机电一体化系统设计(最终版) PPT课件

机电一体化系统设计 农业机械化专业本科课程 授课老师 李岩舟电话 mail lyz197916 11 04 2020 电力拖动 2 机电一体化系统设计 教学目的篇章结构参考资料 11 04 2020 电力拖动 3 教学目的 本课程主要讲述机电一体化实用技术 讲述其基本理论 进行机电一体化产品系统设计的综合知识 同时介绍机电一体化技术的相关内容 各组成部分的特征和选型以及相互结合技术方法 为综合应用机电一体化各种技术奠定基础 通过课堂讲授和实验观察 使学生了解微电子技术和计算机应用技术与机械技术相结合的综合性技术 掌握机电一体化的基础知识 11 04 2020 电力拖动 4 篇章结构 第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章控制电动机及其选择计算第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例 11 04 2020 电力拖动 5 参考资料 机电一体化技术 李成华等编著 中国农业大学出版社 机电一体化系统 姜培刚等编著 机械工业出版社 机电一体化系统设计 张建民等编著 高等教育出版社 机电一体化系统设计与应用 张训文编著 北京理工大学出版社 11 04 2020 电力拖动 6 篇章结构 第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章伺服系统第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例 11 04 2020 电力拖动 7 第一章绪论 第一节机电一体化的定义第二节机电一体化系统设计的目标与方法第三节机电一体化的相关技术第四节机电一体化系统的基本功能要素第五节本课程的目的和要求 11 04 2020 电力拖动 8 11 04 2020 电力拖动 9 第一节机电一体化的定义 传统机械 主要以力学为理论基础 以经验为实践基础 现代机械 以力学 电子学 计算机学 控制论 信息论等为理论基础 以经验 机 电 计算机 传感与测试等技术为实践基础 机械 强度高 输出功率大 承载大载荷 实现微小复杂运动难 电子 可实现复杂的检测和控制 但无法实现重载运动 11 04 2020 电力拖动 10 第一节机电一体化的定义 机电一体化是在以机械 电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透 相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科 目前机电一体化的研究和开发主要包括计算机数控系统 机器人 计算机辅助设计 辅助制造系统 柔性制造系统和计算机集成制造系统等 11 04 2020 电力拖动 11 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 机电一体化产品和系统的分类按机电一体化产品和系统的用途分类 有产业机械 信息机械 民用机械等 按机械和电子的功能和含量分类 有以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的电子产品 按机电结合的程度分类 有附加型 功能替代型和机电融合型 11 04 2020 电力拖动 12 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 机电一体化产品的优越性使用安全性和可靠性提高生产能力和工作质量提高使用性能改善具有复合功能并适用面广调整和维护方便 11 04 2020 电力拖动 13 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 现代机械的机电一体化目标提高精度增强功能提高生产效率节约能源 降低能耗提高安全性 可靠性 11 04 2020 电力拖动 14 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 改善操作性和实用性减轻劳动强度 改善劳动条件简化结构 减轻重量降低价格增强柔性应用功能 11 04 2020 电力拖动 15 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 机电一体化技术方向在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置 使系统的性能提高 功能增强用电子装置局部代替机械传动装置和机械控制装置 以简化结构 增强控制灵活性 11 04 2020 电力拖动 16 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 用电子装置完全代的原来执行信息处理功能的机构 即减化了结构 又极大地丰富了信息传输内容 提高了速度 用电子装置替代机械的主要功能 形成特殊的加工能力将机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 11 04 2020 电力拖动 17 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 机电一体化系统开发的设计思想在开发过程中 一方面要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数 同时也要求设计控制系统时 应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数 11 04 2020 电力拖动 18 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 机电一体化系统设计方法取代法整体设计法组合法 11 04 2020 电力拖动 19 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 取代法这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构 