机电一体化复习.docx

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机电一体化复习

第一、二章

1.机电一体化技术：

是微电子技术、PC技术、信息技术与机械技术相结合的综合型技术，是机械技术与电子技术的有机结合，。

核心：

机械技术和电子技术

机电一体化产品：

是新型机械与电子部件特别是微处理器相结合而开发出来的新一代电子化机械产品。

发展水平：

功能附加型、功能替代型、机电融合型

应用范围：

民用~，产业~，办公~

2.机电一体化系统的结构要素：

①机械本体：

提供安装场所。

要求：

机械结构、材料、加工工艺及几何尺寸

②检测传感部分：

对系统运行中所需要的本身和外界环境参数及状态进行检测并变成可识别的信号，传输到信息处理单元，经过分析和处理后产生相对应的控制信息，要求：

检测的精度

③执行结构：

在驱动装置下实现指定的动作，一般采用机械、电磁、电液等机构。

要求：

刚度、重量、模块化、标准化、系列化

④驱动装置：

以步进电机为主，也包括液压、气压，强调快速、灵敏和反应特性。

要求：

高效率、快速响应、适应性强

⑤控制及信息处理单元：

一般由PC、PLC、NC装置及逻辑电路，A/D、D/A转换、I/O接口和PC外设等组成。

要求：

信息处理速度和可靠性、抗干扰性、小型化、标准化。

⑥能源或动力：

按系统的要求，为系统提供能量和动力，使系统提供能量和动力，使系统正常和运行。

常用的能源有电源、液压源、气压源等。

3.机电一体化的相关技术：

机械技术、伺服技术、传感与检测技术、自动控制技术、PC与信息处理技术、系统技术

4.机电一体化的技术优势：

（1）提高精度

（2）增强功能（3）提高生产效率，降低成本（4）节约能源，降低能耗（5）提高安全性，可靠性（6）改善操作性和使用性（7）减轻劳动强度，改善劳动条件（8）简化结构，减轻重量（9）降低成本（10）增加柔性

发展趋势：

高性能化、智能化、微型化

5.机电产品设计的三种类型：

开发性设计、适应性设计、变参数设计

开发过程：

①拟定产品的设计目标，确定初步的技术规范②收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析③初步设计（总体方案设计）④初步设计方案的评审、评价（不满意进行修改）⑤确定数学模型（理论分析）⑥详细设计（虚拟样机或实验样机设计）⑦详细设计方案评审、评价（不满意修改）⑧试制样机⑨样机试验、测试

技术评价与审定（不满意修改）（11）小批量身缠（12）试错（13）正常生产，收集用户意见（14）销售，收集用户意见

6.详细设计：

①系统总体设计②业务的分组③机械本体及工具设计④控制系统的设计⑤程序设计⑥后备系统的设计⑦完成详细说明书及制造图样⑧产品出厂及使用文件的设计

7.机电一体化系统，设计指标和评价指标应包括：

系统功能、性能指标、使用条件、经济效益

8.机械技术包括：

制造工艺学、机械设计、力学、控制

机电一体化高精度的原因：

使机械传动部件减少，因而使机械磨损、配合间隙以及受力变形等所引起的误差大大减小，同时由于采用电子技术实现自动检测、控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的动态误差，从而可以达到单纯机械装备所无法达到的工作精度

9.总体方案设计的主要内容：

①总体结构方案设计②驱动方案设计③控制方案设计④人机工程设计⑤可靠性设计。

作用：

对假设的目标作大致意义上的分析

10.驱动方式：

①家用，医疗：

无污染、低噪声、体积小、重量轻，尽量选用电子能源②食品、医疗生产：

避免污染，不。

。

。

③水下设备：

密封问题：

用液压④一般工业设备：

电、气、液均可，具体情况具体分析

11.机械系统的构成：

（动力件、传动件、控制件、外围设备）

（1）传动机构：

变换和传递转速和转矩，要求：

伺服特性好，传动精度高，质量轻，高速，低噪声，高可靠性和高稳定性

（2）导向机构（支撑面和导向面不是同一个面）：

准确的导向精度、耐磨损、对热不敏感（膨胀系数小），刚度好，工艺性好，运动平稳，结构简单

（3）执行机构：

较高的系统精度，良好的重复性和可靠性，高刚度，轻重量，模块化，标准化，系列化

12.对机械系统的要求：

精密化、小型化、高速化，稳定性好，快速响应，动态响应特性好

对伺服系统的要求：

高传动精度、高响应速度、稳定性好及足够大的功率

对机械传动系统的设计：

系统设计和结构设计：

①估算载荷②选择传动比，选择伺服电动机③选择传动的机构的形式④确定传动级数，分配各级传动比⑤配置传动链，估算传动链的精度⑥传动机构结构设计⑦计算装置的刚度K和结构的固有频率wn⑧做必要的工艺分析和经济性分析

