機(jī)電一體化基礎(chǔ)知識(shí)考試復(fù)習(xí)總結(jié)

第一章緒論●機(jī)電一體化是指機(jī)械裝置和電子設(shè)備適當(dāng)?shù)亟M合起來，構(gòu)成機(jī)械產(chǎn)品或機(jī)電一體與機(jī)信一體的新趨勢(shì)?！駲C(jī)電一體化是把機(jī)械學(xué)和電子學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，提供更加優(yōu)越技術(shù)的一種技術(shù)?！駲C(jī)電一體化乃是在機(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。機(jī)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(shí)又能節(jié)省材料、省能源，使產(chǎn)品向輕、薄、細(xì)、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(dòng)化需求。機(jī)電一體化基本結(jié)構(gòu)要素：1．機(jī)械本體包括機(jī)身、框架機(jī)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)造功能。2．動(dòng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。3．檢測(cè)與傳感裝置包括各種傳感器與其信號(hào)檢測(cè)路，用于對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，提供運(yùn)行控制所需的各種信息，實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。4．控制與信息處理裝置主要是指由計(jì)算機(jī)與其相應(yīng)硬、軟件所構(gòu)成的控制系統(tǒng)。5．執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，在控制信息作用下完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。是機(jī)電一體化產(chǎn)品中最重要的組成要素之一。機(jī)電一體化產(chǎn)品可劃分為功能附加型、功能替代型和機(jī)電融合型三類。1．功能附加型產(chǎn)品：主要特征是在原有機(jī)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(qiáng)，性能得到適當(dāng)?shù)奶岣?。?jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、電子秤、數(shù)顯量具、全自動(dòng)洗衣機(jī)等都屬于這一類機(jī)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)與裝置取代原產(chǎn)品中的機(jī)械控制功能、信息處理功能或主功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，性能提高。柔性增加，如電子縫紉機(jī)、自動(dòng)照相機(jī)等用微電于裝置取代了原來復(fù)雜的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)；線切割加工機(jī)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(jī)械的主功能。3．機(jī)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與技術(shù)規(guī)范，采用專門設(shè)計(jì)的或具有特定用途的集成電路來實(shí)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(jì)更靈活、成本進(jìn)一步降低。機(jī)、復(fù)印機(jī)、攝象機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控機(jī)床等都是這一類機(jī)電一體產(chǎn)品。機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)一、機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，它主要是以機(jī)械技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)的。二、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)與信息處理裝置指揮整個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)行。計(jì)算機(jī)應(yīng)用與信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的最活躍的因素。三、檢測(cè)與傳感技術(shù)檢測(cè)與傳感技術(shù)的研究對(duì)象是傳感器與其信號(hào)檢測(cè)裝置。機(jī)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(hào)檢測(cè)裝置反饋給控制與信息處理裝置。因此檢測(cè)與傳感是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。四、自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)范圍很廣，包括自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的整個(gè)過程。自動(dòng)控制技術(shù)的難點(diǎn)在于自動(dòng)控制理論的工程化與實(shí)用化。五、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要研究對(duì)象是執(zhí)行元件與其驅(qū)動(dòng)裝置。執(zhí)行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等多種類型，因此伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的動(dòng)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(diǎn)和方法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機(jī)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(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)在兩個(gè)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(shí)現(xiàn)時(shí)，必須進(jìn)行機(jī)械與電子與其它多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)；另一方面，當(dāng)產(chǎn)品某一功能的實(shí)現(xiàn)有多種可行的技術(shù)方案時(shí)，也必須應(yīng)用機(jī)電了體化技術(shù)對(duì)各種技術(shù)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。因此，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)必須充分考慮各種技術(shù)方案的等效性、互補(bǔ)性與可比性。機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般可分為三種類型：（1）開發(fā)性設(shè)計(jì)一個(gè)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(jìn)行的設(shè)計(jì)。開發(fā)性設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者具備敏銳的市場(chǎng)洞察力、豐富的想象力和廣泛而扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。（2）適應(yīng)性設(shè)計(jì)在原有產(chǎn)品總的方案基本不變的情況下，對(duì)產(chǎn)品的某些局部加以變動(dòng)或改進(jìn)，以增加功能、提高性能和質(zhì)量或降低成本為目的生所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者對(duì)原有產(chǎn)品與相關(guān)的市場(chǎng)需求變化和技術(shù)進(jìn)步有充分的了解和掌握。（3）變異性設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)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(chǎng)對(duì)產(chǎn)呂規(guī)格方面的需求進(jìn)行的系列化設(shè)計(jì)。變異性設(shè)計(jì)比較容易，但設(shè)計(jì)中必須注意采取措施防止因參數(shù)變化可能對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響。第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、機(jī)電一體化對(duì)機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機(jī)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(jī)械操作。