机电一体化系统设计考点总结

机电一体化系统设计考点总结概论系统从广义上可以定义是两个或两个以上事物组成相互依存，相互作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。机电系统是机与电的组合系统，特别是精密机械与微电子的综合集成系统。对于实际应用，系统一般可以定义为任何事物存在某种因果关系的一组物理元件。其因称为激励或输入，其因果叫作响应或输出。描述决定系统输入与输出之间关系的数学方程式，称为系统的数学模型。机电一体化是微电子技术，信息化技术的快速发展并向传统机械产品渗透与融合的结果。所有的机电一体化产品，例如数控机床，传真打印机.....以及这些产品的集成体，都可称为机电一体化系统。机电一体化系统已被广泛应用于工厂自动化，办公自动化，家庭自动化以及社会服务自动化（所谓4A革命）。典型机电一体化系统有以下几种形式：1.机械手关节伺服系统2.数控机床3.工业机器人4.自动导引车5.顺序控制系统6.数控自动化制造系统7.微机电系统系统结构与模块：1.机械受控模块（机械受控模块又称为执行模块，其主要功能是承载，传递力和运动，如改变速度，远距离动作，力的放大和反馈，速度和力的参数调节，同步传动和传送物料等。）2.测量模块（采集有关系统状态和行为的信息，它由传感器，调理电路，变换电路等组成。）3.驱动模块（在系统中的作用是提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生所希望的运动输出。）4.通信模块（传递信息，实现系统内部，外部，进程和远程通信。实现方法有有线和无线）5.微计算机模块（微计算机模块在系统中处理负责由测量模块和接口模块技工的信息。）6.软件模块（包括系统操作指令和预先定义的各种算法。）7.接口模块（主要用于各级之间的信息传递。）设计依据与评价标准：1.系统功能2.性能标准3.使用帮助4.社会经济效益设计思想与方法：1.系统的设计思想2.机和电融合的设计思想3.注重创新的设计思想设计过程：1市场调研，需求分析和技术预测2.概念设计3.可行性分析4.编制设计任务书5.初步设计------方案设计6.方案设计评估与优化7.详细设计和参数核算8.完成全部设计文件第二章机械受控模块1机械传动主要有齿轮，蜗杆传动，丝杠螺母传动和谐波传动三种形式。齿轮系及蜗杆副是一种发展历史悠久，现在仍广泛使用的一种机械传动部件。他动作可靠，传动比恒定，结构成熟，但制造复杂。2齿轮传动的主要精度要求瞬时传动比不变，即，主动轮作匀速转动时，从动轮也做匀速转动。蜗轮蜗杆副在一定意义上也可看作一种特殊的齿轮，只能用于传递空间垂直交错轴之间的回转运动。蜗杆为传动副的主动构件，蜗轮为从动构件。公式：由于i>1公式可以近似为两式为最佳速比分配条件。该条件也近似适用于多级减速装置。对于多级减速装置，可使相邻各级速比均满足上述条件。一般来说，齿轮传动的总等效惯量随着传动级数增加而减小，但传动效率随着传动级数增加而降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。齿轮副间隙的消除：1.刚性调整法2.柔性调整法滚珠丝杠螺母副克服了普遍螺旋传动的缺点，已发展成为一种高精度传动装置。它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小，传动效率高，传动平稳，寿命长，精度高，温升低等优点。由于滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小，便于消除传动间隙等突出优点，它给机电一体化系统的性能改善带来了巨大的益处。但是，它不能自锁，用于升降传动时需要另加锁紧装置，机构复杂，成本偏高，另外传动的距离（行程）和速度有限。滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型。间隙消除及予紧方法1.双螺母齿差式2.双螺母螺纹式3.双螺母垫片式4.单螺母变位导程自予紧式支撑结构形式1.两端固定2.一端固定一端游动3.两端均为单向推力4.一端固定一端自由1).刚轮固定EQ\o\ac(○,1).波发生器输入，柔轮输出，则传动比为EQ\o\ac(○,2).柔轮输入，波发生器输出，则传动比为2).柔轮固定（）EQ\o\ac(○,1).波发生器输入，刚轮输出，则传动比为EQ\o\ac(○,2).刚轮输入，波发生器输出，则传动比为3).波发生器固定（）EQ\o\ac(○,1).柔轮输入，刚轮输出，则传动比为EQ\o\ac(○,2).