机电一体化复习.doc

1. 机电一体化系统性能的基本要求：快速响应性、高的精度和稳定性。
2. 机电一体化系统（产品）是由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行机构系统（如电动机）等五个子系统组成。
机电一体化系统（产品）的五大要素及其相应的功能：机构（构造）；计算机（控制）；动力源（动力）；传感器（计测）；执行元件（操作）。
3. 机电一体化三大效果：省能、省资源、智能化。
4. 机电一体化系统设计的方法：机电互补法、结合（融合）、组合法。
1. 机电一体化系统对机械零件的要求：无间隙；低摩擦；低惯量；高刚度；适当的阻尼比；⑥高谐振频率。
2. 螺旋传动的基本形式（按运动方式）：滑动摩擦式螺旋传动（丝杆螺母副）；滚动摩擦式螺旋传动（滚珠丝杆螺母副）。
3. 滑动螺旋传动的特点：传动比大；驱动负载能力强；自锁；传动效率低；磨损快
4. 差动螺旋传动若螺杆左、右两段螺纹的旋向相同，常用于各种微动装置；若旋向相反，常用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。
5. 滚珠螺旋传动的结构型式与类型：1按螺纹滚道法向截形可分为单圆弧和双圆弧，理想接触角为45°（滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角）；
2按滚珠的循环方式可分为内循环和外循环。
4. 滚珠丝杠副的特点：传动效率高；定位精度高、刚度好；传动精度高；运动具有可逆性；磨损小；制造工艺复杂；不能自锁。
5. 滚珠丝杠副的精度等级为1, 2, 3, 4, 5, 7, 10级精度，代号分别为1, 2, 3, 4, 5, 7, 10；其中1级最高，依次逐级降低。
6. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整方法：①垫片调隙式；②螺纹调隙式；③齿差调隙式；④弹簧式自动调整预紧式；⑤单螺母变位导程自预紧式。
7. 在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是Jl换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。
传动链的级数和各级传动比的分配：①等效转动惯量最小原则；1小功率传动装置：各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。2大功率传动装置：传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。②质量最小原则；1大功率传动装置：确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。2小功率传动装置：通常选择相等的各级传动比。③输出轴转角误差最小原则。
如果从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列，则总转角误差较小，而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此，要提高传动精度，就应减少传动级数，并使末级齿轮的传动比尽可能大，制造精度尽可能高。
8. 导轨副应满足的基本要求：①导向精度高；②刚性好；③运动轻便平稳，低速时无爬行现象；④精度的保持性，即耐磨性好；⑤温度变化影响小；⑥结构工艺性好等。
9. 常见的导轨截面形状，有三角形(分对称、不对称两类)、矩形、燕尾形及圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类。凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速下工作，如车床导轨；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨，如磨床导轨。
三角形导轨在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高；
平面导轨无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置，承载能力大。
10. 常用的导轨副间隙调整方法有压板和镶条法（平镶条和斜镶条）两种方法。
11. 提高导轨副耐磨性的措施：采用镶装导轨：镶钢导轨、镶装塑料导轨、喷涂塑料导轨、镶装有色金属导轨。提高导轨的精度与改善表面粗糙度；减少导轨单位面积上的压力（即比压）：1应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积；2采用卸荷装置。
13. 轴系设计的基本要求：①旋转精度；②刚度；③抗振性；④热变形；⑤轴上零件的布置。
旋转精度是指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动和轴向窜动量。
其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度。
在通过带轮将运动传入轴系尾部时，应该采用卸荷式结构，使带的拉力不直接作用在轴端；另外传动齿轮应尽可能安置在靠近支承处，以减少轴的弯曲和扭转变形；在传动齿轮的空间布置上，也应尽量避免弯曲变形的重叠。
