机电一体化总结课件

第一章小结：,一、重点：掌握机电一体化的涵义、内容；机电一体化系统的组成和功能；接口的功能；机电一体化产品的特点、设计流程、评价内容。二、了解：了解现代设计方法的步骤和内容。作业：P201-1、1-7、1-10、1-11、1-12,二、“机电一体化”的涵义,日本“机械振兴学会经济研究所”于1981年3月推出的解释：机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与微电子装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。,三、“机电一体化”的内容,“机电一体化”包含两个方面的内容：即“机电一体化技术”和“机电一体化产品”。“机电一体化技术”是机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感检测技术等相结合的一种综合性技术。微电子技术用于传统的机械产品上就变成了机电一体化产品。,第二节机电一体化系统的基本构成,一、机电一体化系统的构成：机电一体化系统由五个子系统构成：1.机械系统（指机构）；2.电子信息处理系统（指计算机）；3.动力系统（指动力源）；4.传感检测系统（指传感器）；5.执行元件系统（如电机）。,二、机电一体化系统各组成部分的功能,1.机械系统：具有构造功能，相当于人的骨骼；2.信息处理系统：具有控制功能，相当于人体的大脑；3.动力系统：具有动力功能，相当于人体的内脏；4.传感检测系统：具有计测功能，相当于人体感观；5.执行元件系统：具驱动功能（主功能），相当于人体的四肢。,第三节机电一体化系统各子系统的联接,各子系统间通过接口来连接。一、接口的定义：为保证机电一体化各系统间顺利地进行物质，能量信息的传递与交换，各子系统间所必须具备的联系条件。二、接口功能：1、输入，输出。2、变换，调整。,第四节机电一体化系统的设计步骤,一、总体设计：分析设计要求，划分功能模块，决定性能参数，调研类似产品，确定总体方案，方案对比定型，编写总体论证书。二、详细设计：各子系统的设计，子系统间接口的设计；三、综合评价：对产品的性能、价格进行综合评价；四、试制与调试：生产样机，进行试验，调试。,第五节机电一体化系统的评价,一、机电一体化系统的两大特点：1、自动控制取代了手动控制；2、节省能源和材料。二、对机电一体化系统的综合评价内容：1、主功能：要求系统误差小，抗干扰能力强，输出废弃物少，变换效率高，可靠性高；2、动力功能：要求省能化；3、控制功能：要求智能化，速度快；4、构造功能：要求短，小，轻，薄；5、计测功能：精度高。,第六节机电一体化设计与现代设计方法,一、现代设计的步骤技术预测市场需求信息分析科学类比系统设计创新设计采用现代设计方法设计综合质量的评价。二、现代设计方法简介现代设计方法包括六种：1.计算机辅助设计（CAD）与并行工程CAD是一种绘图手段，采用计算机进行绘图。并行工程是把产品的设计、制造及相关过程作为一个有机的整体进行综合协调的一种工作模式。,本章总结：,重点：第一、二、六节；了解：第三、四节；自学：第五节非标准轴承。,第二章机械系统的部件选择与设计,1常见的机械系统组成：一般由减速装置、丝杆螺母副、蜗轮蜗杆副、连杆机构、凸轮机构、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系及架体等机构组成。2机电一体化系统中的机械系统与传统的机械系统相比，其特点在于：前者不仅要求较高的定位精度，还要求较高的动态响应特性，即响应快、稳定性好。,第一节机械传动部件的设计与选择,一.机械传动部件及其功能要求：1.常用的传动部件有：齿轮传动、带传动、螺旋传动等。2.功能：传递动力和运动。各种传动机构的功能详见P23表2-13.机电一体化系统对传动机构的要求：（1）精密化：达到一定的精度；（2）高速化：以提高工作效率；（3）小型化，轻量化：以提高运动灵敏度,减小冲击。,二.丝杆螺母机构,1.功能：将螺旋运动变为直线运动或将直线运动变为螺旋运动，有的以传递动力为主，有的以传递运动为主。2.分类：(1)滑动丝杆螺母副优点：结构简单，加工成本低，具有自锁功能。缺点：摩擦阻力大，传递效率低（30%40%）。(2)滚动丝杆螺母副优点：摩擦阻力小，传递效率高（92%98%)。缺点：结构复杂，制造成本高。,三、滚珠丝杠副1.滚珠丝杆副的组成及特点：,（2）组成由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置（又叫回珠器）四部分组成。见书P22图2.3（3）原理丝杆转动时，带动滚珠沿螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续参加工作，如此往复循环滚动。,三、滚珠丝杠副1.滚珠丝杆副的组成及特点：,（4）特点：优点:传动效率高（达90%以上)，传动平稳；磨损小，寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度。缺点:不能自锁，运动可逆，在用作升、降传动机构时需采用制动装置。,三.滚珠丝杠副4滚珠丝杆副的精度等级及标注方法,（1）滚珠丝杆副的精度等级旧标准：JB3162.2-82规定：滚珠丝杆副的精度分为C、D、E、F、G、H六个等级（由高到低）；新标准：JB3162.2-91重新将滚珠丝杆副的精度分为1、2、3、4、5、7、10七个等级（由高至低）。,三.滚珠丝杠副4.