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1、机电一体化定义Mechatronics是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电了技术，并将机械装置与电 子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称 五大基本要素：机械本体构造功能；动力系统一一动力功能；执行装置一一主功能；传感与检测系统一检 测功能；信息处理及控制系统一控制功能 1机械本体用于支撑和连接其他要素，是机电系统必要的组成部分。包括机身、床身、壳体等。 2动力系统为系统提供能量和动力，驱动执行机构完成预定主功能。分为液压式、气压式、电气式等。 3传感与检测系统对各种参数及状态检测，并把被检测信号转换成可用的输出信号（电压、电流、频率和脉冲等），为 信息处理及控制系统提供所
2、需信息。组成：传感器和信号检测电路。 4信息处理及控制系统接受传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应处理，根据处理结果发出相应的控制信号， 控制整个系统按要求实现有序地运行。它是机电一体化系统的核心单元，由硬件和软件及和应接口组成。 5执行装置根据控制信息和指令，实现产品的主功能。一般是运动部件，常采用机、电、液、气动等机构。机械部分 是主体，核心是电子技术（微电子技术和电力电子技术） 理论基础系统论、信息论、控制论 技术基础微电子技术，精密机械技术 关键技术： 1?精密机械技术（研究对象：机械本体和执行装置）实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减轻重量、缩小体 积、提高精度、提高刚度、改
3、善性能的要求。 2?传感检测技术（研究对象：传感检测系统）工作过程的各种参数、状态以等都要通过传感器进行接收，并通过相 应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装迸，以实现自动控制。 3?信息处理技术（研究对象：信息处理与控制系统）主要工具计算机。机电系统屮主要采用：可编程控制器，单片 机，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统等 4?伺服驱动技术（研究对象：动力系统）它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。执行 元件有三大类：利用电能的电动机、利用液压能的液压驱动装置和利用气压能的气压驱动装置 5?自动控制技术（研究对象：控制系统）在口动控制原理指导卜
4、- 对具体控制系统进行设计，并进行系统仿真及现 场调试，使系统可靠地投入运行。自动控制如速度控制、位置控制、温度控制、压力控制和姿态控制等。 6?接口技术（研究对象：各构成要素之间的接口）外部看，输入/ 输出是系统与人、环境或其它系统Z间的接口； 内 部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成耍素的输入/ 输出联系成一体的系统。 7?系统总体技术（研究对象：整个机电系统）除优化设计外，还包括口J靠性设计、标准化设计、系列化设计、造 型设计等。 机械本体设计无间隙、低惯性、低振动、低噪声、适当阻尼比 机械传动机构 低摩擦、无间隙、低惯虽、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等，另外还要求机械部分的动
5、态特性少伺 服电动机等其他环节的动态特性和匹配。 采取措施：采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件：减小反向死区误差；选用最佳传动比; 缩短传动链，提高传动与支承 刚度，以减小结构的弹性变形；通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到适当的阻尼比机械传动系统的特性转 动惯量；阻尼；刚度；间隙 转动惯量过大的不利影响：使机械负载增大，盂要增大驱动电机的功率；系统响应速度变慢，灵敏度降低: 使系统固 有频率下降，易产生谐振，影响伺服稳定性和精度；电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增人结论：在不影响系统刚度 的条件下，机械部分的质量和转动惯量应尽可能小。 阻尼影响：机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，戢
