机电一体化 课本内容汇总

(1)机械本体设计要求：小型轻量(2)动力源设计要求：效率高、可靠性好 3)检测与传感装 置 设计要求：精度高、抗干扰能力强(4)控制与信息处理装置(5)执行机构。
分类（1）功能附加型（2）功能替代型（3）机电融合型 关键技术（1）机械技术。（2）计算机与信息处理技术 。（3）检测与传感器技术。（4）自动 控制技术。（5）伺服驱动技术。（6）系统总体技术。 第二章 稳定是前提，精度和快速响应性是关键 1、传动机构 功能：不仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的一部分，要根据 伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。 2、导向机构 作用：是支撑和导向。 3、执行机构 作用：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定操作，要有较高的 灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。 传动机构性能要求：转动惯量小 摩擦小 阻尼合适 刚度大 抗振性能好 间隙小 常用传动结构：1、无侧隙齿轮传动机构 2、滚珠丝杠副传动机构 3、软轴传动机构 4、同步带传动机构 5、谐波齿轮减速器 6、间歇机构 无侧隙齿轮传动机构 由于机电一体化产品中的传动机构具有自动换向功能，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副 存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措 施消除齿轮传动中的间隙，以保证机构的双向传动精度。 （一）圆柱齿轮传动(1)偏心轴套调整法 电机 1 是通过偏心轴套 2 装到壳体上，通过转动偏 心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的 齿侧隙。不能自动补偿。 (2) 双片薄齿轮错齿法 薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对 回转。斜齿轮 1 和 2 的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少Δt，然后再 用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧， 从而消除了间隙。 结构复杂 但能够自动补偿 （二）斜齿轮传动(1)垫片调整法 其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不 紧凑。(2)轴向压簧错齿调整法（三）锥齿轮传动机构 (1)轴向压簧调整法 (2)周向压簧调整 法 （四）齿轮齿条传动机构 1 滚珠丝杠副工作原理与结构 丝杠和螺母的螺纹滚道间有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，相对运动时 产生滚动摩擦。在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，与螺纹滚动形成循环回路。 滚珠丝杠副特点：①传动效率高。达到 90%~95%。②运动具有可逆性。③系统刚度好。 ④传动精度高。⑤使用寿命长。⑥不能自锁 。需要设置制动装置⑦工艺复杂 A. 滚珠丝杠副的螺纹滚道型面(法向)的形状有单圆弧型和双圆弧型， B 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有 内循环 和外循环两种。 为了提高轴向刚度，常采用止推轴承组合来支撑丝杠。目前常用的轴承组合有以下三种： 双推——自由式（一端固定，一端自由）适用于短丝杠或垂直安装的丝杠。 双推——简支式（一端固定，一端游动）适用于较长的卧式安装丝杠 双推——双推式（两端固定）调节轴承的间隙，并根据预计温升产生的热膨胀量对丝杠进行
表示检测系统所获得的检测结果与被测量真值的一致程度。 ⑶系统的频率响应特性——要求快速响应
一个系统对外界输入信号作出反应的快慢。 （4） 稳定性——避免或减小漂移 （5）线性特性——用非线性度来表示
⑹静、动态特性好
二、模拟式传感器信号的检测
1
模拟信号
量
传
程
感 器
变 换 电
放
解
大
调
器
器
路
检测
滤 波 器
预拉伸。适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 (b) 制动装置 垂直传动时，由于滚珠丝杠副的传动效率高，又无自锁能力，故需安装制动装置以满
足其传动要求。 2 同步带传动副
