机电一体化系统设计复习资料解析

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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计复习资料解析复习资料解析一、绪论目的：目的：对什么是“机电一体化”有初步的感性认识，了解机电一体化系统的概念，基本组成及相关技术。重点：重点：掌握组成机电一体化系统的五大组成部分即机械系统、控制系统、能源动力系统、执行单元、检测传感器等的功能。物质、能量和信息物质、能量和信息(即工业三大要素即工业三大要素)机电一体化系统须具有以下三大“目的功能目的功能”：变换变换(加工、处理)功能、传递传递(移动、输送)功能和储存储存(保持、积累、记录)功能。机电一体化机电一体化的外文名词是机电一体化机电一体化的外文名词是 Mechatronics ，来源于日本（，来源于日

2、本（70年代）。年代）。取英语取英语Mechanics（机械学）的前半部和（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成。（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为我国通常称为机电一体化或机械电子学机电一体化或机械电子学；思考题： 1.1.机机电电一一体体化化的的涵涵义义、目目的的、特特征征、基基本本组组成成要素以及分别实现哪些功能要素以及分别实现哪些功能? ? 2. 2. 工工业业三三大大要要素素指指的的是是什什么么？机机电电一一体体化化设设计的目标是哪些？计的目标是哪些？ 3. 3. 机机电电一一体体化化的的接接口口功功能能有有哪哪些些？根根据据不不同同的接口功能试说明

3、的接口功能试说明接口的种类接口的种类。 4. 4. 说说明明机机电电一一体体化化系系统统设设计计的的设设计计思思想想、方方法。法。 5. 5. 开发性设计、变异性设计、适应性设计有开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同何异同？二、机械系统部件的选择与设计机械系统部件的选择与设计 目的：目的：通过本章的学习，把已学过的一些机械设计的初步知识运用到系统中，并进一步学习一些典型的机械结构设计方法。重点：重点：突出在机电一体化系统中常用的机械传动装置的设计和选用，以及主要机械结构如主轴组件、导轨、支承件在设计时应注意的问题。难点：难点：常用的传动装置如滚珠丝杠副、同步齿轮带等的选择及设计计算。技巧

4、注意事项：技巧注意事项：因为该部分内容与所学过的机械设计课程联系紧密，学生必要时应该复习以前内容。2.2 传动部件的选择与设计传动部件的选择与设计常用传动部件常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，及齿形传动、高速带传动，及各种凸轮、连杆各种凸轮、连杆其它其它非线性非线性传动元件。传动元件。其其主要功能主要功能是是传递转矩和转速传递转矩和转速。因此，它。因此，它实实质质上是一种转矩、转速上是一种转矩、转速变换器变换器。目的目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。方面得到最佳匹配。（2）滚珠的循环方式

5、）滚珠的循环方式滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环内循环和和外外循环循环两种。两种。内循环：内循环： 滚珠在循环过程中滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触始终与螺杆保持接触的循环的循环叫内循环。叫内循环。外循环：外循环： 滚珠在返回时与螺杆脱离滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不接触的循环称为外循环。按结构的不同同,外循环可分为外循环可分为螺旋槽式、插管式螺旋槽式、插管式和和端盖式端盖式三种。三种。五、轴向间隙的调整五、轴向间隙的调整 轴向间隙通常是指轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺

6、母之间的最大轴向窜动。除。除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。 滚珠与螺母原有的间隙滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程空程，从而影，从而影响机构的传动精度。响机构的传动精度。通常采用通常采用双螺母双螺母预紧预紧的方法的方法消除间消除间隙，提高刚度。隙，提高刚度。 常用调整结构形式：常用调整结构形式： 垫片调隙式垫片调隙式 螺纹调隙式螺纹调隙

7、式 齿差调隙式齿差调隙式 变位螺距调隙式变位螺距调隙式（不常用）（不常用）当螺旋机构中存在间隙，若螺杆当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的转动方向改变，螺母不能立即的转动方向改变，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某产生反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运一角度后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为动，这种现象称为空回空回。 轴向间隙包括两部分轴向间隙包括两部分 “齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器”一、一、 齿轮传动系统的总传动比及其分配齿轮传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的设计机电一体化齿轮传动系统

