机电一体化 2.doc

一、 概论
1、 机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘科学技术。
2、 机电一体化的优越性：（1）使用安全性和可靠性提高；（2）、生产能力和工作质量提高；（3）、使用性能改善；（4）、具有复合功能并且适用面广；（5）、调整和维护方便。
3、 机电一体化产品分类：数控机械类、电子设备类、机电结合类、电液伺服类、信息控制类。
4、 机电一体化的基本构成：机械系统、动力系统、传感与检测系统、信息处理及控制系统、执行机构。
5、 机电一体化的关键技术：精密机械技术、信息处理技术、检测与传感器技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术。
6、 机电一体化产品设计方法：（1）、产品可行性研究；（2）、基本设计阶段；（3）、详细设计阶段；（4）、实际运行试验。
二、机械系统
1、 机械系统包含以下三大部分机构：传动机构、导向机构、执行机构。
2、 对传动机构的基本要求：（1）、在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量，应尽可能小；（2）、刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，包括机构产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度；（3）、机械零件产生共振时、系统中阻尼越大最大振幅就越小、且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低；（4）、系统传动部件的静摩擦力应尽可能小；动摩擦力应该是尽可能小的正斜率，若为负斜率则以产生爬行，精度降低，寿命减少。
3、 滚珠丝杆副的特点：传动效率高、运动具有可逆性、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长、不能自锁、工艺复杂。
4、 滚珠丝杆幅中滚珠的循环方式：内循环和外循环。
5、 常用的消除轴向间隙的方法：双螺母螺纹预紧调隙式、双螺母齿差预紧调隙式、双螺母垫片预紧调隙式、弹簧式自动调整预紧式。
6、 滚珠丝杆幅的主要尺寸：公称直径d0、基本导程L0（或螺距t）、行程L。
7、 滚珠丝杆幅的支承方式：双推-自由式、双推-简支式、双推-双推式。
8、 同步带传动的特点：（1）、能方便地实现较远中心矩的传动，传动比准确，传动效率高；（2）、工作平稳，能吸收振动；（3）、不需要润滑，耐油、水，耐温高，耐腐蚀，维护保养方便；（4）、强度高，厚度小，质量轻；（5）、中心矩要求严格，安装精度要求高；（6）、制造工艺复杂，成本高。
9、 谐波齿轮传动是一种新型传动，其原理是依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。柔轮变形时一个基本对称的和谐波，故称为谐波传动。
谐波齿轮的优点：（1）、传动比大；（3）、承载能力大；（3）、传动精度高；（4）、可以向密封空间传递动力或运动；（5）、传动平稳；（6）、传动效率高；（7）、结构简单，体积小，质量轻。
谐波齿轮传动的缺点：（1）、柔轮和谐波发生器制造复杂，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。

