機電一體化概述匯總

單元一機電一體化概述1.1.1機電一體化定義“機電一體化是在機械主功效、動力功效、信息功效和控制功效上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而組成系統(tǒng)總稱?！薄皺C電一體化”是將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多門技術(shù)學(xué)科在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上相互滲透、有機結(jié)合而形成和發(fā)展起來一門新邊緣技術(shù)學(xué)科。1.1.3機電一體化內(nèi)容機電一體化包含了技術(shù)和產(chǎn)品兩方面內(nèi)容，首先是指機電一體化技術(shù)，其次是指機電一體化產(chǎn)品。1.1.4機電一體化特點機電一體化產(chǎn)品顯著特點是多功效、高效率、高智能、高可靠性，同時又具備輕、薄、細、小、巧優(yōu)點，其目標(biāo)是不停滿足人們生產(chǎn)生活多樣性和省時、省力、方便需求。1.2機電一體化系統(tǒng)基本組成1.2.1機電一體化系統(tǒng)功效組成傳統(tǒng)機械產(chǎn)品主要是處理物質(zhì)流和能量流問題，而機電一體化產(chǎn)品除了處理物質(zhì)流和能量流以外，還要處理信息流問題。機電一體化系統(tǒng)主要功效就是對輸入物質(zhì)、能量與信息(即所謂工業(yè)三大要素)按照要求進行處理，輸出具備所需特征物質(zhì)、能量與信息。機電一體化系統(tǒng)主功效包含變換(加工、處理)、傳遞(移動、輸送)、儲存(保持、積蓄、統(tǒng)計)三個目標(biāo)功效。主功效也稱為執(zhí)行功效，是系統(tǒng)主要特征部分，完成對物質(zhì)、能量、信息交換、傳遞和儲存。機電一體化系統(tǒng)還應(yīng)具備動力功效、檢測功效、控制功效、結(jié)構(gòu)功效等其余功效。加工機是以物料搬運、加工為主，輸入物質(zhì)(原料、毛坯等)、能量(電能、液能、氣能等)和信息(操作及控制指令等)，經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)(或產(chǎn)品)。動力機，其中輸出機械能為原動機，是以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量(或物質(zhì))和信息，輸出不一樣能量(或物質(zhì))系統(tǒng)(或產(chǎn)品)。信息機是以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息(如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等)系統(tǒng)(或產(chǎn)品)。1.2.2機電一體化系統(tǒng)組成要素機電一體化系統(tǒng)通常由機械本體、傳感檢測、執(zhí)行機構(gòu)、控制及信息處理、動力系統(tǒng)等五部分組成，各部分之間經(jīng)過接口相聯(lián)絡(luò)。1.機械本體機械本體包含機械結(jié)構(gòu)裝置和機械傳動裝置。機械結(jié)構(gòu)是機電一體化系統(tǒng)機體，用于支撐和連接其余要素，并把這些要素合理地結(jié)合起來，形成有機整體。2.動力部分動力部分是按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力，去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作以完成預(yù)定主功效。3.傳感檢測部分傳感檢測部分是對系統(tǒng)運行中所需要本身和外界環(huán)境各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，然后變成可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，而且?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生對應(yīng)控制信息。4.執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是運動部件在控制信息作用下完成要求動作，實現(xiàn)產(chǎn)品主功效。5.控制及信息單元控制及信息單元未來自各傳感器檢測信息和外部輸入命令進行處理、運算和決議，依照信息處理結(jié)果，按照一定程序和節(jié)奏發(fā)出對應(yīng)指令，控制整個系統(tǒng)有目標(biāo)地運行。1.2.3機電一體化系統(tǒng)接口概述機電一體化系統(tǒng)由許多要素或子系統(tǒng)組成，各要素或子系統(tǒng)之間必須能順利地進行物質(zhì)、能量和信息傳遞與交換。各要素或各子系統(tǒng)相接處必須具備一定聯(lián)絡(luò)條件，這些聯(lián)絡(luò)條件稱為接口。接口設(shè)計總?cè)蝿?wù)是處理功效模塊間信號匹配問題，依照劃分出功效模塊，在分析研究各功效模塊輸入/輸出關(guān)系基礎(chǔ)上，計算制訂出各功效模塊相互連接時所必須共同恪守電氣和機械規(guī)范和參數(shù)約定，使其在詳細實現(xiàn)時能夠“直接”相連。2.接口設(shè)計要求(1)微機接口。微機接口通常由接口電路和與之配套驅(qū)動程序組成。能夠使被傳動數(shù)據(jù)實現(xiàn)在電氣上、時間上相互匹配電路稱為接口電路;能夠完成這種功效程序稱為接口程序。信息轉(zhuǎn)換主要包含以下方面:數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換(D/A);模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換(A/D);從數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖量;電平轉(zhuǎn)換;電量到非電量轉(zhuǎn)換;弱電到強電轉(zhuǎn)換以及功率匹配等。(2)機械傳動接口。要求它連接機構(gòu)緊湊、輕巧，具備較高傳動精度和定位精度，安裝、維修、調(diào)整簡單方便，剛度好，響應(yīng)快。1.3機電一體化技術(shù)理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)論、信息論、控制論是機電一體化技術(shù)理論基礎(chǔ)，那么微電子技術(shù)、精密機械技術(shù)等就是它技術(shù)基礎(chǔ)。機電一體化技術(shù)是以機械電子系統(tǒng)或產(chǎn)品為對象，以數(shù)學(xué)方法和計算機等為工具，對系統(tǒng)組成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功效進行分析、設(shè)計、制造和服務(wù)，從而達成最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理目標(biāo)，方便允分發(fā)揮人力、物力和財力，經(jīng)過各種組織管理技術(shù)，使局部與整體之間協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合最優(yōu)化。機電一體化系統(tǒng)是一個包含物質(zhì)流、能量流和信息流系統(tǒng)，而有效地利用各種信號所攜帶豐富信息資源，則有賴于信號處理和信號識別技術(shù)。1.3.2關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包含精密機械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、接口技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)等。1.5.2機電一體化發(fā)展趨勢機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科交叉融合，它發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)發(fā)展和進步。所以，機電一體化主要發(fā)展方向以下。1.智能化2.模塊化3.網(wǎng)絡(luò)化4.微型化5.綠色環(huán)境保護化6.人性化7.集成化單元二機電一體化機械技術(shù)2.1概述機械是由機械零件組成，能夠傳遞運動并完成一些有效工作裝置。機械由輸入部分、轉(zhuǎn)換部分、傳動部分、輸出部分及安裝固定部分等組成。通用傳遞運動機械零件有齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿、帶、帶輪、曲柄和凸輪等。兩個零件相互接觸并相對運動，就形成了運動副，由若干運動副組成具備確定運動裝置稱為機構(gòu)。就傳動而言，機構(gòu)就是傳動鏈，從系統(tǒng)動力學(xué)方面來考慮，傳動鏈越短越好，這有利于實現(xiàn)系統(tǒng)整體最好目標(biāo)。在必須保留一定傳動件時，在滿足強度和剛度前提下，應(yīng)力爭傳動件“輕、薄、細、小巧”，這就要求采取特種材料和特種加工工藝。2.1.1機械運動與機構(gòu)依照所施外力不一樣，物體運動可分為等速運動、不等速運動和間歇運動等。等速運動可分為單方向運動和往復(fù)運動，而加速運動就是一個不等速運動，間歇運動則是指每隔一定時間自行停頓運動。機電一體化產(chǎn)品運動包含沿特定軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運動、沿要求直線直線運動以及平面運動等。具備代表性主要機械零件可分為緊固零件、傳動零件和支撐零件。多個機械零件有機組合就組成了機構(gòu)。當(dāng)機構(gòu)中一個零件產(chǎn)生運動時，機構(gòu)中其余零件將對應(yīng)產(chǎn)生一定運動。連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間歇機構(gòu)是機械中最慣用三種機構(gòu)。2.1.2機電一體化中機械系統(tǒng)及其基本要求1.傳動機構(gòu)機電一體化機械系統(tǒng)中傳動機構(gòu)不但僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變換器，而且已成為伺服系統(tǒng)一部分，它要依照伺服控制要求進行選擇設(shè)計，以滿足整個機械系統(tǒng)良好伺服性能。所以傳動機構(gòu)除了要滿足傳動精度要求，而且還要滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性要求。2.導(dǎo)向及支承機構(gòu)導(dǎo)向及支承機構(gòu)作用是對機械結(jié)構(gòu)確保一個良好導(dǎo)向和支承性能，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向運動提供保障，通常指導(dǎo)軌、軸承等。3.執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是用以完成操作任務(wù)直接裝置。執(zhí)行機構(gòu)依照操作指令要求在動力源帶動下，完成預(yù)定操作。通常要求它具備較高靈敏度、精準(zhǔn)度，良好重復(fù)性和可靠性因為計算機強大功效，使傳統(tǒng)作為動力源電動機發(fā)展為具備動力、變速與執(zhí)行等多重功效伺服電動機，從而大大地簡化了傳動和執(zhí)行機構(gòu)。除以上三部分外，機電一體化系統(tǒng)機械部分通常還包含機座、支架、殼體等。機電一體化中機械系統(tǒng)除了滿足通常機械設(shè)計要求外，還必須滿足以下幾個特殊要求。1.