13.机电一体化系统，要求有良好的伺服特性，这就要求其中的传动与导向装置的惯量小，。

。

。

，。

。

。

K大，振动。

。

，间隙小，还要求机械部分的动态特性与伺服电机速度环的动态特性相匹配

14.联轴器：

传递转速和转矩、同时起过载保护的作用，还可以保证不同轴时的错轴，有一定的自调节特性。

。

。

分类：

弹性膜片联轴器：

用球面垫球面接触面来调节不同轴，用不同数量的弹性膜片来传递不同大小的转矩

带胀紧连接套的弹性联轴器（配合连接电机轴与丝杠轴）：

不使用键连接，内外连接套变形胀紧，不同轴靠弹性内外套变形来调节。

15减速器：

（1）作用：

降速增矩、惯量匹配、试凑脉冲当量

（2）种类：

（1）谐波齿轮减速器：

传动比大，传动精度高，传动效率高，体积小，回差小，工作噪声小，适用于减速比大，体积要求紧凑的场合。

（2）RV摆线针轮减速器：

传动刚度大，精度高，适用于重载高速，高精度的场合以及机器人和要求高的工程机械

16.同步带：

①无打滑，传动比准确②传动效率高，达0.98以上③传动平稳，能吸收振动，噪声小④使用广泛，功率几瓦到几千瓦速度达50m/s，传动速比可达10⑤维护保养方便，不需要润滑

缺点：

安装要求高、中心距严格、带与带轮制造工艺复杂，成本高

17.丝杠螺母传动：

（一）形式：

①螺母固定，丝杠旋转，两端支承，刚度好②限制丝杠的移动（止推轴承），螺母移动③限制丝杠转动，只进行移动；限制螺母移动，只进行转动，单点支承刚度差，丝杠较短，多用于电动伸缩杆④螺母既旋转又移动

