机电一体化技术复习题重点

第一章机电一体化技术是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一门新的技术学科。机电一体化技术就是利用电子、信息〔包括传感器、控制、计算机等〕技术使机械柔性化和智能化的技术。或者说：机电一体化是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。机电一体化的特点柔性化：机电一体化产品既能够像动物一样灵活动作，又能够像人类一样思考判断。智能化：利用传感器检测机械运动，将检测信息输入计算机，经过计算得到能够实现预期运动的控制信息，由此来控制执行装置，而计算依据就是利用自动控制理论来研究开发计算机软件，而不是用螺栓和螺母来重新组装机械，只是通过控制理论修改程序就可灵活地改变机械运动，实现新的功能。机电一体化的物质构成机械系统〔机构〕 能够实现某种运动的机构〔骨骼〕执行元件系统〔执行装置〕 驱动机械装置运动的局部〔肌肉〕动力系统〔动力源〕 为执行装置提供能量的局部〔内脏〕传感检测系统〔传感器〕检测机械运动〔五官〕电子信息处理系统〔控制器〕运动控制的计算和判断〔头脑〕机电一体化的学科组成机电一体化的理论根底关键技术系统论、信息论、控制论是机电一体化的理论根底。技术根底：微电子技术〔微型计算机技术〕、精密机械技术。关键技术：传感检测技术信息处理技术自动控制技术伺服驱动技术精密机械技术接口技术第二章间歇传动〔将原动机构的连续运动转化成间歇运动〕:1.棘轮传动：有噪声，磨损快；结构简单，容易制造，应用较广泛。2.槽轮传动：结构简单，转位迅速，传动效率高，转位时间与静止时间之比为定值；转位开始与终了时，产生角加速度，从而产生冲击，定位精度不够。3.蜗形凸轮传动：能够得到任意转位时间与静止时间之比，定位精度较高，有足够的刚度，转配方便；加工工作量大，本钱高。有关齿轮的几个重要概念〔1〕渐开线：将绕在圆柱上的线绳拉直展开时，线端点的轨迹称为渐开线。齿轮的齿面就是渐开线。〔2〕模数m：表示齿轮的大小和齿的肥馊。两个直径相同的齿轮，模数m不相同，那么不能啮合。模数m为“分度圆上的齿距〔周节〕除以圆周率”即m＝d/z。〔3〕中心距a：两个相互啮合齿轮的节圆〔d〕的半径之和，也可表示为：，在模数和齿数不变时可采用变位齿轮来改变中心距a。〔4〕分度圆d：d＝m×z滚珠丝杠副的特点1〕传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率η＝0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/3。2〕给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。3〕运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4〕运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。5〕磨损小，使用寿命长。6〕制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，外表粗糙度也要求高，故制造本钱高。7〕不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。单圆弧型滚珠丝杠幅存在一定的传动间隙，因此，传动精度稍差，但滚道加工容易。双圆弧型滚珠丝杠幅传动间隙相对较小，传动精度高，但滚道加工困难些。滚珠内循环方式的反向器的转动可调整滚珠的循环方向，滚珠循环回路短、流畅性好；而且螺母的径向尺寸也较小〔反向器可以做的很小〕。但反向器的加工困难，而且装配调整也比拟困难。而外循环方式中滚道循环道路长，在高频浮动中到达回珠圆弧槽进出口自动对接，通道流畅，摩擦小，更适合于高速高灵敏度高刚性的精密进给系统。带传动的类型和特点：传动方式优点缺点同步带传动传动比准确，传动效率高，能吸振，噪音低，传动平稳，能高速传动安装精度要求高，具有一定的蠕变性钢带传动钢带与带轮接触面积大，无间隙、无滑动、摩擦阻力、结构简单紧凑、运行可靠、寿命长绳轮传动结构简单、传动刚度大、本钱低、噪音低带轮较大、安装面积大、加速度不易太高带传动优点：传动带有弹性，能吸振、缓冲，传动平稳；当传动过载时，带在带轮上打滑，防止其他零件损坏，保护原动机；结构简单，本钱低；可适用于中心距较大的场合。缺点：靠摩擦传动，使传动比不准确；传动的外形尺寸较大，传动效率低；带的寿命较短；不宜用于高温，易燃及有腐蚀性的场合。导向支承部件第三章微机系统的构成和功能1〕CPU是核心部件〔已集成在一块芯片上〕，包括控制器，ALU和存放器组三局部。控制器：是整个机器的控制中心，它包括指令存放器〔IR〕，指令译码器及控制信息产生电路。ALU：专门用来处理各种数据信息，可以进行加，减，乘，除算术运算和与，或，非，异或等逻辑运算。存放器组：用于存放操作数，中间结果，地址及标志工作状态信息等。总线：内部总线是在ALU，CON，REGISTER之间传递信息的桥梁，包括DB，CB，AB。外部总线是CPU与存储器，I/O接口电路连接通道。