2．快速響應(yīng)要求機(jī)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(shí)間間隔短。3．良好的穩(wěn)定性要求機(jī)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(qiáng)。二．機(jī)械系統(tǒng)的組成1.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。要滿足傳動(dòng)精度的要求。2.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)其作用是支承和導(dǎo)向。3.執(zhí)行機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)性能要求1．轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，機(jī)械負(fù)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(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)機(jī)械系統(tǒng)而言是有利的。3．阻尼合適要求摩擦小、抗振性好、間隙小。二、無側(cè)隙齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（一）直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1．偏心軸套調(diào)整法2．雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法(二)斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1．墊片調(diào)整法2.軸向壓簧調(diào)整法（三)錐齒輪傳動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)1雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法2雙齒輪調(diào)整法三、滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(一)滾珠絲杠副的特點(diǎn)1．傳動(dòng)效率高2．運(yùn)動(dòng)具有可逆性3．系統(tǒng)剛度好4．傳動(dòng)精度高5．使用壽命長(zhǎng)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(duì)其軸向間隙有嚴(yán)格要求，以比保證其反向傳動(dòng)精度，通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，減小或消除軸向間隙，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(F—O)（如圖2-13）（2）一端固定、一端游動(dòng)(F—S)（如圖2-14）（3）兩端固定()（如圖2-15）2.制動(dòng)裝置由于滾動(dòng)絲杠副的傳動(dòng)效率高，又無自鎖能力，故需要安裝制動(dòng)裝置以滿足其傳動(dòng)要求，特別是當(dāng)其處于垂直傳動(dòng)時(shí)。四、錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器：該機(jī)構(gòu)利用錐環(huán)之間的摩擦實(shí)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。通過選擇所用錐環(huán)的對(duì)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(zhǎng)，具有過載保護(hù)能力，能在受振動(dòng)和沖擊載荷等惡劣條件下連續(xù)工作。五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(一)軟軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(二)同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。它兼有帶傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，能方便地實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動(dòng)，傳動(dòng)過程無相對(duì)滑動(dòng)，平均傳動(dòng)準(zhǔn)確．，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)效率高，因此在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等伺服傳動(dòng)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(jī)電一體化產(chǎn)品的導(dǎo)向機(jī)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)向精度導(dǎo)向精度主要是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)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)量以與液體動(dòng)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(zhǎng)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(yùn)行多次后就會(huì)形成疲勞點(diǎn)，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(huì)影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度與部件之間的相對(duì)位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。5．低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)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(diǎn)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，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。根據(jù)導(dǎo)軌副(簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌)之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為：1：滑動(dòng)導(dǎo)軌兩導(dǎo)軌工作面的磨擦性質(zhì)為滑動(dòng)摩擦。2．滾動(dòng)導(dǎo)軌兩導(dǎo)軌表面之間為滾動(dòng)摩擦，導(dǎo)向面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動(dòng)體來實(shí)現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)軌磨損小，壽命長(zhǎng)，定位精度高，運(yùn)動(dòng)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(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣范。(一)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)1.承載能力大其滾道采用圓弧形式，增大了滾動(dòng)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(dá)到平面滾道形式的13倍。2.剛性強(qiáng)預(yù)加載荷,能承受較大的沖擊和振動(dòng)3.壽命長(zhǎng)由于是純滾動(dòng)，摩擦系數(shù)為滑動(dòng)導(dǎo)軌的1／50左右(二)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的分類1．按滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)靜摩擦系數(shù)相近(3)吸收振動(dòng)(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(jī)械強(qiáng)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)形成多孔中間層，以提高導(dǎo)軌板的導(dǎo)熱性。表面自潤(rùn)滑塑料層——外層。金屬塑料導(dǎo)軌板的特點(diǎn)是摩擦特性優(yōu)良，耐磨損。一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)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(dòng)作，并具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好、動(dòng)靜態(tài)精度高、動(dòng)作靈敏度高等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)不同的目的功能，需采用不同形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中有電動(dòng)的、機(jī)械的、電子的、激光的二、微動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。