機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)大綱PPT課件

1、第1章 機(jī)電一體化技術(shù)概述 機(jī)電一體化的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對輸入的物質(zhì)、能量與信息按照要求進(jìn)行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本要求快速響應(yīng)性、高的精度和穩(wěn)定性第1頁/共46頁基本組成及其功能控制及信息處理單元動力與驅(qū)動單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元傳感與檢測單元機(jī)械本體系統(tǒng)接口第2頁/共46頁理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)論、信息論、控制論 關(guān)鍵技術(shù):精密機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)和接口技術(shù)第3頁/共46頁第2章 機(jī)電一體化機(jī)械技術(shù) 無間隙低摩擦低慣量適當(dāng)?shù)淖枘岜葯C(jī)電一體化系統(tǒng)對機(jī)械零件的要求高剛

2、度第4頁/共46頁機(jī)械傳動機(jī)構(gòu) 齒輪傳動如何提高傳動精度如何消除齒輪傳動中的側(cè)隙圓柱直齒輪：偏心軸套調(diào)整法錐度齒輪調(diào)整法雙向薄齒輪錯齒調(diào)整法第5頁/共46頁 滑動螺旋傳動的特點(diǎn)： 傳動比大 驅(qū)動負(fù)載能力強(qiáng) 自鎖（當(dāng)螺紋線升角小于摩擦角） 傳動效率低，磨損快 滑動螺旋傳動的形式及應(yīng)用螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動差動螺旋傳動 消除螺旋傳動空回利用單向作用力利用調(diào)整螺母利用塑料螺母消除空回第6頁/共46頁 滾動螺旋傳動滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)(1)滾珠絲杠副的工作原理 原理：具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦，當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間

3、基本上為滾動摩擦。為 了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動第7頁/共46頁 滾珠絲杠副的特點(diǎn)傳動效率高 摩擦損失小滾珠絲杠副的傳動效率 為 0. 92 0. 96 給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好 運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高 運(yùn)動具有可逆性（可將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，傳動效率也高達(dá)90%以上） 磨損小，使用壽命長（滾珠、絲桿、滾珠都經(jīng)過淬硬） 制造工藝復(fù)雜 不能自鎖第8頁/共46頁 滾珠絲桿副的分類 法向截面形狀： 單圓弧、雙圓弧 滾珠的循環(huán)方式 內(nèi)循環(huán)和外循環(huán) 軸向間隙的調(diào)整 墊片調(diào)隙式

4、 螺紋調(diào)隙式 齒差調(diào)隙式第9頁/共46頁機(jī)械導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向支承部件的作用是支承和限制運(yùn)動部件按給定的運(yùn)動要求和規(guī)定的運(yùn)動方向運(yùn)動?；瑒幽Σ翆?dǎo)軌第10頁/共46頁三角形導(dǎo)軌與矩形導(dǎo)軌的區(qū)別導(dǎo)軌的基本要求導(dǎo)軌間隙的調(diào)整如何提高導(dǎo)軌的耐磨性第11頁/共46頁機(jī)械支承機(jī)構(gòu) 支承件的作用：承受其他零件的質(zhì)量和工作載荷，保證各零件相對位置的基準(zhǔn) 支承件的設(shè)計(jì) 1.應(yīng)對某些關(guān)鍵表面及其相對位置提出相應(yīng)的精度要求，以保證產(chǎn)品總體精度 2. 限制支承件的變形和振動 (1)應(yīng)有足夠的剛度（靜剛度） (2)應(yīng)有足夠的抗振性（動剛度） 設(shè)計(jì)原則第12頁/共46頁第3章 機(jī)電一體化傳感檢測技術(shù) 傳感器的組成： 敏感元件

5、、傳感元件、基本轉(zhuǎn)換電路 典型常見的傳感器位置傳感器光電傳感器： 光電傳感器一般由發(fā)光元件(發(fā)光二極管，即LE D)和受光元件(光敏三極管)組合構(gòu)成，原理如圖3-6所示 發(fā)光元件將電信號變換成光信號，而受光元件則把光信號重新變換為電信號第13頁/共46頁差動變壓式傳感器實(shí)質(zhì):輸出電壓變壓器一個(gè)初級線圈，兩個(gè)次級線圈極性反接，改變活動銜鐵能改變線圈之間的耦合程度如果直接用交流電壓表指示，輸出值只能反映鐵心位移的大小，不能反應(yīng)極性 存在零點(diǎn)殘余電壓 后接差動直流輸出電壓第14頁/共46頁 光柵位移傳感器 2sin( /2)WWB均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動 被測物體位移柵距脈

