機(jī)電一體化習(xí)題課課件

作業(yè)題1.什么是機(jī)電一體化？機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素有哪些？定義：“機(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置。”即把機(jī)械部分和電子部分各作為一個(gè)環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在一個(gè)“系統(tǒng)”之中。為了使系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化，應(yīng)該使構(gòu)成系統(tǒng)的所有硬件采取最佳組合方式。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素答：機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素有：結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、智能組成要素五個(gè)要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間，通過接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)流動(dòng)、信息控制、能量轉(zhuǎn)換有機(jī)融合集成一個(gè)完整系統(tǒng)。包括機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分五大部分。機(jī)械本體——系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、聯(lián)接等。動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分——在控制信息作用下，提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)——根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動(dòng)作。傳感測試部分——對系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，變成可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠帧獙碜愿鱾鞲衅鞯臋z測信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。2.簡要敘述機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)和伺服傳動(dòng)技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)。

機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)——機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)——信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策，實(shí)現(xiàn)信息處理的工具是計(jì)算機(jī)，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，數(shù)據(jù)技術(shù)等。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)信息處理部分指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)技術(shù)——以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，以功能單元為子系統(tǒng)進(jìn)行二次分解，生成功能更為單一和具體的子功能單元。這些子功能單元同樣可繼續(xù)逐層分解，直到能夠找出一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案。接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。自動(dòng)控制技術(shù)——范圍很廣，主要包括：基本控制理論，在此理論指導(dǎo)下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。

傳感與檢測技術(shù)——關(guān)鍵元件是傳感器。與信息系統(tǒng)的輸入端相聯(lián)并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。伺服傳動(dòng)技術(shù)——直接執(zhí)行操作的技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置或部件，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。滾珠絲杠副新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)元件——滾珠，當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。為防止?jié)L珠從螺紋滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通路。滾動(dòng)絲杠副特點(diǎn)①傳動(dòng)效率高。90%-95%②運(yùn)動(dòng)具有可逆性。正逆效率基本一樣③系統(tǒng)剛度好。能預(yù)緊，無爬行④傳動(dòng)精度高。制造精度高⑦工藝復(fù)雜。成本高⑥不能自鎖。因重力而下滑⑤使用壽命長。磨損小，比滑動(dòng)高5-6倍同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)是綜合了帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)特點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，如圖所示。帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應(yīng)齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。與一般帶傳動(dòng)相比較，同步帶傳動(dòng)具有如下特點(diǎn)：同步帶傳動(dòng)特點(diǎn)①能方便地實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動(dòng)；②工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)；③不需要潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護(hù)保養(yǎng)方便；④強(qiáng)度高，厚度小，重量輕；⑤中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高；⑥制造工藝復(fù)雜，成本高。諧波齒輪傳動(dòng)工作原理主要組成元件工作過程實(shí)用產(chǎn)品工作波形諧波齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)①傳動(dòng)比大。單級50-5000,最高可達(dá)30000以上②承載能力大。同時(shí)嚙合齒數(shù)有30%--40%③傳動(dòng)精度高。嚙合齒數(shù)多，誤差均化④可以向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。⑤傳動(dòng)平穩(wěn)。無沖擊振動(dòng)⑥傳動(dòng)效率高。單級在69%-96%⑦結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。諧波齒輪傳動(dòng)用于機(jī)器人、雷達(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡、電子儀器、儀表等的大傳動(dòng)比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中缺點(diǎn)①柔輪和波發(fā)生器制造復(fù)雜。②傳動(dòng)比下限值較高。③不能做成交叉軸和相交軸的結(jié)構(gòu)。5.如何消除滾珠絲杠副的軸向間隙？雙螺母預(yù)緊（F預(yù)〈Fmax/3）。常用的消除軸向間隙的方法有以下幾種：雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)隙式。雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)隙式。雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)隙式。彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式。分析計(jì)算題如圖已知齒輪1的齒數(shù)Z1=25，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.0003Kg.m2，齒輪2的齒數(shù)Z2=50，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=0.0048Kg.m2，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3=0.003Kg.m2，絲杠螺距P=10mm，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=0.0016Kg.m2,工作臺質(zhì)量m=100Kg,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總效率為0.8,工作臺與導(dǎo)軌面的摩擦系數(shù)為0.02,不考慮切削阻力,電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速500r/min的啟動(dòng)加速時(shí)間為50ms。試求此系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效力矩電機(jī)工作臺mZ1J1Z2J2J3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算系統(tǒng)由有m個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)件和n個(gè)移動(dòng)件組成，等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：式中：Ji為第i個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2

）；ni為其轉(zhuǎn)速；nk為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；vj為第j個(gè)移動(dòng)件的移動(dòng)速度（m/min）；mj為其質(zhì)量（Kg）由題意已知，有齒輪1，2，絲杠三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)件，工作臺一個(gè)移動(dòng)件。而且已知各自的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.0003Kg.m2，齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=0.0048Kg.m2，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3=0.003Kg.m2。由齒輪1的齒數(shù)Z1=25，齒輪2的齒數(shù)Z2=50，可以得到總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(2)加速力矩Ta阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5(N)等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M)齒輪減速機(jī)構(gòu)級數(shù)越多，等效力矩越小。分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機(jī)理。兩種特性利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾。輸入端為高電平，使二極管發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，從輸出端輸出高電平；輸入端為低電平，使二極管截止，使光敏三極管截止，從輸出端輸出低電平。作用機(jī)理輸入端和輸出端沒有直接的電的耦合（沒有公共的電源端和地端），而是靠光來耦合，其傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。

