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1、机电一体化机电一体化 知识点总结知识点总结 第一章第一章 绪论绪论 A.A.机电一体化机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，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。 B.B.机电一体化系统机电一体化系统： 按照机电一体化方法设计出来的机械与电子紧密结合的产品或制造的系统。 包 括三大要素三大要素：物质、能量、信息，具有三大三大“目的功能目的功能”即主功能 变换（加工、处理）功能 传 递（移动、输送）功能 储存（保持、积蓄、记录）功能。 C.C.机电一体化的机电一体化的 3 3 个五：个五： 首先我们需要什么机床或机器的执行元件（肌肉）相
2、当于决定我们要做什么、用什么做，然后我们以 机构（骨骼）为基础并长期保持对系统及其子系统相互稳定联系的以实现所需的功能机理，即确定机 电一体化系统要实现所需的功能，并对这些物质、能量、信息进行变换、传递和储存。之后必须由动 力功能（心脏）为整个系统提供动力，再由检测功能（感官、传感器）和控制功能（头脑、计算机） 根据系统的内部和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常、准确的实现“目的功能”即心脏为人 提供动力，人有了结实的肌肉和骨骼在感官和大脑的感受和控制下，去完成所需的功能。 D.D.机电一体化系统构成要素相互联系的联系条件机电一体化系统构成要素相互联系的联系条件接口技术接口技术 两大接口功
3、能：两大接口功能：实现三大要素的传递与转换，达到目的功能 1.1.变换、调整变换、调整2.2.输入、输出输入、输出 零接口零接口：仅起连接作用（接插座、联轴器、接头）机械接口机械接口（联轴器、法兰盘、插头、插座） 无源接口无源接口： 只用无源要素的接口（齿轮减速器、 变阻器）物理接口物理接口（电压、电容约束接口） 有源接口有源接口：含有有源要素的接口（电磁离合器）信息接口信息接口（GB、ISO、C+） 智能接口智能接口：可编程和可改变接口条件环境接口环境接口（防尘、水连接器、防爆开关） E.E.机电一体化系统设计的三大目的机电一体化系统设计的三大目的： 省能源、 省资源、 智能化、 提高机电产
4、品的附加值和自动化程度。 F.F.常用设计方法：常用设计方法：机电互补法（取代法）：利用专用或同用电子取代传统机械中某些功能或系统。 融合法：将各组成要素有机结合为一体构成专用或同用的部件。 机电组合法：将专用或通用部件、模块组合成一体化系统。 G.G.常用设计类型：常用设计类型： 开发性设计开发性设计：没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面 满足目的要求的系统。 适应性设计适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技 术代替原有的机械机构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计， 以使产品的性能和质 量增加
5、某些附加价值。 变异性设计变异性设计： 是在设计方案和功能结构不变的情况下， 仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的 方面有所变更的要求。 H.H.机电一体化系统的设计流程：机电一体化系统的设计流程： 根据目的功能确定产品规格、性能指标 系统功能部件、功能要素的划分 接口设计 综合评 价 可靠性复查 试制与调试 机电一体化的五大功能机电一体化的五大功能机电一体化的五大要素机电一体化的五大要素机电一体化的五大系统机电一体化的五大系统 操作功能（主功能）：驱动执行元件执行元件系统 动力功能：提供动力动力源动力系统 计测功能：信息的收集、计算与转换传感器传感检测系统 控制功能：信息的存储、处理、传送
