1、機電一體化課程總結(jié),2012年5月,考試題型,簡答題：64分（6題） 基本概念和原理 應(yīng)用題：36分（3題） 計算、分析及應(yīng)用 考試時間：120分鐘 考試形式：閉卷,第一章 緒 論,1 機電一體化的定義 2 機電一體化的特點 3 機電一體化的構(gòu)成 4 機電一體化的關(guān)鍵技術(shù),1 機電一體化的定義,機電一體化技術(shù)又稱為機械電子技術(shù)，是機械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的綜合 “機電一體化” 被稱為“Mechatronics”，是日本人在20世紀(jì)70年代提出來的，它取機械學(xué)（Mechanics）的前半部分和電子學(xué)（Electronics）的后半部分組合起來構(gòu)成的新詞，意思是機械技術(shù)

2、和電子技術(shù)的有機結(jié)合,2 機電一體化的特點,本質(zhì)：將電子技術(shù)引入機械控制中，也就是“利用傳感器檢測機械運動，將檢測信息輸入到計算機，經(jīng)計算得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運動的控制信號，由此來控制執(zhí)行裝置”。 綜合性與系統(tǒng)性：電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制與機械技術(shù)結(jié)合 小型化、輕型化、微型化 高精度、多功能 高可靠性 柔性化、智能化 知識密集,3 機電一體化的基本構(gòu)成,機械本體 機身、框架、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能 要求：高效、多功能、節(jié)能、可靠、小型、美觀 動力與驅(qū)動 為執(zhí)行裝置提供能量并轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能 要求：高功率密度比，可靠性好 檢測與傳感 檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計

3、測功能 要求：體積小、精度高、抗干擾 控制及信息處理 存儲、分析、運算、決策，實現(xiàn)控制功能 要求：高可靠性、柔性、智能化 執(zhí)行機構(gòu) 包括機械傳動與操作機構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能,機械本體： 執(zhí)行裝置： 動力： 檢測與傳感： 控制：,手臂的連接部分和安裝支架等 氣缸 氣壓系統(tǒng)的氣壓源 接近傳感器、磁性傳感器、手爪傳感器,系統(tǒng)的基本組成？各包含哪些部分？,4 機電一體化關(guān)鍵技術(shù),機械技術(shù) 計算機與信息處理技術(shù) 傳感器與檢測技術(shù) 自動控制技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。 其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接

4、口、機械接口、人機接口,第二章 機電一體化設(shè)計基本原理及方法,1 機電一體化設(shè)計的一般步驟 2 詳細(xì)設(shè)計的主要內(nèi)容 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理,1 設(shè)計步驟,2 詳細(xì)設(shè)計的基本內(nèi)容,機械本體設(shè)計 線性傳動部件 非線性傳動部件 特殊傳動部件 支撐部件 機械傳動設(shè)計 負(fù)載的變化 傳動鏈慣性 傳動鏈固有頻率 間隙、摩擦、潤滑和溫升 傳感與檢測系統(tǒng)設(shè)計 接口設(shè)計 微控制器的設(shè)計,3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理,1 任務(wù)分配原理 相同功能的任務(wù)分配 不同功能任務(wù)分配 2 自補償原理:自增強，自平衡，自保護(hù) 3 結(jié)構(gòu)實際變元： 數(shù)量變元；形狀變元；材料變元；順序變元 4 力傳遞原理：力流路線直接、最短；力流轉(zhuǎn)向平緩

5、5 力平衡原理 6 等強度原理 7 穩(wěn)定性原理 8 降低噪聲原理,第三章,數(shù)學(xué)模型的建立 機械傳動系統(tǒng) 控制電機 傳遞函數(shù) 方框圖,例1：齒輪傳動的動力學(xué)分析,如圖所示齒輪傳動鏈，有電機M輸入扭矩為Tm, L為輸出端負(fù)載， TL為負(fù)載扭矩。圖示Z1、Z2 、Z3 、 Z4 為各齒輪齒數(shù)； J1 、 J2 、 J3 及1 、 2 、 3分別為各軸及相應(yīng)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)角。 B1 、B2 、B3為傳動中各軸及齒輪的阻尼系數(shù)。設(shè)各軸均為絕對剛性，即扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù) 建立系統(tǒng)微分方程模型。,14,可得動力學(xué)方程式：,將各軸轉(zhuǎn)動慣量、阻尼及負(fù)載轉(zhuǎn)換到電機軸，列出Tm與1間的微分方程，由齒輪傳動的基本關(guān)系可