这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法 这种方法的缺点是跳不出原系统的框架 不利于开拓思路 尤其在开发全新的产品时更具有局限性 11 04 2020 电力拖动 20 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 整体设计法这种方法主要用于全新产品和系统的开发 在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计 所以接口简单 甚至可能互融一体 11 04 2020 电力拖动 21 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 组合法这种方法就是选用各种标准模块 像积木那样组合成各种机电一体化系统 利用此方法可以缩短设计与研制周期 节约工装设备费用 有利于生产管理 使用和维修 11 04 2020 电力拖动 22 第三节机电一体化的相关技术 机械技术 精密机械技术 传感检测技术信息处理技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术 11 04 2020 电力拖动 23 第三节机电一体化的相关技术 机械技术 精密机械技术 是机电一体化的基础 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于 机械结构更简单 机械功能更强 性能更优越 机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应 利用其他高新技术来更新概念 实现结构 材料 性能以及功能上的变更 11 04 2020 电力拖动 24 第三节机电一体化的相关技术 传感检测技术是机电一体化系统的感觉器官 即从待测对象那获取能反映待测对象特征与状态的信息 它是实现自动控制 自动调节的关键环节 其功能越强 系统的自动化程度就越高 传感检测技术的研究内容包括两方面 一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量 二是研究如何将转换的电信号的加工处理 11 04 2020 电力拖动 25 第三节机电一体化的相关技术 信息处理技术信息处理技术包括信息的交换 存取 运算 判断和决策 实现信息处理的主要工具是计算机 因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的 信息处理的发展方向是如何提高信息处理的速度 可靠性和智能化程度 11 04 2020 电力拖动 26 第三节机电一体化的相关技术 自动控制技术自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制 速度控制 最优控制 自适应控制 模糊控制 神经网络控制等 11 04 2020 电力拖动 27 第三节机电一体化的相关技术 伺服驱动技术伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下 控制驱动元件 使机械的运动部件按照指令要求运动 并具有良好的动态性能 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服 11 04 2020 电力拖动 28 第三节机电一体化的相关技术 系统总体技术系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关的应用技术 即从全局的角度和系统的目标出发 将系统分解为若干子系统 从而实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案 对于子系统与子系统之间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案 11 04 2020 电力拖动 29 第四节机电一体化系统的基本功能要素 11 04 2020 电力拖动 30 第四节机电一体化系统的基本功能要素 机械本体动力单元传感检测单元执行单元驱动单元控制与信息处理单元接口 11 04 2020 电力拖动 31 第四节机电一体化系统的基本功能要素 11 04 2020 电力拖动 32 第四节机电一体化系统的基本功能要素 11 04 2020 电力拖动 33 第四节机电一体化系统的基本功能要素 11 04 2020 电力拖动 34 第四节机电一体化系统的基本功能要素 11 04 2020 电力拖动 35 第四节机电一体化系统的基本功能要素 机械本体 机械系统 包括机械传动装置和机械结构装置 其主要功能是使构造系统的各子系统 零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上 并保持特定的关系 其开发重点是模块化 标准化和系列化 以便于机械系统的快速组合和更换 11 04 2020 电力拖动 36 第四节机电一体化系统的基本功能要素 动力单元按照机电一体化系统的控制要求 为系统提供能量和动力以保证系统正常运行 其显著特征之一 是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出 11 04 2020 电力拖动 37 第四节机电一体化系统的基本功能要素 传感检测单元对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测 并转换成可识别信号 传输到控制信息处理单元 经过分析 处理产生相应的控制信息 对其要求是体积小 便于安装与联接 检测精度高 抗干扰 11 04 2020 电力拖动 38 第四节机电一体化系统的基本功能要素 执行单元根据控制信息和指令完成所要求的动作 驱动单元在控制信息作用下 驱动各种执行机构完成各种动作和功能 11 04 2020 电力拖动 39 第四节机电一体化系统的基本功能要素 控制与信息处理单元控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元 