2〕.存储器〔RAM，ROM〕是存放程序和数据的部件，又称为内存或主存。RAM(RandomAccessMemory)：可以被CPU随机地读和写，又称为读写存储器，用于装入程序，数据及局部系统信息，当机器断电后，所存储的信息消失。ROM(ReadOnlyMemory)：只能被CPU读取，而不能由CPU任意写入，机器断电后，信息并不丧失，用来存放监控程序和根本输入输出程序，还可存放各种常用数据和表格，其内容是由生产厂家或用户使用专用设备写入固化的。3〕输入/输出〔I/O〕接口电路是微型计算机与各种外部设备相连接的通道。如果将微型计算机的各种组成局部制做在一块硅片上，那么成为单片机。如果将其组成局部集中制作在一块电路板上，那么称为单板机。Z80单片机相关： 【16】外部中断 【17】非屏蔽中断，接收此中断后，转入0066H地址单元执行 【18】是CPU出于停止状态，只有中断或复位时才能恢复操作 【19】当前地址总线为有效存储器地址，允许进行存储器读、写操作【20】当前地址总线为有效I/O外设地址，允许对外设进行输入、输出操作【21】允许从存储器或I/O外设读取数据【22】允许CPU将数据写入存储器或I/O外设【25】总线悬浮请求，使CPU同总线脱离，供外部设备占用系统总线【23】总线悬浮响应，CPU响应总线悬浮请求同时发出该信号，宣布让出总线。此时内存储器与外设通过总线高速直接交换数据〔DMA方式〕【24】让CPU等待，在存储器或I/O设备来不及准备数据交换时使用【26】复位，使PC清零，单片机进入初始状态【27】系统同步控制，即及其周期信号【28】动态RAM刷新信号。低电平时，地址总线低7位A0~A6为刷新地址存储器类型、工作原理双极型RAM 以晶体管组成的触发器为根本存储电路。速度快，但集成度低，容量小，功耗大；MOS型RAM ①触发器排列成的静态RAM②动态RAM，用由氧化硅绝缘层构成的电容器作为存储单元，存储信息量比静态RAM多，但需要刷新。掩膜ROM 制造时用掩膜工艺将存储内容一起制成，以后不能变更PROM ①制成芯片后，用户能写入内容，但再也不能消去②EPROM，紫外线可擦除可编程③EEPROM，电可擦除可编程微型计算机的种类〔1〕按结构型式：单片机：微型计算机的各种组成局部制做在一块硅片上，那么成为单片机。单板机：分别将微机系统的CPU、存储器、输入输出接口制作成LSI芯片，再将这些芯片制作在一块电路板上，称为单板机。微机系统：把计算机的各种功能部件都制作成独立的印刷电路板，再将这些单板组装在一个机箱内，再配上键盘、显示器、打印机、硬盘、其他驱动器等外围设备就组成了比拟完整的计算机系统。〔2〕按微处理器的位数分类：4位〔一般制作成单片机〕、8位或16位、〔单片机或单板机〕、和32位〔64位〕等类型。〔3〕按用途分类：有控制用〔工控机〕和数据处理计算机。对单片机来说，有专用型〔专门为某一领域或特定产品设计的〕和通用型〔适用于各种领域〕。机电一体化系统I/O接口与其他微机接口的区别微机接口电路是计算机与各种外部设备相连接的通道，是介于部件与总线之间的电路，适配两者完成数据传输。根本功能有：①寻址功能②数据锁存与缓冲③时序控制④对外设的检测与控制⑤中断和DMA管理⑥信息交换。 机电一体化系统中，I/O接口实现微机与外设、执行元件、检测传感元件之间交换信息，分为机电接口和人机接口。机电接口功能：①电平转换和功率放大②抗干扰隔离③A/D、D/A转换。 人机接口功能：①机电系统向操作者显示系统的状态、参数、运行结果等②操作者向机电系统输入控制命令、干预系统的运行状态，以实现所要求的功能。PLC与通用微处理机的区别①扫描工作机制是PLC与通用微处理机的根本区别。②在理论上，微机可以编程，形成PLC的多数功能，然而通用微机不是专门为工业环境应用设计的；③微机与外部连接时．需要专门的接口电路板，而PLC带有各种I／O模块可供直接利用，且输入输出线可多至数百条；④PLC具有多种诊断能力，模块式结构，易于维修；⑤PLC可采用梯形图编程，编程语言直观简单，容易掌握；⑥虽然许多PLC能够接收模拟信号和进行简单的算术运算，但是，当数学运算复杂时，PLC是无法与通用微机相竞争。单片机的硬件结构第四章机电一体化常用的执行元件分类机电一体化执行元件的特点种类优点缺点电气式动力源容易；体积小，无污染；响应快，易与CPU连接；编程容易，操作简便瞬时输出功率大、过载能力差，易受环境信号干扰气压式气源方便，本钱低；无污染；速度快，操作比拟简单功率小，体积大，动作不平稳，定位精度差，远距离传输困难，噪音大液压式功率大，速度快，动作平稳，定位精确体积大，泄漏污染严重直流电机的特点起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等优点。由于有电刷和换向器，其寿命、噪声等方面存在缺乏。在进行位置控制和速度控制时需要使用转速传感器，实现位置、速度负反响闭环控制方式。这样的电机常称为伺服直流电机。直流电机的线性控制与PWM控制SCR线性控制：直流电动机的电枢回路等效电路图如下图。