6、知：,令加到電樞兩端的電壓ua為輸入信號，電機有一個固定磁場，if為磁場電流，電樞回路中的電阻、電感分別為Ra， La，電樞電流為ia ，M為電動機軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，J、B分別為換算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效圓周粘性阻尼系數(shù)， eb為反電動勢。當(dāng)系統(tǒng)輸出信號為電動機的轉(zhuǎn)角，求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。,例2：求電樞控制式直流電動機系統(tǒng)的傳遞函數(shù),當(dāng)激磁磁場不變時，轉(zhuǎn)矩M正比于電樞電流，即 M=Kia，式中K為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。,電機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：,當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動時，電樞中會感應(yīng)反電勢eb，其值正比于轉(zhuǎn)動的角速度，即 式中：Kb為反電勢常數(shù)。,電樞回路的微分方程為：,對以上各式進(jìn)行拉氏變換，得：,三式聯(lián)立求得

7、傳遞函數(shù)：,反電動勢方程： 電樞回路電壓方程： 轉(zhuǎn)矩平衡方程：,電樞控制直流電機的傳遞函數(shù)可看作由比例、積分和慣性環(huán)節(jié)組成,由于電樞回路中的電感La很小，忽略不計，即La 0，傳遞函數(shù)簡化為：,式中,第四章 機械傳動與驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計,1 輪系傳動的基本原理以及傳動比的推導(dǎo)（行星輪系、諧波齒輪） 2 絲杠螺母傳動（基本傳動形式滾珠絲杠副的相關(guān)定義） 3 撓性傳動系統(tǒng)（同步帶傳動特點與分類） 4 步進(jìn)運動機構(gòu)（種類） 5 步進(jìn)電機原理（拍、步距角、驅(qū)動脈沖頻率之間的關(guān)系）,1輪系傳動 行星傳動,主要傳動結(jié)構(gòu)為：行星輪，太陽輪，外齒圈。 原理：它有一個軸線位置固定的齒輪叫中心輪或太陽輪，在太陽輪邊上

8、有軸線變動的齒輪，即既作自轉(zhuǎn)又作公轉(zhuǎn)的齒輪叫行星輪，行星輪的支持構(gòu)件叫行星架，通過行星架將動力傳到軸上，再傳給其它齒輪。它們由一組若干個齒輪組成一個輪系，只有一個原動件，這種周轉(zhuǎn)輪系稱為行星輪系。,中心輪1固定， 雙聯(lián)齒輪23為行星輪， H為運動輸入構(gòu)件， 中心輪4為運動輸出構(gòu)件。 機構(gòu)的自由度為1，基本構(gòu)件為兩個中心輪2K 和一個系桿H ，故稱為 2K-H型行星輪系,傳動比,諧波齒輪傳動 工作原理齒差與變形,諧波齒輪傳動中，剛輪的齒數(shù)zG略大于柔輪的齒數(shù)zR，其齒數(shù)差要根據(jù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周柔輪變形時與剛輪同時嚙合區(qū)域數(shù)目來決定。即zG-zR=u，錯齒是運動產(chǎn)生的原因 波發(fā)生器的長度比未變形的柔

9、輪內(nèi)圓直徑大：當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪輪齒插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)。由嚙合到脫開的過程之間則處于嚙出或嚙入狀態(tài)。 當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時：迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形，使兩輪輪齒在進(jìn)行嚙入、嚙合、嚙出、脫開的過程中不斷改變各自的工作狀態(tài)，產(chǎn)生了所謂的錯齒運動，從而實現(xiàn)了主動波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。,ZG,ZR,波發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)方向與柔輪的轉(zhuǎn)動方向相反。,諧波齒輪傳動的特點,諧波齒輪傳動既可用做減速器，也可用做增速器。柔輪、剛輪、波發(fā)生器三者任何一個均可固定，其余二個一為主動，另一個為從動。 傳動比大，

