機電一體化系統設計,機電一體化構成要素,目錄,緒論機械系統設計傳感檢測系統設計控制電動機及其選擇計算工業控制計算機及接口設計應用舉例,緒論,第一節機電一體化概念一、機電一體化概念Mechatronics=Mechanics+Electronics機械工程和電子工程相結合的技術，以及應用這些技術的機械電子裝置（產品）。,二、機電一體化產品,錄像機,數控機床、機器人、自動生產設備生產用機電一體化產品柔性生產單元、自動組合生產單元FMS、無人化工廠、CIMS微機控制汽車、機車等交通運輸工具運輸、包裝及工程用機電一體化產品數控包裝機械及系統數控運輸機械及工程機械設備自動倉庫儲存、銷售用機電一體化產品自動空調與制冷系統及設備自動稱量、分選、銷售及現金處理系統自動化辦公設備社會服務性機電一體化產品動力、醫療、環保及公共服務自動化設備文教、體育、娛樂用機電一體化產品微機或數控型耐用消費品家庭用機電一體化產品炊事自動化機械家庭用信息、服務設備測試設備科研及過程控制用機電一體化產品控制設備信息處理系統農、林、牧、漁及其它民用機電一體化產品航空、航天、國防用武器裝備等機電一體化產品,三、機電一體化產品的表現形式,1.機械的電子化（1）在原有機械系統的基礎上采用微型計算機控制裝置，使系統的性能提高，功能增強。例如，模糊控制洗衣機能根據衣物的潔凈度自動控制洗滌過程，從而實現節水、節電、節時、節洗衣粉的功能；機床的數控化是另一個典型的例子。（2）用電子裝置局部替代機械傳動裝置和機械控制裝置，簡化結構，增強控制靈活性。例如，數控機床的進給系統采用伺服系統，簡化了傳動鏈，提高了進給系統的動態性能；將傳統電機的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機，具有性能可靠、結構簡單、尺寸減小等優點。（3）用電子裝置完全替代原來執行信息處理功能的機構，既減化了結構，又極大地豐富了信息傳輸的內容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。（4）用電子裝置替代機械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機床、線切割加工機床、激光加工機床等。2.機電技術完全融合形成新型機電一體化產品生產機械中的激光快速成形機；信息機械中的傳真機、打印機、復印機；檢測機械中的CT（計算機斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。,C650臥式車床外形圖1主軸變速箱2溜板與刀架3尾座4床身5絲杠6光杠7溜板箱8進給箱9掛輪箱,效益分析,第二節機電一體化構成要素及相關技術一、構成要素,二、相關技術,機械技術機電一體化的機械產品與傳統的機械產品的區別在于：機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優越。現代機械要求具有更新穎的結構、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態性能更好。在設計和制造機械系統時除了考慮靜態、動態剛度及熱變形等問題外，還應考慮采用新型復合材料和新型結構以及新型的制造工藝和工藝裝置。2.傳感檢測技術傳感檢測技術的內容，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學量和生物量等）轉換為與之成比例的電量；二是研究對轉換的電信號的加工處理，如放大、補償、標度變換等。機電一體化系統要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠的獲取信息,3信息處理技術實現信息處理的主要工具是計算機，計算機技術包括計算機的軟件技術、硬件技術、網絡與通訊技術和數據技術。機電一體化系統中主要采用工業控制機（包括可編程控制器，單、多回路調節器，單片微控制器，總線式工業控制機，分布式計算機測控系統）進行信息處理。信息處理的發展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術的范疇。4自動控制技術自動控制所依據的理論是自動控制原理（包括經典控制理論和現代控制理論），自動控制技術就是在此理論的指導下對具體控制裝置或控制系統進行設計；設計后進行系統仿真，現場調試；最后使研制的系統可靠地投入運行。機電一體化系統中的自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、最優控制、自適應控制以及模糊控制、神經網絡控制等。5伺服傳動技術伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置常見的伺服驅動系統主要有電氣伺服（如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等）和液壓伺服（如液壓馬達、脈沖油缸等）兩類。6系統總體技術機電一體化系統是一個技術綜合體，它利用系統總體技術將各有關技術協調配合、綜合運用而達到整體系統的最佳化。,三、學科構成,四、機電一體化系統設計方法,1.取代法取代法就是用電氣控制取代原系統中的機械控制機構。該方法是改造舊產品、開發新產品或對原系統進行技術改造常用的方法,也是改造傳統機械產品的常用方法。,2.整體設計法整體設計法主要用于新產品的開發設計。在設計時完全從系統的整體目標出發,考慮各子系統的設計。3.組合法組合法就是選用各種標準功能模塊組合設計成機電一體化系統。例如,設計一臺數控機床,可以依據機床的性能要求,通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅動單元、位移和速度測試單元及主軸、導軌、刀架、傳動系統等產品的評估分析,研究各單元間接口關系和各單元對整機性能的影響,通過優化設計確定機床的結構組成。