14. 提高轴系性能的措施：①提高轴系的旋转精度；措施：1）提高轴颈与架体(或箱体)支承的加工精度；2）用选配法提高轴承装配与预紧精度；3）轴系组件装配后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。②提高轴系组件的抗振性。措施：1）提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验来预测其固有振动频率，当阻尼很小时，应使其固有振动频率远离强迫振动频率，以防止共振。一般讲，刚度越高、阻尼越大，则激起的振幅越小；2）消除或减少强迫振动振源的干扰作用。构成轴系的主要零部件均应进行静态和动态平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧等；3）采用吸振、隔振和消振装置。另外，还应采取温度控制，以减少轴系组件热变形的影响。
15. 铸造机座的设计：①保证自身刚度的措施：1）合理选择截面形状和尺寸；2）合理布置筋板和加强筋；3）合理的开孔和加盖。②提高机座连接处的接触刚度；③机座的模型刚度试验；④机座的结构工艺性；⑤机座的材料选择。
1. 步进电机的步距角a=360/（Zm），式中：Z为转子齿数，m为运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN（N为电动机的相数，单拍时K=1，双拍时K=2）。
工作方式：课本P95
步进电动机的驱动与控制：①环形脉冲分配器；②功率放大器；③细分驱动；④步进电动机的微机控制。
2. 伺服系统的结构组成：①控制器；②驱动元件；③被控对象；④检测装置。
伺服系统的分类：①按驱动元件的性质分：1液压（气动）伺服系统；2电气伺服系统：直流伺服系统、交流伺服系统、步进伺服系统。②按控制方式分：1开环伺服系统；2半闭环伺服系统；3闭环伺服系统。开环伺服系统：无反馈控制。优点：结构较简单、技术易掌握、成本低；缺点：精度低，抗干扰能力差。一般用于精度、速度要求不高，低成本的机电一体化系统中。闭环伺服系统：采用反馈控制。优点：精度高、调速范围宽、动态性能好；缺点：系统结构复杂、成本高。一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统中。
3 直流伺服电机转速和转向的调节方式：
①PWM脉冲宽度调节；②单向晶闸管SCR触发角控制。
4. 脉宽调制控制的核心由两部分组成：
①脉宽调制器（控制回路）；②脉宽调制的开关放大器（主回路）。
5. 如何通过PWM来调节直流伺服电机的转速和转向？
①直流伺服电动机的转速公式：，可以通过改变Ua，Ra，Q来控制电机，其中较为理想的方法是通过调节电枢回路的电压Ua的大小和极性，分别来调节电动机的转速和转向；
②PWM技术基本原理：利用脉宽调制器对大功率器件的开关时间进行控制，将直流电压转化成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢两端电压的平均值和极性，从而调节电机转速和转向。只要改变导通时间就可改变电枢两端的平均电压。
③极式H型可逆PWM变换器电路，双极PWM变换器的特征就是在一个周期内，电压从+U变为-U。只要控制正负脉冲的宽窄，就能控制电机的正反转：1当正脉冲较宽时，t>T/2时，电枢两端的平均电压为正，电机正转，平均值越大，转速越高；2当正脉冲较窄时，t好，效率高；②变极调速，特点：调速范围窄，有级调速；③变转差调速， 特点：损耗大。
变频器的功能：将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电。
采用SPWM变频器产生脉冲宽度按正弦规律变化而形成和正弦信号等效的PWM波形，即SPWM波形，它是由调制波和载波产生的。
调制波（正弦波）+ 正弦波>三角波时输出为正；
载 波（三角波）-- <时输出为负
1. 传感器是将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变成电信号的一种变换器。
2. 模拟信号检测系统的组成：
振荡器用于对传感器信号进行调制（将直流信号变换成某种频率的交流信号并为解调提供参考信号；
解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；
滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号。
基本转换电路是将被测物理量的变化转变为电量的变化。
2. 电阻链移相细分电路工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分。
3. 光栅传感器的工作原理：被测物体位移＝栅距×脉冲数
1. 微机控制系统设计思路：1确定系统整体控制方案；2确定控制算法；3选择微型计算机；
①较完善的中断系统 ②足够的存储容量 ③完备的输入/输出通道和实时时钟
1） 系统总体设计；
①选用功能接口板 ②选用通用接口电路 ③用集成电路自行设计接口电路
2） 软件设计。
①程序模块化设计方法 ②程序结构化设计方法 ③系统调试
2. 调试的步骤：硬件调试→软件调试→系统调试
3. 光电隔离电路：

光电隔离电路的作用：
1可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电；2可以进行电平转换；
3提高驱动能力。
4. 点亮显示器有静态和动态两种方法：
所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止；
