机电一体化系统设计课件姜培刚.ppt

2020/9/13,1,第一节 机电一体化的定义,传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践基础； 现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、计算机、传感与测试等技术为实践基础。 机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实现微小复杂运动难。 电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现重载运动。,2020/9/13,2,第一节 机电一体化的定义,机电一体化和机械电气化的区别 电气机械在设计过程中不考虑或较少考虑电气与机械的内在联系。 机械和电气装置之间界限分明 装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，属于强电范畴。,2020/9/13,3,第一节 机电一体化的定义,机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。,2020/9/13,4,第一节 机电一体化的定义,机电一体化涉及到许多相关的学科：机械学、电子学、控制论、计算机科学 机电一体化的产生与迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。微电子技术的发展，半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质基础；,2020/9/13,5,第一节 机电一体化的定义,Mechtronics是一个综合的概念，包含技术和产品两方面。 机电一体化技术指包括技术基础、技术原理在内的使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。 机电一体化产品指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创建出来的新一代机电产品。,2020/9/13,6,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,机电一体化产品和系统的分类 按机电一体化产品和系统的用途分类，有产业机械，信息机械，民用机械等；按机械和电子的功能和含量分类，有以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的电子产品；按机电结合的程度分类，有功能附加型、功能替代型和机电融合型。,2020/9/13,7,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,机电一体化产品的优越性 使用安全性和可靠性提高 生产能力和工作质量提高 调整和维护方便，使用性能改善 具有复合功能，适用面广 改善劳动条件，有利于自动化生产 节约能源，减少耗材,2020/9/13,8,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,现代机械的机电一体化目标 提高精度 增强功能 提高生产效率 节约能源，降低能耗 提高安全性、可靠性,2020/9/13,9,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,改善操作性和实用性 减轻劳动强度，改善劳动条件 简化结构，减轻重量 降低价格 增强柔性应用功能,2020/9/13,10,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,机电一体化技术方向 在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强 用电子装置局部代替机械传动装置和机械控制装置，以简化结构，增强控制灵活性,2020/9/13,11,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,用电子装置完全代替原来执行信息处理功能的机构，即减化了结构，又极大地丰富了信息传输内容，提高了速度。 用电子装置替代机械的主要功能，形成特殊的加工能力 将机电技术完全融合形成新型机电一体化产品,2020/9/13,12,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,机电一体化系统开发的设计思想 在开发过程中，一方面要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。,2020/9/13,13,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,机电一体化系统设计方法 取代法 整体设计法 组合法,2020/9/13,14,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,取代法 这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。 这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。,2020/9/13,15,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,整体设计法 这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。,2020/9/13,16,第二节 机电一体化系统设计的目标与方法,组合法 这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。 利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。,2020/9/13,17,第三节 机电一体化系统的基本功能要素,机械本体 动力单元 传感检测单元 执行单元 驱动单元 控制与信息处理单元 接口,2020/9/13,18,第三节 机电一体化系统的基本功能要素,机械本体（机械系统） 包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。 其开发重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换,2020/9/13,19,第三节 机电一体化系统的基本功能要素,动力单元 按照机电一体化系统的控制要求。为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。 其显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。,2020/9/13,20,第三节 机电一体化系统的基本功能要素,传感检测单元 对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。 