8、，主要是研究它的动力学动力学特性特性。 2.2.4 齿轮传动齿轮传动 1.最佳总传动比最佳总传动比 由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使统中常采用使负载加速度最大的方法负载加速度最大的方法。二、二、 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法 (1) 圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动 (a) 偏心套偏心套(轴轴)调整法调整法 如右图所示，将相互啮合的如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮一对齿轮中的一个齿轮4装装在电机输出轴上，并将电机在电

9、机输出轴上，并将电机2安装在偏心套安装在偏心套1(或偏心轴或偏心轴)上，通过转动偏心套上，通过转动偏心套(偏心轴偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。不能自动补偿。 2.2.4 齿轮传动齿轮传动1偏心套2电动机3减速箱4和5减速齿轮 齿轮啮合间隙会造成齿轮啮合间隙会造成传动死区传动死区，若死，若死区在闭环系统中，则可能造成系统不稳区在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使得系统产生以定，常会使得系统产生以15倍的间

10、隙倍的间隙而进行的低频振荡。而进行的低频振荡。 为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高的齿轮传动副。但的齿轮传动副。但为了降低制造成本为了降低制造成本，则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除或减小啮合间隙，以提高传动精度和系或减小啮合间隙，以提高传动精度和系统的稳定性。统的稳定性。 (b) 轴向垫片调整法轴向垫片调整法 如如右右图图所所示示，齿齿轮轮1和和2相相啮啮合合，其其分分度度圆圆弧弧齿齿厚厚沿沿轴轴线线方方向向略略有有锥锥度度，这这样样就就可可以以用用轴轴向向垫垫片片3使使齿齿轮轮2沿沿轴轴向向移移动动，从从而而消消除除两两齿齿轮

11、轮的的齿齿侧侧间间隙隙。装装配配时时轴轴向向垫垫片片3的的厚厚度度应应使使得得齿齿轮轮1和和2之之间间既既齿齿侧侧间间隙隙小小，运运转转又又灵灵活活。特特点点同同偏偏心心套套(轴轴)调调 整整 法法。2.2.4 齿轮传动齿轮传动1 1、2-2-齿轮齿轮 3-3-垫片垫片(c) 双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片可相对转动的薄成宽齿轮，另一个用两片可相对转动的薄齿轮组成齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿。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侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别

12、紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，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。反向时不会出现死区。具体措施有：具体措施有： （1）周向弹簧式）周向弹簧式 （2）可调拉簧式）可调拉簧式 2.2.4 齿轮传动齿轮传动小结：齿轮传动传动链的级数和级比的选择小结：齿轮传动传动链的级数和级比的选择 总原则：尽量采用较大传动比的单级传动尽量采用较大传动比的单级传动配置传动比的目的配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的：满足驱动元件与负载之间的位移位移位移位移、速度速度速度速度、加速度加速度加速度加速度、传动精度传动精度传动精度传动精度（误差）（误差）（误差）（误差）相互匹配的

13、基本要求。相互匹配的基本要求。多级传动时，遵循如下的原则：1、最小等效转动惯量原则、最小等效转动惯量原则 传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时， i 的分配各级相等；大功率传动时， i 的分配先大后小。对数减少传动精度提高三、三、 谐波齿轮传动谐波齿轮传动1、谐波齿轮传动原理、谐波齿轮传动原理 利用行星轮系传动原理，利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮波发生

14、器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力。相对位移，传递运动和动力。 由三个基本构件组成：波由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮，其实质发生器、柔轮、刚轮，其实质是一种新型减速器。是一种新型减速器。波发生器是行星轮系的转臂刚轮是中心轮柔轮是行星轮2.2.6间歇传动部件 在机械和仪表中，常常需要原动件在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而从动件则产生周期性作连续运动，而从动件则产生周期性时动时停的间歇运动，实现这种间歇时动时停的间歇运动，实现这种间歇运动的机构称为运动的机构称为间

