机电一体化系统设计填空题文档

系统从广义上可以定义为两个货两个以上的事物组成的相互依存、相互作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。

机电一体化的涵义是机械与电子的集成技术。

机电一体化是微电子技术、信息技术的快速发展并向传统机械产品参透与融合的结果。

其核心学科是机械工程、电子工程、以及信息与控制技术。

4A革命是指：工厂自动化、办公自动化、家庭自动化以及社会服务自动化。

伺服系统又称作随动系统，它是一种反馈控制系统，它的受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度。

通过数字控制系统控制加工过程的机床称为数控机床。

数控系统是一种利用预先决定的指令控制一系列加工的系统。

工业机器人是另一类数控机器。

它是可编程自由度的，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具，或者其他装置，以实现给定的任务。

自动引导车（AGV）是另一种形式的移动工业机器人。

它能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方运送到另一个地方。

顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统。

在柔性制造系统（FMS）中，将计算机数控机床、工业机器人以及自动引导车连接起来，以适应加工成组产品。

计算机集成制造系统（CIMS）是指通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统，实现了全厂的自动化。

微机电系统（MEMS）是电子与机械元件相结合的微装置或系统，采用与集成电路（IC）兼容的批加工技术制造，尺寸可从毫米到微米量级范围内变化。

机械受控模块代表系统的机械结构，通常包含机械传动、支撑和支座等。

在机电一体化系统中机械受控模块又称为执行模块，其主要功能是承载、传递力和运动，如改变速度，远距离动作，力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。

测量模块的功能是采用有关系统状态和行为的信息，它由传感器、调理电路、变换电路等组成。

驱动模块是指由电动机及其驱动电路组成的技术模块。

广义的驱动模块通常有伺服放大器、电动机、机械传动装置以及功率源及被控对象等组成。

驱动模块在系统中的作用是驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生所希望的运动输出。

通信模块功能是传递信息，实现系统内部、外部，近程和运程通信。

实现方法有有线和无线两种。

微计算机模块在系统中负责处理有测量模块和接口模块提供的信息。

软件模块包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，它负责控制微计算机模块工作。

接口模块在系统内主要用于各级之间的信息传递。

对于任何一个机电一体化系统，设计依据和评价标准大体上应包括以下几个方面：1.系统功能、2.性能指标、3.使用条件、4.社会经济效益。

机电一体化产品设计中需要贯彻以下设计思想：整体系统的设计思想、机和电融合的设计思想和注重创新的设计思想。

机电一体化产品可贯穿以下设计思想来处理“机”与“电”的关系：替代机械系统、简化机械系统、增强机械系统、综合机械系统。

机电一体化系统设计过程包括以下内容：1.市场调研、需求分析和技术预测；2.概念设计；.可行性分析；4.编制设计任务书、5.初步设计—方案设计；6.方案设计评估与优化；7.详细设计和参数核算；8.完成全部设计文件。

机械传动主要有齿轮、蜗杆传动、丝杠螺母传动和谐波传动三种形式。

齿轮系经常用于伺服系统的减速增矩。

齿轮传动的总等效惯量随着传动级数增加而减小，但传动效率随着传动级数增加而降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。

为了消除齿轮副间隙通常采用刚性调整和柔性调整两种方法。

刚性调整法包括调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法及斜齿轮法。

柔性调整法主要是通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧啮合齿轮的两侧，以消除啮合间隙。

（拉簧消除间隙结构、压簧消除间隙结构）滚珠丝杠螺母副是一种高精度的传动装置。

它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有摩擦小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。

由于滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小，便于消除传动间隙等突出优点，它给机电一体化系统的性能改善带来了巨大的益处。

但是，它不能自锁，用于升降传动时需要另加锁紧装置，结构复杂、成本高，另外传动的距离和速度有限。

滚珠丝杠螺母副广泛用于闭环伺服控制系统中。

滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧方法主要有以下四种：双螺母齿差式、双螺母螺纹式、双螺母垫片式、单螺母变位导程自预紧式。

谐波齿轮传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，是由行星齿轮传动演变而来的。

（钢轮与柔轮的齿差为2）液体动压支承的工作原理是斜板承载机理。

若两平面之间的油液体成楔形，二者相对运动时将产生压力，从而可以承载。

差动技术：可消除零位输出和偶次非线性项，抵消共模误差，减小非线性。

平均技术：常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。

误差平均效应的原理是利用n个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。

闭环技术：将反馈控制技术与传感器相结合，可构成闭环测量系统。

电荷放大器的输出电压与压电传感器的电荷成正比，与反馈电容成反比，与引线电容和放大器的输入电容无关。

根据工作原理不同，电动机分为传统电磁电动机和基于逆压电效应的新型超声波电动机。

传统电磁电动机又分为固定变磁阻电动机和变磁阻电动机。

其中固定变磁阻电动机又分为直流电动机、永磁同步电动机以及交流感应电动机。

直流伺服电动机是一种受输入电信号控制，并作快速响应的电动机。

赌转转矩与控制电压成正比，转速随转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能立即停转。

机械特性硬度与电枢电压无关。

调节特性与横轴的交点为电动机的始动电压。

从原点到始动电压点的横坐标范围，被称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区。

失灵区的大小与电磁转矩的大小成正比。

直流伺服电动机通常可以近似为一阶惯性环节，其过渡过程的快慢主要取决于机电时间常数Tm。

为了加快系统响应速度，展宽系系统频带，必须设法减小Tm。

1.设计良好的机械系统，以减小等效转动惯量J；2.给电动机供电的电源内阻应尽可能小，以降低电枢回路的电阻R；3.附加速度负反馈，以加大等效的反电动势系数K。

直流电动机的驱动电路主要有线性直流功率放大器和PWN（脉冲宽度调制）功率放大器。

步进电动机又称脉冲电动机。

它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。

每输入一个脉冲，输出轴转动一步。

步进电动机与一般伺服电动机比较其特点是；可以实现直接数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会积累。

