机电一体化考试复习资料

机电一体化系统

设计的考虑方法及设计类型常用的设计方法（机电特有）： 机电互补法（改造型） 融合法（难度大） 组合法（常用）常见的设计类型（设计通用）： 开发性设计（难） 适应性设计（较难） 变异性设计（易）集美大学机械学院—郑东强集美大学机械工程学院—郑东强机构学机构学是研究机械中有关机构的结构、运动和受力等共性问题的一门学科，是机械原理的主要分支。研究内容分两个方面：第一是对已有机构的研究，即机构分析（结构分析，运动分析和动力分析）；第二是按要求设计新的机构，即机构综合（结构综合，运动综合和动力综合）。

结构力学（StructuralMechanics）是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。结构力学通常有三种分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。结构学集美大学机械工程学院—郑东强电力电子技术电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。集美大学机械工程学院—郑东强加工中心加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序.因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。

传感器分类

计数型（增量式）（二次型+计数型）

电压，电流型（热电偶,Cds电池）

电感，电容型（可变电容）接触型(微动开关，接触开关，行程开关)

传感器

电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量非接触型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（绝对式）（旋转编码器）2）按输出信号的性质集美大学机械学院—郑东强各种伺服电机的特点直流伺服电机：易于控制，高响应特性，高功率密度，可实现高精度数字控制，调速范围宽，负载特性硬，可用于小功率驱动，换向部件需要维护交流伺服电机：具有DC的全部优点，适于高速，比功率最高，寿命长步进电机：数字控制方便，具有定位转矩，比功率最低，效率最低。集美大学机械学院—郑东强接口技术的分类

从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系统的接口有多种分类方法。根据接口的变换和调整功能： 零接口、无源接口、有源接口和智能接口根据接口的输入/输出对象 机械接口、物理接口、信息接口与环境接口根据接口的输入/输出类型

数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口根据接口所联系的子系统不同 电气接口、机械接口、人机接口集美大学机械学院—郑东强关键技术4-伺服驱动技术

所谓“伺服”（Servo）即“随动”。实现：电信号机械动作要求：在控制指令指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按指令要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服传动系统采用的驱动技术与所使用的执行元件有关。按照执行元件的不同分为电气伺服、液压伺服、气压伺服速度快、控制灵活、可靠性高、应用较广，但低速时输出力矩较小低速输出力矩大，功率密度大，在大型机床、工程机械、航空航天航海等领域具有优势，但结构复杂，成本高。集美大学机械学院—郑东强采样/保持器在模拟量输入通道，对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，必须在A/D转换开始时将电平信号保持住，而在A/D转换后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的器件称采样/保持器。在模拟量输出通道（不是必须的，PWM作为替代），为使输出得到一个平滑的模拟信号，也采用保持器（锁存器）。采样/保持器由存储电容C、模拟开关S等组成。开关控制SRCuiuo集美大学机械学院—郑东强集美大学机械学院—郑东强二、滑动导轨副的结构及其选择1、滑动导轨副的截面形状和特点常见滑动导轨副的截面形状集美大学机械学院—郑东强凸形导轨和凹形导轨的特点凸形：不易积存切屑等赃物，当同时也不易存储润滑油，宜在低速下工作凹形：则相反，可用于高速，但必须有良好的保护装置，以防止脏物进入导轨。集美大学机械学院—郑东强1）三角形导轨的特点顶尖朝上称为“三角形导轨”，顶尖朝下称为：“V形导轨”根据是否对称分为：对称型和非对称型三角形导轨。

优点：在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，不会产生间隙，故导向精度高。故用作对精度要求高的场合。缺点：因导轨水平和垂直方向误差相互影响，故制造、检验和维修困难。摩擦阻力比较大。集美大学机械学院—郑东强三角形导轨界面角度由荷载大小和导向要求而定,一般为90◦；为减小压强，在导轨高度不变的条件下，应采用较大顶角（110◦-120◦