高精度精度是機電一體化產(chǎn)品主要性能指標(biāo)，對其機械系統(tǒng)設(shè)計主要是執(zhí)行機構(gòu)位置精度，其中包含結(jié)構(gòu)變形、軸系誤差和傳動誤差，另外還要考慮溫度改變影響。2.小慣量傳動件本身轉(zhuǎn)動慣量會影響系統(tǒng)響應(yīng)速度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。大慣量會使機械負載增大、系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢、靈敏度降低，使系統(tǒng)固有頻率下降，輕易產(chǎn)生諧振;使電氣驅(qū)動部分諧振頻率變低，阻尼增大。反之，小慣量則可使控制系統(tǒng)帶寬做得比較寬，快速性比很好、精度比較高，同時還有利于減小用于克服慣性載荷伺服電機功率，提升整個系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)和精度。3.大剛度機電一體化機械系統(tǒng)要有足夠剛度，彈性變形要限制在一定范圍之內(nèi)。彈性變形不但影響系統(tǒng)精度，而且影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率、控制系統(tǒng)帶寬和動態(tài)性能。機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計一樣有傳動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，只是因為機電一體化特征決定了在機械系統(tǒng)設(shè)計過程中有它本身特點。2.2機械傳動機構(gòu)機電一體化機械系統(tǒng)應(yīng)具備良好伺服性能，從而要求傳動機構(gòu)滿足以下幾個方面:轉(zhuǎn)動慣量小、剛度大、阻尼適宜，另外還要求摩擦小、抗振性好、間隙小，尤其是其動態(tài)特征與伺服電動機等其余步驟動態(tài)特征相匹配。2.2.1齒輪傳動在數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中采取齒輪傳動裝置目標(biāo)有兩個:一是將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩伺服電機(如步進電機、直流或交流伺服電機等)輸出，改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩執(zhí)行件輸出;二是使?jié)L珠絲杠和工作臺轉(zhuǎn)動慣量在系統(tǒng)中占有較小比重。另外，對開環(huán)系統(tǒng)還能夠確保所要求精度。提升傳動精度結(jié)構(gòu)方法有以下幾個。①適當(dāng)提升零部件本身精度。②合理設(shè)計傳動鏈，降低零部件制造、裝配誤差對傳動精度影響。首先，合理選擇傳動形式;其次，合理確定級數(shù)和分配各級傳動比;最終，合理布置傳動鏈。③采取消隙機構(gòu)，以降低或消除空程消除齒輪傳動中側(cè)隙方法。1.圓柱齒輪傳動(1)偏心軸套調(diào)整法。(2)錐度齒輪調(diào)整法。(3)雙向薄齒輪錯齒調(diào)整法。2.2.2帶傳動1.普通帶傳動帶傳動是利用張緊在帶輪上帶，靠它們之間摩擦或嚙合，在兩軸(或多軸)間傳遞運動或動力。依照傳動原理不一樣，帶傳動可分為摩擦型和嚙合型兩大類，常見是摩擦帶傳動。摩擦帶傳動依照帶截面形狀分為平帶、V帶、多楔帶和圓帶等靠摩擦工作帶傳動，其優(yōu)點是:①因帶是彈性體，能緩解載荷沖擊，運行平穩(wěn)無噪聲;②過載時將引發(fā)帶在帶輪上打滑，因而可預(yù)防其余零件損壞;③制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴(yán)格;④可增加帶長以適應(yīng)中心距較大工作條件(可達巧m)。其缺點是:①帶與帶輪彈性滑動使傳動比不準(zhǔn)確，效率較低，壽命較短;②傳遞一樣大圓周力時，外廓尺寸和軸上壓力都比嚙合傳動大;③不宜用于高溫、易燃等場所。慣用張緊裝置有三種。(1)定時張緊裝置:調(diào)整中心距使帶重新張緊。(2)自動張緊裝置(3)使用張緊輪張緊裝置2.2.4螺旋傳動依照螺旋傳動運動方式能夠分為兩大類:一類是滑動摩擦式螺旋傳動，它是將聯(lián)結(jié)件旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為被執(zhí)行機構(gòu)直線運動;另一類是滾動摩擦式螺旋傳動，它是將滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，完成旋轉(zhuǎn)運動。1.滑動螺旋傳動它是利用螺桿與螺母相對運動，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動?；瑒勇菪齻鲃泳邆鋫鲃颖却?、驅(qū)動負載能力強和自鎖等特點。(1)滑動螺旋傳動形式及應(yīng)用①螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動。這種傳動形式螺母本身就起著支承作用，從而簡化了結(jié)構(gòu)，消除了螺桿與軸承之間可能產(chǎn)生軸向竄動，輕易取得較高傳動精度。缺點是所占軸向尺寸較大(螺桿行程兩倍加上螺母高度)，剛性較差。所以僅適適用于行程短情況。②螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動。這種傳動形式特點是結(jié)構(gòu)緊湊(所占軸向尺寸取決于螺母高度及行程大小)，剛度較大。適適用于工作行程較長情況。③差動螺旋傳動。(2)螺旋副零件與滑板聯(lián)接結(jié)構(gòu)確實定。螺旋副零件與滑板聯(lián)接結(jié)構(gòu)有以下幾個。①剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)。②彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)③活動聯(lián)接結(jié)構(gòu)。(3)影響螺旋傳動精度原因及提升傳動精度方法。螺旋傳動傳動精度是指螺桿與螺母間實際相對運動保持理論值準(zhǔn)確程度。影響螺旋傳動精度原因主要有以下幾項。①螺紋參數(shù)誤差。螺紋各項參數(shù)誤差中，主要影響傳動精度是螺距誤差、中徑誤差以及牙型半角誤差。②螺桿軸向竄動誤差。③偏斜誤差。④溫度誤差。因為螺桿螺距誤差是造成螺旋傳動誤差最主要原因，所以采取螺距誤差校正裝置是提升螺旋傳動精度有效方法之一。(4)消除螺旋傳動空回方法。①利用單向作用力。②利用調(diào)整螺母。徑向調(diào)整法、軸向調(diào)整法。③利用塑料螺母消除空回。2.滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構(gòu)(1)滾珠絲杠副工作原理是具備螺旋槽絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以降低摩擦，當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時，滾珠相對于螺母上滾道滾動，所以絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了預(yù)防滾珠從螺母中滾出來，在螺母螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。滾珠絲杠副特點以下。①傳動效率高，摩擦損失小。②給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，反向時就能夠消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。③運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。④運動具備可逆性，能夠從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也能夠從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母都能夠作為主動件。⑤磨損小，使用壽命長⑥制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。⑦不能自鎖。尤其是對于垂直絲杠，因為自重慣力作用，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停頓運動，故常需添加制動裝置。(2)滾珠螺旋傳動結(jié)構(gòu)型式與類型。按用途和制造工藝不一樣，滾珠螺旋傳動結(jié)構(gòu)型式有多個，它們主要區(qū)分在于螺紋滾道法向截形、滾珠循環(huán)方式、消除軸向間隙調(diào)整預(yù)緊方法等三方面。①螺紋滾道法向截形是指經(jīng)過滾珠中心且垂直于滾道螺旋面平面和滾道表面交線形狀。慣用截形有單圓弧形和雙圓弧形。②滾珠循環(huán)方式。按滾珠在整個循環(huán)過程中與螺桿表面接觸情況，滾珠循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩類。③滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整方法。慣用雙螺母消除軸向間隙結(jié)構(gòu)型式有以下三種。墊片調(diào)隙式，螺紋調(diào)隙式，齒差調(diào)隙式2.3機械導(dǎo)向結(jié)構(gòu)機電系統(tǒng)支承部件包含導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件和機座機架。導(dǎo)向支承部件作用是支承和限制運動部件按給定運動要求和要求運動方向運動。這么部件通常被標(biāo)為導(dǎo)軌副，簡稱導(dǎo)軌。導(dǎo)軌副主要由定導(dǎo)軌、動導(dǎo)軌、輔助導(dǎo)軌、間隙調(diào)整元件以及工作介質(zhì)/元件等組成按運動方式可分為直線運動導(dǎo)軌(滑動摩擦導(dǎo)軌)和回轉(zhuǎn)運動導(dǎo)軌(滾動摩擦導(dǎo)軌)。按接觸表面摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。2.3.1滑動摩擦導(dǎo)軌1.常見滑動摩擦導(dǎo)軌副及其特點常見導(dǎo)軌截面形狀，有三角形(分對稱、不對稱兩類)、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。凸形導(dǎo)軌不易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油。宜在低速下工作，凹形導(dǎo)軌則相反，可用于高速，但必須有良好防護裝置，以防切屑等臟物落入導(dǎo)軌。(1)三角形導(dǎo)軌。分對稱型和非對稱型三角形導(dǎo)軌特點:在垂直載荷作用下，具備磨損量自動賠償功效，無間隙工作，導(dǎo)向精度高。為預(yù)防因振動或傾翻載荷引發(fā)兩導(dǎo)向面較長時間脫離接觸，應(yīng)有輔助導(dǎo)向面并具備間隙調(diào)整能力。但存在導(dǎo)軌水平與垂直誤差相互影響，為確保高導(dǎo)向精度(直線度)，導(dǎo)軌面加工、檢驗、維修困難。對稱型導(dǎo)軌—隨頂角增大，導(dǎo)軌承載能力增大，但導(dǎo)向精度降低。非對稱導(dǎo)軌—主要用在載荷不對稱時候，經(jīng)過調(diào)整不對稱角度，使導(dǎo)軌左右面水平分力相互抵消，提升導(dǎo)軌剛度。(2)矩形導(dǎo)軌特點:結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗、維修方便，導(dǎo)軌面寬、承載能力大，剛度高，但無磨損量自動賠償功效。