滚珠丝杆副的精度等级及标注方法,（2）滚珠丝杠副精度的选取a.对于中等精度以上的机电一体化系统，可以选取3、4、5精度等级的滚珠丝杠副；b.对于动力传动场合，选取4、5级的精度；c.全闭环高精度场合，选取2、3、4级。,（3）滚珠丝杆副的标注方法：9位,回顾：滚珠丝杆预紧方式的标记,（1）双螺母螺纹预紧L（2）双螺母齿差预紧CH或C（3）双螺母垫片预紧D（4）单螺母变位导程预紧B（5）单螺母无预紧不标或W,例：江汉机床厂标记法：FCB6065E2左,课堂思考：南京工艺装配制造厂标记：CMFZD408-3.5-C3/14001000含义？,三.滚珠丝杠副5.滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧：,轴向间隙指沿轴心线方向的间隙；预紧指在未受外部载荷之前连接件与被连接件之间通过夹紧力夹紧。滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧方法有四种：（1）双螺母螺纹预紧调整式工作原理：锁紧螺母锁紧使左侧丝杠螺母8与丝杠夹紧滚珠产生预紧力F，两个螺母中的滚珠相向受力，避免了换向时的空回，从而消除了轴向间隙所带来的振动。特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量的地调整。,（2）双螺母齿差预紧方式,工作原理：两螺母2分别加工有圆柱齿，且两边相差一个齿，通过两端的两个内齿圈互相啮合，调整时先取下内齿圈上的紧定螺钉，使两内齿圈取下，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动一个齿后固定，则此时一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生了一定的轴向位移，再上好内齿圈，拧紧螺钉，套筒顶紧两滚珠螺母，夹紧两方的滚珠从而消除了间隙，产生了预紧力。特点：可以实现定量调整，可进行精密微调（如0.002mm），使用中调整方便。,三.滚珠丝杠副5.滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧：,（3）双螺母垫片调整预紧方式结构原理：通过增加垫片的厚度，顶紧两滚珠螺母，使滚珠螺母与丝杠夹紧滚珠，从而减小轴向间隙，消除间隙引起的震动。特点：结构简单，刚度高，预紧可靠，但使用中调整不太方便。,三.滚珠丝杠副5.滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧：,（4）弹簧自动调整预紧方式结构原理：两滚珠螺母，一个活动，一个固定，用弹簧顶住活动的滚珠螺母，使之相对于固定的螺母产生轴向位移以获得预紧力。特点：能自动消除使用过程中由于磨损或弹性变形产生的轴向间隙，但结构复杂，轴向刚度低，用得较少。,三.滚珠丝杠副7.滚珠丝杆副的制动,（1）超越离合器结构组成：由从动套筒形外圈1、滚柱2、压杆弹簧3和主动星轮4构成。特点：只能传递单方向的转矩，反向即分离。因此又叫做定向离合器。体积小、重量轻，易于安装，常安装在单向丝杠传动中。,三.滚珠丝杠副7.滚珠丝杆副的制动,（2）电磁-摩擦制动装置工作原理：电机通电时，线圈2得电吸引铁芯1打开摩擦离合器4，电机带动运动部件上下运动；电机断电时，线圈2也断电，弹簧3使得摩擦盘压紧制动轮，使滚珠丝杆不能自由转动，限制螺母部件下滑。应用：制动简单，可用在正反转的丝杠传动中。,四.齿轮传动部件,1.齿轮传动形式及要求常用的齿轮传动形式有一级、二级、三级等。在机电一体化系统中，我们所选的减速器应尽可能满足以下条件：a.刚度大；b.转动惯量小；c.齿轮啮合间隙小。,四.齿轮传动部件,2.齿轮总传动比的确定（1）传统方法：（2）使系统加速度最大的方法：（3）在执行元件为步进电机的数控机床中：,四.齿轮传动部件,3.各级传动比的最佳分配原则（1）重量最轻原则：使系统重量最轻来分配各级传动比的原则。对于大功率传动：分配时应先大后小对于小功率传动：适用于：要求体积小重量轻的场合。,四.齿轮传动部件,3.各级传动比的最佳分配原则（2）输出轴转角误差最小原则为了保证齿轮传动系统的精度，使输出轴转角误差最小的原则。设计时，传动比按先小后大的原则分配，且最末级齿轮的精度做得高一些。适用于：传动精度要求较高的场合。,四.齿轮传动部件3.各级传动比的最佳分配原则,(3)等效转动惯量最小原则等效转动惯量-是指将齿轮、轴及等零件的转动惯量折算到电机轴上所得的系统总转动惯量。为了使电机启停快、反转快，要求齿轮传动系统等效转动惯量越小越好。设计时，各级传动比按“先小后大”的次序分配的。适用于：起停频繁，要求系统惯性小的场合。,关于各级传动比的最佳分配原则小结：,对于要求体积小重量轻的场合，传动比的分配应遵循“重量最轻原则”。即大功率，各级传动比先大后小，小功率，各级传动比相等；对于要求精度较高的场合，传动比的分配应遵循“输出轴转角误差最小原则”，即各级传动比先小后大；对于要求启动频繁和动态性能好的场合，遵循“等效转动惯量最小原则”，即各级传动比先小后大。设计时应根据具体要求，合理选用以上原则。,4.谐波齿轮传动（3）传动比计算,当柔轮固定时：，H主动，g从动当刚轮固定时，,则H主动，r从动传动比为负，说明柔轮与波发生器转向相反。,四.齿轮传动部件5.齿轮传动间隙的调整方法,（1）圆柱齿轮传动A.偏心套调整法通过调整偏心套来改变两齿轮间的中心距，从而减小齿侧间隙。