10、外形輪廓小，零件數(shù)目少，傳動效率高。效率高達(dá)9296，單級傳動比可達(dá)504000。 承載能力較高：柔輪和剛輪之間為面接觸多齒嚙合，且滑動速度小，齒面摩損均勻。 柔輪和剛輪的齒側(cè)間隙是可調(diào)：當(dāng)柔輪的扭轉(zhuǎn)剛度較高時，可實現(xiàn)無側(cè)隙的高精度嚙合。 諧波齒輪傳動可用來由密封空間向外部或由外部向密封空間傳遞運動。,主要尺寸參數(shù),主要參數(shù)：公稱直徑、基本導(dǎo)程、小徑、大徑、滾動體直徑 公稱直徑d0：滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑。 行程l：絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準(zhǔn)點的軸向位移。 螺距t：絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)2弧度時，螺母上基準(zhǔn)點的軸向位移。 螺距根據(jù)精度確定.精度高時選小螺距

11、。,2 滾珠絲杠傳動,（2）基本傳動形式,因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結(jié)構(gòu)較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不宜太長，剛性較差。因此只適用于行程較小的場合。,該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動。故需導(dǎo)向裝置。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性較好。適用于工作行程較大的場合。,該傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。,該方式的絲杠上有基本導(dǎo)程(或螺距)不同的兩段螺紋，其旋向相同。當(dāng)絲杠2轉(zhuǎn)動時，可動螺母1的移動距離為 ，如果兩基本導(dǎo)程的大小相差較少，則可獲得較小的位移 。這種傳動方式多用于各種微動機構(gòu)中。,2 同步帶傳動的特點,傳動比準(zhǔn)確、

12、傳動效率高 工作平穩(wěn)，能吸收振動 不需要潤滑、耐油水、耐高溫、耐腐蝕、維護(hù)保養(yǎng)方便 中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高； 制造工藝復(fù)雜，成本高,3 步進(jìn)電機,一拍 控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍 步距角 每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。,概念,一拍 控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍 步距角 每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。 轉(zhuǎn)速 一個 轉(zhuǎn) (1 / zN ) 圈 脈沖頻率為 f 每秒轉(zhuǎn) ( f / zN ) 圈 脈沖當(dāng)量、減速比與步距角的關(guān)系,i= S/（360）,3 步進(jìn)電機,1 三相單三拍,通電順序： U 相V 相W 相U 相。, U 相通電, V 相通電, W 相通電,一步,兩步,三步, 步距角： =

13、 30,工作原理,例1：,某步進(jìn)電機有80個齒，采用3相6拍方式驅(qū)動，經(jīng)絲杠螺母副驅(qū)動工作臺做直線運動，絲杠的導(dǎo)程為6mm，求：1、步進(jìn)電機的步距角2、當(dāng)脈沖當(dāng)量要求為0.01mm時，試設(shè)計此傳動系統(tǒng) 3、要求電動機轉(zhuǎn)速為60r/min，輸入脈沖頻率為多少？工作臺的直線運動速度是多少？,解,步距角 傳動系統(tǒng)（齒輪減速比） 輸入脈沖頻率 平臺的直線速度,第五章 傳感器與檢測系統(tǒng),傳感器的定義及組成 傳感器的靜態(tài)特性 位移傳感器,1定義及組成,傳感器（Transducer/Sensor）是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用量的器件和裝置,2 靜態(tài)特性,1 線性度：指其輸出量與輸入量之

14、間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。采用直線擬合的方法來線性化，線性度就用輸入-輸出關(guān)系曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示 2 靈敏度：傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。 3 遲滯: 遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出特性曲線不重合的程度 4 重復(fù)性: 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線間不一致的程度 5分辨率: 分辨率是指檢測儀表能夠精確檢測出被測量最小變化值的能力.輸入量從某個任意值緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時的輸入量就是分辨率 6 零漂：漂移是指在外界的干擾下，在一定時間間隔內(nèi)，傳

15、感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的或不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等 7. 精度：傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差，即相對誤差,3 位移傳感器,電感式傳感器 電容式位移傳感器 光柵數(shù)字傳感器 感應(yīng)同步器 角數(shù)字編碼器（碼盤）,電感式傳感器,1工作原理 由銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈三部分構(gòu)成。根據(jù)定義，線圈的電感為 式中 RM磁阻，它包括鐵芯磁阻和空氣隙的磁阻，即 鐵磁材料各段的磁阻之和，當(dāng)鐵芯一定 時，其值為一定 Rd 空氣隙的磁