刚轮输入，柔轮输出，则传动比为4）.两项输入，一项输出EQ\o\ac(○,1).当波发生器和柔轮同时输入，刚轮输出时，则传动比为EQ\o\ac(○,2).当波发生器和刚轮同时输入，柔轮输出时，则传动比为EQ\o\ac(○,3).当柔轮和刚轮同时输入，波发生器输出时，则传动比为主轴要求包括：（1）.回转精度含轴向精度（2）.静刚度（3）.动特性（4）.热特性滚动摩擦支承轴系采用滚动轴承轴系。常用滚动轴承有两类：1）.标准滚动轴承2）.新型滚动轴承滚动摩擦支承轴系：1.液体动压支承2.气体动压支承3.液体静压支承4.气体静压支承导轨副用于引导运动部件的走向，保证执行部件的正确运动轨迹，并通过摩擦和阻尼影响执行件的运动特性。（对于滚珠导轨）（对于滚柱导轨）[p]=（对于滚珠导轨）[p]=（对于滚柱导轨）具有多个运动自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构被称为并联机构。虚拟轴机床即是采用六根杆的并联机构实现的，俗称六条腿机床。机电一体化系统中，由机械传动和支承导向部件组成的机械模块，本质上是一种转矩和转速的变换器，实现驱动电机与负载之间的转矩和转速的合理匹配。它的数学模型往往可以简化为由质量----弹簧----阻尼组成的二阶力学模型公式：（折合到主动轴）（折合到从动轴）测量模块传感器通常是将非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出器件或装置。传感器的分类方法很多，常用的方法有：按被测物理量进行分类的方法，按传感器工作原理或传感过程中信号转换原理的分类方法，以及按传感器与被测对象之间的能量转换关系的分类方法等。按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的原理来分类。传感器发展特点可以归纳为集成化，多功能化，微型化和智能化。传感器和测量系统的性能由输出---输入关系特写描写。通常分为三类：工作特性，静态特性，以及动态特性。1）.EQ\o\ac(○,1)性能：分辨率，灵敏度；EQ\o\ac(○,2).质量：可靠性，漂移2）.静态特性涉及被测量为常量或缓慢变化量的精度。重复性，可复现性，线性度3）.动态特性反应测量快速变化的性能，分时域和频域两种提法。EQ\o\ac(○,1).时域指标时域分析性能指标是以系统对单位阶跃输入的瞬态响应形式给出的。瞬态响应性能指标包括：上升时间，峰值时间，最大超调量，调整时间，延迟时间，振荡次数。4）.性能要求与改善措施机电一体化系统对传感器的性能要求包括稳定性，准确性，快速性，可靠性以及经济性。具体地说需要满足：EQ\o\ac(○,1).量程足够，灵敏度高EQ\o\ac(○,2).精度适当，线性度好EQ\o\ac(○,3).响应时间短，适频带宽EQ\o\ac(○,4).稳定性好，具一定的过载能力EQ\o\ac(○,5).经济实用，成本低，寿命长。改善传感器性能措施：差动技术，平均技术，稳定性处理，屏蔽`隔离，闭环技术。位移传感器包括线位移传感器和角位移传感器。1）.旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的角位移测量装置。式中----旋转变压器的匝比N1，N2转子，定子绕组匝数Uj定子绕组励磁电压有效值。2）.感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类，分别用于大行程的线位移和角位移的测量，可测长达几十米的线位移与360度内角位移。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分。（K为滑尺和定尺的电磁耦合系数。为滑尺和定尺相对位移的折算角。若绕组的节距为W，相对位移为，则。感应同步器分为鉴幅测量和鉴相测量两种方式。鉴幅式：（------指令位移角）鉴相式（所谓鉴相式就是根据感应电动势的相位来鉴别位移量）3）.光电编码器是码盘式角度数字检测元件，有两种类型：绝对编码器，另一种是增量编码器。增量式光电编码器的原理：在圆盘上刻有节距相等的辐射状窄缝，与之相对应的还有两组检测窄缝，其节距与圆盘节距相同。为了得到绝对转角，应在起始位置时，将可逆计数器清零。4）.光栅是一种新型的位移检测元件，可分为透射光栅和反射光栅两种。光栅的测量精度高，长光栅可达1微米。圆光栅测角可达1’’或更高。它们常用于各种精密机床，坐标测量机，传动链测量仪器及测角仪器等。缺点是对环境要求较高，油污，灰尘会影响工作可靠性。