因為導(dǎo)軌在水平和垂直面位置互不影響，因而在水平和垂直兩方向均須間隙調(diào)整裝置，安裝調(diào)整方便(3)燕尾形導(dǎo)軌特點:無磨損量自動賠償功效，須間隙調(diào)整裝置，燕尾起壓板作用，鑲條可調(diào)整水平垂直兩方向間隙，可承受顛覆載荷，結(jié)構(gòu)緊湊，但剛度差，摩擦阻力大、制造、檢驗、維修不方便。(4)圓形導(dǎo)軌特點:結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗、配合方便，精度易于確保，但摩擦后極難調(diào)整，結(jié)構(gòu)剛度較差。2.導(dǎo)軌基本要求(1)導(dǎo)向精度高。導(dǎo)向精度是指運動件按給定方向作直線運動準(zhǔn)確程度，它主要取決于導(dǎo)軌本身幾何精度及導(dǎo)軌配合間隙。導(dǎo)軌幾何精度可用線值或角值表示。①導(dǎo)軌在垂直平面和水平面內(nèi)直線度。②導(dǎo)軌面間平行度。(2)運動輕便、平穩(wěn)、低速時無爬行現(xiàn)象。導(dǎo)軌運動不平穩(wěn)性主要表現(xiàn)在低速運動時導(dǎo)軌速度不均勻，使運動件出現(xiàn)時快時慢、時動時停爬行現(xiàn)象。爬行現(xiàn)象主要取決于導(dǎo)軌副中摩擦力大小及其穩(wěn)定性。為此，設(shè)計時應(yīng)合理選擇導(dǎo)軌類型、材料、配合間隙、配合表面幾何形狀精度及潤滑方式。(3)耐磨性好。導(dǎo)軌初始精度由制造確保，而導(dǎo)軌在使用過程中精度保持性則與導(dǎo)軌面耐磨性親密相關(guān)。導(dǎo)軌耐磨性主要取決于導(dǎo)軌類型、材料，導(dǎo)軌表面粗糙度及硬度、潤滑情況和導(dǎo)軌表面壓強大小。(4)對溫度改變不敏感性。即導(dǎo)軌在溫度改變情況下仍能正常工作。導(dǎo)軌對溫度改變不敏感性主要取決于導(dǎo)軌類型、材料及導(dǎo)軌配合間隙等。(5)足夠剛度。在載荷作用下，導(dǎo)軌變形不應(yīng)超出允許值。剛度不足不但會降低導(dǎo)向精度，還會加緊導(dǎo)軌面磨損。剛度主要與導(dǎo)軌類型、尺寸以及導(dǎo)軌材料等關(guān)于。(6)結(jié)構(gòu)工藝性好。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)應(yīng)力爭簡單、便于制造、檢驗和調(diào)整，從而降低成本。3.常見導(dǎo)軌副組合與間隙調(diào)整、特點(1)圓柱面導(dǎo)軌。圓柱面導(dǎo)軌優(yōu)點是導(dǎo)軌面加工和檢驗比較簡單，易于達成較高精度;缺點是對溫度改變比較敏感，間隙不能調(diào)整。(2)棱柱面導(dǎo)軌。慣用棱柱面導(dǎo)軌有三角形導(dǎo)軌、矩形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌以及它們組合式導(dǎo)軌。①雙三角形導(dǎo)軌。②三角形一平面導(dǎo)軌③矩形導(dǎo)軌。④燕尾導(dǎo)軌。4.導(dǎo)軌間隙調(diào)整(1)采取磨、刮對應(yīng)結(jié)合面或加墊片方法，以取得適宜間隙。(2)采取平鑲條調(diào)整間隙。(3)采取斜鑲條調(diào)整間隙。斜鑲條側(cè)面磨成斜度很小斜面，導(dǎo)軌間隙是用鑲條縱向移動來調(diào)整，為了縮短鑲條長度，通常將其放在運動件上。5.提升導(dǎo)軌耐磨性方法為使導(dǎo)軌在較長使用期間內(nèi)保持一定導(dǎo)向精度，必須提升導(dǎo)軌耐磨性。因為磨損速度與材料性質(zhì)、加工質(zhì)量、表面壓強、潤滑及使用維護等原因直接關(guān)于，故欲想提升導(dǎo)軌耐磨性，須從這些方面采取方法。(1)合理選擇導(dǎo)軌材料及熱處理。(2)減小導(dǎo)軌面壓強。常采取卸載導(dǎo)軌，即在導(dǎo)軌截荷相反方向給運動件施加一個機械或液壓作用力(卸載力)，抵消導(dǎo)軌上部分載荷，從而達成既保持導(dǎo)軌面間仍為直接接觸，又減小導(dǎo)軌工作面壓力。通常卸載力取為運動件所受總重力2/3左右。①靜壓卸載導(dǎo)軌②水銀卸載導(dǎo)軌③機械卸載導(dǎo)軌(3)確保導(dǎo)軌良好潤滑。(4)提升導(dǎo)軌精度。2.3.2滾動摩擦導(dǎo)軌滾動摩擦導(dǎo)軌是在運動件和承導(dǎo)件之間放置滾動體(滾珠、滾柱、滾動軸承等)，使導(dǎo)軌運動時處于滾動摩擦狀態(tài)。滾動導(dǎo)軌特點:①摩擦系數(shù)小，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象;②定位精度高，當(dāng)要求運動件產(chǎn)生精準(zhǔn)微量移動時，通常采取滾動導(dǎo)軌;③磨損較小，壽命長，潤滑簡便;④結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工比較困難，成本較高;⑤對臟物及導(dǎo)軌面誤差比較敏感。1.滾珠導(dǎo)軌V形滾珠導(dǎo)軌優(yōu)點是工藝性很好，輕易達成較高加工精度，但因為滾珠和導(dǎo)軌面是點接觸，接觸應(yīng)力較大，輕易壓出溝槽，如溝槽深度不均勻，將會降低導(dǎo)軌精度。為了改進這種情況，可采取以下方法。(1)預(yù)先在v形槽與滾珠接觸處研磨出一窄條圓弧面淺槽，從而增加了滾珠與滾道接觸面積，提升了承載能力和耐磨性，但這時導(dǎo)軌中摩擦力略有增加。(2)采取雙圓弧滾珠導(dǎo)軌。當(dāng)要求運動件行程很大或需要簡化導(dǎo)軌設(shè)計和制造時，可采取滾珠循環(huán)式導(dǎo)軌。2.滾柱導(dǎo)軌和滾動軸承導(dǎo)軌為了提升滾動導(dǎo)軌承載能力和剛度，可采取滾柱導(dǎo)軌或滾動軸承導(dǎo)軌。這類導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸較大，慣用在比較大型精密機械上。(1)交叉滾柱V一平導(dǎo)軌。(2)V一平滾柱導(dǎo)軌。2.4機械支承結(jié)構(gòu)2.4.1機械支承結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足基本要求支承件是支承其余零部件基礎(chǔ)構(gòu)件，既承受其余零部件質(zhì)量和工作載荷，又起確保各零部件相對位置基準(zhǔn)作用。支承件多采取鑄件、焊接件或型材裝配件。其基本特點是尺寸較太、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工面多、幾何精度和相對位置精度要求較高。在設(shè)計時，首先應(yīng)對一些關(guān)鍵表面及其相對位置提出對應(yīng)精度要求，以確保產(chǎn)品總體精度;其次，對其剛度、熱變形和抗振性提出以下基本要求。(1)應(yīng)有足夠剛度。(2)應(yīng)有足夠抗振性。動剛度是衡量抗振性主要指標(biāo)。提升支承件抗振性可采取以下方法:①提升固有振動頻率，以防止產(chǎn)生共振。提升固有振動頻率方法是提升靜剛度與質(zhì)量比值，即在確保足夠靜剛度前提下盡可能減輕質(zhì)量。②增加阻尼，因為增加阻尼對提升動剛度作用很大。③采取隔振方法，如用減振橡膠墊腳、用空氣彈簧隔板等。(3)應(yīng)有較小熱變形。(4)穩(wěn)定性好。(5)工藝性好，成本低，符合人機工程方面要求。2.4.2支承件材料支承件材料應(yīng)依照其結(jié)構(gòu)、工藝、成本、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)周期等要求選擇，慣用有以下幾個。(1)灰鑄鐵。(2)鋼。(3)其余材料。2.4.3支承件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是處理剛度問題，包含靜剛度和動剛度。1.提升支承件剛度通常方法(1)合理選擇截面形狀和尺寸。(2)合理布置隔板和加強筋(3)提升接觸剛度。提升接觸剛度可采取以下方法。①減小表面粗糙度數(shù)值通常應(yīng)選到Ra<1.6um②擰緊固定螺栓，使接觸表面有200N/mm預(yù)壓力，以消除表面不平整影響，提升接觸剛度;預(yù)壓力應(yīng)用測力扳手來控制。③合理選擇連接部位形狀，提升局部剛度，以預(yù)防產(chǎn)生局部變形，造成接觸不良，降低接觸剛度。2.提升阻尼通常方法支承件通常受到是動載荷，所以除了提升剛度外，還要提升阻尼，才能得到良好動態(tài)特征。提升阻尼方法以下。(1)士寸砂、鑄造，即保留鑄造件中砂芯。(2)對于焊接支承件，可在支承件中灌混凝土以增加阻尼。2.5機械執(zhí)行機構(gòu)機電一體化產(chǎn)品執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)其主功效主要步驟，它應(yīng)能快速地完成預(yù)期動作，并具備響應(yīng)速度快、動態(tài)特征好、動靜態(tài)精度高、動作靈敏度高等特點，另外為便于集中控制，它還應(yīng)滿足效率高、體積小、質(zhì)量輕、自控性強、可靠性高等要求。2.5.1微動機構(gòu)微動機構(gòu)是一個能在一定范圍內(nèi)精準(zhǔn)、微量地移動到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定進給運動機構(gòu)。2.5.2定位機構(gòu)定位機構(gòu)是機電一體化機械系統(tǒng)中一個確保移動件占據(jù)準(zhǔn)確位置執(zhí)行機構(gòu)，通常采取分度機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)組合形式來實現(xiàn)精準(zhǔn)定位要求。2.5.3數(shù)控機床回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控機床自動回轉(zhuǎn)刀架是在一定空間范圍內(nèi)，能使刀架執(zhí)行自動松開、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動作一個機構(gòu)。2.5.4工業(yè)機器人末端執(zhí)行器工業(yè)機器人是一個自動控制、可重復(fù)編程、多功效、多自由度操作機，用來搬運物料、工件或操作工具以及完成其余各種作業(yè)機電一體化設(shè)備。工業(yè)機器人末端執(zhí)行器裝在操作機手腕前端，是直接實現(xiàn)操作功效機構(gòu)。末端執(zhí)行器因用途不一樣而結(jié)構(gòu)各異，通?？煞譃槿箢?圓弧型夾持器，特種末端執(zhí)行器、工具型末端執(zhí)行器和萬能手。單元三機電一體化傳感檢測技術(shù)3.1傳感器組成與分類傳感器(sensor)是能夠檢測出自然界中各種物理量(或者化學(xué)量)，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)非電量或電量裝置，又稱為變送器、換能器或探測器。在機電一體化系統(tǒng)中，被測量主要指各種物理量。機電一體化中包括主要物理量主要有:位置(位移)、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速，以及溫度、濕度、光量、電量、流量、磁場、AE、超聲波、紅外線等。3.1.1傳感器組成傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其余輔助部件組成。(1)敏感元件是一個能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成易于測量物理量預(yù)變換裝置，而輸入、輸出間具備確定數(shù)學(xué)關(guān)系(最好為線性)。(2)傳感元件是將敏感元件輸出非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(如電阻、電感、電容等)形式。(3)基本轉(zhuǎn)換電路是將電信號量轉(zhuǎn)換成便于測量電量，如電壓、電流、頻率等。