特点：结构简单，但不能自动补偿齿侧间隙。,5.齿轮传动间隙的调整方法（1）圆柱齿轮传动,B.轴向垫片调整法相啮合的两齿轮沿轴向的分度圆齿厚略有增加，通过调整轴向垫片的厚度，使齿轮2沿轴向向齿厚加大的方向移动，从而减小两齿轮间的间隙。特点：结构简单，但齿侧间隙不能自动补偿。,5.齿轮传动间隙的调整方法（1）圆柱齿轮传动,C.双片薄齿轮错齿调整法采用一个宽齿轮和两个薄齿轮同时啮合，使一个薄齿轮左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿轮正、反转时的齿侧间隙。分类：周向弹簧式、可调拉簧式。特点：可自动补偿齿侧间隙。,五.挠性传动部件1.同步带传动,组成：由带外齿的带轮和带内齿的齿形带组成。原理：由带外齿的带轮和带内齿的同步带啮合，将旋转运动变为直线运动。,同步带传动的特点,优点：（1）带与带轮间无滑动，传动精度高，传动效率高（达98%）；（2）齿形带采用高强度材料，弹性变形小、能吸收噪声，传动平稳，易于保养。缺点：对中心距要求较高，安装精度要求也高，价格也较高。选用：同步带属标准传动部件，选用时，可根据行程及载荷大小决定带轮的尺寸、带的长短。,五.挠性传动部件2.钢带传动,组成：由带轮和钢带组成。原理：依靠带与带轮间的摩擦力将带轮的旋转运动变为带的直线运动。优点：钢带与带轮间接触面积大，摩擦力大，无滑动，结构紧凑，运动可靠，驱动力大，寿命长，变形小。,五.挠性传动部件3.绳轮传动,组成：由钢丝绳（或尼龙绳）、绳轮（类似于滑轮、带凹槽）构成。原理：由绳与轮间摩擦力将旋转运动变为直线运动。优点：结构简单，传动刚度大，成本低。缺点：绳轮较大，加速度不易太高。应用：如电梯、起重机中用来提升的绳轮传动。,六.间歇传动部件1.棘轮传动,组成：由棘爪（主动）、棘轮（从动）、止动爪和摇杆组成。工作原理：摇杆朝左摆动时，棘爪推动棘轮转动；当朝右摆动时，棘爪在棘轮上滑动，棘爪3止动，棘轮不动。如此往复，将摆动变为间歇的转动。特点：结构简单，制造容易，但传动有噪声，磨损快。,六.间歇传动部件2.槽轮传动,结构组成：由拨销盘1（主动件）、槽轮3（从动件）、拨销5三个主要零件组成。工作原理：拨销盘以0角速度转过2角时，槽轮转过相邻两槽间夹角2，拨销盘转过其余的2-2角时。槽轮静止不动，直到拨销盘进入下一个槽内，又重复以上循环，如此将拨销盘的连续运动变为槽轮的间歇运动。,槽轮传动的特点,优点：结构简单，刚度高；从动件能在较短的时间内转过较大的角度，传动效率高；槽轮转位的时间与静止的时间之比为定值。缺点：加工困难，成本高。,六.间歇传动部件3.蜗形凸轮机构,结构组成：由转盘（从动）、滚子、蜗形凸轮（主动）等构成。工作原理:蜗形凸轮以角速度连续运转，转过中心角角时，转盘滚子转过角，其中一个滚子啮出，另两个滚子啮合，当蜗形凸轮转过其余2-角时，两滚子夹住蜗形凸轮的圆柱部分，转盘静止不动，这样就将蜗形凸轮的连续运动变为转盘的间歇运动了。,蜗形凸轮传动的特点：,优点：（1）刚度高；（2）可获得任意的转位时间与静止时间比，K（工作时间系数）比槽轮小；（3）能够用于工位数较多的设备上，不需要附加传动机构；缺点：加工困难，成本高。,一.导轨副分类及其应满足的要求1.导轨副的种类,（1）按摩擦性质不同分为五种:滑动导轨：动静导轨间相对滑动；滚动导轨：动静导轨间有中间滚动体；液体静压导轨：动静导轨间有液压油；气浮导轨：动静导轨间有压力气体；磁浮导轨：动静导轨间有磁力。（2）按结构特点不同分为两种:开式导轨：借助重力或弹簧力使运动件与承导面接触。闭式导轨：依自身结构保证运动件与承导面接触。,一.导轨副分类及其应满足的要求2.导轨副应满足的基本要求,（1）导向精度高：保证加工精度和安装精度；（2）刚性好：增加固定导轨尺寸，布置加筋；（3）运动轻便平稳：减小摩擦阻力，保证动、静摩擦系数一致（如：用贴塑导轨）；（4）耐磨性好：贴耐磨涂层，改善润滑状态；（5）温度变化影响小：选择合适的材料；（6）结构工艺性好：结构简单，拆装简便。,一.导轨副分类及其应满足的要求3.导轨副的设计内容,（1）选择合适的导轨类型（滚动或滑动）；（2）选择导轨的截面形状；（3）选择适当的导轨结构（开式或闭式）；（4）选择导轨的间隙补偿及调整装置；（5）选择合理的耐磨材料或涂料（用于滑动导轨），润滑方法；（6）保证技术条件（如加工工艺、材料热处理、测量方法等。,课堂思考：什么是爬行现象？产生原因？如何克服？,爬行现象：是指在低速运行时（如0.05mm/s）动导轨的运动不是作连续的匀速运动，而是时走时停的现象。原因：摩擦系数随运动速度变化、系统刚性不足，即动、静摩擦系数不一致造成的。克服：采用贴塑导轨，或采用滚动导轨，动、静压导轨等。,二.滑动导轨的结构类型及选择1.滑动导轨副的截面形状及其特点,（1）三角形导轨（顶角一般为90）优点：磨损后能自动补偿间隙，导向精度高；缺点：要保证两接触面作用力的合力垂直于导轨面，因而制造困难，检验困难，高度大；应用：一般用在受力较小、速度不高、精度要求较高的场合。,二.滑动导轨的结构类型及选择1.滑动导轨副的截面形状及其特点,（2）矩形导轨：优点：结构简单，导轨面宽，承载能力大，刚度高，检验制造方便；缺点：磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置；应用：应用广泛。,二.滑动导轨的结构类型及选择1.滑动导轨副的截面形状及其特点,（3）燕尾形导轨：优点：高度小，结构紧凑，可受颠覆力矩；缺点：不能自动补偿间隙，刚度差，摩擦力大，制造检验也较困难；应用：用于受力不太大，速度不高，受颠覆力矩，高度尺寸受限制的场合。