机电一体化课件

机电一体化课件第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一考试题型简答题：64分（6题）基本概念和原理应用题：36分（3题）计算、分析及应用考试时间：120分钟考试形式：闭卷第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第一章绪论1机电一体化的定义2机电一体化的特点3机电一体化的构成4机电一体化的关键技术第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1机电一体化的定义机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术等相关技术的综合“机电一体化”被称为“Mechatronics”，是日本人在20世纪70年代提出来的，它取机械学（Mechanics）的前半部分和电子学（Electronics）的后半部分组合起来构成的新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合机电一体化信息科学机械学电子学第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2机电一体化的特点本质：将电子技术引入机械控制中，也就是“利用传感器检测机械运动，将检测信息输入到计算机，经计算得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置”。综合性与系统性：电子技术、信息技术、自动控制与机械技术结合小型化、轻型化、微型化高精度、多功能高可靠性柔性化、智能化知识密集第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一3机电一体化的基本构成机械本体机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能要求：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观动力与驱动为执行装置提供能量并转换成需要的形式，实现动力功能要求：高功率密度比，可靠性好检测与传感检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能要求：体积小、精度高、抗干扰控制及信息处理存储、分析、运算、决策，实现控制功能要求：高可靠性、柔性、智能化执行机构包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一机械本体：执行装置：动力：检测与传感：控制：手臂的连接部分和安装支架等气缸气压系统的气压源接近传感器、磁性传感器、手爪传感器系统的基本组成？各包含哪些部分？第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一4机电一体化关键技术机械技术计算机与信息处理技术传感器与检测技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第二章机电一体化设计基本原理及方法1机电一体化设计的一般步骤2详细设计的主要内容3结构设计的基本原理第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1设计步骤第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2详细设计的基本内容机械本体设计线性传动部件非线性传动部件特殊传动部件支撑部件机械传动设计负载的变化传动链惯性传动链固有频率间隙、摩擦、润滑和温升传感与检测系统设计接口设计微控制器的设计第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一3结构设计的基本原理1任务分配原理相同功能的任务分配不同功能任务分配2自补偿原理:自增强，自平衡，自保护3结构实际变元：数量变元；形状变元；材料变元；顺序变元4力传递原理：力流路线直接、最短；力流转向平缓5力平衡原理6等强度原理7稳定性原理8降低噪声原理第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第三章数学模型的建立机械传动系统控制电机传递函数方框图第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一例1：齿轮传动的动力学分析如图所示齿轮传动链，有电机M输入扭矩为Tm,L为输出端负载，TL为负载扭矩。图示Z1、Z2、Z3、

Z4为各齿轮齿数；J1、

J2、J3及θ1、θ2、θ3分别为各轴及相应齿轮的转动惯量和转角。B1、B2、B3为传动中各轴及齿轮的阻尼系数。设各轴均为绝对刚性，即扭转弹簧常数建立系统微分方程模型。14Z1Z2Z3Z4TLTmT2T2J2T4T3T1θ2L齿轮传动系统M

第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一可得动力学方程式：将各轴转动惯量、阻尼及负载转换到电机轴，列出Tm与θ1间的微分方程，由齿轮传动的基本关系可知：MLTmTeqBeqJeqθ1①②③第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一令加到电枢两端的电压ua为输入信号，电机有一个固定磁场，if为磁场电流，电枢回路中的电阻、电感分别为Ra，La，电枢电流为ia，M为电动机轴上产生的转矩，J、B分别为换算到电机轴上的等效转动惯量和等效圆周粘性阻尼系数，eb为反电动势。当系统输出信号为电动机的转角θ，求系统传递函数。JRaLaiaBebifMθua+-例2：求电枢控制式直流电动机系统的传递函数第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一当激磁磁场不变时，转矩M正比于电枢电流，即M=Kia，式中K为转矩常数。电机轴上的转矩平衡方程为：当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动的角速度，即式中：Kb为反电势常数。电枢回路的微分方程为：JRaLaiaBebifMθua+-第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一对以上各式进行拉氏变换，得：三式联立求得传递函数：JRaLaiaBebifMθua+-反电动势方程：电枢回路电压方程：转矩平衡方程：第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一电枢控制直流电机的传递函数可看作由比例、积分和惯性环节组成由于电枢回路中的电感La很小，忽略不计，即La≈0，传递函数简化为：式中第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第四章机械传动与驱动系统的设计1轮系传动的基本原理以及传动比的推导（行星轮系、谐波齿轮）2丝杠螺母传动（基本传动形式滚珠丝杠副的相关定义）3挠性传动系统（同步带传动特点与分类）4步进运动机构（种类）5步进电机原理（拍、步距角、驱动脉冲频率之间的关系）第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1轮系传动行星传动主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。原理：它有一个轴线位置固定的齿轮叫中心轮或太阳轮，在太阳轮边上有轴线变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮叫行星轮，行星轮的支持构件叫行星架，通过行星架将动力传到轴上，再传给其它齿轮。它们由一组若干个齿轮组成一个轮系，只有一个原动件，这种周转轮系称为行星轮系。图4-11行星轮系传动中心轮1固定，双联齿轮2—3为行星轮，H为运动输入构件，中心轮4为运动输出构件。机构的自由度为1，基本构件为两个中心轮2K和一个系杆H，故称为2K-H型行星轮系

传动比第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一谐波齿轮传动工作原理—齿差与变形谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG略大于柔轮的齿数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u，错齿是运动产生的原因波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。ZGZR波发生器的旋转方向与柔轮的转动方向相反。第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一谐波齿轮传动的特点谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。传动比大，外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92％~96％，单级传动比可达50~4000。承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一主要尺寸参数主要参数：公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径公称直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。行程l：丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。螺距t：丝杠相对螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。螺距根据精度确定.精度高时选小螺距。2滚珠丝杠传动第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（2）基本传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。该传动形式需要限制螺母的转动。故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用。该方式的丝杠上有基本导程(或螺距)不同的两段螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母1的移动距离为

