機電一體化系統(tǒng)

1、機電一體化系統(tǒng)復習資料概念部分1、 機電一體化系統(tǒng)基本要素機電一體化系統(tǒng)一般包括七個基本結(jié)構(gòu)要素：機械本體、動力部分、傳感檢測部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分、控制部分及信息處理單元。2、 機電一體化系統(tǒng)各元素功能3、 執(zhí)行機構(gòu)含義、種類機械本體含機械傳動裝置和機械結(jié)構(gòu)裝置人的身體,骨骼（數(shù)控的工作臺,絲桿等） 機械系統(tǒng)內(nèi)涵：起傳遞功率，支承連接、執(zhí)行功能。機械系統(tǒng)種類和作用1、傳動機構(gòu)：機電一體化系統(tǒng)中傳動機構(gòu)的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實際上它是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是其傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性有重

2、大影響。2、導向機構(gòu)：其作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。該機構(gòu)應能保證安全準確。3、執(zhí)行機構(gòu)：用來完成操作任務，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下完成預定的操作，一般要求它具有較高的靈敏度、精確度、良好的重復性和可靠性等。動力單元1、按照機電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以保證系統(tǒng)正常運行。2、機電一體化的顯著特征之一，是用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。 傳感控制單元1、自動檢測人的五官、皮膚（感應同步器,光柵） 。2、對系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分

3、析、處理產(chǎn)生相應的控制信息。執(zhí)行和驅(qū)動單元1、驅(qū)動單元:是在控制信息作用下，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。2、機電一體化技術一方面要求驅(qū)動單元具有高頻率和快速響應等特性，同時又要求其對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應性和可靠性；另一方面由于受幾何上動作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便，并且盡可能實行標準化、系列化、通用化。3、常見執(zhí)行和驅(qū)動單元：機械、電磁、電液執(zhí)行機構(gòu)和步進電機、交直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。 控制與信息處理單元機電一體化系統(tǒng)的核心單元，其功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、存儲、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應的控制信號，通過輸出接口

4、送往執(zhí)行機構(gòu)，控制整個系統(tǒng)有目的地運行，并達到預期的性能。1、接口連接機電一體化系統(tǒng)各個要素或子系統(tǒng)順利進行物質(zhì)、能量、信息交換的部件。2、接口的基本功能：交換、放大、傳遞3、機電一體化系統(tǒng)設計、調(diào)試和運行的難點在于接口部分。系統(tǒng)機械技術特點精度要求更高，結(jié)構(gòu)更簡單，功能更強大，性能更優(yōu)越，同時還要有更好的可靠性、維護性和更新穎的結(jié)構(gòu)。零部件要求模塊化、標準化、規(guī)格化，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，采用新型復合材料使系統(tǒng)減輕重量，縮小體積，又不降低機械的靜、動剛度，采用高精度導軌、精密滾珠絲杠、高精度主軸軸承和高精度齒輪等，以提高關鍵零部件的精度和可靠性；提高其互換性和維護性等。機械本體部分1、機械系統(tǒng)

5、主要作用：接受電機或原動機（發(fā)電機等）傳遞來的能量，并進行轉(zhuǎn)換；完成規(guī)定的動作，傳遞功率、傳遞運動，支承和連接相關部件。2、機械系統(tǒng)通常是微機控制的伺服系統(tǒng)的組成部分。使系統(tǒng)各部分保持確定的位置定位3、多級傳動系統(tǒng)中三種傳動比分配原則4、 滾珠絲桿基本功能和特點單軸：當d /dt= 0 ，n或 為常數(shù)稱靜態(tài)（相對靜止）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運動）。大于、小于0？多軸系統(tǒng)，為了列出這個系統(tǒng)的運動方程，必須把上述各量折算到某一軸上（電機軸），即折算成為單軸系統(tǒng)。5、機械手設計的基本要求？機電傳動系統(tǒng)的運動方程式（單軸）當d /dt= 0 ，n或 為常數(shù)稱靜態(tài)（相對靜止）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運動）TM 電機產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)

6、矩TL 負載轉(zhuǎn)矩n 轉(zhuǎn)速 角速度J 單軸傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動慣量t 時間 單軸機電傳動運動方程 一對齒輪傳動總轉(zhuǎn)動慣量二對齒輪傳動傳動總速比i=i1×i21、齒輪3、4裝在中間軸，其轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上為： J2 （ z1 / z2 ）2 J3（ z1 / z2 ）22、齒輪4的轉(zhuǎn)動慣量要進行二次折算或以總速比折算為 i1=z2/z1 i2=z4/z3二對齒輪傳動等效轉(zhuǎn)動慣量計算轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算負載轉(zhuǎn)矩的折算基本原則：功率守恒原則。即折算前的多軸系統(tǒng)同折算后的單軸系統(tǒng)，在功率關系上保持不變。則電動機軸上的負載功率是：（M 電動機角速度）TN.m=9550 Pkw/nr/mi