(2)按信號變換特征分為物性型和結(jié)構(gòu)型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器主要經(jīng)過機械結(jié)構(gòu)幾何形狀或尺寸改變將外界被測量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電阻、電感、電容等物理量改變，從而檢測出被測量信號?，F(xiàn)在應(yīng)用最為普遍。物性型傳感器利用一些材料本身物理性質(zhì)改變而實現(xiàn)測量。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)等作為敏感材料固態(tài)器件。 (5)市場上銷售傳感器類型主要按被測物理量來分類。通常分為位移傳感器、位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。 3.2經(jīng)典慣用傳感器 3.2.1位置傳感器 按照是否為接觸檢測，位置傳感器可分為接觸式開關(guān)、非接觸式開關(guān)等。接觸式開關(guān)包含封入式、微動開關(guān)、精密式等極限開關(guān);非接觸式又分為靠近開關(guān)和光電開關(guān)。 1.極限開關(guān)(微動開關(guān)) 接觸式極限開關(guān)主要用于極限位置檢測，這種極限開關(guān)具備以下特點。 ①能夠?qū)崿F(xiàn)大容量(10A,250VAC)開閉 ②壽命長「機械壽命2000萬次以上，電氣壽命50萬次以上(10A,250VAC) ③具備優(yōu)良動作位置精度。動作位置精度可達10.4mm ④取得各國安全標(biāo)準(zhǔn)認證(UL,CSA,SEMKO) 接觸式極限開關(guān)優(yōu)點是:能夠制成各種大小和形狀來適應(yīng)安裝環(huán)境，以供使用者選擇，同時，價格廉價。其缺點主要有兩點:一是因為是接觸式，使用時故障率較高;二是會產(chǎn)生電氣噪聲，需要采取方法來預(yù)防噪聲。 非接觸式位置傳感器主要有靠近傳感器和光電傳感器等。有代表性靠近傳感器主要有舌簧傳感器;有代表性光電傳感器主要有光電開關(guān)等。 2.靠近傳感器 靠近傳感器是一個非接觸式位置傳感器，能夠感知物體靠近，利用位移傳感器對靠近物體所具備敏感特征，達成識別物體靠近、并輸出開關(guān)信號目標(biāo)。它具備速度快、頻率高等特點。 3.光電傳感器 光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量傳感器，又稱為光電開關(guān)。光電二極管是最常見光電傳感器。 光敏三極管除了具備光電二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號功效外，還有對電信號放大功效。光電三極管要比光電二極管具備更高靈敏度。 光電傳感器通常由發(fā)光元件(發(fā)光二極管，即LED)和受光元件(光敏三極管)組合組成。 3.2.2位移傳感器 按照運動形態(tài)，位移傳感器可分為直線位移傳感器和角位移傳感器。直線式位移傳感器主要有差動變壓器、電位器、光柵尺、光學(xué)式位移測定裝置等。角位移傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器等。 位移傳感器還能夠分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，模擬式傳感器輸出是以幅值形式表示輸入位移大小，如電容式傳感器、電感式傳感器等;數(shù)字式傳感器輸出是以脈沖數(shù)量多少表示位移大小，如光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)同時器等。光電編碼盤輸出是一組不一樣編碼代表不一樣角度位置。 1.模擬式位移傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感量改變一個結(jié)構(gòu)型傳感器。按其轉(zhuǎn)換方式不一樣，可分為自感型和互感型兩種，自感型電感傳感器又分為可變磁阻式和渦流式?；ジ行陀址Q為差動變壓器式。 (1)可變磁阻式電感傳感器。 (2)差動變壓器式電感傳感器。 2.數(shù)字式位移傳感器 數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同時器等，它們共同特點是利用本身物理特征，制成直線形和圓形結(jié)構(gòu)位移傳感器，輸出信號都是脈沖信號，每一個脈沖代表輸入位移當(dāng)量，經(jīng)過計數(shù)脈沖就能夠統(tǒng)計位移尺寸。 (1)光柵位移傳感器。光柵是一個新型位移檢測元件，有圓光柵和直線光柵兩種它特點是測量精準(zhǔn)高(可達±1μm)、響應(yīng)速度快和量程范圍大(通常為1~2m，連接使用可達成10m)等。 光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成。 (2)感應(yīng)同時器。感應(yīng)同時器是一個應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造高精度檢測元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測直線位移和轉(zhuǎn)角直線感應(yīng)同時器由定尺和滑尺兩部分組成。 3.2.3速度和加速度傳感器 速度、加速度測試有許多方法，能夠使用直流測速機直接測量速度，也能夠經(jīng)過檢測位移換算出速度和加速度，還能夠經(jīng)過測試慣性力換算出加速度等。 1.直流測速機速度檢測 直流測速機是一個測速元件，實際上它就是一臺微型直流發(fā)電機。依照定子磁極激磁方式不一樣，直流測速機可分為電磁式和永磁式兩種。 直流測速機特點是輸出斜率大、線性好，但因為有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)和維護比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。 2.光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一個角位移傳感器，由裝在被測軸(或與被測軸相連接輸入軸)上帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成。 3.加速度傳感器 作為加速度檢測元件加速度傳感器有多個形式，它們工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生慣性力而造成各種物理效應(yīng)，深入轉(zhuǎn)化成電量，間接度量被測加速度。最慣用有應(yīng)變式、壓電式、電磁感應(yīng)式等。 (1)壓電效應(yīng)及壓電材料。壓電材料壓電特征只和變形關(guān)于，施加外力是產(chǎn)生變形伎倆。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)方向只有x軸方向，其余方向都不會產(chǎn)生電荷。 (2)壓電傳感器結(jié)構(gòu)及特征。壓電傳感器是以電荷或兩極間電勢作為輸出信號。當(dāng)測試靜態(tài)信號時，因為任何阻抗電路都會產(chǎn)生電荷泄漏，所以測量電勢方法誤差很大，只能采取測量電荷方法。當(dāng)給壓電傳感器施加交變外力，傳感器就會輸出交變電勢，信號處理電路相對簡單，所以壓電式傳感器適合測試動態(tài)信號，且頻率越高越好。 壓電傳感器結(jié)構(gòu)通常由兩片或多片壓電晶體粘合而成，因為壓電晶片有電荷極性，所以接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種。 并聯(lián)接法即使輸出電荷大，但因為本身電容也大，故時間常數(shù)大，能夠測量較慢改變信號，并以電荷作為輸出參數(shù)測量。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適應(yīng)以電壓輸出信號和測量電路輸出阻抗很高情況。 因為壓電傳感器信號較弱，且是電荷表現(xiàn)形式，所以測量電路必須進行信號放大。現(xiàn)在，壓電傳感器應(yīng)用相當(dāng)普遍，且生產(chǎn)廠家都專門配置有傳感器處理電路。 3.2.4溫度傳感器 按溫度測量方式來分，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式。 所謂接觸式，就是溫度傳感器直接接觸被測物體表面一個測量方式。 熱敏電阻器是一個有代表性接觸式溫度傳感器。 (1)鉑熱電阻器。(2)熱電偶。熱電偶是利用熱電效應(yīng)原理而制成一個溫度傳感器。熱電偶具備以下優(yōu)點:比較廉價、輕易買到，測量方法簡單、測溫精度高，測量時間上滯后小，能夠?qū)崿F(xiàn)很寬范圍內(nèi)溫度測量(與熱敏電阻等相比)。能夠選取與靈敏度和壽命等情況相適應(yīng)熱電偶類型。利用熱電偶能夠進行小型被測物和狹窄場所測溫，能夠進行較長距離(即被測物體與測溫儀表之間距離較遠)溫度測量，對于測量電路到測溫儀表中間電路，即使局部溫度發(fā)生改變，也基本上不會對測定值造成影響。 (3)非接觸式溫度傳感器。具備代表性非接觸式溫度傳感器是熱電式溫度傳感器。 3.2.5紅外線傳感器 水銀溫度計是一個使用最早紅外線傳感器。 紅外線傳感器接收紅外光照射，并將紅外光輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號。 3.3傳感器選擇方法 (1)依照測量對象選擇對應(yīng)傳感器類型。 (2)明確傳感器使用目標(biāo)和條件，選擇傳感器工作方式 (3)了解所測量范圍、精度和靈敏度 (4)考慮測量環(huán)境、測量穩(wěn)定性、壽命、使用方便性、是否輕易買到以及價格等原因。 1.靈敏度選擇 通常，在傳感器線性范圍內(nèi)，希望傳感器靈敏度越高越好。 2.響應(yīng)特征(反應(yīng)時間) 傳感器頻率響應(yīng)特征決定了被測量頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真測量條件，實際上傳感器響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。 3.線性范圍 傳感器線性范圍是指輸出與輸入成正比范圍。 4.穩(wěn)定性 傳感器使用一段時間后，其性能保持不改變能力稱為穩(wěn)定性。 5.精度 精度是傳感器一個主要性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度一個主要步驟。 傳感器輸出信號(模擬信號、數(shù)字信號和開關(guān)信號)不一樣，其測量電路也有模擬型測量電路、數(shù)字型測量電路和開關(guān)型測量電路之分。 1.模擬型測量電路 模擬型測量電路適合于電阻式、電感式、電容式、電熱式等輸出模擬信號傳感器。 2.數(shù)字型測量電路 數(shù)字型測量電路有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。絕對碼數(shù)字式傳感器輸出編碼與被測量一一對應(yīng)，每一碼道狀態(tài)由對應(yīng)光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大整形后，得到與被測量相對應(yīng)編碼。 3.開關(guān)型測量電路 傳感器輸出信號為開關(guān)信號，如光電開關(guān)和電觸點開關(guān)通斷信號等。這類信號測量電路實質(zhì)為功率放大電路。 4.轉(zhuǎn)換電路 中間轉(zhuǎn)換電路種類和組成由傳感器類型決定。 (1)電橋。電橋適適用于參量式傳感器。其作用是被測物理量改變引發(fā)敏感元件電阻、電感或電容等參數(shù)改變，轉(zhuǎn)化為電量。 (2)放大電路。放大電路通常由運算放大器、晶體管等組成，用來放大來自傳感器微弱信號。慣用抗干擾方法有屏蔽、濾波、正確接地等方法。