,第三節機電一體化發展方向,一、機電一體化特點1、體積小，重量輕2、速度快，精度高3、可靠性高4、柔性好二、發展方向1、復合化2、小型化，輕量化3、高速化4、移動化5、智能化6、層次化和系統化7、全盤化總之，性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向發展；功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發展;層次上：向系統化、復合集成化方向發展。,機械系統設計,機械系統是機電一體化系統的最基本要素，主要包括執行機構、傳動機構和支承部件。機械的主要功能是完成機械運動，一部機器必須完成相互協調的若干機械運動。每個機械運動可由單獨的控制電機、傳動件和執行機構組成的若干個子系統來完成，若干個機械運動由計算機來協調與控制。第一節機械傳動系統的特性一、機電一體化對機械傳動的要求1、高精度2、快速響應3、良好的穩定性二、機械傳動系統的特性轉動慣量小摩擦小阻尼合適剛度大抗振性能好間隙小轉動慣量大會是機械負載增大、系統響應性能變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易諧振。同時，使電氣驅動部件諧振頻率降低，阻尼增大。阻尼越大，最大振幅越小，衰減越快。但定位精度降低，易產生爬行；穩態誤差大，精度降低。剛度大，失動量小。提高剛度可增加閉環系統的穩定性。,第二節機械傳動裝置,1齒輪2同步齒形帶傳動3滾珠絲杠4滾珠花鍵5諧波齒輪減速器,提高傳動精度的結構措施,提高傳動精度的結構措施有：(1)適當提高零部件本身的精度；(2)合理設計傳動鏈，減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響3)采用消隙機構以減少或消除空程。合理設計傳動鏈方法(1)合理選擇傳動型式(2)合理確定級數和分配各級傳動比(3)合理布置傳動鏈,合理確定級數和分配各級傳動比,合理布置傳動鏈,齒輪傳動間隙的消除措施由于數控設備進給系統經常處于自動變向狀態，反向時如果驅動鏈中的齒輪等傳動副存在間隙，就會使進給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅動精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙，以提高數控設備進給系統的驅動精度。1.圓柱齒輪傳動(1)雙片薄齒輪錯齒法,(2)偏心軸套調整法,電機1是通過偏心軸套2裝到殼體上，通過轉動偏心軸套的轉角，就能夠方便地調整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除了圓柱齒輪正、反轉時的齒側隙。,(3)錐度齒輪調整法,在加工齒輪1和2時，將假想的分度圓柱面改變成帶有小錐度的圓錐面，使其齒厚在齒輪的軸向稍有變化（其外形類似于插齒刀）。裝配時只要改變墊片3的厚度就能調整兩個齒輪的軸向相對位置，從而消除了齒側間隙。,2.斜齒輪傳動,圖7-29是墊片錯齒調整法，薄片齒輪由平鍵和軸連接，互相不能相對回轉。斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工。裝配時，將墊片厚度增加或減少t，然后再用螺母擰緊。這時兩齒輪的螺旋線就產生了錯位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。,軸向壓簧錯齒調整法，,其特點是齒側隙可以自動補償，但軸向尺寸較大，結構不緊湊。,同步齒形帶傳動,同步齒形帶傳動，是一種新型的帶傳動，如圖所示，它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動運動和動力，因而兼有帶傳動，齒輪傳動及鏈傳動的優點，即無相對滑動，平均傳動比準確，傳動精度高，而且齒形帶的強度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；齒型帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承等上的載荷小，傳動效率高，在數控機械上亦有應用。,絲杠螺母機構傳動形式與特點,（1）絲杠螺母機構的主要構成絲杠、絲杠螺母和減摩介質或滾動體（回珠裝置）。功能：實現旋轉運動與直線運動之間相互轉換或調整。作用：用于機構之間能量的傳遞和運動形式的傳遞。分類：滑動和滾動絲杠螺母機構。,（2）絲杠螺母機構傳遞運動的基本條件,1）滑動絲杠螺母機構傳遞運動基本條件：應有足夠的滑移間隙和充分地潤滑，熱脹冷縮補償空間；因而，存在一定的空回間隙。,絲杠螺母傳動的類型與特點,絲杠螺母機構差動傳動的工作原理,滾珠絲杠螺母副機構,（1）滾珠絲杠副的工作原理及特點滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構，它的結構特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦，如圖所示。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內裝有滾珠。當絲杠回轉時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止滾珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使滾珠能循環流動。,2）滾珠絲杠螺母機構傳遞運動的基本條件：應有足夠的潤滑儲油空間和熱脹冷縮彈性補償能力，可實現無間隙工作；因而，存在一定的表面應力；為了實現連續運轉，需一滾珠的回珠裝置（內或外）。,滾珠絲杠副的特點,1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率0.920.96，比常規的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當于常規的絲杠螺母副的1/41/3。