其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中 存储 分析 加工 根据信息处理结果 按照一定的程序发出相应的控制信号 通过输出接口送往执行机构 控制整个系统有目的的运行 并达到预期的性能 11 04 2020 电力拖动 40 第四节机电一体化系统的基本功能要素 接口将各要素或子系统连接成为一个有机整体 使各个功能环节有目的地协调一致运动 从而形成机电一体化的系统工程 其基本功能主要有三个 变换 放大 传递 11 04 2020 电力拖动 41 第五节本课程的目的和要求 本课程的目的和要求掌握机电一体化系统的基本概念 基本原理和基本知识掌握机电一体化系统设计中常用的机械量检测传感器 控制电动机的原理 结构 性能和应用掌握机电一体化系统设计中常用的机械系统设计 工业控制 计算机控制 接口设计的基本方法初步掌握机电一体化系统设计原理和综合集成技巧 进行总体方案的分析和设计 11 04 2020 电力拖动 42 篇章结构 第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章伺服系统第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例 11 04 2020 电力拖动 43 第二章机械系统设计 第一节传动装置第二节导向机构第三节执行机构 11 04 2020 电力拖动 44 第二章机械系统设计 传动机构 机电一体化系统中传动结构的主要功能是传递转矩和转速 因此 它实际上是一种转矩 转速变化器 导向机构 其作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动 执行机构 用来完成操作任务 能根据操作指令的要求在动力源的带动下 完成预定的操作 11 04 2020 电力拖动 45 第一节传动装置 2 1 1传动机构的种类及特点机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副 滚珠丝杠副 齿轮传动副 同步带传动副 间歇机构 绕性传动机构等 对于工作机中的传动机构 既要求能实现运动的转换 又要求能够实现动力的转换 对于信息机中的传动机构 主要要求运动的转换 对于动力 则只需要克服惯性力 力矩 和各种摩擦力 力矩 以及较小的工作负载即可 11 04 2020 电力拖动 46 第一节传动装置 2 1 2传动机构的基本要求影响机电一体化系统中的传动链动力学性能的因素一般有一下几个负载的变换传动链惯性传动链固有频率间隙 摩擦 润滑和温升 11 04 2020 电力拖动 47 第一节传动装置 在不影响系统刚度的条件下 传动机构的质量和转动惯量应尽可能小刚度越大伺服系统动力损失越小 刚度越大机构固有频率越高 超出系统的频带宽度 不易产生共振 刚度越大闭环系统的稳定性越高机械零件产生共振时 系统中阻尼越大 最大振幅就越小 且衰减越快 但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大 稳态误差增大 精度降低 11 04 2020 电力拖动 48 第一节传动装置 系统传动部件的静摩擦力应尽可能小 动摩擦力应是尽可能小的正斜率 若为负斜率则易产生爬行 精度降低 寿命减少 此外 还要要求抗振性好 稳定性高 间隙小 减少误差 提高伺服系统中位置环的稳定性 避免谐振 特别是其动态特性与伺服电动等其他环节的动态性能相匹配 11 04 2020 电力拖动 49 第一节传动装置 转动惯量在满足系统刚度的条件下 机械部分的质量和转动惯量越小越好 转动惯量大会使机械负载增大 系统响应速度变慢 灵敏度降低 固有频率下降 容易产生谐振 同时转动惯量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低 而阻尼增大 11 04 2020 电力拖动 50 第一节传动装置 摩擦两物体接触面间的摩擦力在应用上可以简化为粘性摩擦力 库伦摩擦力与静摩擦力三类 方向均与运动方向 或运动趋势方向 相反 粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比 库伦摩擦力是接触面对运动物体的阻力 大小为一常数 静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力 其最大值发生在相对开始运动前的一瞬间 运动开始后静摩擦力即消失 11 04 2020 电力拖动 51 第一节传动装置 阻尼运动中的机械部件容易产生振动 其振幅取决于系统的阻尼和固有频率 系统的阻尼越大 最大振幅越小 且衰减越快 线性阻尼下的振动为实模态 非线性阻尼下的振动为复模态 机械部件振动时 金属材料的内摩擦较小 而运动副的摩擦阻尼占主导地位的 在实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼 11 04 2020 电力拖动 52 第一节传动装置 刚度刚度为弹性体产生单位变形量所需的作用力 机械系统的刚度包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度两类 静态力和变形之比为静刚度 动态力和变形之比为动刚度 11 04 2020 电力拖动 53 第一节传动装置 谐振频率包括机械传动部件在内的弹性系统 若阻尼不计 可简化为质量 弹簧系统 由此可确定系统的固有频率 当外界的激振频率接近或等于系统的固有频率时 系统将产生谐振而不能正常工作 机械传动部件实际上是个多自由度系统 有一个基本固有频率和若干高阶固有频率 分别称为机械传动部件的一阶谐振频率和n阶谐振频率 11 04 2020 电力拖动 54 第一节传动装置 间隙间隙将使机械传动系统中间产生回程误差 影响伺服系统中位置环的稳定性 有间隙时 应减小位置环增益间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙 丝杠螺母的传动间隙 丝杠轴承的轴向间隙 连轴器的扭转间隙等 在机电一体化系统中 为了保证系统良好的动态性能 要尽可能避免间隙的出现 