机电一体化知识点

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、 CAD CAM 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

2、化需要。四、机电一体化发展概况 “萌芽阶段”“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 ）

3、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、分控析制、信加工，根据信能息处量理结果， 按电照子一定控的制程单序和节奏发出执相行应器的指令能，量 控制动整 力个参系统数有目的地运行。要求：驱高可靠性、处理速度变快、智能化传感6、 将各部组分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

4、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。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

5、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

6、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、

7、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

8、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： 传动效率高（ 0.9 0.95）； 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

9、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）、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

10、 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

11、 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

12、 ,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

13、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）一般组成信、伺服系统电的源分装类置按其控制原理号 半闭环；放大全行闭环和被控检测补偿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、

14、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

15、 （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

16、进电机的转子结构来说 可分为三种：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360拍数（ m ）60 f的信号脉冲电KPZ流一，K般相比数（较P）小n （P只KZ 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 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

17、（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II2直流伺服电动机的调速公式：n调阻调L 速特性曲线1）调压调速工作条件：保持励磁保持电阻 R = Ra调节过程：

18、改变电压 UNn0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。n Ua IaRaU aRaCm I aCeCeCeCmkM2）调阻调速工作条件：保持励磁n1UNn2保持电压 U =UN ；调节过程：I3调压L 调 速 3特性曲线增加电阻 RaRR nn0 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 Nn 调速特性：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

19、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，存储器种类1、RAM 2、 ROM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

20、；（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（输2）入选用端通用接口电路（ 3）用集成电路自行设计接口口电路口接开关U 量、数字量、I 模拟3、操作控制台设计（原因、功五）软件设计 微 计 算 机、软件图的分可类编部（程分系通统用软接件口和口电应路用部软2、通道设C计P RAPP量 能接） 输 出口 端传 感 器负 机械部载分 ） 2 、1控制系统对应用软件的要求 3、应分用软件的设计 方法 分 （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