簡述數(shù)字量輸出通道的功能及其常用的輸出驅(qū)動(dòng)電路。功能把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號。常用的輸出驅(qū)動(dòng)電路三極管輸出驅(qū)動(dòng)電路、繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路等。對比分析說明三極管輸出驅(qū)動(dòng)與繼電器輸出驅(qū)動(dòng)的異同點(diǎn)。使用場合：

低壓小電流開關(guān)量

輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。（一）三極管驅(qū)動(dòng)電路CPU數(shù)據(jù)線D＝“0”，經(jīng)反相器后變?yōu)椤?”，三極管導(dǎo)通。經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di＝“1”時(shí)，經(jīng)7406反相驅(qū)動(dòng)器變?yōu)椤?”，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，從而驅(qū)動(dòng)大型負(fù)荷設(shè)備。由于繼電器線圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路突然關(guān)斷時(shí)，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管，為電感線圈提供一個(gè)電流泄放回路。（二）.繼電器驅(qū)動(dòng)電路相同點(diǎn)：數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)電路，靠數(shù)字量進(jìn)行開關(guān)控制。不同點(diǎn)：適用場合不一樣三極管：低壓小電流場合繼電器：弱電控制強(qiáng)電，驅(qū)動(dòng)電路的控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。需要續(xù)流回路。1.晶閘管驅(qū)動(dòng)電路圖3-36雙向晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”時(shí)，經(jīng)7406反相變?yōu)榈碗娖剑怦疃O管導(dǎo)通，使光敏晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。續(xù)續(xù)續(xù)對比分析說明晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)與固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路的異同點(diǎn)。2固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路Di=“0”時(shí)，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導(dǎo)通,SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。圖3-38固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路相同點(diǎn)：數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)電路，靠數(shù)字量進(jìn)行開關(guān)控制；無觸點(diǎn)開關(guān)；弱電控制強(qiáng)電（小功率驅(qū)動(dòng)大功率）不同點(diǎn)：晶閘管不適宜與CPU直接相連，在實(shí)際使用時(shí)要采用隔離措施。固態(tài)繼電器本身帶有光電耦合電路，不需要采用隔離措施，而且其輸出驅(qū)動(dòng)電路中要考慮增加阻容吸收組件，進(jìn)行過電壓和過電流保護(hù)。功率接口器件的區(qū)別繼電器：頻率低，過載能力強(qiáng)，有隔離干擾作用，但本身容易產(chǎn)生火花；適用于高電壓大電流負(fù)載，不能與CPU直接相連，需要加隔離措施大功率三極管，晶閘管：頻率高，過載容易損壞，容易對周圍產(chǎn)生干擾；大功率三極管適用于低電壓小電流的負(fù)載，晶閘管適用于高電壓大電流負(fù)載，不能與CPU直接相連，需要加隔離措施固態(tài)繼電器：頻率高，抗干擾能力強(qiáng)，體積大。適用于高電壓大電流負(fù)載。

串模干擾是指迭加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。

對串模干擾的抑制較為困難，因?yàn)楦蓴_Un直接與信號Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。一、串模干擾的抑制何謂串模干擾？何謂共模干擾？分別說明抑制其干擾的主要措施。

共模干擾是指控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓。共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。共模干擾電壓的抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離兩個(gè)地之間的電聯(lián)系，以及采用被測信號的雙端差動(dòng)輸入方式。變壓器隔離光電隔離浮地屏蔽二、共模干擾的抑制1．變壓器隔離利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計(jì)算機(jī)的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。

圖3-70變壓器隔離2．光電隔離最常用。在數(shù)字信號通道中進(jìn)行隔離。主要用在模擬量輸入輸出通道中，即在A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號之間插入光耦隔離器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)信號和控制信號的耦合傳送

圖3-71光電隔離器的數(shù)字信號隔離浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少，從而抑制了共模干擾的來源，使共模干擾降至很低，圖3-73給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。3．浮地屏蔽（a）原理框圖（b）等效電路圖3-73浮地輸入雙層屏蔽放大電路畫圖說明光柵莫爾條紋的形成原理，并簡述其主要優(yōu)點(diǎn)。將標(biāo)尺光柵和指示光柵重疊在一起，并使它們的刻線之間形成一個(gè)很小的交角，如圖4-7所示，由于遮光效應(yīng)，在黑色光柵相交處，刻線聚集較密，形成暗帶；其他地方刻線較稀，形成亮帶。這種在光柵垂直方向上出現(xiàn)的明暗相間的條紋就稱為莫爾條紋。圖4-7莫爾條紋形成原理莫爾條紋的優(yōu)點(diǎn)在平行光照射下,透過莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)；放大作用：B=w/sinθ，當(dāng)θ很小時(shí),B=w/θ；平均效應(yīng)：莫爾條紋是由若干條線紋共同干涉形成的，對個(gè)別光柵線紋之間的誤差具有平均效應(yīng)，能消除柵距不均勻所造成的影響；移動(dòng)規(guī)律：光柵相對移動(dòng)一個(gè)w，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)B，當(dāng)光柵移動(dòng)方向變化時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也變化；第5章作業(yè)5－25－35－45－5該作業(yè)請于下周一上午12：00之前交其到KJ226在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，什么叫三相單三拍運(yùn)行，三相雙三拍運(yùn)行；它們各有何特點(diǎn)？將一相通電一次的操