機(jī)電一體化概述匯總

單元一機(jī)電一體化概述1.1.1機(jī)電一體化的定義“機(jī)電一體化是在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱?！薄皺C(jī)電一體化”是將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多門技術(shù)學(xué)科在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上相互滲透、有機(jī)結(jié)合而形成和發(fā)展起來(lái)的一門新的邊緣技術(shù)學(xué)科。1.1.3機(jī)電一體化的內(nèi)容機(jī)電一體化包含了技術(shù)和產(chǎn)品兩方面的內(nèi)容，首先是指機(jī)電一體化技術(shù)，其次是指機(jī)電一體化產(chǎn)品。1.1.4機(jī)電一體化的特點(diǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)是多功能、高效率、高智能、高可靠性，同時(shí)又具有輕、薄、細(xì)、小、巧的優(yōu)點(diǎn)，其目的是不斷滿足人們生產(chǎn)生活的多樣性和省時(shí)、省力、方便的需求。2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成1.2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能組成傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問(wèn)題，而機(jī)電一體化產(chǎn)品除了解決物質(zhì)流和能量流以外，還要解決信息流的問(wèn)題。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)輸入的物質(zhì)、能量與信息（即所謂工業(yè)三大要素）按照要求進(jìn)行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主功能包括變換（加工、處理）、傳遞（移動(dòng)、輸送）、儲(chǔ)存（保持、積蓄、記錄）三個(gè)目的功能。主功能也稱為執(zhí)行功能，是系統(tǒng)的主要特征部分，完成對(duì)物質(zhì)、能量、信息的交換、傳遞和儲(chǔ)存。機(jī)電一體化系統(tǒng)還應(yīng)具備動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造功能等其他功能。加工機(jī)是以物料搬運(yùn)、加工為主，輸入物質(zhì)（原料、毛坯等）、能量（電能、液能、氣能等）和信息（操作及控制指令等），經(jīng)過(guò)加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質(zhì)的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）。動(dòng)力機(jī)，其中輸出機(jī)械能的為原動(dòng)機(jī)，是以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量（或物質(zhì)）和信息，輸出不同能量（或物質(zhì)）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）。信息機(jī)是以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息（如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）。1.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素機(jī)電一體化系統(tǒng)一般由機(jī)械本體、傳感檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制及信息處理、動(dòng)力系統(tǒng)等五部分組成，各部分之間通過(guò)接口相聯(lián)系。機(jī)械本體機(jī)械本體包括機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)體，用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理地結(jié)合起來(lái)，形成有機(jī)的整體。動(dòng)力部分動(dòng)力部分是按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作以完成預(yù)定的主功能。傳感檢測(cè)部分傳感檢測(cè)部分是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后變成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧⑶医?jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件在控制信息的作用下完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主功能?？刂萍靶畔卧刂萍靶畔卧獙?lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行處理、運(yùn)算和決策，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。1.2.3機(jī)電一體化系統(tǒng)接口概述機(jī)電一體化系統(tǒng)由許多要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，各要素或子系統(tǒng)之間必須能順利地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。各要素或各子系統(tǒng)相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件稱為接口。接口設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)是解決功能模塊間的信號(hào)匹配問(wèn)題，根據(jù)劃分出的功能模塊，在分析研究各功能模塊輸入/輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，計(jì)算制定出各功能模塊相互連接時(shí)所必須共同遵守的電氣和機(jī)械的規(guī)范和參數(shù)約定，使其在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)能夠“直接”相連。接口設(shè)計(jì)的要求微機(jī)接口。微機(jī)接口通常由接口電路和與之配套的驅(qū)動(dòng)程序組成。能夠使被傳動(dòng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在電氣上、時(shí)間上相互匹配的電路稱為接口電路;能夠完成這種功能的程序稱為接口程序。信息轉(zhuǎn)換主要包括以下方面:數(shù)字量/模擬量的轉(zhuǎn)換(D/A)濮擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換(A/D);從數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖量;電平轉(zhuǎn)換;電量到非電量的轉(zhuǎn)換;弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換以及功率匹配等。