，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移

。这种传动方式多用于各种微动机构中。第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2同步带传动的特点传动比准确、传动效率高工作平稳，能吸收振动不需要润滑、耐油水、耐高温、耐腐蚀、维护保养方便中心距要求严格，安装精度要求高；制造工艺复杂，成本高第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一3步进电机一拍控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍步距角每一拍转子转过的角度。第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一概念

一拍控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍

步距角每一拍转子转过的角度。转速一个θ→转(1/zN)圈脉冲频率为f→每秒转(f/zN)圈脉冲当量、减速比与步距角的关系θ=360°zNz

：转子齿数N：拍数n=60fzNi=

θ·S/（360·Δ）3步进电机第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1423142314231423U1U2V1V2W2W11三相单三拍

通电顺序：U相→V相→W相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W11423②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电14231423一步两步三步※步距角：θ=30°工作原理第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一例1：某步进电机有80个齿，采用3相6拍方式驱动，经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程为6mm，求：

1、步进电机的步距角

2、当脉冲当量要求为0.01mm时，试设计此传动系统3、要求电动机转速为60r/min，输入脉冲频率为多少？工作台的直线运动速度是多少？工作台数控装置步进电机驱动器步进电机指令输入进给脉冲齿轮箱第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一解步距角传动系统（齿轮减速比）输入脉冲频率平台的直线速度θ=360°zN第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第五章传感器与检测系统传感器的定义及组成传感器的静态特性位移传感器第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1定义及组成传感器（Transducer/Sensor）是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2静态特性1线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。采用直线拟合的方法来线性化，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示2灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。3迟滞:迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出特性曲线不重合的程度4重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度5分辨率:分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力.输入量从某个任意值缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率6零漂：漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等7.精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差

第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一3位移传感器电感式传感器电容式位移传感器光栅数字传感器感应同步器角数字编码器（码盘）第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一电感式传感器1．工作原理由衔铁、铁芯和匝数为W的线圈三部分构成。根据定义，线圈的电感为式中RM——磁阻，它包括铁芯磁阻和空气隙的磁阻，即——铁磁材料各段的磁阻之和，当铁芯一定时，其值为一定Rd

——空气隙的磁阻，Rd=2d/m0S。S为空气隙截面积，d为空气隙长度，m0为空气的磁导率。可得电感为由于改变d和S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一电容式传感器极距变化型：非接触动态测量，灵敏度高，适用于小位移的精确测量面积变化型：线性，灵敏度低，适于较大的线位移和角位移第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一光栅原理：在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。当移动的刻线数i和角度θ一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第六章继电接触控制系统设计典型电气控制线路第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一典型控制线路设计自锁控制电路的保护短路保护——熔断器过载保护——热继电器欠压和失压保护——接触器互锁控制（正反转控制线路）点动与长动的连锁控制第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一综合题：例1设计三相交流电机的继电接触控制电路，能实现正反转控制，并具有连锁保护功能。第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一例2下图表示一个具有2级减速的齿轮传动系统。T为电动机输出的力矩，作用在轴l上。Tfz是作用在轴3上的负载转矩。(J1,f1)、(J2,f2)、(J3,f3)分别代表相应轴的转动惯量与粘滞阻尼系数，θ1、θ2、θ3分别表示相应轴的转角。i1、i2

为传动比，即i1=θ1/θ2,i2=θ2/θ3

。求以转矩T和Tfz为输入量，以转角θ1为输出量的运动方程。第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一例3一个水池水位自动控制系统如例图1所示。试简述系统工作原理，指出主要变量和各环节的构成，画出系统的方框图。第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一例4如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=30kg，负载力为F1＝1000N，工作台分辨力为4μm，丝杠直径为d＝20mm，导程t＝4mm，齿轮减速比为i=5，总效率为ŋ=30％。（1）如果采用步进电机驱动，电机的步距角α应为多少？（2）试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素。第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一例5（书P132，第8题）已知拖板重量W=2000N，拖板与贴塑导轨间的摩擦系数μ=0.06，车削时最大切削负载Fz=2150N(与运动方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=4300N(垂直于导轨)，要求导轨的进给速度为v1=10-500mm/min，快速行程速度v2=300mm/min，滚珠丝杠名义直径d0=32mm，导程L=6mm，丝杠总长L=1400mm，拖板最大行程为1150mm，定位精度±0.01mm，试选择合适的步进电动机，并检查其起动特性和工作速度。第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一464.5控制电动机选择与计算解：1．脉冲当量的选择初选三相步进电动机的步距角为0.75／1.5，当三相六拍运行时，步距角θ=0.75，其每转脉冲数

初选脉冲当量(每输入一个指令脉冲，步进电动机驱动工作台的移动距离，单位mm／p)△=0.01mm／p，由此可得中间齿轮传动i为

选小齿轮齿数z1=20，z2=25，模数m=2mm。第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一4.5控制电动机选择与计算472．等效负载转矩计算

(1)空载时的摩擦转矩TLF

(2)车削加工时的负载转矩TL

式中=0.8，为丝杠顶紧时的传动效率。第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一484.5控制电动机选择与计算3．等效转动惯量计算

(1)滚动丝杠的转动惯量式中，丝杠密度第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一495控制电动机选择与计算(2)拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量Jw

(3)大齿轮的转动惯量Jg1

式中b2=10mm为大齿轮宽度。

第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一4.5控制电动机选择与计算5