機(jī)電一體化復(fù)習(xí)

復(fù)習(xí)

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì):

0.1機(jī)電一體化基本概念機(jī)電一體化的基本定義：機(jī)電一體化的英文名稱是Mechatronics,是由日本人通過截取英文機(jī)械學(xué)(Mechanics)的詞頭和電子學(xué)(Electronics)的詞尾組合在一起而創(chuàng)造出來(lái)的一個(gè)新的英文名詞。這一名詞最早出現(xiàn)在1971年日本的<機(jī)械設(shè)計(jì)>雜志副刊上,后來(lái)隨著機(jī)電一體化的發(fā)展而被廣泛引用。

日本<<機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所>>于1981年提出的解釋:“機(jī)電一體化乃是機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù),并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱.”它體現(xiàn)了機(jī)電一體化產(chǎn)品及其技術(shù)的基本內(nèi)容和特征，所以具有指導(dǎo)性的定義。

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)：0.2機(jī)電一體化系統(tǒng)基本組成一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。這些組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過接口耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機(jī)融合的一個(gè)完整系統(tǒng)。一、傳動(dòng)裝置功能及性能要求功能：傳遞運(yùn)動(dòng)（速度、位移）和動(dòng)力（力、力矩）第一章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、滾珠絲杠（或滾動(dòng)螺旋）傳動(dòng)1、工作原理與結(jié)構(gòu)形式絲杠和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，使絲杠和螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦。在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。2、滾珠的循環(huán)方式：內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)

3、公稱直徑（滾珠中心圓直徑）D0（mm）

導(dǎo)程(或螺距)p（mm）

4、尺寸標(biāo)注：FC1B-60×6-5-E2左(漢江機(jī)床廠)

5、當(dāng)絲杠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，間隙會(huì)使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法消除間隙，提高剛度。

6、不能自鎖，垂直安裝時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設(shè)置制動(dòng)裝置。三、支承導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌的作用是支撐導(dǎo)向作用。一副導(dǎo)軌主要由兩部分組成，在工作時(shí)一部分固定不動(dòng)，稱為支承導(dǎo)軌(或?qū)?dòng)軌)，另一部分相對(duì)支承導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)導(dǎo)軌(或滑座)。

第二章檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化一體化系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)：非電量電量顯示或輸出1傳感器的定義定義：是一種以一定的精確度將被測(cè)量（如位移、力、加速度等）轉(zhuǎn)換為與之能確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，易于精確處理和測(cè)量的某種物理量（如電量）的測(cè)量部件或裝置。轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路敏感元件被測(cè)量電量

傳感器靜態(tài)特性：線性度：傳感器實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差靈敏度：輸出變化對(duì)輸入變化的比值遲滯性：在正反行程期間輸入—輸出特性曲線不重合程度重復(fù)性：輸入量按同一方向多次測(cè)試時(shí)所得特性曲線的不重合度分辨力、零漂、精度3、電容傳感器4、電感傳感器5、光柵線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距6、感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的。

光柵

光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號(hào)處理電路等組成（如圖）。7、光電編碼器（1）M法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在T時(shí)間段內(nèi)有m1

個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m1一定時(shí)間內(nèi)用角編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)確定速度的方法8數(shù)字測(cè)速例：有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為2048p/r，在0.2s時(shí)間內(nèi)測(cè)得8K個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×8192/（2048×0.2）

r/min=1200r/min（2）T法測(cè)速（適合于低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）時(shí)鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2

，則轉(zhuǎn)速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

用角編碼器產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間來(lái)確定速度的方法例：有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為1000，時(shí)鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（r/min)？練習(xí)1傳動(dòng)分析設(shè)：螺距t=6mm，旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)得絲桿旋轉(zhuǎn)角度為7290，求螺母的直線位移x？螺母絲杠螺距x=？練習(xí)2莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，計(jì)算光柵的柵距和莫爾條紋的寬度？則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無(wú)法觀察光強(qiáng)的變化）

莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。傳感器輸出信號(hào)有些什么特點(diǎn)？1、信號(hào)比較微弱2、為非電壓信號(hào)3、攜帶噪聲信息因此，傳感器在使用中需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理一般包括放大、變換、調(diào)制與解調(diào)、濾波等。2.3信號(hào)放大電路高輸入阻抗放大器虛短，虛斷，”虛地”為保證共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子項(xiàng)1、

高輸入阻抗放大電路當(dāng)只有共模信號(hào)，共模抑制比無(wú)窮大

2、高共模抑制比放大器高共模抑制比差動(dòng)放大器浮置電源輸入調(diào)制放大器耦合變壓器輸出解調(diào)放大器輸出輸入－＋2、原理框圖浮置電源光耦合器輸入放大器－＋輸出放大器輸出輸入VLC變壓器耦合不僅隔離了輸入與輸出電路，而且也隔離了浮置電源，但體積大。光電耦合先將被測(cè)信號(hào)放大后由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再由光敏三極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大輸出，但非線性。3、隔離放大電路當(dāng)電橋平衡，流過檢流計(jì)的電流為零時(shí)，有即若比例臂和Rs為已知，可以求出被測(cè)電阻Rx為的阻值。

R1、R2均為固定電阻，Rx為被測(cè)電阻，Rs為可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電阻，G為靈敏電流計(jì)，E為工作電源。2.4信號(hào)變換電路電橋測(cè)量電阻原理1）電流-電壓變換模擬信號(hào)變換電路

電流通過電阻，在電阻上產(chǎn)生壓降，建立起電壓和電流的關(guān)系為

2）電壓-電流變換2.5信號(hào)調(diào)制與解調(diào)1、什么是信號(hào)調(diào)制？

調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。

2、什么是解調(diào)？在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過程稱為解調(diào)。c)ustuctb)a)OxtxOxO2.6信號(hào)濾波電路1.濾波器的類型按功能分：低通濾波器;高通濾波器;帶通濾波器;帶阻濾波器.例：濾波器的設(shè)計(jì)。23一、人機(jī)接口輸入接口輸出接口第四章機(jī)電一體化計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)24軟件去抖硬件去抖開關(guān)：OFF高電平低電平開關(guān)：ON開關(guān)：OFF開關(guān)：ON發(fā)生抖動(dòng)的時(shí)間在10ms以下OFFON積分后的輸出史密特觸發(fā)器的輸出史密特觸發(fā)器積分電路2501234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V鍵盤接口方法上圖示出了8031通過P1口與一個(gè)4×4鍵盤的接口電路，其中P1.7~P1.4作掃描線，P1.3~P1.0作輸出線。26鍵輸入程序流程有鍵閉合？開始

調(diào)鍵掃描子程序，求鍵號(hào)，送（20H)延時(shí)10ms(A)=(20H)?鍵釋放否？延時(shí)10ms鍵釋放否？

認(rèn)定鍵號(hào)，轉(zhuǎn)相應(yīng)鍵處理子程序返回返回返回NYNYNNYY判斷閉合鍵的鍵號(hào)，方法為依次從P1.7~P1.4送出低電平，并從其他列線送出高電平，相應(yīng)地順序讀入P1.3~P1.0的狀態(tài)，若全為“1”，則列線輸出為“0”的這一列上沒有鍵閉合；若不全為“1”，則有鍵閉合。狀態(tài)為低電平的鍵的行號(hào)加上其所在列的列首號(hào)即為該鍵鍵號(hào)。判斷鍵盤上有無(wú)鍵閉合，其方法為在掃描線P1.7~P1.4上全部送“0”，然后讀取P1.3~P1.0的狀態(tài)，若全部為“1”，則無(wú)鍵閉合，若不全為“1”，則有鍵閉合。去除鍵的機(jī)械抖動(dòng)，方法為讀取鍵號(hào)后延時(shí)10ms,再次讀鍵盤，若此鍵閉合則認(rèn)為有效，否則認(rèn)為前述鍵的閉合是由于機(jī)械抖動(dòng)或干擾所引起的。使控制微機(jī)對(duì)鍵的一次閉合僅做一次處理，方法為等待閉合鍵釋放后再處理。27

