機電一體化習題課

作業(yè)題1.什么是機電一體化？機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素有哪些？定義：“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?！奔窗褭C械部分和電子部分各作為一個環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在一個“系統(tǒng)”之中。為了使系統(tǒng)的運行達到最優(yōu)化，應該使構成系統(tǒng)的所有硬件采取最佳組合方式。機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素答：機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素有：結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素五個要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間，通過接口耦合、運動傳遞、物質(zhì)流動、信息控制、能量轉換有機融合集成一個完整系統(tǒng)。包括機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分五大部分。機械本體——系統(tǒng)所有功能元素的機械支持結構，包括機身、框架、聯(lián)接等。動力與驅動部分——在控制信息作用下，提供動力，驅動各執(zhí)行機構完成各種動作和功能。執(zhí)行機構——根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作。傳感測試部分——對系統(tǒng)運行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，變成可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠帧獙碜愿鱾鞲衅鞯臋z測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令控制整個系統(tǒng)有目的地運行。2.簡要敘述機電一體化系統(tǒng)的共性關鍵技術機電一體化系統(tǒng)的共性關鍵技術包括以下幾個方面：機械設計技術、系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術和伺服傳動技術等多學科技術。

機械設計技術——機電一體化的基礎。計算機與信息處理技術——信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策，實現(xiàn)信息處理的工具是計算機，因此計算機技術與信息處理技術是密切相關的。計算機技術包括計算機的軟件技術和硬件技術，網(wǎng)絡與通信技術，數(shù)據(jù)技術等。在機電一體化系統(tǒng)中，計算機信息處理部分指揮整個系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)技術——以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā)，將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，以功能單元為子系統(tǒng)進行二次分解，生成功能更為單一和具體的子功能單元。這些子功能單元同樣可繼續(xù)逐層分解，直到能夠找出一個可實現(xiàn)的技術方案。接口技術是系統(tǒng)技術中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。自動控制技術——范圍很廣，主要包括：基本控制理論，在此理論指導下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)的設計；設計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。

傳感與檢測技術——關鍵元件是傳感器。與信息系統(tǒng)的輸入端相聯(lián)并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高。伺服傳動技術——直接執(zhí)行操作的技術，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉換裝置或部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。3.機電一體化機械系統(tǒng)由哪幾部分組成（1）傳動機構。傳遞轉矩和轉速。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大影響。（2）導向機構。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。該機構應能保證安全、準確。（3）執(zhí)行機構。完成操作任務。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。4.常用的機械傳動機構有哪些？各有何特點。滾珠絲杠副、同步帶傳動副、諧波齒輪傳動等。滾珠絲杠副新型螺旋傳動機構，將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠，當絲桿轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。為防止?jié)L珠從螺紋滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。滾動絲杠副特點①傳動效率高。90%-95%②運動具有可逆性。正逆效率基本一樣③系統(tǒng)剛度好。能預緊，無爬行④傳動精度高。制造精度高⑦工藝復雜。成本高⑥不能自鎖。因重力而下滑⑤使用壽命長。磨損小，比滑動高5-6倍同步帶傳動同步帶傳動是綜合了帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動特點的一種新型傳動，如圖所示。帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運動和動力。與一般帶傳動相比較，同步帶傳動具有如下特點：同步帶傳動特點①能方便地實現(xiàn)較遠中心距的傳動；②工作平穩(wěn)，能吸收振動；③不需要潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便；④強度高，厚度小，重量輕；⑤中心距要求嚴格，安裝精度要求高；⑥制造工藝復雜，成本高。諧波齒輪傳動工作原理主要組成元件工作過程實用產(chǎn)品工作波形諧波齒輪傳動優(yōu)點①傳動比大。單級50-5000,最高可達30000以上②承載能力大。同時嚙合齒數(shù)有30%--40%③傳動精度高。嚙合齒數(shù)多，誤差均化④可以向密封空間傳遞運動或動力。⑤傳動平穩(wěn)。無沖擊振動⑥傳動效率高。單級在69%-96%⑦結構簡單、體積小、重量輕。諧波齒輪傳動用于機器人、雷達、射電望遠鏡、電子儀器、儀表等的大傳動比傳動機構中缺點①柔輪和波發(fā)生器制造復雜。②傳動比下限值較高。③不能做成交叉軸和相交軸的結構。5.如何消除滾珠絲杠副的軸向間隙？雙螺母預緊（F預〈Fmax/3）。常用的消除軸向間隙的方法有以下幾種：雙螺母螺紋預緊調(diào)隙式。雙螺母齒差預緊調(diào)隙式。雙螺母墊片預緊調(diào)隙式。彈簧式自動調(diào)整預緊式。分析計算題如圖已知齒輪1的齒數(shù)Z1=25，轉動慣量J1=0.0003Kg.m2，齒輪2的齒數(shù)Z2=50，轉動慣量J2=0.0048Kg.m2，滾珠絲杠的轉動慣量J3=0.003Kg.m2，絲杠螺距P=10mm，電機的轉動慣量JM=0.0016Kg.m2,工作臺質(zhì)量m=100Kg,驅動系統(tǒng)總效率為0.8,工作臺與導軌面的摩擦系數(shù)為0.02,不考慮切削阻力,電機達到最高轉速500r/min的啟動加速時間為50ms。試求此系統(tǒng)轉換到電機軸上的等效轉動慣量和等效力矩電機工作臺mZ1J1Z2J2J3等效轉動慣量的計算系統(tǒng)由有m個轉動件和n個移動件組成，等效到電機軸上的等效轉動慣量為：式中：Ji為第i個轉動件的轉動慣量（Kg.m2