微動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求：1靈敏度高，最小移動(dòng)量達(dá)到使用要求2傳動(dòng)靈活，平穩(wěn)，無空程與爬行，制動(dòng)后能保持穩(wěn)定位置3抗干擾能力強(qiáng)，快速響應(yīng)性好4良好的結(jié)構(gòu)工藝性能。微動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式：1手動(dòng)機(jī)械式2熱變形式3磁致伸縮式三定位機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)中一種確保移動(dòng)件占據(jù)準(zhǔn)確位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常采用將分度機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)組合的形式來實(shí)現(xiàn)精確定位的要求。四、工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器（一）機(jī)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(jì)的重要性機(jī)電一體化技術(shù)是利用微電子技術(shù)，賦予機(jī)械系統(tǒng)“智能”，使其具有更高的自動(dòng)化程度，最大限度地發(fā)揮機(jī)械能力的一種技術(shù)。機(jī)電一體化產(chǎn)品由機(jī)械分系統(tǒng)和微電子分系統(tǒng)(控制微機(jī))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(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，就必須能順利地在各要素、各子系統(tǒng)之間進(jìn)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(gè)聯(lián)系條件通常被稱為接口。在某種意義上講，機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，就是在根據(jù)功能要求，選擇了各要素后所進(jìn)行的接口設(shè)計(jì)。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)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(jì)是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。二、接口的分類和特點(diǎn)按照接口所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同，以控制微機(jī)為出發(fā)點(diǎn)，將接口分為人機(jī)接口與機(jī)電接口兩大類。機(jī)電一體化產(chǎn)品由機(jī)械分系統(tǒng)和微電子分系統(tǒng)兩大部分組成。由于機(jī)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)系必須通過機(jī)電接口進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖，因此機(jī)電接口有著重要的作用。按照信息和能量的傳遞方向，機(jī)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(jī)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(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過輸入接口，操作者向系統(tǒng)輸入各種命令與控制參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制。一、人機(jī)接口類型與特點(diǎn)人機(jī)接口是操作者與機(jī)電系統(tǒng)(主要是控制微機(jī))之間進(jìn)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(jī)接口特點(diǎn)：專用性、低速性、高性能價(jià)格比。二、輸入接口設(shè)計(jì)(一)開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)(二)撥盤輸入接口設(shè)計(jì)(三)鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)1.矩陣式鍵盤工作原理矩陣式鍵盤由一組行線()與一組列線()交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點(diǎn)上，為對(duì)各個(gè)鍵進(jìn)行區(qū)別，可以按一定規(guī)律分別為各個(gè)鍵命名鍵號(hào)，通常將行線通過上拉電阻接至十5V電源、當(dāng)無鍵按下時(shí)，行線與列拔斷開，行線呈高電平。當(dāng)鍵盤上某鍵按下時(shí)，則該鍵對(duì)應(yīng)的行線與列線被短路。如果將行線接至控制微機(jī)的輸入口，列線接至控制微機(jī)的輸出口，則在微機(jī)控制下依次從Y0—Y3輸出低電平，并使其它線保持高電平，則通過對(duì)x0—x3的讀取即可判斷有無鍵閉合、哪一個(gè)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(jì)方法(1)判斷鍵盤上有無鍵閉合(2)判別閉合鍵的鍵號(hào)(3)去除鍵的機(jī)械抖動(dòng)（4）使控制微機(jī)對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理4.中斷方式設(shè)計(jì)鍵盤接口平時(shí)不對(duì)鍵盤進(jìn)行監(jiān)控，只有當(dāng)有鍵閉合時(shí)，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，控制系統(tǒng)才響應(yīng)中斷,對(duì)鍵盤進(jìn)行管理。三、輸出接口設(shè)計(jì)輸出接口是操作者對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的窗口，通過輸出接口，機(jī)電系統(tǒng)向操作者顯示自身的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)與運(yùn)行結(jié)果等，并進(jìn)行故障報(bào)警。(一)發(fā)光二極管顯示器的接口設(shè)計(jì)（二）打印機(jī)接口設(shè)計(jì)（三）ＣＲＴ顯示器接口設(shè)計(jì)一、機(jī)電接口的類型與特點(diǎn)機(jī)電接口，是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械裝置與控制微機(jī)間的接口。按照信息的傳遞方向可以將機(jī)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(diǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品中，控制微機(jī)要對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行有效控制，必須隨時(shí)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，要隨時(shí)檢測(cè)各種運(yùn)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(jī)可以接受的信號(hào)傳遞給微機(jī)。(二)控制輸出接口的任務(wù)與特點(diǎn)控制微機(jī)通過信息采集接口檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。三、控制量輸出接口中的功率接口設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，被控對(duì)象所需要的驅(qū)動(dòng)功率一般都比較大，而計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)或經(jīng)轉(zhuǎn)換后所得到的模擬控制信號(hào)的功率都很小，必須經(jīng)過功放后才能驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。實(shí)現(xiàn)功率放大功能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，雙向晶閘管和可關(guān)斷晶閘管等三種最基本類型，此外還有光控晶閘管、溫控晶閘管等特殊類型(1)單向晶閘管由三個(gè)極組成，分別稱為陽極A，陰極K與控制極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(shí)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(duì)晶閘管就不起控制作用了。