电动机电枢回路的电压平衡方程式为：U=E+IdR(1)其中：U—电动机端电压；Id—电枢电流；R—回路总电阻〔R=Ra+R1,Ra—电枢电阻，包括绕组导线电阻和碳刷接触电阻，R1—回路串接的附加电阻〕；E—电枢的反电动势；从电机学可知：E=KeФn(2)其中：Ke—电机结构决定的电势系数；Ф—励磁磁通；n—转速；由(1)(2)两式得：从该调速公式可知，要改变n，有三种方案：改变R：改变回路的总电阻R，这是最早使用的方法，但附加电阻的耗电大，而且调速范围小，不能实现无级调速。改变Ф：即减弱电动机的磁通。变速范围小，不能实现无级变速。改变电动机的端电压U调速。这种调速方式具有以下特点：①机械特性的硬度不变；②可实现无级平滑调速；③可实现额定转速以下的大范围平滑调速。要实现变电压调速，必须有可调的直流电源。目前，使用最多是可控变流装置，将交流电经可控变流装置转变为直流电，从而获得可调的直流电压。可控硅直流驱动方式的原理是通过调节触发装置控制可控硅的控制角〔控制电压的大小〕来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电机电枢电压的变化来实现平滑调速。〔2〕PWM控制不可逆PWM变换器的电路原理图及工作波形如下图。电源US由不可控整流器供电。变换器的负载为直流电动机的电枢，它可看成电阻，电感和反电动势负载，二极管VD在功率管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。在VT的栅极加脉冲电压Ug驱动，Ug频率不变宽度可调。在一个开关周期T内，当0≤t<t1时，Ug为正，VT饱和导通，US加到电动机电枢两端，Ud=Us，流过电枢的电流为id1；当t1≤t<t2时，Ug为负Ud=0，电枢电流经VD续流，电流id2。电动机电枢的平均电压为：Ud=〔τ/T〕Us=ρUs式中τ为脉冲宽度，T为开关周期，ρ=τ/T〔0≤ρ≤1〕称为脉冲宽度占空比，改变ρ即可改变加到电枢两端电压Ud，从而实现调速。交流伺服电机〔1〕交流伺服电机的结构，工作原理及种类AC电机的构造和工作原理同步电机〔SynchnonousMotor〕转子由永久磁铁构成磁极，定子与感应电机一样由铁芯线圈构成，可分为单相同步电机和三相同步电机两种。这种永磁同步电机可以做得很小，响应快，主要应用于中等功率以下的机器人和数控机床。异步〔感应〕电机〔InductionMotor〕定子和转子均由铁芯线圈构成，可分为单相或三相电机。转子铁芯用硅钢片叠压而成，由定子产生的旋转磁场带动转子旋转。由于转子的重量轻、惯性小，因此响应速度快，主要应用于中等以上功率的伺服系统。无刷直流电机〔BrushlessDCMotor〕由霍耳元件和旋转编码器等构成的位置传感器和逆变器，取代了直流电机的电刷和换向器。转子磁极采用永久磁铁，没有励磁损耗，提高了电机的效率。转子旋转时由霍耳元件控制三极管导通，按顺序反复给线圈励磁，使电机旋转。普通交流伺服电动机的优点：它不需要电刷和换向器，而不需要维护，也没有产生火花的危险；此外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。特别是无刷直流电机，继承了有刷直流电机的优良控制性能，在机电一体化中是一种最理想的电机。缺点：输出功率和转矩较小；转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也比直流伺服电动机低。还有驱动电路复杂，价格高。〔2〕交流伺服电动机调速因此，交流电动机三种调速方式：改变极对数P、调节转差率S、改变供电频率F在实际工程中，调速方法有：变极调速：变换异步电动机的绕组极数，从而改变同步转速转子串电阻调速：在转子外电路上接入可变电阻改变电动机转差率变频调速：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速调压调速：将晶闸管反、并联连接，通过调整晶闸管触发角，改变异步电动机端电压调速步进电机(SteppingMotor)步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的角度，这个角度称为步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比。步距角的计算公式为：z－转子齿数；m－运行拍数，它等于相数或相数的整数倍，即m＝KN，单拍时K＝1，双拍时，K=2。显然，齿数越多，相数越多，步距角越小，定位性能越好！〔1〕步进电机的特点：优点缺点不需要反响控制效率易与微机连接容易引起丢步停止时能保持转矩有时发生振荡现象维护方便〔2〕步进电机的工作原理与分类按产生转矩的方式，分为：PM型、VR型、HB型，按励磁相数有3相、4相、5相、6相等〔下列图中线圈绕组数即为相数〕。步进电机的结构和工作原理：永磁型〔PM－PermanentMagnet型〕：转子为圆筒形永磁钢，定子线圈中流过电流时产生磁场。定子与转子磁场间相互作用产生吸引力或推斥力使转子旋转，步距角7.5°～90°。特点：转矩小，控制精度差〔因为步距角大〕。永磁型步进电机原理图如下：可变磁阻型〔VR－Variable型〕：又称为反响式步进电机，转子由齿轮状的低碳钢构成，转子将转向使通电相定子磁场的磁阻为最小的位置，步距角为0.9°～15°，这种电机的转矩较小，控制精度较差。