对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰性强,2020/9/13,21,第三节 机电一体化系统的基本功能要素,执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。 驱动单元 在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。,2020/9/13,22,第四节 机电一体化系统的基本功能要素,控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。,2020/9/13,23,第三节 机电一体化系统的基本功能要素,接口 将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。 其基本功能主要有三个：变换、放大、传递,2020/9/13,24,第四节 机电一体化的相关技术,机械技术（精密机械技术） 微电子技术 传感检测技术 信息处理技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术,2020/9/13,25,第四节 机电一体化的相关技术,机械技术（精密机械技术） 是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。 机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构、材料、性能以及功能上的变更。,2020/9/13,26,第四节 机电一体化的相关技术,传感检测技术 是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象那获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。 传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究如何将转换的电信号的加工处理。,2020/9/13,27,第四节 机电一体化的相关技术,信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是计算机，因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。 信息处理的发展方向是如何提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。,2020/9/13,28,第四节 机电一体化的相关技术,自动控制技术 自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。,2020/9/13,29,第四节 机电一体化的相关技术,伺服驱动技术 伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。,2020/9/13,30,第四节 机电一体化的相关技术,系统总体技术 系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关的应用技术。即从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干子系统，从而实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案，对于子系统与子系统之间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案。,2020/9/13,31,第二章 机械系统设计,机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调与控制，用于完成一系列运动的机械和机电部件相互联系的系统。 机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配，也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。,2020/9/13,32,第二章 机械系统设计,传动机构：机电一体化系统中传动结构的主要功能是传递转矩和转速。因此，它实际上是一种转矩、转速变化器。 导向机构：其作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。 执行机构：用来完成操作任务。能根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。,2020/9/13,33,第一节 传动装置,2.1.1传动机构的种类及特点 机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构等。 对于工作机中的传动机构，既要求能实现运动的转换，又要求能够实现动力的转换；对于信息机中的传动机构，主要要求运动的转换；对于动力，则只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦力（力矩）以及较小的工作负载即可。,2020/9/13,34,第一节 传动装置,2.1.2传动机构的基本要求 影响机电一体化系统中的传动链动力学性能的因素一般有以下几个 负载的变换 传动链惯性 传动链固有频率 间隙、摩擦、润滑和温升,2020/9/13,35,第一节 传动装置,在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能小 刚度越大伺服系统动力损失越小；刚度越大机构固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振；刚度越大闭环系统的稳定性越高 机械零件产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低,2020/9/13,36,第一节 传动装置,系统传动部件的静摩擦力应尽可能小；动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减少。 此外，还要求抗振性好，稳定性高，间隙小（减少误差，提高伺服系统中位置环的稳定性），避免谐振，特别是其动态特性与伺服电动等其他环节的动态性能相匹配。,2020/9/13,37,第一节 传动装置,转动惯量 在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量越小越好。转动惯量大会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易产生谐振。同时转动惯量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。