機(jī)械傳動(dòng)接口。要求它的連接機(jī)構(gòu)緊湊、輕巧，具有較高的傳動(dòng)精度和定位精度，安裝、維修、調(diào)整簡(jiǎn)單方便，剛度好，響應(yīng)快。3機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)論、信息論、控制論是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，那么微電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)等就是它的技術(shù)基礎(chǔ)。機(jī)電一體化技術(shù)是以機(jī)械電子系統(tǒng)或產(chǎn)品為對(duì)象，以數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)等為工具，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)，以便允分發(fā)揮人力、物力和財(cái)力，通過(guò)各種組織管理技術(shù)，使局部與整體之間協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)包括物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)，而有效地利用各種信號(hào)所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號(hào)處理和信號(hào)識(shí)別技術(shù)。1.3.2關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括精密機(jī)械技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、接口技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)等。5.2機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下。智能化2.模塊化3.網(wǎng)絡(luò)化4.微型化5.綠色環(huán)保化6.人性化7.集成化單元二機(jī)電一體化機(jī)械技術(shù)1概述機(jī)械是由機(jī)械零件組成的，能夠傳遞運(yùn)動(dòng)并完成某些有效工作的裝置。機(jī)械由輸入部分、轉(zhuǎn)換部分、傳動(dòng)部分、輸出部分及安裝固定部分等組成。通用的傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零件有齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿、帶、帶輪、曲柄和凸輪等。兩個(gè)零件互相接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就形成了運(yùn)動(dòng)副，由若干運(yùn)動(dòng)副組成的具有確定運(yùn)動(dòng)的裝置稱為機(jī)構(gòu)。就傳動(dòng)而言，機(jī)構(gòu)就是傳動(dòng)鏈，從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面來(lái)考慮，傳動(dòng)鏈越短越好，這有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體最佳目標(biāo)。在必須保留一定的傳動(dòng)件時(shí)，在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)力求傳動(dòng)件“輕、薄、細(xì)、小巧”，這就要求采用特種材料和特種加工工藝。2.1.1機(jī)械運(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)根據(jù)所施外力的不同，物體的運(yùn)動(dòng)可分為等速運(yùn)動(dòng)、不等速運(yùn)動(dòng)和間歇運(yùn)動(dòng)等。等速運(yùn)動(dòng)可分為單方向運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而加速運(yùn)動(dòng)就是一種不等速運(yùn)動(dòng)，間歇運(yùn)動(dòng)則是指每隔一定時(shí)間自行停止的運(yùn)動(dòng)。機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)包括沿特定軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、沿規(guī)定直線的直線運(yùn)動(dòng)以及平面運(yùn)動(dòng)等。具有代表性的主要機(jī)械零件可分為緊固零件、傳動(dòng)零件和支撐零件。多種機(jī)械零件的有機(jī)組合就構(gòu)成了機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)構(gòu)中的一個(gè)零件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)中的其他零件將對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇機(jī)構(gòu)是機(jī)械中最常用的三種機(jī)構(gòu)。1.2機(jī)電一體化中的機(jī)械系統(tǒng)及其基本要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而且已成為伺服系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。因此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)除了要滿足傳動(dòng)精度的要求，而且還要滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性的要求。導(dǎo)向及支承機(jī)構(gòu)導(dǎo)向及支承機(jī)構(gòu)的作用是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)保證一個(gè)良好導(dǎo)向和支承性能，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障，一般指導(dǎo)軌、軸承等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用以完成操作任務(wù)的直接裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下，完成預(yù)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(fù)性和可靠性由于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，使傳統(tǒng)作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)發(fā)展為具有動(dòng)力、變速與執(zhí)行等多重功能的伺服電動(dòng)機(jī)，從而大大地簡(jiǎn)化了傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。