机电一体化基础知识考试复习总结

欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改第一章绪论●机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信●机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。●机电一体化乃是在机械的主功能、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。机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能节省材料、省能源，使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化，自动化需求。机电一体化基本结构要素：1．机械本体包括机身、框架机械联接等在内的产品支持结构属于基础部分，实现产品的2．动力源向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。3．检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测路，用于对产品运行时的内部状态和外4．控制与信息处理装置主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。5．执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。1．功能附加型产品：主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增机等都属于这一类机电一体化产品。欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改2．功能替代型产品：主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高。柔性增加，如电子缝纫机、自动照相机等用微电于装置取代了原来复杂的机械控制机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改3．机电融合型产品：主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加NC机床等都是这一类机电一体产品。机电一体化共性关键技术一、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，它主要是以机械技术为主实现的。二、计算机与信息处理技术实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬处理装置指挥整个产品的运行。计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。三、检测与传感技术检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。用化。五、伺服驱动技术伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。六、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，然后再把功功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一体化设计；另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电了体化技术对各种技术方案进行分析互补性及可比性。机电一体化产品设计一般可分为三种类型：(1)开发性设计一个从无到有的创造过程，是在没有任何样板可供参考的情况下，根据力和广泛而扎实的基础理论知识。(2)适应性设计在原有产品总的方案基本不变的情况下，对产品的某些局部加以变动或计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握。(3)变异性设计在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产吕规格方面的需求进行的系列化设计。变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。第二章机械系统设计欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改一、机电一体化对机械系统的基本要求．1．高精度精度直接影响产品的质量，如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。2．快速响应要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。3．良好的稳定性要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。二．机械系统的组成1.传动机构以满足整个机械系统良好的伺服性能。要满足传动精度的要求。2.导向机构其作用是支承和导向。3.执行机构具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。一、传动机构性能要求1．转动惯量小转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，小转动惯量。2．刚度大刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利3．阻尼合适要求摩擦小、抗振性好、间隙小。二、无侧隙齿轮传动机构(一)直齿圆柱齿轮传动机构1．偏心轴套调整法2．双片薄齿轮错齿调整法(二)斜齿轮传动机构1．垫片调整法2.轴向压簧调整法(三)锥齿轮传动机构1．轴向压簧调整法2．周向弹簧调整法(四)齿轮齿条传动机构1双片薄齿轮错齿调整法2双齿轮调整法三、滚珠丝杠副传动机构动精度高5．使用寿命长6．不能自锁7．制造工艺复杂(二)滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副对其轴向间隙有严格滚珠丝杠副的刚度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：(1)垫片调隙式(图2-9)(2)螺纹调隙式(图2-10)(3)齿差调隙式(图2-11)珠丝杠副的安装1．支承方式的选择(如表2-5)(1)一端固定、一端自由(F—O)(如图2-13)(2)一端固定、一端游动(F—S)(如图2-14)(3)两端固定(F-F)(如图2-15)四、锥环无键联轴器：该机构利用锥环之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联接传递转矩，在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作。五、其它传动机构(二)同步齿形带传动机构同步齿形带传动机构利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改速器柔轮的齿数少于刚轮。一、导轨的功用机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。