,2020/9/13,38,第一节 传动装置,摩擦 两物体接触面间的摩擦力在应用上可以简化为粘性摩擦力、库伦摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向（或运动趋势方向）相反。粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比；库伦摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力，其最大值发生在相对开始运动前的一瞬间，运动开始后静摩擦力即消失。,2020/9/13,39,第一节 传动装置,阻尼 运动中的机械部件容易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率，系统的阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快；线性阻尼下的振动为实模态，非线性阻尼下的振动为复模态。机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小，而运动副的摩擦阻尼占主导地位的。在实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼,2020/9/13,40,第一节 传动装置,刚度 刚度为弹性体产生单位变形量所需的作用力。机械系统的刚度包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度两类。静态力和变形之比为静刚度；动态力和变形之比为动刚度。,2020/9/13,41,第一节 传动装置,谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量、弹簧系统。由此可确定系统的固有频率。当外界的激振频率接近或等于系统的固有频率时，系统将产生谐振而不能正常工作。机械传动部件实际上是个多自由度系统，有一个基本固有频率和若干高阶固有频率，分别称为机械传动部件的一阶谐振频率和n阶谐振频率。,2020/9/13,42,第一节 传动装置,间隙 间隙将使机械传动系统中间产生回程误差，影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益 间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、连轴器的扭转间隙等。在机电一体化系统中，为了保证系统良好的动态性能，要尽可能避免间隙的出现。当间隙出现时，要采取消隙措施。,2020/9/13,43,第一节 传动装置,2.1.3 常用传动机构的设计方法 滚珠丝杠副传动机构 齿轮传动 同步带传动 谐波齿轮传动 棘轮传动机构 软轴传动机构,2020/9/13,44,第一节 传动装置,一、滚珠丝杠副传动机构 滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构，具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件滚珠。主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动,2020/9/13,45,第一节 传动装置,滚珠丝杠副的特点 传动效率高 运动具有可逆性 系统刚度好 传动精度高 使用寿命长 不能自锁 工艺复杂,2020/9/13,46,第一节 传动装置,滚珠丝杠副的结构类型可从螺纹滚道的界面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别 单圆弧型和双圆弧型,2020/9/13,47,第一节 传动装置,内循环和外循环 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触内循环方式的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高螺母的尺寸也较小。缺点是反向器加工困难，装配调整也不方便,2020/9/13,48,第一节 传动装置,内循环 浮动式反向 器在高频浮 动中达到回 珠圆弧槽进 出口的自动 对接，通道流畅，摩擦性较好，更适用于高 速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统,2020/9/13,49,第一节 传动装置,外循环 滚珠在循环返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母或体外作循环运动,2020/9/13,50,第一节 传动装置,螺旋槽式的特点是工艺简单、径向尺寸 小、易于制造，但是挡珠器刚性差，易 磨损,2020/9/13,51,第一节 传动装置,内循环和外循环插管式结构简单，容易制造，但是径向尺寸较大，弯管端部比较容易磨损,2020/9/13,52,第一节 传动装置,内循环和外循环端盖式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易加工准备而影响其性能，故应用较少。,2020/9/13,53,第一节 传动装置,滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧 预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动，过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。 要特别注意减少丝杠安装部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响,2020/9/13,54,第一节 传动装置,双螺母螺纹预紧调隙式 结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确地调整,2020/9/13,55,第一节 传动装置,双螺母齿差预紧调隙式 可实现定量调整，调整精度很高，工作 可靠，使用中调整较方便；但结构复 杂，加工 和装配工 艺性能较 差,2020/9/13,56,第一节 传动装置,双螺母垫片预紧调隙式 结构紧凑、刚度高、预紧可靠、应用广泛，但使用中调整不方便，也不很准确，适用于一般精度的传动结构,2020/9/13,57,第一节 传动装置,弹簧式自动调整预紧式 能消除使用过程中由于摩擦或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂。轴向刚度低,2020/9/13,58,第一节 传动装置,2020/9/13,59,第一节 传动装置,二、齿轮传动 齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置，主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数。传动精确，且强度大、能承受重载、结构紧凑。摩擦力小、效率高。