6、大振幅越小，口衰减越快。但阻尼过大，系统失动量增人， 稳态谋差增人，精度降低。适当的阻尼可提高系统的稳定性；系统的静摩擦阻尼人，会使系统的失动疑和回程误差 增大，定位精度降低；系统的黏性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越人，精度降低；系统的黏性摩擦阻尼对快速响 应性不利；若机械系统刚度低质虽大，则系统的固有频率低，为了减小振幅和加快衰减进程，此时应增大系统的黏 性摩擦阻尼。 在E值为0.4 0.8之间系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快，而且还能更快的达到稳定值。为保证良好动态特 性，一般取 =0.4 0.8之间 刚度传动刚度有以下好处：可以减少系统的失动量（传动死区），有利于提高传动精度；可以提
7、高系统的固有频率， 有利丁係统的抗振性；可以增加闭环控制系统的稳定性。但是，刚度的提高往往伴随着转动惯量、摩擦和成木的增 加，在方案设计中要综合考虑。 影响系统传动精度的误差：传动谋怎和回程谋汇 减小传动链误差的措施 1适当提高零部件木身的精度 （制造、装配精度）；传动装置的输出轴与负载轴间的联轴器本身精度对传动影响显著； 2合理设计传动链 合理选择传动形式； 合理确定传动级数和分配各级传动比：满足使用要求的条件下，应尽可能减少传动级数；对减速传动链来说， 各级传动比宜从高速级开始逐级递增，且在结构空间允许的前提下，尽量提高末级传动比。 合理布置传动链：在减速传动中，楷度较低的传动机构（如圆锥
8、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构）应布置在高速轴上， 这样可减小低速轴上的谋差。 3采用消隙机构 各种间隙（如齿轮的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、联轴器的扭转间隙） 丝杠螺母传动 轴向间隙：承载时滚珠和滚道型面接触点的弹性变形所引起螺母轴向位移量和丝杠螺母副自身轴向间隙的总和。换 向时，轴向间隙引起空回现象，这种空回是非连续的，既影响反向传动精度，乂影响系统稳定性，应予以消除。 消除方法：采用单螺母预紧或双螺母预紧方式。 双螺母预紧原理丝杠上装配两个螺母，通过给两个螺母施加预紧力以调整螺母的轴向位置，使两个螺母屮的滚珠在 承载前以一定的压力分别压向丝杠螺纹滚道相反的侧面（垫片调隙法；螺纹调隙法；齿差调隙
9、法） 齿轮传动比的最佳选择及其分配原则 齿轮传动系统最佳总传动比的选择在伺服电机驱动负载的传动系统屮常用使负载加速度最人原则，以提高伺服系统 的响应速度 各级传动比的分配原则为保证减速系统结构紧凑，满足动态性能利传动精度的要求，其设计原则有以下3种：1 等效转动惯量最小原则（小功率前小后大；大功率前小后大）；2重量最轻原则（小功率各级相等；大功率前大后小）； 3输出轴转角误差最小原则（前小后大；总转角误差取决于：戢末一级齿轮的转角误差；最末一级传动比；传动级数） 齿轮传动的消隙机构 圆柱齿轮传动侧隙调整法： （1）偏心套（轴）调整法：结构简单，其侧隙不能自动补偿 （2）轴向垫片调整法：结构简单
10、，其侧隙不能自动补偿 （3）双片薄齿伦错齿调整法：承载能力有限，适用于负荷不人的传动装置中。另外弹簧的拉力要足以能克服最 大扭短，否则起不到消隙作用。这种方法中齿侧间隙可自动消除（补偿），能始终保持无间隙啮合，是一种柔性调整法。 谐波齿轮传动 （1）工作原理及结构主要由波发牛器、柔轮、刚轮纽成。 减速器：波发牛器为主动件，刚伦和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。 增速器：刚轮和柔轮z为主动件，另一个为固定件，波发生器为从动件。 机械导向机构 功用：使运动部件沿一定的轨迹运动（导向），并承受运动部件上的载荷（支承）。 组成：1支承导轨（静导轨）；2运动导轨（动导轨） 导轨的基本要求导向精度高；耐
11、磨性好；疲劳和压溃；足够的刚度；低速运动平稳性；结构工艺性好; 对温度的敏感 性小 滚动直线导轨的特点承载能力大；刚性强；寿命长；传动平稳可靠: 具有结构口调整能力；抗震性差塑料导轨形式：1、 塑料导轨软带2、金属塑料复合导轨板3、塑料涂层 轴系 组成：轴、轴承及安装在轴上的传动件。作用：传递扭矩及传动精确的回转运动，承受外力或外力矩。轴系设计的 基本要求轴系分为主轴轴系和中间传动轴轴系。对屮间传动轴轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的旋 转精度、刚度、热变形及抗振性等的要求较高。 传感器的组成1敏感元件：直接感受、获取被测量并输出M被测量有确定关系的某种物理量的元件。2转换元件