,二.滑动导轨的结构类型及选择1.滑动导轨副的截面形状及其特点,（4）圆形导轨：优点：有两个自由度，既可作直线运动，又可作旋转运动，单需做直线运动时，可在导轨上开键槽，制造方便。缺点：难调整和补偿间隙。应用：一般应用在承受轴向载荷，精度要求不高的场合。,二.滑动导轨的结构类型及选择3.滑动导轨副的间隙调整,除三角形导轨能自动补偿间隙外，其余导轨都不能自动补偿间隙，因此需要专门的间隙调整装置。常用的间隙调整方法有两种：压板法和镶条法。压板法多用于矩形导轨辅助导轨面间的间隙调整。镶条法多用于燕尾形导轨侧面的间隙调整,且多为斜镶条。,二.滑动导轨的结构类型及选择4.滑动导轨副的材料选择,（1）导轨副常用的材料有：铸铁：减振性好，热稳定性好，成本低，多用于静导轨。钢：耐磨性和承载能力比铸铁高，成本稍高，用于动、静导轨。青铜等有色金属：耐磨性好，但成本高；高强塑料：塑料中含铜等金属，耐磨，摩擦系数小，且动静摩擦系数基本一致，易加工，成本低，多用于动导轨，塑料成分为聚四氟乙烯。,三.滚动导轨的类型与选择,工作原理：运动导轨与固定导轨之间通过中间滚动体作相对运动。优点：摩擦系数小，运动灵活；动静摩擦系数相等，低速时无爬行现象；可以预紧，刚度高，精度高。缺点：导轨面与滚动体是点接触或线接触，接触应力大，承载能力不如滑动导轨大。分类:分为滚动体循环和滚动体不循环两类。,三.滚动导轨的类型与选择1.滚动体不循环类,如：滚珠导轨副、圆柱滚子导轨副、滚针导轨副。,滚动导轨的类型：分两类,（1）滚动体不循环：滚珠导轨副、圆柱滚子导轨副、滚针导轨副。,滚动体不循环的滚动导轨特点,结构：将中间滚动体（滚珠、滚柱、滚针）用保持架与固定导轨做成一体，动导轨通过中间滚动体传递运动，中间滚动体不循环。特点：结构简单，制造容易，但刚度较低，承载能力方面，滚珠的最小，滚柱的最大，但滚针和滚柱比滚珠容易磨损，安装难度大。应用：大多用在行程不大的场合。,三.滚动导轨的类型与选择2.滚动体循环类,如：直线滚珠导轨、滚珠导轨块、滚子导轨块等。,滚动体循环的滚动导轨副结构特点,结构：将中间滚动体（滚珠、滚柱）用保持架与运动导轨作成一体，移动运动导轨时，滚动体沿封闭滚道做循环运动。优点：行程长，装卸调整方便，结构紧凑，间隙可以调整。缺点：承载能力小，抗震性差。应用：可用在工作行程较长的场合。,课堂思考：用作导轨的滚动轴承和轴承厂生产的标准滚动轴承有区别？,标准滚动轴承：外环固定，内环随轴旋转；外圈为圆柱形。导轨用的滚动轴承：外圈活动，外表面为环面，内圈随轴固定，内外环比标准轴承的要厚，精度更高。,第四节旋转支承的类型与选择,一.旋转支承的种类及基本要求：1.按运动件和固定件间的摩擦性质分为8种：圆柱支承、圆锥支承、球面支承、顶针支承、滚动支承、滚珠支承、静压支承、弹簧支承。,本章小结：,重点掌握1.步进电机的工作原理、性能指标、驱动电源组成、选型原则。2.交、直流伺服电机的工作原理、机械特性曲线、调速驱动方式。作业：P1154、5、7、9、10、11。,一、执行元件的定义、种类及特点2.分类及特点,（1）电磁式执行元件指以电为动力源，将电能转换为机械能的部件。优点：可直接使用电源，体积小，动力大，易于实现定位伺服，易于与处理器相接，易于编程，响应快，无污染。缺点：瞬时输出功率大，过载差，易于烧毁。应用：应用广泛。,一、执行元件的定义、种类及特点2.分类及特点,（2）液压式执行元件指以液体压力作为动力源，将压力能转换为机械能的部件。优点：输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服，易于与处理器相接，响应快，过载能力强。缺点：设备大，易泄露，液压油要求严格，有污染。应用：用在功率大，精度高的场合。,一、执行元件的定义、种类及特点2.分类及特点,（3）气压式执行元件指将气体压力能转换为机械能的部件。优点：气源方便，成本低，无泄露，无污染，速度快，操作简单。缺点：功率小，体积大，动作不够稳，工作噪声大。应用：用在功率小，定位精度要求不高的场合。,一、执行元件的定义、种类及特点2.分类及特点,（4）其他执行元件：与材料有关,如形状记忆合金、压电元件、双金属片等。,二、步进电机的工作原理,输入一个电脉冲，转子就转动一步，即转过一个步距角，改变脉冲频率就改变转子转速，改变通电顺序就改变转子的转向。,二、步进电机的工作原理,当A相通电时，定子产生磁场A-A，转子被磁化后与A对齐；当A相断电，改为B相通电时，定子则产生磁场B-B，转子被吸引过去，顺时针旋转60，与B相磁场对齐，相当于走了一步；如此按A-B-C-A顺序连续通电，则转子连续不断地顺时针旋转，当通电顺序改为A-C-B-A时，则转子反转，当不通电时，转子停转。,三、步进电机的特点,1.步进电机受脉冲信号的控制，输出角位移与输入脉冲数成正比，即：其中：-步进电机转过的角度，;N-电脉冲个数;-步进电机的步距角，/step。,三、步进电机的特点,2.步进电机的转速与输入脉冲的频率成正比，即：其中：n-步进电机的转速，（r/min）。f-步进电机脉冲电源的频率，(Hz)。,三、步进电机的特点,3.步进电机的转向可通过改变通电顺序来改变。4.步进电机不易受各种干扰因素的影响（如电源电压的波动，电流的大小与波形的影响，温度等。5.步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数后也会出现累积误差，但转子转过一圈后，其累积误差变为“零”，不会长期积累误差。