6、计算机电子信息处理系统 构造功能：维持特点的时空上的相互联系机构机械系统 第二章第二章 机械系统部件的选择和设计机械系统部件的选择和设计 A.A.机械系统部件的设计要求：机械系统部件的设计要求：机电一体化系统最主要最主要的部件是机械传动部件机械传动部件和导向支承部件导向支承部件 低摩擦：采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 短传动链：可提高传动与支承刚度 最佳传动比：可提高系统分辨率、减小等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，提高加速能力。 反向死区误差小高刚性：改进支承及架体结构可提高刚性、减小振动、降低噪声。 B.B.机械传动部件主要作用机械传动部件主要作用、目的目的：一种转矩、转速变
7、换器，使执行元件与负载之间在转矩与转速方面 得到最佳匹配。主要功能是传递转矩和转速。发展方向：精密化、高速化、小型化、轻量化 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 A.A.丝杠螺母机构丝杠螺母机构： 实现旋转运动和直线运动之间的相互转换或调整， 有滑动摩擦滑动摩擦机构和滚动摩擦滚动摩擦机构 之分。 优点缺点 滑动丝杠螺母机构结构简单、加工简单、成本低、有自锁功能。 摩擦阻力矩大、传动效率低、有空回间隙 滚珠丝杠螺母机构摩擦阻力矩小，传动效率高、可无间隙工作结构复杂、成本高。 B.B.丝杠螺母传动类型与特点丝杠螺母传动类型与特点 特点 螺母固定、丝杠转动并移动结构简单、传动精度较高、可消除附加轴向窜动、
8、但刚性较差。 丝杠转动、螺母移动结构紧凑、丝杠刚性高，但为了限制螺母移动，需要装导向装置。 螺母转动、丝杠移动结构复杂、占用空间大，传动时需要限制螺母移动和丝杠转动。 丝杠固定、螺母转动并移动结构简单、紧凑、丝杠刚性高，但使用不方便，不常用。 C.C.滚珠丝杠副的组成滚珠丝杠副的组成：丝杠、螺母、滚珠、反向器 D.D.滚珠丝杠螺母结构的特点：滚珠丝杠螺母结构的特点：(1)传动效率高 (2)定位精度和重复定位精度高 (3)使用寿命长 (4) 轴向刚度高 (5)传动的可逆性 无自锁能力、用于高精度或升级传动时需要制动定位装置。 E.E.滚珠丝杠螺母副的分类：滚珠丝杠螺母副的分类： F.F.滚珠丝杠
9、螺母副的间隙调整与预紧方法滚珠丝杠螺母副的间隙调整与预紧方法： 目的是消除轴向间隙， 减少变形， 提高传递精度和承载力。 双螺母螺纹预紧调整：结构简单、刚性好、易于调整，但无法定量调整。 双螺母齿差预紧调整：结构简单、刚性好、使用中调整较方便，可实现定量调整。 双螺母垫片调整预紧：结构简单、刚性好、但使用中调整不方便。 弹簧式自动调整预紧：结构复杂、轴向刚度低，适用于轻载，可以消除使用过程中因磨损或弹性变 形而产生的间隙。 单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式： 结构简单、 紧凑， 但使用中不能调整， 制造困难。 注注：轴向间隙调整目的轴向间隙调整目的保证反向传动精度。保证反向传动精度。
10、 预紧目的预紧目的提高刚度提高刚度 G.G.滚珠丝杠副的支持方式：滚珠丝杠副的支持方式：为了提高轴向刚度，增加整体的传动精度和刚度，常用推力轴承推力轴承来支承。 单推单推- -单推式：单推式：两边均为推力轴承，轴向刚度较高，预紧力大，但轴承寿命较低，且会失稳。 双推双推- -双推式：双推式：推力+深沟球，轴向刚度最高轴向刚度最高。适合高转速、高精度场合，但易随温升而使丝杠预紧力增大。 双推双推- -简支式简支式：一边推力+深沟球，一边深沟球。轴向刚度较低，易受热变形影响且易失稳，轴承寿 命高，适用于中速、精度较高的长丝杠中速、精度较高的长丝杠场合。【顺序表明刚度、承载能力由弱到强】 双推双推-