当间隙出现时 要采取消隙措施 11 04 2020 电力拖动 55 第一节传动装置 2 1 3常用传动机构的设计方法一 滚珠丝杠副传动机构滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构 具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件 滚珠 11 04 2020 电力拖动 56 第一节传动装置 11 04 2020 电力拖动 57 第一节传动装置 滚珠丝杠副的特点传动效率高运动具有可逆性系统刚度好传动精度高使用寿命长不能自锁工艺复杂 11 04 2020 电力拖动 58 第一节传动装置 滚珠丝杠副的结构类型可从螺纹滚道的界面形状 滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别单圆弧型和双圆弧型 11 04 2020 电力拖动 59 第一节传动装置 内循环和外循环内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触内循环方式的优点是滚珠循环的回路短 流畅性好 效率高螺母的尺寸也较小 缺点是反向器加工困难 装配调整也不方便 11 04 2020 电力拖动 60 第一节传动装置 内循环和外循环浮动式反向器在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接 通道流畅 摩擦性较好 更适用于高速 高灵敏度 高刚度的精密进给系统 11 04 2020 电力拖动 61 第一节传动装置 内循环和外循环滚珠在循环返回时 离开丝杠螺纹滚道 在螺母或体外作循环运动 11 04 2020 电力拖动 62 第一节传动装置 内循环和外循环螺旋槽式的特点是工艺简单 径向尺寸小 易于制造 但是档珠器刚性差 易磨损 11 04 2020 电力拖动 63 第一节传动装置 内循环和外循环插管式结构简单 容易制造 但是径向尺寸较大 弯管端部比较容易磨损 11 04 2020 电力拖动 64 第一节传动装置 内循环和外循环端盖式结构简单 工艺性好 但滚道吻接和弯曲处圆角不易加工准备而影响其性能 故应用较小 11 04 2020 电力拖动 65 第一节传动装置 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧预紧力大小必须合适 过小不能保证无隙传动 过大将使驱动力矩增大 效率降低 寿命缩短 要特别注意减少丝杠安装部分的间隙 这些间隙用预紧的方法是无法消除的 而它对传动精度有直接影响 11 04 2020 电力拖动 66 第一节传动装置 双螺母螺纹预紧调隙式结构简单 刚性好 预紧可靠 使用中调整方便 但不能精确地调整 11 04 2020 电力拖动 67 第一节传动装置 双螺母齿差预紧调隙式可实现定量调整 调整精度很高 工作可靠 使用中调整较方便 但结构复杂 加工和装配工艺性能较差 11 04 2020 电力拖动 68 第一节传动装置 双螺母垫片预紧调隙式结构紧凑 刚度高 预紧可靠 应用广 但使用中调整不方便 也不很准确 适用于一般精度的传动结构 11 04 2020 电力拖动 69 第一节传动装置 弹簧式自动调整预紧式能消除使用过程中由于摩擦或弹性变形产生的间隙 但其结构复杂 轴向刚度低 11 04 2020 电力拖动 70 第一节传动装置 滚珠丝杠副的主要尺寸参数公称直径d0 指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠珠心的圆柱直径 基本导程L0 指丝杠对螺母旋转2 弧度时 螺母上基准点的轴向位移行程L 指丝杆相对螺母旋转任意弧度时 螺母上基准点的轴向位移 11 04 2020 电力拖动 71 第一节传动装置 滚珠丝杠副的安装支承方式的选择双推 自由式预紧力较小 轴承寿命较高 但轴向刚度和承载能力低适用于短丝杠或竖直安装的丝杠 11 04 2020 电力拖动 72 第一节传动装置 双推 简支式适用于中速 精度较高的长丝杠传动系统 11 04 2020 电力拖动 73 第一节传动装置 双推 双推式适用于高刚度 高速度 高精度的传动系统 11 04 2020 电力拖动 74 第一节传动装置 制动装置垂直传动时 由于滚珠丝杠副的传动效率高 又无自锁能力 故需安装制动装置以满足其传动要求润滑和密封 11 04 2020 电力拖动 75 第一节传动装置 二 齿轮传动齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置 主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数 传动精确 且强度大 能承受重载 结构紧凑 摩擦力小 效率高 11 04 2020 电力拖动 76 第一节传动装置 三 同步带传动同步带传动是综合了带传动 齿轮传动和链传动特点的一种新型传动 11 04 2020 电力拖动 77 第一节传动装置 11 04 2020 电力拖动 78 第一节传动装置 同步带传动的特点能方便地实现较远中心距的传动 传动比准确 传动效率高工作平稳 能吸收振动不需要润滑 耐油 水 耐高温 耐腐蚀 维护保养方便强度高 厚度小 质量轻中心距要求严格 安装精度要求高制造工艺复杂 成本高 11 04 2020 电力拖动 79 第一节传动装置 四 谐波齿轮传动依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波 引起齿间的相对位移来传递动力和运动的 11 04 2020 电力拖动 80 第一节传动装置 谐波齿轮传动的优点传动比大承载能力大传动精度高可以向密封空间传递运动或动力传动平稳传动效率高结构简单 体积小 质量轻 11 04 2020 电力拖动 81 第一节传动装置 谐波齿轮传动的缺点揉轮和波发生器制造复杂 需专门设备 成本较高传动比下限值较高不能做成交叉轴和相交轴的结构 11 04 2020 电力拖动 82 第一节传动装置 五 软轴传动机构软轴又称作钢丝软轴 是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的 