15、歇运动机构间歇运动机构。常见的间歇传动部件有：棘轮传动、棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件2.4.1导向支承部件导向支承部件导向支承部件的导向支承部件的作用作用是支承和限制运动部件按给定的运动要是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副导轨副，简称简称导轨导轨。 导轨副主要由导轨副主要由承导件承导件1和运动件和运动件2两部分组成，如图两部分组成，如图2-20所所示。运动方向为直线的被称为示。运动方向为直线的被称为直线导轨副直线导轨副，为回转的被称为，为回转的被称为回转运动导轨副回转运

16、动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。等。 图图2-20 导轨副的组成导轨副的组成1承导件承导件 2运动件运动件 机机电电一一体体化化系系统统和和计计算算机机外外围围设设备备等等的的精精度度和和运运动动速速度度都都比比较较高高，因因此此，其其导导轨轨应应具具有有较较好好的的灵灵活活性性和和平平稳稳性性，工工作作时时应应轻轻便便省省力力，速速度度均均匀匀，低低速速运运动动或或微微量量位位移移时时不不出出现现爬爬行行现现象象；高高速速运运动时应无振动。动

17、时应无振动。在在低低速速运运行行时时(如如0.05mmmin)，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停(即爬行)。其其主主要要原原因因是是摩摩擦擦系系数数随随运运动动速速度度的的变变化化和和传传动动系系统刚性不足。统刚性不足。 运动的灵活性和低速运动的平稳性导轨的爬行现象机理（弹簧导轨的爬行现象机理（弹簧-阻尼系统）阻尼系统） 传动系统2带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低运动开始的低速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而

18、降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。由此来分析下图所示的运动系统是：匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件l 这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。弹簧弹簧-阻尼系统图阻尼系统图1-1-主动件；主动件；2

19、-2-弹簧弹簧- -阻尼；阻尼；3-3-运动件；运动件；4-4-静导轨静导轨 为防止爬行现象的出现，可同时采取以下为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：几项措施： 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；塑料层导轨等； 在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；导轨油； 用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。防止爬行现象采取以防止爬行现象采取以下几项措施下几项措施习题与思考题习题与思考题

20、 2-1设设计计机机械械传传动动部部件件时时，为为确确保保机机械械系系统统的的传传动动精精度度和和工工作稳定性，常提出哪些要求？作稳定性，常提出哪些要求？2-2机电一体化系统传动机构的作用是什么？机电一体化系统传动机构的作用是什么？2-3机电一体化系统（产品）对传动机构基本要求是什么？机电一体化系统（产品）对传动机构基本要求是什么？2-4简述丝杠螺母机构的分类及其特点。简述丝杠螺母机构的分类及其特点。2-5丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么？丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么？2-6丝杠螺母副的组成要素有哪些？丝杠螺母副的组成要素有哪些？2-7滚珠丝杠副的传动特点有哪些？滚珠丝杠副的传

21、动特点有哪些？2-8珠丝杠副的典型结构类型有哪些？各有何特点？珠丝杠副的典型结构类型有哪些？各有何特点？2-9滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？2-10现现有有一一双双螺螺母母齿齿差差调调整整预预紧紧式式滚滚珠珠丝丝杠杠，其其基基本本导导程程为为6mm、一一端端的的齿齿轮轮齿齿数数为为100、另另一一端端的的齿齿轮轮齿齿数数为为98，当当其其一一端端的的外外齿齿轮轮相相对对另另一一端端的的外外齿齿轮轮转转过过2个个齿齿时时，试试问问：两两个个螺母之间相对移动了多大距离。螺母之间相对移动了多大距离。=（1/z1-1/z2)*ph*n2-11简

22、述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义。简述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义。2-13 简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。2-15 齿轮传动部件的作用有哪些？齿轮传动部件的作用有哪些？2-16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？什么？2-17 已知：已知：4级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为0.005rad，各级减速比相同，即各级减速比相同，即1.5，求：，求： （1）该传动系统的最大转角误差；）该传动系统的最大转角误差； （2）为缩小其最大转角误差，应采