6、沖數(shù)第15頁/共46頁 加速度傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)：當(dāng)某些材料沿某一方向施加壓力或拉力時(shí)，會產(chǎn)生變形，并在材料的某一相對表面產(chǎn)生符號相反的電荷;當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電的狀態(tài) 壓電效應(yīng)是可逆的，壓電特性只和變形有關(guān) 并聯(lián)接法輸出電荷大，電容量也大，故時(shí)間常數(shù)大，適合測量較慢變化的信號，并以電荷作為輸出參數(shù)測量 串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適應(yīng)以電壓輸出的信號和測量電路輸出阻抗很高的情況第16頁/共46頁溫度傳感器 熱電偶工作原理:熱電效應(yīng) 當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)閉合回路時(shí)，如果兩端結(jié)點(diǎn)的溫度不同，回路中就會產(chǎn)生電動勢和電流，熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及結(jié)點(diǎn)溫度

7、有關(guān)中間溫度定律在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)為溫度T、T0時(shí)的電動勢，等于該電偶在接點(diǎn)溫度為T、Tn和Tn、T0時(shí)熱電動勢的代數(shù)和： EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)第17頁/共46頁信號處理電路 傳感器輸出信號特點(diǎn)：一般比較微弱（mV、uV級），有時(shí)夾雜其它信號（干擾等） 放大、調(diào)制解調(diào)、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、電橋等轉(zhuǎn)換電路第18頁/共46頁第4章 機(jī)電一體化伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)：根據(jù)控制指令信息，控制驅(qū)動元件，使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動部件按照指令要求運(yùn)動的一種控制技術(shù)?？刂破黩?qū)動元件被控對象檢測裝置輸入輸出伺服系統(tǒng)的組成第19頁/共46頁驅(qū)動元件與負(fù)載連接：一、 與負(fù)載固連

8、，直接驅(qū)動二、通過機(jī)械傳動裝置與負(fù)載連接步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)是一種純粹的數(shù)字控制電動機(jī)。其角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，旋轉(zhuǎn)一周沒有累計(jì)誤差。 需要脈沖電源（產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場、提供功率驅(qū)動）。第20頁/共46頁脈沖電源環(huán)形分配器功率驅(qū)動器步進(jìn)電動機(jī)負(fù)載指令脈沖輸出開環(huán)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電機(jī)的工作方式： 以四相為例： 四相單四拍 四相雙四拍 四相單雙八拍第21頁/共46頁3 6 0P Z K3 6 0m Z3.步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，但脈沖頻率變化過快，會引起失步或過沖2. 改變步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變4.輸出轉(zhuǎn)角精度比較高，一

9、般只有相鄰誤差，但無累積誤差。 一圈不累積1.步距角第22頁/共46頁步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源環(huán)形分配器功率放大器環(huán)形分配器：將脈沖指令按步進(jìn)電動機(jī)的工作規(guī)律轉(zhuǎn)換成各相繞組通斷信號，經(jīng)功率放大器，驅(qū)動各相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。功率放大驅(qū)動電路完成由弱電到強(qiáng)電信號的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。第23頁/共46頁 通過控制步進(jìn)電動機(jī)相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間的 時(shí)間間隔即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)速度的控制對于硬件環(huán)形分配器，只要控制CP的頻率就可以控制步進(jìn)電動機(jī)的速度對于軟件環(huán)形分配器，只要控制相鄰兩次輸出狀態(tài)之間的時(shí)間間隔即控制相鄰兩節(jié)拍之間延時(shí)時(shí)間的長短第24頁/共

10、46頁直流伺服系統(tǒng)02aamTmEETURnTnK TCC C直流電動機(jī)的調(diào)速公式aaRU工作時(shí)轉(zhuǎn)子繞組是載流導(dǎo)體，在定子磁場中受到電磁力的作用而形成電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動負(fù)載第25頁/共46頁P(yáng)WM技術(shù)基本原理：基本原理：利用脈寬調(diào)制器對大功率器件的開關(guān)作用進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)化成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端電壓的平均值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM 脈沖寬度調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制控制的核心由兩部分組成： 1. 脈寬調(diào)制器（控制回路） 2. 脈寬調(diào)制的開關(guān)放大器（主回路）第26頁/共46頁1、PWM調(diào)制01TdUUdtUUTTMdIdUSU0Ut2dU1dUT只要改變導(dǎo)通