目前，我国使用的步进电动机多为反响式步进电动机。在反响式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小；应用：数控设备，机器人。下列图是一个轴向分相、反响式伺服步进电动机的结构原理。从左图中可以看出，步进电动机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子。右图所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片叠成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。步进电动机的工作原理现以右图所示的三相反响式步进电动机为例。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。假设A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过30°，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制绕组的通断电，转子便不停地顺时针转动。假设通电顺序改为A→C→B→A…，转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15°。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角α等于30°，三相六拍通电方式其步距角α等于15°。下面左图是典型的单定子、径向分相、反响式伺服步进电动机的结构原理图〔1-绕组2-定子铁心3-转子铁心〕。它与普通电动机一样也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图中步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。假设任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上面向转子的局部，均匀分布5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9°。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如右图，当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前〔或滞后〕转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前〔或滞后〕转子齿2/3齿距角。步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。混合型〔HB－Hybrid型〕是VR型和PM型的复合，能获得很小的步距角0.9°～15°。步距角越小，意味着它所能到达的位置精度越高。为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿。特点：步距角小，工作频率高，控制功率小；但结构复杂，本钱高。〔3〕步进电机的特性①静态特性：一相或多相绕组通直流电时的特性。主要指步进电机的矩角特性。单相通电时，假设定子齿与转子齿相对位置如下列图所示，θ表示转子齿中心线与定子齿中心线偏离的角度，称为失调角，所谓矩角特性就是指在不改变通电状态的情况下，步进电机静转矩与转子失调角的关系，矩角特性曲线为正弦曲线，θ＝0°时的转矩为0，称为平衡位置。②动态特性：①起动转矩Tq：指在规定电源条件下，从静止状态突然起动并能不失步运行所能带动的最大负载转矩。与起动频率有关。②自然振动频率f：指在无阻尼情况下，当通电状态换接后，转子围绕初始稳定平衡位置作自然振动的频率。③运行特性：Ⅰ最大静转矩Tman：矩角特性中的最大转矩值。表示步进电机承受负载的能力。Ⅱ起动频率fq：步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。失步指转子前进的步数不等于脉冲数。包括丢步和越步。Ⅲ运行频率fy：步进电机起动后，当脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。与电机的负载转矩有关。Ⅳ运行转矩Ty：电机起动后不失步运行所能够提供的最大转矩。〔4〕步进电机的驱动与微机控制驱动电路是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环供应电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。步进电机的驱动电路：①脉冲分配器：步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的功能部件称为脉冲分配器。有三种：软件法：采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环行分配，简称软环法。