二、导轨的基本要求导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨、油膜刚度等。2.耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。3．疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑这种现象就是压溃。4．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，因此要求导轨应有5．低速运动平稳性低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。6．结构工艺性三、导轨的分类和特点导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导摩擦情况，导轨分为：1：滑动导轨两导轨工作面的磨擦性质为滑动摩擦。2．滚动导轨两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨轨磨损小，寿命长，定位精度高，运动平稳可靠，但结构复杂，制造困难，成本高。在高精密的机电一体化产品中应用广范。线导轨的特点提高2.刚性强预加载荷,能承受较大的冲击和振动轨的分类1．按滚动体的形状分有钢珠式和滚柱式两种2．按导轨截面形状分有矩形和梯形两种3．按滚道沟槽形状分有单圆弧和双圆弧二种，(二)金属塑料复合导轨板该导轨板分为三层，内层钢背保证导轨板的机械强度和承载能自润滑塑料层——外层。金属塑料导轨板的特点是摩擦特性优良，耐磨损。一、执行机构的特点及要求机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改二、微动机构微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特能保持稳定位置3抗干扰能力强，快速响应性好4良好的结构工艺性能。三定位机构是机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用将分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。四、工业机器人末端执行器(一)机械夹持器(二)特种末端执行器特种末端执行器供工业器人完成某类特定的作(三)灵巧手第三章接口技术统和微电子分系统(控制微机)两大部分组成，二者又分别由若干要素构成。要将各要素、各个联系条件通常被称为接口。在某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能计是机电一体化产品设计的关键环节。二、接口的分类和特点按照接口所联系的子系统不同，以控制微机为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。机电一体化产品由机械分系统和微电子分系统两大部分组成。由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别，二者之间的联系必须通过机电接口进口又可分为信息采集接口(传感器接口)与控制输出接口。人机接口包括输出接口与口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制。一、人机接口类型及特点人机接口是操作者与机电系统(主要是控制微机)之间进行信息欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改性、低速性、高性能价格比。二、输入接口设计1.矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘由一组行线(xi)与一组列线(Yi)交叉构成，按键位过上拉电阻接至十5V电源、当无键按下时，行线与列拔断开，行线呈高电平。当键盘上某制下依次从Y0—Y3输出低电平，并使其它线保持高电平，3.键输入程序设计方法(1)判断键盘上有无键闭合(2)判别闭合键的键号(3)去除键的机械抖动(4)使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理控制系统才响应中断,对键盘进行管理。统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等，并进行故障报警。(一)发光二极管显示器的接口设计(二)打印机接口设计(三)CRT显示器接口设计一、机电接口的类型及特点机电接口，是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口(传感器接口)与控制量输出(一)信息采集接口的任务与特点机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效受的信号传递给微机。(二)控制输出接口的任务与特点控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经件去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。三、控制量输出接口中的功率接口设计在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般都比较大，而计算机发出的数字控制信号或经转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小，必须经过功放后才能驱动被控对象。实现功率放大功能的接口电路被称为功率接口电路。(一)功率接口常用器件1．晶闸管晶闸管又称可控硅，是目前应用最广泛的半导体功率开关元件，其控制电流可断晶闸管GTO等三种最基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型(1)单向晶闸管SCRSCR由三个极组成，分别称为阳极A，阴极K及控制极G(又称门极)。它有截止和导通两种稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。导通条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。关断条件是指晶闸持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。2．功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。3.功率场效应晶体管4，固态继电器欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改(二)光电耦合器驱动接口电路设计光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管封装在一起，通过光信号，实现电信号传递的器件。由于光电耦合器输入与输出之间没有直接的电气联系，电信号是通过光信号传递的，所以也称光电隔离器。光电耦合器的发光部分和受光部分不接触，被耦合的两部分自成系统不“共地”，能够实现强电部分与弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。