,2020/9/13,60,第一节 传动装置,三、同步带传动 同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动,2020/9/13,61,第一节 传动装置,同步带传动的特点 能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高 工作平稳，能吸收振动 不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，维护保养方便 强度高，厚度小，质量轻 中心距要求严格，安装精度要求高 制造工艺复杂，成本高,2020/9/13,62,第一节 传动装置,四、谐波齿轮传动 依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。,2020/9/13,63,第一节 传动装置,谐波齿轮传动的优点 传动比大 承载能力大 传动精度高 可以向密封空间传递运动或动力 传动平稳 传动效率高 结构简单，体积小，质量轻,2020/9/13,64,第一节 传动装置,谐波齿轮传动的缺点 揉轮和波发生器制造复杂，需专门设备，成本较高 传动比下限值较高 不能做成交叉轴和相交轴的结构,2020/9/13,65,第一节 传动装置,五、软轴传动机构 软轴又称作钢丝软轴，是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的，相邻层的缠绕方向相反。工作时相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。,2020/9/13,66,第一节 传动装置,钢丝软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的传动。它可以弯曲绕过各种障碍物，远距离传递回转运动。适合于受连续冲击的场合，也适用于高速、小转矩的场合。不适合低速大转矩的传动。因为这将使从动轴的转速不均匀，扭转刚度无法保证。,2020/9/13,67,第一节 传动装置,六、棘轮传动机构 棘轮传动机构主要用于将原动机构的连续运动转换成间歇运动。,2020/9/13,68,第一节 传动装置,棘轮机构具有结构简单、制造方便和运动可靠等优点，故在各类机械中有广泛的应用。但是由于回程时摇杆上的棘爪在棘轮齿面上滑行时引起噪声和齿尖磨损。同时为使棘爪顺利落入棘轮齿间，摇杆摆动的角度应略大于棘轮的运动角，这样就不可避免的存在空程和冲击。此外棘轮的运动角必须以棘轮齿数为单位有级地变化。因此棘轮机构不宜应用于高速和运动精度要求较高的场合。棘轮,2020/9/13,69,第二节 导向机构,在机电一体化机械系统中，导向支撑部件的作用是支撑和限制运动部件能按给定的运动要求和运动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。,2020/9/13,70,第二节 导向机构,2.2.1导轨的组成、分类及特点 导轨主要由两部分组成：在工作时一部分固定不动，称为支承导轨；另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。,2020/9/13,71,第二节 导向机构,2.2.2导轨的基本要求 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。 对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；运动件较重时，必须设有卸荷装置；运动件的支承必须符合三点定位原理,2020/9/13,72,第二节 导向机构,导向精度 导轨按给定方向作直线运动的准确程度 直线度 两导轨面间的平行度,2020/9/13,73,第二节 导向机构,耐磨性 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。导轨的耐磨性主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表明硬度、表面润滑及受力情况等。提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护,2020/9/13,74,第二节 导向机构,运动的灵活性和低速运动的平稳性 工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象，高速运动时应无振动。 为了防止产生爬行现象，可以采取：采用滚动导轨、静压导轨，卸荷导轨、贴塑料层导轨。或者在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油。也可以用减少结合面、增加结构尺寸、缩短传动链。减少运动副等方法,2020/9/13,75,第二节 导向机构,2.2.3 常用导向机构的设计方法 塑料导轨 塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成。这种导轨定位精度较高，摩擦因数较小，刚度较高，无爬行现象，吸振较好，寿命长，化学稳定性高，工艺性好，维护方便；但由于其耐热性差，在使用中必须注意散热。,2020/9/13,76,第二节 导向机构,塑料导轨软带 可与铸铁或钢组成滑动摩擦副，也可以与滚动导轨组成滚动摩擦副,2020/9/13,77,第二节 导向机构,金属塑料复合导轨板 一般用胶粘贴在金属导轨上，成本较高 塑料涂层 主要用于导 轨的维修和 设备的改造 ，也可用于 新产品设计,2020/9/13,78,第二节 导向机构,滚动导轨 滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之间加入滚动体，变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支撑。 滚动导轨的优点 摩擦因数小，运动灵活；动静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行现象；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，一次装填，长期使用。,2020/9/13,79,第二节 导向机构,滚动导轨按 滚动体形状的不同，可以分为滚珠导轨。滚珠导轨和滚针导轨,2020/9/13,80,第二节 导向机构,滚珠为点接触，摩擦小、灵敏度高，但承载能力小、刚度低，适用于载荷不大，行程较小，而运动灵敏度要求较高的场合。,2020/9/13,81,第二节 导向机构,滚柱导轨为线接触，承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的场合，但制造安装精度要求高。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。,2020/9/13,82,第二节 导向机构,滚针导轨的尺寸小，结构紧凑、排列密集。承载能力大，但摩擦相应增加，精度较低，适用于载荷大。