机电系统设计

第一章 绪论 一、机电一体化产品1、按机电结合程度和形式分类（1）、功能附加型（2）、功能替代型（3）、机电融合型2、机电系统的构成要素机电一体化系统功能组成：系统必须具有以下三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能、传递(移动、输送)功能和储存(保持、积累、记录)功能。

不管哪类系统（或产品），其系统内部必须具备如所示的五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。

机电一体化系统的构成要素1. 机械本体: 机身、框架、等。

2. 动力系统：电源、电机及电路等。

3. 传感与检测装置：传感器及检测电路4. 信息处理及控制系统：计算机硬件、软件5. 执行装置：机械传动、操作机构相互补充，相互协调，共同完成产品功能。

3、传感检测技术主要技术：(1)、可靠性、抗干扰性(2)、提高灵敏度和精度(3)、集成化(4)、智能化(5)、微型化4、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装置。

能源部信息处理信息驱动部执行元机械本检测部执行元件分为电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件．驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。

所谓“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。

机械动作在控制指令的指挥下，控制执行元件，使机械运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。

液压、气动驱动系统比较复杂。

包括：泵、阀、油缸（气缸）、过滤器、管路等。

目前存在着功能、可靠性、标准化以及减轻重量、减小体积等问题。

电机作为驱动机构已被广泛采用。

5、机电一体化的特点机械部分：可承受较大载荷；实现微小运动和复杂运动困难。

电子部件：利用传感器和计算机可实现复杂检测与控制；无法承受较大载荷。

机电结合：可在重载条件下实现微小运动和复杂运动。

特点（1）体积小、质量轻（2）速度快、精度高（3）可靠性高（4）柔性好第二章机电一体化系统传感器与检测系统1、传感器基本概念传感器是借助检测元件将一种形式的信号转换成另一种形式的信号的装置。

2、相关概念敏感元件：是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置。

如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。

传感元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。

基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。

3、分类：1)、按被测物理量的性质分; 位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；2)、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3)、按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型) 、数字型和模拟型.5、分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。

6、零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。

第二节线位移检测传感器一、光栅位移传感器光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。

特点：测量精确度高（可达±1μm）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。

其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。

莫尔条纹具有如下特点：1、莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。

当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距W ，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B ，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。

2、莫尔条纹具有位移放大作用。

莫尔条纹的放大倍数为可见θ 越小，放大倍数越大。

实际应用中，角的取值范围都很小。

例如当θ =10′时，K=1/θ=1/0.0029rad ≈345。

3、莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。

1B K W θ=≈特点：成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。

（一）感应同步器的结构直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。

测量方法1、相位工作法当滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压时，定尺感应电势相应随滑尺位置而变。

2、幅值工作法在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压三、磁栅位移传感器磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的检测。

主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。

特点：结构简单、使用方便、动态范围大（1~20m）和磁信号可以重新录制。

缺点：需要屏蔽和防尘。

它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路等部分组成。

磁尺是采用录磁的方法磁头把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。

四、激光式线位移传感器激光测距——它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。

特点：激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点应用：在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运动速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范围为500～2000公里,误差仅几米。

目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。

激光位移测量系统也叫激光测距系统，能大范围远距离测距，可以测几千米至几十千米的距离。

具体测量方法有三种：脉冲测距法，相位差测距法，激光三角法。

测量精度取决于时间间隔测量精度（脉冲窄，响应速度快）。

第三节角位移检测传感器（一）电位器式角位移传感器（二）旋转变压器旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。

特点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好。

旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。

（三）电容式角位移传感器绝对式编码器绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。

编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。

光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。

例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种，如读成1111、1011、101、…0001等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。

2.增量式编码器指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。

它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成第四节接近传感器与超声波距离传感器（一）接近传感器接近传感器，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。

能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。

分类：1、感应型：利用交流磁场的变化；检测对象物：金属、铁、铝、黄铜、铜等。

2、静电容量型：利用电容的变化；检测对象物：金属、树脂、液体、粉末等。

3、磁力型：利用磁的变化；检测对象物：磁石第五节传感器的选用原则1、平均技术：误差平均效应（多个传感器同时检测一个量）和数据平均处理（多次重复测量一个量）；2、差动技术：消除零位输出和偶次非线性项，抵消共模误差、减小非线性项；3、稳定性处理：对传感器的材料进行时效处理；4、屏蔽和隔离：抵制干扰，削弱温度、湿度、机械振动的影响。

一、传感器选择方法（一）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

1、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。

3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

4、线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

5、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

第三章伺服系统第一节伺服系统的概述一、什么是伺服系统伺服系统－也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。

二、伺服系统的基本类型按被控量的不同：位置伺服系统速度伺服系统力伺服系统按执行元件的不同：电气伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统等。

按控制方式不同：开环伺服系统，闭环伺服系统，半闭环伺服系统。

三、伺服系统的结构组成机电系统的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括比较环节、控制器（调节元件）、执行环节、被控对象、检测环节等五部分。

1.比较元件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。

以获得输出与输入间的偏差信号的环节。

通常由专门的电路或计算机来实现。

2.调节元件（控制器）控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。

3.执行元件执行元件的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。

机电系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。

4.被控对象是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。

5.检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

四、伺服系统的基本要求第二节伺服系统的执行元件概述二、执行元件的基本要求1、惯量小、动力大2、体积小、重量轻3、便于维修、安装4、宜于微机控制常用伺服控制电动机的控制方式主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。