下表是三相六拍分配状态，电机正向运转通电顺序是：A、AB、B、BC、C、CA、A···那么通电代码就是01H、03H、02H、06H、04H、05H、01H···通过软件顺序依次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，控制读取时间间隔即可控制电机转速。软件法的优点是控制灵活，不需要再增加硬件。转向1～2通电CPCBA代码转向正转↓↓A000101H反转↑↑AB101103HB201002HBC311006HC410004HCA510105HA600101H小型IC芯片：由三个稳态触发器组成。这种方式也可搭接任意相及任意通电顺序的环形分配器，同时也不占用计算机的工作时间。采用专用的环行分配器件：例如，CH250即为一种三相步进电机专用环行脉冲分配器。管脚图及三相六拍接线图如下：②功率放大器：从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几毫安，不能直接驱动电机运行，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，到达几安或十几安培才能驱动电机运行。功率放大器的种类有：以单电压功率放大器为例：放大器的输入端与环形脉冲分配器相连，在没有脉冲输入时，功率放大器3DK4和3DD15均截止，那么A相绕组中无电流，当A相得电，电机转动一步，当脉冲依次加到A、B、C三个输入端时，就驱动电机一步一步地转动。这种放大器的特点：绕组中串联有电阻R〔为了保护线圈〕，要消耗功率；电感大，电路脉冲电流的反响慢，因此输出脉冲的波形差，输出功率低。只适用于慢速，小功率的步进电机。上下电压功率放大电路：电源U1为高电压，电源大约为80～150V，U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快到达规定值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。缺乏之处是在上下压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。斩波恒流功放电路：该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管〔达林顿管〕VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反响电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反响电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反响电压相减，来决定A1输出电平的上下，来决定Vin信号能否通过与门A2。假设Vref>Vf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，翻开功率管VT；反之，Vref<Vf时Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会屡次通断，使绕组电流在设定值上下波动。〔6〕步进电机的微机控制微机对步进电机的控制分为：串行控制和并行控制。各个脉冲信号由CPU的一个接口向环形分配器输出，方向信号和方式信号各用一个接口输出的控制方式称为串行控制。各个脉冲信号分别由CPU的多个接口向环形分配器输出〔7〕步进电动机与丝杠联接步进电动机与丝杠的联接要可靠，传动无间隙。为了便于编程和保证加工精度，一般要求纵向运动的步进当量为0.01mm，横向运动的步进当量为0.005直连式齿轮连接直连式：步进电动机与丝杠轴采用联轴套直接同轴相联，这种联接方式结构紧凑，改装方便。图中所示为：1—车床支架2—销钉3—联轴套4—步进电动机齿轮联接：在步进电动机步距角α、步进当量ι及丝杠螺距t确定后，步进电动机和丝杠的联接传动比不一定正好是1：1的关系，这时采用一对齿轮，齿轮传动比的计算可根据下面计算：例题1：将改造一台C620车床，其纵向丝杠的螺距t=1.2mm，采用110BF003型步进电动机，步距α=0.75°，系统规定的纵向步进当量ι=0.01mm，计算步进电动机与纵向丝杠之间的联接传动比。解：根据公式：可选，模数的齿轮传动副。当为小数时，那么可采用挂轮。例题2：一台反响式步进电机，通过一对减速齿轮，滚珠丝杠带开工作台，步进电机转子有24个齿，采用3相6拍通电，并设步进电机每走一步工作台移动5μm。当丝杠导程L=4mm，齿轮1的齿数z1=21时，试求齿轮2的齿数z2.解：步距角：即每接收到一个脉冲，步进电机走一个步距角，转动工作台移动4mm滚珠丝杠走一个导程〔转一圈〕，步进电机就要走步 步进电机走800步就应该转过，就是50/9圈。 得到方程式：。。。。。。悲剧鸟。。。。。。第五章检测传感器的分类开关型：传感器输入物理量到达某个值以上，其输出为“1”(ON)。模拟型：输出是与输入量变化相对应的连续变化的电量。模拟量信号的输入输出波形右图。数字型：有计数型和代码型两类。