6.易于直接与微机接口，构成开环伺服系统。,四、步进电机的分类,(一)按转子的材料不同分，步进电机分为三种：1.反应式：VR型，Variable,可变磁阻式,转子为易于磁化的铁磁体。2.永磁式：PM型，PermanentMagnet，转子为永久磁铁,无励磁时具有保持力，可定位驱动。3.混合式：HB型，Hybrid,转子为铁磁体与永久磁铁的混合。其中反应式步进电机价格最便宜。,四、步进电机的分类,(二)按照绕组的相数来分，步进电机分为四种:1.三相步进电机2.四相步进电机3.五相步进电机4.六相步进电机最常用的是三相步进电机。同一种相数的步进电机又分为不同的拍数,如三相单三拍，三相六拍等。,五、三相反应式步进电机的通电方式,1.三相单三拍按A-B-C-A顺序通电，即每拍中步进电机的一相供电，步距角为60。一拍，指改变一次通电顺序，例如，从A通电改为B通电。,三相单三拍步进电机的通电顺序,三相单三拍步进电机的通电顺序为:A-B-C-A第一拍：A通电，B、C断电，转子与A极对齐；第二拍：B通电，A、C断电，转子与B对齐；第三拍：C通电，A、B断电，转子与C对齐。按照A-B-C-A顺序通电时，转子便转过一周，这种通电顺序称为三相单三拍。,五、三相反应式步进电机的通电方式,2.三相双三拍按AB-BC-CA-AB顺序通电，每拍中步进电机的两相供电，步距角为60。,三相双三拍步进电机的通电顺序,三相双三拍步进电机的通电顺序为:AB-BC-CA-AB第一拍：A、B通电，C断电，转子与A、B相合成磁场的轴线对齐；第二拍：B、C通电，A断电，转子与B、C相合成磁场的轴线对齐；第三拍：C、A通电，B断电，转子与C、A相合成磁场的轴线对齐。按照AB-BC-CA-AB顺序通电时，转子便转过一周，这种通电顺序称为三相双三拍。,五、三相反应式步进电机的通电方式,3.三相六拍按照A-AB-B-BC-C-CA-A顺序通电，步距角为30。,三相六拍步进电机的通电顺序,三相六拍的通电顺序为:A-AB-B-BC-C-CA-A第一拍：A通电，B、C断电，转子与A对齐；第二拍：A、B通电，C断电，转子与A、B的合成磁场轴线对齐；第三拍：B通电，A、C断电，转子与B对齐；第四拍：B、C通电，A断电，转子与B、C的合成磁场轴线对齐；第五拍：C通电，A、B断电，转子与C对齐；第六拍：C、A通电，B断电，转子与C、A的合成磁场轴线对齐。,课堂思考,请写出四相单四拍、四相双四拍、四相八拍步进电机的通电顺序（脉冲分配方式）。答:四相单四拍的通电顺序为：A-B-C-D-A;四相双四拍的通电顺序为：AB-BC-CD-DA-AB;四相八拍的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。其它相数步进电机通电顺序见书上P93表3.6,分析得到：,1.三相六拍要比三相单三拍和三相双三拍的步距角小一半。2.步进电机的相数越多，步距角越小；3.相同相数时，拍数越多，步距角也越小；4.步距角越小，步进电机的精度越高。由于相数和拍数不能太多，否则制造成本增加,因此实际中一般采用多极式步进电机。,步进电机步距角的计算公式,其中：-转子齿数；m-运行拍数；N-电机相数；k-当拍数与相数相等时，k=1；当拍数是相数的一倍时，k=2,课堂举例,例：设转子齿数为40，试计算一六相双六拍步进电机的步距角。解：根据步进电机步距角计算公式：由于拍数等于相数，因此，k=1,将=40,N=6代入上式得：/step,六、步进电机的运行特性及性能指标,1.步距角指在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转子转过的角位移。步距角越小，分辨力越高。2.静态特性（1）静态-当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态，称静态，即最初的稳定状态。（2）静态转矩-静态时，外加负载，转子产生失调角后，转子所受的电磁转矩称为静态转矩。,六、步进电机的运行特性及性能指标2.静态特性,（3）失调角-如果在静态时，给电机转子轴上外加一个负载转距，则转子按加载方向转过一个角度e，此角度称为失调角。（4）矩-角特性-静态转矩与失调角e之间的关系曲线称为矩-角特性。为一正弦曲线。,六、步进电机的运行特性及性能指标2.静态特性,（5）最大静转矩-矩-角特性曲线上的电磁转矩最大值称为最大静转矩Tjmax，即：当e=/2时的Tjmax。Tjmax越大，自锁能力越强。（6）静态稳定区-指e从-到+的区域，在这个区域内，当去掉负载TL时，转子仍能回到初始的稳定平衡状态，即e=0的定子、转子对齐状态。,六、步进电机的运行特性及性能指标3.动态特性,（1）动态-当步进电机改变通电状态，转子处于转动时的状态称为动态。（2）动态稳定区-步进电机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起丢步的区域。,六、步进电机的运行特性及性能指标3.动态特性,（3）启动转矩Tq-矩角特性曲线上，从一种通电状态变为另一种通电状态时，两曲线交点所对应的转矩。启动转矩Tq与最大静转矩Tjmax间的关系见书P95表3.7。,六、步进电机的运行特性及性能指标3.动态特性,（4）最高连续运行频率-步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率，用fmax表示。