所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。
常用七段显示器的结构有共阴极、共阳极、管脚配置。
5. 行列式键盘工作原理：1判断键盘上有无键按下；PA口输出全扫描字00H，读PC口状态，PC0～PC3为全l，则键盘无键按下，若不全为1，则有键按下。2去键的机械抖动影响；
在判断有键按下后，软件延时一段时间（10-20ms），再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则按键抖动处理。3确定键的具体位置；依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之键不在此列；如果不全为l，则所按下的键必在此列，而且是在与0电平行线相交的交点上的那个键。4计算键值；5求键值时，采用行值、列值两个寄存器（或存储器）。每扫描一行后，如无键按下，则行值寄存器加1；若有键按下，寄存器保持原值，并转至求相应的列值。此时，首先将列值读数右移，每移位一次列值寄存器加1，直到有键按下（低电平）为止。最后将行值和列值相加，即得到键值（十六进制数）。即：键值=行值×列数+列值
1） 调用键盘扫描子程序。
6. PLC的编程
1） 步进电动机的控制：
①四相八拍；
②三相六拍。
2） 四层电梯的控制。
1. 机电一体化系统设计过程是机电有机结合即机电参数相互匹配的过程。
2. 稳态设计主要内容：
①使系统的输出运动参数达到技术要求；
②执行元件（如电机）的参数选择；
③功率及过载能力的验算；
④各主要元、部件的选择与控制电路设计；
⑤信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。
3. 稳态设计的考虑方法：
1） 负载分析；
①典型负载 ②负载的等效换算
2） 执行元件的匹配选择；
①系统执行元件的转矩匹配 ②系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电机）
3） 减速比的匹配选择与各级减速比的分配；
4） 检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计。
4. 动态设计的主要内容：
①选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式；
②设计校正装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求；
③通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。
最简单的校正装置是比例－积分－微分调节器，简称PID调节器。
PID控制器的组成：
式中：，偏差信号(指令信号与反馈信号之差)；Kp，比例系数；Ti，积分时间常数；Td， 微分时间常数。
PID控制器的设计就是确定合适的Kp、Ti和Td。
系统动态设计系统的调节方法：
①比例调节(P)。调节作用的大小主要取决于增益(比例系数)Kp的大小。Kp越大，调节作用越强，但是存在调节误差。而且Kp太大会引起系统不稳定。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
②积分调节（I）。系统中采用积分调节可以减少或消除误差，但由于积分调节器响应慢，很少单独使用。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
③微分(D)调节。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强 的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
比例－积分调节（PI）。既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点又避免了积分环节响应慢的弱点，既能改善系统的稳定性能又能改善其动态性能。
比例－积分－微分调节（PID）。这种校正环节不但能改善系统的稳定性能也能改善其动态性能。但是，由于它含有微分作用，在要求响应快的系统或噪声比较大的系统不宜采用。PID调节器能使闭环系统更加稳定。其动态性能也比用PI调节器时更好。
5. 额定转矩T应大于（考虑机械损失）所需要的最大转矩，即。
6. 使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。
7. 有源校正，通常不是靠理论计算而是用工程整定的方法来确定其参数的，大致做法如下：
①在观察输出响应波形是否合乎理想要求的同时，按照先调Kp、后调Ti、再调Td的顺序，反复调整这三个参数，直至观察别输出响应波形比较合乎理想状态要求为止；
②一般认为在机电闭环伺服系统的过渡过程曲线中，若前后二个相邻波峰值之比为4﹕1时，则响应波形较为理想。
8. 产品可靠性提高的方法：①提高产品的设计和制造质量；——最根本的方法②冗余技术；
③诊断技术。
冗余技术：又称储备技术，它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。
有工作冗余和后备冗余两类：
工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。
后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。