）；为提高导向性，可采用较小顶角（60◦）导轨受力不对称时采用不对称三角形集美大学机械学院—郑东强2）矩形导轨的特点优点：结构简单；制造、检验、维修方便；导轨面宽、承载能力大；刚度高。在导轨的材料、荷载和宽度相同的情况下，矩形导轨的摩擦阻力和接触变形都比三角形导轨小。由于导轨在水平和垂直面位置互不影响，因而在水平和垂直两方向均须间隙调整装置，安装调整方便。缺点：无磨损自动补偿功能，需调整间隙装置集美大学机械学院—郑东强3）燕尾形导轨的特点优点：两燕尾面有着压板作用；用一根镶条就可调整水平垂直两方向的间隙；高度小、结构紧凑，可以承受颠覆力矩。缺点：刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便；无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置。应用：运动速度不高、受力不大、高度尺寸受到限制的场合集美大学机械学院—郑东强4）圆形导轨的特点优点：结构简单，制造、检验、配合方便，精度易于保证。圆柱导轨有2个自由度，适用于同时做直线运动和旋转的地方。缺点：但摩擦后很难调整，结构刚度较差。如需限制旋转运动需开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。亦可采用双圆柱导轨应用：用于承受轴向荷载的场合 （例如压力机）集美大学机械学院—郑东强4、导轨副材料的选择导轨副材料选择的基本要求： 具有高的耐磨性、减振性、热稳定性以及易于生产制造。常用材料有：铸铁、钢、非铁金属、塑料等。

滚珠丝杠副的典型结构类型分类方法：螺纹滚道截面形状——分单圆弧型和双圆弧型滚珠的循环方式——内循环和外循环集美大学机械学院—郑东强单圆弧和双圆弧滚道的结构特点单圆弧滚道：工艺简单，滚道的接触角随轴向荷载大小的变化而变化，因此运行特性不够稳定。双圆弧滚道：工艺难度大，加工成本高接触角在工作过程中基本不变，有利润滑，运行特性稳定单圆弧型双圆弧型集美大学机械学院—郑东强a）内循环（后图）——滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触.内循环的特点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的直径尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便b）外循环（后图）——滚珠在循环反向时，离开丝杆螺纹滚道。外循环的特点：结构相对内循环简单、易于制造、但是挡珠器刚性差，易磨损，结构也相对内循环大2）按滚珠的循环方式分类集美大学机械学院—郑东强提高机座或机架抗震性的措施提高静刚度（成正比）增加阻尼（耗能）提高固有频率（远离作用力频率）采取隔振措施（减震）集美大学机械学院—郑东强2、直流伺服电机的驱动-晶闸管、功率晶体管、场效应管、绝缘栅双晶体管调压调速的两种方法（实质：调整平均电压）1）晶闸管（可控硅）调速—SCR（SiliconControlledRectifier）通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。（半控型）2）晶体管脉宽调制调速—PWM(PulseWidthModulation)

通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。（全控型）控制+驱动+电机+传感集美大学机械学院—郑东强3）滚珠丝杠副选择设计验算步骤2压杆稳定性核算压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值刚度验算结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）集美大学机械学院—郑东强齿轮传动间隙的调整齿轮传动间隙的调整目的：——提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差集美大学机械学院—郑东强偏心套筒间隙调整法如图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。集美大学机械学院—郑东强轴向垫片齿侧间隙调整法