除以上三部分外，機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械部分通常還包括機(jī)座、支架、殼體等。機(jī)電一體化中的機(jī)械系統(tǒng)除了滿足一般機(jī)械設(shè)計(jì)的要求外，還必須滿足以下幾種特殊要求。1.高精度精度是機(jī)電一體化產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)，對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置精度，其中包括結(jié)構(gòu)變形、軸系誤差和傳動(dòng)誤差，另外還要考慮溫度變化的影響。2.小慣量傳動(dòng)件本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大慣量會(huì)使機(jī)械負(fù)載增大、系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢、靈敏度降低，使系統(tǒng)固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振;使電氣驅(qū)動(dòng)部分的諧振頻率變低，阻尼增大。反之，小慣量則可使控制系統(tǒng)的帶寬做得比較寬，快速性比較好、精度比較高，同時(shí)還有利于減小用于克服慣性載荷的伺服電機(jī)的功率，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精度。3.大剛度機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)要有足夠的剛度，彈性變形要限制在一定范圍之內(nèi)。彈性變形不僅影響系統(tǒng)精度，而且影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率、控制系統(tǒng)的帶寬和動(dòng)態(tài)性能。機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣有傳動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，只是由于機(jī)電一體化的特征決定了在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中有它自身的特點(diǎn)。2.2機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能，從而要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足以下幾個(gè)方面:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、剛度大、阻尼合適，此外還要求摩擦小、抗振性好、間隙小，特別是其動(dòng)態(tài)特性與伺服電動(dòng)機(jī)等其他環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性相匹配。2.2.1齒輪傳動(dòng)在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動(dòng)裝置的目的有兩個(gè):一是將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)(如步進(jìn)電機(jī)、直流或交流伺服電機(jī)等)的輸出，改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行件的輸出;二是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重。此外，對(duì)開環(huán)系統(tǒng)還可以保證所要求的精度。提高傳動(dòng)精度的結(jié)構(gòu)措施有以下幾種。適當(dāng)提高零部件本身的精度。合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈，減少零部件制造、裝配誤差對(duì)傳動(dòng)精度的影響。首先，合理選擇傳動(dòng)形式其次，合理確定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比;最后，合理布置傳動(dòng)鏈。采用消隙機(jī)構(gòu)，以減少或消除空程消除齒輪傳動(dòng)中側(cè)隙的措施。圓柱齒輪傳動(dòng)偏心軸套調(diào)整法。(2)錐度齒輪調(diào)整法。(3)雙向薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法。2.2.2帶傳動(dòng)普通帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的帶，靠它們之間的摩擦或嚙合，在兩軸(或多軸)間傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。根據(jù)傳動(dòng)原理不同，帶傳動(dòng)可分為摩擦型和嚙合型兩大類，常見(jiàn)的是摩擦帶傳動(dòng)。摩擦帶傳動(dòng)根據(jù)帶的截面形狀分為平帶、V帶、多楔帶和圓帶等靠摩擦工作的帶傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是:①因帶是彈性體，能緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)噪聲;②過(guò)載時(shí)將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件損壞;③制造和安裝精度不像嚙合傳動(dòng)那樣嚴(yán)格;④可增加帶長(zhǎng)以適應(yīng)中心距較大的工作條件(可達(dá)巧m)。其缺點(diǎn)是:①帶與帶輪的彈性滑動(dòng)使傳動(dòng)比不準(zhǔn)確，效率較低，壽命較短;②傳遞同樣大的圓周力時(shí)，外廓尺寸和軸上的壓力都比嚙合傳動(dòng)大;③不宜用于高溫、易燃等場(chǎng)合。常用的張緊裝置有三種。定期張緊裝置:調(diào)節(jié)中心距使帶重新張緊。(2)自動(dòng)張緊裝置(3)使用張緊輪的張緊裝置2.2.4螺旋傳動(dòng)根據(jù)螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式可以分為兩大類:一類是滑動(dòng)摩擦式螺旋傳動(dòng)，它是將聯(lián)結(jié)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為被執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng);另一類是滾動(dòng)摩擦式螺旋傳動(dòng)，它是將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)它是利用螺桿與螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)和自鎖等特點(diǎn)?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)的形式及應(yīng)用螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。