11、 -自由式自由式：一端推力+深沟球，一端自由。轴向刚度和承载能力最低承载能力最低，多用于轻载轻载、低速低速、垂直 安装的场合。注：深沟球轴承可承受轴和径向载荷，但推力轴承只能承受轴向载荷。 按螺纹管道截面形状按螺纹管道截面形状按滚珠循环方式按滚珠循环方式 双圆弧型双圆弧型（无轴向间隙、加工困难、成本高、轻载条件） 内循环内循环：滚珠始终与丝杠保持接触。 单圆弧型单圆弧型（有轴向间隙、加工简单）外循环外循环：螺旋槽式 插管式 端盖式 H.H.滚子丝杠副的制动装置：滚子丝杠副的制动装置：在垂直安装或高速移动定位时，因无自锁而防止逆转或中断的装置。 I.I.滚珠丝杠副的润滑与密封滚珠丝杠副的润滑与密
12、封 润滑：润滑脂、润滑油。 密封：接触式密封、非接触式密封（迷宫式）。 防尘套：折叠式防尘套、伸缩套管、伸缩挡板。 齿轮传动部件齿轮传动部件 A.A.齿轮传动的作用：齿轮传动的作用：作为一种转矩、转速和转向的变换器。 B.B.各级传动比最佳分配的基本目的：各级传动比最佳分配的基本目的：满足驱动部件与负载之间的位移、转矩、转速的相互匹配。 C.C.各级传动比的最佳分配原则：各级传动比的最佳分配原则： 重量最轻原则重量最轻原则：小功率传动遵循等传动比分配、等模数原则 n iii 21 大功率传动应遵循“先大后小”原则，不等传动比分配和不等模数。 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则： 齿轮
13、系统各级传动比应按“先大后小”原则分配，以便降低齿轮的加工、安装及回转误差对转角精度 的影响， 总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小，故最末两级的传动比应取 大一些，并提高加工精度。 等效转动惯量最小原则等效转动惯量最小原则：保证各传动轴转动惯量换算到电机轴的等效转动惯量最小。 三种原则不同的适用情况：三种原则不同的适用情况： 适用要求体积小、重量轻的齿轮传动场合 适用、要求运动平稳、起停频繁、动态性能好的减速齿轮系统。 适用要求提高传动精度和减小回程误差的场合。 行星轮系或谐波齿轮适用大传动比、高精度、高效率、体积小、重量轻。 D.D.谐波齿轮的组成：谐波齿轮的组成：波发
14、生器、刚性轮、柔性论 谐波齿轮的工作原理谐波齿轮的工作原理： 主要依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力。 波发 生器为主动件，刚轮和柔轮为从动件，刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，两者齿距相同齿数不同。刚轮刚轮 与波形发生器同向与波形发生器同向，柔轮则反向。 谐波齿轮的传动比：谐波齿轮的传动比： r g Hg Hr H rg Z Z i g H Hg i r H H i r 0 0 Hr Hg 为柔轮传动比，刚轮 为刚轮传动比，柔轮 总传动比 i i iH rg 波发生器角速度 柔轮角速度 刚轮角速度 H r g 柔轮齿数 刚轮齿数 r g Z Z E.E.齿轮传动间隙调整方法：
15、齿轮传动间隙调整方法：提高齿轮传动精度，消除齿轮传动正反转误差。 导轨支承部件导轨支承部件 A.A.导轨支承部件（导轨）的作用：导轨支承部件（导轨）的作用：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的方向运动。 导轨的组成：导轨的组成：定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件及工作介质元件。 导轨的分类：导轨的分类： 按运动方向按运动方向直线运动导轨副回转运动导轨副 按接触面的摩擦性质按接触面的摩擦性质滑动导轨 滚动导轨 流体介质摩擦导轨 按结构特点按结构特点开式导轨 闭式导轨 按截面形状（仅滑动导轨）按截面形状（仅滑动导轨） 凸形： 低速场合， 不易积存切屑和润滑油 凹形：高速场合，有防护装置和