导轨尺寸受限制的场合。（结构尺寸较小的滚柱导轨）滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。,2020/9/13,83,第二节 导向机构,按滚动体的循环方式，滚动导轨又可分为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式导轨两种。 滚动体不循环式导轨的滚动体可以是滚珠、滚柱或滚针。它们的共同特点是滚动体不循环，因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。,2020/9/13,84,第三节 执行机构,2.3.1常用执行机构的设计方法 热变形式 热变形式执行机构属于微动机构，该类机构利用电热元件作为动力源，电热元件通电后产生的热变形实现微小位移。,2020/9/13,85,第三节 执行机构,热变形微动机构可以利用变压器、变阻器等来调节传动杆的加热速度，以实现对位移速度和微进给量的控制。为了使传动杆恢复到原来的位置，可以利用压缩空气或乳化液来冷却 热变形微动机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过控制加热电流来得到所需微量位移；但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因，这种微动系统只适用于行程较短、频率不高的场合。,2020/9/13,86,第三节 执行机构,磁致伸缩式 该类机构利用某些材料在 磁场作用下具有改变尺寸 的磁致伸缩效应，来实现 微量位移。,2020/9/13,87,第三节 执行机构,磁致伸缩式微动机构的特征为重复精度高，无间隙，刚度好，转动惯量小，工作稳定性好，结构简单、紧凑；但由于工程材料的磁致伸缩量有限，该类机构所提供的位移量很小，因而该类机构适用于精确位移调整、切削 刀具的磨损补偿 及自动调节系统。,2020/9/13,88,第三节 执行机构,工业机器人末端执行器 工业机器人是一种自动控制，可重复编程，多功能、多自由度操作机，是能搬动物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化产品。工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能的机构末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类：机械夹持器、特种末端执行器、万能手,2020/9/13,89,第三节 执行机构,机械夹持器 它是工业机器人中最常用的一种末端执行机构。机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹工件在移动、停留和装入过程中不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开。另外，它还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内。,2020/9/13,90,第三节 执行机构,机械夹持器常用压缩空气作动力源，经传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持器可有下述几种型式 圆弧开合型 圆弧平行开合型 直接平行开合型,2020/9/13,91,第三节 执行机构,圆弧开合型 在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧夹持器工作时，两手指绕支点作圆弧运动，同时对工件进行夹持和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常,2020/9/13,92,第三节 执行机构,圆弧平行开合型 这类夹持器两手 指工作时作平行 开合运动，而指 端运动轨迹为一 圆弧,2020/9/13,93,第三节 执行机构,直接平行开合型 这类夹持器两手指的运动轨迹为直线，且两指夹持面始终保持平行,2020/9/13,94,第三节 执行机构,真空吸附手结构简单，价格低廉，且吸附作业具有一定柔顺性，这样即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的工作。它常用小件搬运，也根据工件形状、尺寸、质量大小的不同将多个真空吸附手组合使用。,2020/9/13,95,第三节 执行机构,2）电磁吸附手 它同样结构简单、价格低廉，但它吸附 工件的过程是从 不接触工件开始 的。这种吸附方 式可以用于搬运 较大的可磁化性 材料的工件,2020/9/13,96,第一节 传感器的基础知识,检测系统是机电一体化设备中不可缺少的组成部分。其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其转变成可识别的电信号，传递给信息处理单元。如果把机电一体化系统中的机械系统看做是人的手足，信息处理系统看做是人的大脑，则检测系统好比人的感觉器官。自动化程度越高，控制系统对传感器的要求也就越高,2020/9/13,97,第一节 传感器的基础知识,把各种非电量信息转换为电信号 对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,2020/9/13,98,第一节 传感器的基础知识,3.1.1传感器的基本用途 传感器是借助检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式，由于电信号是最易于处理和便于传输的，所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。,2020/9/13,99,第一节 传感器的基础知识,3.1.2传感器的组成与分类 传感器的组成,2020/9/13,100,第一节 传感器的基础知识,敏感元件 直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成其他参数 基本转换电路 将电路参数转换成便于测量的电量,2020/9/13,101,第一节 传感器的基础知识,传感器的分类 目前采用的传感器分类方法主要有 按被测物理量分类：这种方法明确表明了传感器的作用，便于使用者选择，如位移、压力传感器 按传感器工作原理分类：这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器设计和应用，如压阻式、压电式、电感式,2020/9/13,102,第一节 传感器的基础知识,按传感器转换能量的方式分类 1）能量转换型（发电型）不需外加电源而将被测量转换成电能输出，如压电式，光电式等 2）能量控制型（参量型）需外加电源才能输出测试电量，如电阻、电感等,2020/9/13,103,第一节 传感器的基础知识,按传感器工作机理分类 1）结构型：被测参数变化引起传感器的结构变化，使输出电量变化，利用物理学中的定律和运定定律等构成 