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(shí)，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(shí)也稱為電力晶體管。3.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管4，固態(tài)繼電器(二)光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)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(hào)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)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(hào)是通過光信號(hào)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(qiáng)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(jī)。二、機(jī)電一體化對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的基本要求基本要求是：精度、靈敏度和分辨率高；線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)；靜、動(dòng)態(tài)特性好。此外還有一些特殊要求，如體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。三、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、方法和步驟檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)或選用相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)與處理電路構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析與調(diào)試，使之在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的計(jì)測(cè)功能。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法是實(shí)驗(yàn)分析法，即理論分析和計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟如下：(1)設(shè)計(jì)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(jì)(4)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與制造(5)總裝調(diào)試與實(shí)驗(yàn)分析(6）系統(tǒng)運(yùn)行與考核。四、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)電路（一）幅值調(diào)制的基本思想是讓一個(gè)具有特定角頻率的高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)量x而變化。該高頻信號(hào)稱為載波信號(hào)，被測(cè)量x稱調(diào)制信號(hào)，載波信號(hào)經(jīng)被測(cè)量x調(diào)制后所得到的幅值隨x變化的信號(hào)稱已調(diào)制信號(hào)或調(diào)幅信號(hào)。最簡(jiǎn)單的幅值調(diào)制是線性調(diào)制，即讓高頻振蕩信號(hào)的幅值為被測(cè)信號(hào)x的線性函數(shù)，所得到的調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式為()式中，是載波信號(hào)的角頻率；是載波信號(hào)幅度；x是調(diào)制信號(hào)；m稱調(diào)制深的。（二）相位調(diào)制的基本思想是讓一個(gè)具有特定角頻率的高頻載波信號(hào)的相位隨被測(cè)量x而變化，則已調(diào)制信號(hào)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(hào)的相移角為x的線性函數(shù)，其一般表達(dá)式為（）式中，是載波信號(hào)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(gè)高頻振蕩的載波信號(hào)的頻率隨被測(cè)量x（調(diào)制信號(hào)）而變化，則得到的已調(diào)制信號(hào)中就包含了x的全部信息。在線性調(diào)頻中，調(diào)頻信號(hào)可以表達(dá)成：(）t式中，和分別是載波信號(hào)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成模擬信號(hào)需先經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，再采入微型機(jī)進(jìn)行處理，這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且模擬信號(hào)的檢測(cè)精度較低，易受干擾，不便于遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字式傳感器可直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，既可提高檢測(cè)精度、分辨率，又易于信號(hào)的運(yùn)算處理、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)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、光電編碼器與激光干涉儀等，主要用于幾何位置、速度等的測(cè)量。第五章伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、伺服系統(tǒng)的基本概念伺服系統(tǒng)，亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確位置,速度或力輸出的自動(dòng)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(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得控制系統(tǒng)動(dòng)作的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié).2.調(diào)節(jié)元件是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其作用是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換、放大，以控制執(zhí)行元件要求動(dòng)作。3.執(zhí)行元件將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化產(chǎn)品中多采用伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。4.被控對(duì)象是直接實(shí)現(xiàn)目的功能或主功能的主體，一般是機(jī)械裝置，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5.測(cè)量反饋元件是指?jìng)鞲衅髋c其信號(hào)檢測(cè)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(dòng)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(xiàng)最基本的要求，也是伺服系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的最基本條件。一個(gè)伺服系統(tǒng)是否穩(wěn)定，可根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用自動(dòng)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(hào)的精確程度。精度是對(duì)伺服系統(tǒng)的一項(xiàng)重要的性能要求。設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，二是指動(dòng)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(shí)間(輸出響應(yīng)從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)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(xiàng)基本性能要求是相互關(guān)聯(lián)的，在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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)的快速響應(yīng)性。一、執(zhí)行元件的特點(diǎn)與類型1．電氣式主要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。這是機(jī)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(diǎn)。2．