7、n滾珠絲杠結(jié)構(gòu)原理圖滾珠絲桿可將扭矩轉(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。螺母和絲桿可互為主動、從動一端裝止推軸承（固定自由式） 承載能力小，軸向剛度低，適用于短絲桿、輕載、低速、垂直安裝絲桿。一端裝止推軸承，另一端深溝球軸承（固定支承式）適用于中速、精度較高的長絲桿。 兩端裝止推軸承 并市價預緊力，提高傳動精度，適用于中速精度較高絲桿傳動。對熱伸長較敏感。兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式）施加預緊力，熱變形可轉(zhuǎn)化成止推軸承預緊力。適用于高剛度、高速度、高精度的精密絲桿傳動?？倐鲃颖热N原則的選擇具體工作條件進行選擇1、對于以提高傳動精度和減小回程誤差為主的降速

8、齒輪傳動鏈，可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則設計。若是增速機構(gòu)，則應在開始幾級就增速。2、對于要求運動平穩(wěn)。啟動頻繁和動態(tài)性能好的伺服減速機構(gòu)，可按最小轉(zhuǎn)動慣量和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設計；3、對于負載變化大的齒輪傳動裝置，各級傳動比最好用不可約的比數(shù)，避免同時嚙合。4、對于質(zhì)量要求盡可能小的降速傳動鏈，按質(zhì)量最小原則設計；5、對于傳動比很大的齒輪傳動鏈，可把定軸輪系和行星齒輪系結(jié)合設計。同步齒形帶特點1、 利用齒形帶的齒形和皮帶輪的輪齒依次嚙合來傳遞運動和動力。2、 和平皮帶，三角帶比：傳動比準確、傳動效率高、能吸振，噪聲低、傳動平穩(wěn)、高速傳動、維修保養(yǎng)方便等。但是，安裝精度要求高、中心距要求嚴

9、格，有蠕動性。同步齒形帶基本組成組成源頭剛輪1、柔輪2、波發(fā)生器3組成。柔輪：有外齒的彈性薄壁件，剛輪是剛性內(nèi)齒圈，波發(fā)生器是橢圓凸輪及壓配在凸輪上的薄壁軸承。同步齒形帶特點1、 傳動比大，單級為50500，多級可達30000以上；2、 承載能力大：同時嚙合齒數(shù)可達總齒數(shù)的30%40%。3、 傳動精度高：比齒輪傳動精度高一級以上。4、 齒側(cè)間隙小：可以調(diào)整到最小，減少回程誤差。5、 傳動平穩(wěn)：基本無沖擊振動。6、 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，可減少對應齒輪減速器的1/2到1/3。同步齒形速比計算波發(fā)生器輸入i剛輪固定，柔輪輸出0，傳動比i=i/0 = - ZR（ZG-ZR）（負號表示轉(zhuǎn)向相反）Z

10、R柔輪外齒數(shù)，ZG剛輪內(nèi)齒數(shù)柔輪固定，剛輪輸出0 ，傳動比i= i / 0 = ZG（ZG-ZR）滾動導軌1、 兩導軌之間為滾動摩擦，放置滾珠、滾柱、滾珠、滾針等實現(xiàn)無滑動的相對運動。2、 特點：磨損小、壽命長、定位精度高、靈敏度高、運動平穩(wěn)可靠。結(jié)構(gòu)復雜，幾何精度要求高、抗震性差，防護要求高、制造困難。3、 適用：工作部件移動均勻、動作靈敏、精度要求高場合。機械手機械夾持器基本功能夾持和松開機械手夾持器設計計算要點1、 利用手指或卡爪與工件接觸面間的摩擦力夾持工件，工件從靜止狀態(tài)開始可能有多種運動狀態(tài)，受理情況是不同的。2、 除自重外，運動變速時有慣性力。3、 設計時，夾持本位很重要。4、

11、計算時，著重考慮正壓力。開關量輸入輸出接口（ I / 0 ）開關量輸入接口開關量輸入電路可分為 3 類：直流輸入接口、交流輸入接口和交直流輸入接口。 直流輸入接口直流輸入接口所用的電源，一般由 PLC 內(nèi)部 24V 直流電源供給。 交流輸入接口交直流輸入接口 開關量輸出接口（外部供電） 直流輸出接口（晶體管輸出型） 交流輸出接口（雙向晶閘管輸出型） 交直流輸出接口（繼電器輸出型）開關量輸入輸出單元接線1、匯點式接線：輸入或輸出回路又一個公共端（匯集端）COM，可以把全部輸入或輸出為一組，公用一個公共端和同一個電源；2、分隔式接線：每個輸入或輸出點單獨用各自電源接入，沒有公共端匯點，有各自的CO

