机电一体化复习资料整理总结

第一章
1、机电一体化系统的构成要素与功能特征
五大功能构成要素：机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机)五个子系统组成。

·
2、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：
1) 机电互补法
机电互补法又称取代法。

该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。

例如：用PLC或计算机取代机械式的变速器、凸轮机构、离合器等。

可简化机械结构、提高性能。

2) 结合(融合)法
它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。

例如：将电机的转子轴作为扫描镜的转轴。

3) 组合法
它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。

3、机电一体化系统的设计类型
1）开发性设计
它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。

2)适应性设计
它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。

3)变异性设计
它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。

第二章
1.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。

（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.滚珠丝杠副特点
具有传动阻力小；传动效率高（92%~98%）；轴向刚度高；传动平稳；传动精度高；不易磨损、使用寿命长等优点；
缺点:但不能自锁；因而用于高精度传动和升降传动时，需制动定位装置。

3.消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：
双螺母螺纹预紧调整
特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便; 但不能精确定量调整。

双螺母垫片式预紧调整
特点：结构简单，刚性高，预紧可靠； 但使用中调整不方便。

双螺母齿差式预紧调整
可实现定量调整，使用中调整方便。

弹簧式自动预紧调整
能消除在使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙；但结构复杂，轴向刚度低；适用于轻载场合。

单螺母变导程预紧调整四种方式。

结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难。

轴向间隙调整目的：保证反向传动精度
预紧目的：提高刚度
4.配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的位移、速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。

5.传动比分配原则
当选定执行元件（步进电机）步距角 α、系统脉冲当量δ和丝杠基本导程Ph 之后，其减速比i 应满足匹配关系式为
δα︒=360h P i r g
H g H r H rg Z Z i =--=ωωωω
柔轮的齿数刚轮的齿数
波形发生器的角速度
柔轮的角速度
刚轮的角速度
----------r g H r g Z Z ωωω
7.常用齿轮传动齿侧间隙的调整方法
(1) 圆柱齿轮传动
1）偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法：
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
2）轴向垫片齿侧间隙调整法
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。

3）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。

. (2)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。

8.导轨副的组成、种类及应满足要求
组成：主要由定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成。

导轨副的种类
按运动方式可分为：直线运动导轨、回转运动导轨。

按接触表面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。

基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好，热温变形小以及结构工艺性好等。

在高精度导轨副中，可采用卸荷装置等方法减小导轨面的承载载荷，提高导向精度。

导轨运动灵活性和低速运动平稳性要求主要包括：灵活性和低速运动平稳性。

导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。

精度保持性要求：指导轨副表面的耐磨性（耐磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。

主要包括：初期耐磨性和耐磨精度保持性两部分，以及耐磨精度失效特性。

温度敏感性——指导轨在环境温度和导轨运动摩擦发热的影响下，导轨运动灵活性、平稳性、导向精度产生变化的反映程度。

工艺性要求——结构简单、制造容易、装配调整、维修维护、检测方便，生产成本低。

9.滑动导轨副的截面形状及其特点
(1)分对称型和非对称型三角形导轨。

特点：在垂直载荷作用下，具
有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高。

为防止因振动或倾翻载荷引起两导向面较长时间脱离接触，应有辅助导向面并具备间隙调整能力。

但存在导轨水平与垂直误差的相互影响，为保证高的导向精度（直线度），导轨面加工、检验、维修困难。

对称型导轨——随顶角增大，导轨承载能力增大，但导向精度降低。

非对称导轨——主要用在载荷不对称的时候，通过调整不对称角度，使导轨左右面水平分力相互抵消，提高导轨刚度。

(2)矩形导轨
特点：
导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置；
承载面（顶面）与导向面（侧面）分开，精度保持性好；
导轨面较宽，承载能力大，刚度大；
水平和垂直方向的位置各不相关，安装、调整、制造、检验和修理方便。

(3)燕尾形导轨的特点
特点：
导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。

两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可调节水平与垂直方向的间隙;
高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩;
刚度较差，摩擦力较大;
制造、检验和维修都不方便。

用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。

（4）圆形导轨的特点
特点：
磨损后很难调整和补偿间隙；
制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合；
圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合；
圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。

