机电一体化知识点教学内容Word文档下载推荐.docx
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高可靠性、处理速度快、智能化
6、接口
将各组成单元或子系统连接成一有机的整体。
各要素或子系统之间能顺利进行物质、能量和信息的传递和交换。
接口包括:
电气接口—实现系统间电信号的连接。
机械接口—完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接。
人机接口—提供人与系统间的交互界面。
广义的接口功能有两种,一种是输入/输出;
另一种是变换、调整。
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1、机电一体化机械系统的特殊要求(机械功能)
(1)较高的定位精度
(2)良好的动态响应特性—响应快、稳定性好。
(3)无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。
(4)高的谐振频率、合理的阻尼比。
2、主要措施和手段
(1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。
如:
滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。
(2)缩短传动链,提高传动与支承刚度。
大扭矩、宽调速的伺服电动机;
轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。
(3)选择合理(最佳)传动比,提高系统分辨率,减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量,尽可能的提高系统的加速能力。
(4)尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形,最终缩小反向死区误差。
(5)改进和合理设计支承件和机架结构,提高刚度、减少振动和噪音。
(一)机械系统组成及功能
1、传动结构:
主要功能是传递能量和运动,是一种力、速度变换器。
2、导向机构:
支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动,为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。
3、支承件:
机座或机架是支承其他零部件的基础部件。
它既承受其它零部件的重量和工作载荷,又起保证零件相对位置的基准作用。
三者功能总结:
实现传递运动和动力,支撑和导向,联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。
(二)常见的机械传动装置及功能
1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速;
2、它的实质是一种转矩、转速变换器;
3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
4、对传动件的要求:
间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。
(三)丝杠螺母机构基本传动形式
滑动丝杠螺母机构:
结构简单、加工方便、成本低,且有自锁功能,但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。
滚动丝杠螺母机构:
结构复杂、成本高、无自锁功能,但摩擦阻力小、传动效率高(92%~98%)、传动精度高。
1)滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件:
应有足够的滑移间隙和充分地润滑,热胀冷缩补偿空间;
因而,存在一定的空回间隙。
2)滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件:
应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力,可实现无间隙工作;
因而,存在一定的表面应力;
为了实现连续运转,需一滚珠的回珠装置(内或外)。
丝杠螺母传动的类型与特点
1)螺母固定、丝杆转动并移动2)丝杆转动、螺母移动3)螺母转动、丝杆移动
4)丝杆固定、螺母转动并移动5)差动传动方式
(四)、滚动螺旋传动
1、滚珠丝杠副的组成及特点P48
(1)、滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构,其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠,当螺杆或螺母传动时,滚动沿螺纹滚道滚动,使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦,提高了传动效率和传动精度。
(2)、滚珠丝杠结构组成
1-反向器2-螺母3-丝杠4-滚珠
(3)、滚珠丝杠的特点
优点:
①传动效率高(0.9~0.95);
②传动精度高;
③摩擦小、不易磨损,寿命长;
④运动的可逆性;
⑤结构复杂,工艺性差,成本高。
⑥轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙);
⑦运动平稳。
缺点:
成本高,不能自锁,传动可逆,在用作升降传动机构时,需要采取制动措施。
2、滚珠丝杠副的典型结构类型
滚珠丝杠副的结构类型可以从滚珠丝杠副的结构类型可以从①螺纹滚道的截面形状、②滚珠的循环方式和③消除轴向间隙的调整方法进行区别。