23、取何种措施？）为缩小其最大转角误差，应采取何种措施？ 2-18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？2-19 设有一谐波齿轮减速器，其减速比为设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔轮齿数为，柔轮齿数为100。当刚轮固定时，试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方当刚轮固定时，试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向（与输入轴的转向相比较）。向（与输入轴的转向相比较）。2-20 齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？2-21 简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本简述导轨的主要作用，

24、导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。要求。2-22 导轨的截面形状及其特点是什么？导轨的截面形状及其特点是什么？2-23 简述旋转支承的种类及其基本要求。简述旋转支承的种类及其基本要求。2-25 轴系部件设计的基本要求有哪些？轴系部件设计的基本要求有哪些？三、传感检测系统的选择与设计传感检测系统的选择与设计目的：目的：了解并会选用在机电一体化系统中常用的一些传感元件。重点：重点：掌握传感器的各种类型、测量精度、范围、基本的结构以及连接方式等。难点：难点：各类传感器的输入输出信号处理技术和测试技术基本知识的运用。3.1传感器的组成和分类传感器的组成和分类3.1.1传感器的组成传感器的组成通常传

25、感器由敏感元件、转换元件敏感元件、转换元件和和转换电路转换电路三部分组成。图3-1传感器的组成（1）敏感元件）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,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：）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。表表3.2传感器的技术指标传感器的技术指标 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器

26、、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定分传感器的标定分静态标定静态标定和和动态标定动态标定:1. 感器静态特性标定感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2. 传感器动态特性标定传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动

27、态特性参动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。3.1.5传感器的标定3.2 线位移检测传感器线位移检测传感器3.2.1 光栅位移传感器光栅位移传感器3.2.2 感应同步器感应同步器3.2.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器一、光栅的构造一、光栅的构造光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅，也称光源、透镜、光栅副（主光栅，也称标尺光栅和指示光栅）标尺光栅和指示光栅）和和光电接收元件光电接收元件组成。莫尔条纹（莫尔条纹（MoireMoire）条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W

28、=a+b，a=b=W/2均匀刻线均匀刻线主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动3 莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点方向性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：同步性：光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动莫尔条纹移动一个间距一个间距方向对应方向对应放大性：放大性：夹角夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：可调性：夹角夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：准确性：大量刻线大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服克服个别个别/局部误差局

29、部误差 提高精度提高精度莫尔条纹与标尺光栅移动方向的关系莫尔条纹与标尺光栅移动方向的关系细分技术细分技术提高分辨力方法提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，用内插法把莫尔条纹间距进行“细分”，提高计数脉冲的频率(故又称倍频倍频)。细分细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。细分方法有机械细分机械细分和电子细分电子细分两类。包包括括定定尺尺和和滑滑尺尺，用用制制造造印印刷刷线线路路板板的的腐腐蚀蚀方方法法在在定定尺尺和和滑滑尺尺上上制制成成节节距距T(一一般般为为2mm)的的方方齿齿形形线线圈圈。定定尺尺绕绕组组是是连

30、连续续的的，滑滑尺尺上上分分布布着着两两个个励励磁磁绕绕组组，分分别别称称为为正正弦弦绕绕组组和和余余弦弦绕绕组组。当当正正弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组相相位位相相同同时时，余余弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组错错开开1/4节节距距（电电相相位位差差90）。滑滑尺尺和和定定尺尺 相相 对对 平平 行行 安安 装装 ， 其其 间间 保保 持持 一一 定定 间间 隙隙（0.050.2mm）。）。二、感应同步器二、感应同步器直线型感应同步器定尺、滑直线型感应同步器定尺、滑尺的结构尺的结构3.3 角位移检测传感器角位移检测传感器一、旋转变压器一、旋转变压器 旋转变压器是一种利用旋转变压器是一种利用

31、电磁感应原理电磁感应原理将转角变换为电压信将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。产品中。二、光电编码器二、光电编码器 光电编码器是一种光电编码器是一种码盘式角度码盘式角度数字检测元件数字检测元件。它有两种。它有两种基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。 增量式编码器增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等具有结构简单、价格低、精度易

