機電一體化基礎(chǔ)知識考試復(fù)習(xí)總結(jié)

1、第一章緒論機電一體化是指機械裝置和電子設(shè)備適當(dāng)?shù)亟M合起來，構(gòu)成機械產(chǎn)品或機電一體與機信一體的新趨勢。機電一體化是把機械學(xué)和電子學(xué)有機地結(jié)合起來，提供更加優(yōu)越技術(shù)的一種技術(shù)。機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。機電一體化的目的是使產(chǎn)品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同時又能節(jié)省材料、省能源，使產(chǎn)品向輕、薄、細、小、巧的方向發(fā)展，以不斷滿足人們生活的多樣化要求和生產(chǎn)的省力化，自動化需求。機電一體化基本結(jié)構(gòu)要素：1機械本體 包括機身、框架機械聯(lián)接等在內(nèi)的產(chǎn)品支持結(jié)構(gòu)屬于基礎(chǔ)部分，實現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)造功能

2、。2動力源向系統(tǒng)提供能量，并將輸入的能量轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。3檢測與傳感裝置 包括各種傳感器及其信號檢測路，用于對產(chǎn)品運行時的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境進行檢測，提供運行控制所需的各種信息，實現(xiàn)計測功能。4控制與信息處理裝置 主要是指由計算機及其相應(yīng)硬、軟件所構(gòu)成的控制系統(tǒng)。5執(zhí)行機構(gòu) 包括機械傳動與操作機構(gòu)，在控制信息作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。是機電一體化產(chǎn)品中最重要的組成要素之一。 機電一體化產(chǎn)品可劃分為功能附加型、功能替代型和機電融合型三類。1功能附加型產(chǎn)品：主要特征是在原有機械產(chǎn)品基礎(chǔ)上，采用微電子技術(shù)，使產(chǎn)品功能增加和增強，性能得到適當(dāng)?shù)奶岣摺＝?jīng)濟型數(shù)控機床、電子秤

3、、數(shù)顯量具、全自動洗衣機等都屬于這一類機電一體化產(chǎn)品。2功能替代型產(chǎn)品：主要特征是采用電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中的機械控制功能、信息處理功能或主功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，性能提高。柔性增加，如電子縫紉機、自動照相機等用微電于裝置取代了原來復(fù)雜的機械控制機構(gòu)；線切割加工機床、激光手術(shù)器等則用因微電子技術(shù)的應(yīng)用而產(chǎn)生的新功能，取代了原來機械的主功能。3機電融合型產(chǎn)品：主要特征是根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能要求及技術(shù)規(guī)范，采用專門設(shè)計的或具有特定用途的集成電路來實現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能，因而使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊、設(shè)計更靈活、成本進一步降低。傳真機、復(fù)印機、攝象機、磁盤驅(qū)動器、CNC數(shù)控機床等都是這一類機電

4、一體產(chǎn)品。l 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)一、機械技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。機電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，它主要是以機械技術(shù)為主實現(xiàn)的。二、計算機與信息處理技術(shù) 實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機。計算機技術(shù)包括計算機硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。在機電一體化產(chǎn)品中，計算機與信息處理裝置指揮整個產(chǎn)品的運行。計算機應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的最活躍的因素。三、檢測與傳感技術(shù) 檢測與傳感技術(shù)的研究對象是傳感器及其信號檢測裝置。機電一體化產(chǎn)品中，傳感器作為感受器官，將各種內(nèi)、外部信息通過相應(yīng)的信號檢測裝置反饋給控制及信息處理裝置。因此檢測與傳感是實現(xiàn)

5、自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。四、自動控制技術(shù) 自動控制技術(shù)范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。自動控制技術(shù)的難點在于自動控制理論的工程化與實用化。五、伺服驅(qū)動技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)的主要研究對象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置。執(zhí)行元件有電動、氣動、液壓等多種類型，因此伺服驅(qū)動技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，對機電一體化產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質(zhì)量等具有決定性的影響。六、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，然后再把功功能和技術(shù)方案組合成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。