（w表示条纹宽度，p表示栅距，表示光栅条纹间的夹角）速度传感器速度是位移或距离的变化率，它包括大小和方向。1）.直流测速发电机实际上是一台微型直流发电机，输出是与转度成正比的直流电压。测速发电机用于工业自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。E是测速发电机输出电压（V）,电动势系数n角速度w角速度R平均半径B磁场的磁通密度N有效导体数L每根导体的长度2）.码盘式转速传感器采用增量式编码器直接连到转轴上，产生一系列脉冲，从而得到数字式速度信号。编码器脉冲信号输入控制电路，控制电路输出一个选通信号，去打开门电路，控制开门时间正好是一个或多个码盘脉冲间隔。加速度传感器加速度是运动参数，等于速度的变化率。1）.力学模型如果加速度a的变化率w<<2）.加速度传感器分类按惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加速度计和摆式加速度计，按支撑类，可分为宝石轴支承加速度计，液体悬浮支承加速度计等。3）.微加速度传感器结构可采用电容式，压阻式，压电式等等。压阻式微机械加速度计是利用半导体材料的压阻效应形成的，当对半导体的某一晶向施加压力时，其电阻率就会发生一定变化，这种现象称为压阻效应。弹性敏感元件把力，转矩，压力等被测参量变换成相应的位移或应变（每单位长度产生的位移），然后，再配合各种形式的转换元件转换成电信号输出。测量弹性元件的应变或位移的传感元件有很多类，应用较为普遍的有：电阻应变式压电式及电容式。1）.电阻应变式应变片力传感器由弹性形体元件和应变片构成。最简单的变形体形式是一根轴向受载的杆。这种类型的传感器用在额定力为10KN~5MN范围内。受载时，变形杆变粗，其周长按泊松系数u同时变大。按照力的均匀分布贴在杆上的四个应变片与一电桥相连，在该电桥的相邻两臂上有一纵向和横向贴置的应变片。测力时，将电阻应变片粘合在传感器的弹性元件上，然后构成半桥或全桥电路。当弹性元件受力后，产生应变，应变片的敏感栅的电阻发生变化，电桥电路产生正比于力（应变）的电压或电流信号，测定电压或电流就可确定力的大小。这是目前应用很广泛的一种测力方法。他的特点是测量范围宽，精度高，，动态特性能好，体积小，价格便宜，易于实施对环境干扰的隔离或补偿。2）.压阻式力传感器是利用半导体的压阻效应工作的。当单晶硅半导体沿某方向受到外力作用时，其电阻率发生变化，导致电阻值R变化的现象称为压阻效应。3）.压电式压电式传感器的工作原理是压电元件的压电效应为基础的。当某些晶体沿一定方向受外力作用而产生形变时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种物理现象称为压电效应。晶体受力所产生与外力的大小成正比，电荷的极性取决于变形的形式（压缩或伸长）。4）.因此，电容传感器可分为变极距，变面积和变介质三种类型。霍尔式传感器是基于霍尔效应原理形成的传感器，它可以通过将电流，磁场，位移，压力，压差，转速等物理量转换成电动势输出的一种传感器。1）.工作原理与特性当金属或半导体薄片置于磁场中，有电流过时，在垂直于电流或磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。2）.霍尔电流传感器是一个把电流转换成电压的传感器。信号调理的目的是隔离，阻抗变换，噪声抑制，放大及变换等。1）.前置放大器EQ\o\ac(○,1).电压跟随器EQ\o\ac(○,2).电荷放大器EQ\o\ac(○,3).仪表放大器2)。滤波电路1.低通滤波器2.高通滤波器3.带通滤波器4.带阻滤波器传感器经过信号调理之后，所得到的信号形式可以分为三类：1.数字量2.计数脉冲量3.模拟量数据采集系统主要部分如下：信号调理，采样/保持，模数转换，模数转换，其他。采样保持器的工作原理：采样保持电路一般由保持电容器Cb和输入输出缓冲器A1，A2以及控制开关S组成。它有两种工作模式-------采样模式和保持模式，可由模式控制信号选择。采样期间模式控制开关S闭合，A1是高增益放大器。保持期间，模式控制信号使开关S断开。第四章电动机及其驱动电路1.尽管电动机具有许多不同的形式，但是，产生电磁转矩的机制都是建立在相同的电磁理论上的。2.常用控制电动机分类和特点：固定磁阻电动机{直流伺服电动机，交流伺服电动机}，变磁阻电动机{反应式步进电机，永磁式步进电机，混合式步进电机，直线式步进电机}，无磁电动机{超声波电动机}3.电磁耦合的两个定理：法拉第定律（电生力）和电磁感应定律（力生电）4.