16、导轨。 四种导轨都具有凹、凸两者类型 三角形导轨三角形导轨：可自动补偿间隙，制造复杂，承载力和 顶角成正比，导向精度成反比。 矩形导轨矩形导轨（应用广泛应用广泛）：承载能力大，制造维修方便， 但导向精度低，不能自动补偿，需安装间隙调整装置。 燕尾形导轨燕尾形导轨：可承受颠覆力矩，但导轨摩擦阻力大， 制造复杂，不可自动补偿间隙。 圆形导轨圆形导轨：导向性和刚性好，但制造困难且磨损后不 易调整和补充间隙。 注注：双三角形组合：有自补偿垂直和水平方向磨损的能力，但工艺性差，热敏性性大，适合高精机床。 B.B.滑动导轨副间隙的调整方法：滑动导轨副间隙的调整方法：间隙小，摩擦阻力大。间隙大，导向精度低。
17、 常用方法：常用方法：压板法 镶条法：平镶条、斜镶条（广泛） 燕尾形导轨燕尾形导轨镶条法，同时调整垂直和水平的间隙。 矩形导轨矩形导轨压板法、修刮调整垫片厚度法和调整螺钉法、斜镶条法 三角形导轨三角形导轨上滑动有自补偿，下滑动用压板法。 圆形导轨圆形导轨不能调整间隙。 受力小或短的导轨受力小或短的导轨平镶条法 C.C.滚动导轨的特点滚动导轨的特点 优点优点：摩擦系数小启动阻力小，不易产生爬行 可预紧，刚度高、精度高润滑方便 寿命长 专业厂生产，可以外购选用。 缺点缺点：抗振性差、接触应力大对表面硬度、形状精度、尺寸精度要求高。结构复杂、成本高，需要良 好的防护装置。 D.D.滚动导轨滚动导轨直
18、线运动导轨分类：直线运动导轨分类： 滚动体不循环滚动体不循环 滚珠导轨副滚针导轨副圆柱滚子导轨副 【滚动体：滚珠、滚针、滚子】 【特点：行程有限、结构、制造简单，但难以施加预紧力、刚度低，抗振 性差，不能受冲击。】注：滚珠导轨是承载能力最弱的。 滚动体循环滚动体循环 直线滚动导轨副筏子导轨块滚动花键副 直线运动球轴承及其支承滚珠导轨块 【特点：行程无限，摩擦力矩小、运动平稳、适用重载，但结构复 杂、成本高、易受轴承精度影响。】 圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动斜齿轮传动斜齿轮传动锥齿轮锥齿轮 偏心套（轴）调整法：结构简单， 但不能自动补偿间隙。 垫片错齿调整法：结构简单，但调整 麻烦，且不能自动补偿间
19、隙。 轴向压簧调整 轴向垫片调整法：同上轴向压簧错齿调整法：间隙可以自动 补偿，但轴向尺寸较大，结构紧凑。 周向压簧调整 双片薄齿轮错齿调整法 旋转支承部件旋转支承部件 A.A.旋转支承部件的分类旋转支承部件的分类：支承运动件的转动或摆动，并保证其方向精度（轴向与轴向的倾斜程度）和 置中精度（中心与中心的偏移程度）。主要分为滑动摩擦支承（广泛）和滚动摩擦支承。 圆柱支承： 接触面积大， 承载能力强， 在滑动摩擦支承中应用最广泛。 但方向精度和置中精度较差， 且摩擦阻力矩大。【主要支承】 圆锥支承：方向精度和置中精度较高，承载能力强，可自补偿间隙，但摩擦阻力矩大、对温度敏感。 填入式滚动支承：摩
20、擦阻力矩小，耐磨、承载能力强，温感性低，适合高速、重载场合。 机座及机架机座及机架 A.A.机座与机架的基本要求机座与机架的基本要求：两者都是起到支承、保证位置基准的基础部件，机座多为铸件，机架多为 装配或焊接而成。 1.1.足够的刚度和抗振性足够的刚度和抗振性 静刚度：抵抗恒定载荷变形的能力。 【影响因素：结构刚度和接触刚度】 动刚度：抵抗交变载荷变形的能力。【影响因素：静刚度、材料阻尼、振动频率】 【衡量抗振性的主要因素】 抗振性：指承受受迫振动的能力。振源来自系统内部或外部环境。 措施：提高静刚度、提高固有振动频率、减少共振，增加阻尼，尽量减轻重量，采用隔振措施。 2.2.具有较小的热变
21、形具有较小的热变形 措施：控制热源、采用热平衡法，控制温差。 3.3.稳定性：稳定性：应用自然时效和人工时效消除机座变形的内应力。4.4.满足结构工艺性和经济性满足结构工艺性和经济性 B.B.机座与机架的结构设计要求机座与机架的结构设计要求 1.1.保证自身刚度：保证自身刚度： 合理选择截面形状和尺寸【注：空心截面刚度更大，抗弯时矩形最好，抗扭时圆形最好，封闭截面 抗扭更好】 合理布置筋板和加强筋【纵向筋板提高抗弯刚度，横向筋板提高抗扭，斜向筋板兼可提高】 合理的开孔和加盖【开孔应沿机座或机架中心线排列或在中心线附近交错排列】 2.2.提高机座连接处的接触刚度提高机座连接处的接触刚度 3.3.