若要限制转动。

可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。

10.机座或机架的作用及基本要求
机座或机架是支承其它零部件的基础部件。

它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。

（1）刚度与抗振性
2.）热变形
减小热变形的措施：
（1）控制热源，除了控制环境温度之外，对机座或机架内的热源(如强光源、电动机等)也要严格控制。

（2)采用热平衡的办法，控制各处的温差，从而减小其相对变形。

（3）稳定性
第三章
1.电机调速
电枢控制：通过调节电枢电压Ua来控制转速的方法。

磁场控制：通过调节磁通Φ来控制转速的方法。

伺服系统中多采用电枢控制。

n和Ua之间是线性关系。

直流电机一般用电压调速即脉冲宽度调制
Pulse Width Modulation（PWM）
调整占空比，调整平均电压
交流伺服电动机的调速方法
同交流电动机的转速用下式表达：n=60f/p
f为定子供电频率；p为定子线圈的磁极对数；n为转子转速。

改变交流伺服电动机的供电频率可改变电机转速。

因此，变频器是永磁式交流伺服电机调速控制的一个关键部件。

步进电机改变脉冲频率实现调速，转向需改变定子绕组通电相序
控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移
控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速
控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动方向
2.通电方式
1.单相通电方式：“单”指每次切换前后只有一相绕组通电。

正转：A一B一C一A时，转子按顺时针方向一步一步转动。

反转：A一C一B一A时，转子按逆时针方向一步一步转动。

2.双拍工作方式：“双”是指每次有两厢绕组通电。

正转：AB-BC-CA-AB
反转：AC-CB-BA-AC
3.单、双拍工作方式：单双两种通电方式的组合应用
正转：A-AB-B-BC-C-CA-A
反转：A-AC-C-CB-B-BA-A
3.步距角计算
θb=360°/m*Z*C
式中：m一定子相数、Z一转子齿数、
C一通电方式C=1单相轮流通电、双相轮流通电方式。

C=2单、双相轮流通电方式
转速与脉冲频率关系
n=α60°f/360° =60°f/mzk
当步距角为α与系统脉冲当量为δ和丝杠基本导程为l0的条件下，减速比的匹配关系：
δα︒=3600
l i
4.启动频率与连续运行频率
空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，（加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。

步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。

而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。

）
连续运行频率
步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，（称为连续运行频率。

其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。

）
脉冲分配器就是实现该功能的。

实现方法有三种：
① 软环分；
软环分：利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。

以下图所示的微机控制三相步进电机为例，对其软环分状态进行详细介绍。

特点：该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。

但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。

② 采用小规模集成电路搭接；
图3.15为用双稳态触发器C1、C2、C3搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，利用这种方式可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间，但柔性较差，硬件一旦完成就不易修改。

②采用专用环形分配器器件
利用专门芯片，它可以实现三相步进电动机的各种环形分配（双三拍，单六拍等），使用方便、接口简单。

6.细分电路
步距角已由步进电动机结构所确定。

如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分。

这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。

这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。

细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。

但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。

第四章
单片机控制步进电机实验
GATE：门控位＝0：定时器/计数器仅受TR的控制
＝1：只有/INT0（或/INT1）为高电平，且TR=1时，定时器/计数器才工作
C(/T)：功能选择位＝0：定时功能＝1：计数功能
M1、M0：工作方式选择位
＝00 方式0 ＝01 方式1
＝10 方式2 ＝11 方式3
方式0 最大定时16.384ms
计数值：
N = 8192 - x
计数初值x是TH0、TL0设定的初值。

x = 8191时为最小计数值l，x = 0时为最大计数值8192，即计数范围为1～8192。

定时时间：
Td = (8192-x) ×Tcy
或 Td = (8192-x)×Tcp×12
方式1 最大定时131.072ms
计数值：
N = 65536 - x
定时时间：
Td = (65536-x) ×Tcy
或 Td = (65536-x)×Tcp×12
方式2最大定时512us
N = 256 - x
定时时间：
Td = (256-x) ×Tcy
或 Td = (256-x)×Tcp×12
特点：自动重装
：
0000H：80C51复位后，PC = 0000H，即程序从0000H开始执行指令。