直流电动机与交流电动机的区别：直流电动机具有良好的控制性能，还具有相对功率大和响应速度快等优点。相对交流电动机而言，直流电动机存在电刷，结构复杂，成本较高。结构：由三部分组成：定子磁极；电枢；电刷5..直流电动机的电磁转矩可表示为：6.根据电磁感应定律，当磁通恒定时，直流电动机电枢反电动势：7.静特性：直流电动机的转速公式为：8.理想空载转速：9堵转转矩：10.机械特性硬度：：线圈电阻：反电动势：转矩系数注：机械特性硬度与电枢电压无关。11.驱动电路：直流电动机的驱动电路，即功率放大器，是用于放大控制信号并向电动机提供必要能量的电子装置。功率放大器应能提供足够的电功率，具有相当宽的频带和尽可能高的效率。应用较广泛的放大器主要有线性直流功率放大器和PWM功率放大器。线性直流功率放大器{单级型功率放大器，双极型功率放大器可改变电压方向（T型放大器线路和H桥形电路）12.永磁同步电动机结构原理：传统直流电动机的电枢为转子，磁极固定在定子上。与此相反，永磁同步电动机的电枢绕组位于定子上，转子由永久磁钢组成。它分为电动机本体，位置传感器，电子换向开关等三个基本部分组成。两种驱动方式：直流电动机驱动方式。作用：改变定子绕组的通电相序。‚同步电动机驱动方式。作用：采用三相正弦脉冲宽度调制电压供给定子绕组。13.交流感应电动机优点：结构简单，运行可靠，制造使用方便维修方便，价格便宜等优点。原理：接入三相对称交流电源后，三相绕组中的电流在定子与转子之间的气隙中产生圆形旋转磁场，与转子绕组中的感应电流相互作用，产生电磁转矩。旋转磁场的旋转方向由三相交流电源的相序决定。如果将任意两相互换，则旋转磁场的专项也会随之改变。定子单相绕组通电后，在气隙中产生脉冲磁场。两种措施获得启动电磁转矩：分相式；‚罩极式。13.三相感应电动机的电磁转矩可表示为：14.堵转转矩：最大转矩：15.交流变频调速：恒压频比变频调速‚转差频率控制16.电动机选择的古典准则：功率条件‚转矩和转速条件：注：古典准则主要用于常速度运动，或者纯惯性负载的设计。17.电动机选择的通用准则：考虑高动态负载，即惯性负载与负载转矩的组合。折合到电动机转子轴上的负载峰值转速必须不大于电动机最大转速：‚折合到电动机转子轴上的负载转矩与电动机转子加速时的惯性转矩之和必须不大于电动机的最大转矩。第五章步进电动机运动控制系统1步进电动机又称脉冲电动机，它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式步进电动机的输出轴转动一步。因此，当输入一串脉冲序列时，输出轴就以等增量的转角响应输入序列，输出步数等于输入脉冲这个步数，转速与输入脉冲频率成正比。特点：可以实现直接数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会积累。步进电动机运动控制系统是一种开环控制系统，它有运动控制软件，脉冲分配器，驱动电路，步进电动机以及传动装置组成。2.按形状分{旋转式，直线式}按励磁相数{两相，三相，四相，五相}工作原理{反应式，永磁式，混合式}3.反应式步进电动机特点：4.永磁式步进电动机特点：在定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星形永久磁钢。转子的级数与定子每极的极数相同，由于转子为永久磁钢。永磁式步进电动机断电时有定位转矩，消耗功率较小。但是这种步进电动机步距角较大，启动和运行频率低，并需要正、负脉冲供电。5.裕量角越大，步进电动机运行越稳定。启动转矩：6.对步进电动机驱动电路有如下要求：能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形；‚具有供截止时间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电动势，加快电流衰减；ƒ功耗尽量低，效率要高。细分电路亦称微步驱动。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。细分电路既提高了步进电动机的分辨率，又能够平滑步进运动，减弱甚至消除震荡。7.脉冲分配器是步进电动机数控系统的重要组成部分。它的作用是把输入脉冲按一定的逻辑关系转换为合适的脉冲序列，然后通过驱动器加到步进电动的相绕组上，使步进电动按一定的方式工作。8.DDA法：就是采用数字量表达加速度，速度及位置坐标；‚将加速度到速度和速度到位置的积分表达式，采用求和的方法进行近似数值积分；ƒ从而产生增量式运动控制指令；④驱动步进电机实现要求运动。