机电一体化知识点

机电一体化知识点

一、机电一体化起源与定义：

在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。

机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。

典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、工程机械、汽车、智能化仪器仪表、CAD ／CAM系统等。

P26间隙的影响

三、机电一体化的目的（功能）

使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠性化、省材料化、省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活和生产的多样化需要和生产的省力化、自动化需要。

四、机电一体化发展概况

“萌芽阶段”“蓬勃发展阶段”“智能化阶段”

1 智能化、

2 模块化、

3 网络化、

4 微型化、5、绿色化、6、人格化

五、机电一体化系统的构成

1、执行元件（主功能）

实现机电一体化系统主功能。主功能是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。

主功能包括三个目的功能：

（1）变换（加工、处理）功能；

（2）传递（移动、输送）功能；

（3）储存（保存、存储、记录）功能2、机械本体（构造功能）

机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。

3、动力源(动力功能)

是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。

4、传感检测单元（计测功能）

对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测。要求：体积小、精度高、抗干扰

5、控制与信息处理单元（控制功能）

将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进

根据信息处理结果，控制整

各要素或子系统之间能顺利进行物质、能量和信息的传递和交换。

接口包括：电气接口—实现系统间电信号的连接。

机械接口—完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接。

人机接口—提供人与系统间的交互界面。

广义的接口功能有两种，一种是输入/输出；另一种是变换、调整。

控制信动力

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1、机电一体化机械系统的特殊要求（机械功能）(1）较高的定位精度

（2）良好的动态响应特性—响应快、稳定性好。(3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。

（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。

2、主要措施和手段

（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。

（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。

（3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨

率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。

（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误差。

（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。

（一）机械系统组成及功能

1、传动结构：主要功能是传递能量和运动，是一种力、速度变换器。

2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。

3、支承件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。

三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。

（二）常见的机械传动装置及功能

1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速；

2、它的实质是一种转矩、转速变换器；

3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。

4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。

（三）丝杠螺母机构基本传动形式

滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。

滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%）、传动精度高。

1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。

2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。

丝杠螺母传动的类型与特点

1)螺母固定、丝杆转动并移动2)丝杆转动、螺

母移动3)螺母转动、丝杆移动

4)丝杆固定、螺母转动并移动5）差动传动方式

(四)、滚动螺旋传动

1、滚珠丝杠副的组成及特点P48

（1）、滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当螺杆或螺母传动时，滚动沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。

（2）、滚珠丝杠结构组成

1-反向器2-螺母3-丝杠4-滚珠

（3）、滚珠丝杠的特点

优点：①传动效率高（0.9～0.95）；

②传动精度高；

③摩擦小、不易磨损，寿命长；

④运动的可逆性；

⑤结构复杂，工艺性差，成本高。

⑥轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)；

⑦运动平稳。

缺点：成本高，不能自锁，传动可逆，在用作升

降传动机构时，需要采取制动措施。

2、滚珠丝杠副的典型结构类型

滚珠丝杠副的结构类型可以从滚珠丝杠副的结构类型可以从①螺纹滚道的截面形状、②滚珠的循环方式和③消除轴向间隙的调整方法进行区别。

预紧方式

1）、单螺母变位导程预紧和单螺母滚珠过盈预紧式

2）、单螺母增大钢球直径预紧

3）、双螺母垫片预紧

4）、双螺母螺纹预紧调整式

5）、双螺母齿差预紧调整式

6）、弹簧式自动调整预紧式

滚珠丝杠副支承方式的选择

1）单推——单推式

结构：止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。

特点：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力

较大；

轴承寿命比双推一双推式低；2）双推一双推式

结构：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。

特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。3）双推——简支式

结构：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。

特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。

4）双推——自由式

结构与特点：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。———————————————————————————————————————在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。

得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻, 此时, 电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子, 达到了惯性负载和转矩的最佳匹配