同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动。利用齿形带的齿形与 带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。 （1）兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便的实现较远距离传动且无相对滑动， 平均传动比较准确。 （2）传动精度高，且带的强度高、厚度小、重量轻，用于低速及高速传动，传动效率高。 （3）在使用中齿形带不需张紧，作用在轴和轴承处的载荷小，传动效率高，在数控机床和 工业机器人中得到了广泛应用。 3 谐波齿轮传动 椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿 则完全脱开。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和 脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。 谐波齿轮传动的优点 ① 传动比大；② 承载能力高；③ 传动精度高，基本无冲击振动；④ 可以向密封空间传递运动或动力；⑤ 传动平稳，传动效率高；⑥ 结构简单、体积小、质量 轻。缺点 ①柔轮和波发生器制造复杂，需要专 门设备，成本较高。②传动比下限值较高。 ③不能做成交叉轴和相交轴的结构。 4 软轴传动机构 有几层紧密缠绕在一起的弹簧钢丝层组成，相邻层的缠绕方向相反。工作时相邻两层钢丝中 一层趋于拧紧，一层趋于拧松，使各层趋于压紧来传递转矩。 （1）主要用于两个传动件的轴线不在同一直线上或工作时彼此要求有相对运动的场合。 （2）可以弯曲地绕过各种障碍物，远距离传递回转运动。 （3）适合受连续冲击，也适合高速、小扭矩的场合，其转速可达 20000r/min ,功率不超过 5.5kW。（4）不适合低速大转矩的传动。 1、导轨的功用： 机电一体化产品的导向结构是导轨，其作用是导向和支撑。 2、导轨的组成 导轨主要由两部分组成:支撑（静）导轨和动导轨。 （2）滚动导轨:磨损少，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可靠，结构复杂，制造 困难，成本高。 3、导轨的基本要求 （1）导向精度：指动导轨沿支撑导轨运动的直线度或圆度。 （2）耐磨性。（3）疲劳和压溃（4）刚度。（5） 运动的灵活性和低速运动的平稳性，避免 爬行现象。爬行现象——运动件在低速运行时，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停。 （6）结构工艺性：注意制造调整维修方便，力求机构简单，工艺性及经济性好。 滚动导轨的特点 1）承载能力大 2）刚性强 3）寿命长 4）传动平稳可靠 5）具有机构自调整 能力 滚动导轨按滚动体形状，分为滚珠导轨、滚柱导轨二种。（b）按导轨截面形状分：矩形和梯 形两种。 四、执行机构⑴手动机械式（2）热变形式（3）磁致伸缩式⑶工业机器人末端执行器 ①机械夹持器 机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束。 圆弧开合型 圆弧平行开合型 直线平行开合型。 ②特种末端夹持器——工业机器人完成某类特定的作业。
系统的
模
运
/
算
数
电
转
路
换
器
组成
显
计 算 机
示
执`
行
机
构
振荡器
3 数字式传感器信号的检测
四、检测信号的采集和预处理
信号的预处理：
信号被采入计算机后由于含有部分干扰信号，因此，在计算机对信号进行分析、运算
前必须去除混杂在有用信号中的这部分干扰信号，这个过程就是信号的预处理。
预处理的目的：去干扰
预处理的方法：
（1）模拟信号输人方式、采样方式及其采样频率的选择。
（2）数字信号的预处理
（3）检测系统的非线性处理。
（4）零位误差、增益误差的补偿和修正等。
传感器 放大
模 采样/保持
Fra Baidu bibliotek
A/D 总
拟
线
传
总线
• •
•
感
A/D
三态缓冲器
CPU
• •
器
多
路
开 关
控制器
多
路检测信号共用一个 A／D 转换器，通过模拟多路开关依次对各路信号进行采样,采样速率
3、功率接口 在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般比较大，而计算机发出的数字控制信 号或经 D/A 转换后得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过功率放大后才能够驱 动被控对象。实现功率放大的接口电路称为功率接口电路。 a. 单向晶闸管（SCR）： <导通条件>：是指晶闸管从阻断到导通所需的条件。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。<截止条件>：是指晶闸管懂导通到阻断所需的条件，晶闸管一旦 导通，控制极就不起控制作用了。只用当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流 即维持电流时，晶闸管才关断。<控制角>：从零电压到被触发导通的瞬间的这段时间所对 应的电度角。<导通角>：从被触发导通的瞬间开始到电压为零这段时间所对应的电度角。 对纯阻性负载有： 控制角+导通角=180 度 b.功率晶体管： （1）功率晶体管的特点：所谓功率晶体管就是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为 电力晶体管，与晶闸管相比，功率晶体管有如下特点；①不仅可以工作在开关状态，也可以 工作在模拟状态。