這種傳動(dòng)形式的螺母本身就起著支承作用，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，消除了螺桿與軸承之間可能產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)，容易獲得較高的傳動(dòng)精度。缺點(diǎn)是所占軸向尺寸較大(螺桿行程的兩倍加上螺母高度)，剛性較差。因此僅適用于行程短的情況。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)。這種傳動(dòng)形式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊(所占軸向尺寸取決于螺母高度及行程大小)，剛度較大。適用于工作行程較長(zhǎng)的情況。差動(dòng)螺旋傳動(dòng)。螺旋副零件與滑板聯(lián)接結(jié)構(gòu)的確定。螺旋副零件與滑板的聯(lián)接結(jié)構(gòu)有下列幾種。剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)。②彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)③活動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)。影響螺旋傳動(dòng)精度的因素及提高傳動(dòng)精度的措施。螺旋傳動(dòng)的傳動(dòng)精度是指螺桿與螺母間實(shí)際相對(duì)運(yùn)動(dòng)保持理論值的準(zhǔn)確程度。影響螺旋傳動(dòng)精度的因素主要有以下幾項(xiàng)。螺紋參數(shù)誤差。螺紋的各項(xiàng)參數(shù)誤差中，主要影響傳動(dòng)精度的是螺距誤差、中徑誤差以及牙型半角誤差。螺桿軸向竄動(dòng)誤差。偏斜誤差。溫度誤差。由于螺桿的螺距誤差是造成螺旋傳動(dòng)誤差的最主要因素，因此采用螺距誤差校正裝置是提高螺旋傳動(dòng)精度的有效措施之一。⑷消除螺旋傳動(dòng)空回的方法。①利用單向作用力。②利用調(diào)整螺母。徑向調(diào)整法、軸向調(diào)整法。③利用塑料螺母消除空回。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)—滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的工作原理是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)件，以減少摩擦，當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠相對(duì)于螺母上的滾道滾動(dòng)，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái)，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動(dòng)。滾珠絲杠副的特點(diǎn)如下。①傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。②給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。③運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。④運(yùn)動(dòng)具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。⑤磨損小，使用壽命長(zhǎng)⑥制造工藝復(fù)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(duì)于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。滾珠螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式與類型。按用途和制造工藝不同，滾珠螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式有多種，它們的主要區(qū)別在于螺紋滾道法向截形、滾珠循環(huán)方式、消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法等三方面。①螺紋滾道法向截形是指通過(guò)滾珠中心且垂直于滾道螺旋面的平面和滾道表面交線的形狀。常用的截形有單圓弧形和雙圓弧形。②滾珠循環(huán)方式。按滾珠在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中與螺桿表面的接觸情況，滾珠的循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩類。③滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整方法。常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)型式有以下三種。墊片調(diào)隙式，螺紋調(diào)隙式，齒差調(diào)隙式2.3機(jī)械導(dǎo)向結(jié)構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)的支承部件包括導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件和機(jī)座機(jī)架。導(dǎo)向支承部件的作用是支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。這樣的部件通常被標(biāo)為導(dǎo)軌副，簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌。導(dǎo)軌副主要由定導(dǎo)軌、動(dòng)導(dǎo)軌、輔助導(dǎo)軌、間隙調(diào)整元件以及工作介質(zhì)/元件等組成按運(yùn)動(dòng)方式可分為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌)。按接觸表面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。2.3.1滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌常見(jiàn)的滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌副及其特點(diǎn)常見(jiàn)的導(dǎo)軌截面形狀，有三角形(分對(duì)稱、不對(duì)稱兩類)、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。凸形導(dǎo)軌不易積存切屑等臟物，也不易儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。宜在低速下工作，凹形導(dǎo)軌則相反，可用于高速，但必須有良好的防護(hù)裝置，以防切屑等臟物落入導(dǎo)軌。三角形導(dǎo)軌。分對(duì)稱型和非對(duì)稱型三角形導(dǎo)軌特點(diǎn):在垂直載荷作用下，具有磨損量自動(dòng)補(bǔ)償功能，無(wú)間隙工作，導(dǎo)向精度高。為防止因振動(dòng)或傾翻載荷引起兩導(dǎo)向面較長(zhǎng)時(shí)間脫離接觸，應(yīng)有輔助導(dǎo)向面并具備間隙調(diào)整能力。