12、: 一般情 况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出转换成电参量形式的输出元件。3转换电路：把转换元件输出的电路参 量转换成便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。 传感器的分类1按工作原理：压电式、光电式、热电式等;2按输Illfi：开关型、模拟型、数字型主要技术指标 :1测量范 用；2线性度；3灵敏度：传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比。4梢 度；5分辨力:传感器能检测到的最小输入增量称分辨力。6迟滞性：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程 中，输出 / 输入特性曲线不重合的程度。7重复性 光栅尺的工作原理光栅是一种数字式位移检测元
13、件，利用莫尔条纹现象将玄线位移或角位移转换成数字脉冲。把两块栅 距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角&时，由于遮光效应，光栅上会出现若T?条明暗相间的条 纹，即莫尔条纹，它们沿着少光栅条纹几乎乖直的方向排列。夹角疗越小，莫尔条纹间距B越大 莫尔条纹的特点 运动对应关系1移动人小：光栅尺相对移动过一个栅距W,莫尔条纹就移动过一个条纹间距B。2移动方向：光 栅尺沿栅线垂肓方向左右移动，莫尔条纹沿栅线方向上下移动。 位移放大作用； 均化误差作用光栅测量系统如果 仅放査个光电元件，光栅尺每移动1个栅距W,光电元件输出信号变化1个周期，经放人、整形、微分后得到1个脉冲 信号，经计数器计
14、算则町知位移屋。辨向：如果仅放置1个光电元件，只能确定位移大小，要实现辨向则至少需要2个 光电元件（和距B/4）。 细分?提高测量分辨力：4细分（倍频）原理 : 在光栅移动1个栅距的位移时，得到4个计数脉冲。 增量式光电编码器与绝对式编码器 1. 增量式光电编码器增量式编码器是只输出脉冲的编码器 分辨角 :a=360/条纹数 A、B两相的作用角位移、转速、转向、细分处理 Z相的作用周向定位基准、圈数 2 绝对式编码器绝对式编码器输出代表被测轴角位移的数字量。分光电式、接触式、电磁式三种。 分辨角 :a=360/2 n 直流测速发电机 工作原理 恒定磁通由定了产生，当转了在磁场中旋转时，电枢绕组
15、中即产生感应电动势，经换向器和电刷转换成与 转速成正比的直流电势。 测速发电机的输出电压U0与转速n关系：U o= kLn 光电式转速传感器一光电增量编码器脉冲频率法 光电增最编码器装在被测轴，当编码盘随被测轴转动时，码盘每转一周，光电器件输出与码盘缝隙数相等的电脉冲 乙根据测量时间Ms）内脉冲数/v,可测得转速为： n = L 位置传感器与位移传感器区别：I Zt 用途前者检测被测物是否达到某一位置；示者检测被测物位移的变化量 输出信号形式前者输出开关量；后者输出反映位移量变化的模拟量或数字量 伺服系统：也称为随动系统或自动跟踪系统，是以机械量（位移、速度或力、力矩等）作为被控量，在控制命令
16、指挥卜， 驱动执行元件，使机械运动部件在满足一定的性能指标要求下按照控制指令进行动作的自动控制系统。 伺服系统结构 伺服系统的总体要求 （1）稳定性好伺服系统的稳定性是系统木身的一种特性，它与系统的结构及参数有关，而与外界作用信号的性 质及形式无关。 （2）精度高 伺服系统工作中通常存在三种误差：动态误差、 稳态误差和静态误差。 影响伺服系统精度的因素很多： 系统组成元件本身的误差；伺服系统本身的结构形式；系统输入指令信号的形式的影响。 （3）快速响应性快速响应性是指系统输出量快速跟随输入指令信号变化的能力。1）输出量跟随输入指令信号变 化的迅速程度；2）动态响应过程结束的迅速程度；响应速度的