步进电动机按工作原理分为反应式、永磁式和混合式。

反应式步进电动机又称为变磁阻步进电动机。

特点：结构简单，启动和运行时频率较高。

缺点：消耗功率较大，断电时无定位转矩。

永磁式步进电动机的定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星永久磁钢。

优点：断电时有定位转矩，消耗功率较小。

缺点：步距角较大，起动和运行频率较低，并需证、负脉冲供电。

混合式步进电动机也叫永磁感应步进电动机。

优点：步距角较小，起动和运行频率较高，系哦啊好功率较低，断电时有定位转矩。

缺点：制造工艺较复杂。

对步进电动机驱动电路有如下要求：1.能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波尽量接近矩形；2.具有供截止期间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电动势，加快电流衰减；3.工耗尽量低，效率要高。

步进电动机的单级性驱动电路是最基本的驱动电路形式，功率晶体管的导通与关断又脉冲分配器产生的脉冲控制，从而使各相绕组的电流导通和截止。

单级性驱动电路适用于反应式步进电动机。

步进电动机的双级性驱动电路采用4只晶体管作为开关元件来控制相绕组电流的导通和截止，还可以控制相电流的风向。

双级性驱动电路适用于混合式或永磁式步进电动机。

脉冲分配器是步进电动机数控系统的重要组成部分。

它的作用是把输入脉冲按一定的逻辑关系转换为合适的脉冲序列，然后通过驱动器加到步进电动机的相绕组上，使步进电动机按一定的方式工作。

单脉冲方式：脉冲信号CP与方向信号DIR（电平信号）分开。

当DIR=0,每来一个CP脉冲，步进电动机正向转动一步；当DIR=1，每来一个CP脉冲，步进电动机反向转动一步。

双脉冲方式：用两路脉冲信号分别控制步进电动机的正反转。

一路为正向脉冲（CW），控制步进电动机正转；另一路为反向脉冲（CCW），控制步进电动机反转。

DDA法是指采用数字量（整数）表达加速度、速度计位置坐标，将加速度和速度到位置的积分表达式，采用求和的方法进行近似数值积分，从而产生增量式运动控制指令。

因为步进电动机的转速与输入脉冲CP的频率成正比，而方向与DIR有关。

DDA法在计算机中实现时，必须采用整型变量算法，因为整数运算速度快，可产生高速率参考脉冲。

闭环伺服系统是反馈控制系统，也是由控制器、受控对象、反馈测量装置以及比较器等部分组成。

反馈装置通常是位置传感器测量单元。

它测量输出量，并将其转换为电信号反馈到系统的输入端，这种反馈称为负反馈。

输入与反馈信号比较后的差值称为误差信号。

闭环伺服系统与开环伺服系统相比其优点有：精度高、动态性能好，对环境变化灵敏度低，以及抗干扰能力强等。

缺点是结构比较复杂，价格比较昂贵，不容易维修。

伺服系统中，当位置反馈传感器安装在伺服电动机轴上，用以间接测量工作台的位移时，这种测量的系统称为半闭环伺服系统。

其特点是：可以比避免传动机构非线性引起系统产生极限环和爬行振荡，比全闭环系统容易实现，可节省投资。

PID（比例、积分、微分）控制器是伺服系统中应用最广泛的一种控制器。

其中P的作用是开环增益，降低系统稳态误差，增加系统通频带宽，但是会使系统变得不稳定。

I的作用是使系统增加一阶纯积分，从而提高系统一个无静差度，但使系统相位裕量减小，稳定性变差。

D的作用是系统提供阻尼，增加稳定性，同时增加了高频增益，使系统的高频噪声放大，影响系统正常工作。

采样周期选择：准则1.若考虑对系统响应速度的影响，选择采样周期的一条良好的法则是：采样周期应小于或等于系统的最小时间常数；准则2.若考虑系统的抑制干扰能力，选择采样周期的另一条的法则是：采样速率应为闭环系统通频带宽的10倍以上。

按照所完成的控制任务不同，机器运动控制分为两大类；点位控制和连续路径控制。

点位控制是在容许加速度和速度的条件下，尽可能快地由原坐标位置运动到目的坐标位置，而对于两点之间的轨迹没有精度要求的。

连续路径控制包括直线运动控制和曲线运动控制。

这类运动控制对于轨迹上每一点坐标都具有一定的精度要求，不仅要求路径连续，而且要求速度连续。

机器人按照控制水平可分为三种不同的类型；第一类称为点位控制机器人，通常用于物料搬运作业，即在一个地点抓取物体，运输到另一地点放下。

它们可以在一些不同的编程位置停留，但是，无法确定编程点之间的具体路线轨迹。

这类机器人一般少于6个运动自由度。

第二类叫做连续路径控制机器人，主要用于喷漆和弧焊.第三类代表最高运动控制水平的所谓控制路径机器人。