②开关速度远大于晶闸管。③控制比晶闸管容易。④价格高于晶闸管。 光电耦合器 （1）光电耦合器采取电—光—电形式，发光部分和受光部分不接触，被耦合的两部分可以 自成系统不“共地”，能够实现强电部分和弱电部分的隔离，避免干扰由输出通道窜入控制 微机。 （2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收脉冲干扰信号，具有很强的抗干 扰能力。 （3）可靠性高、速度快。 c.光电耦合器（1）光电耦合器采取电—光—电形式，发光部分和受光部分不接触，被耦合 的两部分可以自成系统不“共地”，能够实现强电部分和弱电部分的隔离，避免干扰由输出通 道窜入控制微机。（2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收脉冲干扰信号， 具有很强的抗干扰能力。（3）可靠性高、速度快。 第四章 检测系统设计
A／D 转换过程需要一定时间，在这段时间内外部信号会发生变化，从而使得 A／D 的结果与实际会产生误差，为了防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这 一功能的电路称为采样／保持电路。
四 数字信号的预处理 预处理任务：去干扰 周期干扰:数字滤波方法消除（软件方法） 随机干扰:选用积分为干扰信号周期整数倍的双积分 A/D（硬件方法） 数字滤波优点： （1）数字滤波过程是计算机的运算过程，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配等问题， 可靠性高，稳定性好； （2）可以对频率很低或很高的信号实现滤波； （3）可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数。 但不能代替模拟滤波器？输入信号很小、且有干扰；混叠现象 (1)中值滤波。对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。原 理: 对信号连续进行 n 次采样。然后对采样值排序，并取序列中位值作为采样有效值。 (2)算术平均滤波。原理：对信号连续进行 n 次采样，以其算术平均值作为有效采样值。 适用场合： 该方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果。
1 检测系统的功用及组成 对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测,将其变成系统可识别的电信
号,传递给信息处理单元。 2、检测系统的基本要求 ⑴灵敏度及分辨率。 分辨率是指 系统能检测到的被检测量的最小变化，一般情况下，系统灵敏度越高，其分辨 率就越强，而分辨率高也意味着系统具有高的灵敏度。 ⑵精确度。
低，不能获得同一瞬时的信号。
传感器
采样/ 保持
模 拟
A/D
缓冲器
总 线
多
路
传感器
采样/ 保持
开 关
控制器
(2)多路模拟开关。 它的作用是切换各路输入信号。系统中通常使用公共的采样保持器、放大器及 A／D 转换器 等器件，因此，需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。
(3)模拟信号采样与保持。 采样，就是连续信号的离散化。 香侬(Shannon)采样定理——合理选择采样频率 为了保证在采样过程中不丢失原来信号中所包含的信息，采样频率必须按照香侬(Shannon) 采样定理来确定，即要求 fs≥2fmax 式中 fmax 为被采原信号 f(t)的最高有效频率。在实际应用中，常取 fs ≥ (5～10) fmax 采样／保持电路
a．真空吸附手 b．电磁吸附手 c. 灵巧手 第三章 人机接口是指操作者（人）和计算机间的接口。 人机接口 常用输入设备：开关、拨码盘、键盘等。 常用输出设备：显示器（LED、LCD、CRT）、打印机、喇叭等。 1、专用性 2、低速性 3、高性能价格比 机电接口是指机电一体化产品中机械装置与控制微机之间的接口。按信息传递的方向可分为 信息采集接口和控制输出接口。 1、A/D 转换接口及主要技术指标
信息采集接口中模拟模拟放大电路与 CPU 的接口。由 A/D 芯片完成。 常用的有双积分式和逐次比较式两种。 双积分式的转换速度慢，精度高； 逐次比较式的转换速度快。 2、D/A 转换接口 在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量做控制信号，而计算机只能输出数字量， 这就要求将计算机输出的数字量通过 D/A 转换接口（D/A 转换器）转换成模拟量。
机电一体化（个人整理 参考看 一定还要看看课本）
机电一体化——是在机械的主功能、动力功能、信息处理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。 机电一体化产品一般都具有五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能，控制功能和构 造功能。而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体和系统。