液壓式主要有液壓缸、液壓馬達(dá)等，其優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大、動(dòng)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(dòng)機(jī)。3．氣壓式主要有氣缸、氣馬達(dá)等，其優(yōu)點(diǎn)是氣源方便、成本低、動(dòng)作快，但輸出功率小，且難于伺服控制。二、伺服系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求1．慣性小、動(dòng)力大2．體積小、質(zhì)量輕3．便于計(jì)算機(jī)控制4．成本低、可靠性好、便于安裝和維修。(二)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式和步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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，這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相輪流通電一次共需三拍，稱為一個(gè)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(shí)，每個(gè)通電循環(huán)也需三拍，稱為三相雙三拍通電方式，即→→→→…。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(shí)，每個(gè)通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式，即A→→B→→C→→A→…。一般情況下，m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對(duì)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，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每一拍轉(zhuǎn)過的角度。一個(gè)m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個(gè)齒，則其步距角。可通過式計(jì)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(shí)，k＝1，當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，k＝2?？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(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角輸出的分辨率。(三)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)與特性1．步距誤差是指空載時(shí)實(shí)測(cè)的步距角與理論的步距角之差，它反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角位移的精度。2.轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在某相始終通電而處于靜止不動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(dòng)矩頻特性（如圖所示）是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，不失步地正常啟動(dòng)所能接受的最大階躍輸入脈沖頻率(又稱啟動(dòng)頻率)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4.啟動(dòng)慣頻特性（如圖所示）是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)純慣性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。5．運(yùn)行矩頻特性（如圖所示）是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨運(yùn)行頻率的增加而減小，高速時(shí)其負(fù)載能力變差。(三)直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有兩種:1.電樞電壓控制，即在定子磁場(chǎng)不變的情況下，通過控施加在電樞繞組兩端的電壓信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；2.勵(lì)磁磁場(chǎng)控制，即通過改變勵(lì)磁電流的大小來改變定子磁場(chǎng)強(qiáng)度來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。(四)直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性所謂靜態(tài)特性，是指電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下工作時(shí)，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(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，回路中的電流保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為式中，是電樞反電動(dòng)勢(shì)；是電樞電壓；是電樞電流；是電樞電阻。轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)中以角速度ω切割磁力線時(shí)，電樞反電動(dòng)勢(shì)與角速度ω之間存在如下關(guān)系：式中，是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；φ是定子磁場(chǎng)中每極氣隙磁通量。此外，電樞電流切割磁場(chǎng)磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式表達(dá)式中，是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)以上各式可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式(六)直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中，其動(dòng)態(tài)性能對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能有著重要影響。動(dòng)態(tài)特性的本質(zhì)是由對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的過渡過程來描述的。直流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生過渡過程的原因在于電動(dòng)機(jī)中存在著兩種慣性，即機(jī)械慣性和電磁慣性。機(jī)械慣性是由直流伺服電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的，是造成機(jī)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(jī)械過渡過程要短得多。因此為簡(jiǎn)化分析，通常只考慮機(jī)械過渡過程，而忽略電磁過渡過程。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正確運(yùn)轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈骼@組勵(lì)磁，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)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)崿F(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(shí)現(xiàn)脈沖分配控制的計(jì)算機(jī)程序。(四)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，必須對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)這一功能的電路稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路或功放電路。常見的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有三種：(1)單電源驅(qū)動(dòng)電路這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但電流波形差效率低，出力小，主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。(2)雙電源驅(qū)動(dòng)電路又稱高低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用高壓和低壓兩個(gè)電源供電。同單電源驅(qū)動(dòng)電路比較，高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路(原理圖如圖5-16)的電流波形得到顯著地改善，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率等主要性能得到明顯提高。(3