6、機電一體化設(shè)計突出體現(xiàn)在兩個方面：一方面，當(dāng)產(chǎn)品的某一功能單靠某一種技術(shù)無法 實現(xiàn)時，必須進行機械與電子及其它多種技術(shù)有機結(jié)合的一體化設(shè)計；另一方面，當(dāng)產(chǎn)品某一功能的實現(xiàn)有多種可行的技術(shù)方案時，也必須應(yīng)用機電了體化技術(shù)對各種技術(shù)方案進行分析和評價，選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。因此，機電一體化設(shè)計必須充分考慮各種技術(shù)方案的等效性、互補性及可比性。機電一體化產(chǎn)品設(shè)計一般可分為三種類型：（1）開發(fā)性設(shè)計 一個從無到有的創(chuàng)造過程，是在沒有任何樣板可供參考的情況下，根據(jù)功能和性能要求所進行的設(shè)計。開發(fā)性設(shè)計要求設(shè)計者具備敏銳的市場洞察力、豐富的想象力和廣泛而扎實的基礎(chǔ)理論知識。（2）適應(yīng)性設(shè)計 在原有產(chǎn)品總的方

7、案基本不變的情況下，對產(chǎn)品的某些局部加以變動或改進，以增加功能、提高性能和質(zhì)量或降低成本為目的生所進行的設(shè)計。適應(yīng)性設(shè)計要求設(shè)計者對原有產(chǎn)品及相關(guān)的市場需求變化和技術(shù)進步有充分的了解和掌握。（3）變異性設(shè)計 在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過改變改變尺寸、速度、力或功率等參數(shù)，以滿足市場對產(chǎn)呂規(guī)格方面的需求進行的系列化設(shè)計。 變異性設(shè)計比較容易，但設(shè)計中必須注意采取措施防止因參數(shù)變化可能對產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響。第二章 機械系統(tǒng)設(shè)計一、機電一體化對機械系統(tǒng)的基本要求1高精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，如果機械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機電一體化產(chǎn)品其它系統(tǒng)工作再精確，也無法完成其預(yù)定的機械操

8、作。2快速響應(yīng) 要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時間間隔短。3良好的穩(wěn)定性 要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強。二機械系統(tǒng)的組成1.傳動機構(gòu) 以滿足整個機械系統(tǒng)良好的伺服性能。要滿足傳動精度的要求。2.導(dǎo)向機構(gòu) 其作用是支承和導(dǎo)向。3.執(zhí)行機構(gòu) 具有較高的靈敏度、精確度，良好的重復(fù)性和可靠性。一、傳動機構(gòu)性能要求1轉(zhuǎn)動慣量小 轉(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機械負載增大；系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振，在設(shè)計傳動機構(gòu)時應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)動慣量。2剛度大 剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。大剛度對機械系統(tǒng)而言是有利的。3阻尼

9、合適 要求摩擦小 、抗振性好、間隙小。二、無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)（一）直齒圓柱齒輪傳動機構(gòu) 1偏心軸套調(diào)整法 2雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法(二) 斜齒輪傳動機構(gòu) 1墊片調(diào)整法 2.軸向壓簧調(diào)整法（三)錐齒輪傳動機構(gòu) 1軸向壓簧調(diào)整法 2周向彈簧調(diào)整法（四)齒輪齒條傳動機構(gòu) 1雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法2雙齒輪調(diào)整法三、滾珠絲杠副傳動機構(gòu) (一)滾珠絲杠副的特點 1傳動效率高 2運動具有可逆性 3系統(tǒng)剛度好 4傳動精度高 5使用壽命長 6不能自鎖 7制造工藝復(fù)雜 （二)滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法 滾珠絲杠副對其軸向間隙有嚴(yán)格要求，以比保證其反向傳動精度，通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，減小或消除軸向間