传动链的级数和各级传动比的分配

【等效转动惯量最小原则

1）小功率传动装置

各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则

2) 大功率传动装置

传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。

【质量最小原则

1）小功率传动装置

2）大功率传动装置

各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。

【输出轴转角误差最小原则

各级传动比应按“先小后大”原则分配（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计。

（2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和

输出轴转角误差最小原则设计。

（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计。

谐波齿轮传动

优点：

①传动比大（单级传动比可达60～250）；

②承载能力强；

③传动精度高、回程误差小；

④传动效率高；

⑤体积小，重量轻；

⑥噪声低传动平稳；

⑦结构简单。

缺点：

对材料、加工、热处理要求把高，散热条件差，转动惯量大。

齿轮传动间隙的消除措施

1、圆柱齿轮传动

（a）偏心轴套调整法

（b）轴向垫片调整法（锥度齿轮调整法）（c）双片薄齿轮错齿调整法周向弹簧式（不用于功率驱动）周向可调拉簧式

2、斜齿轮传动齿侧隙的消除方法

（a）垫片调整法

（b）轴向压簧调整法

3、锥齿轮传动

（a）轴向压簧调整法

（b）轴向弹簧调整法

一、伺服系统的基本概念及一般组成

（一）伺服系统定义

伺服系统：以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为被控制量的一种自动控制系统。它在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能，实现机电一体化的驱动（操作）功能。

（二）一般组成

2、按其驱动方式

——电气伺服、气压伺服、液压伺服

3、按其被测控量的性质

——速度、位置、同步、扭矩控制等形式；

4、按其执行元件

——步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。

应用提示：开环系统的执行元件大多采用步进电

机、闭环和半闭环伺服系统的执行元件大多采用

直流伺服电机

三、机电一体化系统对其伺服系统的要求

1）快速性：

2）精确性：

3）稳定性：

P67步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的直线位移（或角位移）的数字/模拟变换器

一、步进电机的特点

1、输出转角与输入脉冲严格成正比，且在方向上与输入脉冲同步。每输入一个电脉冲，电机

就转动一个角度（步距角），当连续不断地输入脉冲，就一步一步不断转动。

若控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序可以控制电机转角、转速与转向（很容易用微机实现数字控制）。

2、输出转角的精度高，虽有（相邻）步距角误差，但无累积误差，有步距角误差，但转子转速转过一转以后，其（一转内）累积误差为“0”,不会长期积累。

3、可实现平滑无级调速。调速范围较宽。

4、步进电机的工作状态不易受各种干扰因素影响（如电压波动，负载变化，环境误差的影响），只要干扰因素不引起“丢步”，就不影响正常工作。

5、其它：启停时间短，一般在信号输入几毫秒后就使电动机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。

二、步进电机的种类

（一）按运动形式：有旋转式和直线步进电机；（二）从励磁相数分有（3、4、5、6相等）。（三）就常用的旋转式步进电机的转子结构来说可分为三种：

步距角

步距角越小，分辨力越高

步进电动机驱动系统原理示意图

（一）步进电机的环形分配器P70

（二）功率放大器

作用和定义：从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般比较小（只有几个毫安），不能直接驱动电动机，必须采用功率放大器将脉KPZ 0360=α）相数（）拍数（P K m =，

PKZ

f n 60=

冲信号放大，使其增大到能够驱动电动机运行（几至几十安培）。这种装置称为功率放大器

1、步进电机对放大器要求

①为步进电机绕组提供幅值足够，波形良好的脉冲电流（电流波形尽量接近矩形）。

②功耗低，效率高。

2、常见的驱动电路P76

（1）单电压驱动电路

（2）双电压驱动电路

（3）恒流源功率放大电路

（4）斩波恒流功率放大电路

（5）调频调压功放电路

直流伺服电动机种类与典型特点

种类：直流电动机有永磁式、它激式、串激式和并激式几种。永磁式和它激式直流电动机具有线性的机械特性，有良好的起动、制动和调速性能，特别适合伺服驱动。

直流电动机伺服驱动系统组成：包括直流电动机、位置或速度反馈装置、直流电源及控制驱动电路等几大部分。此处只对直流电动机的机械特性和动特性进行分析，以掌握直流电动机伺服驱动的原理及特点，以便在选择驱动类型时做出决

策

（1）调压调速

工作条件：

保持励磁

= N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程：

改变电压 UN

U U n

n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。

（2）调阻调速

工作条件：

保持励磁

= N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： n C I C C R C U C R I U n m a m e a e a e a a a -=?-=-=0φφφφφ特性曲线 特性曲线

增加电阻 Ra

R

R n

n0不变；

调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。

（3）调磁调速

工作条件：

保持电压 U =UN ；

保持电阻 R = R a ；

调节过程：

减小励磁

N

n n0 调速特性：

转速上升，机械特性曲线变软。

调磁调速特性曲线

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大

自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。 T e T L N 1 2 3