机电一体化课件.ppt

1、机电一体化课程总结,2012年5月,考试题型,简答题：64分（6题） 基本概念和原理 应用题：36分（3题） 计算、分析及应用 考试时间：120分钟 考试形式：闭卷,第一章 绪 论,1 机电一体化的定义 2 机电一体化的特点 3 机电一体化的构成 4 机电一体化的关键技术,1 机电一体化的定义,机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术等相关技术的综合 “机电一体化” 被称为“Mechatronics”，是日本人在20世纪70年代提出来的，它取机械学（Mechanics）的前半部分和电子学（Electronics）的后半部分组合起来构成的新词，意思是机械技术

2、和电子技术的有机结合,2 机电一体化的特点,本质：将电子技术引入机械控制中，也就是“利用传感器检测机械运动，将检测信息输入到计算机，经计算得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置”。 综合性与系统性：电子技术、信息技术、自动控制与机械技术结合 小型化、轻型化、微型化 高精度、多功能 高可靠性 柔性化、智能化 知识密集,3 机电一体化的基本构成,机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能 要求：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观 动力与驱动 为执行装置提供能量并转换成需要的形式，实现动力功能 要求：高功率密度比，可靠性好 检测与传感 检测产品内部状态和外部环境，实现计

3、测功能 要求：体积小、精度高、抗干扰 控制及信息处理 存储、分析、运算、决策，实现控制功能 要求：高可靠性、柔性、智能化 执行机构 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能,机械本体： 执行装置： 动力： 检测与传感： 控制：,手臂的连接部分和安装支架等 气缸 气压系统的气压源 接近传感器、磁性传感器、手爪传感器,系统的基本组成？各包含哪些部分？,4 机电一体化关键技术,机械技术 计算机与信息处理技术 传感器与检测技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术 系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。 其重要内容为接口技术。接口包括电气接

4、口、机械接口、人机接口,第二章 机电一体化设计基本原理及方法,1 机电一体化设计的一般步骤 2 详细设计的主要内容 3 结构设计的基本原理,1 设计步骤,2 详细设计的基本内容,机械本体设计 线性传动部件 非线性传动部件 特殊传动部件 支撑部件 机械传动设计 负载的变化 传动链惯性 传动链固有频率 间隙、摩擦、润滑和温升 传感与检测系统设计 接口设计 微控制器的设计,3 结构设计的基本原理,1 任务分配原理 相同功能的任务分配 不同功能任务分配 2 自补偿原理:自增强，自平衡，自保护 3 结构实际变元： 数量变元；形状变元；材料变元；顺序变元 4 力传递原理：力流路线直接、最短；力流转向平缓

5、5 力平衡原理 6 等强度原理 7 稳定性原理 8 降低噪声原理,第三章,数学模型的建立 机械传动系统 控制电机 传递函数 方框图,例1：齿轮传动的动力学分析,如图所示齿轮传动链，有电机M输入扭矩为Tm, L为输出端负载， TL为负载扭矩。图示Z1、Z2 、Z3 、 Z4 为各齿轮齿数； J1 、 J2 、 J3 及1 、 2 、 3分别为各轴及相应齿轮的转动惯量和转角。 B1 、B2 、B3为传动中各轴及齿轮的阻尼系数。设各轴均为绝对刚性，即扭转弹簧常数 建立系统微分方程模型。,14,可得动力学方程式：,将各轴转动惯量、阻尼及负载转换到电机轴，列出Tm与1间的微分方程，由齿轮传动的基本关系可

6、知：,令加到电枢两端的电压ua为输入信号，电机有一个固定磁场，if为磁场电流，电枢回路中的电阻、电感分别为Ra， La，电枢电流为ia ，M为电动机轴上产生的转矩，J、B分别为换算到电机轴上的等效转动惯量和等效圆周粘性阻尼系数， eb为反电动势。当系统输出信号为电动机的转角，求系统传递函数。,例2：求电枢控制式直流电动机系统的传递函数,当激磁磁场不变时，转矩M正比于电枢电流，即 M=Kia，式中K为转矩常数。,电机轴上的转矩平衡方程为：,当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动的角速度，即 式中：Kb为反电势常数。,电枢回路的微分方程为：,对以上各式进行拉氏变换，得：,三式联立求得