屏蔽是抑制場干擾主要方法，而濾波則是抑制干擾最有效伎倆，尤其是抑制導(dǎo)線藕合到電路中干擾。對于信號通道中干擾，可依照測量中有效信號頻譜和干擾信號頻譜，設(shè)計濾波器，以保留有用信號，剔除干擾信號。接地目標(biāo)之一是給系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)電位，若接地方法不正確，會引發(fā)干擾。 (3)調(diào)制與解調(diào)電路。由傳感器輸出電信號多為微弱、改變遲緩類似于直流信號，若采取通常直流放大器進行放大和傳送，零點漂移及干擾等會影響測量精度。所以常先用調(diào)制器把直流信號變換成某種頻率交流信號，經(jīng)交流放大器放大后再經(jīng)過解調(diào)器將此交流信號重新恢復(fù)為原來直流信號形式 (4)模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，為了滿足系統(tǒng)信息傳輸、運算處理、顯示或控制需要，應(yīng)將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，或再將數(shù)字量變?yōu)槟M量，前者就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，后者就是數(shù)/模轉(zhuǎn)換。單元四機電一體化伺服驅(qū)動技術(shù)4.1概述 伺服意思就是在控制指令指揮下，控制驅(qū)動元件，使機械系統(tǒng)運動部件按照指令要求進行運動。伺服系統(tǒng)是一個能夠跟蹤輸入指令信號進行動作，從而取得精準(zhǔn)位置、速度及動力輸出自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要用于機械設(shè)備位置和速度動態(tài)控制。 4.1.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)種類及特點 絕大部分機電一體化系統(tǒng)都具備伺服功效，機電一體化系統(tǒng)中伺服控制是為執(zhí)行機構(gòu)按設(shè)計要求實現(xiàn)運動而提供控制和動力主要步驟。 伺服系統(tǒng)本身就是一個經(jīng)典機電一體化系統(tǒng)。 (1)比較元件是將輸入指令信號與系統(tǒng)反饋信號進行比較，以取得輸出與輸入間偏差信號步驟，通常由專門電路或計算機來實現(xiàn)。 (2)調(diào)整元件又稱控制器，通常是計算機或PID控制電路，主要任務(wù)是對比較元件輸出偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。 (3)執(zhí)行元件作用是按控制信號要求，將輸入各種形式能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中執(zhí)行元件通常指各種電機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。 (4)被控對象是指被控制機構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目標(biāo)主體。通常包含傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。 (5)測量反饋元件是指能夠?qū)敵鲞M行測量，并轉(zhuǎn)換成比較元件所需要量綱裝置通常包含傳感器和轉(zhuǎn)換電路。不論采取何種控制方案，系統(tǒng)控制精度總是低于檢測裝置精度 伺服系統(tǒng)種類很多，按其驅(qū)動元件類型分類，可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)依照電機類型不一樣又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進電機控制伺服系統(tǒng)。通常我們也將驅(qū)動元件稱作執(zhí)行元件或執(zhí)行器、執(zhí)行機構(gòu)。 按控制方式分類，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。 4.1.2執(zhí)行器及其選取依據(jù) 執(zhí)行器通常又稱為驅(qū)動器、調(diào)整器等，是驅(qū)動、傳動、拖動、操縱等裝置、機構(gòu)或元器件總稱。 依照主要被控參數(shù)選擇能量和運動轉(zhuǎn)換裝置大致標(biāo)準(zhǔn)以下。 (1)直線運動能量轉(zhuǎn)換裝置:依照力和距離。 (2)旋轉(zhuǎn)運動能量轉(zhuǎn)換裝置:依照扭矩和速度。 (3)運動轉(zhuǎn)換機構(gòu):依照輸入/輸出速度大小和方向改變。 4.1.3輸出接口裝置 執(zhí)行元件與負載之間連接方式通常有兩種形式:一個是與負載固連，直接驅(qū)動;另一個是經(jīng)過不一樣機械傳動裝置(如齒輪傳動鏈、帶傳動)與負載相連。這些機械傳動裝置就是執(zhí)行元件輸出接口裝置。4.2經(jīng)典執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是將控制信號轉(zhuǎn)換成機械運動和機械能量轉(zhuǎn)換元件。 4.2.1電氣執(zhí)行元件 電氣式執(zhí)行元件是將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。 電氣執(zhí)行元件特點是操作簡便、便于控制、能實現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)快、體積小、動力較大和無污染等優(yōu)點，但過載能力差、易于燒毀線圈、輕易受噪聲干擾。 1.步進電機及其控制系統(tǒng) 步進電動機伺服系統(tǒng)通常組成經(jīng)典開環(huán)伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件是步進電動機，它能將CNC裝置輸出進給脈沖轉(zhuǎn)換成機械角位移運動，并經(jīng)過齒輪、絲杠帶開工作臺直線移動。步進電動機伺服系統(tǒng)中無位置、速度檢測步驟，其精度主要取決于步進電動機步距角以及與之相連傳動鏈精度。 (1)步進電動機結(jié)構(gòu)。磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn)子上齒數(shù)越多，步距角越小，步進電動機位置精度越高，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。 常見步進電動機還有永磁式步進電動機和永磁反應(yīng)式步進電動機。 (2)步進電動機工作原理。步進電動機工作原理是:當(dāng)某相定子繞組通電勵磁后，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒與該相定子磁極上齒對齊，實際上就是電磁鐵作用原理 (3)步進電機特點。步進電動機是一個可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移控制電動機，利用它能夠組成一個簡單實用全數(shù)字化伺服系統(tǒng)，而且不需要反饋步驟。概括起來它主要有以下特點。 ①步進電動機定子繞組每接收一個脈沖信號，控制其通電狀態(tài)改變一次，它轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一定角度，即步距角。 ②改變步進電動機定子繞組通電次序，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。 ③步進電動機定子繞組通電狀態(tài)改變頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，但脈沖頻率改變過快，會引發(fā)失步或過沖(即步進電機少走或多走)。 ④定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，故也稱之為脈沖電機。 ⑤有脈沖就走，無脈沖就停，角位移隨脈沖數(shù)增加而增加。 ⑥輸出轉(zhuǎn)角精度較高，通常只有相鄰誤差，但無累積誤差。 ⑦步距角 (5)步進電機驅(qū)動控制裝置主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大驅(qū)動電路兩大部分組成。 ①功率放大驅(qū)動電路。功率放大驅(qū)動電路完成由弱電到強電信號轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需具備一定功率電流脈沖信號。 步進電機對驅(qū)動電路要求主要有:能提供足夠幅值，前后沿很好勵磁電流;功耗小，變換效率高;能長時間穩(wěn)定可靠運行;成本低且易于維護。 ②脈沖分配器。脈沖分配器完成步進電機繞組中電流通斷次序控制，即控制插補輸出脈沖，按步進電機所要求通斷電次序規(guī)律分配給步進電機驅(qū)動電路各相輸入端。 脈沖分配有兩種方式:一個是硬件脈沖分配(或稱為脈沖分配器)，另一個是軟件脈沖分配，經(jīng)過計算機編程控制。 a.硬件脈沖分配。硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發(fā)器組成，提供符合步進電動機控制指令所需次序脈沖。 b.軟件脈沖分配。在計算機控制步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，能夠采取軟件方法實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。軟件環(huán)形分配器設(shè)計方法有很多，如查表法、比較法、移位法等，它們各有特點，其中慣用是查表法。 采取軟件進行脈沖分配即使增加了軟件編程復(fù)雜程度，但它省去了硬件環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)降低了器件，降低了成本，也提升了系統(tǒng)可靠性 c.速度控制。對于任何一個驅(qū)動系統(tǒng)來講，都要求能夠?qū)λ俣葘嵤┛刂?，尤其在?shù)控系統(tǒng)中，這種要求就更高。在開環(huán)進給系統(tǒng)中，對進給速度控制就是對步進電動機速度控制。 由前面步進電動機原理分析可知，經(jīng)過控制步進電動機相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間時間間隔即可實現(xiàn)步進電動機速度控制。對于硬件環(huán)形分配器來講，只要控制CP頻率就可控制步進電動機速度。對于軟件環(huán)形分配器來講，只要控制相鄰兩次輸出狀態(tài)之間時間間隔，也就是控制相鄰兩節(jié)拍之間延時時間長短。其中，實現(xiàn)延時方法又分為兩種:一個是純軟件延時;另一個是定時中止延時。 2.直流伺服電動機 (2)直流伺服電機分類 ①小慣量直流伺服電機。②大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機。③無刷直流伺服電機。 3.交流伺服電機及其速度控制 交流伺服電動機分為交流永磁式伺服電動機和交流感應(yīng)式伺服電動機。 (1)交流永磁式同時電機原理與特點。交流永磁式同時電機主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件三部分組成。 永磁式同時電機優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高;缺點是體積大、開啟難。 (2)交流伺服電機調(diào)速。 ①變頻器。對交流電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速裝置叫變頻器，其功效是將電網(wǎng)電壓提供恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電。