但存在導(dǎo)軌水平與垂直誤差的相互影響，為保證高的導(dǎo)向精度(直線度)，導(dǎo)軌面加工、檢驗(yàn)、維修困難。對(duì)稱型導(dǎo)軌—隨頂角增大，導(dǎo)軌承載能力增大，但導(dǎo)向精度降低。非對(duì)稱導(dǎo)軌—主要用在載荷不對(duì)稱的時(shí)候，通過(guò)調(diào)整不對(duì)稱角度，使導(dǎo)軌左右面水平分力相互抵消，提高導(dǎo)軌剛度。矩形導(dǎo)軌的特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)、維修方便，導(dǎo)軌面寬、承載能力大，剛度高，但無(wú)磨損量自動(dòng)補(bǔ)償功能。由于導(dǎo)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(diào)整裝置，安裝調(diào)整方便燕尾形導(dǎo)軌的特點(diǎn):無(wú)磨損量自動(dòng)補(bǔ)償功能，須間隙調(diào)整裝置，燕尾起壓板作用，鑲條可調(diào)整水平垂直兩方向的間隙，可承受顛覆載荷，結(jié)構(gòu)緊湊，但剛度差，摩擦阻力大、制造、檢驗(yàn)、維修不方便。圓形導(dǎo)軌的特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)、配合方便，精度易于保證，但摩擦后很難調(diào)整，結(jié)構(gòu)剛度較差。導(dǎo)軌的基本要求導(dǎo)向精度高。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件按給定方向作直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度，它主要取決于導(dǎo)軌本身的幾何精度及導(dǎo)軌配合間隙。導(dǎo)軌的幾何精度可用線值或角值表示。①導(dǎo)軌在垂直平面和水平面內(nèi)的直線度。②導(dǎo)軌面間的平行度。運(yùn)動(dòng)輕便、平穩(wěn)、低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)性主要表現(xiàn)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)軌速度的不均勻，使運(yùn)動(dòng)件出現(xiàn)時(shí)快時(shí)慢、時(shí)動(dòng)時(shí)停的爬行現(xiàn)象。爬行現(xiàn)象主要取決于導(dǎo)軌副中摩擦力的大小及其穩(wěn)定性。為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇導(dǎo)軌的類型、材料、配合間隙、配合表面的幾何形狀精度及潤(rùn)滑方式。耐磨性好。導(dǎo)軌的初始精度由制造保證，而導(dǎo)軌在使用過(guò)程中的精度保持性則與導(dǎo)軌面的耐磨性密切相關(guān)。導(dǎo)軌的耐磨性主要取決于導(dǎo)軌的類型、材料，導(dǎo)軌表面的粗糙度及硬度、潤(rùn)滑狀況和導(dǎo)軌表面壓強(qiáng)的大小。對(duì)溫度變化的不敏感性。即導(dǎo)軌在溫度變化的情況下仍能正常工作。導(dǎo)軌對(duì)溫度變化的不敏感性主要取決于導(dǎo)軌類型、材料及導(dǎo)軌配合間隙等。足夠的剛度。在載荷的作用下，導(dǎo)軌的變形不應(yīng)超過(guò)允許值。剛度不足不僅會(huì)降低導(dǎo)向精度，還會(huì)加快導(dǎo)軌面的磨損。剛度主要與導(dǎo)軌的類型、尺寸以及導(dǎo)軌材料等有關(guān)。結(jié)構(gòu)工藝性好。導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單、便于制造、檢驗(yàn)和調(diào)整，從而降低成本。常見(jiàn)導(dǎo)軌副組合與間隙調(diào)整、特點(diǎn)圓柱面導(dǎo)軌。圓柱面導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌面的加工和檢驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，易于達(dá)到較高的精度;缺點(diǎn)是對(duì)溫度變化比較敏感，間隙不能調(diào)整。棱柱面導(dǎo)軌。常用的棱柱面導(dǎo)軌有三角形導(dǎo)軌、矩形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌以及它們的組合式導(dǎo)軌。①雙三角形導(dǎo)軌。②三角形一平面導(dǎo)軌③矩形導(dǎo)軌。④燕尾導(dǎo)軌。導(dǎo)軌間隙的調(diào)整采用磨、刮相應(yīng)的結(jié)合面或加墊片的方法，以獲得合適的間隙。(2)采用平鑲條調(diào)整間隙。(3)采用斜鑲條調(diào)整間隙。斜鑲條的側(cè)面磨成斜度很小的斜面，導(dǎo)軌間隙是用鑲條的縱向移動(dòng)來(lái)調(diào)整的，為了縮短鑲條長(zhǎng)度，一般將其放在運(yùn)動(dòng)件上。提高導(dǎo)軌耐磨性的措施為使導(dǎo)軌在較長(zhǎng)的使用期間內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，必須提高導(dǎo)軌的耐磨性。由于磨損速度與材料性質(zhì)、加工質(zhì)量、表面壓強(qiáng)、潤(rùn)滑及使用維護(hù)等因素直接有關(guān)，故欲想提高導(dǎo)軌的耐磨性，須從這些方面采取措施。(1)合理選擇導(dǎo)軌的材料及熱處理。(2)減小導(dǎo)軌面壓強(qiáng)。常采用卸載導(dǎo)軌，即在導(dǎo)軌截荷的相反方向給運(yùn)動(dòng)件施加一個(gè)機(jī)械的或液壓的作用力(卸載力)，抵消導(dǎo)軌上的部分載荷，從而達(dá)到既保持導(dǎo)軌面間仍為直接接觸，又減小導(dǎo)軌工作面的壓力。一般卸載力取為運(yùn)動(dòng)件所受總重力的2/3左右。①靜壓卸載導(dǎo)軌②水銀卸載導(dǎo)軌③機(jī)械卸載導(dǎo)軌(3)保證導(dǎo)軌良好的潤(rùn)滑。(4)提高導(dǎo)軌的精度。2.3.2滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌是在運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件之間放置滾動(dòng)體(滾珠、滾柱、滾動(dòng)軸承等)，使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)。滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn):①摩擦系數(shù)小，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象②定位精度高，當(dāng)要求運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生精確微量的移動(dòng)時(shí)，通常采用滾動(dòng)導(dǎo)軌;③磨損較小，壽命長(zhǎng)，潤(rùn)滑簡(jiǎn)便;④結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工比較困難，成本較高;⑤對(duì)臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感。