12、M端，每個輸入或輸出是隔離的。伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)（伺服機構(gòu)、隨動機構(gòu)）以機械量（如位移、速度、加速度、力、力矩等）為被控制量的自動控制系統(tǒng)。即系統(tǒng)輸出能快速準確地跟隨輸入指令的變化。分類：開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)開環(huán)：一般為步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)半閉環(huán)、閉環(huán)：一般為伺服電機驅(qū)動控制系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)的基本要求1、穩(wěn)定性：作用在系統(tǒng)上擾動信號消失后系統(tǒng)能恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)下運行或在輸入指令信號作用下系統(tǒng)能達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。2、精度及系統(tǒng)誤差：精度是指輸出量復現(xiàn)輸入指令信號，其準確程度由三種誤差衡量，即動態(tài)、靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)誤差。對伺服系統(tǒng)的影響精度因素系統(tǒng)誤差可以根據(jù)規(guī)律加以消除；隨機誤差不能

13、消除，只能控制在運行范圍內(nèi)。步進電機概念1、步進電機的含義是自動控制系統(tǒng)中常見的執(zhí)行元件，屬于階躍型同步電機，輸入信號為脈沖電流；它能將輸入的脈沖電流轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移，即每接收到一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度（步距角）或前進一步；2、步進電機基本特點直接接受數(shù)字信號，不需要進行數(shù)模轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)動慣量小，在電機允許范圍內(nèi)能夠快速啟動和停止；定位精度非常高，雖然步距角有誤差，但一圈后可以消除誤差、無積累誤差；工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓波動、電流大小波動、溫度變化）的影響，只要干擾大小未引起丟步（輸入脈沖后未能使電機轉(zhuǎn)動），就不會影響工作。3、步進電機的典型應用需要精確定

14、位場合，如機床進給系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)、繪圖機、打印機；工業(yè)控制系統(tǒng)中，可不需要傳感器就可達到精確定位，在開環(huán)控制系統(tǒng)中廣泛使用。步進電機運行特性、性能指標及意義1、分辨力在一個電脈沖作用下（即一拍），電機轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角。 越小分辨力越高。常用有0.6°/1.2°、0.9°/1.8°、1°/2°、1.5°/3°等。反應式電機一般為1.5°；永磁式7.5°或15°；混合式兩相1.8°，五相0.72°。2、額定電壓驅(qū)動電源供給的電壓，一般不等于加在繞組兩端的電壓；

15、額定電流電機不動時第一相繞組允許通過的電流，而轉(zhuǎn)動時每相繞組通過的是脈沖電流。3、靜態(tài)特性在穩(wěn)定狀態(tài)下的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。步距角1、在一個電脈沖作用下（即一拍），電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角。2、步距角愈小，則驅(qū)動控制的精度愈高。作為控制系統(tǒng)而言，也認為是分辨率高。3、一般反應式步進電機的步距角為0.75°3°。 4、特殊情況下，步距角0.036 °，即一轉(zhuǎn)能達到1000步（每轉(zhuǎn)步數(shù)稱分辨率）。通過細分電路（將一個脈沖分解成若干等距脈沖），可以細化分辨率，但精度不一定提高。5、 矩角特性：單項通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角的變化曲線。外加轉(zhuǎn)矩取消

16、，電機能會未定平衡點（ =0）。步進電機啟動頻率fq1、fq：步進電機由靜止突然啟動，進入不失步的正常運行所允許的最高啟動頻率稱為的啟動頻率或突跳頻率。2、若系統(tǒng)啟動時頻率大于啟動頻率，步進電機就不能正常啟動。根據(jù)加工精度確定脈沖當量選擇步距角1、脈沖當量：步進電機一個脈沖（或一個步距角）經(jīng)過傳動鏈使得執(zhí)行機構(gòu)移動的距離。2、脈沖當量的設定與加工精度和執(zhí)行機構(gòu)位移分辨率有關。對于滾珠絲桿螺母傳動機構(gòu)： 步距角 = 360°· / P· i 為步距角（°） P: 絲桿螺距（mm） i傳動比 脈沖當量 其中P通過計算得到，i通過計算分配（不超過三級傳動）根據(jù)