2）物性型：利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能与材料密切相关,2020/9/13,104,第一节 传感器的基础知识,按传感器输出信号的形式分类 1）模拟式：传感器输出为模拟电压量 2）数字式：传感器输出为数字量 习惯上，常把工作原理和用途结合起来命名传感器，有利于设计检测系统选择,2020/9/13,105,第一节 传感器的基础知识,3.1.4传感器的性能与选用原则 传感器的性能 传感器的性能分为静态性能指标和动态性能指标 传感器的静态性能 传感器在静态信号作用下，其输入输出关系称为静态性能，其包含有线性度、灵敏度、迟滞和重复性,2020/9/13,106,第一节 传感器的基础知识,线性度：传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差,2020/9/13,107,第一节 传感器的基础知识,灵敏度：是指传感器在静态信号输入情况下，输入变化对输入变化的比值s 一般希望传感器的灵敏度高一些，并且在满量程范围内是恒定的，即传感器的输入输出特性为直线,2020/9/13,108,第一节 传感器的基础知识,迟滞性：表明传感器在正、反行程期间输入输出特性曲线不重合的程度 产生迟滞性现象的主要原因是机械的间隙、摩擦或 磁滞等因素,2020/9/13,109,第一节 传感器的基础知识,重复性：表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时所得特性曲线的不一致程度,2020/9/13,110,第一节 传感器的基础知识,传感器的动态特性 指传感器对输入信号的响应特性，一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律。但实际上除了具有理想的比例特性环节外，输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输入与输出之间的差异叫做动态误差,2020/9/13,111,第一节 传感器的基础知识,传感器的选用原则 传感器是测量与控制系统的首要环节，通常应该具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求。 足够的容量，传感器的工作范围或量程要足够的大，具有一定过载的能力。,2020/9/13,112,第一节 传感器的基础知识,与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高，要求其输出信号与被测输入信号成确定关系，且比值要大。 反应速度快，工作可靠性好 适用性和适应性强，动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声小又不易受外界干扰的影响，使用安全。 使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准,2020/9/13,113,第二节 常用传感器,位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域应用十分广泛。常用的直线位移传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码器,2020/9/13,114,第二节 常用传感器,3.2.1线位移检测传感器 线位移传感器是利用敏感元件某些电参数随位移变化而改变的特性进行工作 电阻式线位移传感器 电感式线位移传感器 电容式线位移传感器 光栅式线位移传感器 激光式线位移传感器,2020/9/13,115,第二节 常用传感器,电阻式线位移传感器 电位器式线传感器 电位器式线位移传感器利用被测部件的移动通过拉杆带动电刷移动，从而改变输出的电量。其优点是：结构简单、性能稳定。缺点是 分辨率不高，易 磨损。,2020/9/13,116,第二节 常用传感器,电阻应变计式线位移传感器 利用应变片的弯曲，造成电阻变化， 将其转化成电压和电流的变化。 其优点结构简 单，性能稳定 ，精度高。不 足之处是动态 范围窄,2020/9/13,117,第二节 常用传感器,电感式线位移传感器 (1)差动电感式线位移传感器 利用磁芯在线圈筒中自由移动，切割磁力线产生电动势使电桥失去平衡，产生测量信号 其优点是具有动态范围宽和线性度好的优点 。缺点是有 残余电压。,2020/9/13,118,第二节 常用传感器,差动变压器式线位移传感器 将被测量转化为线圈的互感变化。这种 传感器具有分辨率高、线性度好等优 点，其缺点是残余电势较大,2020/9/13,119,第二节 常用传感器,电容式线位移传感器 平板电容器的电容决定于极板的工作面积、极板间介质的介电常数和极板间的距离，位移使电容器三个参数中的任意一个发生变化，均会引起电容量的变化。通过检测电路将电容量的变换转换为电压信号输出。电容式传感器具有结构简单，动态性能好、灵敏度和分辨率高的特点。它可用于无接触检测，并可在恶劣环境下工作。,2020/9/13,120,第二节 常用传感器,光栅式线位移传感器,2020/9/13,121,第二节 常用传感器,光栅是一种新型的位移检测元件，它的 特点是测量精度高、响应速度快和量程 范围大等。,2020/9/13,122,第二节 常用传感器,激光式线位移传感器 这种传感器动态范围宽、精度高、可用 于非接触检测。其缺点 是装置复杂、使用调试 不方便、价格高。,2020/9/13,123,第二节 常用传感器,3.2.2角位移传感器及转速传感器 电阻式角位移传感器 旋转变压器角位移传感器 电容角位移传感器 光栅角位移传感器 磁电式角位移传感器及转速传感器,2020/9/13,124,第二节 常用传感器,电阻式角位移传感器 其工作原理和电位器线位移传感器相似，不同之处是将电阻器做成圆弧型，电刷绕中心轴作旋转运动，这样电刷输出的电压就反映了电刷的转角。电阻式角位移传感器具有结构简单、动态范围大、输出信号强等特点；缺点是在圆弧型电阻器各段电阻率不一致情况下，会产生误差。,2020/9/13,125,第二节 常用传感器,旋转变压器角位移传感器 旋转变压器角实际上是初级和次级绕组之间的角度可以改变的变压器。常规变压器的两个绕组之间是固定的，其输入电压和输出电压之比保持常数。旋转变压器励磁绕组和输出绕组分别安装在定子和转子上。 旋转变压器具有精度高、可靠性好等特点，广泛应用在各种机电一体化系统中。,2020/9/13,126,第二节 常用传感器,电容角位移传感器 电容角位移传感器的工作原理是当动极板产生角位移时，电容器的工作面积发生变换，电容量随之改变。测量电路检测这种电容量变换，即可确定角位移。,2020/9/13,127,第二节 常用传感器,光栅角位移传感器 与光栅线位移传感器相比，光栅角位移传感器将光栅印在圆盘的圆周上。,2020/9/13,128,第二节 常用传感器,磁电式角位移传感器及转速传感器 利用导磁材料制成的齿轮代替光栅传感器的光栅盘，利用磁芯绕组代替光电元件，由于齿轮的转动会影响磁路的磁阻，使磁通量发生变化，进而在绕组中会产生相应的感应脉冲电压。