相邻层的缠绕方向相反 工作时相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧 另一层趋于拧松 以使各层钢丝间趋于压紧 传递转矩 11 04 2020 电力拖动 83 第一节传动装置 11 04 2020 电力拖动 84 第一节传动装置 钢丝软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上 或工作时彼此要求有相对运动的传动 它可以弯曲绕过各种障碍物 远距离传递回转运动 适合于受连续冲击的场合 也适用于高速 小转矩的场合 不适合低速大转矩的传动 因为这将使从动轴的转速不均匀 扭转刚度无法保证 11 04 2020 电力拖动 85 第一节传动装置 六 棘轮传动机构棘轮传动机构主要用于将原动机构的连续运动转换成间歇运动 11 04 2020 电力拖动 86 第一节传动装置 棘轮机构具有结构简单 制造方便和运动可靠等优点 故在各类机械中有广泛的应用 但是由于回程时摇杆上的棘爪在棘轮齿面上滑行时引起噪声和齿尖磨损 同时为使棘爪顺利落入棘轮齿间 摇杆摆动的角度应略大于棘轮的运动角 这样就不可避免地存在空程和冲击 此外棘轮的运动角必须以棘轮齿数为单位有级地变化 因此棘轮机构不宜应用于高速和运动精度要求较高的场合 11 04 2020 电力拖动 87 第一节传动装置 七 滚珠花键机构 11 04 2020 电力拖动 88 第二节导向机构 在机电一体化机械系统中 导向支撑部件的作用是支撑和限制运动部件能按给定的运动要求和运动方向运动 这样的部件通常称为导轨副 简称导轨 11 04 2020 电力拖动 89 第二节导向机构 2 2 1导轨的组成 分类及特点导轨主要由两部分组成 在工作时一部分固定不动 称为支承导轨 另一部分相对支承导轨作直线或回转运动 称为动导轨 导轨按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨 滚动导轨 流体介质摩擦导轨等 按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨 11 04 2020 电力拖动 90 第二节导向机构 2 2 2导轨的基本要求机电一体化系统对导轨的基本要求式导向精度高 刚性好 运动轻便平稳 耐磨性好 温度变化影响小以及结构工艺性好 对精度要求高的直线运动导轨 还要求导轨的承载面与导向面严格分开 运动件较重时 必须设有卸荷装置 运动件的支承必须符合三点定位原理 11 04 2020 电力拖动 91 第二节导向机构 导向精度导轨按给定方向作直线运动的准确程度直线度两导轨面间的平行度 11 04 2020 电力拖动 92 第二节导向机构 刚度导轨的刚度就是抵抗因载荷而变形的能力 抵抗恒定载荷的能力称为静刚度 抵抗交变载荷的能力称为动刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置 为了加强导轨的自身刚度 常用增大尺寸 合理布置筋与筋板或添加辅助导轨等办法来解决 11 04 2020 电力拖动 93 第二节导向机构 耐磨性导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后 应能保持一定的导向精度 导轨的耐磨性主要取决于导轨的结构 材料 摩擦性质 表面粗糙度 表明硬度 表面润滑及受力情况等 提高导轨的精度保持性 必须进行正确的润滑与保护 11 04 2020 电力拖动 94 第二节导向机构 运动的灵活性和低速运动的平稳性工作时应轻便省力 速度均匀 低速运动或微量位移时不出现爬行现象 高速运动时应无振动 为了防止产生爬行现象 可以采取 采用滚动导轨 静压导轨 卸荷导轨 贴塑料层导轨 或者在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油 也可以用减少结合面 增加结构尺寸 缩短传动链 减少运动副等方法 11 04 2020 电力拖动 95 第二节导向机构 2 2 3常用导向机构的设计方法塑料导轨塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成 这种导轨定位精度较高 摩擦因素较小 刚度较高 无爬行现象 吸振较好 寿命长 化学稳定性高 工艺性好 维护方便 但由于其耐热性差 在使用中必须注意散热 11 04 2020 电力拖动 96 第二节导向机构 塑料导轨软带可与铸铁或钢组成滑动摩擦副 也可以与滚动导轨组成滚动摩擦副 11 04 2020 电力拖动 97 第二节导向机构 金属塑料复合导轨板一般用胶粘贴在金属导轨上 成本较高塑料涂层主要用于导轨的维修和设备的改造 也可用于新产品设计 11 04 2020 电力拖动 98 第二节导向机构 滚动导轨滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之间加入滚动体 变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支撑 滚动导轨的优点摩擦因数小 运动灵活 动静摩擦系数基本相同 因而启动阻力小 不易产生爬行现象 可以预紧 刚度高 寿命长 精度高 润滑方便 一次装填 长期使用 11 04 2020 电力拖动 99 第二节导向机构 滚动导轨按滚动体形状的不同 可以分为滚珠导轨 滚珠导轨和滚针导轨 11 04 2020 电力拖动 100 第二节导向机构 滚珠为点接触 摩擦小 灵敏度高 但承载能力小 刚度低 适用于载荷不大 行程较小 而运动灵敏度要求较高的场合 11 04 2020 电力拖动 101 第二节导向机构 滚柱导轨为线接触 承载能力和刚度都比滚珠导轨大 适用于载荷较大的场合 但制造安装精度要求高 滚柱对导轨的不平度较敏感 容易产生侧向偏移和滑动 而使导轨的阻力增加 磨损加快 精度降低 11 04 2020 电力拖动 102 第二节导向机构 滚针导轨的尺寸小 结构紧凑 排列密集 承载能力大 但摩擦相应增加 精度较低 适用于载荷大 导轨尺寸受限制的场合 