滾珠導(dǎo)軌V形滾珠導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是工藝性較好，容易達(dá)到較高的加工精度，但由于滾珠和導(dǎo)軌面是點(diǎn)接觸，接觸應(yīng)力較大，容易壓出溝槽，如溝槽的深度不均勻，將會(huì)降低導(dǎo)軌的精度。為了改善這種情況，可采取如下措施。(1)預(yù)先在v形槽與滾珠接觸處研磨出一窄條圓弧面的淺槽，從而增加了滾珠與滾道的接觸面積，提高了承載能力和耐磨性，但這時(shí)導(dǎo)軌中的摩擦力略有增加。采用雙圓弧滾珠導(dǎo)軌。當(dāng)要求運(yùn)動(dòng)件的行程很大或需要簡(jiǎn)化導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)和制造時(shí)，可采用滾珠循環(huán)式導(dǎo)軌。滾柱導(dǎo)軌和滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌為了提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的承載能力和剛度，可采用滾柱導(dǎo)軌或滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌。這類導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸較大，常用在比較大型的精密機(jī)械上。(1)交叉滾柱V—平導(dǎo)軌。(2)V一平滾柱導(dǎo)軌。2.4機(jī)械的支承結(jié)構(gòu)2.4.1機(jī)械支承結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的基本要求支承件是支承其他零部件的基礎(chǔ)構(gòu)件，既承受其他零部件的質(zhì)量和工作載荷，又起保證各零部件相對(duì)位置的基準(zhǔn)作用。支承件多采用鑄件、焊接件或型材裝配件。其基本特點(diǎn)是尺寸較太、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工面多、幾何精度和相對(duì)位置精度要求較高。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)某些關(guān)鍵表面及其相對(duì)位置提出相應(yīng)的精度要求，以保證產(chǎn)品總體精度;其次，對(duì)其剛度、熱變形和抗振性提出下列基本要求。(1)應(yīng)有足夠的剛度。(2)應(yīng)有足夠的抗振性。動(dòng)剛度是衡量抗振性的主要指標(biāo)。提高支承件的抗振性可采取如下措施:①提高固有振動(dòng)頻率，以避免產(chǎn)生共振。提高固有振動(dòng)頻率的方法是提高靜剛度與質(zhì)量的比值，即在保證足夠靜剛度的前提下盡量減輕質(zhì)量。②增加阻尼，因?yàn)樵黾幼枘釋?duì)提高動(dòng)剛度的作用很大。③采取隔振措施，如用減振橡膠墊腳、用空氣彈簧隔板等。(3)應(yīng)有較小的熱變形。(4)穩(wěn)定性好。(5)工藝性好，成本低，符合人機(jī)工程方面的要求。2.4.2支承件的材料支承件的材料應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)、工藝、成本、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)周期等要求選擇，常用的有如下幾種。(1)灰鑄鐵。(2)鋼。(3)其他材料。2.4.3支承件的設(shè)計(jì)原則支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是解決剛度問(wèn)題，包括靜剛度和動(dòng)剛度。提高支承件剛度的一般措施(1)合理選擇截面形狀和尺寸。合理布置隔板和加強(qiáng)筋提高接觸剛度。提高接觸剛度可采用以下措施。減小表面粗糙度的數(shù)值一般應(yīng)選到Ra<1.6um擰緊固定螺栓，使接觸表面有200N/mm的預(yù)壓力，以消除表面不平整的影響，提高接觸剛度預(yù)壓力應(yīng)用測(cè)力扳手來(lái)控制。合理選擇連接部位的形狀，提高局部剛度，以防止產(chǎn)生局部變形，造成接觸不良，降低接觸剛度。提高阻尼的一般措施支承件通常受到的是動(dòng)載荷，因此除了提高剛度外，還要提高阻尼，才能得到良好的動(dòng)態(tài)特性。提高阻尼的方法如下。士寸砂、鑄造，即保留鑄造件中的砂芯。(2)對(duì)于焊接支承件，可在支承件中灌混凝土以增加阻尼。2.5機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其主功能的重要環(huán)節(jié)，它應(yīng)能快速地完成預(yù)期的動(dòng)作，并具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好、動(dòng)靜態(tài)精度高、動(dòng)作靈敏度高等特點(diǎn)，另外為便于集中控制，它還應(yīng)滿足效率高、體積小、質(zhì)量輕、自控性強(qiáng)、可靠性高等要求。2.5.1微動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。2.5.2定位機(jī)構(gòu)定位機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中一種確保移動(dòng)件占據(jù)準(zhǔn)確位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常采用分度機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)組合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位的要求。2.5.3數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控機(jī)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是在一定空間范圍內(nèi)，能使刀架執(zhí)行自動(dòng)松開、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。2.5.4工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，用來(lái)搬運(yùn)物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業(yè)的機(jī)電一體化設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器裝在操作機(jī)手腕的前端，是直接實(shí)現(xiàn)操作功能的機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器因用途不同而結(jié)構(gòu)各異，一般可分為三大類:圓弧型夾持器，特種末端執(zhí)行器、工具型末端執(zhí)行器和萬(wàn)能手。單元三機(jī)電一體化傳感檢測(cè)技術(shù)傳感器組成與分類傳感器(sensor)是能夠檢測(cè)出自然界中的各種物理量(或者化學(xué)量)，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)非電量或電量的裝置，又稱為變送器、換能器或探測(cè)器。