10、隙，提高滾珠絲杠副的剛度。 常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式有三種：（1）墊片調(diào)隙式(圖2-9) （2）螺紋調(diào)隙式（圖2-10）（3）齒差調(diào)隙式(圖2-11) (四)滾珠絲杠副的安裝1支承方式的選擇（如表2-5） （1）一端固定、一端自由(FO)（如圖2-13） （2）一端固定、一端游動(FS)（如圖2-14） （3）兩端固定(F-F)（如圖2-15）2.制動裝置 由于滾動絲杠副的傳動效率高，又無自鎖能力，故需要安裝制動裝置以滿足其傳動要求，特別是當(dāng)其處于垂直傳動時。四、錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器：該機構(gòu)利用錐環(huán)之間的摩擦實現(xiàn)軸與轂之間的無間隙聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩，且可任意調(diào)節(jié)兩聯(lián)接件之間的角度位置。通過選擇所

11、用錐環(huán)的對數(shù)，可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力高，傳遞功率大，轉(zhuǎn)速高，壽命長，具有過載保護能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣條件下連續(xù)工作。五、其它傳動機構(gòu)(一)軟軸傳動機構(gòu)(二)同步齒形帶傳動機構(gòu) 同步齒形帶傳動機構(gòu)利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運動和動力。它兼有帶傳動齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點，能方便地實現(xiàn)較遠中心距的傳動，傳動過程無相對滑動，平均傳動準(zhǔn)確，傳動精度高，傳動效率高，因此在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等伺服傳動中得到廣泛應(yīng)用。(三)諧波齒輪減速器 柔輪的齒數(shù)少于剛輪。一、導(dǎo)軌的功用 機電一體化產(chǎn)品的導(dǎo)向機構(gòu)是導(dǎo)軌，其作用是支承和導(dǎo)向。二、導(dǎo)軌的基本要求1導(dǎo)向精

12、度 導(dǎo)向精度主要是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。影響它的因素有：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等。2.耐磨性 是指導(dǎo)軌在長期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。 3疲勞和壓潰 導(dǎo)軌面由于過載或接觸應(yīng)力不均勻而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復(fù)運行多次后就會形成疲勞點，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑這種現(xiàn)象就是壓潰。4剛度 導(dǎo)軌受力變形會影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。5低速運動平穩(wěn)性 低速運動時，作為運動部件的動導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。6結(jié)構(gòu)工藝性三、導(dǎo)軌的分類和特點 導(dǎo)軌主要由兩部

13、分組成，在工作時一部分固定不動，稱為支承導(dǎo)軌，另一部分相對支承導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運動，稱為動導(dǎo)軌。根據(jù)導(dǎo)軌副(簡稱導(dǎo)軌)之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為 ：1：滑動導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌工作面的磨擦性質(zhì)為滑動摩擦。 2滾動導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌表面之間為滾動摩擦，導(dǎo)向面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動地相對運動。這種導(dǎo)軌磨損小，壽命長，定位精度高，運動平穩(wěn)可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。在高精密的機電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣范。(一)滾動直線導(dǎo)軌的特點1.承載能力大 其滾道采用圓弧形式，增大了滾動體與圓弧滾道接觸面積，從而大大地提高了導(dǎo)軌的承載能力，可達到平面滾道形式的13倍。2.剛性強 預(yù)加載荷,能承受較