7、传递函数：,反电动势方程： 电枢回路电压方程： 转矩平衡方程：,电枢控制直流电机的传递函数可看作由比例、积分和惯性环节组成,由于电枢回路中的电感La很小，忽略不计，即La 0，传递函数简化为：,式中,第四章 机械传动与驱动系统的设计,1 轮系传动的基本原理以及传动比的推导（行星轮系、谐波齿轮） 2 丝杠螺母传动（基本传动形式滚珠丝杠副的相关定义） 3 挠性传动系统（同步带传动特点与分类） 4 步进运动机构（种类） 5 步进电机原理（拍、步距角、驱动脉冲频率之间的关系）,1轮系传动 行星传动,主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。 原理：它有一个轴线位置固定的齿轮叫中心轮或太阳轮，在太阳轮边上

8、有轴线变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮叫行星轮，行星轮的支持构件叫行星架，通过行星架将动力传到轴上，再传给其它齿轮。它们由一组若干个齿轮组成一个轮系，只有一个原动件，这种周转轮系称为行星轮系。,中心轮1固定， 双联齿轮23为行星轮， H为运动输入构件， 中心轮4为运动输出构件。 机构的自由度为1，基本构件为两个中心轮2K 和一个系杆H ，故称为 2K-H型行星轮系,传动比,谐波齿轮传动 工作原理齿差与变形,谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG略大于柔轮的齿数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u，错齿是运动产生的原因 波发生器的长度比未变形的柔

9、轮内圆直径大：当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。 当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。,ZG,ZR,波发生器的旋转方向与柔轮的转动方向相反。,谐波齿轮传动的特点,谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。 传动比大，

10、外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达9296，单级传动比可达504000。 承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。 柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。 谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。,主要尺寸参数,主要参数：公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径 公称直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。 行程l：丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 螺距t：丝杠相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 螺距根据精度确定.精度高时选小螺距

11、。,2 滚珠丝杠传动,（2）基本传动形式,因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。,该传动形式需要限制螺母的转动。故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。,该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用。,该方式的丝杠上有基本导程(或螺距)不同的两段螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母1的移动距离为 ，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移 。这种传动方式多用于各种微动机构中。,2 同步带传动的特点,传动比准确、

12、传动效率高 工作平稳，能吸收振动 不需要润滑、耐油水、耐高温、耐腐蚀、维护保养方便 中心距要求严格，安装精度要求高； 制造工艺复杂，成本高,3 步进电机,一拍 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍 步距角 每一拍转子转过的角度。,概念,一拍 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍 步距角 每一拍转子转过的角度。 转速 一个 转 (1 / zN ) 圈 脉冲频率为 f 每秒转 ( f / zN ) 圈 脉冲当量、减速比与步距角的关系,i= S/（360）,3 步进电机,1 三相单三拍,通电顺序： U 相V 相W 相U 相。, U 相通电, V 相通电, W 相通电,一步,两步,三步, 步距角： =

13、 30,工作原理,例1：,某步进电机有80个齿，采用3相6拍方式驱动，经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程为6mm，求：1、步进电机的步距角2、当脉冲当量要求为0.01mm时，试设计此传动系统 3、要求电动机转速为60r/min，输入脉冲频率为多少？工作台的直线运动速度是多少？,解,步距角 传动系统（齿轮减速比） 输入脉冲频率 平台的直线速度,第五章 传感器与检测系统,传感器的定义及组成 传感器的静态特性 位移传感器,1定义及组成,传感器（Transducer/Sensor）是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置,2 静态特性,1 线性度：指其输出量与输入量之