17、快慢影响系统的工作效率和加工楮度。 （4）灵敏度1）对开环系统，应严格选择各元件；2）对闭环系统，对输出通道中元件挑选可适当放宽，对反馈通 道的元件必须严格挑选； 步进电动机的特点 步进电动机的转速与输入脉冲频率（定子绕组通电切换频率）成正比= 360 6 360 360 步距角计算：“百诂 H 功率放大器 ?控制器 N 拍数，N二km； m 定了斤I数； k通电方式系数：k=l,单相或双相通电（整步）k=2,单双相通电（半步）通电方式 单相通电每次只有一相绕组通电，其余断电，如A-B-C-A,称三相单三拍。 步进时钟口 11 口 口 FI 口 口 C 相 - 一、 - _ 图6-37 单三拍
18、工作的电压电流波形 双相通电每次冇两相绕组同时通电，其余断电，如AB-BC-CA-AB,称三相双三拍。 疹时日击钟 1 111 rL_TLJL_ n rL-TLJ A 4H 一 一 X X 、 1 X X X 、 、 B相 C 相、1/、1/ 图6-38 双三拍丄作的屯压电诚波形 1?2相通电 每次交替出现单、双相轮流通电状态，如A-AB-B-BC-C-CA-A,称三相六拍。 步进时钟 _n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_ A 相丄 _ z _ / B?I 一I 图6-40六拍工作的电压电流波形 矩角特性（单相通电）静态转矩越大，口锁力矩越大，静态误差越小。 矩频特性步进电动机的
19、输出转愆与控制脉冲频率的关系称为矩频特性 起动矩频特性和运行矩频特性 现象：动态转矩随连续运行频率的上升而下降 原因：定子控制绕组冇一定的电感虽，回路冇电气时间常数，电感电流变化一个过渡过程。高频时，电流达不到稳 态值，故动态转矩小。 直流伺服电机的特性 机械特性：当电枢控制电压恒定时，电动机电磁转矩与转速之间的关系。机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不 变时，电动机转速随负载转矩增加而降低；机械特性的斜率反应了机械特性曲线软硬程度。 调节特性：当电机的电磁转矩恒定时，电动机的输出转速与控制电压Z间的关系。调节特性的斜率为正，说明在一 定负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加。调节特性斜率表
20、示反应了电枢电压对转速的调节程度。 直流伺服电机的调速方法：1改变电枢电压Ua （恒转矩调速方式）2改变磁场磁通（恒功率调速方式）3改变电枢回 路电阻Ra 脉宽调制PWM调速原理（UOPUS改变占空比） 利用大功率晶体管的开关特性，将恒定的直流电压斩成- 淀频率的方波电压，并加在直流电机的电枢上，通过对方波 脉冲宽度的控制來改变电枢的平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 交流伺服电动机的类型区别 （1）同步型SM （永磁交流伺服电动机）同步型交流伺服电动机是一台机组，一般由永磁同步电动机，转子位置传感 器和速度传感器构成，常用于位置伺服系统。 （2）异步型IM （交流感应伺服电动机）常用于机
21、床主轴转速和其它大功率调速系统 异步交流伺服电动机的速度控制60/ H （1 S） 转速n满足如下公式：p定了电源频率（Hz） s转差率p 磁极对数 改变交流感应伺服电动机的转速有三种方法：（1）变转差率调速（2）变频调速（3）变极调速 计算机控制系统由硬件和 软件两部分组成。 硬件：一般包拆计算机主机，接口电路，输入输出通道以及外部设备。 软件：实时软件，开发软件 计算机与模拟控制系统相比特点：1可以实现更复杂的控制规律（主要区别）；2具有完善的输入 / 输出通道；3具 有实 吋控制功能；4可靠性高；5具有丰富、完善、能正确反映被控对彖运动规律并对其进行有效控制的软件系统 计算机控制系统的分
22、类 1过程控制系统：根据牛产流程对设备的状态数据进行采集与巡回检测，然后按预定控制规律对牛?产过程进行控 制。 2伺服系统：以机械量作为被控量，在控制命令指挥下，驱动执行元件，使机械运动部件按照控制指令进行动作。 3顺序控制系统：按照动作的逻辑次序來安排操作顺序。 4数字控制系统：根据零件编程或路径规划，rfl计算机主产数字形式的指令，再驱动机器运动。 工业控制计算机类型1单片机2可编程控制器（PLC ） 3总线式工业控制机（工业PC机）4分布式计算机控制系统 “ 、￥算机机型 比较 命、 PC计算机单片徽型计算机 可编程序逻辑控制器 CPLC ） 总线工控机 控制系统的设计 一般不用作工业控