2）給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空行程死區，定位精度高，剛度好。3）運動平穩，無爬行現象，傳動精度高。4）運動具有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。5）磨損小，使用壽命長。6）制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。,（3）滾珠絲杠副的典型結構類型,主要按螺紋滾道截面形狀、滾珠的循環方式、消除軸向間隙的調整與預緊方式三種形式進行分類。1）按螺紋滾道截面形狀分類：分單圓弧型和雙圓弧型兩類。,單圓弧滾道和雙圓弧滾道的結構特點,單圓弧滾道：結構簡單，傳遞精度由加工質量保證，軸向間隙小，無軸向間隙調整和預緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。雙圓弧滾道：結構簡單，存在軸向間隙，加工質量易于保證，在使用雙螺母結構的條件下，具有軸向間隙調整和預緊能力，傳遞精度高。,2）按滾珠的循環方式分類：內循環方式和外循環方式兩類。a）內循環方式,浮動式反向器內循環方式,b）外循環方式,端蓋式外循環插管式外循環,3）消除軸向間隙的調整與預緊方式,無論是滑動絲杠還是滾動絲杠傳動，由于在結構上均存在一定的軸向間隙，以及磨損間隙的存在，為了保證運動傳遞的連續性和可靠性，消除軸向間隙并實施一定預緊，有利于提高絲杠的傳遞精度和一定的承載能力。消除和減小絲杠軸向間隙的主要方法：主要分為雙螺母螺紋預緊調整、雙螺母墊片式預緊調整、雙螺母齒差式預緊調整、彈簧式自動預緊調整、單螺母變導程預緊調整四種方式。,滾珠絲杠的間隙調整與預緊,滾珠絲杠副的潤滑與密封,潤滑：主要有脂潤滑和滴油潤滑。密封：接觸式密封（動或靜密封）和非接觸式密封（迷宮式密封）。防塵與防護：折疊式防塵套、伸縮式防塵套、伸縮擋板防塵裝置等。,（6）滾珠絲杠副的選擇方法,1）滾珠絲杠副結構形式確定依據預緊條件和防塵條件決定滾珠絲杠副的結構形式。單圓弧螺紋滾道的單螺母絲杠副以動力傳動為主，允許傳動存在一定間隙，且垂直安裝。常用在高精度壓力設備上（導向精度由導軌保證）。單圓弧螺紋滾道的雙螺母絲杠副主要用在傳遞輕載荷、對傳遞動力的平穩性和絲桿剛度要求比高（預緊力較小）的小型設備上。,滾珠絲杠副基本結構尺寸的選擇,主要依據滾珠絲杠副傳遞的最大載荷、運動特性（傳遞速度）和范圍（有效行程）、傳遞精度要求，選定滾珠絲杠副的公稱直徑、基本導程以及傳遞精度等級。,滾珠絲杠副的標注方法,循環方式預緊方式公稱直徑基本導程負荷滾珠總圈數精度等級螺紋旋向浮動式F雙螺母齒差預緊C內循環雙螺母墊片預緊D固定式G預緊方式雙螺母螺紋預緊L單螺母變導程自預緊B插管式C外循環螺旋槽式L螺旋旋向為左、右旋，只標左旋代號為LH，右旋不標。例CTC63103.53.5/20001600表示為插管突出式外循環（CT），雙螺母齒差預緊（C）的滾珠絲杠副，公稱直徑63mm，基本導程10mm，負荷滾珠總圈數3.5圈，精度等級3.5級，螺紋旋向為右旋，絲杠全長為2000mm，螺紋長度為1600mm。,滾珠絲杠副的選擇設計驗算步驟,依據最大工作載荷(N)或平均工作載荷(N)作用下的使用壽命T(h)、絲桿有效工作行程(mm)、絲杠轉速(r/min)或平均轉速(r/min)、滾道硬度HRC以及工況等實際工作條件，進行一系列的驗算。承載能力計算與滾珠絲杠副型號選擇在最大靜載荷和動載荷條件下，進行彎曲強度、接觸應力強度、疲勞強度等驗算，綜合決定選擇滾珠絲杠副型號。壓桿穩定性驗算或校核壓桿穩定性驗算或校的基本要求是不影響滾珠絲杠副的精度和變形附加載荷產生的摩擦阻力超過極限值。剛度驗算結構剛度（支承方式相關）和接觸剛度（導軌滾道）。*由此才能完成滾珠絲杠副的選擇設計工作。,3）諧波齒輪傳動,工作原理,主要組成元件,工作過程,實用產品,諧波齒輪傳動過程,諧波齒輪傳動的傳動比,同步齒形帶傳動,同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優點的傳動零件。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優點的傳動零件。,同步帶傳動的優缺點：工作時無滑動，有準確的傳動比傳動效率高，節能效果好傳動比范圍大，結構緊湊維護保養方便，運轉費用低惡劣環境條件下仍能正常工作,同步帶傳動與類型,導向支承部件的選擇與設計,導軌支承部件的作用：支承和限制運動部件按給定運動規律要求和規定運動方向作直線或回轉運動。1導軌副的組成、種類及應滿足要求組成：主要由定導軌、動導軌、輔助導軌、間隙調整元件以及工作介質/元件等組成。（1）導軌副的種類按運動方式可分為：直線運動導軌、回轉運動導軌。按接觸表面的摩擦性質可分為：滑動導軌、滾動導軌、流體介質摩擦導軌等。,（2）常見導軌副的結構形式,導軌副的結構形式是多種多樣的，依據不同的要求可設計或選用不同形式的導軌副。常見導軌副的結構形式如下。,（3）導軌副應滿足的基本要求,基本要求：導向精度高、剛性好、運動輕便平穩、耐磨性好，熱溫變形小以及結構工藝性好等。在高精度導軌副中，可采用卸荷裝置等方法減小導軌面的承載載荷，提高導向精度。1）導向精度要求及影響因素導向精度（要求）：指動導軌沿給定方向作直線運動時應保證的準確程度，主要是指動導軌沿支承導軌運動的直線度或圓度。,因此，在設計或選用導軌副時，重點考慮影響導向精度的主要因素有：,導軌結構類型。導向精度（直線度）和接觸精度（平面度和接觸面積）。導軌運動配合精度（間隙）。油膜厚度和油膜剛度。導軌和機架的結構剛度和接觸剛度。導軌和機架的熱變形（熱敏感性）。裝配質量以及液體動壓和靜壓導軌的油膜厚度、油膜剛度等。,2）導軌的剛度要求,導軌的剛度（要求）：導軌抵抗外載荷的能力，從而不影響導向部件的導向精度（運動精度）。通常分為：靜剛度抵抗恒定載荷的能力。動剛度抵抗交變載荷的能力。每一類剛度都包括：結構剛度、接觸剛度、局部剛度。