计数型又称为脉冲数字型，实际上是一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数。如检测传送带上产品的个数，或检测执行机构的位置。代码型传感器又称编码器，输入量按照某种规律变化时，输出量根据输入的变化规律，输出相应的数字代码。光电编码器〔1〕增量式光电编码器增量式编码器通过对产生的方波脉冲进行计数来检测旋转角度。将旋转角度转换为数字量的传感器称为旋转编码器。它是一种直接用数字代码表示角位移〔或线位移〕的检测器。由安装在被测轴上的带缝隙圆盘、光电器件和指示缝隙盘组成，当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测得转速为： 〔Z—圆盘上的缝隙数；t—测量时间〕光电编码器的原理图光电编码器的根本结构和工作原理光电编码器的结构示意图〔2〕绝对式光电编码器绝对式编码器的结构和工作原理如下列图所示。其码盘采用葛莱二进制码盘，将码盘在圆周方向分成假设干个圆环〔圆环数就是二进制的位数〕与位数相对刻有栅格，光敏二极管的个数也与位数对应。用光敏二极管输出的二进制就可以检测转动的绝对角度。如果用N表示码盘的码道数，即二进制的位数，那么分辨率为。绝对式编码器的结构和工作原理葛莱码盘感应同步器〔1〕结构：包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙〔0.05~0.2mm〕。〔2〕工作原理：在滑尺的绕组中，施加频率为f〔一般为2~10kHz〕的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，那么正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为：余弦绕组单独供电所产生的感应电势为：由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为：式中：K——定尺与滑尺之间的耦合系数；θ——定尺与滑尺相对位移的角度表示量〔电角度〕T——节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。光栅检测装置的结构〔1〕结构：主要结构为标尺光栅和指示光栅，栅距和栅距角〔两个光栅错开的角度〕。左图中1-防护垫2-光栅读数头3-标尺光栅4-防护罩右图中1-光源2-准直镜3-指示光栅4-光敏元件5-驱动线路光栅的结构光栅读数头〔2〕莫尔条纹的特征①莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干预作用，莫尔条纹的变化规律近似正〔余〕弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。②放大作用莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线夹角θ之间关系：由图可知W=dsinθ又θ很小可认为sinθ≈θ故W=d/θ例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100③均化栅距误差作用光栅位移-数字变换电路。莫尔条纹光纤位移传感器光线位移传感器〔FOS〕具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高，重量轻，体积小，适于遥感等。〔1〕光纤结构：〔2〕工作原理从发射光纤射出的光，经被测物外表直接或间接反射后，由接收光纤导到光敏元件上的光通量，随反射面相对光纤端面的位移x而变化。相对光强：接收到的光通量与发射光通量之比。图中曲线I具有较好的线性，因此适合于微型位移的测量。旋转变压器〔1〕旋转变压器的结构〔2〕工作原理旋转变压器〔Resolver〕简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷、集电环结构和无刷结构。单对极元件、多对极元件〔或称多极元件〕。其工作原理为电磁感应。第六章控制理论开展阶段20世纪40～50年代20世纪60～70年代20世纪80年代后理论根底经典控制理论现代控制理论智能控制理论研究对象单变量控制多变量控制多层次多变量控制分析方法传递函数、频域法状态方程、时域法智能算子、多级控制研究重点反响控制最优、随机、自适应控制大系统理论、智能控制核心装置自动调节器计算机智能机器人系统应用单机自动化机组自动化综合自动化传统控制策略〔1〕串级控制回路系统一般由多个测量值、多个调节器，或者由多个测量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等组成多个回路的控制系统。通用的多回路串级控制系统如下图，串级系统在结构上有两个〔或多个〕闭环系统：内部一个称为幅环〔幅回路〕，在控制过程中起“粗调”作用；外面的称为主环〔主回路〕，用来完成“细调”任务，最终保证被调量满足控制要求。主环和幅环都有各自的调节对象、测量变送器和调节器。串级控制系统的优点是：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。