二、机电一体化对检测系统的基本要求基本要求是：精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳三、检测系统设计的任务、方法和步骤检测系统设计的主要任务是：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。检测系统设计的一般步(1)设计任务分析(2)系统方案选择(3)系统构成框图设计(4)环节设计与制造(5)总装调试及实验分析(6)系统运行及考核。四、信号调制与解调电路(一)幅值调制的基本思想是让一个具有特定角频率Wc的高频信号的幅值随被测量x而变所得到的调幅信号的一般表达式为Us=(Um+mx)COSWct式中，Wc是载波信号的角频率；(二)相位调制的基本思想是让一个具有特定角频率Wc的高频载波信号的相位随被测量x(二)频率调制的基本思想是让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量x(调制信号)而变化，则得到的已调制信号中就包含了x的全部信息。在线性调频中，调频信号可以表制深的频率解调又称鉴频或频率检波，常用的方法有微分鉴频、欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改可编辑修改欢迎下载，希望对您有帮助！欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改一、数字信号检测系统的组成模拟信号需先经模／数转换后，再采入微型机进行处理，这将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰，不便于远距离传输。数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输。因此，数字式传感器得到了越来越多的应用。最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测第五章伺服系统设计行动作，从而获得精确位置,速度或力输出的自动控制系统。二、伺服系统的基本结构形式欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改1.比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统动作的偏差信号的环节.2.调节元件是伺服系统的一个重要组成部分，其作用是对比较元件输出的偏差信号进行变换、放大，以控制执行元件要求动作。3.执行元件将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化产品中多采用伺服电动机作为执行元件。4.被控对象是直接实现目的功能或主功能的主体，一般是机械装置，包括传动机构和执5.测量反馈元件是指传感器及其信号检测装置。三、伺服系统的基本类型按被控量的不同可将伺服系统分成位置、速度、力等伺服系统，按所采用的执行元件的不同可将伺服系统分成电气、液压、气动等伺服系统。按控制四、伺服系统的基本要求求，也是伺服系统能够正常运行的最基本条件。一个伺服系统是否稳定，可根据系统的传递函数，采用自动控制理论所提供的各种方法判别。其输出量复现输入指令信号的精确程度。精度是对伺服系统的一项重要的性能要求。设计伺服系统时，只要保证系统的误差满足精度指标要求就可以了。(三)快速响应性快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指上升时间(输出响应从零上升到稳态值所需要的时间)来表征。伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，必须首先满足稳定性要应性。一、执行元件的特点及类型2．液压式主要有液压缸、液压马达等，其优点是输出功率大、动作平稳，但需要相应的液压源，容易污染环境，控制性能不如伺服电动机。欢迎下载，希望对您有帮助！可编辑修改3．气压式主要有气缸、气马达等，其优点是气源方便、成本低、动作快，但输出功率二、伺服系统对执行元件的要求1．惯性小、动力大2．体积小、质量轻3．便于计算机控制4．成本低、可靠性好、便于安装和维修。(二)步进电动机的通电方式和步距角步进电动机绕组每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的A、B、C三相轮流通电一次共需三拍，称为一个通电循环，相应的通电方式又称为三相单三拍通电方各拍中交替出现单、双相通电状态，称为单双相轮流通电方式。采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式，即A→AB→B→BC→C→CA步距角。可通过式计算，式中，k是通电方式系数，当采用单相或方式还可使步距角减小一半，提高步进电动机转角输出的分辨率。(三)步进电动机的主要参数及特性1．步距误差是指空载时实测的步距角与理论的步距角之差，它反映了步进电动机角位移的精度。2.转矩是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩。3．启动矩频特性(如图所示)是指步进电动机在有外加负载转矩时，不失步地正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率(又称启动频率)与负载转矩的对应关系。4.启动惯频特性(如图所示)是指步进电动机带动纯惯性负载启动时，启动频率与转动惯间的关系。5．运行矩频特性(如图所示)是指步进电动机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。步进电动机的输出转矩随运行频率的增加而减小，高速时其负载能力变差。(三)直流伺服电动机的控制方式主要有两种:1.电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；2.励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度来控制电动机的转速和输出转矩。(四)直流伺服电动机的静态特性所谓静态特性，是指电动机在稳态情况下工作时，其转中的可编辑修改子磁场中每极气隙磁通量。此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式Cm关。根据以上各式可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式(六)直流伺服电动机的动态特性直流伺服电动机主要用于闭环或半闭环控制的伺服系统中，其动态性能对整个伺服系统的性能有着重要影响。动态特性的本质是由对输入信号响应的过渡过程来描述的。直流伺服电动机产生过渡过程的原因在于电动机中存在着两种惯性，即机械惯性和电磁惯性。机械惯性是由直流伺服电动机和负载的转动惯量引起的，是造成机械过渡过程的原因；电磁惯性是由电枢回路中的电感引起的，是造成电磁过渡过程的原因。一般而言，电磁过渡过程比机械过渡过程要短得多。因此为简化分析，通常只一、步进电动机的控制与驱动步进电动机正确运转，必须按一定顺序对定子各绕组励磁，产生旋转磁场，实现这一功能的器件称为脉冲分配器或环形分配器，可由硬件电路或软件程序实现。1.硬件脉冲分配器2．软件脉冲分配器软件脉冲分配器是指实现脉冲分配控制的计算机程序。(四)步进电动机的驱动要使步进电动机输出足够的转矩以驱动负载