在一般情況下，為減輕或平衡外力的影響，可采用加大導軌尺寸或添加輔助導軌的方法提高剛度。,3）精度保持性要求（耐磨性）,精度保持性要求：指導軌副表面的耐磨性（耐磨能力）應達到導軌面的使用壽命要求。主要包括：初期耐磨性和耐磨精度保持性兩部分，以及耐磨精度失效特性。初期耐磨性摩擦副初期磨損階段特性。耐磨精度保持性摩擦副正常磨損階段特性。耐磨精度失效特性摩擦副劇烈磨損階段特性。,4）導軌運動靈活性和低速運動平穩性要求,主要包括：靈活性和低速運動平穩性。靈活性指對系統控制指令的反映能力。低速運動平穩性指平穩勻速運動時運動部件的波動誤差（低速“爬行現象”）。5）溫度敏感性和結構工藝性要求溫度敏感性指導軌在環境溫度和導軌運動摩擦發熱的影響下，導軌運動靈活性、平穩性、導向精度產生變化的反映程度。工藝性要求結構簡單、制造容易、裝配調整、維修維護、檢測方便，生產成本低。注意：以上這些導軌運動副應達到的要求僅是導軌設計中最基本的要求，在導軌設計中，還應依據導軌應用的實際情況，采取相應的措施，盡可能的滿足。,（3）導軌副的設計內容與步驟,1）依據導軌副使用的工作條件，選擇合理的結構形式。2）選擇導軌副的截面形狀，保證導軌的導向精度。3）依據導軌的載荷和工作溫度范圍，選擇導軌的具體結構及尺寸參數，保證具有足夠的剛度、良好的耐磨性、運動靈活性、平穩性。,4）具有合理的誤差自動補償或調整裝置，在導軌長期使用后（超過導軌規定的平均無故障工作時間MTBF可靠性指標），通過調整進一步的保持導軌的導向精度。5）選用合理的耐磨材料、潤滑方法以及防護裝置，使導軌盡可能的處于良好工作狀態，減少導軌副的磨損。6）制定必要的技術條件（關重件的制造工藝規范、裝配調整技術條件、檢測驗收技術條件、使用維護操作規范、維修維護工藝流程與規范等）。,2滑動導軌副的結構及其選擇,（1）滑動導軌副的截面形狀和特點常見滑動導軌副的截面形狀,1）三角形導軌的特點,分對稱型和非對稱型三角形導軌。特點：在垂直載荷作用下，具有磨損量自動補償功能，無間隙工作，導向精度高。為防止因振動或傾翻載荷引起兩導向面較長時間脫離接觸，應有輔助導向面并具備間隙調整能力。但存在導軌水平與垂直誤差的相互影響，為保證高的導向精度（直線度），導軌面加工、檢驗、維修困難。對稱型導軌隨頂角增大，導軌承載能力增大，但導向精度降低。非對稱導軌主要用在載荷不對稱的時候，通過調整不對稱角度，使導軌左右面水平分力相互抵消，提高導軌剛度。,2）矩形導軌的特點結構簡單，制造、檢驗、維修方便，導軌面寬、承載能力大，剛度高，但無磨損量自動補償功能。由于導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整裝置，安裝調整方便。3）燕尾形導軌的特點特點：無磨損量自動補償功能，須間隙調整裝置，燕尾起壓板作用，鑲條可調整水平垂直兩方向的間隙，可承受顛覆載荷，結構緊湊，但剛度差，摩擦阻力大、制造、檢驗、維修不方便。4）圓形導軌的特點特點：結構簡單，制造、檢驗、配合方便，精度易于保證，但摩擦后很難調整，結構剛度較差。,（2）常見導軌副組合與間隙調整、特點,特點：兩導軌磨損均勻，能自動補償垂直和水平方向下磨損，接觸剛度好，導向和精度保持性高，但工藝性差，熱敏感性較大。主要用于高精機床。,1）雙三角形組合導軌組合,2）矩形與矩形導軌組合,特點：承載面與導向面分離，制造調整簡單、導向面間隙用調整鑲條保證，接觸剛度較抵。閉式結構時，有輔助導向面，間隙由調整壓板保證。在導軌副同樣熱變形條件下，L1越大，導向間隙要求越大。,3）三角形導軌與矩形或平面導軌組合,特點：兼有三角形導軌導向精度好、矩形導軌制造方便、剛性好的優點，可避免熱變形產生的配合間隙變化；但是，存在兩導軌導向平面磨損不均并使導軌產生位置變化；另外，兩導軌的摩擦阻力不同，因而布置驅動力時，驅動力應與兩摩擦阻力的和力同向為宜。當采用閉式壓板結構時，可承受顛覆力矩。,4）燕尾形導軌與矩形導軌組合,特點：整體式燕尾導軌導向精度高，調整方便，承載能力強，制造困難；裝配式導軌，制造調整方便，承載能力與整體式燕尾導軌相比較弱；燕尾導軌與矩形導軌相比，兼有調整方便，承載能力較強等。,（3）導軌副材料的選擇,導軌副材料選擇的基本要求：導軌副材料應具有高的耐磨性、減振性、熱穩定性以及易于生產制造。導軌副材料選用與組合：常用鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料。通常為軟硬材料組合。如：鑄鐵鑄鐵、鑄鐵鋼導軌、有色金屬鋼導軌、塑料鋼導軌等。1）鑄鐵的特點2）鋼的特點3）有色金屬的特點4）塑料的特點,（4）提高導軌副耐磨性的措施,注意：除了考慮導軌的結構、材料、制造質量、熱處理方法以及使用維護操作規范外，在導軌副結構設計時，還可采取下述措施進一步提高導軌副的耐磨性。1）采用鑲裝導軌2）提高導軌精度、改善導軌表面粗糙度、采取合理的潤滑措施3）減少導軌單位面上的壓力（比壓）、采用必要的卸荷裝置,2.2.3滾動導軌副的類型與選擇,組成：帶溝槽的靜導軌和動導軌、滾動體以及滾動體隔離元件等組成。類型：按運動形式直線導軌和回轉導軌。按滾動體形狀滾珠滾動導軌副、圓柱（滾針）滾動導軌副、圓錐滾動導軌副等。按滾道截面形狀平面導軌、三角形導軌、圓弧形（或鋼絲滾道）導軌等。按滾動體的循環方式非循環導軌和循環導軌。,滾動導軌副的特點：,1）低摩擦系數和動/靜摩擦系數基本相等。2）可實現傳動和支承預緊，無間隙傳動精度高和結構剛度好，易于消除正反轉傳動誤差。3）專業化生產，質量易于保證。4）滾動體與滾道為點或線接觸，接觸應力較大，抗振性較差。5）為保證傳動精度，滾道表面硬度、形狀/位置精度，滾動體尺寸精度、形狀/位置精度均有嚴格的要求。6）結構復雜、制造困難，生產成本高。綜上所述，滾動導軌副應達到的基本要求：高的導向精度、高的耐磨性、足夠的剛度、良好的工藝性。,（1）直線運動滾動導軌副,1）滾動體循環工作方式的基本工作原理組成：動導軌、滾動體與隔離元件組成動導軌副，并在定導軌副上移動。特點：可實現無限長導軌的直線運動。