第六章闭环伺服系统1.原理：闭环伺服系统是反馈控制系统，也是有控制器，受控对象，反馈测量装置以及比较器等部分组成。控制器是按预定的控制规律调节能量的输入，以使系统产生所希望的输出。受控对象一般是指及其的运动部分，有时还包括功率放大器，执行机构，减速器，以及内反馈回路。反馈装置通常是位置传感器测量单元。半闭环伺服系统是间接测量系统；全闭环伺服系统是指直接测量系统。闭环伺服系统：模拟式伺服系统{从模拟电压为位置指令}{以给定位移为位置指令，输出也是位移的伺服系统，叫位置随动系统}参考脉冲系统：它能够直接接收计算机生成的数字脉冲信号作为参考输入，并由参考输入脉冲和反馈信号脉冲之间的频率或相位之差形成误差，因此被称为输入脉冲伺服系统。2.系统的数学模型是表达系统的输入和输出的数学关系。整个系统分为三个环：电流环，速度环及位置环。3.电流环以直流电动机的电枢电流为反馈量，速度环以电机轴的转速为反馈量，位置反馈以电机的转角为反馈量。4.开环传递函数标准形式：5.静态性能又称为稳态误差，误差定义为期望输出与实际输出之差。①输入参考指令为单位阶跃②输入参考指令为斜坡指令，当取值800~1600，则称该系统为硬伺服。当取值为8~50，则称该系统为软伺服。在伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益为系统增益的2~4倍，但它的开环增益高达80~1000.伺服刚度定义为输出轴的单位位置误差所能承受的负载转矩。6.○1eq\o\ac(○,1)动态性能自然频率：○2eq\o\ac(○,2)标准的二阶系统传递函数：○3eq\o\ac(○,3)调整时间：○4eq\o\ac(○,4)超调量：○5eq\o\ac(○,5)自然频率：○6eq\o\ac(○,6)位置环的开环传递函数：○7eq\o\ac(○,7)相位裕量：○8eq\o\ac(○,8)剪切频率：7.数字PID控制算法：P的作用是增加开环增益，降低系统稳态误差，增加系统通频带，但是会使系统变得不稳定。I的作用是使系统增加一阶纯积分，从而提高系统的一个无静差度，但是使系统相位裕量减小，稳定性变差。D的作用是给系统提供阻尼，增加稳定性，但同时增加了高频增益，使系统中的高频噪声放大，影响系统正常工作。采样周期选择：准则一：若考虑对系统响应速度的影响，选择采样周期一条良好的法则是：采样周期应小于或等于系统的最小时间常数。准则二：若考虑系统的抑制干扰能力，选择采样周期的另一条法则是：采样频率应为闭环系统通频带的十倍以上。准则三：实时算法程序所花费的时间总和最好小于采样的十分之一。第七章数控机器运动控制指令生成1.按照所要完成的制造任务不同，机器运动控制分为两大类：点位控制和连续路径控制。点位控制是在容许加速度和速度的条件下，尽可能地由源坐标位置运动到目的坐标位置，而对于两点之间的轨迹是没有精度要求的。连续路径控制包括直线运动控制和曲线运动控制。这类运动控制对于轨迹上的每一点都具有一定的精度要求，不仅要求路径连续，而且要求速度连续。2.自动导引车一般具有2个运动自由度。3.点位控制的功能，是将工具或零件由源点运动到规定的目标点，以便在该点进行加工作业。4.为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的位置和速度，使得它们同时协调到达目标点。这样的运动控制称为连续路径控制。5.连续路径控制又称为轮廓控制或仿形控制。它包括直线运动控制或者曲线运动控制。6.连续路径控制系统不仅控制目标点，而且控制工具到达这些目标点的整个路径，以保证在整个加工过程，工具始终接触工件并制造出希望的形状。7.机器人按照制造水平可以分为不同的类型：第一类称为点位控制机器人，通常用于物料搬运作业；第二类叫做连续路径控制机器人，主要用于喷漆和弧焊。这类机器人的特征是，预先由人工将机械手沿着期望轨迹移动并记录整个运动，所获得完整轨迹按照时间顺序点列储存在计算机中，然后再回放出来控制机器人运动。第三类是代表最高运动控制水平的所谓的控制路径机器人。通用机器人都属于这一类。8.轨迹和路径，严格地说是有区别的。路径只代表与轨迹有关的位置信息。9.在一些定位精度或动态响应要求比较高的觉得一体化产品中，广泛使用数字式交流伺服系统。这种伺服系统的驱动器对电动机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电动机之间构成位置和速度的闭环控制系统，位置分辨率高，可靠性好。10.插补的概念：已知运动轨迹的起点和终点坐标以及轨迹的曲线方程，由计算机