对脉冲电压整形后进行计数，也可以达到测量角位移及角速度的目的。,2020/9/13,129,第二节 常用传感器,3.2.3速度与加速度传感器 电磁式速度传感器 其原理为壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一个试件，线圈置于内外磁极构成的均匀磁场中。如果线圈相对磁场运动，线圈由于切割磁力线而产生感应电动势，其大小为,2020/9/13,130,第二节 常用传感器,压电式加速度传感器 一些晶体材料，受到外力作用发生变形时，其内部发生极化，在材料的表明上会产生电荷，形成电场。压力发生变化时，表面电荷量也会随之发生变换，这种现象叫压电效应。利用压电效应，可以把机械力变换转换成电荷量的变换。做成压电 传感器,2020/9/13,131,第二节 常用传感器,下图为压电加速度传感器的一般原理图，当基座在垂直方向产生加速度a时，质量块对压电材料产生ma作用力，使陶瓷片两级产生相应的电荷，通过引线输出到电荷测量电路中，这样可以得到相应 的加速度值。,2020/9/13,132,第二节 常用传感器,3.2.4力传感器 电阻应变片传感器 弹性体在外力作用下会产生变形，将应变片粘贴在弹性体表面，即可检测到这种变形产生的应变，进而可以检测力的大小。利用应变片在弹性体上布片方式的不同或电阻丝形式的不同，可以检测拉压力、弯矩、扭矩、剪切力及压力等。由于电阻应变片结构简单、使用灵活，广泛应用在检测系统中。,2020/9/13,133,第二节 常用传感器,压力传感器 除了可以利用电阻应变片检测压力外，对液体或气体压力还可以采用其他方法检测。下列元件随着内外压力不同，会产生变形，通过测量变形大小或变形力的大小 即可测 量出压 力大小,2020/9/13,134,第二节 常用传感器,3.2.5接近传感器与距离传感器 电容式接近传感器 电容式接近传感器是利用检测被检测对象与检测极板间电容的变化，来检测物体的接近程度。,2020/9/13,135,第二节 常用传感器,电感式接近传感器 如果检测对象为钢、铁等磁性材料，可以利用其磁通特性检测物理的接近程度。,2020/9/13,136,第二节 常用传感器,电感式接近传感器和电容式接近传感器相比，电感式传感器的灵敏度会更高一些，检测电路也要简单一些，但被检测物体必须是磁性体。要检测地面、水面或生物体时，一般可使用电容式接近传感器。如果需要检测非良导电体，如塑料等材料物体的接近程度，上述两种传感器都无能为力，需要利用光电式或其他类型的传感器,2020/9/13,137,第二节 常用传感器,光电式接近传感器 使用一个发光二极管和一个光电三级管组成，当被检测物体表面接近交点时，发光二极管的发射光被光电三级管接受，产生电信号。当物体远离交点时，反射区不在光电三极管的视角内，检测电路没有输出。,2020/9/13,138,第二节 常用传感器,超声波距离传感器 利用超声波进行距离检测的原理是，向被检测物体发射超声波，并由被检测物体反射回来，通过检 测从发射到接收到反 射波所利用的时间来 实现距离测量。,2020/9/13,139,第二节 常用传感器,3.2.6温度、流量传感器 热电偶温度传感器 热敏电阻传感器 流量传感器,2020/9/13,140,第二节 常用传感器,热电偶温度传感器 热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个结 点的温度不同，则回路中产生 一个电动势，通常我们称这种 电动势为热电势，这种现象就 是热电效应,2020/9/13,141,第二节 常用传感器,热电阻传感器 利用热敏电阻可以制成温度传感器。 所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体，其电阻值随温度的变化而显著改变。,2020/9/13,142,第二节 常用传感器,流量传感器 涡流式流速传感器 浮子式流量传感器 涡流式流量传感器具有结构简单、精度高、安装方便等优点，流速过小或过大都会产生较大误差。浮子式流量传感器量程范围比较大，但工作条件要求比较高，由于靠重力平衡浮子的浮力，当发生倾斜或较大幅度振动时，会造成较大误差，甚至无法工作。,2020/9/13,143,第三节 传感器前期信号处理,传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现为形式不同的电信号。按传感器输出电信号的参量形式，可分为电压输出、电流输出和频率输出。其中以电压输出型为最多。在电流输出和频率输出传感器中，除了少数直接利用其电流或频率输出信号外，大多数采用变换器，将它们转换成电压输出型传感器。,2020/9/13,144,第三节 传感器前期信号处理,由于传感器输出的信号往往较弱，因此必须先将其放大。随着集成运算放大器的不断完善和价格的不断下降，传感器的信号放大采用集成运算放大器的越来越多。这里主要介绍几种典型的传感器信号放大器,2020/9/13,145,第三节 传感器前期信号处理,测量放大器 这种放大器具有很高的共模抑制比以及 高增益、低噪 声和高输入阻 抗。,2020/9/13,146,第三节 传感器前期信号处理,程控增益放大器 经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理 当数模信号送到模/数变换器时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号在模/数变换器输入的允许范围内尽可能达到最大值，然而当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟信号变化也较大。,2020/9/13,147,第三节 传感器前期信号处理,这种情况下如果输出只使用一个放大倍数的放大器，在进行小信号转换时将会引入较大的误差，无法满足上述要求。为了解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法来实现不同幅度信号的放大。在计算机自动测控系统中，往往不希望。有时也不可能利用手动办法来实现增益变换，而希望利用计算机采用软件控制的办法来实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器就叫 程控增益放大器。,2020/9/13,148,第三节 传感器前期信号处理,右下图为一利用改变反馈电阻值的办法来实现量程变换的可变增益放大器电路。当开关 闭合而其余两个开关断开时其放大倍数为 选择不同的开关 闭合，即可实现 增益的变换。,2020/9/13,149,第三节 传感器前期信号处理,隔离放大器 在有强电信号或强磁场干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。一般来说，隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流和电阻彼此隔离使之没有直接耦合的测量放大器,2020/9/13,150,第三节 传感器前期信号处理,由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此还具有以下特点。 