滑动：

功率（效率）低，能量大，易爬行，变滑动为滚动可以改善这一情况，滚珠丝杠的特点：

①传动效率高②运动具有可逆性（立起使用时需自锁或增加刹车装置）③高刚度④传动精度高⑤使用广泛

（二）a）单圆弧截面滚道：

α一般为45°，接触点处存在弹性变形，存在反向间隙

b）双圆弧截面滚道：

润滑好，但不易加工

循环形式：

（1）内循环：

体积小，无噪音，但导向槽加工精度要求高，且装配时要保证相切（相邻两轨道在圆周方向的四个孔布置四个导向器，不改变落幕的外观，但制造安装精度要求高）

（2）外循环：

螺母上开滚珠的回程滚道，螺母体积变大，滚珠有一段脱离了丝杠，噪音大，不平稳，很难保证相切，易卡珠，但制造、安装成本低，还可避免导向器的磨损：

①螺旋式②插管式③矩形格式，滚珠一般2.5~3.5排，且不超过150个。

（三）①公称直径d0：

通过滚珠中心的包络圆柱的直径②基本导程l0：

伺服特性，传动精度高，则要求l0小③行程l：

一般小于4m

（四）支承方式：

①一端固定，一段自由：

唯一可垂直安装的四个那个，要加预紧装置，向心球轴承，止推球轴承，刚度差，螺母形成范围内刚度点点变化，行程短但结构简单。

②一端固定，一端游动：

要求螺母和两端同轴，但游动端可自适应丝杠的热胀冷缩，可应用于较长的丝杠

③两端固定：

应用最多，刚度最好，需预紧（中间有挠性）（轴向需预拉伸）

（五）轴承：

①径向有约束而轴向无约束：

深沟球、圆柱滚子②均有约束：

双向推力球与深沟球组合，角接触球，圆锥滚子

（六）垫片式、螺纹式、齿差式（可以计算F0的大小）

18.传动方式的选择：

为保证精度和稳定性，是系统刚度越大越好，惯性越小越好：

①滚珠丝杠②齿轮齿条③涡轮蜗杆

直连：

大惯量、宽调速、大功率

减速器：

小功率，大转矩，调速范围窄

19.传动比分配：

（1）最小惯量原则：

①小功率：

前大后小②大功率：

前小后答

（2）质量最小原则：

①小功率：

全部相等②大功率：

前大后小

（3）输出轴转角误差最小原则：

传动比前小后大，且末端两级传动比应尽量大，齿轮副精度应提高。

减少齿轮的固有误差，安装误差，回转误差对输出轴精度的影响

20.动力计算：

①折算负载力矩②折算Je③电动机转速计算④电动机功率计算⑤电动机的选择

21.低速爬行：

①传动件的刚度不够大②动摩擦力静摩擦力相差大

改善：

①提高传动件的刚度②改善导轨表面的摩擦特性，使动静摩擦力相差不大（滚动导轨、静压导轨、贴塑导轨、卸荷导轨）

22.各影响机械系统的参数及如何影响：

（1）惯量：

①惯量大，使得机械负载增加，能耗增加②使系统响应速度变慢，稳定性下降，伺服特性变差③使稳定性和系统固有频率降低，容易产生谐振④使电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增加

（2）刚度：

随着系统刚度的增加，①失动量变小②固有频率增加，超出系统的频宽不易产生共振③可增加闭环系统的稳定性和抗扰动性，但是如果高度的增加伴随着惯量的增加，摩擦和成本都会增加，综合考量，选择多个方案进行比较，进行优化设计

（3）摩擦：

影响传动机构的传动精度和运动平稳性。

机械传动部件的摩擦特性应为：

动摩擦力应为尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，降低精度，减少寿命

（4）谐振频率：

在固有频率wn处会谐振（共振），影像系统的正常工作

机械部件的wn必须大于电气驱动部件的wn

（5）机械系统误差：

传动误差

回程误差：

间隙

减小传动误差：

①提高零部件的制造精度和装配精度

②合理设计传动形式、传动级数、传动比

③合理布置传动链：

传动精度地的传动链应置于后端

④采用消隙机构：

螺旋传动消隙、弹簧加载消隙、轴套消隙、锥度齿轮消隙、斜齿轮消隙、双齿轮错齿消隙

丝杠螺母消隙：

垫片式、螺纹式、齿差式

直齿轮：

偏心轴套消隙法、双齿轮错齿式消隙法

斜齿：

垫片消隙法，蝶型弹簧消隙法

锥齿：

垫片消隙法、压力弹簧消隙法

第三章

1.计算机控制系统的组成：

外设：

提供与外界交互的信息，主机：

3.5V以下，几毫安，减速器：

物理参数的输入输出，

工业I/O口：

①信号的变换②电压电流的变换，控制现场设备，用它来适应各种工业现场设备

工业现场设备：

如，机床、流水线、传输机、挖掘机、执行设备：

电气，液压，气压

主要分为3部分：

PC、人机交互的外设、与工业现场设备之间的变换接口和传感器

2.微型PC在机电一体化中的作用：

①对机械工业生产过程的直接控制②对机械生产过程的监控和控制③对机械生产过程参数的自动检测④对生产过程进行调度和管理⑤形成智能性的机电一体化产品

3.工控机与信息处理机的区别：

实时性，高可靠性，丰富的输入输出功能，环境适应性强，技术综合性强，丰富的应用软件

4.机电一体化系统对控制计算机的要求：

（1）接口功能及可扩展性

（2）数据处理精度（可处理字长）（3）运算速度（4）电磁兼容性和可靠性

5.常用工控机：

（一）PLC：

由CPU、存储器、I/O设备、编程设备和电源组成，本身为一台PC，与外界有输入输出交互能力

特点：

①高可靠性，抗干扰能力强②通用性强，使用方便③程序设计简单④采用模块化结构，系统组成灵活方便⑤系统设计周期短⑥安装简单，调试方便⑦对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产

小型：

256点一下，中型：

256~1024点，大型：

1024点以上

应用：

①开关逻辑控制②模拟量控制③闭环控制④定时控制⑤技术控制⑥顺序控制⑦数据与处理⑧联网与通讯

（二）单片机：

将计算机的CPU、RAM、ROM、CTR/TMR和多种I/O接口集成于一片芯片上，构成芯片级PC。

特点：

①优异的性价比②集成度高，体积小，可靠性高③具有专用性④低电压、低功耗。

无I/O扩展的最小系统很少应用，一般在其基础上，通过I/O扩展成应用系统，32位的为顶级单片机。

其中：

光耦：

开关量（数字量）检测的I/O口，A/D：

模拟量输入并运算，D/A:

