系统是指以机械位置或角度作为掌握对象的自动掌握系统伺服是机电一体化产品的一个重要组成局部。其输出量是机械位置和角度。伺服系统主要用于机械设备位置和角度的动态掌握。伺服系统的根本要求由于执行元件是直接的被控对象，为了能依据掌握命令的要求准确、快速、准确、牢靠地实现对掌握对象的调整与掌握，对伺服系统提出以下要求：高牢靠性良好的动态性动作的准确性高效率伺服电动机技术性能直接影响着伺服系统的动态特性、运动精度、调速性能等。一般状况下、伺服电动机应满足如下的技术要求。具有较硬的机械特性和良好的调整特性(抱负状况下，两种特性曲线是始终线)具有宽广而平滑的调速范围具有快速响应特性具有小的空载始动电压伺服系统的根本构造形式机电一体化的伺服掌握系统的构造、类型繁多，但从自动掌握理论的角度来分析，伺服掌握系统一般包括掌握器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五局部。比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反响信号进展比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由特地的电路或计算机来实现。掌握器掌握器通常是计算机或PID掌握电路，其主要任务是比照较元件输出的偏差信号进展变换处理，以掌握执行元件按要求动作。执行环节执行环节的作用是按掌握信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。被控对象检测环节检测环节是指能够对输出进展测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。执行元件的种类及特点由于执行元件是直接参与调整以及完成动作执行的装置，因此要求执行元件能够按掌握器的指令准确、快速、准确、牢靠地实现对被控对象的调整和掌握。执行元件的种类繁多，通常按推动执行元件工作的能源形式分为三种：电动式、液压式和气动式。电动执行元件电动执行元件以电能作为动力，并把电能转变成位移或转角形式的机械能，以实现对被控对象的调整和掌握。电动执行元件主要以电动机为主，具有高精度、高速度、高牢靠性、易于掌握等特点。常见的有直流伺服电动机。沟通伺服电动机、步进电动机等。液压执行元件液压执行元件是将高压液体的能量转换为机械能，拖动负载实现直线或回转动作。做功介质可以用水，但大多用液压油。常见的执行元件有液压缸、液压马达等。液压执行元件具有工作平稳、冲击振动小、无极调速范围大、输出力或扭矩大、过载力量强、构造简洁等优点。但其缺点有，需要细心维护治理；噪声大；远距离操作受到限制；由于漏油可能污染环境；性能随油温的变化而变化气动执行元件气动执行元件是把压缩气体的能量转换成机械能，拖动负载完成对被拉对象的掌握。做功介质可以是空气，也可以用惰性气体。气动执行元件构造简洁、工作牢靠、维护便利、本钱低。但由于是用气体做介质，所以可压缩性大、精度较差、传输速度低。直流伺服电动机直流伺服电动机是用直流电信号掌握的伺服电动机，其功能是将输入的电压掌握信号快速转变为轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电动机的主要构造及原理与一般直流电动机相比较没有特别的区分，但为了满足工作需要，在以下几方面直流伺服电动机与一般直流电动机不同：直流伺服电动机的特点：稳定性好可控性好响应快速掌握功率低转矩大沟通伺服电动机沟通伺服电动机是把加在掌握绕组上的沟通电信号转换为肯定的转速和偏角的电动机。与直流伺服电动机相比，沟通伺服电动机具有构造结实、维护简洁、便于安装以及转子惯量可以设计得较小和能够高速运转等优点。沟通伺服电动机的工作特点沟通伺服电机的工作原理与两相异步电机相像将沟通电信号转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能够反映掌握信号的相位，无掌握信号时它不转动。特别是当它已在转动时，假设掌握信号消逝，它马上停顿转动。而一般的感应电动机转动起来以后，假设掌握信号消逝，它往往不能马上停顿而要连续转动一会儿。沟通伺服电动机的掌握方法和一般感应电动机一样，两相伺服电动机磁转矩的大小取决于气隙磁场的每极磁通量和转子电流的大小及相位。也即取决于掌握电压的大小和相位。所以，可以通过转变掌握电压的大小和相位的方法来掌握电动机，常用的掌握方式包括以下几种幅值掌握：保持掌握电压的相位角不变，只转变其幅值大小来掌握电动机。相位掌握：保持掌握电压的幅值不变，只转变其相位来掌握电动机。幅相掌握：同时转变掌握电压的幅值和相位来掌握电动机。步进电动机步进电动机是将电脉冲掌握信号转换成机械角位移的执行元件。每承受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，步进电动机转子就转过一个相应的步