保护系统元件不受高共模电压防止高压对低压信号系统的损坏 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端，无须提供偏流返回通路。 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。,2020/9/13,151,第四节 传感器接口技术,传感器信号的采样/保持 在对模拟信号进行模/数转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于A/D转换器的孔径时间，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转后又能跟踪输入信号的变换，即使输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器,2020/9/13,152,第四节 传感器接口技术,采样/保持器原理 集成采样/保持器的特点 采样速度快、精度高 下降速度慢,2020/9/13,153,第五节 传感器非线性补偿技术,许多传感器的输出信号与被测参数间存在着非线性，这种非线性直接影响机电一体化产品的精度。因此常采用软件方法对传感器的非线性特性进行补偿，降低对传感器的要求，提高检测精度。用软件处理的方法有：计算法、查表法和插值法,2020/9/13,154,第五节 传感器非线性补偿技术,计算法 当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿，即在软件编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。,2020/9/13,155,第五节 传感器非线性补偿技术,查表法 所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。查表法是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作。它具有编写程序简单。执行速度快等优点。,2020/9/13,156,第五节 传感器非线性补偿技术,表的排列不同，查表的方法也不同。常用的查表方法有：顺序查表法、计算查表法、对分查表法。,2020/9/13,157,第五节 传感器非线性补偿技术,2020/9/13,158,第五节 传感器非线性补偿技术,插值法 插值原理 设法找到一个函数去逼近输出与输入的函数关系式，使找到的函数在规定处与输出输入函数相等。 插值的计算机实现方法,2020/9/13,159,第五节 传感器非线性补偿技术,2020/9/13,160,第五节 传感器非线性补偿技术,2020/9/13,161,第五节 传感器非线性补偿技术,第一步：用实验法测出传感器的变化曲线 第二步：将上述曲线进行分段，选取各插值基点 （等距分段法、非等距分段法） 第三步：确定并计算出各插值点xi、yi值及相邻插值点的拟合直线的斜率，并存放在存贮器中。 第四步：计算xxi 第五步：找出x所在的区间（xi,xi+1）,并从存储器中取出该段的斜率的ki,2020/9/13,162,第五节 传感器非线性补偿技术,第六步：计算ki（x-xi） 第七步：计算结果y=yi+ki（x-xi） 对于非线性参数的处理，除了前面讲过的几种以外，还有许多其它方法，对于机电一体化测控系统来说具体采用哪种方法来进行非线性计算机处理，应根据实际情况和具体被测对象要求而定。,2020/9/13,163,第五节 传感器非线性补偿技术,2020/9/13,164,第六节 数字滤波,算术平均值法 算术平均值法是寻找一个Y值与各采样值间误差的平方和最小 中间值滤波法 中间值滤波法是在三个采样周期内，连续采样读入三个检测信号，从中选择一个居中的数据有效信号,2020/9/13,165,第六节 数字滤波,防脉冲干扰平均值法 将算术平均值法和中值滤波法结合起来，便可得到防脉冲干扰平均值法 程序判断滤波法 限幅滤波法 限速滤波法,2020/9/13,166,篇章结构,第一章 绪论 第二章 机械系统设计 第三章 传感器检测及其接口电路 第四章 伺服系统 第五章 工业控制计算机及其接口技术 第六章 几点一体化系统设计及应用举例,2020/9/13,167,第四章 伺服系统,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点 第二节 伺服系统的执行元件 第三节 执行元件的控制与驱动 第四节 伺服系统设计,2020/9/13,168,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,伺服系统的基本概念 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。 伺服是机电一体化产品的一个重要组成部分。其输出量是机械位置和角度。伺服系统主要用于机械设备位置和角度的动态控制。,2020/9/13,169,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,伺服系统的基本要求 由于执行元件是直接的被控对象，为了能按照控制命令的要求准确、迅速、精确、可靠地实现对控制对象的调整与控制，对伺服系统提出以下要求： 高可靠性 良好的动态性 动作的准确性 高效率,2020/9/13,170,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,在伺服系统的执行元件中，广泛使用的是伺服电动机，其作用是把电信号转换为机械运动。伺服电动机技术性能直接影响着伺服系统的动态特性、运动精度、调速性能等。一般情况下、伺服电动机应满足如下的技术要求。,2020/9/13,171,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,具有较硬的机械特性和良好的调节特性(理想情况下，两种特性曲线是一直线) 具有宽广而平滑的调速范围 具有快速响应特性 具有小的空载始动电压,2020/9/13,172,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,伺服系统的基本结构形式 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。,2020/9/13,173,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 控制器 控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。,2020/9/13,174,第一节 伺服系统的基本结构形式及特点,执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械