机电一体化课件

机电一体化
课程总结
2012年5月
考试题型

简答题：64分（6题）

基本概念和原理

应用题：36分（3题）

计算、分析及应用

考试时间：120分钟 考试形式：闭卷
第一章 绪 论


1 机电一体化的定义 2 机电一体化的特点 3 机电一体化的构成 4 机电一体化的关键技术
1 机电一体化的定义

动力与驱动


检测与传感


控制及信息处理


执行机构

系统的基本组成？各包含哪些部分？
机械本体： 执行装置： 动力： 检测与传感： 控制：
手臂的连接部分和安装支架等 气缸 气压系统的气压源 接近传感器、磁性传感器、手爪传感器
4 机电一体化关键技术

机械技术 计算机与信息处理技术 传感器与检测技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术 系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的 结合起来，以实现整体最优。 其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接 口、人机接口
Tm J1 B11 T1 1 T2 J 2 B22 T3 2 T J B T
4 3 3 3 3 L
14
M
TmJ Z
11
1
T
1
T2
J2 θ2
Z3
T3
J3
T4 3 Z2 齿轮传动系统 Z4
L TL
可得动力学方程式：
2 滚珠丝杠传动
主要尺寸参数
滚珠螺母 钢球
α
DW
Dpw d0 d1
Ph
l1

滚珠丝杠

主要参数：公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径 公称直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直 径。 行程l：丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 螺距t：丝杠相对螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 螺距根据精度确定.精度高时选小螺距。
60 f zN
脉冲当量、减速比与步距角的关系
i= θ ·S/（360·Δ）
工作原理
1 三相单三拍
U1 V2
4 3 W1 3 2 U2 4 1 2 V1 W1 1
通电顺序： U 相→V 相→W 相→U 相。
一步 W2
U1 V2
4 3 U2 1 2
两步 W2
U1 V2
W2
V1
W1 U2
V1
① U 相通电
该方式的丝杠上有基本导程(或螺距)不同的两段 螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母 1的移动距离为 ，如果两基本导程的大小相差 较少，则可获得较小的位移 。这种传动方式多 用于各种微动机构中。
2 同步带传动的特点


传动比准确、传动效率高 工作平稳，能吸收振动 不需要润滑、耐油水、耐高温、耐腐蚀、维 护保养方便 中心距要求严格，安装精度要求高； 制造工艺复杂，成本高
+
Ra ia
La eb
ua
if
J Mθ
B
-

当激磁磁场不变时，转矩M正比于电枢电流，即
M=Kia，式中K为转矩常数。
当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动的角速度，
即
eb Kb
式中：Kb为反电势常数。
+ ua -
Ra
La eb if J Mθ B
Hale Waihona Puke Baidu
ia
电枢回路的微分方程为：
Z2 T 2 T1 Z1 Z4 T 4 T3 Z3
Z3 Z1 3 2 2 1 Z4 Z2
Z3 Z1 Z 3 3 2 1 Z4 Z2 Z4
例2：求电枢控制式直流电动机系统的传递函数

令加到电枢两端的电压ua为输入信号，电机有一个固定磁场， if为磁场电流，电枢回路中的电阻、电感分别为Ra， La，电枢 电流为ia ，M为电动机轴上产生的转矩，J、B分别为换算到电 机轴上的等效转动惯量和等效圆周粘性阻尼系数， eb为反电 动势。当系统输出信号为电动机的转角θ，求系统传递函数。
工作台
指令 数控 进给 步进电机 输入 装置 脉冲 驱动器
步进 电机
齿轮箱
解

步距角
θ= 360° zN
360 0.75度 80 6

传动系统（齿轮减速比）
z1 S 0.75 6 5 i 1.25 z2 360 360 0.01 4

2 自补偿原理:自增强，自平衡，自保护




5 力平衡原理 6 等强度原理 7 稳定性原理 8 降低噪声原理
第三章

数学模型的建立

机械传动系统 控制电机


传递函数 方框图
例1：齿轮传动的动力学分析


如图所示齿轮传动链，有电机M输入扭矩为Tm, L为输出端 负载， TL为负载扭矩。图示Z1、Z2 、Z3 、 Z4 为各齿轮齿 数； J1 、 J2 、 J3 及θ1 、θ 2 、θ 3分别为各轴及相应齿轮的 转动惯量和转角。 B1 、B2 、B3为传动中各轴及齿轮的阻 kJ 尼系数。设各轴均为绝对刚性，即扭转弹簧常数 建立系统微分方程模型。



谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG 略大于柔轮的齿 数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时 ZG 与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u，错 齿是运动产生的原因 ZR 波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当 波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变 形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的 轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮 轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开 的过程之间则处于啮出或啮入状态。 波发生器的旋转方向与柔 轮的转动方向相反。 当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形 ，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的 过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的 错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运 动传递。
3 机电一体化的基本构成

机械本体


机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能 要求：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观 为执行装置提供能量并转换成需要的形式，实现动力功能 要求：高功率密度比，可靠性好 检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能 要求：体积小、精度高、抗干扰 存储、分析、运算、决策，实现控制功能 要求：高可靠性、柔性、智能化 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现 主功能
3 步进电机
一拍 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍 步距角 每一拍转子转过的角度。
3 步进电机
概念
一拍 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍 步距角 z ：转子齿数 360° θ= N ：拍数 每一拍转子转过的角度。 zN 转速