控制伺服系统，EPROM：

电可编程只读存储器

（三）DSP：

运算量大，快速、高速运算，复杂算法，要求快速信号实时处理的场合，常作为辅助芯片，为主控附属装置

特点：

①允许程序在程序存储器和数据存储器之间传输②高度的操作“并行性”③支持流水处理④片内有专门的硬件乘法器和高性能的运算器和累加器⑤DMA总线及其控制器：

高速的并行数据传送⑥丰富的片内存储硬件和灵活的存储方式⑦集成度高⑧接口能力强适用于机电系统的伺服控制

6.典型工业控制系统由：

工控机、I/O接口模块、通信接口模块、和信息调理模块组成

工控机：

结构上与个人PC类似，但所有总线均接在一条总线上，所用部件通过总线连接，总线运行速度用无缘底板机箱加固，可适应各种场合，总线作于无源底板上，成本高。

（1）ISA总线：

16位

（2）PCI总线：

32位，可扩展为64位

（3）PC10-4总线：

①小尺寸、体积小②模块化设计、层叠封装，针孔方式连接，稳定可靠，可用于军用设备③减小总线驱动器，功耗小

（4）STD总线：

8或16位，成为小插件板系统的标准总线。

特点：

①小板结构，高度的模块化②严格的标准化，广泛的兼容性③无源底板为总线接口，面向I/O设计，适合工业控制应用④可靠性高

工作模式：

①独立工作模式②作为其他PC机的前端控制机③构成分布式组合

7.控制系统的选用：

（1）单片机和DSP：

大批量生产成本低，用户需个人设计软硬件，开发周期长，通用性差，用于简单的逻辑控制或模拟量控制，用于智能仪表，单机简单控制中，硬件制作量大，可靠性差，抗干扰性差，需专门设计防护隔离电路

（2）PC扩展系统：

软件资源丰富，较为灵活，但环境适应性差，一般用于实验室环境

（3）STD总线PC控制系统：

可靠性高，通用型号，在恶劣的工作环境中使用，模块小板化设计，灵活性高，互换性好，抗干扰能力强，机械强度高，一般用于工业现场控制

（4）工业PC：

模块化设计，可靠性高，用于恶劣的工业环境中，用于较大规模的工业现场控制

（5）PLC：

首选应用于工业环境，为工业现场而设计，高可靠性结构小巧，适应性强，功能强，以逻辑控制为主，可实现。

。

。

8.工业PC与个人PC的特点：

（1）个人PC无A、D量I/O接口功能不可直接用于工业现场环境，提供的功能在工业现场环境中更无法直接使用

（2）个人PC工业现场环境适应性查，而工业PC则相反

（3）个P使用有源底板，底板坏了，则整个报废，功率损耗大，工P使用无源底板，模块化设计，灵活性强

（4）个人PC扩展插槽少，而工P采用总线结构，为用户提供了足够多的扩展插槽

9.机电一体化系统的两大部分

（1）以PC机为核心的电力电子系统：

用于信息的获取及处理和功率的放大

（2）机械系统：

运动及能量的变换（物理变换），完成机械的3大类动力学任务

PC，机械系统，电力电子系统，三者之间的各种物理量与信息的转换利用借口来实现，如：

插头、插座、导线的两端

PC与人：

人机接口

PC与机械设备：

机电接口

人机接口：

分类：

①输入接口：

开关、BCD，二十进制码拨盘，键盘

②输出接口：

状态灯，LED，LCD显示屏，扬声器

上拉电阻：

高电平

①输入：

开关输入接口：

将物理状态（开关量）变为电信号，由于机械开关在启闭瞬间有5~10ms的抖动，消抖电路：

软件、硬件。

消抖电路用触发器或者74LS121，延时10ms再测，两次状态相同则触发

光耦：

实现控制系统和输出之间的隔离，防止误触发，还可以控制电磁阀，用作电平转换

第四章

1.为检测转向，一般用两个光敏元件A、B，相距1/4节距，因此，A、B输出正弦波在相位上相差90°，用检测相位差的方法辨别方向，有些脉冲编码器有C相（基准相）用于检测整圆和计数。

C相作用：

①用于给定螺纹加工的起始点（同步位、启停位）②机械手换刀的位置给定

2.正反转：

决定计数器是加计数还是减计数，并用两计数器级联来扩大计数范围。

需读数时，发出命令与地址：

输出经过LSxx锁存器，输入经过LS273锁存器，用于提高总线利用率，与CPU之间的缓冲，先将数据置于锁存器，腾出总线

3.安装方法：

（1）内装：

直接与电机装在一起，装于电机尾部，

，需加大联轴器的精度，装配的精度

（2）外装：

码盘装于与电机轴相连轴的另一端，外装占空间大，内装因无法检测变形，对机械系统刚度要求高，需加大刚度；外装则不必过分强调机械因素，传感器检测误差，进而进行控制，但需独立购买传感器，成本高，体积大，因为外装式包含的进给链误差比前者多，因此，在半闭环伺服系统中，外装式的位置控制精度高于内装式