〔2〕PID控制式中：e(t)—调节器输入量，即给定量与输出量的偏差；u(t)—调节器输出函数；Kp—比例系数；τ—积分时间常数；TD—微分时间常数；在模拟调节或数字控制中应用广泛。到目前90％以上的工业控制回路仍采用PID控制算法。PID算法包含了动态控制过程中的过去、选择和将来的主要信息，而且配置几乎最优。该方法具有以下优点：〔1〕P代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反响迅速。D在信号变化时有超前控制作用，在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。I代表了过去的积累信息，它能消除静差，改善静态特性。下列图表示了PID控制器的控制作用。〔2〕PID控制适应性好，有较强的鲁棒性。对各种工业应用场合都可在不同的程度上应用。〔3〕PID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。〔4〕许多工业控制回路比拟简单，控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些1、2阶的系统，PID控制已经能够得到满意的结果。〔5〕根据不同的要求，针对PID控制自身的缺陷进行改良，形成了一系列改良PID算法。例如：为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分别离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改良的算法，在一些应用场合得到了很好的效果。在一些低阶系统中，特别是伺服系统、电气传动系统中，PID控制应用也很广泛。〔3〕解耦控制工业应用中的许多系统都是多变量系统，其中每个变量之间存在着耦合关系。在复杂的生产设备中，往往需要设置假设干个控制回路来稳定各个被控制变量。多数情况下，这几个控制回路间存在着相互关联，相互耦合，形成了多输入、多输出的相关控制系统。不能将它们当成独立的单回路系统而简单地采用单变量控制策略。解耦控制就是解决这样的控制问题的主要方法。其根本思想是，设计一个解耦补偿器来消除多变量系统中各个输入输出变量间的关联作用，使一个控制输入只对其相应的输出有影响，以把多变量系统分解成几个单变量系统，然后在每个已解耦的控制回路中，认为个控制器只对其相应的被控变量施加控制作用，从而可采用相应的单变量控制策略。〔4〕专家控制专家控制系统是由解决问题非常熟悉的人们〔专家〕的大量知识和经验，建立起来的计算机程序系统，它能进行推理和判断，模拟专家的决策过程。专家系统由特征识别与信息处理局部，推理机，知识库和控制规那么集组成。特征识别与信息处理：对输入作用，扰动作用，误差和输出作用等信息特征的提取和加工，为控制决策和学习，适应提供依据的软件。知识库：将知识表示为计算机内部形式并能进行处理的软件。控制规那么集：对受控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结的软件。推理机：用于记忆所采用的规那么和控制策略的程序。它使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作，进行推理，作出决策的软件。基于专家系统的专家控制器已成功地应用于某些控制系统中。取得了远优于PID控制器的性能。专家系统控制器结构示意图〔5〕鲁棒控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度〔或对扰动不敏感程度〕。鲁棒性是一个统称，最根本的可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者指系统在某种扰动下保持稳定性的能力，后者指保持某项品质指标的能力。鲁棒控制是20世纪70年代初针对模型的不确定性问题提出的。其根本思想是设计中设法使系统对模型的变化不敏感。即使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，且品质也保持在工程所能接受的范围内。目前，鲁棒控制的主要方法有两类：〔1〕代数方法，研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，包括多项式代数法和状态空间法。〔2〕频域方法，从系统的传递函数矩阵出发，通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的范数取极小来设计出相应的控制规律。而现代鲁棒控制采用频率方法与状态空间相结合，即直接在状态空间上进行设计，其设计过程简单，控制器阶次低，结构特性明显。〔6〕模糊控制模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运动语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制不需要建立控制对象的精确数学模型，只要求把现场操作人员的经验和数据总结成较完善的语言控制规那么，因此它能绕过对象的不精确性、不确定性、噪声以及非线性、时变性、时滞