發(fā)光二極管顯示器（LightEmittingDiode）的接口設(shè)計(jì)12345678abcdefgdpdpabcdefgDPYabcdefgdpCOM共陽(yáng)極abcdefgdpCOM共陰極將發(fā)光二極管組成陣列，封裝于標(biāo)準(zhǔn)外殼中，即發(fā)光二極管顯示器（LED顯示器）。以七段LED顯示器最為常用。引線有共陽(yáng)極與共陰極兩種結(jié)構(gòu)如圖。人機(jī)輸出接口開光量的輸入輸出通道設(shè)計(jì)圖11用光耦合器隔離開關(guān)信號(hào)的電路圖

Ui高----A低-----B低——U0高Ui低----A高-----B高——U0低第五章伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定的準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化為變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)，亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)。它用來(lái)控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角（或位移），使其能自動(dòng)地連續(xù)地，精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。其組成如下圖：伺服系統(tǒng)根據(jù)控制原理，即根據(jù)有無(wú)檢測(cè)環(huán)節(jié)及其檢測(cè)部件，可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種基本的控制方式圖5-3伺服系統(tǒng)的控制原理類型晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管是一種功率四層半導(dǎo)體器件，有三個(gè)引出極，陽(yáng)極（A）、陰極（K）、門極（G），常用的有螺栓式與平板式。A

N

N

PKG

P

J1J2J3

AGK圖2晶閘管的圖形符號(hào)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)1晶閘管的結(jié)構(gòu)1）晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓控制極與陰極之間加正向電壓（一）電阻性負(fù)載1單相半波可控整流電路圖6單相半波可控整流電路及波形

VT的α移相范圍為0～180通過控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。

首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：控制角：從晶閘管開始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用α表示,也稱觸發(fā)角或觸發(fā)延遲角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。直流輸出電壓平均值為可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15~180，求輸出電壓平均值UL的調(diào)節(jié)范圍，以及可控硅（包括二極管）的電流平均值的最大值

由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。＝360/ZKm

其中：Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2例：若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z=100，單拍運(yùn)行時(shí)，其步距角為多少？

單三拍時(shí)：A—B—C,—A—B—C…

電壓電流波形

雙三拍時(shí)：

單雙拍（即六拍）時(shí)：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,-A—AB—B—BC—C—CA…

驅(qū)動(dòng)電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進(jìn)電機(jī)負(fù)載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進(jìn)脈沖方向信號(hào)ABC脈沖分配器+功率放大電路步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)（或計(jì)算機(jī)）產(chǎn)生，其基本控制作用如下：控制換相順序（也稱脈沖分配）控制轉(zhuǎn)向（正反序通電）

控制速度（由單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率的大小決定）硬件環(huán)分軟件環(huán)分+功率驅(qū)動(dòng)軟件環(huán)形分配

軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。

1)輸出接口8031單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。

輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。

若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。因此可以通過改變電樞電壓Ua進(jìn)行調(diào)速電壓的平均值為2．PWM驅(qū)動(dòng)電路裝置

根據(jù)PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉(zhuǎn)速的指令轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開關(guān)狀態(tài)，這種裝置叫直流PWM驅(qū)動(dòng)裝置。

圖5-25PWM驅(qū)動(dòng)電路框圖當(dāng)控制電壓Ue為零時(shí)，輸出電壓UA和UB的脈沖寬度相同，且等于T/2(T為三角波的周期)。當(dāng)控制電壓Ue為正時(shí)，UA的寬度大于T/2，UB的寬度小于T/2；Ue為負(fù)時(shí)，情況則相反。由此得到兩種不同的被調(diào)制直流電壓。3）開關(guān)功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM

開關(guān)功率放大器電路圖:

由四個(gè)大功率晶體管T1、T2、T3、T4

及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：

又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、

Ub2、Ub3Ub4–為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來(lái)的脈沖電壓。分別加到T1

、T2、T3

、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS

-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)工作原理：

T1

和T4

同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時(shí)。負(fù)載較重時(shí)：①電動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)0≤t≤t1時(shí)，Ub1、Ub4為正，T1

和T4

導(dǎo)通；Ub2、Ub3

為負(fù)，

T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1≤t≤T時(shí)，Ub1、Ub4為負(fù)，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3