14、大的沖擊和振動3.壽命長 由于是純滾動，摩擦系數(shù)為滑動導(dǎo)軌的150左右(二)滾動直線導(dǎo)軌的分類 1按滾動體的形狀分 有鋼珠式和滾柱式兩種 2按導(dǎo)軌截面形狀分 有矩形和梯形兩種3按滾道溝槽形狀分 有單圓弧和雙圓弧二種， 四、塑料導(dǎo)軌 近年來各種塑料導(dǎo)軌制品已紛紛涌現(xiàn)，并形成各種系列，這不僅降低了導(dǎo)軌的生產(chǎn)成本，而且提高了導(dǎo)軌的抗振性、耐磨性、低速運動平穩(wěn)性。(一)塑料導(dǎo)軌軟帶(如圖2-34) (1)摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定 (2)動靜摩擦系數(shù)相近 (3)吸收振動 (4)耐磨性好(二)金屬塑料復(fù)合導(dǎo)軌板 該導(dǎo)軌板分為三層，內(nèi)層鋼背保證導(dǎo)軌板的機械強度和承載能力。鋼背上鍍銅燒結(jié)球形青銅粉或者銅絲網(wǎng)形成多孔中

15、間層，以提高導(dǎo)軌板的導(dǎo)熱性。表面自潤滑塑料層外層。 金屬塑料導(dǎo)軌板的特點是摩擦特性優(yōu)良，耐磨損。一、執(zhí)行機構(gòu)的特點及要求 機電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)其主功能的重要環(huán)節(jié)，它應(yīng)能快速地完成預(yù)期的動作，并具有響應(yīng)速度快、動態(tài)特性好、動靜態(tài)精度高、動作靈敏度高等特點。為實現(xiàn)不同的目的功能，需采用不同形式的執(zhí)行機構(gòu)，其中有電動的、機械的、電子的、激光的二、微動機構(gòu) 微動機構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進給運動的機構(gòu)。微動機構(gòu)的基本要求：1靈敏度高，最小移動量達到使用要求2傳動靈活，平穩(wěn)，無空程與爬行，制動后能保持穩(wěn)定位置3抗干擾能力強，快速響應(yīng)性好4良好的結(jié)構(gòu)工藝性能。

16、微動機構(gòu)的形式：1手動機械式2熱變形式3磁致伸縮式三定位機構(gòu)是機械系統(tǒng)中一種確保移動件占據(jù)準(zhǔn)確位置的執(zhí)行機構(gòu)，通常采用將分度機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)組合的形式來實現(xiàn)精確定位的要求。四、工業(yè)機器人末端執(zhí)行器（一）機械夾持器（二）特種末端執(zhí)行器 特種末端執(zhí)行器供工業(yè)器人完成某類特定的作（三）靈巧手第三章 接口技術(shù)一、接口設(shè)計的重要性 機電一體化技術(shù)是利用微電子技術(shù)，賦予機械系統(tǒng)“智能”，使其具有更高的自動化程度，最大限度地發(fā)揮機械能力的一種技術(shù)。機電一體化產(chǎn)品由機械分系統(tǒng)和微電子分系統(tǒng)(控制微機)兩大部分組成，二者又分別由若干要素構(gòu)成。要將各要素、各子系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，就必須能順利地在

17、各要素、各子系統(tǒng)之間進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。各要素和子系統(tǒng)的相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這個聯(lián)系條件 通常被稱為接口。在某種意義上講，機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計，就是在根據(jù)功能要求，選擇了各要素后所進行的接口設(shè)計。從這一觀點出發(fā)，機電一體化產(chǎn)品的性能取決于接口的性能，各要素和各子系統(tǒng)之間的接口性能是綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。接口設(shè)計是機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。二、接口的分類和特點 按照接口所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同，以控制微機為出發(fā)點，將接口分為人機接口與機電接口兩大類。機電一體化產(chǎn)品由機械分系統(tǒng)和微電子分系統(tǒng)兩大部分組成。由于機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別，二者之間的聯(lián)系必須通