22、机座的模型刚度试验：机座的模型刚度试验：将实物按比例缩小，使用有机玻璃制作。采用有限元法分析其刚度和变形。 4.4.机座的结构工艺性机座的结构工艺性 5.5.机座的材料选择：机座的材料选择： 铸铁：内摩擦力大，阻尼大，动态刚性好，抗振性好，但制作周期长，成本高，易出废品，加工余 量大，使用时易产生缩孔、砂眼、气泡。 钢：制造简单，制作周期短，成本低，但抗振性差，需加装防震措施。 花岗岩、陶瓷、大理石：性能稳定，抗振好，阻尼大，热稳定性好，但抗冲击能力差，脆性大。 第三章第三章 执行元件的选择和设计执行元件的选择和设计 A A 执行元件（驱动部件）的分类：执行元件（驱动部件）的分类：将其他能量转
23、换为机械能和机械运动的能量转换装置。 电磁式 1.电动机：交流 AC 伺服电动机 直流 DC 伺服电动机 步进电动机 其他电动机 2.电磁铁 液压式油缸 液压电动机 气压式气缸 气压马达 注注：电动式执行元件闭环系统闭环系统：具有具有位置或速度反馈环节系统，开环系统开环系统则不具有不具有。 伺服控制：对物体运动的位置、速度及加速度等变化量的有效控制。 注注：步进电动机一般为开环控制，直流和交流电动机为半闭环（广泛）半闭环（广泛）和闭环控制。 相同的额定输出功率下，交流的比功率直流步进 B.B.执行元件的特点：执行元件的特点： 优点优点缺点缺点 电动式电动式 操作简便，编程容易，可实现定位伺服，
24、体积 小、动力大，无污染。 瞬时功率大，过载能力差，易受噪声影 响。 气动式气动式气源方便、成本低，无污染，速度快。 功率小，体积大，稳定性差，不能远距 离传输，噪声大、难于伺服。 液压式液压式输出功率大，稳定性好，可定位伺服，响应快。 液压源要求高，泄漏有污染。 C.C.执行元件的基本要求：执行元件的基本要求：惯量小，动力大 体积小、重量轻 便于维修和安装 宜于微机控制 D.D.伺服电动机：伺服电动机：将输入的电压控制信号转换为电机轴上输出的角位移和角速度。 直流直流 DC 伺服电动机伺服电动机 A.A.直流直流 DCDC 伺服电动机伺服电动机：通过电刷及换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和
25、电枢（永久磁铁）电 流磁动势正交而产生转矩。 优点:响应速度快、精度高、频率高、控制性能好。但寿命较低，需定期维护。 B.B.直流伺服电机的调速控制方法：直流伺服电机的调速控制方法： 调压调速：调压调速：调节电枢电源电压 U，可恒转矩调速。【最常用，范围最大】 调磁调速：调节磁通，可恒功率调速。辅助方法 改变电枢回路的电阻 R 调速 C.C.直流直流 DCDC 伺服电机的调压调速方法：伺服电机的调压调速方法：为改变电动机的转速和方向转速和方向，需要改变电压电压的大小和方向。 交流交流 AC 伺服电动机伺服电动机 A.A.交流伺服电动机交流伺服电动机： 通过控制与气隙磁场方向相同方向相同的磁化电
26、流磁化电流和与气隙磁场方向垂直方向垂直的等效电流等效电流的方 法，最终控制交流伺服电机的磁通大小磁通大小和转矩。 注：无控制信号 k U，定子绕组产生脉动磁场，转子不转。但有 k U时，两相绕组产生旋转磁场，转子 转，故转速和转向与两相电压幅值和电流相位差有关。 B.B.交流伺服电机调速控制方法：交流伺服电机调速控制方法： 幅值控制： k U升高，电磁转矩提高，转速提高。 相位控制：改变 k U和励磁电压之间的相位来控制转矩和转速，其中 k U的幅值不变。 调压调速调压调速工作原理工作原理 晶体管脉宽脉宽（PWMPWM） 直流调制驱动法 通过改变脉冲宽度脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而改
27、变电 压值大小，使直流电动机平滑调速。一个周期内的平均电压： UUa T/导通率或占空系数宽度 周期T电源电压U 特点：特点：频带宽、频率高 电流脉 动小 电源功率因数高 动态硬度好。 晶闸管直流调速驱动法 主要通过调节触发装置控制晶闸管触发延迟角，控制电压大小 移动触发脉冲的相位脉冲的相位，改变整流电压的大小，但是调速范围小， 常用类型常用类型工作原理工作原理 永磁同步型 SM 电磁感应型 IM 转子是永久磁铁，无需磁化控制电流，只需要检测磁铁转子位置 和定子绕组的磁通，来实现对电机电流的控制，从而控制电机速 度和位置。 笼型感应电动机由于气隙磁场难测，可用转子位置和速度等效控制来代替。 步