如图所示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。轴向垫片集美大学机械学院—郑东强双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。集美大学机械学院—郑东强斜齿轮传动齿侧间隙调整消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。集美大学机械学院—郑东强(1)深沟球轴承特点：以径向荷载为主，可承受较小的轴向荷载，极限转速高设计：潘存云角接触球轴承深沟球轴承单列向心球轴承角接触球轴承（成对使用）集美大学机械学院—郑东强（2）双列向心圆柱滚子轴承滚道可以开在内圈，也可开在内圈。只能承受径向载荷。集美大学机械学院—郑东强(3)圆锥滚子轴承该类轴承可承受较大的轴向和径向荷载，但转速略低于圆柱滚子轴承和推力轴承。其中双列圆锥滚子轴承通过修磨隔套厚度还可实现间隙的调整和预紧。设计：潘存云圆锥滚子轴承集美大学机械学院—郑东强（4）推力轴承轴向承载能力很强，支承刚度也很大，但极限转速较低，运动噪声较大。集美大学机械学院—郑东强集美大学机械学院—郑东强集美大学机械学院—郑东强机械系统的组成1.传动机构:运动、力的变换器

2.导向机构:为机械系统中各运动装置能按特定方向的运动提供保障3.执行机构

:完成操作任务的直接装置。4.机座或机架:将各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系，安置在指定位置，并保持特定关系，实现实现构造功能。集美大学机械学院—郑东强第一节、机械系统部件的设计要求机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：（1）较高的定位精度——准（2）良好的动态响应特性

——响应快、稳定性好具体要求：无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度、高的谐振频率、合理的阻尼比具体原因集美大学机械学院—郑东强机电一体化的三大效果省能源省资源智能化

以上效果，既是走可持续发展道路，构建和谐社会的要求，也是今后对任何产品设计者提出的基本要求今后的产品是否节能环保，将会是其能否生存的关键因素之一集美大学机械学院—郑东强（2）通道设计输入/输出通道：计算机与外界交换信息的部件主要类型有：数字量和模拟量数字量输入通道组成：电平转换去抖动抗干扰数字量输出通道组成：功率驱动集美大学机械学院—郑东强模拟量输入通道组成：标度变换滤波隔离电平转换线性化处理采样、保持A/D转换放大模拟量输出通道组成：由D/A转换器放大器将模拟量转换成对应的数值，之间的关系就是标度变换

集美大学机械学院—郑东强光电耦合器注意事项1由于一般计算机控制系统的接口芯片大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管。通常需要在它们之间加一级驱动器，例如7406和7407cVpV6047KA220VDi作用？集美大学机械学院—郑东强光电耦合器注意事项2光电耦合器的输入、输出端必须各自使用独立的电源和地。否则外部干扰信号会通过电源和地串到系统中，失去隔离作用。端入输端出输UccUc+电源2电源1集美大学机械学院—郑东强国外的INTOUCH、FIX、WINCC、LOGVIEW；国内众多自动化集成商开发研制的如：北京亚控的组态王，西安协同的SYNALL，北京中泰MCGS、北京力控等较流行的组态软件集美大学机械学院—郑东强一、光电隔离电路设计作用：

防止干扰电平转换提高驱动电平转换组成：发光二极管光敏三极管发光二极管光敏三极管发光二极管光敏三极管输出输入集美大学机械学院—郑东强（2）步进驱动器特点：电路结构简单，但串联R消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。单电压功率放大电路iL作用？集美大学机械学院—郑东强步进电机驱动器（L298）集美大学机械学院—郑东强特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。高低压功率放大器集美大学机械学院—郑东强恒流源功率放大器特点：在较低的电压上有一定的上升率，因而可用在较高频率的驱动上。由于电源电压较低，功耗将减小，效率有所提高。由于恒流源管工作在放大区，管压降较大，功耗较大，必须注意散热斩波恒流功率放大电路U1特点：去掉了限流电阻，效率显著提高，并利用高压给W储能，从而使步进电机的输出加大，运行频率得以提高（5）调频调压功放电路步进电机绕组电路上冲值随着工作频率升高而降低。为此，低速运行采用低压，高速时采用高压归纳与演绎什么是归纳？ 归纳（guīnà），汉语词语，从部分到整体，从特殊到一般，从个别到普遍的推理。是指从许多个别的事物中概括出一般性概念、原则或结论的思维方法。什么是演绎？ 演绎，有展现、表现、推演等含义，从一些假设的命题出发，运用逻辑的规则，导出另