预紧方式
1)、单螺母变位导程预紧和单螺母滚珠过盈预紧式
2)、单螺母增大钢球直径预紧
3)、双螺母垫片预紧
4)、双螺母螺纹预紧调整式
5)、双螺母齿差预紧调整式
6)、弹簧式自动调整预紧式
滚珠丝杠副支承方式的选择
1)单推——单推式
结构:
止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。
特点:
轴向刚度较高,预拉伸安装时,预紧力较大;
轴承寿命比双推一双推式低;
2)双推一双推式
两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合,并施加预紧力,其轴向刚度最高。
该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。
但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大,易造成两端支承的预紧力不对称。
3)双推——简支式
一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合,另一端仅安装深沟球轴承,其轴向刚度较低,使用时应注意减少丝杠热变形的影响。
双推端可预拉伸安装,预紧力小,轴承寿命较高,适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。
4)双推——自由式
结构与特点:
一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合,另一端悬空呈自由状态,故轴向刚度和承载能力低,多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。
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在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。
得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配
传动链的级数和各级传动比的分配
【等效转动惯量最小原则
1)小功率传动装置
各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则
2)大功率传动装置
传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。
【质量最小原则
1)小功率传动装置
2)大功率传动装置
各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。
【输出轴转角误差最小原则
各级传动比应按“先小后大”原则分配
(1)对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计。
(2)对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。
(3)对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计。
谐波齿轮传动
①传动比大(单级传动比可达60~250);
②承载能力强;
③传动精度高、回程误差小;
④传动效率高;
⑤体积小,重量轻;
⑥噪声低传动平稳;
⑦结构简单。
对材料、加工、热处理要求把高,散热条件差,转动惯量大。
齿轮传动间隙的消除措施
1、圆柱齿轮传动
(a)偏心轴套调整法
(b)轴向垫片调整法(锥度齿轮调整法)
(c)双片薄齿轮错齿调整法周向弹簧式(不用于功率驱动)周向可调拉簧式
2、斜齿轮传动齿侧隙的消除方法
(a)垫片调整法
(b)轴向压簧调整法
3、锥齿轮传动
(a)轴向压簧调整法
(b)轴向弹簧调整法
一、伺服系统的基本概念及一般组成
(一)伺服系统定义
伺服系统:
以机械参数(位移、速度、加速度、力和力矩等)作为被控制量的一种自动控制系统。
它在控制命令的指挥下,控制执行元件工作,使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动,并具有良好的动态性能,实现机电一体化的驱动(操作)功能。
(二)一般组成
二、伺服系统的分类
1、按其控制原理——开环、全闭环和半闭环;
2、按其驱动方式
——电气伺服、气压伺服、液压伺服
3、按其被测控量的性质
——速度、位置、同步、扭矩控制等形式;
4、按其执行元件
——步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。
应用提示:
开环系统的执行元件大多采用步进电机、闭环和半闭环伺服系统的执行元件大多采用直流伺服电机
三、机电一体化系统对其伺服系统的要求
1)快速性:
2)精确性:
3)稳定性:
P67步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的直线位移(或角位移)的数字/模拟变换器
一、步进电机的特点
1、输出转角与输入脉冲严格成正比,且在方向上与输入脉冲同步。
每输入一个电脉冲,电机就转动一个角度(步距角),当连续不断地输入脉冲,就一步一步不断转动。
若控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序可以控制电机转角、转速与转向(很容易用微机实现数字控制)。
2、输出转角的精度高,虽有(相邻)步距角误差,但无累积误差,有步距角误差,但转子转速转过一转以后,其(一转内)累积误差为“0”,不会长期积累。