18、過機電接口進行調(diào)整、匹配、緩沖，因此機電接口有著重要的作用。按照信息和能量的傳遞方向，機電接口又可分為信息采集接口(傳感器接口)與控制輸出接口。 人機接口包括輸出接口與輸入接口兩類，通過輸出接口，操作者對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各種參數(shù)進行監(jiān)測；通過輸入接口，操作者向系統(tǒng)輸入各種命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)運行進行控制。 一、人機接口類型及特點人機接口是操作者與機電系統(tǒng)(主要是控制微機)之間進行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向，可以分作兩大類：輸入接口與輸出接口。人機接口特點：專用性、低速性、高性能價格比。二、輸入接口設(shè)計(一)開關(guān)輸入接口設(shè)計(二)撥盤輸入接口設(shè)計(三)鍵盤輸入接口設(shè)計1.矩陣式鍵盤工作

19、原理 矩陣式鍵盤由一組行線(xi)與一組列線(Yi)交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點上，為對各個鍵進行區(qū)別，可以按一定規(guī)律分別為各個鍵命名鍵號，通常將行線通過上拉電阻接至十5V電源、當(dāng)無鍵按下時，行線與列拔斷開，行線呈高電平。當(dāng)鍵盤上某鍵按下時，則該鍵對應(yīng)的行線與列線被短路。如果將行線接至控制微機的輸入口，列線接至控制微機的輸出口，則在微機控制下依次從Y0Y3輸出低電平，并使其它線保持高電平，則通過對x0x3的讀取即可判斷有無鍵閉合、哪一個鍵閉合。這種工作方式稱為掃描工作方式。3.鍵輸入程序設(shè)計方法 (1)判斷鍵盤上有無鍵閉合 (2)判別閉合鍵的鍵號 (3)去除鍵的機械抖動 （4）使控制微機對鍵的一次

20、閉合僅作一次處理4.中斷方式設(shè)計鍵盤接口 平時不對鍵盤進行監(jiān)控，只有當(dāng)有鍵閉合時，產(chǎn)生中斷請求，控制系統(tǒng)才響應(yīng)中斷,對鍵盤進行管理。三、輸出接口設(shè)計輸出接口是操作者對機電系統(tǒng)進行監(jiān)測的窗口，通過輸出接口，機電系統(tǒng)向操作者顯示自身的運行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)及運行結(jié)果等，并進行故障報警。 (一)發(fā)光二極管顯示器的接口設(shè)計（二）打印機接口設(shè)計（三）顯示器接口設(shè)計一、機電接口的類型及特點 機電接口，是指機電一體化產(chǎn)品中的機械裝置與控制微機間的接口。按照信息的傳遞方向可以將機電接口分為信息采集接口(傳感器接口)與控制量輸出接口。(一)信息采集接口的任務(wù)與特點 機電一體化產(chǎn)品中，控制微機要對機械裝置進行有效控制

21、，必須隨時對機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，要隨時檢測各種運行參數(shù)，如位置、速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度等等。再經(jīng)過信息采集接口的整形，放大，匹配，轉(zhuǎn)換，變成微機可以接受的信號傳遞給微機。 (二)控制輸出接口的任務(wù)與特點 控制微機通過信息采集接口檢測機械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過運算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使其按設(shè)計要求運行。 三、控制量輸出接口中的功率接口設(shè)計 在機電一體化產(chǎn)品中，被控對象所需要的驅(qū)動功率一般都比較大，而計算機發(fā)出的數(shù)字控制信號或經(jīng)轉(zhuǎn)換后所得到的模擬控制信號的功率都很小，必須經(jīng)過功放后才能驅(qū)動被控對象。實現(xiàn)功率放大功能

22、的接口電路被稱為功率接口電路。(一) 功率接口常用器件1晶閘管 晶閘管又稱可控硅，是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體功率開關(guān)元件，其控制電流可從數(shù)安培到數(shù)千安培。 晶閘管的主要類型有單向晶閘管SCR，雙向晶閘管Triac和可關(guān)斷晶閘管GTO等三種最基本類型，此外還有光控晶閘管、溫控晶閘管等特殊類型(1)單向晶閘管SCR SCR由三個極組成，分別稱為陽極A，陰極K及控制極G(又稱門極)。它有截止和導(dǎo)通兩種穩(wěn)定狀態(tài)，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以由導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件來說明。導(dǎo)通條件是在晶閘管的陽極加上正向電壓，同時在控制極加上正向電壓。 關(guān)斷條件是指晶閘管從導(dǎo)通到阻斷所需的條件。晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極對晶閘管就不起控制