（5）空载启动频率-在空载状态下，转子从静止状态能够不丢步地启动时的最大控制频率称为空载启动频率或空载突跳频率。（6）矩-频特性-电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的关系曲线称为矩-频特性曲线。,八、步进电机的驱动与控制,1.步进电机驱动电源由变频信号源、脉冲分配器、光电隔离电路、功率放大器等组成。,计算机,变频信号源,环形分配器,功率放大器,步进电机,光隔,1.步进电机驱动电源（2）功率放大器,步进电机功率放大电路分为六种：a.单电压型;b.双电压型（高低压型）;c.恒流驱动;d.斩波驱动;e.调频调压型;f.细分驱动。,（2）功率放大器1）单电压功率放大电路,放大原理：没有脉冲输入时，放大器截止；有脉冲输入时，三极管导通，经二极放大，电机相绕组中获得足够的电压和电流。电阻的作用一是限流；二是减小回路时间常数，=L/R，提高响应能力。二极管D作用：续流。优点：线路简单。缺点：电流上升不够快，输出脉冲波形差，输出功率低，高频时带负载能力低。适用范围：低速、轻载的小型步进电机。,（2）功率放大器1）双电压（高低压）功率放大电路,工作原理：当A端无脉冲电流时，WA中无电流，电机不转；当A端有脉冲电流时，T1导通，T2导通，脉冲变压器右侧产生感生电压，使T3导通，80V电压经T3加在WA绕组上，使绕组电流急剧上升，（D1反向截止，+12V电压不起作用）当T2饱和导通后，T1左侧电压稳定，右侧无感生电流，T3截止，+12V电压经D1加在WA上。优点：高压驱动，电流上升快，脉冲波形好，频率范围宽，效率高。缺点：电压波顶有凹陷，电流不稳定，电路较复杂。,（2）功率放大器2）双电压（高低压）功率放大电路,工作原理：当A1有脉冲时，即A1为1时，经两个反相器后VF2栅极为1，则VF2导通，此时4为低电平，4528导通，6端输出一低电平，VT1截止，场效应管VF1栅极为高电平，VF1导通，+80V高压经VF1加在WA上并经VF2流向电源负端；高压使WA上电流迅速达到额定值，同时4528定时结束导通，呈截止状态，6端变为高电平，VT1导通，VF1栅极变为低电平截止，高压过不来，则右端+12V电压经VD5加在WA绕组上，并经VF2流向负端，即高压驱动，低压运行。,（2）功率放大器2）双电压（高低压）功率放大电路,当没有脉冲时，即低电平时，VF2栅极为低电平，因而截止，同时，4点为高电平，4528不触发，6端输出高电平，VT1导通，VF1栅极为低电平，VF1截止，+80V电压过不来，WA上无电流。优点：高压驱动，W绕组上电流上升快，响应时间短，脉冲波形好，频率范围宽，效率高。缺点：由于高压产生冲击电流，故运行时有振动，低速时振动更大。应用于：高速，中、高载场合。,（2）功率放大器3）恒流源功率放大电路,工作原理：当有脉冲时，A点为0，VT1截止，VT2基极为高电位导通，T3导通，+12V经W（T2、T3）经恒流源流向负端；当无脉冲时，A点电位为1，VT1导通，VT2基极电位为0，T2、T3截止，绕组中无电流。优点：电流稳定，可用于较高频率驱动，效率高；缺点：恒流源易发热，需散热片。,（2）功率放大器4）斩波恒流功率放大电路,工作原理：当有脉冲时，VF2栅极电压为高电平，导通，比较器输出的高电平使Y为0，VT截止，VF1栅极为高电压导通，UDD经VF1、W、VF2、R1流向负端。IW急剧上升，当IW为额定电流时，R1上的压降U1UR，CP为0，使Y为1，VT导通，VF1截止，IW下降，UW=0，当IW下降到一定值后，R上的压降U1UR，CP又为1，Y又为0，VF1又导通，如此反复，得到其电压与电流的波形图如下：,（2）功率放大器4）斩波恒流功率放大电路,工作原理（续）：当没有脉冲时，即低电平0时，VF2栅极为低电平，截止，比较器U1UR，CP为1，此时Y为1，VT导通，VF1栅极为0，截止，W中无电流，电机不转。,（2）功率放大器4）斩波恒流功率放大电路,优点：电流较稳定，高压储能后，波前沿改善，输出电流大，运行频率高，带负载能力强。缺点：电路较复杂，易产生干扰。,（2）功率放大器4）斩波恒流功率放大电路,优点：电流较稳定，高压储能后，波前沿改善，输出电流大，运行频率高，带负载能力强。缺点：电路较复杂，易产生干扰。,（2）功率放大器5）调频调压功率放大电路,工作原理：由硬件和软件构成的，分频段调压，低频时电压低，高频时电压高,供电电压随着步进电机的转速增加而升高。优点：改善高频输出特性，消除低频振荡。缺点：电路复杂。应用：目前应用较多。,（2）功率放大器6）细分驱动功率放大电路,定义：将原来的一步细分成若干个小步来驱动步进电机的方法称为细分驱动。工作原理：输入电压由若干个阶梯波叠加而成，即电压不是次加到绕组上，而是分若干次加到绕组上，加一次，绕组转动一小步，分n次加到绕组上，则步距角为原来的n分之一，步进电机绕组上所获得的电流波形由原来的脉冲方波变为阶梯波。,（2）功率放大器6）细分驱动功率放大电路,实现细分驱动的方法：采用多路功率开关元件。当V导通时，u1u5顺序导通，W上电流依次增加，全部导通一段时间后，u1u5顺序关断。优点：使步进电机运行平稳，步距角减小，并能减弱或消除震荡。缺点：所用电子元件多，电路较复杂。应用：目前应用广泛。,步进电机六种功率放大电路的比较,一、直流伺服电机的结构组成及工作原理,1.结构组成：直流伺服电机由定子和转子构成，定子绕组上通以直流励磁电压，转子上通以直流控制电压。2.