23、 制（标准化设计） 白行设计（非标准 化） 标准化接口配垃相 关接口模板 标准化接口配置相 关接口模板 系统功能 数据、图像、文字 处理 简单的逻辑控制和 模拟鱼控制 逻辑控制为上 ?也 可配置模拟量模板 逻辑控制和模拟 址控制功匪 硬件设计 无需设计（标准化 笊机?町扩展） 简单简单 程序语言多种语吉汇编诺言梯形图多种语言 软件开发复杂复杂简单较复杂 运行速度快较慢很快 带负载能力差差强 a 抗干扰能力差差强强 成本较高很低较高很高 适用场合 实验牢环境的信号 采集及控制 家用电器、智能仪 器、单机简单控制 以逻辑控制为主的 工业现场控制 较大规模的工业现 场控制 计算机控制系统的设计内容：
24、硬件电路设计和软件设计 接口的分类 以控制微机（微电子系统）为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。按照信息传递的方向可以分 为信息采集接口（传感器接口）和控制量输出接口。 硬件消抖 段。当S断开时，电容C二端一直保持断开的电压，称保持阶段。功率驱动接口 （1）开关型功率接口 光电耦合器驱动接口光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并由不透明材料封装在一起。 当输入端加止向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管（或晶闸管）使Z导通，产生输出信号。信号传递 采用“电光 ?电”形式, 因而起到隔离作用。 用途：高压开关、信号隔离转换、脉冲系统间的电平匹配 晶闸管接口：单向晶闸管乂称可控硅整流
25、器，其最大特点是冇截止和导通两个稳定状态（开关作用），同时又具 有单向导电的整流作用。 晶闸管接口：双向品闸管双向品闸管在结构上可看成是两个单向并联构成的，与单向品闸管不同。 1）触发后是交流双向导通： 2）门极触发信号可正可负。 双向晶闸管一般用作过零开关，对交流回路进行功率控制。 继电器输出接口 山于继电器是通过改变金属触点的位置，使动触点与定触点闭合或分开，所以貝- 有接触电肌小，流过电流大及耐高 压等优点，但在动作可靠性上不及晶闸管。 步进电动机的驱动器主要由环形分配器和功率放人器组成。 脉冲分配器（环形分配器）作用：将來白控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机的各相绕组，使
26、 其按一定的顺序和时间通电或断电。周期性，可逆性 功率放大电路作用：是将环形分配器或微处理机送來的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组 所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。 A.单电压驱动电路 图 5-40 单电压功率放大电路 单电压驱动线路简单，成本低，但效率低。由于其性能较差，在实际中应用较少，只在小功率步进电动机屮应川。 称采样阶 采样/ 保持器原理采样/ 保持山保持电容C,模拟开关S等组成。当S接通时，输出信号跟踪输入信号, A B C 丄 $7V 双电压驱动效率高，电流上升率高，高速运行性能好。但有时电流波形陡峭会引发过冲，谐波成分丰富，使电动机运行 时尤具在低速运行时振动较
27、大。主要用于大功率和高频工作的步进电动机 直流电桥 图5-45 PWM功放电路的形式 变频器 作用：将供电电网的工频交流电变为适用于交流电动机调速的电压可变、频率可变的交流电。 组成：主回路和控制电路两部分。 根据主回路频率变换的方式：交一交和交一直一交 三种方法：A.使用继电器开关电路；B.模拟控制方法；C.采用变频数字接口板 电磁兼容性(EMC)：是指“设备 ( 分系统、系 . 统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由 于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境屮其它设备 ( 分系 统、系统 ) 因受到其电磁发射导致
28、或遭受不允许的降级。” 电磁干扰(EMI)及其具备条件： 定义：系统在工作过程中出现的一些与有用新号无关的、并且对系统性能或信号输出有害的电气变化现象。构成电 磁干扰必备三个基本条件：(1)存在干扰源；(2)冇相应的传输介质；(3)冇敏感的接收元件。按耦合方式分为：传导耦 合方式和辐射耦合方式。 抑制措施： 1. 电容性耦合：合理布置电路；电场屏蔽( 金属屏蔽体，良好接地 ) 2. 电感性耦合：电场屏蔽，磁场屏蔽 3. 电磁场耦合：磁场屏蔽 常用的干扰抑制技术：屏蔽技术，接地技术，滤波技术，隔离技术，浪涌吸收器，软件的抗干扰设计 B.双电压驱动 PH 5-4 1 XX理土J3K 以I 平放大电蹄