,（2）回轉運動滾動導軌副,工作原理基本與滾動軸承相似，只是在滾道直徑和滾道截面形狀和結構設計上與滾動軸承有所不同。（3）滾動軸承導軌副目前已標準化生產，選用時應根據實際情況而定。,滾動導軌副的選用原則：依據傳動部件的承載能力、導向精度、耐磨性、剛度（結構/接觸）、工藝性等要求。綜合評價合理選用。,傳感檢測系統設計,第一節傳感器一、傳感器分類,二、機電一體化對檢測系統的基本要求：精度、靈敏度、分辨率高；線性、穩定性和重復性好；抗干擾能力強；靜、動態特性好。此外，要求體積小、質量輕、價格便宜、便于安裝與維修，耐環境性能好等。三、傳感器特性：靜態特性：1、線性度：傳感器實際特性曲線與擬合直線之間的偏差2、靈敏度：輸出變化對輸入變化的比值3、遲滯性：在正反行程期間輸入輸出特性曲線不重合程度4、重復性：輸入量按同一方向多次測試時所得特性曲線的不重合程度動態特性：傳遞函數、時間響應函數、頻率響應函數、脈沖響應函數。,四、傳感器選用原則,快速、準確、可靠、經濟的獲取信號1）足夠的量程2）與測量或控制系統匹配、轉換靈敏度高3）精度適當、穩定性高4）反應速度快、工作可靠5）實用性和適應性強6）使用經濟,第二節位移測量傳感器,一、電容傳感器1.變極距型電容傳感器：當動極板因被測量變化而向上移動使減小時，電容量增大。注意：傳感器輸出特性是非線性的，規定在較小間隙變化范圍內工作。2.變面積型電容傳感器：原理：它與變極距型不同的是，被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。這種傳感器的輸出特性呈線性。因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大直線位移和角位移。,3變介質型電容傳感器原理結構如圖。圖中兩平行極板固定不動，極距為，相對介電常數為的電介質以不同深度插入電容器中，從而改變電容。應用：這種電容傳感器有較多的結構形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可以用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體的物質的濕度。,二、電感式傳感器將被測量轉換為電感量變化的裝置。變換原理：電磁感應原理。按變換方式的不同分為自感型（可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動變壓器）。1、自感型（一）可變磁阻式,1線圈2鐵心3銜鐵由此可見：只要改變空氣隙厚度或改變氣隙截面積，即可改變線圈的電感量。注意：改變空氣隙厚度傳感器輸出特性是非線性的，規定在較小間隙變化范圍內工作。,（二）渦流式原理：金屬板在交變磁場中的渦電流效應。金屬板置于一線圈附近，相互間距為。當線圈中有高頻交流電流通過時，便產生磁通。此交變磁通通過相鄰近的金屬板，金屬板上便產生感應電流，這種電流在金屬體內是閉合的，稱為渦流。這種渦流將產生交變磁通1，根據楞次定律，渦流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反。由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗發生變化，變化程度與距離有關。影響因素：線圈與金屬板間距離；金屬板的電阻率；磁導率；線圈激磁園頻率等。變化線圈與金屬板間距離，可作為位移、振動測量。變化金屬板的電阻率、磁導率，可作為材質鑒別或探傷等。應用：可用于動態非接觸測量。用作渦流式位移計、振動測量儀、無損探傷儀、測厚儀等。特點：結構簡單，使用方便，不受油污等介質的影響。,2、互感型：差動變壓器式原理：將被測位移轉換成線圈互感變化。注意：1、輸出交流電壓、幅值與鐵心位移成正比。只反映鐵心位移大小，不反映移動極性。2、零點殘余電壓。原因：兩次級線圈結構不對稱；初級線圈銅損電阻、鐵磁材質不均勻、線圈間分布電容等形成。鐵心處在中間位置時，輸出不為零。解決辦法：后接電路。應用：位移測量儀。,光柵,光柵是一種新型的位移檢測元件，它的持點是測量精確高、響應速度快和量程范圍大等。,把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條絞。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如圖3-18所示。,主光柵和被測物體相連，他隨被測物體的直線位移而產生位移。當主光柵產生位移時，莫爾條紋便隨著產生上、下位移，若用光電器件記錄下莫爾條紋通過某點的數目，便可知主光柵移動的位移，也就測得了被測物體的位移量。,感應同步器,在兩個相對放置的板上刻有如圖所示的繞組，當在滑尺的兩個繞組中分別加上激勵電壓時，則在定尺繞組中就產生感應電勢，其幅值決定于繞組的相對位置。,光電編碼器,將機械轉動的模擬量轉換成旋轉角度的數字電信號，進行角位移檢測的傳感器稱為編碼器。編碼器的種類很多，根據檢測原理，它可以分為電磁式、電刷式、電磁感應式及光電式等。由于光電編碼器具有非接觸和體積小的特點，且分辨率很高，在旋轉一周內已能產生數百萬個脈沖，因此，它是目前應用最為廣泛的一種編碼器。光電編碼器在數控機床、機器人的位置控制、機床進給系統的控制以及角度的測量、通訊及自動化控制等方面部發揮著重要的作用。,第三節速度、加速度傳感器,一、直流測速機直流測速機是一種測速元件，實際上它就是臺微型的直流發電機。直流測速機的持點是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷相換向器，構造和維護比較復雜，摩擦轉矩較大。測速機的結構有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測速機原理電路圖。恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋轉時，電樞繞組中即產生交變的電勢，經換向器和電刷轉換成與轉子速度成正比的直流電勢。