工作原理：将磁极上的绕组通入直流励磁电压，便产生磁场，将转子（电枢）线圈中通入直流控制电压，带电的线圈在磁场力的作用下旋转，由于靠近N极的线圈边（无论是ab还是cd段）总是通以相同方向的电流，所以转子总朝一个方向旋转，当改变控制电压V2的大小时，电机的速度会改变，当改变V2的方向时，电机的转向也改变。当V2为零时，电机停转。,三、直流伺服电机的机械特性,1.什么是直流伺服电机的机械特性?是指控制电压V2为常数时,电动机的转矩M与转速n间的关系曲线，即n=f(M)曲线。其中：n-电机转速，rpm；M-电机输出转矩，Nm；V2-控制电压,V；kE-与电机结构有关的常数；-磁极磁通，韦伯；Ra-电枢电阻，；kM-与电机结构有关的常数。,直流伺服电机的机械特性曲线,直流伺服电机的机械特性曲线为一斜率为负值的直线。机械特性曲线越硬越好。机械特性曲线的倾斜度越大（即斜率的绝对值越大），转速随转矩的变化越大，说明特性越软；机械特性曲线的倾斜度越小（即斜率的绝对值越小），转速随转矩的变化越小，说明特性越硬。,n=f(M)曲线,四、直流伺服电机的调速特性,调速特性指输出转矩M恒定时，电动机转速随控制电压变化的关系曲线，即n=f(V2)曲线。调速特性曲线为一斜率为正的直线，斜率越大，说明调速范围越宽，调速特性越好。,三种调速特性比较,五、直流伺服电机的驱动,直流伺服电机的调速驱动方式有两种：晶体管脉宽调速：PWM调速(PulseWidthModulation)晶闸管调速：SCR调速(SiliconControlledRectifier),五、直流伺服电机的驱动1.晶体管脉宽调速原理,当开关合上时，电枢电压为U；打开时为0，开关K周期性地闭合、断开，设周期T内闭合时间为，则断开的时间为T-，一个周期内加在直流伺服电机电枢上的平均电压为：UM=(1/T)Udt=(1/T)(T-)0+U=U/T=U,五、直流伺服电机的驱动1.晶体管脉宽调速原理,其中/T=称为导通率或占空比系数。脉宽调速的原理是：当改变脉冲宽度时，就改变了加在电枢上的平均电压UM，从而使电机平滑调速。开关频率越高，电机电流越稳定,转速越快。,五、直流伺服电机的驱动1.晶体管脉宽调速原理,脉宽调制器能改变加在电枢上的平均电压值，所以能控制电枢的转速大小，但不能改变其方向，为了实现双向调速，需采用H型双极型桥式放大电路。脉宽调速换向原理:通过改变H型双极型桥式放大电路中两组三极管基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电机的转速和转向了。,脉宽调速换向原理:采用H型双极型桥式放大电路,当正脉冲加在VT1、VT4上时，电机电枢正转；当正脉冲加在VT2、VT3上时，电机电枢反转；,五、直流伺服电机的驱动2晶闸管调速原理（SCR调速）,晶闸管具有交流过零特性。当在晶闸管三个极加上相应的电压、控制极上加上触发电流Ig后，晶闸管上的电流会很快放大（12Ig），直至晶闸管饱和导通，即便Ig除去，晶闸管仍然导通，除非除去阴阳极间的电压，或改变电压方向，才可以使晶闸管上的电流降低，恢复控制功能。,五、直流伺服电机的驱动2晶闸管调速原理（SCR调速）,当V2处于正半周时，T1、D2导通，电机电枢上得到电流im；当V2处于负半周时，T2、D1导通，电机电枢上得到电流im；二者同相，因而为单极性，可使电机正转。,五、直流伺服电机的驱动2晶闸管调速原理（SCR调速）,如波形图所示，控制的大小，就可以控制电枢上的平均电压UM，从而控制电机的转速，增大，转速降低；减小，转速升高。要改变的大小，只要调节晶闸管的触发脉冲频率就可以了。,五、直流伺服电机的驱动2晶闸管调速原理（SCR调速）,要改变电机的转向，可以采用桥式电路。当电压加在A、B间时，电机正转，C、D间则反转。,五、直流伺服电机的驱动总结：PWM型和SCR型驱动的比较：,1.PWM型驱动:采用直流电源驱动，通过控制开关（三极管）频率来控制其输出电压的占空比，从而控制其平均输出电压，以改变电机转速，其特点是效率高，频带宽，缺点是电磁干扰大。2.SCR型驱动:采用交流电源驱动，通过控制晶闸管的触发脉冲频率来控制导通角，从而控制其平均输出电压，以改变电机转速，其特点是功率大，效率较高，缺点是频带窄，电流脉动大，连续性差。,一、交流伺服电机结构组成及工作原理,1.结构组成：由定子和转子构成，类似两相异步电动机。定子上有两对磁极，分别绕以励磁绕组和控制绕组。转子为鼠笼式或杯形（导体条的并联）。,一、交流伺服电机结构组成及工作原理,2.工作原理：定子接上两相电，旋转磁场就出现；磁场切割转子边，感生电流在里面；（右手定则）电生磁，磁生电，磁电生力是关键；转子跟着磁场跑，运行可靠又方便。,二、交流伺服电机分类,交流伺服电机按照转子材料不同分为两种：同步（SM）交流伺服电机：转子为永久磁铁，又称为无刷直流伺服电机。感应（IM）交流伺服电机：转子为铁磁体，转子分为鼠笼式和杯式两种。,四、交流伺服电机的机械特性曲n=f(M),如图所示:1.在同一转矩时。控压V2越大，则转速越高，反之越小；2.随着转矩的变化，曲线斜率也迅速改变，因而特性曲线很软；3.控制电压增量相等时，曲线间距不等。,五、交流伺服电机的调速驱动方式,交流伺服电机有三种调速驱动方式：1.幅值控制：V1与V2相位始终相差90，通过改变V2幅值的大小来调速；2.相位控制：V1与V2幅值不变，通过调节二者的相位差来调速；3.幅相控制（矢量控制）：同时控制V2的幅值和相位，以得到最佳控制。,六、交、直流伺服电机性能比较,1.