28、进步进电动机电动机 A.A.步进电动机的特点步进电动机的特点：又称为脉冲电动机，是将脉冲信号转换为机械角位移的元件。每输入一个脉冲 电机绕组就转过一个相应的步距角。只要控制输入脉冲的数量、频率及绕组相序就可以改变转角、转 速和转向。 B.B.步进电机的特点：步进电机的特点： 工作状态易受到各种干肉因素的影响。 步进电机的步距角有误差，但不会误差不会长期积累。 控制性能好，在启、停、反转时不易丢步。 控制精度由步距角决定zma/360 开环控制，易于与计算机对接，有较高的位置精度。 C.C.步进电机的计算：步进电机的计算： 1.1.步距角计算：步距角计算：步距角越小则位置精度越高。 zm a 3
29、60 NKm 转子齿数 、相数不同同为电动机相数，相数相运行拍数， Z 2K1KNm 注：一般以相数为准，3 相指电机转一圈步数为 3 的整数倍，步数就是拍数，以此类推。若题中说采 用【二相三相】通电运行，即相数不同，此时 K=2。若题中说是三三相单三三拍 or 四四相双四四拍，无论 是几，无论单双拍，k 恒等于 1，因为它们通电方式相同。 2.2.步进电机转速计算步进电机转速计算： 控制步进电机脉冲数目脉冲数目可控制电机的角位移（转角转角）：a C脉冲数目C 控制步进电机脉冲频率脉冲频率可控制电机的转速转速： NKZ f n 60 r/minf-脉冲频率（HZ） 控制步进电机定子绕组通电顺序
30、通电顺序可控制电机转向转向。 D.D.步进电机的性能指标和特性：步进电机的性能指标和特性： 分辨力：步距角越小，分辨力越高。 静态特性：指在稳定状态时的特性，有静转矩、矩角特性，静态稳定区 动态特性：直接影响系统的快速响应和可靠性。有动态稳定区、起动转矩、矩频特性、惯频特性。 E.E.步进电机的驱动电路：步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大器组成。 变频控制信号变频控制信号：分为脉冲频率信号和方向控制信号。 F.F.环形脉冲分配器的分配方法：环形脉冲分配器的分配方法： 软环分：采用计算机软件进行脉冲环形分配。 采用小规模集成电路分配 采用大规模专用环形芯片分配 G.G.细分驱动电路目
31、的细分驱动电路目的、作用作用、特点特点：在整步运转或半步运转的基础上，不改变步进电机结构的情况 下， 使步距角减小从而提高运转精度和控制精度， 提高电机运行平稳性和匀速性， 并减弱或消除振荡。 但细分后的步距角精度会降低。 H.H.细分驱动的工作原理细分驱动的工作原理： 将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波， 即使绕组中的电流以若干个等幅等 宽阶梯上升到额定值，并以相同阶梯从额定值下降。即使电流逐步增加到 max I在逐步减少到 0 I.I.常用的细分电流波形的方法：常用的细分电流波形的方法：采用多路功率开关器件 将各开关的控制脉冲信号进行叠加 第四章第四章 微机控制系统的选择及接口设计微机控制
32、系统的选择及接口设计 A.A.微机控制系统微机控制系统： 将来自传感器的检测信息和外部输入的命令， 按照一定的程序和节奏发出指令控制 整个机电一体化系统有目的地运行。 B.B.常用的微机控制系统：常用的微机控制系统： 专用微机控制系统： 核心部件单片机和单板机， 适合大批量生产和要求机械与电子结合紧凑的产品。 通用微机控制系统：核心部件是可编程控制器和工业计算机，适合多品种、中小批量生产。 注：注：专用控制系统最适合硬件控制，通用控制系统适合软件进行主要控制。 C.C.微型计算机的基本要求：微型计算机的基本要求：完善的中断系统 足够的存储容量 完备的输入/输出通道和实时时钟 特殊要求：字长：直
33、接影响数据精度、寻址能力、指令数目、执行时间。位数越高能力越强 速度 指令 D.D.微型计算机的构成：微型计算机的构成：简称 MC，它以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储 器（RAM），输入/输出接口电路、系统路线及支持逻辑电路组成的计算机。 微型计算机系统微型计算机系统 MCSMCS：在微型计算机的基础上配有系统软件、外围设备和系统总线接口的计算机。 E.E.存储器存储器 RAMRAM：存储输入/输出数据和作业数据。即运行内存，暂时保存。（数存） 存储器存储器 ROMROM：存储固定的程序和数据。（程存） F.F.微型计算机的分类：微型计算机的分类：现代一体化常用设