32、于保证等优点，所以目前采用最多。优点，所以目前采用最多。 绝对式编码器绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。级检测装置，使其结构复杂、成本高。4 4、传感器与微机的基本接口、传感器与微机的基本接口 输输入入到到微微机机的的信信息息必必须须是是微微机机能能够够处处理理的的数数字字量量信信息息。传传感感器器的的输输

33、出出形形式式可可分分为为模模拟拟量量、数数字字量量和和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。一、检测系统的组成一、检测系统的组成四、微机控制系统的选择及接口设计微机控制系统的选择及接口设计目的：目的：了解控制系统在机电一体化系统的作用及常用的控制系统类型，掌握基本的设计方法，对执行机构运动的分析等。重点：重点：微机控制系统在机电一体化中的应用。考虑接口的设计（主要是硬件）。学习了解Protel电路设计与制板软件的使用。难点：难点：程序语言设计和微机控制所学内容在本章的灵活运用。技巧注意事项：技巧注意事项：复习控制工程、微机控制等相关内容。第

34、一节第一节 微机控制系统设计的一般知识微机控制系统设计的一般知识一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求1.作用：作用：将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。第九节第九节 数字显示器及键盘的接口电路数字显示器及键盘的接口电路 一、数字显示器的结构及其工作原理一、数字显示器的结构及其工作原理 单单片片机机应应用用系系统统中中，常常使使用用LED(发发光光二二极极管管，Light Emitting Diode)、CRT（阴阴极极射

35、射线线管管Cathode Ray Tube） 显显 示示 器器 和和 LCD(液液 晶晶 显显 示示 器器 ， Liquid Crystal Display)等等作作为为显显示示器器件件。其其中中LED和和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。 1、LED显示器显示器LED是是由由若若干干个个发发光光二二极极管管组组成成的的。当当发发光光二二极极管管导导通通时时，相相应应的的一一个个点点或或一一个个笔笔划划发发亮亮。控控制制不不同同组组合合的的二二极极管管导导通通，就就能能显显示示出出各各种种字字符符。这这种种笔笔划划式式的的七七段段

36、显显示示器器，能能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。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发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极共阳极显示器，阴极显示器，阴极连在一起的称为连在一起的称为共阴极共阴极显示器。显示器。共阳极共阳极共阴极共阴极通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也称之为八八段段显显示示块块。其中七个发光二极管构成七七笔笔字字形形“8”。一个发光二极管构成小小数数点点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将将一一个个8位位并并行行输输出出口口与与显显示示块块的的发发光光二二极极管管引引脚脚相相连连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可

37、获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段段选选码码。共共阳阳极极与与共共阴阴极极的的段段选选码码互互为为补补数数，二者之和为二者之和为FFH。显示器有静态和动态两种方法：（1 1）. . 静态显示静态显示 就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管二极管恒定恒定地导通或截止。例如七段显示器的地导通或截止。例如七段显示器的a a、b b、c c、d d、e e、f f导通，导通，g g截止，显示截止，显示0 0。这种显示方式每这种显示方式每一位都需要一个一位都需要一个8 8位输出口控制，位输出口控制，三位显示器的接三位显示器的接口

38、逻辑如下图所示。口逻辑如下图所示。静态显示的特点：静态显示的特点：每一位都需要一个每一位都需要一个8位输出口控制位输出口控制，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，可以由8255的输出口直接直接驱动。 （2 2）. . 动态显示动态显示 动态显示就是动态显示就是一位一位地轮流点亮一位一位地轮流点亮各位显示器各位显示器( (扫描扫描) )。对于每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。调通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和整电

39、流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大；若显示器的位数不大于于8 8位，位，则控制显示器公共极电位只需一个则控制显示器公共极电位只需一个8 8位并行口位并行口( (称为称为扫描口扫描口或或位选口位选口) )。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8 8位口位口( (称为段数据口称为段数据口) )。用于显示位数稍多的场合，需编写扫描程序。用于显示位数稍多的场合，需编写扫描程序。一、光电隔离电路设计一、光电隔离电路设计为为了了防防止止强强电电干干扰扰以以及及其其他他干干扰扰信信号号通通过过I/OI/