机械特性比较：直流伺服电机的机械特性曲线为线性，而且在不同的控制电压下，其曲线相互平行，斜率不变，属硬特性；交流伺服电机的机械特性曲线为非线性，而且在不同的控制电压下，其特性曲线互不平行，属软特性，低速时更软，故直流伺服电机比交流伺服电机的动态精度高，性能品质好；,六、交、直流伺服电机性能比较,2.体积和效率比较：在相同输出功率的前提下，直流伺服电机比交流伺服电机的体积稍大，效率高；3.动态响应时间比较：二者基本相同4.“自转”失控现象：交流伺幅电机当参数不当时，会在单相的状态下（即V2=0）时产生“自转”失控，而直流伺服电机不会产生这种现象。,六、交、直流伺服电机性能比较,5.驱动电路比较：直流伺服电机的驱动电路比交流伺服电机的复杂得多，另外，直流放大器存在“零漂”，会影响精度。6.电刷问题：直流伺服电机由于有电刷和换向器，因而结构复杂，易起火花，易损坏。而交流伺服电机维修方便，运行可靠。,本章小结:,了解：微机的组成、分类；Z80CPU的引脚和存储器与I/O口的扩展；掌握：8086/8088CPU的硬件结构特点、引脚功能、最小和最大工作模式系统的典型配置；8031单片机的引脚、最小应用系统扩展；光电隔离电路的作用、种类、工作原理；传感器的种类、性能参数、选用原则、与微机的接口。,二、微机控制系统的构成,1.软件：各种程序，如操作软件和应用软件。2.硬件：1）中央处理单元:即CPU，是控制系统的核心；2）总线:包括数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB，是传递信息的纽带；3）存储器:包括RAM、ROM等，是存储信息的仓库；4）输入、输出接口电路:即I/O口，是与外设连接的桥梁。,三、微机分类,按组装形式不同，微机分三类：1.单片机：在一块集成芯片上装有CPU、存储器、I/O口等，如：Intel公司生产的MCS-51系列（8位）、MCS-96系列（16位）。优点：体积小,重量轻,功耗低,价格便宜,集成度高,通用性好,功能强。缺点：需要开发软件、硬件。应用：用于家电、仪器仪表、机器人等中小型机电一体化产品中，单片机一般直接装在产品中。,三、微机分类2.单板机,在一块印刷电路板上，用电缆线将CPU、存储器、I/O口、键盘、显示器等联接起来，形成一块较大的控制板。如：TP-801系列（Z80CPU、8位）。优点：结构简单，可完成简单的数据处理与编辑功能，易扩展，成本低。缺点：内存容量小、机器语言难。应用：用于简单的机电一体化产品中，如简易数控、检测设备等，应用不如单片机广泛，现在已逐渐被微机取代。,三、微机分类3.微机系统,将CPU、存储器、I/O接口、电源等装在不同的电路板上，组装在一个箱体中，再配上软盘驱动器、键盘、显示器、打印机等外围设备构成一个完整的系统。如：IBM公司生产的IBM-PC机，联想公司生产的微机等。微机系统包括两大类：普通微机系统：用在环境较好（如办公室或进行复杂计算）的场合；工业控制微机系统：用在环境较差的现场，如数据采集、简单运算，结构模块化，便于维修。,三、微机分类3.微机系统,特点：结构较复杂，存储量大，运行速度快，可完成复杂的数据处理、计测、和控制功能，成本较高，有丰富的系统软件和应用软件，调试方便。应用：可应用于控制系统与被控对象分离时的各种机电一体化系统（产品）中。,第二节8086/8088微机的硬件结构特点,8086/8088是Intel公司生产的微机，8088与8086的区别在于：8086是16位数据总线，而8088是8位数据总线。在处理一个16位数据字时，8088需要两步操作，而8086只需要一步，因而8088运行较慢。,一、8086/8088CPU的主要结构特点,1.8086/8088的体系结构：外部数据总线不同，8086为16位，8088为8位;2.指令系统功能强：有100多条指令，能完成数据传送、算术运算、循环移位等工作，功能强大；3.多种寻址方式:适用于高级语言中的数组和记录等数据结构（立即数寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址）；,一、8086/8088CPU的主要结构特点,4.20位地址线：寻址范围可达1048576字节（即220=1048576=1M字节），存储器容量大；5.16位I/O端口地址线：可寻址64K端口地址；6.中断功能强：可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达到256个；7.具有管理DMA操作和多处理器工作的能力。注:DMA是英语DirectMemoryAccess的缩写,表示直接存储器存取，指外部设备直接对计算机存储器进行读写操作的方式。,二、8086/8088CPU的最小工作模式与最大工作模式,1.最小工作模式-指单微处理器系统，即系统中只有8086或8088一个微处理器。2.最大工作模式-指系统中可以包括两个或多个微处理器，即允许多个微处理器一起工作，系统的控制信号由总线控制器提供，主处理器为8086/8088，其它为协处理器,如8087用于数值计算、8089用于I/O操作。,一、Z80CPU的硬件结构特点,1.地址总线（A0A15）（16根）三态输出，高电平有效。用于传送地址信息给存储器，或用于传送输入，输出信息给外部设备，因为有16根地址线，所以用于存储器寻址时，最多可寻址216=65536，64K个存储单元。2.数据总线（D0D8）（8根）三态输入/出，高电平有效，用于CPU与存储器和I/O接口芯片之间的数据传送。,一、Z