變頻器有交流一交流變頻和交流一直流一交流變頻兩大類。交一交變頻器也稱作直接變頻器，是用晶閘管整流器將工頻交流電直接變成頻率較低脈動交流電，其正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，這個脈動交流電基波就是所需變頻電壓。交一直一交變頻器也稱作間接變頻器，是先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波動電壓，這個脈動交流電基波就是所需變頻電壓。這種方法取得交流電波動小，調(diào)頻范圍寬，調(diào)整線性度好。數(shù)控機床常采取這種方法。 SPWM變頻器，即正弦波脈寬調(diào)制變頻器，是現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛一個交一直一交變頻器，不但適合于交流永磁式伺服電動機，也適合于交流感應(yīng)式伺服電動機。SPWM變頻器采取正弦規(guī)律脈寬調(diào)制原理，其調(diào)制基本特點是等距、等幅，但不等寬。因其脈寬按正弦規(guī)律改變，具備功率因數(shù)高，輸出波形好等優(yōu)點，因而在交流調(diào)速系統(tǒng)中取得廣泛應(yīng)用。 ②三相SPWM原理。在直流電動機PWM調(diào)速系統(tǒng)中，PWM輸出電壓是由三角載波調(diào)制電壓得到。同理，在交流SPWM中，輸出電壓是由三角載波調(diào)制正弦電壓得到SPWM輸出電壓是幅值相等、寬度不等方波信號。其各脈沖面積與正弦波下面積成百分比，其脈寬基本上按正弦分布，其基波是等效正弦波。用這個輸出脈沖信號經(jīng)功率放大后作為交流伺服電動機相電壓(電流)。改變正弦基波頻率就能夠改變電機相電壓(電流)頻率，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速目標(biāo)。 ③三相SPWM變頻器主回路。SPWM調(diào)制波經(jīng)功率放大后才可驅(qū)動電機。 由SPWM調(diào)制原理可知，調(diào)制主回路功率器件在輸出電壓半周內(nèi)要數(shù)次開關(guān)，而器件本身開關(guān)能力與主回路結(jié)構(gòu)及其換流能力關(guān)于，所以開關(guān)頻率和調(diào)制度對SPWM調(diào)制有主要影響。 4.2.2液壓執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件是先將電能改變成液體壓力，并用電磁閥控制壓力油流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。液壓式執(zhí)行元件有直線式油缸、回轉(zhuǎn)式油缸、液壓電機等液壓執(zhí)行元件特點是輸出功率大、速度快、動作平穩(wěn)、可實現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)特征好和過載能力強。缺點是體積龐大、介質(zhì)要求高、易泄漏和污染環(huán)境。 1.液壓缸類型和特點 液壓缸是使負載作直線運動或小于3600擺動運動能量轉(zhuǎn)換裝置，它將液壓油機械能轉(zhuǎn)化為機械能形式輸出，它是整個液壓系統(tǒng)執(zhí)行部分。 液壓缸按結(jié)構(gòu)特點不一樣可分為活塞式、柱塞式和擺動式三類。按活塞桿形式分，可分為單活塞桿缸和雙活塞桿缸。按缸特殊用途分，可分為伸縮缸、串聯(lián)缸、增壓缸、增速缸、步進缸、齒條缸、定位缸等。 (1)活塞式液壓缸。活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式 雙桿活塞液壓缸活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式。前者工作臺移動范圍約等于活塞有效行程L三倍，慣用于中小型設(shè)備。后者工作臺移動范圍只約等于液壓缸行程L兩倍，慣用于大型設(shè)備。單桿活塞液壓缸活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運動能夠取得不一樣速度和輸出力。 差動連接是在不增加液壓泵容量和功率條件下，實現(xiàn)快速運動有效方法。 (2)柱塞式液壓缸。缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。柱塞式液壓缸是單作用，它回程需要借助自重或彈簧等其余外力來完成。假如要取得雙向運動，可將兩柱塞液壓缸成對使用。柱塞缸柱塞端面是受壓面，其面積大小決定了柱塞缸輸出速度和推力。為確保柱塞缸有足夠推力和穩(wěn)定性，通常柱塞較粗，質(zhì)量較大，水平安裝時易產(chǎn)生單邊磨損，故柱塞缸適宜于垂直安裝使用。為減輕柱塞質(zhì)量，有時制成空心柱塞。柱塞缸結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，慣用于工作行程較長場所。 (3)組合式液壓缸 ①伸縮缸。伸縮缸又稱多級缸，它由兩級或多級活塞缸套裝而成，前一級活塞缸活塞是后一級活塞缸缸筒。工作時外伸動作逐層進行，首先是最大直徑缸筒外伸，當(dāng)其達成行程終點時候，稍小直徑缸筒開始外伸，這么各級缸筒依次外伸。因為有效工作面積逐次減小，所以，當(dāng)輸入流量相同時，外伸速度逐次增大;當(dāng)負載恒定時，液壓缸工作壓力逐次增高?？蛰d縮回次序通常是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長度較短，結(jié)構(gòu)緊湊，適適用于安裝空間受到限制而行程要求很長場所。 ②齒條活塞缸。齒條活塞缸又稱無桿式液壓缸，它由帶有齒條桿雙活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)所組成?；钊鶑?fù)移動經(jīng)齒輪齒條機構(gòu)轉(zhuǎn)換成齒輪軸周期性往復(fù)轉(zhuǎn)動。它多用于自動生產(chǎn)線、組合機床等轉(zhuǎn)位或分度機構(gòu)中。 2.液壓電機 液壓電機是執(zhí)行元件。液壓電機和液壓泵一樣，都是依靠密封工作容積改變實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，都屬容積式，一樣具備配流機構(gòu)。液壓電機與液壓缸不一樣在于:液壓電機是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，輸出機械能形式是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;液壓缸是實現(xiàn)往復(fù)直線運動(或往復(fù)擺動)，輸出機械能形式是力和速度(或扭矩和角速度)。 (1)軸向柱塞式液壓電機。 (2)低速大轉(zhuǎn)矩液壓電機。 這種液壓電機優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但其缺點是體積和質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)矩脈動較大，低速穩(wěn)定性比多作用內(nèi)曲線式稍差。 (3)液壓電機性能及選取。高速小轉(zhuǎn)矩液壓電機多數(shù)需要配置減速機來帶動外負載。除軸向柱塞式液壓電機外，齒輪式和葉片式電機效率相對偏低，大多用于較小負載轉(zhuǎn)矩場所，若配置減速機構(gòu)輸出，效率較低。所以對于大轉(zhuǎn)矩負載，當(dāng)采取高速小轉(zhuǎn)矩電機時，慣用性能很好軸向柱塞電機配置減速機構(gòu)輸出。高速液壓電機大多有較高噪聲，且低速性能不佳，它與對應(yīng)泵具備相同原理和結(jié)構(gòu)。 齒輪液壓電機輸出轉(zhuǎn)矩小，泄漏大，但結(jié)構(gòu)簡單，價格廉價，可用于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩場所。葉片液壓電機慣性小，動作靈敏，但容積效率不夠高，機械特征軟，適適用于轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)矩不大而要求開啟換向頻繁場所。軸向柱塞液壓電機應(yīng)用廣泛，容積效率較高，調(diào)整范圍也較大，且穩(wěn)定轉(zhuǎn)速較低;但耐沖擊振動性較差，油液要求過濾清潔，價格也較高。要求低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，常采取徑向柱塞式液壓電機。 4.2.3氣壓執(zhí)行元件 氣壓執(zhí)行元件與液壓執(zhí)行元件原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。氣壓式執(zhí)行元件特點是介質(zhì)起源方便、成本低、速度快、無環(huán)境污染，但功率較小、動作不平穩(wěn)、有噪聲、難于伺服。同液壓執(zhí)行元件一樣，氣壓執(zhí)行元件也分成氣缸和氣動電機。 1.氣缸 氣缸是氣壓傳動系統(tǒng)中使用最多一個執(zhí)行元件，依照使用條件、場所不一樣，其結(jié)構(gòu)、形狀也有多個形式。 常見分類方法有按結(jié)構(gòu)分類、按缸徑分類、按緩沖形式分類、按驅(qū)動方式分類和按潤滑方式分類。其中最慣用是普通氣缸，即在缸筒內(nèi)只有一個活塞和一根活塞桿氣缸，主要有單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。單作用氣缸只在活塞一側(cè)通入壓縮空氣使其伸出或縮回，另一側(cè)是經(jīng)過呼吸孔開放在大氣中。這種氣缸只能在一個方向上做功?；钊聪騽幼鲃t靠一個復(fù)位彈簧或施加外力來實現(xiàn)。雙作用氣缸活塞往返運動是依靠壓縮空氣從缸內(nèi)被活塞分隔開兩個腔室(有桿腔、無桿腔)交替進入和排出來實現(xiàn)，壓縮空氣能夠在兩個方向上做功。 在機電設(shè)備中，最慣用一個氣缸是氣動手指(氣爪)，它能夠?qū)崿F(xiàn)各種抓取功效，是當(dāng)代氣動機械手中一個主要部件。氣動手指主要類型有平行手指氣缸、擺動手指氣缸、旋轉(zhuǎn)手指氣缸和三點手指氣缸等。 2.氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)比較 (1)空氣能夠從大氣中取之不竭且不易堵塞;將用過氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便;泄漏不會嚴(yán)重影響工作，不污染環(huán)境。 (2)空氣鉆性很小，在管路中沿程壓力損失為液壓系統(tǒng)千分之一，易于遠距離控制。 (3)工作壓力低，可降低對氣動元件材料和制造精度要求。 (4)對開環(huán)控制系統(tǒng)，它相對液壓傳動具備動作快速、響應(yīng)快優(yōu)點。 (5)維護簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題;適適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機械特殊要求。對于無油氣動控制系統(tǒng)則尤其適適用于無線電元器件生產(chǎn)過程，也適適用于食品和醫(yī)藥生產(chǎn)過程。 3.氣壓系統(tǒng)與電氣、液壓系統(tǒng)比較有以下缺點 (1)氣動裝置信號傳遞速度限制在聲速范圍之內(nèi)，所以它工作頻率和響應(yīng)速度遠不如電氣裝置，而且信號產(chǎn)生較大失真和延遲，也不便于組成十分復(fù)雜回路。但這個缺點對生產(chǎn)過程不會造成困難。 (2)空氣壓縮性遠大于液壓油收縮性，精度較低。 (3)氣壓傳動效率比液壓傳動還要低，且噪聲較大。4.3執(zhí)行元件功率驅(qū)動接口 在機電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件往往是功率較大機電設(shè)備，微機控制系統(tǒng)后向通道輸出控制信號(數(shù)字量或模擬量)需要經(jīng)過與執(zhí)行元件相關(guān)功率放大器才能對執(zhí)行元件進行驅(qū)動，進而實現(xiàn)對機電系統(tǒng)控制。