17、進給速度（最高）確定步進電機工作頻頻率1、找到執(zhí)行機構(gòu)最高運行速度和電機頻率的關系。其運行速度收電機最高頻率限制。2、電機樣本一般給出電機最高頻率；3、注意撥碼開關設置，可能分高速和低速。根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩或阻力選擇步進電機轉(zhuǎn)矩1、 若執(zhí)行機構(gòu)速度（如進給速度）要求的頻率大于啟動頻率，電機有加速運動。2、 電機轉(zhuǎn)矩須克服負載轉(zhuǎn)矩（含負載轉(zhuǎn)矩+摩擦阻力局等）和慣性轉(zhuǎn)矩。必須克服最大峰值轉(zhuǎn)矩。3、 一般加上保險系數(shù)1.051.1。做出負載圖（在速度上的分布情況）與廠家樣本給出的矩頻特性圖比較，與負載匹配。要求各段負載轉(zhuǎn)矩鈞小于矩頻特性上轉(zhuǎn)矩，并留有余地。根據(jù)初選電機慣頻特性校核系統(tǒng)啟動性能根據(jù)慣頻特性查

18、出電機帶負載慣量后的啟動頻率應滿足系統(tǒng)要求。通過計算則一般是： TL/Tm0.5 JL/Jm 4 根據(jù)矩頻特性計算加減時間校核系統(tǒng)快速性1、步進電機帶摩擦和負載后的啟動頻率較低（如步距角1.5°時，啟動頻率不超過1000Hz），因此不能滿足伺服系統(tǒng)的快速要求需要采用加減速電路。2、加減時間對系統(tǒng)快速性影響極大，可根據(jù)矩頻特性分段線性化粗略計算加減時間。計算結(jié)果的時間大于系統(tǒng)允許的加、減時間或整個行程的平均速度低于系統(tǒng)的要求，則應該重新選擇電機或傳動比。根據(jù)電機精度和矩角特性校對靜態(tài)定位誤差1、靜態(tài)定位誤差=步距誤差+傳動累計誤差+負載摩擦引起隨機誤差2、負載摩擦引起隨機誤差可從矩角特

19、性作出，或近似計算 3、若定位誤差不能滿足系統(tǒng)要求，重選高精度等級的電機或減小步距角或采用細分電路等措施。伺服系統(tǒng)1、 伺服控制系統(tǒng)的含義2、 閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán)控制系統(tǒng)的異同，用途3、 步進電機步距角、相、工作方式、拍等含義4、 如何使步進電機換向和變速5、 步進電機驅(qū)動器撥碼開關的作用6、 變頻調(diào)速器組成7、 變頻調(diào)速有哪兩種8、 變頻調(diào)速器主要接線端子9、 伺服電機與配套電機的異同10、比較閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán)控制步進電機的PLC控制其中：步進電機驅(qū)動器一端提供與PLC相連的轉(zhuǎn)速信號CP、轉(zhuǎn)向信號DIR、啟動信號EN；一端提供與步進電機相線（U、u、V、v）相連的驅(qū)動接口。驅(qū)動器與PLC接

20、線圖步進電機驅(qū)動器及接線兩相步進電機接線圖1. PLS+、PLS-：步進電機驅(qū)動器脈沖信號端子，接受PLC發(fā)來的脈沖信號。2. DIR+、DIR-：步進電機驅(qū)動器方向信號端子。3. FREE+、FREE-：為脫機信號。被接步進電機每脈沖信號輸入時具有自鎖功能，可鎖住轉(zhuǎn)子不動。有脫機信號時解除自鎖功能，轉(zhuǎn)自出于自由狀態(tài)不響應步進脈沖。4. V+、GDN：驅(qū)動器直流電源端子。交流電源較少。分析實例步進電機點動控制按下正轉(zhuǎn)按鈕電機正轉(zhuǎn)，電動速度是1r/s。步進電機細分數(shù)為2000脈沖/r。 控制信號規(guī)定：X1正轉(zhuǎn)、X2反轉(zhuǎn)，Y0脈沖輸出點，Y2方向信號（斷開正轉(zhuǎn)，接通反轉(zhuǎn)）。計算脈沖頻率：因速度為1r/s，細分數(shù)2000脈沖/r。則頻率2000（脈沖/s），即脈沖頻率設定為2000Hz。程序：說明：脈沖數(shù)量不一定如程序中的99999999，只要設定數(shù)量足夠大就可以。因為點動對對脈沖數(shù)量不確定，按下按鈕就轉(zhuǎn)。若脈沖數(shù)量小于點動值，脈沖走完電機就會停止。變頻調(diào)速原則及其機械特性常見方法恒磁通、恒流、恒功率變頻調(diào)速1、恒磁通變頻調(diào)速：保持磁通量恒定，須使電壓隨頻率成正比變化，即定子電壓和頻率比值不變，