11、時(shí)間就可改變電樞兩端的平均電壓第27頁/共46頁交流伺服系統(tǒng)1160(1)(1)fnsnsppfnnsr160同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為：調(diào)速方法主要是改變供電頻率來實(shí)現(xiàn)第28頁/共46頁 變頻器功能：將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電在交流SPWM中，輸出電壓是由三角載波調(diào)制正弦電壓，SPWM的輸出電壓是幅值相等、寬度不等的方波信號。其各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，其脈寬基本上按正弦分布，其基波是等效正弦波用這個(gè)輸出脈沖信號經(jīng)功率放大后作為交流伺服電動機(jī)的相電壓(電流) ，改變正弦基波的頻率就可以改變電機(jī)相電壓(電流)的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速第29頁/共

12、46頁 SPWM變頻器脈沖寬度調(diào)制技術(shù)中，以所期望的波形作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的波稱為載波。rbutu1trcurau1tAOu1tCOu1tBOu圖332 雙極式逆變器三相輸出波形調(diào)制波？載波？第30頁/共46頁 三相SPWM間接變頻器主要包括：三相SPWM變頻器的控制回路 脈寬調(diào)制器三相SPWM變頻器的主回路 整流電路、逆變電路第31頁/共46頁第5章 機(jī)電一體化控制及接口技術(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 控制形式開環(huán)伺服系統(tǒng)：無反饋控制 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單、技術(shù)易掌握、成本低； 缺點(diǎn)：精度低，抗干擾能力差。閉環(huán)伺服系統(tǒng)：采用反饋控制 優(yōu)點(diǎn)：精度高、調(diào)速范圍寬、動態(tài)性能好； 缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、

13、成本高。第32頁/共46頁計(jì)算機(jī)控制過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖e數(shù)字調(diào)節(jié)器D/A轉(zhuǎn)換器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象檢測裝置A/D轉(zhuǎn)換器偏差量控制量反饋量u第33頁/共46頁硬件工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主機(jī)外圍設(shè)備人機(jī)接口通信設(shè)備軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)各種語言數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)用軟件控制程序用戶程序 計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)的組成第34頁/共46頁P(yáng)LC 、單片機(jī)控制技術(shù) 掌握用PLC編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四相單雙八拍的工作方式 掌握用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四相單雙八拍的工作方式第35頁/共46頁輸入輸出接口獨(dú)立式鍵盤矩陣式鍵盤 鍵盤 測試有無鍵按下為了判斷有沒有鍵被按下，可先經(jīng)A口向所有列線輸出低電平，然后再經(jīng)C口輸入

14、各行線狀態(tài)。若行線狀態(tài)皆為高電平，則表明無鍵按下;若行線狀態(tài)中有低電平，則表明有鍵按下第36頁/共46頁 去抖動由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開瞬間會出現(xiàn)電壓抖動現(xiàn)象。在發(fā)生抖動時(shí)，鍵是否按下就很難判別 鍵掃描以確定按鍵的物理位置掃描的過程是先使一條列線為低電平，例如，先向輸出口(例如8255A口)輸出FE H，然后輸入行線狀態(tài)，再判斷行線的狀態(tài)中是否有低電平，如果行線中有狀態(tài)為低電平，則閉合的那個(gè)鍵找到，如果沒有繼續(xù)掃描第37頁/共46頁 計(jì)算鍵碼鍵碼=行值*列數(shù)+列值 等待鍵釋放計(jì)算鍵碼后，再以延時(shí)和掃描的方法等待和判定鍵釋放。當(dāng)鍵盤釋放之后就可根據(jù)鍵碼，轉(zhuǎn)相應(yīng)的鍵處理

15、子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入或命令的處理第38頁/共46頁LE D顯示器接口技術(shù)共陽極（輸入低電平點(diǎn)亮）共陰極（輸入低電平點(diǎn)亮） 排列形狀靜態(tài)顯示方式動態(tài)顯示方式第39頁/共46頁機(jī)電接口技術(shù) A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換過程： 在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，通道地址先送到ADDA-ADDC輸入端，然后再ALE輸入端加一個(gè)正跳變脈沖，將通道地址鎖存在ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器中，這樣對應(yīng)的模擬電壓就和內(nèi)部變換電路接通，為了啟動，必須在START端加一個(gè)負(fù)跳變信號，此后，A/D變換開始，ADC正在工作的狀態(tài)信號EOC由高電平（空閑狀態(tài)）變?yōu)榈碗娖剑üぷ鳡睿?，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC信號就又由低電平變成高電平，此時(shí)在OE端加以高電平，即可打開數(shù)據(jù)線的三態(tài)緩沖器從D0-D7數(shù)據(jù)線讀得一次變換后的數(shù)據(jù)第40頁/共46頁 D/A轉(zhuǎn)換第41頁/共46頁DAC0832模擬輸出方式第42頁/共46頁 第6章 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 抗干擾技術(shù)干擾：對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素干擾三個(gè)要