10、 谐波传动比计算

11、 导轨的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。
12、 产生爬行现象的原因：摩擦因素随运动速度的变化和传动刚性不足造成的。
13、 塑料导轨的种类：塑料导轨软带、金属塑料复合导轨版、塑料图层。
14、 滚动导轨的优点：（1）、摩擦因素小，运动灵活；（2）、动、静摩擦因素基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行现象；（3）、可以预紧，刚度高；（4）、寿命长；（5）、精度高；（6）、润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用。
三、 检测系统
1. 对检测系统的基本要求有：(1) 灵敏度及分辨率；（2）精确度；（3）系统的频率响应特性；（4）稳定性；（5）线性特性；（6）检测方式。
2. 灵敏度及分辨率：灵敏度S是检测系统的一个基本参数，当检测系统的输入x有一个微小的增量△x时，引起输出y发生相应变化△y，则称S=△y/△x为该系统的绝对灵敏度。分辨率是检测系统对被测量敏感程度的另一种表示形式，指系统能检测到的被检测量的最小变化。
3. 在线检测：在线检测是指被检测系统处于正常工作情况下的检测。
4. 编码式线位移传感器原理：利用一组电刷拾取按一定编码方式，对不同位置进行0/1编码的编码尺上的电位来检测电刷的位置。特点：分辨率不会太高，容易由于磨损等原因造成编码错误，并且工作时需要经常维护。
5. 常用的角位移传感器：电阻式角位移传感器，旋转变压器角位移传感器，电容角位移传感器，光栅角位移传感器，磁电式角位移传感器及转速传感器。
6. 接近传感器：电容式接近传感器，电感式接近传感器，光电式接近传感器，超声波距离传感器。
7. 典型模拟信号检测系统：传感器，基本测量电路，量程切换电路，放大器，解调器，滤波器，转换电路，接口电路，振荡器。
四、伺服系统
1. 伺服系统：是指以机械位置或者角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。
2. 基本要求：高可靠性，良好的动态性，动作的准确性，高效率。
3. 伺服电机的基本要求：具有较硬的机械特性和良好的调节特性，具有宽广而平滑的调速范围，具有快速响应特性，具有小的空载始动电压。
4. 空载始动电压：伺服电机空载时，控制电压从零开始逐渐增加，直到电机开始连续运转时的电压。
5. 伺服系统的基本组成：输入，控制器，功率放大器，执行机构，检测装置，输出。
6. 按执行元件的性质不同，伺服系统可分为电气伺服系统，液压伺服系统和气动伺服系统。
7. 直流伺服电机与普通电机的区别：(1) 电枢长度与直径的比要大；(2) 磁极的一部分或者全部使用叠片工艺；(3) 为进行可逆运转，电刷应准确的位于中性线上，使正负向特性一致；(4) 为防止转矩不均匀，电枢应制成斜槽形状；(5) 用电枢控制方式时，为了减少磁场磁通变化的影响，应充分使用在饱和状态；(6) 根据控制方式，也使用分段励磁绕组的形式。
8. 交流伺服电机的控制方式：把加在控制绕组上的交流电信号转换为一定的转速和偏角进行控制。
9. 步进电动机：是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。
10. 步进电动机的工作要求：(1) 定转子齿距相同；(2) 在相同的磁极下，定、转子齿应同时对齐或同时错开，以保证产生最大转矩；(3) 在不同磁极下，定、转子齿的相对位置应一次错开1/m齿距。当连续改变通电状态时，可以获得连续不断的步进运动。
11. 步距角θb=2π/ NZr或360°/ NZr ，式中，Zr为转子齿数，N为转子转过一个齿距的运行拍数。
12. 步进电动机的控制方式：变频信号源、脉冲分配器、功率放大器。
13. PWM的基本原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压从而调节电机的转速。
六、控制系统
1、控制系统设计的一般步骤：
（1）准备阶段。对设计对象进行机理分析和理论抽象，明确被控对象的特点及要求；限定控制系统的工作条件及环境，确定安全保护措施及等级；明确控制方案的特殊要求；明确技术经济指标；控制实验项目及指标。
（2）理论设计。建立被控对象的数学模型，吧被控对象的控制特性用数学表达式加以描述，作为控制方案选择及控制器设计的依据；确定控制算法及控制器结构，选择中央处理单元、存储器等，主要硬、软件设计以及各种接口的选择和设计；确定系统的初步结构及参数，进行系统性能分析、优化。除了要保证系统的主要功能和性能外，还要对系统的安全性、可靠性及耐久性等给予足够的重视。
（3）设计实施。模块组装，系统仿真、测试。
（4）设计定型。形成技术文件，主要技术文件应包括设计图样、电子元、器件明细表、系统操作程序及说明书、维修及故障诊断说明书和使用说明书等。
2、计算机控制系统的特点：1.具有完善的输入输出通道。它包括模拟量输入输出通道和数字量或开关量输入输出通道等，这是微型机有效发挥其控制功能的重要保证。2.具有实时控制功能。换句话说，就是具有完整的中断系统、实时时钟及高速数据通道，以保证对被控对象状态和参数的变化及一些紧急情况具有迅速响应的能力，并能够实时地在微型机与被控对象之间进行信息交换。3.可靠性高。对环境适应性强，以保证在生产现场应用的要求。4.具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统。
3、PLC的工作原理：PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方法进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户村粗气中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期行循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入幸会的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输出采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
4、PLC的性能指标：
（1）.输入/输出点数（即I/O点数）。指PLC外部输入、输出端子数。这是重要的一项技术指标。
（2）.扫描速度。一般以执行1000步指令所需时间来衡量，故耽误为ms/1000，有时也以执行一步指令的时间计算，如μs/步。3.内存容量。一般以PLC所能存放用户程序的多少量。在PLC中程序指令是按“步”存放的（一条指令往往不不止一“步”），一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。4.指令条数。这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。5.内部寄存器。PLC内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果、数据等。还有许多辅助寄存器可供用户使用，这些辅助寄存器常可以给用户提供许多特殊功能，以简化整个系统设计。因此，寄存器的配置情况常是衡量PLC的硬件功能的一个指标。6.高功能模块。PLC出来主控模块外还可以配接各种高功能模块。主控模块实现基本控制功能，高功能模块则可实现某种特殊的专门功能。高功能模块的多少及功能强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要标志。目前已开发常用的高功能模块有：A/D模块、D/A模块、高速计数模块、速度控制模块、位置控制模块、轴定位模块、温度控制模块、远程通讯模块、高级语言编辑以及各种物理量转换模块等。
5、PLC的编程语言：
（1）.梯形图语言。梯形图在形式上类似于继电器控制电路。它是用各种图形符号连接而成的，这些符号分别为常开接点、常闭接点、并联连接、继电器线圈等。每一接点和线圈均对应一个编号。不同机型的PLC，其编号方法不一。梯形图直观易懂，为电气人员所熟悉，因此是应用最多的一种编程语言。（2）.确定指令表（助记符）语言。指令表语言类似微机汇编语言的形式，它是用指令的助记符来编程的，但PLC的指令语言要比微机的汇编语言通俗易懂，因此助记符语言也是应用广泛的一种编程语言。（3）.流程图语言。流程图类似于“与”、“或”、“非”等逻辑电路图。流程图也是比较直观易懂，有一定数字电路知识的工程人员很容易掌握。（4）.布尔代数语言。是指利用布尔代数所组成的逻辑表达式来表达系统的控制关系。
PLC的基本指令：课本P178