34、备 单片机、PLC、PC G.G.单片机程序设计三大语言：单片机程序设计三大语言：机器语言（0/1 语言）、汇编语言、高级语言（C+，VC）。 H.MCS-51H.MCS-51 单片机的组成：单片机的组成： CPU：包括运算器和控制器 内部存储器：RAM 和 ROM 2 个 16 位定时器/计数器 5 个中断源：外部中断 2 个，定时/计数中断 2 个，串行口中断 1 个 4 个并行 I/O 口： P0、P1、P2、P3 ，用来实现数据的并行输入和输出。 I.I.单片机引脚说明：单片机引脚说明： J.J.常用的单片机系统的显示器件：常用的单片机系统的显示器件：LED（发光二极管）、CRT 显示
35、器、LCD（液晶显示器） K.8K.8 段段 LEDLED 显示块的显示方法（显示块的显示方法（A AF+F+小数点小数点）：）：静态显示：静态显示：当显示器显示某一字符时，相应的 发光二极管恒定地导通或截止。每次都需要一个 8 位输出口控制，适合显示位数少的场合（一两位）。 动态显示：一位一位轮流点亮各位显示器，每隔一段时间就点亮一次。适合显示数位多的场合。 分类分类内容内容 按组装形式分类单片机 单板机 微机系统（PC 机） 按微处理机位数4 位、8 位、16 位、32 位、64 位 按用途分类通用型、专用型 引脚引脚共 40 个作用作用 P0P0 口（口（32323939 脚）脚） 外部
36、传送数据的数据数据总线 外部存储器的低 8 位地址地址总线 作为普通 I/O 口需要需要外接上拉电阻 P1 口（18 脚）作为普通 I/O 口无需外接上拉电阻 P2 口（2128 脚） 作为普通 I/O 口无需外接上拉电阻 外部存储器的高 8 位地址地址总线 P3P3 口（口（10101717 脚）脚） 作为普通 I/O 口无需外接上拉电阻 具有第二功能具有第二功能。例如定时器/计数器的输入、输出 端、外部中断信号、外部数存控制信号等。 VCC（40 脚）+5V 电源 VSS（20 脚）接地电平 XTAL1、XTAL2（19、18 脚）采用外部振荡器或引入外部时钟 RESET（9 脚）复位控制
37、 ALE/PROG（30 脚）地址锁存控制外接存储器 输出脉冲信号 烧写时钟 PSEN（29 脚）片外取指控制 EA/VPP（31 脚）片外存储器。 L.L.单片机按键连接方式：单片机按键连接方式：行列式键盘、独立式键盘作用：用于输入数据、干预系统的工作状态。 M.M.键盘的工作方式：键盘的工作方式：编程扫描式 定时扫描式 中断扫描式 输入输入/输出控制的可靠性设计输出控制的可靠性设计 A.A.输入输入/ /输出控制对硬件电路的要求：输出控制对硬件电路的要求：能够可靠地传递控制信息 能够进行相应的信息转换 应 具有较强的阻断干扰信号进入控制系统的能力。 B.B.提高系统可靠性的方法：提高系统可
38、靠性的方法：光电隔离电路 信息转换电路 C.C.光电隔离电路光电隔离电路： 以光为媒介进行传输电信号的一种光电转换器， 主要由光电耦合器的光电转换元 件的组成即发光源（输入）和受光器（输出）。 D.D.光电隔离电路的作用：光电隔离电路的作用： 先由滤波吸收抑制干扰信号，再由光电隔离电路阻断干扰信号的传导，实现功率放大和极性转换。 可将输入与输出的供电电源和电路地线分离。 可进行电平转换实现功率放大，可提高负载驱动能力。 E E 信息转换电路设计：信息转换电路设计： 弱电转强电电路 数字脉冲转换 数模（DA）、模数（AD）转化 电量非电量转化 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器 PLC A.A.梯
39、形图基础表示：梯形图基础表示： 名称名称符号表示符号表示名称名称符号表示符号表示 输入继电器I定时器T 输出继电器Q计数器C 特殊继电器SM累加器AC 顺序控制继电器S变量存储器V 输入端 NO 表示输出端表示 输入端 OFF 表示/置位和复位 S、 R 通电定时器计数器 常用检测传感器常用检测传感器 A.传感器与微机的接口方式：模拟量接口 开关量接口 数字量接口 B.传感器的作用：用于检测系统自身和作业对象及环境的状态，为有效的控制系统动作提供信息。 第七章第七章 机电一体化系统机电有机结合与分析机电一体化系统机电有机结合与分析 A.A.机电有机结合的稳态设计：机电有机结合的稳态设计：为了确
40、定系统的主回路各部分特性、参数为系统动态设计作准备。 目的是为了使控制对象完成所需的机械运动，保证机电一体化系统的整体性能。 B.B.稳态设计的方法步骤：稳态设计的方法步骤：负载分析 执行元件匹配选择 传动比与各级减速比选择 检测与设 计传感装置、信号转换、放大电路与电源匹配。建立机电系统数学模型 分析系统稳态特性。 C.C.典型负载分析：典型负载分析： 1.1.典型负载：典型负载：包括惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载 2.2.分析目的：分析目的：获得负载的特征参量 3.3.方法方法： 计算输出轴的等效转动惯量和等效转矩 【回转运动】 或计算等效质量和等效力 【直线运动】 即将