在機電一體化系統(tǒng)中，功率放大器被稱為功率驅(qū)動接口，其主要功效是把微機系統(tǒng)后向通道輸出弱電控制信號轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動執(zhí)行元件動作具備一定電壓和電流強電功率信號或液壓氣動信號。 4.3.1功率驅(qū)動接口分類和組成形式 依照功率驅(qū)動接口選取功率器件，功率驅(qū)動接口可分為功率晶體管、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、功率場效應(yīng)管及專用功率驅(qū)動集成電路等多個類型。 依照控制方式，功率驅(qū)動接口分為鎖相傳動功率驅(qū)動接口、脈沖寬度調(diào)制型功率驅(qū)動接口、交流電動機調(diào)差調(diào)速功率驅(qū)動接口及變頻調(diào)速功率驅(qū)動接口等。 依照負載供電特征，功率驅(qū)動接口可分為直流輸出和交流輸出兩類，其中交流輸出功率驅(qū)動接口又分為單相交流輸出和三相交流輸出。 因為功率接口驅(qū)動級通常工作于高電壓大電流狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率較大或失控時大功率器件往往會燒毀而使系統(tǒng)失效，利用保護電路對大功率器件工作參數(shù)進行在線采樣，并反饋給控制器或信號預(yù)處理電路，使功率器件不致產(chǎn)生過流或過壓，并使功率輸出波形失真度降低到最低程度。 依照執(zhí)行元件類型，功率驅(qū)動接口可分為開關(guān)功率接口、直流電動機功率驅(qū)動接口、交流電動機功率驅(qū)動接口、伺服電動機功率驅(qū)動接口及步進電動機功率驅(qū)動接口等。其中開關(guān)功率驅(qū)動接口又包含繼電接觸器、電磁鐵及各類電磁閥等驅(qū)動接口。 4.3.2電力電子器件 傳統(tǒng)開關(guān)器件包含晶閘管(SGR、電力晶體管(CTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。伴隨半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)發(fā)展，相繼出現(xiàn)了絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)、場控晶閘管(MQT)等新型電力電子器件。 電力電子器件性能要求是大容量、高頻率、易驅(qū)動和低損耗。評價器件品質(zhì)原因主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。 開關(guān)器件分為晶閘管型和晶體管型，其共同特點是用正或負信號施加于門極上(或柵極或基極)來控制器件通與斷。 4.3.3開關(guān)型功率接口 在開關(guān)型功率接口中，微機輸出是開關(guān)量控制信號，執(zhí)行元件工作于低頻開關(guān)狀態(tài)，如電磁閥、電磁鐵、機器主電動機、電熱器件、電光器件等。這類接口通常采取晶閘管觸發(fā)驅(qū)動或繼電器電路切換方法。 1.晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路 晶閘管具備弱電控制，強電輸出特點。 單向晶閘管又稱可控硅整流器，其最大特點是有截止和導(dǎo)通兩個穩(wěn)定狀態(tài)(開關(guān)作用)，同時又具備單向?qū)щ娬髯饔谩＝?jīng)過它能夠用小功率信號控制大功率設(shè)備，所以在交直流電動機調(diào)速、調(diào)功、伺服控制及無觸點開關(guān)等方面都有廣泛應(yīng)用。 2.固態(tài)繼電器接口 固態(tài)繼電器SSR又稱固態(tài)開關(guān)，是一個以弱電信號控制強電開關(guān)無觸點開關(guān)器件它可用來代替各種繼電接觸控制器，實現(xiàn)功率設(shè)備無觸點、無火花、無噪聲、高速開關(guān)固態(tài)繼電器為一個四端組件，它內(nèi)部基本上由三個部分組成:輸入受控部分、光電藕合部分及輸出驅(qū)動部分。 3.繼電器型驅(qū)動接口 因為固態(tài)繼電器是經(jīng)過改變金屬觸點位置使動觸點與定觸點閉合或分開，所以具備接觸電阻小、流過電流大及耐高壓等優(yōu)點，但在動作可靠性上不及晶閘管。 繼電器有電壓線圈與電流線圈兩種工作類型，它們在本質(zhì)上是相同，都是在電能作用下產(chǎn)生一定磁勢，電壓繼電器電氣參數(shù)包含線圈電阻、電感或匝數(shù)、吸合電壓、釋放電壓和最大允許工作電壓。電流繼電器電氣參數(shù)包含線圈匝數(shù)、吸合電流和最大允許工作電流。 慣用繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，通慣用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動。在驅(qū)動多個繼電器系統(tǒng)中，宜采取功率驅(qū)動集成電路。 交流電磁式繼電器通慣用雙向晶閘管驅(qū)動或一個直流繼電器作為中間繼電器控制。 4.液壓輸入接口裝置 電液伺服閥是由電氣一機械轉(zhuǎn)換器和液壓放大器兩部分組成，閥輸入為小功率電流信號，輸出為大功率液壓信號。 電液百分比閥是在傳統(tǒng)液壓閥基礎(chǔ)上采取螺管式百分比電磁閥進行控制調(diào)整液壓閥，這種閥動態(tài)性能不及電液伺服閥，但卻具備抗污染能力強、可靠、節(jié)能、價廉等優(yōu)點。數(shù)字控制閥是利用數(shù)字信息直接控制液壓閥，可與微機直接相連，不需要D/A轉(zhuǎn)換。常見數(shù)字閥有采取脈寬調(diào)制原理控制高速開關(guān)型數(shù)字閥，以及用步進電機作D/A轉(zhuǎn)換器，用增量方式進行控制數(shù)字閥。單元五機電一體化控制及接口技術(shù)5.1控制技術(shù)概述 5.1.1機電一體化系統(tǒng)控制形式 機電一體化控制本質(zhì)上就是自動控制，機電一體化系統(tǒng)控制形式就是自動控制系統(tǒng)不一樣分類方式。自動控制是指在無人直接參加情況下，利用控制裝置，使被控對象被控量準(zhǔn)確地按照預(yù)期規(guī)律改變。自動控制理論是研究自動控制過程共同規(guī)律技術(shù)學(xué)科，是研究自動控制系統(tǒng)組成，進行系統(tǒng)分析設(shè)計通常性理論。依照它不一樣發(fā)展階段與內(nèi)容，可將其分為經(jīng)典控制理論、當(dāng)代控制理論及智能控制理論三個階段。 按照輸出量對控制作用影響不一樣，機電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1.開環(huán)系統(tǒng) 開環(huán)控制機電一體化系統(tǒng)是沒有反饋控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)輸入直接送給控制器，并經(jīng)過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。開環(huán)控制機電一體化系統(tǒng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便，缺點是精度較低，對輸出和干擾沒有診療能力。 2.閉環(huán)系統(tǒng) 閉環(huán)控制機電一體化系統(tǒng)輸出結(jié)果經(jīng)傳感器和反饋步驟與系統(tǒng)輸入信號比較產(chǎn)生輸出偏差，輸出偏差經(jīng)控制器處理再作用到受控對象，對輸出進行賠償，實現(xiàn)更高精度系統(tǒng)輸出。 5.1.2控制系統(tǒng)基本要求和通常設(shè)計方法 為了使被控量按照預(yù)定規(guī)律改變，對自動控制系統(tǒng)提出了穩(wěn)(穩(wěn)定性)、準(zhǔn)(準(zhǔn)確性)、快(快速性)基本要求。 穩(wěn)定性是確保控制系統(tǒng)正常工作先決條件，這是對控制系統(tǒng)一個基本要求。系統(tǒng)穩(wěn)定性有兩層含義:一是系統(tǒng)穩(wěn)定，叫做絕對穩(wěn)定性，通常所講穩(wěn)定性就是這個含義;另首先含義是輸出量振蕩強烈程度，稱為相對穩(wěn)定性。線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，與外部條件無關(guān)。 快速性是系統(tǒng)在穩(wěn)定條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能”。在實際控制系統(tǒng)中，不但要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求被控量能快速地按照輸入信號所要求形式改變，即要求系統(tǒng)具備一定響應(yīng)速度。 準(zhǔn)確性是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出(被控量)達成穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間靠近程度。除了要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快以外，還要求控制系統(tǒng)控制精度高。 “穩(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)(過渡過程)品質(zhì)。系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生原因是系統(tǒng)中儲能元件能量不可能突變?！皽?zhǔn)”是說明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))品質(zhì) 控制系統(tǒng)設(shè)計基本方法是把系統(tǒng)中各個步驟先抽象成數(shù)學(xué)模型進行分析和研究，不論具備何種量綱，都在模型中以相同形式表示，用相同方法分析，因而各步驟特征可按系統(tǒng)整體要求進行匹配和統(tǒng)籌設(shè)計 控制系統(tǒng)設(shè)計通?？砂聪旅嫠膫€步驟來進行 (1)準(zhǔn)備階段。對設(shè)計對象進行機理分析和理論分析，明確被控對象特點及要求;限定控制系統(tǒng)工作條件及環(huán)境，確定安全保護方法及等級;明確控制方案特殊要求;確定技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo);制訂試驗項目及指標(biāo)。 (2)理論設(shè)計。建立被控對象數(shù)學(xué)模型，把被控對象控制特征用數(shù)學(xué)表示式加以描述，作為控制方案選擇及控制器設(shè)計依據(jù);確定控制算法及控制器結(jié)構(gòu)，選擇中央處理單元、存放器等，主要硬、軟件設(shè)計以及各種接口選擇和設(shè)計;確定系統(tǒng)初步結(jié)構(gòu)及參數(shù)，進行系統(tǒng)性能分析、優(yōu)化 (3)設(shè)計實施。模塊組裝，系統(tǒng)仿真、測試 (4)設(shè)計定型。整理出設(shè)計圖樣、電子元器件明細表、系統(tǒng)操作程序及說明書、維修及故障診療說明書和使用說明書等，形成對應(yīng)技術(shù)文件。 5.1.3計算機控制系統(tǒng)組成及慣用類型 1.計算機控制系統(tǒng)組成 計算機控制系統(tǒng)就是采取計算機來實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)。 