一个θ → 转 (1 / zN ) 圈 n= 脉冲频率为 f → 每秒转 ( f / zN ) 圈
机 械 学
电子学 机电一 体化 信息科学
2 机电一体化的特点

本质：将电子技术引入机械控制中，也就是 “利用传感器检测机械运动，将检测信息输入 到计算机，经计算得到能够实现预期运动的控 制信号，由此来控制执行装置”。




综合性与系统性：电子技术、信息技术、自动控制 与机械技术结合 小型化、轻型化、微型化 高精度、多功能 高可靠性 柔性化、智能化 知识密集
中心轮1固定， 双联齿轮2—3为行星轮， H为运动输入构件， 中心轮4为运动输出构件。 机构的自由度为1，基本构件为两 个中心轮2K 和一个系杆H ，故称 为 2K-H型行星轮系 1 iH 4 传动比 zz 1 1 3 z2 z4
2
3
5
H
4
1
图4-11 行星轮系传动
谐波齿轮传动 工作原理—齿差与变形
Tm J1 B11 T1 ① 1 T J B T
2 2 2 2 2 3
M
Tm Jeq
②
θ Beq 1
L
Te
q
T4 J3 B33 TL ③ 3
将各轴转动惯量、阻尼及负载转换到电机轴，列出
Tm与θ1间的微分方程，由齿轮传动的基本关系可知：
负载的变化 传动链惯性 传动链固有频率 间隙、摩擦、润滑和温升

机械传动设计


传感与检测系统设计 接口设计 微控制器的设计
3 结构设计的基本原理

1 任务分配原理


相同功能的任务分配 不同功能任务分配 3 结构实际变元： 数量变元；形状变元；材料变元；顺序变元 4 力传递原理：力流路线直接、最短；力流转向平缓
D
φ
（2）基本传动形式
因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴 承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单， 可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不 宜太长，刚性较差。因此只适用于行程较 小的场合。 该传动形式需要限制螺母的转动。故 需导向装置。其特点是结构紧凑、丝 杠刚性较好。适用于工作行程较大的 场合。
该传动方式结构简单、紧凑， 但在多数情况下，使用极不 方便，故很少应用。
1轮系传动
行星传动

主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。

原理：它有一个轴线位置固定的齿轮叫中心轮或太阳轮，在太 阳轮边上有轴线变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮叫行 星轮，行星轮的支持构件叫行星架，通过行星架将动力传到轴 上，再传给其它齿轮。它们由一组若干个齿轮组成一个轮系， 只有一个原动件，这种周转轮系称为行星轮系。
第二章 机电一体化设计基本原理及方法

1 机电一体化设计的一般步骤 2 详细设计的主要内容 3 结构设计的基本原理
1 设计步骤
市场调研
概念设计
详细设计
功能原理方案设计
结构设计
控制系统设计
2 详细设计的基本内容

机械本体设计


线性传动部件 非线性传动部件 特殊传动部件 支撑部件
式中
JRa Tm 为电机时间常数； BRa KK b Km K 为电机增益。 BRa KK b

电枢控制直流电机的传递函数可看作由比 例、积分和惯性环节组成
第四章 机械传动与驱动系统的设计
1 轮系传动的基本原理以及传动比的推导（行星轮系、谐波 齿轮） 2 丝杠螺母传动（基本传动形式滚珠丝杠副的相关定义） 3 挠性传动系统（同步带传动特点与分类） 4 步进运动机构（种类） 5 步进电机原理（拍、步距角、驱动脉冲频率之间的关系）
② V 相通电
三步
③ W 相通电
※ 步距角：θ = 30°
例1：

某步进电机有80个齿，采用3相6拍方式驱动，经丝杠螺 母副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程为6mm，求： 1、步进电机的步距角 2、当脉冲当量要求为0.01mm时，试设计此传动系统 3、要求电动机转速为60r/min，输入脉冲频率为多少？工 作台的直线运动速度是多少？


机电一体化技术又称为机械电 子技术，是机械技术、电子技 术、信息技术、自动控制技术 等相关技术的综合 “机电一体化” 被称为 “Mechatronics”，是日本人在 20世纪70年代提出来的，它 取机械学（Mechanics）的前 半部分和电子学（Electronics） 的后半部分组合起来构成的新 词，意思是机械技术和电子技 术的有机结合
三式联立求得传递函数：
( s) K U a ( s) s[(La s Ra )(Js B) KK b ]
由于电枢回路中的电感La很小，忽略不计，即La ≈0，传递函数简化为：
( s) K Km U a ( s) s[ Ra Js BRa KKb ] s(Tm s 1)
dia La Ri a eb u a dt

电机轴上的转矩平衡方程为：
J B M
即
J B Kia
+
Ra ia
La eb if J Mθ B
ua

对以上各式进行拉氏变换，得：反电动势方程： Eb ( s ) Kb s( s )
电枢回路电压方程： La sI a ( s) RIa ( s) Eb ( s) U a ( s) 转矩平衡方程： ( Js2 Bs)( s) KI a ( s)
谐波齿轮传动的特点





谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、 刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为 主动，另一个为从动。 传动比大，外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效 率高达92％~96％，单级传动比可达50~4000。 承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且 滑动速度小，齿面摩损均匀。 柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高 时，可实现无侧隙的高精度啮合。 谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封 空间传递运动。