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，被測(cè)量主要指各種物理量。機(jī)電一體化中涉及的重要物理量主要有:位置(位移)、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速，以及溫度、濕度、光量、電量、流量、磁場(chǎng)、AE、超聲波、紅外線等。傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成。敏感元件是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置，而輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系(最好為線性)。傳感元件是將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(如電阻、電感、電容等)形式?；巨D(zhuǎn)換電路是將電信號(hào)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，如電壓、電流、頻率等。(2)按信號(hào)的變換特征分為物性型和結(jié)構(gòu)型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器主要通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何形狀或尺寸的變化將外界被測(cè)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測(cè)出被測(cè)量信號(hào)。目前應(yīng)用最為普遍。物性型傳感器利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)等作為敏感材料的固態(tài)器件。市場(chǎng)上銷售的傳感器的類型主要按被測(cè)物理量來(lái)分類。一般分為位移傳感器、位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。3.2典型常用傳感器3.2.1位置傳感器按照是否為接觸檢測(cè)，位置傳感器可分為接觸式開關(guān)、非接觸式開關(guān)等。接觸式開關(guān)包含封入式、微動(dòng)開關(guān)、精密式等極限開關(guān);非接觸式又分為接近開關(guān)和光電開關(guān)。1?極限開關(guān)(微動(dòng)開關(guān))接觸式極限開關(guān)主要用于極限位置的檢測(cè)，這種極限開關(guān)具有以下特點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)大容量(10A,250VAC的開閉壽命長(zhǎng)「機(jī)械壽命2000萬(wàn)次以上，電氣壽命50萬(wàn)次以上(10A,250VAC)具有優(yōu)良的動(dòng)作位置精度。動(dòng)作位置精度可達(dá)10.4mm取得各國(guó)安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證(UL,CSA,SEMKO)接觸式極限開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是:可以制成各種大小和形狀來(lái)適應(yīng)安裝環(huán)境，以供使用者選擇，同時(shí)，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn):一是由于是接觸式，使用時(shí)故障率較高;二是會(huì)產(chǎn)生電氣噪聲，需要采取措施來(lái)防止噪聲。非接觸式位置傳感器主要有接近傳感器和光電傳感器等。有代表性的接近傳感器主要有舌簧傳感器；有代表性的光電傳感器主要有光電開關(guān)等。接近傳感器接近傳感器是一種非接觸式位置傳感器，能夠感知物體的靠近，利用位移傳感器對(duì)接近物體所具有的敏感特性，達(dá)到識(shí)別物體靠近、并輸出開關(guān)信號(hào)的目的。它具有速度快、頻率高等特點(diǎn)。光電傳感器光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換成某種電量的傳感器，又稱為光電開關(guān)。光電二極管是最常見(jiàn)的光電傳感器。光敏三極管除了具有光電二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。光電傳感器一般由發(fā)光元件(發(fā)光二極管，即LED)和受光元件(光敏三極管)組合構(gòu)成。3.2.2位移傳感器按照運(yùn)動(dòng)形態(tài)，位移傳感器可分為直線位移傳感器和角位移傳感器。直線式位移傳感器主要有差動(dòng)變壓器、電位器、光柵尺、光學(xué)式位移測(cè)定裝置等。角位移傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器等。位移傳感器還可以分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，模擬式傳感器輸出是以幅值形式表示輸入位移的大小，如電容式傳感器、電感式傳感器等;數(shù)字式傳感器的輸出是以脈沖數(shù)量的多少表示位移的大小，如光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)同步器等。光電編碼盤的輸出是一組不同的編碼代表不同的角度位置。模擬式位移傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種結(jié)構(gòu)型傳感器。按其轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感型和互感型兩種，自感型電感傳感器又分為可變磁阻式和渦流式?；ジ行陀址Q為差動(dòng)變壓器式?？勺兇抛枋诫姼袀鞲衅?。(2)差動(dòng)變壓器式電感傳感器。2?數(shù)字式位移傳感器數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等，它們的共同特點(diǎn)是利用自身的物理特征，制成直線形和圓形結(jié)構(gòu)的位移傳感器，輸出信號(hào)都是脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖代表輸入的位移當(dāng)量，通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖就可以統(tǒng)計(jì)位移的尺寸。(1)光柵位移傳感器。光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，有圓光柵和直線光柵兩種它的特點(diǎn)是測(cè)量精確高(可達(dá)土l“m、響應(yīng)速度快和量程范圍大(一般為1~2m,連接使用可達(dá)到10m)等。光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成。(2)感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測(cè)元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測(cè)直線位移和轉(zhuǎn)角直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。3.2.3速度和加速度傳感器速度、加速度測(cè)試有許多方法，可以使用直流測(cè)速機(jī)直接測(cè)量速度，也可以通過(guò)檢測(cè)位移換算出速度和加速度，還可以通過(guò)測(cè)試慣性力換算出加速度等。