40、O控控制制电电路路进进入入计计算算机机，影影响响其其工工作作，通通常常的的办办法法是是首首先先采采用用滤滤波波吸吸收收，抑抑制制干干扰扰信信号号的的产产生生，然然后后采采用用光光电电隔隔离离的的办办法法，使使微微机机与与强强电电部部件件不不共共地地，阻阻断断干干扰扰信信号号的的传传导导。光光电电隔隔离离电电路路主主要要由由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示. .光电隔离电路的主要作用：光电隔离电路的主要作用：（1）可可将将输输入入与与输输出出端端两两部部分分电电路路的的地地线线分分开开，各各自自使使用用一一套套电电源源供供电电。这这样样信信息息通通

41、过过光光电电转转换换，单单向向传传递递，又又由由于于光光电电耦耦合合器器输输入入与与输输出出端端之之间间绝绝缘缘电电阻阻非非常常大大(一一般般为为10111013)，寄寄生生电电容容很很小小(一一般般为为0.52pF)，因因此此，干干扰扰信信号号很很难难从从输输出出端端反馈到输入端，从而起到隔离作用反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换可以进行电平转换。如上图。如上图a所示电路，通所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 （3）提提高高驱驱动动能能力力。隔隔离离驱驱动动用用光光电电耦耦合合器器件件，如如达达林

42、林顿顿晶晶体体管管输输出出和和晶晶闸闸管管输输出出型型光光电电耦耦合合器器件件，不不但但具具有有隔隔离离功功能能，而而且且还还具具有有较较强强的的驱驱动动负负载载能能力力。微微机机输输出出信信号号通通过过这这种种光光电电耦耦合合器器件件后后，就就能能直接直接驱动负载。驱动负载。4-1 4-1 试说明试说明CPUCPU、MCMC与与MCSMCS之关系。之关系。4-2 4-2 试说明微型计算机的基本特点及选用要点试说明微型计算机的基本特点及选用要点. . 4-3 4-3 在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？4-4 4-4 从控制的角度得出所选择的

43、微机应能满足哪些要求？从控制的角度得出所选择的微机应能满足哪些要求？4-9 4-9 试说明试说明MCS51MCS51系列单片机的结构特点。系列单片机的结构特点。4-10 4-10 单片机具有哪些独特优点？单片机具有哪些独特优点？4-11 4-11 常用半导体存储器的种类有哪些？常用半导体存储器的种类有哪些？4-12 4-12 试说明试说明80318031单片机的输入输出及存储器的扩展方法。单片机的输入输出及存储器的扩展方法。4-13 4-13 试说明七段试说明七段LEDLED的组成原理。的组成原理。4-14 4-14 静态显示与动态显示的主要区别有哪些？静态显示与动态显示的主要区别有哪些？4-

44、15 4-15 键盘键值如何确定。键盘键值如何确定。4-16 4-16 微机应用系统微机应用系统I/OI/O控制可靠性设计分析方法是什么？控制可靠性设计分析方法是什么？4-17 4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。试说明光电耦合器的光电隔离原理。 习题与思考题习题与思考题 五、执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计目的：目的：伺服系统的主要作用及其分类，学习步进电机伺服装置的基本原理和运行特性、控制方法，了解直流伺服电机、交流伺服电机的特点。重点：重点：开环伺服系统的基本设计方法，包括步进电机的选择、传动比的分配、惯性匹配、力矩校核、刚度计算、定位误差分析等。难点：难点：清楚计算过程中

45、每个公式的来龙去脉及其量纲。一、执行元件的作用1.作用：执行元件主要用来根根据据控控制制信信息息和和指指令令，将将来来自自电电、液液压压、气气压压等等各各种种能能源源的的能能量量转转换换成成旋旋转转运运动动、直直线线运运动动等等方方式式机机械械能能，并并完完成成要要求求动动作作的的能能量量转转换换装装置置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。执行元件的种类执行元件的种类三、对执行元件的基本要求（1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。表征执行元件惯量的性能指标：表征执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量直线运动）、转动惯量J（回转运动）（回转运动） 表征输出动力的性能指标：推力表征输