4.直接测量：

①通过在执行机构末端安装传感器，直接测量输出物理量②测量精度取决于传感器的精度和信号采样进度，不受传动机构精度的影响。

③传动机构的误差可通过控制得到补偿④对传感器的精度要求高，成本较高⑤传感器的选择需要受安装几何条件和环境条件的限制，需要加以保护

5.间接测量：

通过在输出物理量相关的部件上安装传感器，测量得到与输出物理量相关的信息，然后通过计算得到输出物理量；

特点：

①测量精度不但取决于传感器的精度和信号的采样精度，还要受到传动机构精度的影响。

②半闭环之外的传动机构的误差无法得到控制补偿③对传感器的精度要求低，成本较低④传感器安装方便，环境适应性好

6.施密特电路的用途是：

整形：

将不好的矩形波，变为较好的矩形波；

波形转换：

将三角波、正弦波和其它波形转换为矩形波；转换后的输出波形与输入波形相同；

幅度鉴别：

可以将输入信号中的幅度大于某一数值得信号检测出来。

7.传感器的选择

（1）测转角

（2）测线位移

（3）测速度

8.机电一体化计算题

（1）

解：

（1）高速端间接测量

通过对伺服电机转角的测量实现对工作台位移的间接测量。

设传感器的脉冲数为

，则每个脉冲对应的位移（脉冲当量

）为

可以推出

参照样本选择增量式光电编码器，没转脉冲数为100p/r。

（2）低速端间接测量

在丝杠轴上连接增量式编码器，通过对丝杠转角的测量实现对工作台位移的间接测量。

可以推出

参照样本选择增量式光电编码器，没转脉冲数为100p/r。

（3）低速端直接测量

低速端直接测量采用直线式传感器直接测量工作台的位移。

根据测量精度的要求，可以选择分辨率高于0.005mm的直线式光栅尺或者感应同步器作为测量元件。

设传感器的线性度为

直线位移测量对传感器的线性度要求很高。

根据前文的分析结果可知，两种间接测量方案对传感器精度要求较低，而直接测量方法传感器的精度要求较高

方法

（1）的传感器安装在电动机轴上，安装方便，对传感器的精度要求也低；其缺点是，齿轮机构和丝杠螺母副均在闭环之外，他们的传动误差得不到补偿，因此要求传动机构具有较高的精度，一般要采取消隙机构

方法

（2）的传感器装在丝杠轴上，安装也比较方便，对传感器的精度要求较低，齿轮机构包含在闭环之内，它的传动误差可以通过闭环控制得到补偿；丝杠螺母机构虽然在闭环之外，但是如果采用滚珠丝杠，传动精度可以很高，是比较常用的方法

方法（3）的传感器装在工作台上，直接测量工作台的位移，测量精度不受传动机构误差的影响；但对于高精度系统对传感器的精度要求较高，安装也不方便，不适用于较大行程工作台位移的测量。

9.机电一体化计算题

（2）

解：

要达到测速要求，必须保证每个采样周期的脉冲数不小于1（每秒脉冲数不小于100），根据速度精度为1rpm的要求，设编码器的没转脉冲数为

，则有

故

①采用负载端直接测量，编码器的分辨率要大于6000。

可选择每转脉冲数为10000的光电编码器，考虑到正交编码器最高可以实现4细分，需要选用传感器的每转脉冲数为2500。

②采用高速段间接测量，编码器的分辨率为6000/50=120，同上经4细分后可以选择100脉冲的编码器。

如果减速器的精度较高，选择高速段测量方案更合理，这种方案对编码器的分辨率要求较低，成本较低；编码器直接集成在电动机的尾部，结构紧凑，工艺性好；需要传动误差小的减速器。

在选择减速器后，需要校验传感器是否满足最高转速的要求。

10.机电一体化计算题（3）

11.机电一体化计算题（4）

齿轮的转动惯量：

丝杠和工作台的转动惯量：

计算负载的总等效转动惯量：

电机的总等效惯量

图丝杠-工作台共振系统简化动力学模型

固有频率：

纵向阻尼比：