23、作用了。只有當(dāng)流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的電流即維持電流時，晶閘管才關(guān)斷。2功率晶體管是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時也稱為電力晶體管。3.功率場效應(yīng)晶體管 4，固態(tài)繼電器(二)光電耦合器驅(qū)動接口電路 設(shè)計光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在一起，通過光信號，實現(xiàn)電信號傳遞的器件。由于光電耦合器輸入與輸出之間沒有直接的電氣聯(lián)系，電信號是通過光信號傳遞的，所以也稱光電隔離器。光電耦合器的發(fā)光部分和受光部分不接觸，被耦合的兩部分自成系統(tǒng)不“共地”，能夠?qū)崿F(xiàn) 強電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機。二、機電一體化對檢測系統(tǒng)的基本要求 基本要求是：精度、靈敏度和分辨

24、率高；線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；抗干擾能力強；靜、動態(tài)特性好。此外還有一些特殊要求，如體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。三、檢測系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)、方法和步驟 檢測系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是：根據(jù)使用要求合理選用傳感器，并設(shè)計或選用相應(yīng)的信號檢測與處理電路構(gòu)成檢測系統(tǒng)，對檢測系統(tǒng)進行分析與調(diào)試，使之在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)預(yù)期的計測功能。 檢測系統(tǒng)設(shè)計的主要方法是實驗分析法，即理論分析和計算與實驗測試相結(jié)合的方法。 檢測系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟如下：(1)設(shè)計任務(wù)分析 (2)系統(tǒng)方案選擇 (3)系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計 (4)環(huán)節(jié)設(shè)計與制造 (5)總裝調(diào)試及實驗分析 (6）系統(tǒng)運行及考核。四、信號

25、調(diào)制與解調(diào)電路 （一）幅值調(diào)制的基本思想是讓一個具有特定角頻率Wc的高頻信號的幅值隨被測量x而變化。該高頻信號稱為載波信號，被測量x稱調(diào)制信號，載波信號經(jīng)被測量x調(diào)制后所得到的幅值隨x變化的信號稱已調(diào)制信號或調(diào)幅信號。 最簡單的幅值調(diào)制是線性調(diào)制，即讓高頻振蕩信號的幅值為被測信號x的線性函數(shù)，所得到的調(diào)幅信號的一般表達式為Us=(Um+mx)COS Wct 式中，Wc是載波信號的角頻率；Um是載波信號幅度；x是調(diào)制信號；m稱調(diào)制深的。（二）相位調(diào)制的基本思想是讓一個具有特定角頻率Wc的高頻載波信號的相位隨被測量x而變化，則已調(diào)制信號中就包含了x的全部信息。 最常用的是線性調(diào)相，即使調(diào)相信號的相

26、移角為x的線性函數(shù)，其一般表達式為Us=UmCOS （Wct+mx） 式中，Um是載波信號的幅值；m稱調(diào)制深的。（二）頻率調(diào)制的基本思想是讓一個高頻振蕩的載波信號的頻率隨被測量x（調(diào)制信號）而變化，則得到的已調(diào)制信號中就包含了x的全部信息。在線性調(diào)頻中，調(diào)頻信號可以表達成：Us=UmCOS(Wc+mx）t 式中，Um和Wc分別是載波信號的幅值和中心角頻率；m稱調(diào)制深的 頻率解調(diào)又稱鑒頻或頻率檢波，常用的方法有微分鑒頻、一、數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成模擬信號需先經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再采入微型機進行處理，這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且模擬信號的檢測精度較低，易受干擾，不便于遠距離傳輸。數(shù)字式傳感器可直接將