46、出动力的性能指标：推力F、转矩、转矩T、功率、功率P对直线运动：对直线运动：a=F/m；对回转运动：；对回转运动：P=T，=T/J。即加速。即加速度度a与角加速度与角加速度表征了执行元件的加速性能。表征了执行元件的加速性能。 比功率比功率：表征动力大小的综合指标表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与，包含功率、加速性能与转速三种因素，即比功率转速三种因素，即比功率P /=T2/J（2）体积小，重量轻体积小，重量轻: :用功率密度或比功率密度来评价用功率密度或比功率密度来评价功率密度功率密度P/G；比功率密度；比功率密度(T2/J)/G，其中其中G为执行元为执行元件重量。件重量。（3）安装

47、方便、便于维修维护。安装方便、便于维修维护。最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机走向无维修（4）易于实现自动化控制易于实现自动化控制：主流是电气式主流是电气式。其次是液压式和气。其次是液压式和气压式压式( (在驱动接口中需要增加电在驱动接口中需要增加电- -液或电液或电- -气变换环节气变换环节) )。内燃。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。 二、伺服系统的基本组成二、伺服系统的基本组成 由以下由以下4 4部分组成：部分组成： 控制器；控制器； 功率驱动装置；功率驱动装置； 检测反馈装置；检测反馈装置； 伺服电机伺服

48、电机(M).(M). 例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别半闭环位置检测半闭环位置检测 装置安装位置：装置安装位置：注意注意: :半闭环位置检测半闭环位置检测装置安装位置装置安装位置在滚珠在滚珠丝杠或电机轴上丝杠或电机轴上, ,而而不是工作台上不是工作台上. .半开环系统半开环系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别 精度较低精度较低 传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环

49、系统度低于闭环系统. . 调整比较容易调整比较容易(4)(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合半闭环和闭环伺服系统应用场合 注意注意: : 半闭环系统应用较多半闭环系统应用较多, ,闭环系统一般只用在精闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上度要求较高的大型数控机床上. .图图6-3 伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机控制方式的基本形式第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类 1. 1. 步进电动机的特点步进电动机的特点 步步进进电电动动机机又又称称脉脉冲冲电电动动机机。它它是是将将电电脉脉冲冲信信号号转转换成换成机械角位移机

50、械角位移的执行元件。的执行元件。输输入入一一个个电电脉脉冲冲就就转转动动一一步步，即即每每当当电电动动机机绕绕组组接接受受一一个个电电脉脉冲冲，转转子子就就转转过过一一个个相相应应的的步步距距角角。转转子子角角位位移移的的大大小小及及转转速速分分别别与与输输入入的的电电脉脉冲冲数数及及频频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只只要要控控制制输输入入电电脉脉冲冲的的数数量量、频频率率以以及及电电动动机机绕绕组组通通电电相相序序即即可可获获得得所所需需的的转转角角、转转速速及及转转向向，很很容容易用微机实现数字控制。易用微机实现数字控制。一、步进电动机的特点与种类

51、一、步进电动机的特点与种类步进电动机具有以下特点：步进电动机具有以下特点：步步进进电电动动机机的的工工作作状状态态不不易易受受各各种种干干扰扰因因素素的的影影响响( (如如电电源源电电压压的的波波动动、电电流流的的大大小小与与波波形形的的变变化化、温温度度等等) )的的影影响响，只只要要在在它它们们的的大大小小未未引引起起步步进进电电动动机机产产生生“丢丢步步”现现象象之之前前，就不影响其正常工作；就不影响其正常工作；步步进进电电动动机机的的步步距距角角有有误误差差，转转子子转转过过一一定定步步数数以以后后也也会会出出现现累累积积误误差差，但但转转子子转转过过一一转转以以后后，其其累累积积误误

52、差差变变为为“零零”，因此不会长期积累，因此不会长期积累；控制性能好控制性能好, ,在起动、停止、反转时不易在起动、停止、反转时不易“丢步丢步”。不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；缺点是能量效率较低。缺点是能量效率较低。 因此，步进电动机被广泛应用于因此，步进电动机被广泛应用于开环开环控制的机电一体化控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。步步进进电电动动机机与与DC和和AC伺伺服服电电动动机机相相比比其其转转矩矩、效效率率、精精度度、高高速速性性比比较较差差，但但步步进进电电动动