直流測速機在機電控制系統中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為提高檢測靈敏度、盡量把它連接到電機軸上，有的電機本身就已安裝了測速機。,二、光電式轉速傳感器,光電式轉速傳感器是由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件及指示縫隙盤組成，如圖3-25所示。光源發出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。當縫隙圓盤隨被測軸轉動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤每轉一周，光電器件輸出與指示縫隙數相等的電脈沖，根據測量時間t內的脈沖數N，可測出轉速為n=60N/ZtZ一一圓盤上的縫隙數；n轉速(rmin)；t測量時間(s)。,第四節位置傳感器,位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到某一位置。因此、它只需要產生能反映某種狀態的開關量就可以了。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個物體是否己接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器是用來判別在某一范圍內是否有某物體的一種傳感器。一、接觸式位置傳感器這類傳感器用微動開關之類的觸點器件便可構成。二、接近式位置傳感器接近式位置傳感器按其上作原理主要分：電磁式；光電式；靜電容式；氣壓式；超聲波式。其基本工作原理可用圖338表示出來。,接近傳感器在工業自動化控制、航天、航海技術、日常生活中都有廣泛的應用。在安全防盜方面，如資料、財會、倉庫、博物館、金庫等重要場合也都裝有各式各樣的接近傳感器。在一般工業生產自動控制中大都采用渦流式或電容式接近傳感器。在環境比較好的場合，可采用光電式接近傳感器。而在防盜系統中，大都使用紅外熱釋電接近傳感器、超聲波接近傳感器和微波接近傳感器。有時為了提高識別的可靠性，幾種接近傳感器可以復合使用。,圖325是生產線工件計數裝置的示意圖。接近傳感器設置在工件傳送帶的一側，當傳送帶運行時，一個個工件經過接近傳感器，當工件靠近接近傳感器時，傳感器輸出脈沖開關信號，該信號可直接送往計數器進行計數。,第五節傳感器信號處理,測量放大器,在許多檢測技術應用場合傳感器輸出的信號往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習慣上將具有這種特點的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。,程控增益放大器,經過處理的模擬信號，在送入計算機進行處理前，必須進行量化，即進行模擬一數字變換，變換后的數字信號才能為計算機接收和處理。當模擬信號送到模數變換器時為減少轉換誤差一般希望送來的模擬信號盡可能大，如采用AD變換器進行模數轉換時，在AD輸入的允許范圍內，希望輸入的模擬信號盡可能達到最大值；然而，當被測參量變化范圍較大時，經傳感器轉換后的模擬小信號變化也較大，在這種情況下、如果單純只使用一個放大倍數的放大器，就無法滿足上述要求；在進行小信號轉換時，可能會引入較大的誤差。為解決這個問題，工程上常采用通過改變放大器增益的方法，來實現不同幅度信號的放大，如萬用表、示波器等許多測量儀器的量程變換等。選擇不同的開關閉合，即可實現增益的變換。如果利用軟件對開關閉合進行選擇，即可實現程控增益變換。,圖為利用AD521測量放大器與模擬開關結合組成的程控增益放大器，通過改變其外接電阻RG的辦法來實現增益控制。,隔離放大器在有強電或強電磁干擾的環境中，為了防止電網電壓等對測量回路的損壞，其信號輸入通道采用隔離技術，能完成這種任務，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。,傳感器接口技術,控制電動機及其選擇計算第一節執行元件分類,液壓系統,氣壓系統,氣壓系統的基本組成,直線氣缸擺動氣缸氣馬達氣爪,檢測部分,氣壓系統與液壓系統的比較,(1)空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞；將用過的氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便；泄漏不會嚴重的影響工作，不污染環境。(2)空氣粘性很小，在管路中的沿程壓力損失為液壓系統的干分之一，易于遠距離控制。(3)工作壓力低可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。(4)對開環控制系統，它相對液壓傳動具有動作迅速、響應快的優點。(5)維護簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題；適用于石油、化工、農藥及礦山機械的特殊要求。對于無油的氣動控制系統則特別適用于無線電元器件生產過程，也適用于食品和醫藥的生產過程。氣壓系統與電氣、液壓系統比較有以下缺點：(1)氣功裝置的信號傳遞速度限制在聲速范圍之內，所以它的工作頻率和響應速度遠不如電氣裝置并且信號產生較大失真和延遲，也不便于構成十分復雜的回路。但這個缺點對生產過程不會造成困難。(2)空氣的壓縮性遠大干液壓油的收縮性，精度較低。(3)氣壓傳動的效率比液壓傳動還要低，且噪聲較大。(4)工作壓力較低，不易獲得大的推力。氣壓傳動出力不如液壓傳動大；,執行元件特點,應用：液壓系統用于需大的功率重型設備氣動用于工件夾緊、輸送等自動化生產線電動應用最廣泛,伺服電機控制方式,伺服電機比較,第二節步進電動機,一、步進電動機的結構和工作原理它與普通電動機一樣，也是由定子和轉子構成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一起，構成一相控制繞組。