27、被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，既可提高檢測精度、分辨率，又易于信號的運算處理、存儲和遠距離傳輸。因此，數(shù)字式傳感器得到了越來越多的應(yīng)用。 最常見的數(shù)字式傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、光電編碼器及激光干涉儀等，主要用于幾何位置、速度等的測量。第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計一、伺服系統(tǒng)的基本概念 伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確位置,速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。 二、伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式1.比較元件 是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得控制系統(tǒng)動作的偏差信號的環(huán)節(jié).2.調(diào)節(jié)元件 是伺服系統(tǒng)的一個重要組成部分，其作用是對比較元件輸出的偏差信號進行變換、放

28、大，以控制執(zhí)行元件要求動作。3.執(zhí)行元件 將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化產(chǎn)品中多采用伺服電動機作為執(zhí)行元件。4.被控對象 是直接實現(xiàn)目的功能或主功能的主體，一般是機械裝置，包括傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。5.測量反饋元件 是指傳感器及其信號檢測裝置。三、伺服系統(tǒng)的基本類型 按被控量的不同可將伺服系統(tǒng)分成位置、速度、力等伺服系統(tǒng)，按所采用的執(zhí)行元件的不同可將伺服系統(tǒng)分成電氣、液壓、氣動等伺服系統(tǒng)。按控制方式的不同可將伺服系統(tǒng)分成開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)。四、伺服系統(tǒng)的基本要求(一)穩(wěn)定性 穩(wěn)定性要求是一項最基本的要求，也是伺服系統(tǒng)能夠正常運行的最基本條件。一個伺服系

29、統(tǒng)是否穩(wěn)定，可根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用自動控制理論所提供的各種方法判別。(二)精度 伺服系統(tǒng)的精度是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。精度是對伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。設(shè)計伺服系統(tǒng)時，只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)要求就可以了。 (三)快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。響應(yīng)速度常由系統(tǒng)的上升時間(輸出響應(yīng)從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間)來表征。伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、穩(wěn)定性和精度三項基本性能要求是相互關(guān)聯(lián)的，在進行伺服系統(tǒng)設(shè)計時，必須首先滿足穩(wěn)定性要求，然后社滿足精度要求的前提下盡量提高系統(tǒng)的快

30、速響應(yīng)性。一、執(zhí)行元件的特點及類型1電氣式 主要有步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。這是機電一體化伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行元件，也是這一節(jié)所要介紹的重點。2液壓式 主要有液壓缸、液壓馬達等，其優(yōu)點是輸出功率大、動作平穩(wěn)，但需要相應(yīng)的液壓源，容易污染環(huán)境，控制性能不如伺服電動機。3氣壓式 主要有氣缸、氣馬達等，其優(yōu)點是氣源方便、成本低、動作快，但輸出功率小，且難于伺服控制。二、伺服系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求1慣性小、動力大 2體積小、質(zhì)量輕 3便于計算機控制 4成本低、可靠性好、便于安裝和維修。(二)步進電動機的通電方式和步距角 步進電動機繞組每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電

31、，這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進電動機的A、B、C三相輪流通電一次共需三拍，稱為一個通電循環(huán)，相應(yīng)的通電方式又稱為三相單三拍通電方式。 每拍中都有兩相繞組通電，稱為雙相通電方式。 采用雙相通電方式時，每個通電循環(huán)也需三拍，稱為三相雙三拍通電方式，即ABBCCAAB。 通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，稱為單雙相輪流通電方式。采用單雙相輪流通電方式時，每個通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式，即AABBBCCCAA。 一般情況下，m相步進電動機可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對應(yīng)的通電方式可分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。所謂步距角