16、阻，Rd = 2d/m0S。S為空氣隙截面積，d為空氣隙長度，m0為空氣的磁導(dǎo)率。 可得電感為,由于改變d 和S都是使氣隙磁阻變化，從而使電感發(fā)生變化，所以這種傳感器也叫變磁阻式傳感器,因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小， 計算時可忽略不計，這時有,電容式傳感器,極距變化型： 非接觸動態(tài)測量，靈敏度高，適用于小位移的精確測量 面積變化型： 線性，靈敏度低，適于較大的線位移和角位移,光柵,原理：在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形

17、成暗帶。 光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔； 光柵改變運動方向，莫爾條紋隨之改變運動方向。 當(dāng)移動的刻線數(shù)i和角度一定時，莫爾條紋間距B與移動距離x成正比,第六章 繼電接觸控制系統(tǒng)設(shè)計,典型電氣控制線路,典型控制線路設(shè)計,自鎖控制 電路的保護(hù) 短路保護(hù)熔斷器 過載保護(hù)熱繼電器 欠壓和失壓保護(hù)接觸器 互鎖控制（正反轉(zhuǎn)控制線路） 點動與長動的連鎖控制,綜合題：例1,設(shè)計三相交流電機的繼電接觸控制電路，能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，并具有連鎖保護(hù)功能。,例2,下圖表示一個具有2級減速的齒輪傳動系統(tǒng)。T為電動機輸出的力矩，作用在軸l上。 Tfz是作用在軸3上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。(J1,f1) 、 (J2,f2)

18、 、 (J3,f3) 分別代表相應(yīng)軸的轉(zhuǎn)動慣量與粘滯阻尼系數(shù)， 1、2、3分別表示相應(yīng)軸的轉(zhuǎn)角。i1、i2 為傳動比，即 i1 = 1 / 2 , i2 = 2 / 3 。求以轉(zhuǎn)矩T 和Tfz 為輸入量，以轉(zhuǎn)角1為輸出量的運動方程。,例3,一個水池水位自動控制系統(tǒng)如例圖1所示。試簡述系統(tǒng)工作原理，指出主要變量和各環(huán)節(jié)的構(gòu)成，畫出系統(tǒng)的方框圖。,例4,如圖所示電機驅(qū)動系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)量為m=30kg，負(fù)載力為F11000N，工作臺分辨力為4m，絲杠直徑為d20mm，導(dǎo)程t4mm，齒輪減速比為i=5，總效率為=30。 （1）如果采用步進(jìn)電機驅(qū)動，電機的步距角應(yīng)為多少？（2）試說明圖中的各個部分

19、屬于機電一體化系統(tǒng)中的哪一個基本要素。,例5,（書P132，第8題）已知拖板重量W=2000N，拖板與貼塑導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)=0.06，車削時最大切削負(fù)載Fz=2150N(與運動方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=4300N(垂直于導(dǎo)軌)，要求導(dǎo)軌的進(jìn)給速度為v1=10-500mm/min，快速行程速度v2=300mm/min，滾珠絲杠名義直徑d0=32mm，導(dǎo)程L=6mm，絲杠總長L=1400mm，拖板最大行程為1150mm，定位精度0.01mm，試選擇合適的步進(jìn)電動機，并檢查其起動特性和工作速度。,46,4.5 控制電動機選擇與計算,解： 1脈沖當(dāng)量的選擇 初選三相步進(jìn)電動機的步距角為0.751.5，當(dāng)三相六拍運行時，步距角=0.75，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 初選脈沖當(dāng)量(每輸入一個指令脈沖，步進(jìn)電動機驅(qū)動工作臺的移動距離，單位mmp) =0.01mmp，由此可得中間齒輪傳動i為 選小齒輪齒數(shù)z1=20，z2 =25，模數(shù)m=2mm。,4.5 控制電動機選擇與計算,47,2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算 (1)空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩TLF (2)車削加工時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 式中 =0.8，為絲杠頂緊時的傳動效率。,48,4.5 控制電動機