0003H：外部中断0入口。

000BH：定时器0溢出中断入口。

0013H：外部中断1入口。

001BH：定时器l溢出中断入口。

0023H：串行口中断入口。

002BH：定时器2入口（仅52子系列有）。

•向TMOD写工作方式控制字；
•向计数器TL、TH装入初值；
•置ET=1，允许定时器/计数器中断（若需要时）；
置EA=1，CUP开中断（若需要时）。

•置TR=1，启动计数；
在程序存储器中，以下单元具有特殊功能
方波的周期用T0来确定，让T0每隔1ms计数溢H1次，既T0每隔1ms产生一次中断，CPU相应中断后，在中断服务程序中对P1.0取反。

(1)计算初值X
设初值为X,则有：
(216-X)×2×10-6-1×10-3
216-X=500
得X=65036
X转化为16进制！
即X=FE0CH。

所以，T0的初值为：
TH0=0FEH
TL0=0CH
(2)初始化程序设计
方式一定时时间：Td = (65536-x) ×Tcy
单片机机器周期Tcy为2微秒
360/1.8=200，即两百个脉冲转一圈
转300圈需要300*200=60000个脉冲，每秒60000/60=1000个脉冲
周期T=1/f=1/1000=1ms
PTO脉冲占空比为50%,
65536-x=250
X=65286
65286=16#0FF06C
ORG 0000H
RESET: LJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP ITOP ;转T0中断处理程序IT0P
ORG 1000H
MAIN: MOV SP,#60H
MOV P1,#00H
MOV TMOD,#01H ;设T0工作在方式1
MOV TL0,#06H ;T0设初值
MOV TH0,#0FFH
SETB ET0 ;允许定时器/计数器中断
SETB EA ;中断总允许
HERE: JB P2.0 ,HERE ;p2.0负跳变时启动电机
SETB TR0 ;定时器/计数器开始工作
HERE1: JB P2.2 ,HERE1 ;p2.2负跳变时换向
CPL P1.1 ;方向取反
HERE2: JB P2.1,HERE2 ;p2.1负跳变时停止电机
CLR TR0 ;定时器/计数器停止工作
SJMP HERE
ITOP: MOV TL0,#06H ;T0中断子程序，重装初值
MOV TH0,#0FFH
DJNZ B,LOOP
CPL P1.0 ;取反，产生脉冲信号
END
数码管
LED是由若干个发光二极管组成的。

当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。

控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。

这种笔划式的七段显示器，能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。

发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。

静态显示:当显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。

例如七段显示器的a、b、c、d、e、f导通，g、dp截止，显示0。

静态显示的特点是：
每一位都需要一个8位输出口控制，用于显示位数较少（仅一、二位）的场合；
较小的电流能得到较高的亮度
动态显示：一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)。

对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。

显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。

按键
可分为独立式按键和行列式键盘。

当单片机控制系统中只需要几个功能键时，可采用独立式按键结构。

独立式按键是直接用I/O口线构成单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用行列式（也称行列式）键盘。

用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。

可以节省I/O口线。

键盘工作原理:行列式键盘的按键设置在行、列线交点上。

行线通过上拉电阻接到+5V上。

当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。

这是识别按键是否按下的关键。

然而，行列式键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定有无按键按下，及按键的位置。

消抖
触点式按键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。

其抖动过程如图所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5 10 ms。

在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。

为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。

这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。

在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。

步，有向连线，转换条件
LSCR SCRT SCRE
机电有机结合的稳态设计考虑方法
在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系统总体方案的稳定性设计——静态设计，为机电系统的动态设计创造条件。

系统稳态设计目的
使控制被控对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学、动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。

稳态设计方法研究的主要内容或步骤：
①使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。

②执行元件的参数选择。

③功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。

④各主要元件的选择与控制电路的设计。

⑤信号的有效传递。

⑥各级增益的分配。

⑦各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。

⑧系统总体方案的确定。

稳态设计方法内容：
（1）负载分析。

（2）执行元件匹配选择。

（3）机械传动比选择与各级减速比确定原则。

（4）检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。

（5）机电系统数学模型的建立。

（6）分析研究系统的稳态特性。