53、机机具具有有低低速速时时转转矩矩大大、速速度度控控制制比比较较简简单单、外外形形尺尺寸寸小小等等优优点点，所所以以在在办办公公室室自自动动化化方方面面的的打打印印机机、绘绘图图机机、复复印印机机等等机机电电一一体体化化产产品品中中得得到到广广泛泛使使用用，在在工工厂厂自自动动化化方方面面也也可代替低档的可代替低档的DC伺服电动机。伺服电动机。 (3) (3)工作原理小结工作原理小结 步进电机每次转过一个确定的角度步进电机每次转过一个确定的角度, ,即步距角即步距角； 式中：式中： m m为为相数相数,k,k为为通电方式系数通电方式系数。m m相相m m拍时拍时( (如单相或如单相或双相励磁时，

54、双相励磁时，k=1k=1；m m相相2m2m拍时拍时( (如单双相励磁时如单双相励磁时) )，k=2k=2；z z为为转子齿数转子齿数. . 通过改变通电顺序来改变旋转方向；通过改变通电顺序来改变旋转方向； 通电状态的变化频率越高，转速就越高通电状态的变化频率越高，转速就越高. . 二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理3三相反应式步进电机的三种运行方式：三相反应式步进电机的三种运行方式： 单三拍时：单三拍时： ABC,ABCABC,ABC4 双三拍时：双三拍时： 单双拍（即六拍）时：单双拍（即六拍）时：ABBCCA,ABBCCA,ABBCCAABBCCAAABBBCAABBBCCC

55、A,-ACCA,-AABBBCABBBCCCA CCA 步进电机的主要特性步进电机的主要特性 主要特性有主要特性有5 5个：个： 步距角与静态步距误差；步距角与静态步距误差； 启动频率启动频率fq ； 连续运行的最高工作频率；连续运行的最高工作频率； 加减速特性；加减速特性； 矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩. . 三、步进电动机的运行特性及性能指标三、步进电动机的运行特性及性能指标软件脉冲分配软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法常用的是查表法。二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计3. 减速器传动比的计算及分配减速器传动比的

56、计算及分配 减速器传动比应满足驱动部件与负载之间的位减速器传动比应满足驱动部件与负载之间的位移、转速和转矩的关系。不但要求传动构件要有移、转速和转矩的关系。不但要求传动构件要有足够的强度，还要求其转动惯量尽量小，以便在足够的强度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。以步进电动机为例，率时，其加速度响应为最大。以步进电动机为例，其传动比可按下式计算：其传动比可按下式计算：式中式中 为步进电动机步距角为步进电动机步距角(o)； 为丝杠导程为丝杠导程(mm)； 为工作台运动的脉冲当量为工作台运动的

57、脉冲当量(mm)。 脉冲当量指对应于系统输入端的脉冲当量指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位移。的转角或位移。1简述机电一体化系统的执行元件分类及特点。简述机电一体化系统的执行元件分类及特点。2简述机电一体化系统对执行元件的基本要求？简述机电一体化系统对执行元件的基本要求？3简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。5简述直流伺服电动机控制方式的基本形式？简述直流伺服电动机控制方式的基本形式？7简述伺服电动机控制的基本形式是什么？简述伺服电动机控制的基本形式是什么？8简述步进电动机具有哪些特点？简述步进电动机具有哪些特点？9简述步进电动机的种类及其特点。简述步进电动机的种类及其特点。10简述步进电动机的工作原理。简述步进电动机的工作原理。11简述步进电动机步距角的计算方法。简述步进电动机步距角的计算方法。12简述步进电动机的环行分配方式。简述步进电动机的环行分配方式。13简述步进电动机的运行特性。简述步进电动机的运行特性。15简述步进电动机驱动电源的功率放大电路原理。简述步进电动机驱动电源的功率放大电路原理。习题与思考题习题与思考题结束结束