圖6-1所示的步進電動機可構成A、B、C三相控制繞組，故稱三相步進電動機。1-繞組2-定子鐵心3-轉子鐵心圖6-1反應式步進電動機結構原理圖,步進電動機的工作原理,步進電動機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。當A相繞組通電時，轉子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉子的齒與定子BB上的齒對齊，轉子沿逆時針方向轉過，如果控制線路不停地按ABCA的順序控制步進電動機繞組的通斷電，步進電動機的轉子便不停地逆時針轉動。若通電順序改為ACBA，步進電動機的轉子將順時針轉動30。這種通電方式稱為三相三拍，而通常的通電方式為三相六拍，其通電順序為AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相應地，定子繞組的通電狀態每改變一次，轉子轉過15。,步進電機特點,（1）步進電動機定子繞組的通電狀態每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步距角；（2）改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；（3）步進電動機定子繞組通電狀態的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態的變化頻率越高，轉子的轉速越高；（4）步進電動機步距角與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，可用下式表示：=360/mzk式中m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2。對于圖6-1所示的單定子、徑向分相、反應式步進電動機，當它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為=360/341=30若按三相六拍通電方式工作，則步距角為=360/342=15步距角：常見的步距角0.60/1.20,0.750/1.50,0.90/1.80,10/20,1.50/30等。,例：某步進電機有80個齒,采用3相6拍方式驅動,經絲杠螺母副驅動工作臺做直線運動,絲杠的導程為6mm。求:1、步進電機的步矩角。2、當脈沖當量要求為0.01mm時,試設計此傳動系統,i=Z2/Z1=L/360,=L/360i,1、k=6/3=2=360/mzk=360/3802=0.75。2、I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1可選Z1=20，Z2=40，模數=1.5的齒輪傳動副,例將改造一臺C620車床，其縱向絲杠的螺距t=12mm，采用110BF003型步進電動機，步距=0.75，系統規定的縱向步進當量=0.01mm，計算步進電動機與縱向絲杠之間的聯接傳動比。解：根據式（7-1）可選，模數m=1.5的齒輪傳動副。當i為小數時，則可采用掛輪。,例：三相變磁阻式步進電動機，轉子80個齒。(1)要求電動機轉速為60r/min,單雙拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?(2)要求電動機轉速為100r/min，單拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?,步進電機分類,反應式步進電機：定子轉子均有鐵心組成，轉子無繞組，步進運行由定子繞組通電歷磁產生的反應力矩作用實現。特點：結構簡單，工作可靠，運行頻率高，步距角小。應用：數控設備，機器人。永磁式步進電機：轉子用永磁鐵，靠與定子產生電磁力特點：控制功率小，效率高，造價低，但步距角大。應用：記錄儀，空調機。混合式步進電機：轉子有齒，帶固定極性。特點：步距角小，工作頻率高，控制功率小。但結構復雜，成本高。,步進電機,步進電機驅動電源,脈沖分配,脈沖分配,軟件脈沖分配,軟件環形分配器的設計方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點，其中常用的是查表法。,四、步進電動機的功率放大,1單電壓功率放大電路此電路的優點是電路結構簡單，不足之處是Rc消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工作時會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。,2高低電壓功率放大電路,電源U1為高電壓，電源大約為80150V，U2為低電壓電源，大約為520V。在繞組指令脈沖到來時，脈沖的上升沿同時使VT1和VT2導通。由于二極管VD1的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快達到規定值。到達規定值后，VT1的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1截止，電動機由低電壓U2供電，維持規定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到來VT2截止。不足之處是在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機運行的平穩性。,該電路的特點是工作時Vin端輸入方波步進信號：當Vin為“0”電平，由與門A2輸出Vb為“0”電平，功率管（達林頓管）VT截止，繞組W上無電流通過，采樣電阻上R3上無反饋電壓，A1放大器輸出高電平；而當Vin為高電平時，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導通，繞組W上有電流，采樣電阻上R3上出現反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出電平的高低，來決定Vin信號能否通過與門A2。