结构尺寸较小的滚柱导轨 滚柱导轨支承为标准部件 具有安装 润滑简单 调整防护容易等优点 11 04 2020 电力拖动 103 第二节导向机构 按滚动体的循环方式 滚动导轨又可分为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式导轨两种 滚动体不循环式导轨的滚动体可以是滚珠 滚柱或滚针 它们的共同特点是滚动体不循环 因而行程不能太长 这种导轨结构简单 制造容易 成本较低 但有时难以施加预紧力 刚度较低 抗振性能差 不能承受冲击载荷 11 04 2020 电力拖动 104 第二节导向机构 滚动体循环式导轨这种导轨副用于重载荷条件下1 本体2 滚柱3 导向片4 反回器 11 04 2020 电力拖动 105 第二节导向机构 滚动轴承导轨与滚珠 滚柱导轨的主要区别是 它不仅起着滚动体的作用 而且还代替了导轨 它的主要特点是 摩擦力矩小 运动平稳 承载能力大 调节方便 导轨面积小 加工工艺性好 能长久地保持较高的精度 11 04 2020 电力拖动 106 第二节导向机构 用做导轨的滚动轴承与标准轴承有所不同 标准滚动轴承是外环固定 内环旋转 而用作导轨的滚动轴承恰恰相反 其轴承的内外环比标准轴承厚 精度更高 11 04 2020 电力拖动 107 第三节执行机构 在机电一体化系统中 为实现不同的目的 功能 需要采用不同形式的执行机构 主要有机械式的 电子式的 激光的和电动的执行机构等 在本节中 我们主要讨论机电一体化机械系统中的执行机构 执行机构是实现机电一体化产品主要功能的一个重要环节 它要能够保证按时 准确地完成预期的动作 并且要求具有动态特性好 响应速度快 精度高 灵敏度高等特点 11 04 2020 电力拖动 108 第三节执行机构 2 3 1常用执行机构的设计方法热变形式热变形式执行机构属于微动机构 该类机构利用电热元件作为动力源 电热元件通电后产生的热变形实现微小位移 11 04 2020 电力拖动 109 第三节执行机构 热变形微动机构可以利用变压器 变阻器等来调节传动杆的加热速度 以实现对位移速度和微进给量的控制 为了使传动杆恢复到原来的位置 可以利用压缩空气或乳化液来冷却热变形微动机构具有高刚度和无间隙的优点 并可通过控制加热电流来得到所需微量位移 但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因 这种微动系统只适用于行程较短 频率不高的场合 11 04 2020 电力拖动 110 第三节执行机构 磁致伸缩式该类机构利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应 来实现微量位移 11 04 2020 电力拖动 111 第三节执行机构 磁致伸缩式微动机构的特征为重复精度高 无间隙 刚度好 转动惯量小 工作稳定性好 结构简单 紧凑 但由于工程材料的磁致伸缩量有限 该类机构所提供的位移量很小 因而该类机构适用于精确位移调整 切削刀具的磨损补偿及自动调节系统 11 04 2020 电力拖动 112 第三节执行机构 工业机器人末端执行器工业机器人是一种自动控制 可重复编程 多功能 多自由度操作机 是能搬动物料 工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化产品 工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端 是直接实现操作功能的机构末端执行器因用途不同而结构各异 一般可分为三大类 机械夹持器 特种末端执行器 万能手 11 04 2020 电力拖动 113 第三节执行机构 机械夹持器它是工业机器人中最常用的一种末端执行机构 机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束 以保证被夹工件在移动 停留和装入过程中不改变姿态 当需要松开工件时 应完全松开 另外 它还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内 11 04 2020 电力拖动 114 第三节执行机构 机械夹持器常用压缩空气作动力源 经传动机构实现手指的运动 根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同 机械夹持器可有下述几种型式1 圆弧开合型2 圆弧平行开合型3 直接平行开合型 11 04 2020 电力拖动 115 第三节执行机构 1 圆弧开合型在传动机构带动下 手指指端的运动轨迹为圆弧夹持器工作时 两手指绕支点作圆弧运动 同时对工件进行夹持和定心 这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求 否则可能会造成工件状态失常 11 04 2020 电力拖动 116 第三节执行机构 2 圆弧平行开合型这类夹持器两手指工作时作平行开合运动 而指端运动轨迹为一圆弧 11 04 2020 电力拖动 117 第三节执行机构 3 直接平行开合型这类夹持器两手指的运动轨迹为直线 且两指夹持面始终保持平行 11 04 2020 电力拖动 118 第三节执行机构 机械夹持器通常利用手指或卡爪与工件接触面间的摩擦力来夹持工件 工件在被夹持过程中 从静止状态开始可能有多种运动状态 在不同运动状态下 工件的受力情况是不同的 如当工件处于静止或匀速移动状态下时 工件除与卡爪的作用力外所承受的只是自重 当工件加速运动时 其受力情况还应考虑惯性力的影响 因此在设计时 应对夹持器的各种工作状态进行分析 使其结构能够提供所必需的夹持力 11 04 2020 电力拖动 119 第三节执行机构 特种末端夹持器特种末端执行器供工业机器人完成某类特定的作业 11 04 2020 电力拖动 120 第三节执行机构 1 真空吸附手控制电磁阀的开合可实现对工件的吸附和脱开 11 04 2020 电力拖动 121 第三节执行机构 真空吸附手结构简单 价格低廉 且吸附作业具有一定柔顺性 这样即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的工作 