32、，是指步進電動機每一拍轉(zhuǎn)過的角度。一個m相步進電動機，如其轉(zhuǎn)子上有z個齒，則其步距角?？赏ㄟ^式計算，式中，k是通電方式系數(shù)，當(dāng)采用單相或雙相通電方式時，k1，當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時，k2?？梢姴捎脝坞p相輪流通電方式還可使步距角減小一半，提高步進電動機轉(zhuǎn)角輸出的分辨率。(三)步進電動機的主要參數(shù)及特性1步距誤差 是指空載時實測的步距角與理論的步距角之差，它反映了步進電動機角位移的精度。2.轉(zhuǎn)矩 是指步進電動機在某相始終通電而處于靜止不動狀態(tài)時，所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩，亦即所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩。3啟動矩頻特性（如圖所示） 是指步進電動機在有外加負載轉(zhuǎn)矩時，不失步地正常啟動所能接受的最大階躍輸

33、入脈沖頻率(又稱啟動頻率)與負載轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系。4.啟動慣頻特性（如圖所示） 是指步進電動機帶動純慣性負載啟動時，啟動頻率與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系。5運行矩頻特性（如圖所示） 是指步進電動機運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的增加而減小，高速時其負載能力變差。(三)直流伺服電動機的控制方式主要有兩種:1.電樞電壓控制，即在定子磁場不變的情況下，通過控施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩； 2.勵磁磁場控制，即通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強度來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。(四)直流伺服電動機的靜態(tài)特性 所謂靜態(tài)特性，是指電動機在穩(wěn)態(tài)情況下

34、工作時，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。當(dāng)電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為 式中，Ea是電樞反電動勢；Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。 轉(zhuǎn)子在定子磁場中以角速度切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與角速度之間存在如下關(guān)系： 式中，Ce是電動勢常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)；是定子磁場中每極氣隙磁通量。此外，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達 式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)。 根據(jù)以上各式可得到直流伺服電動機運行特性的一般表達式(六)直流伺服電動機的動態(tài)特性 直流伺服電動機主要用于閉環(huán)或半閉環(huán)控制的

35、伺服系統(tǒng)中，其動態(tài)性能對整個伺服系統(tǒng)的性能有著重要影響。 動態(tài)特性的本質(zhì)是由對輸入信號響應(yīng)的過渡過程來描述的。直流伺服電動機產(chǎn)生過渡過程的原因在于電動機中存在著兩種慣性，即機械慣性和電磁慣性。機械慣性是由直流伺服電動機和負載的轉(zhuǎn)動慣量引起的，是造成機械過渡過程的原因；電磁慣性是由電樞回路中的電感引起的，是造成電磁過渡過程的原因。一般而言，電磁過渡過程比機械過渡過程要短得多。因此為簡化分析，通常只考慮機械過渡過程，而忽略電磁過渡過程。一、步進電動機的控制與驅(qū)動 步進電動機正確運轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈骼@組勵磁，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)這一功能的器件稱為脈沖分配器或環(huán)形分配器，可由硬件電路或軟件程序?qū)?/p>

36、現(xiàn)。1.硬件脈沖分配器2軟件脈沖分配器 軟件脈沖分配器是指實現(xiàn)脈沖分配控制的計算機程序。(四)步進電動機的驅(qū)動 要使步進電動機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動負載工作，必須對控制信號進行放大，實現(xiàn)這一功能的電路稱為步進電動機驅(qū)動電路或功放電路。 常見的步進電動機驅(qū)動電路有三種：(1)單電源驅(qū)動電路 這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但電流波形差效率低，出力小，主要用于對速度要求不高的小型步進電動機的驅(qū)動。(2)雙電源驅(qū)動電路 又稱高低壓驅(qū)動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。 同單電源驅(qū)動電路比較，高低壓雙電源驅(qū)動電路(原理圖如圖5-16)的電流波形得到顯著地改善，使步進電動機的力矩和運行頻率等主要性能得到明顯提高。(3)斬波限流驅(qū)動電路這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關(guān)，使電流在控