41、负载的等效换算到执行元件的输出轴上。 D.D.等效转动惯量等效转动惯量 k eq J计算：计算：适合直线和回转运动，利用总动能不变的原理。 2 1 2 1 2 )()( 4 1 k j n j j k i m i i k eq n n J n u MJ inn TnJ FuM k jjj iii m/ r mNmin/ rmkg Ns /mKg n m 2 电动机转速 、负载转矩、转速转动部件的转动惯量、 、负载力、速度移动部件的质量、 系统转动部件个数 系统移动部件个数 E.E.等效负载转矩等效负载转矩 k eq T计算：计算：适合负载是力或者力矩，利用在 t 时间内克服负载所作虚功的原理。
42、 n j k jj m i k ii k eq n nT n uF T 11 2 1 注意注意 工作台速度工作台速度 i u计算计算: :一般情况下 M 的总质量对应工作台总速度而不是电动机转速。 丝杠传动: si nuL 丝杠转速丝杠长度 s Ln 齿轮齿条传动： 1000 mZn Ru m i 齿轮齿数 齿轮模数 电动机转速 Z m n m 典型典型 PLC 梯形图设计及单片机编程梯形图设计及单片机编程 例例 1.1.设设备 B 为一打印机，每打印完一个字符会输出“打印完”信号（负脉冲）。8255 的 B 口采用 方式 1 输出方式工作，CPU 采用中断方式控制打印机打印。若要将 MCS-
43、51 内部 RAM 中 30H 开始的 32 个单元的字符输出打印。 MAIN： MOV 08H，#30H MOV 0FH，#20H SETB EX1 MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#05H MOVX DPTR，A MOV A，#0BCH MOVX DPTR，A MOV DPTR，#7FFDH MOV A，30H MOVX DPTR，A INC 08H DEC 0FH SETB EA PINT：PUSH ACC PUSH PSW MOV PSW，08H MOV A，R0 MOV DPTR，#7FFDH MOVX DPTR，A INC R0 DJNZ R7,BACK CLR EX1
44、 SETB 00H BACK：POP PSW POP ACC 例例 2.2.用一个按钮控制一只灯，按钮接于 PLC 的 I0.0，灯接于 PLC 的 Q0.0。编写控制程序，当按钮按 下 3 次时灯为 ON，再按下按钮 2 次时灯为 OFF，如此重复。 例例 3.控制三相异步电机 Y/降压启动，其 主电路如图所示。要求按下启动按钮后， 电机绕组星形接法启动KM1和KM2动作， 6 秒后 KM2 断开， 再过 1 秒后 KM3 接通绕 组组成接法。 I/O 分配如下分配如下： 启动按钮 SB：I0.0Q0.0：KM1 停止按钮 SB1：I0.1Q0.1：KM2 热继电器 FR：I0.2Q0.2：
45、KM3 例例 4.编写循环灯程序。按下启动按钮时，三只灯每隔 1 秒轮流闪亮，并循环。按下停止 I0.1 时，三只 灯都灭。 启动按钮：I0.0 第一只灯：Q0.0 停止按钮：I0.1 第二只灯：Q0.1 第三只灯：Q0.2 例例 5.多级皮带控制编程。如图是一个四级传送带系统示意图。整个系统有四台电动机， 控制要求如下： （1）落料漏斗 Y0 启动后，传送带 M1 应马上启动，经 6 秒后须启动传送带 M2； （2）传送带 M2 启动 5 秒后应启动传送带 M3； （3）传送带 M3 启动后 4 秒后应启动传送带 M4； （4）落料停止后，为了不让各级皮带上有物料堆积，应根据所需传送时间的差
46、别，分 别将四台电机停车。即落料漏斗 Y0 断开后过 6 秒再断 M1，M1 断开后再过 5S 断 M2，M2 断开 4S 后再断 M3，M3 断开 3 秒后再断 M4。 时间顺序控制。I/O 分配如下： 启动：I0.0 落料 Y0：Q0.0 停止：I0.1 传送带 M1：Q0.1 传送带 M2：Q0.2 传送带 M3：Q0.3 传送带 M4：Q0.4 例例 6.如图所示，传输带传输工件，用传检器检测通过的产器数量，每 24 个产品机械手 动作 1 次。机械手动作后，延时 2 秒，将机械手电磁铁切断复位。编写控制程序。 PLC 的的 I/O 分配：分配： I0.0：传送带起动按钮Q0.0：传送带电机 KM1 I0.1：传送带停机按钮Q0.1：机械手 KM2 I0.2：产品通过检测器 PH