14、间的关系曲线偏离理想直线的程度。采用直线拟合的方法来线性化，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示 2 灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。 3 迟滞: 迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出特性曲线不重合的程度 4 重复性: 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度 5分辨率: 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力.输入量从某个任意值缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率 6 零漂：漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传

15、感器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等 7. 精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差,3 位移传感器,电感式传感器 电容式位移传感器 光栅数字传感器 感应同步器 角数字编码器（码盘）,电感式传感器,1工作原理 由衔铁、铁芯和匝数为W的线圈三部分构成。根据定义，线圈的电感为 式中 RM磁阻，它包括铁芯磁阻和空气隙的磁阻，即 铁磁材料各段的磁阻之和，当铁芯一定 时，其值为一定 Rd 空气隙的磁

16、阻，Rd = 2d/m0S。S为空气隙截面积，d为空气隙长度，m0为空气的磁导率。 可得电感为,由于改变d 和S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器,因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小， 计算时可忽略不计，这时有,电容式传感器,极距变化型： 非接触动态测量，灵敏度高，适用于小位移的精确测量 面积变化型： 线性，灵敏度低，适于较大的线位移和角位移,光栅,原理：在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形

17、成暗带。 光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔； 光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。 当移动的刻线数i和角度一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比,第六章 继电接触控制系统设计,典型电气控制线路,典型控制线路设计,自锁控制 电路的保护 短路保护熔断器 过载保护热继电器 欠压和失压保护接触器 互锁控制（正反转控制线路） 点动与长动的连锁控制,综合题：例1,设计三相交流电机的继电接触控制电路，能实现正反转控制，并具有连锁保护功能。,例2,下图表示一个具有2级减速的齿轮传动系统。T为电动机输出的力矩，作用在轴l上。 Tfz是作用在轴3上的负载转矩。(J1,f1) 、 (J2,f2)

18、 、 (J3,f3) 分别代表相应轴的转动惯量与粘滞阻尼系数， 1、2、3分别表示相应轴的转角。i1、i2 为传动比，即 i1 = 1 / 2 , i2 = 2 / 3 。求以转矩T 和Tfz 为输入量，以转角1为输出量的运动方程。,例3,一个水池水位自动控制系统如例图1所示。试简述系统工作原理，指出主要变量和各环节的构成，画出系统的方框图。,例4,如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=30kg，负载力为F11000N，工作台分辨力为4m，丝杠直径为d20mm，导程t4mm，齿轮减速比为i=5，总效率为=30。 （1）如果采用步进电机驱动，电机的步距角应为多少？（2）试说明图中的各个部分

19、属于机电一体化系统中的哪一个基本要素。,例5,（书P132，第8题）已知拖板重量W=2000N，拖板与贴塑导轨间的摩擦系数=0.06，车削时最大切削负载Fz=2150N(与运动方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=4300N(垂直于导轨)，要求导轨的进给速度为v1=10-500mm/min，快速行程速度v2=300mm/min，滚珠丝杠名义直径d0=32mm，导程L=6mm，丝杠总长L=1400mm，拖板最大行程为1150mm，定位精度0.01mm，试选择合适的步进电动机，并检查其起动特性和工作速度。,46,4.5 控制电动机选择与计算,解： 1脉冲当量的选择 初选三相步进电动机的步距角为0.751.5，当三相六拍运行时，步距角=0.75，其每转脉冲数 初选脉冲当量(每输入一个指令脉冲，步进电动机驱动工作台的移动距离，单位mmp) =0.01mmp，由此可得中间齿轮传动i为 选小齿轮齿数z1=20，z2 =25，模数m=2mm。,4.5 控制电动机选择与计算,47,2等效负载转矩计算 (1)空载时的摩擦转矩TLF (2)车削加工时的负载转矩TL 式中 =0.8，为丝杠顶紧时的传动效率。,48,4.5 控制电动机