它常用小件搬运 也根据工件形状 尺寸 质量大小的不同将多个真空吸附手组合使用 11 04 2020 电力拖动 122 第三节执行机构 2 电磁吸附手它同样结构简单 价格低廉 但它吸附工件的过程使从不接触工件开始的 这种吸附方式可以用于搬运较大的可磁化性材料的工件 11 04 2020 电力拖动 123 篇章结构 第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章伺服系统第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例 11 04 2020 电力拖动 124 第三章传感器检测及其接口电路 第一节传感器的基础知识第二节常用传感器第三节传感器前期信号处理第四节传感器接口技术第五节传感器非线性补偿技术 11 04 2020 电力拖动 125 第一节传感器的基础知识 检测系统是机电一体化设备中不可缺少的组成部分 其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测 将其转变成可识别的电信号 传递给信息处理单元 如果把机电一体化系统中的机械系统看做是人的手足 信息处理系统看做是人的大脑 则检测系统好比人的感觉器官 自动化程度越高 控制系统对传感器的要求也就越高 11 04 2020 电力拖动 126 第一节传感器的基础知识 把各种非电量信息转换为电信号对转换后的电信号进行测量 并进行放大 运算 转换 记录 指示 显示等处理 11 04 2020 电力拖动 127 第一节传感器的基础知识 3 1 1传感器的基本用途传感器是借助检测元件接收一种形式的信息 并按一定规律将它转换成另一种信息的装置 它获取的信息 可以是各种物理量 化学量和生物量 而且转换后的信息也是有各种形式 由于电信号是最易于处理和便于传输的 所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号 11 04 2020 电力拖动 128 第一节传感器的基础知识 生产过程中的信号测量与控制安全报警与环境保护自动化设备和机器人交通运输和资源探测医疗卫生和家用电器 11 04 2020 电力拖动 129 第一节传感器的基础知识 3 1 2传感器的组成与分类传感器的组成敏感元件直接感受被测量 并以确定关系输出某一物理量转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成其他参数基本转换电路将电路参数转换成便于测量的电量 11 04 2020 电力拖动 130 第一节传感器的基础知识 传感器的分类目前采用的传感器分类方法主要有按被测物理量分类 这种方法明确表明了传感器的作用 便于使用者选择 如位移 压力传感器按传感器工作原理分类 这种方法表明了传感器的工作原理 有利于传感器设计和应用 如压阻式 压电式 电感式 11 04 2020 电力拖动 131 第一节传感器的基础知识 按传感器转换能量的方式分类1 能量转换型 发电型 不需外加电源而将被测量转换成电能输出 如压电式 光电式等2 能量控制型 参量型 需外加电源才能输出测试电量 如电阻 电感等 11 04 2020 电力拖动 132 第一节传感器的基础知识 按传感器工作机理分类1 结构型 被测参数变化引起传感器的结构变化 使输出电量变化 利用物理学中的定律和运定定律等构成2 物性型 利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成 传感器的性能与材料密切相关 11 04 2020 电力拖动 133 第一节传感器的基础知识 按传感器输出信号的形式分类1 模拟式 传感器输出为模拟电压量2 数字式 传感器输出为数字量习惯上 常把工作原理和用途结合起来命名传感器 有利于设计检测系统选择 11 04 2020 电力拖动 134 第一节传感器的基础知识 3 1 3传感器技术的发展当今传感器技术的发展方向主要有两个 一 开展基础研究 重点研究传感器的新材料 新工艺 新方法二 是结合工程需要重点研究微型化 智能化 高精度 多功能式的各种传感器 11 04 2020 电力拖动 135 第一节传感器的基础知识 开发新型传感器传感器的集成化传感器的多功能化传感器的智能化开发仿生传感器 11 04 2020 电力拖动 136 第一节传感器的基础知识 3 1 4传感器的性能与选用原则传感器的性能传感器的性能分为静态性能指标和动态性能指标传感器的静态性能传感器在静态信号作用下 其输入 输出关系称为静态性能 其包含有线性度 灵敏度 迟滞和重复性 11 04 2020 电力拖动 137 第一节传感器的基础知识 1 线性度 传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差 11 04 2020 电力拖动 138 第一节传感器的基础知识 2 灵敏度 是指传感器在静态信号输入情况下 输入变化对输入变化的比值s一般希望传感器的灵敏度高一些 并且在满量程范围内是恒定的 即传感器的输入 输出特性为直线 11 04 2020 电力拖动 139 第一节传感器的基础知识 3 迟滞性 表明传感器在正 反行程期间输入 输出特性曲线不重合的程度产生迟滞性现象的主要原因是机械的间隙 摩擦或磁滞等因素 11 04 2020 电力拖动 140 第一节传感器的基础知识 4 重复性 表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时所得特性曲线的不一致程度 11 04 2020 电力拖动 141 第一节传感器的基础知识 传感器的动态特性指传感器对输入信号的响应特性 一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律 但实际上除了具有理想的比例特性环节外 输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数 这种输入与输出之间的差异叫做动态误差 11 04 2020 电力拖动 142 第一节传感器的基础知识 传感器的选用原则传感器是测量与控制系统的首要环节 