机电一体化知识点.docx

1、机电一体化知识点一、机电一体化起源与定义： 在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。 典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、工程机械、汽车、智能化仪器仪表、CADCAM系统等。P26间隙的影响三、机电一体化的目的（功能）使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠性化、省材料化、省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活和生产的多样化需要和生产的省力化、自动化需要。四、 机电一体化发展概况“萌芽阶

2、段”“蓬勃发展阶段”“智能化阶段”1 智能化、2 模块化、3 网络化、4 微型化、5、绿色化、6、人格化五、机电一体化系统的构成1、执行元件（主功能）实现机电一体化系统主功能。主功能是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。 主功能包括三个目的功能：（1）变换（加工、处理）功能； （2）传递（移动、输送）功能； （3）储存（保存、存储、记录）功能2、机械本体（构造功能）机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。3、动力源(动力功能)是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求，为系统提供能量

3、和动力，使系统正常运行。4、传感检测单元（计测功能）对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测。要求：体积小、精度高、抗干扰5、控制与信息处理单元（控制功能）将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。要求：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

4、功能有两种，一种是输入/输出；另一种是变换、调整。执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能 量检测参数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。如：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

5、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

6、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

7、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

8、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： 传动效率高（0.90.95）；传动精度高；摩擦小、不易磨损，寿命长；运动的可逆性；结构复杂，工艺性差，成本高。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)；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螺纹滚道的截面形状、 滚珠的循环方式和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）、

9、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）双推一双推式结构：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。特点：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）双推简支式结构：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

10、的影响。特点：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。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）

11、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。 谐波齿轮传动优点：传动比大（单级传动比可达60250）；承载能力强；传动

12、精度高、回程误差小；传动效率高；体积小，重量轻；噪声低传动平稳；结构简单。缺点： 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1、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

13、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。（2）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

14、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

15、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)3、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

16、（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）。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

17、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 UN U U n ， n0 调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。（2）调阻调速工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变；调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。（3）调磁调速工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。 调磁调

18、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（3）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

19、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、系统调试机械部分接口部分微计算机部分PPI接口接口传感器负载CPURAM图 可编程通用接口电路 输出端口

20、输入端口存储器种类 1、RAM 2、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/

21、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。数字量控制数字量传感器光电隔离模拟量检测模拟量传感器开关量检测开关量传感器光电隔离步进电机继电器光电隔离伺服驱动控制DC、DA伺服驱动电机I/O扩展开关量控制单片机EPROMRAMI/OI/OI/O显示器键盘通用外部设备程序存储 器数据存储 器