3、可实现平滑无级调速。
调速范围较宽。
4、步进电机的工作状态不易受各种干扰因素影响(如电压波动,负载变化,环境误差的影响),只要干扰因素不引起“丢步”,就不影响正常工作。
5、其它:
启停时间短,一般在信号输入几毫秒后就使电动机达到同步转速,信号切断后电机立即停止转动。
二、步进电机的种类
(一)按运动形式:
有旋转式和直线步进电机;
(二)从励磁相数分有(3、4、5、6相等)。
(三)就常用的旋转式步进电机的转子结构来说可分为三种:
1、反应式(可变磁阻型)
2、永磁式(PM)
3、混合式(HB)
三、步进电机工作原理P70
步距角
步距角越小,分辨力越高
步进电动机驱动系统原理示意图
(一)步进电机的环形分配器P70
(二)功率放大器
作用和定义:
从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般比较小(只有几个毫安),不能直接驱动电动机,必须采用功率放大器将脉冲信号放大,使其增大到能够驱动电动机运行(几至几十安培)。
这种装置称为功率放大器
1、步进电机对放大器要求
①为步进电机绕组提供幅值足够,波形良好的脉冲电流(电流波形尽量接近矩形)。
②功耗低,效率高。
2、常见的驱动电路P76
(1)单电压驱动电路
(2)双电压驱动电路
(3)恒流源功率放大电路
(4)斩波恒流功率放大电路
(5)调频调压功放电路
直流伺服电动机种类与典型特点
种类:
直流电动机有永磁式、它激式、串激式和并激式几种。
永磁式和它激式直流电动机具有线性的机械特性,有良好的起动、制动和调速性能,特别适合伺服驱动。
直流电动机伺服驱动系统组成:
包括直流电动机、位置或速度反馈装置、直流电源及控制驱动电路等几大部分。
此处只对直流电动机的机械特性和动特性进行分析,以掌握直流电动机伺服驱动的原理及特点,以便在选择驱动类型时做出决策
直流伺服电动机的调速公式:
(1)调压调速
工作条件:
保持励磁=N;
保持电阻R=Ra
调节过程:
改变电压UNU
Un,n0
调速特性:
转速下降,机械特性曲线平行下移。
(2)调阻调速
保持电压U=UN;
增加电阻RaR
Rn,n0不变;
转速下降,机械特性曲线变软。
(3)
调磁调速
保持电阻R=Ra;
减小励磁N
n,n0
转速上升,机械特性曲线变软。
调磁调速特性曲线
改变电阻只能有级调速;
减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大
自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
微机控制系统的设计思路
(一)首先确定系统整体控制方案
1、确定控制方式
2、执行元件类型
3、考虑特殊控制要求(如高精度、高可靠性、快速性)
4、微机控制系统的作用(输入/输出or变换/调整)
5、成本
(二)确定控制算法
1、数学模型:
2、常见的控制方法:
如:
机床中:
逐点比较法和数字积分法
直接数值控制法中的PID调节控制
位置数字伺服系统中实现最少拍控制阀
(三)选择微型计算机
1、从控制角度出发
(1)较完善的中断系统(实时控制:
正常、故障);
(2)足够的存储容量(内部资源不够,可扩展);
(3)完善的输入/输出通道和实时时钟;
2、其他要求(从被控对象角度出发)
(1)字长;
(2)速度;
(3)指令。
(四)系统总体设计
1、接口设计
扩展接口常用的几种方法:
(1)选用功能接口板
(2)选用通用接口电路(3)用集成电路自行设计接口电路
2、通道设计
开关量、数字量、模拟量
3、操作控制台设计(原因、功能)。
(五)软件设计
1、软件的分类(系统软件和应用软件)2、控制系统对应用软件的要求3、应用软件的设计方法
(六)系统调试
1、调试步骤2、硬件调试与软件调试3、系统调试
存储器种类1、RAM2、ROM
输入/输出接口
标准接口芯片
(1)接口硬件电路的组成
地址译码器
I/O读写译码器
I/O接口芯片(如数据缓冲器和数据锁存器)
(2)I/O扩展常用的两类接口芯片
★采用TTL或CMOS工艺的数据缓冲器和数据锁存器(常用方法)
★采用可编程的通用I/O接口芯片(如Intel的8255、8251、8243;
ZILOG的Z80PIO)
此处仅以最常用的PPI8255为例进行介绍。
I/O端口的扩展
(1)原因:
由于单片机自身单纯供用户使用的I/O线不多(P1与P3),需通信的外部设备多,因此往往需要扩展。
(2)扩展芯片
供作扩展I/O的芯片主要有:
通信的I/O接口芯片,TTL电路芯片,CMOS类的锁存器、缓冲器。
3)扩展方法:
总线扩展法:
把扩展的I/O口引脚直接与单片机的总线相连。
片选信号与片外RAM统一编址。
串口扩展法:
单片机串行口工作于方式0状态下提供给I/O扩展功能,把单片机串行口输入/输出的8位数据,转换为与CPU并行输入/输出。
从整体结构形式上可将机器人分为五种基本坐标式机器人
(1)直角坐标式
(2)圆柱坐标式机器人(3)球坐标式机器人(4)关节坐标式机器人(5)平面关节式机器人
工业机器人机械结构构成
(一)手臂
(二)手腕(三)手部(四)机身及行走机构
在机电一体化系统稳态设计的负载分析中,常见的典型负载形式有:
惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载等
P26,p56
提高轴系性能的措施
1、提高轴系的旋转精度
(1)轴向跳动的引起因素
(2)径向跳动的引起因素
(3)提高旋转精度的措施(3点)
2、提高轴系组件的抗振性
(1)强迫振动与自激振动的引起因素
(2)提高抗振性的措施(3)点
3、其他方法
如减小热变形等。