通常应该具有快速 准确 可靠而又经济地实现信息转换的基本要求 足够的容量 传感器的工作范围或量程要足够的大 具有一定过载的能力 11 04 2020 电力拖动 143 第一节传感器的基础知识 与测量或控制系统的匹配性好 转换灵敏度高 要求其输出信号与被测输入信号成确定关系 且比值要大 反应速度快 工作可靠性好适用性和适应性强 动作能量小 对被测对象的状态影响小 内部噪声小又不易受外界干扰的影响 使用安全 使用经济 成本低 寿命长 且易于使用 维修和校准 11 04 2020 电力拖动 144 第一节传感器的基础知识 选择的经验公式量程应大于测试信号最大值的1 2 1 5倍固有频率应大于测试信号频率的5 10倍准确度小于系统中不确定度的1 3倍结构尺寸满足总体安装使用要求工作温度大于传感器测量温度的2倍长期使用重复性误差小于0 02 传感器安装使用方便 抗干扰性好 可靠性好价格低廉 11 04 2020 电力拖动 145 第二节常用传感器 位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称 位移测量在机电一体化领域应用十分广泛 常用的直线位移传感器有 电感传感器 电容传感器 感应同步器 光栅传感器 常用角位移传感器有 电容传感器 光电编码器 11 04 2020 电力拖动 146 第二节常用传感器 3 2 1线位移检测传感器线位移传感器是利用敏感元件某些电参数随位移变化而改变的特性进行工作电阻式线位移传感器电感式线位移传感器电容式线位移传感器光栅式线位移传感器激光式线位移传感器 11 04 2020 电力拖动 147 第二节常用传感器 电阻式线位移传感器电位器式线传感器电位器式线位移传感器利用被测部件的移动通过拉杆带动电刷移动 从而改变输出的电量 其优点是 结构简单 性能稳定 缺点是分辨率不高 易磨损 11 04 2020 电力拖动 148 第二节常用传感器 电阻应变计式线位移传感器利用应变片的弯曲 造成电阻变化 将其转化成电压和电流的变化 其优点结构简单 性能稳定 精度高 不足之处是动态范围窄 11 04 2020 电力拖动 149 第二节常用传感器 电感式线位移传感器 1 差动电感式线位移传感器利用磁芯在线圈筒中自由移动 切割磁力线产生电动势使电桥失去平衡 产生测量信号其优点室是具有动态范围宽和线性度好的优点 缺点是有残余电压 11 04 2020 电力拖动 150 第二节常用传感器 差动变压器式线位移传感器将被测量转化为线圈的互感变化 这种传感器具有分别率高 线性度好等优点 其缺点是残余电势较大 11 04 2020 电力拖动 151 第二节常用传感器 电容式线位移传感器平板电容器的电容决定于极板的工作面积 极板间介质的介电常数和极板间的距离 位移使电容器三个参数中的任意一个发生变化 均会引起电容量的变化 通过检测电路将电容量的变换转换为电压信号输出 电容式传感器具有结构简单 动态性能好 灵敏度和分辨率高的特点 它可用于无接触检测 并可在恶劣环境下工作 11 04 2020 电力拖动 152 第二节常用传感器 光栅式线位移传感器 11 04 2020 电力拖动 153 第二节常用传感器 光栅是一种新型的位移检测元件 它的特点是测量精度高 响应速度快和量程范围大等 11 04 2020 电力拖动 154 第二节常用传感器 激光式线位移传感器这种传感器动态范围宽 精度高 可用于飞接触检测 其缺点是装置复杂 使用调试不方便 价格高 11 04 2020 电力拖动 155 第二节常用传感器 3 2 2角位移传感器及转速传感器电阻式角位移传感器旋转变压器角位移传感器电容角位移传感器光栅角位移传感器磁电式角位移传感器及转速传感器 11 04 2020 电力拖动 156 第二节常用传感器 电阻式角位移传感器其工作原理和电位器线位移传感器相似 不同之处是将电阻器做成圆弧型 电刷绕中心轴作旋转运动 这样电刷输出的电压就反映了电刷的转角 电阻式角位移传感器具有结构简单 动态范围大 输出型号强等特点 缺点是在圆弧型电阻器各段电阻率不一致情况下 会产生误差 11 04 2020 电力拖动 157 第二节常用传感器 旋转变压器角位移传感器旋转变压器角实际上是初级和次级绕组之间得角度可以改变的变压器 常规变压器的两个绕组之间是固定的 其输入电压和输出和输出电压之比保持常熟 旋转变压器励磁绕组和输出绕组分别安装在定子和转子上 旋转变压器具有精度高 可靠性好等特点 广泛应用在各种机电一体化系统中 11 04 2020 电力拖动 158 第二节常用传感器 电容角位移传感器电容角位移传感器的工作原理是当动极板产生角位移时 电容器的工作面积发生变换 电容量随之改变 测量电路检测这种电容量变换 即可确定角位移 11 04 2020 电力拖动 159 第二节常用传感器 光栅角位移传感器与光栅线位移传感器相比 光栅角位移传感器将光栅印在圆盘的圆周上 11 04 2020 电力拖动 160 第二节常用传感器 磁电式角位移传感器及转速传感器利用导磁材料制成的齿轮代替光栅传感器的光栅盘 利用磁芯绕组代替光电元件 由于齿轮的转动会影响磁路的磁阻 使磁通量发生变化 进而在绕组中会产生相应的感应脉冲电压 对脉冲电压整形后进行计数 也可以达到测量角位移及角速度的目的 11 04 2020 电力拖动 161 第二节常用传感器 3 2 3速度与加速度传感器电磁式速度传感器其原理为壳体固定在一个试件上 顶杆顶住另一个试件 线圈置于内外磁极构成的均匀磁场中 如果线圈相对磁场运动 线圈由于切割磁力线而产生感应电动势 其大小为 11 04 2020 电力拖动 162 第二节常用传感器 压电式加速度传感器一些晶体材料 受到外力作用发生变形时 其内部发生极化 在材料的表明上会产生电荷 形成电场 压力发生变化时 表面电荷量也会随之发生变换 这种现象叫压电效应 利用压电效应 可以把机械力变换转换成电荷量的变换 做成压电传感器 11 04 2020 电力拖动 163 第二节常用传感器 下图为压电加速度传感器的一般原理图 当基座在垂直方向产生加速度a时 质量块对压电材料产生ma作用力 使陶瓷片两级产生相应的电荷 通过引线输出到电荷测量电路中 这样可以得