若VrefVf時Vin信號通過與門，形成Vb正脈沖，打開功率管VT；反之，VrefVf時Vin信號被截止，無Vb正脈沖，功率管VT截止。這樣在一個Vin脈沖內，功率管VT會多次通斷，使繞組電流在設定值上下波動。,3斬波恒流功放電路,步進電機驅動電源總結,作用：對控制脈沖進行功率放大，以使步進電機獲得足夠大的功率驅動負載運行。1、步進電機是用脈沖供電，且按一定工作方式輪流作用于各相勵磁線圈上。2、步進電機正反轉是靠給各相勵磁線圈通電順序變化來實現的。3、速度控制是靠改變控制脈沖的頻率實現的。4、在通電脈沖內使勵磁線圈的電流能快速建立，而在斷電時電流能快速消失。,五、步進電機的選擇,1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。2、靜力矩的選擇（1）根據機械結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效負載轉動慣量。（2）計算各種工況下所需的等效力矩。（3）根據步進電機最大靜轉矩和起動、運行矩頻特性。TL/TMax0.5JL/Jm43、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）,第三節直流伺服電動機,直流伺服電動機具有良好的調速特性，較大的起動轉矩，相對功率大及快速響應等優點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電控制系統中作為執行元件還是獲得了廣泛的應用。直流伺服電動機按激磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場由激磁繞組產生；永磁式的磁場由永磁體(永久磁鐵)產生。電磁式直流伺服電動機是一種目前巳普遍使用的伺服電動機，特別是在大功率范圍內(100w以上)。永磁式直流伺服電動機由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結構簡單，無需激磁等一系列優點而被越來越重視。一、特點1、穩定性好2、可控性好3、響應迅速4、控制功率低，損耗小5、轉矩大,直流伺服電動機的結構與一般的電機結構相似，也是由定子、轉子和電刷等部分組成，在定子上有勵磁繞組和補償繞組，轉子繞組通過電刷供電。由于轉子磁場和定子磁場始終正交，因而產生轉矩使轉子轉動。,直流伺服電機控制,二、驅動與控制,一個驅動系統性能的好壞，不僅取決于電機本身的特性，而且還取決于驅動電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅動電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用晶體管驅動和晶閘管直流調速驅動，廣泛采用的直流伺服電機的晶體管驅動電路有線性直流伺服放大器和脈寬調制放大器(PwM)。一般，寬頻帶低功率系統選用線性放大器(小于幾百瓦)，而脈寬調制放大器常用在較大的系統中，尤其是那些要求在低速和大轉矩下連續運行的場合。一、晶閘管直流調速驅動,二、脈寬調制放大器(PwM),PWM放大器的優點是功率管工作在開關狀態，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶體管的開關作用，將直流電源電壓轉換成一定頻率(例如2000HZ)的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調節電機的轉速，如圖418所示。鋸齒波發生器的輸出電壓vA和直流控制信號vIN進行比較。同時，在比較器的輸入端還加入一個調零電壓v0，當控制電壓vIN為零時，調節vo使比較器的輸出電壓為正、負脈沖寬度相等的方波信號，如圖419(a)所示。當控制信號vIN為正或負時，比較器輸入端處的鋸齒波相應地上移或下移，比較器的輸出脈沖也隨著相應改變，實現了脈寬調制，如圖419(b)、(c)所示。,第四節交流伺服電動機,與普通直流伺服電動機相比較，普通交流伺服電動機的特點是：它不需要電刷和換向器，因而避免了由于存在電刷和換向器而引起的一系列弊病。此外，它的轉動慣量、體積和重量一般來說也較小。缺點是：輸出功率和轉矩較小；轉矩特性和調節特性的線性度不及直流伺服電動機好；其效率也較直流伺服電動機為低。銀狐工控網自動化、企業信息化中國工控網-運動控制專欄-中國工業控制及自動化領域權威咨詢、資訊傳媒!一、交流伺服電動機種類1、同步型（SM）：采用永磁結構的同步電動機，又稱無刷直流伺服電動機。特點：無接觸換向部件需要磁極位置檢測器（如編碼器）具有直流伺服電動機的全部優點。2、感應型（IM）：籠型感應電動機特點：對定子電流的激勵分量和轉矩分量分別控制具有直流伺服電動機的全部優點。,用于自動焊機中保持電弧長度穩定，其原理如圖434所示。交流伺服電機sL經減速器2帶動焊條8的移動裝置3。為保證焊接質量，要求自動焊機在整個焊接過程中能夠自動調節電弧長度，使電弧穩定地燃燒。當電弧長度符合要求時，反饋的弧壓up和給定電壓u相等，通過比較器4得偏差信號o，伺服電機不轉動。如果外界干擾使弧長變長或變短，反饋弧壓up相當于增大或減小，偏差信號經放大器1送入電機sL的控制電壓的相序發生改變，使控制伺服電機正轉或反轉，經移動裝置3帶動焊條8上下移動，以保持電弧長度恒定。,應用舉例,二、交流伺服電動機調速,變頻調速,間接變換方式（交直交變頻）變頻方式直接變換方式（交交變頻）交直交變頻是把交流電通過整流器變為直流電，再用逆變器將直流電變為頻率可變的交流電供給異步電動機。目前常用的通用變頻器即屬于交直交變頻，其基本結構原理如圖412。由圖可知，變頻器主要由主回路（包括整流器、中間直流環節、逆變器）和控制回路組成。變頻器還有豐富的軟件，各種功能主要靠軟件來完成。交流電源交流電源電壓頻率可變,變頻器的分類方式很多，除了按電源變換方式分類外，還可以按