）；ni為其轉速；nk為電機軸的轉速（r/min）；vj為第j個移動件的移動速度（m/min）；mj為其質(zhì)量（Kg）由題意已知，有齒輪1，2，絲杠三個轉動件，工作臺一個移動件。而且已知各自的轉動慣量齒輪1的轉動慣量J1=0.0003Kg.m2，齒輪2轉動慣量J2=0.0048Kg.m2，滾珠絲杠的轉動慣量J3=0.003Kg.m2。由齒輪1的齒數(shù)Z1=25，齒輪2的齒數(shù)Z2=50，可以得到總的等效轉動慣量為：(2)加速力矩Ta阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5(N)等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M)齒輪減速機構級數(shù)越多，等效力矩越小。分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機理。兩種特性利用光耦隔離器的開關特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾。輸入端為高電平，使二極管發(fā)光，使光敏三極管導通，從輸出端輸出高電平；輸入端為低電平，使二極管截止，使光敏三極管截止，從輸出端輸出低電平。作用機理輸入端和輸出端沒有直接的電的耦合（沒有公共的電源端和地端），而是靠光來耦合，其傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。

簡述數(shù)字量輸出通道的功能及其常用的輸出驅動電路。功能把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù)字驅動信號。常用的輸出驅動電路三極管輸出驅動電路、繼電器輸出驅動電路、晶閘管輸出驅動電路、固態(tài)繼電器輸出驅動電路等。對比分析說明三極管輸出驅動與繼電器輸出驅動的異同點。使用場合：

低壓小電流開關量

輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。（一）三極管驅動電路CPU數(shù)據(jù)線D＝“0”，經(jīng)反相器后變?yōu)椤?”，三極管導通。經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di＝“1”時，經(jīng)7406反相驅動器變?yōu)椤?”，光耦隔離器的發(fā)光二極管導通且發(fā)光，使光敏三極管導通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅動大型負荷設備。由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅動器件，應在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。（二）.繼電器驅動電路相同點：數(shù)字量輸出驅動電路，靠數(shù)字量進行開關控制。不同點：適用場合不一樣三極管：低壓小電流場合繼電器：弱電控制強電，驅動電路的控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。需要續(xù)流回路。1.晶閘管驅動電路圖3-36雙向晶閘管輸出驅動電路當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”時，經(jīng)7406反相變?yōu)榈碗娖?，光耦二極管導通，使光敏晶閘管導通，導通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導通，從而驅動大型交流負荷設備RL。續(xù)續(xù)續(xù)對比分析說明晶閘管輸出驅動與固態(tài)繼電器輸出驅動電路的異同點。2固態(tài)繼電器驅動電路Di=“0”時，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導通,SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負荷設備RL。圖3-38固態(tài)繼電器輸出驅動電路相同點：數(shù)字量輸出驅動電路，靠數(shù)字量進行開關控制；無觸點開關；弱電控制強電（小功率驅動大功率）不同點：晶閘管不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。固態(tài)繼電器本身帶有光電耦合電路，不需要采用隔離措施，而且其輸出驅動電路中要考慮增加阻容吸收組件，進行過電壓和過電流保護。功率接口器件的區(qū)別繼電器：頻率低，過載能力強，有隔離干擾作用，但本身容易產(chǎn)生火花；適用于高電壓大電流負載，不能與CPU直接相連，需要加隔離措施大功率三極管，晶閘管：頻率高，過載容易損壞，容易對周圍產(chǎn)生干擾；大功率三極管適用于低電壓小電流的負載，晶閘管適用于高電壓大電流負載，不能與CPU直接相連，需要加隔離措施固態(tài)繼電器：頻率高，抗干擾能力強，體積大。適用于高電壓大電流負載。

串模干擾是指迭加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。

對串模干擾的抑制較為困難，因為干擾Un直接與信號Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。一、串模干擾的抑制何謂串模干擾？何謂共模干擾？分別說明抑制其干擾的主要措施。

共模干擾是指控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓。共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。共模干擾電壓的抑制就應當是有效的隔離兩個地之間的電聯(lián)系，以及采用被測信號的雙端差動輸入方式。變壓器隔離光電隔離浮地屏蔽二、共模干擾的抑制1．變壓器隔離利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計算機的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。

圖3-70變壓器隔離2．光電隔離最常用。在數(shù)字信號通道中進行隔離。主要用在模擬量輸入輸出通道中，即在A/D轉換器與CPU或CPU與D/A轉換器的數(shù)字信號之間插入光耦隔離器，以進行數(shù)據(jù)信號和控制信號的耦合傳送

圖3-71光電隔離器的數(shù)字信號隔離浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少，從而抑制了共模干擾的來源，使共模干擾降至很低，圖3-73給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。3．浮地屏蔽（a）原理框圖（b）等效電路圖3-73浮地輸入雙層屏蔽放大電路畫圖說明光柵莫爾條紋的形成原理，并簡述其主要優(yōu)點。將標尺光柵和指示光柵重疊在一起，并使它們的刻線之間形成一個很小的交角，如圖4-7所示，由于遮光效應，在黑色光柵相交處，刻線聚集較密，形成暗帶；其他地方刻線較稀，形成亮帶。這種在光柵垂直方向上出現(xiàn)的明暗相間