機電一體化系統(tǒng)中計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是指計算機本身及其外圍設(shè)備，通常包含中央處理器、內(nèi)存放器、磁盤驅(qū)動器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道以及各種顯示、統(tǒng)計設(shè)備、運行操作臺等。 計算機是整個控制系統(tǒng)關(guān)鍵。它接收從控制臺來命令，對系統(tǒng)各參數(shù)進行巡回檢測，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、計算和邏輯判斷、報警處理等，并依照計算結(jié)果經(jīng)過接口發(fā)出輸出命令。 接口與輸入/輸出(I/O)通道是計算機與被控對象進行信息交換橋梁。慣用I/O接口有并行接口和串行接口。因為計算機處理只能是數(shù)字量，而被控對象參數(shù)現(xiàn)有數(shù)字量又有模擬量，所以I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道之分。 計算機控制系統(tǒng)中最基本外部設(shè)備是操作臺。它是人機對話聯(lián)絡(luò)紐帶，操作人員可經(jīng)過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令;計算機可向操作人員顯示系統(tǒng)運行情況，發(fā)出報警信號。操作臺通常包含各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功效鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT示器等。 傳感器主要功效是將被檢測非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，變送器作用是將傳感器得到電信號轉(zhuǎn)變成適適用于計算機接口使用標(biāo)準(zhǔn)電信號(如0~10mADC)。計算機控制系統(tǒng)需要把各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃盘査偷接嬎銠C中，同時，也需要各種執(zhí)行機構(gòu)按計算機輸出命令去控制對象。慣用執(zhí)行機構(gòu)有各種電動、液動、氣動開關(guān)，電液伺服閥，交、直流電動機，步進電動機等。 軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具備各種功效計算機程序總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計算和自診療等功效程序。整個系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。從功效區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 2.計算機控制系統(tǒng)類型 因為微型計算機快速發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)大多采取計算機作為控制器，現(xiàn)在慣用有基于單片機、單板機、普通PC機、工業(yè)PC機和可編程序控制器(PLC)等多個類型控制系統(tǒng)。其中，因為PLC及單片機控制系統(tǒng)具備一系列優(yōu)點而被越來越多地應(yīng)用于機電一體化系統(tǒng)中。5.2可編程序控制器技術(shù)5.2.1PLC技術(shù)基礎(chǔ) 1.PLC分類 ①整體式(箱體式)。微型和小型PLC通常為整體式結(jié)構(gòu)。 ②組合式(機架模塊式)。 2.PLC硬件組成 (1)中央處理器。 (2)存放器。PLC存放器包含系統(tǒng)存放器和用戶存放器兩部分 (3)輸入單元。 (4)輸出單元。 (5)電源部分。 (6)I/0擴展端口。 (7)外設(shè)接口。 3.PLC工作原理 PLC工作方式采取不停循環(huán)次序掃描工作方式。每一次掃描所用時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令執(zhí)行開始，按次序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新一輪掃描。PLC就是這么周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描。 從輸入觸點閉合到輸出觸點閉合有一段時間延遲，我們通常把這段時間稱作I/O響應(yīng)時間。 通常來說，影響PLCI/O滯后現(xiàn)象原因主要有以下幾點。 ①PLC輸入電路中設(shè)置輸入濾波器對信號延遲作用; ②輸出繼電器通常都有機械滯后所引發(fā)動作延遲; ③PLC循環(huán)操作時，產(chǎn)生一個掃描周期滯后; ④用戶程序語句編排不妥也會影響輸入/輸出響應(yīng)時間。 (3)S7-200編程步驟。 ①對系統(tǒng)任務(wù)分塊; ②編制控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖; ③繪制各種電路圖; ④編制PLC程序并進行模擬調(diào)試; ⑤制作控制臺與控制柜; ⑥現(xiàn)場調(diào)試; ⑦編寫技術(shù)文件并現(xiàn)場試運行。5.3人機接口技術(shù) 人機接口是操作者與機電一體化系統(tǒng)(主要是控制微機)之間進行信息交換接口。按照信息傳遞方向，能夠分為兩大類:輸入接口與輸出接口。系統(tǒng)經(jīng)過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)、運行參數(shù)及結(jié)果等信息。另首先，操作者經(jīng)過輸入接口向系統(tǒng)輸入各種控制命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)運行進行控制，實現(xiàn)所要求完成任務(wù)。 5.3.1輸入接口技術(shù) 輸入口輸入設(shè)備數(shù)據(jù)，要經(jīng)過數(shù)據(jù)總線傳送給CPU，而CPU與存放器以及其余設(shè)備傳輸輸入/輸出數(shù)據(jù)，也要經(jīng)過這條數(shù)據(jù)總線分時地進行傳輸。所以，輸入口功效就是在只有CPU允許該輸入口進行數(shù)據(jù)輸入時，才未來自外設(shè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)總線上。 鍵盤是計算機中不可缺乏輸入設(shè)備，經(jīng)過它可實現(xiàn)人機對話，完成各種功效操作，鍵盤按其結(jié)構(gòu)形式，有非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種，前者用軟件來識別和產(chǎn)生代碼，后者則用硬件來識別。在單片機中普遍使用是非編碼鍵盤。。 1.獨立式鍵盤 在單片機系統(tǒng)中，與主機交換信息，有時并不需要復(fù)雜鍵盤，只要幾個簡單開關(guān)就能夠了。比如緊急停機按鈕、部件到位行程開關(guān)、變速開關(guān)等。假如系統(tǒng)裝備開關(guān)數(shù)量不多，能夠直接裝在接口上，這種連接鍵盤稱為獨立式鍵盤。 獨立式鍵盤能夠用查詢指令檢驗?zāi)辰涌谏祥_關(guān)是否按下。 2.矩陣式鍵盤 矩陣(行列)式鍵盤上鍵按行列組成矩陣，在行列交點上放置一個鍵，鍵實際上就是一個機械開關(guān)，被按下則其交點行線和列線接通。為了得到被按鍵鍵碼，有專門鍵識別方法。慣用有:①行掃描法;②線翻轉(zhuǎn)法;③利用8279鍵盤接口產(chǎn)生鍵盤中止。前兩種都要占用CPU大量時間，而后一個則會節(jié)約CPU時間。 (1)經(jīng)典行列式鍵盤識別方法。 ①測試有沒有鍵按下。②去抖動。③鍵掃描以確定按鍵物理位置。④計算鍵碼。⑤等候鍵釋放。 5.3.2輸出接口技術(shù) 從計算機輸出數(shù)據(jù)，要經(jīng)過輸出口傳輸給輸出設(shè)備，但在輸出口與實際輸出設(shè)備之間通常需要進行信號電平轉(zhuǎn)換，并需要對輸出數(shù)據(jù)傳輸時序進行控制。 1.LED數(shù)碼顯示器工作原理 (1)LED數(shù)碼顯示器結(jié)構(gòu)。 (2)LED數(shù)碼顯示器顯示段碼。 2.LED數(shù)碼顯示器接口及顯示方法 單片機與顯示器接口能夠用硬件為主和用軟件為主方法。所謂硬件為主就是用4位數(shù)據(jù)線而后用鎖存器、譯碼驅(qū)動器顯示一位十六進制字符。因為使用硬件較多，缺乏靈活性，所以慣用軟件查表來代替硬件譯碼，但這也需簡單硬件電路配合 (1)靜態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，是指每一位顯示器字段控制是獨立，每一位顯示器都需要配一個8位輸出口來輸出該字位七段碼。所以需要片外擴展CPU輸出口。 (2)動態(tài)顯示方式。動態(tài)顯示方式，又稱掃描顯示方式，也就是在某一時刻只讓一個字位處于選通狀態(tài)，其余字位一律斷開，同時在字段線上發(fā)出該位要顯示字段碼，這么在某一時刻，某一位數(shù)碼管就被點亮，并顯示出對應(yīng)字符。5.4機電接口技術(shù) 機電接口是指機電一體化產(chǎn)品中機械裝置與控制微機間接口。按照信息傳遞方向能夠?qū)C電接口分為信息采集接口(傳感器接口)與控制量輸出接口?？刂莆C經(jīng)過信息采集接口接收傳感器輸出信號，檢測機械系統(tǒng)運動參數(shù)，經(jīng)過運算處理后，發(fā)出關(guān)于控制信號，經(jīng)過控制輸出接口匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大、驅(qū)動執(zhí)行元件來調(diào)整機械系統(tǒng)運行狀態(tài)，使其按照要求動作。 5.4.1信息采集接口技術(shù) 1.信息采集接口任務(wù)與特點 2.信號采集通道中A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計 (1)A/D轉(zhuǎn)換器概述?，F(xiàn)在用得最多是雙積分式和逐次迫近式A/D轉(zhuǎn)換器。 ①分辨率與量化誤差②轉(zhuǎn)換精度。③轉(zhuǎn)換時間④量程:指所能轉(zhuǎn)換模擬電壓范圍，分為單極性和雙極性兩種。 (2)經(jīng)典A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。 5.4.2控制量輸出接口技術(shù) 1.控制輸出接口任務(wù)與特點 控制微機經(jīng)過信息采集接口檢測機械系統(tǒng)狀態(tài)，經(jīng)過運算處理。發(fā)出關(guān)于控制信號，經(jīng)過控制輸出接口匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動執(zhí)行元件去調(diào)整機械系統(tǒng)運行狀態(tài)，使其按設(shè)計要求運行。 依照執(zhí)行元件需要不一樣，控制接口任務(wù)也不一樣，對于交流電機變頻調(diào)速器，控制信號為0~5v電壓或4~20mA電流信號，則控制輸出接口必須進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換;對于交流接觸器等大功率器件，必須進行功率驅(qū)動。 2.控制量輸出接口中D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計 單片機模擬通道中輸出通道(也叫后向通道)，用于輸出控制系統(tǒng)需要驅(qū)動控制信號。通慣用D/A轉(zhuǎn)換作為輸出，通常也不需要光電隔離驅(qū)動，但有特殊需要，就要加光電藕合;另外一個方法是用脈沖寬度調(diào)制輸出(即PWM)經(jīng)低通濾波輸出，作為D/