直流測(cè)速機(jī)速度檢測(cè)直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是一臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流測(cè)速機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。直流測(cè)速機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測(cè)軸(或與被測(cè)軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成。3?加速度傳感器作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，間接度量被測(cè)加速度。最常用的有應(yīng)變式、壓電式、電磁感應(yīng)式等。(1)壓電效應(yīng)及壓電材料。壓電材料的壓電特性只和變形有關(guān)，施加的外力是產(chǎn)生變形的手段。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的方向只有x軸方向，其他方向都不會(huì)產(chǎn)生電荷。(2)壓電傳感器結(jié)構(gòu)及特性。壓電傳感器是以電荷或兩極間的電勢(shì)作為輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)試靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于任何阻抗的電路都會(huì)產(chǎn)生電荷泄漏，因此測(cè)量電勢(shì)的方法誤差很大，只能采用測(cè)量電荷的方法。當(dāng)給壓電傳感器施加交變的外力，傳感器就會(huì)輸出交變的電勢(shì)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此壓電式傳感器適合測(cè)試動(dòng)態(tài)信號(hào)，且頻率越高越好。壓電傳感器結(jié)構(gòu)一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種。并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容也大，故時(shí)間常數(shù)大，可以測(cè)量較慢變化的信號(hào)，并以電荷作為輸出參數(shù)測(cè)量。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適應(yīng)以電壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸出阻抗很咼的情況。由于壓電傳感器信號(hào)較弱，且是電荷的表現(xiàn)形式，因此測(cè)量電路必須進(jìn)行信號(hào)放大。目前，壓電傳感器應(yīng)用相當(dāng)普遍，且生產(chǎn)廠家都專門配備有傳感器處理電路。3.2.4溫度傳感器按溫度測(cè)量方式來(lái)分，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式。所謂接觸式，就是溫度傳感器直接接觸被測(cè)物體表面的一種測(cè)量方式。熱敏電阻器是一種有代表性的接觸式溫度傳感器。(1)鉑熱電阻器。(2)熱電偶。熱電偶是利用熱電效應(yīng)原理而制成的一種溫度傳感器。熱電偶具有以下優(yōu)點(diǎn)：比較便宜、容易買到，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高，測(cè)量時(shí)間上的滯后小，可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的溫度測(cè)量與熱敏電阻等相比)?？梢赃x用與靈敏度和壽命等狀況相適應(yīng)的熱電偶類型。利用熱電偶可以進(jìn)行小型被測(cè)物和狹窄場(chǎng)所的測(cè)溫，可以進(jìn)行較長(zhǎng)距離(即被測(cè)物體與測(cè)溫儀表之間的距離較遠(yuǎn))的溫度測(cè)量，對(duì)于測(cè)量電路到測(cè)溫儀表中間的電路，即使局部的溫度發(fā)生變化，也基本上不會(huì)對(duì)測(cè)定值造成影響。非接觸式溫度傳感器。具有代表性的非接觸式溫度傳感器是熱電式溫度傳感器。3.2.5紅外線傳感器水銀溫度計(jì)是一種使用最早的紅外線傳感器。紅外線傳感器接收紅外光的照射，并將紅外光的輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3傳感器的選擇方法根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇相應(yīng)傳感器類型。明確傳感器使用目的和條件，選擇傳感器工作方式了解所測(cè)量的范圍、精度和靈敏度考慮測(cè)量環(huán)境、測(cè)量的穩(wěn)定性、壽命、使用的方便性、是否容易買到以及價(jià)格等因素。靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。2?響應(yīng)特性(反應(yīng)時(shí)間)傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。線性范圍傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。5?精度精度是傳感器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出信號(hào)(模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和開關(guān)信號(hào))的不同，其測(cè)量電路也有模擬型測(cè)量電路、數(shù)字型測(cè)量電路和開關(guān)型測(cè)量電路之分。1.模擬型測(cè)量電路模擬型測(cè)量電路適合于電阻式、電感式、電容式、電熱式等輸出模擬信號(hào)的傳感器。數(shù)字型測(cè)量電路數(shù)字型測(cè)量電路有絕對(duì)碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。絕對(duì)碼數(shù)字式傳感器輸出的編碼與被測(cè)量一一對(duì)應(yīng)，每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大整形后，得到與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的編碼。開關(guān)型測(cè)量電路傳感器的輸出信號(hào)為開關(guān)信號(hào)，如光電開關(guān)和電觸點(diǎn)開關(guān)的通斷信號(hào)等。這類信號(hào)的測(cè)量電路實(shí)質(zhì)為功率放大電路。轉(zhuǎn)換電路中間轉(zhuǎn)換電路的種類和構(gòu)成由傳感器的類型決定。(1)電橋。電橋適用于參量式傳感器。其作用是被測(cè)物理量的變化引起敏感元件的電阻、電感或電容等參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)化為電量。放大電路。放大電路通常由運(yùn)算放大器、晶體管等組成，用來(lái)放大來(lái)自傳感器的微弱信號(hào)。常用的抗干擾措施有屏蔽、濾波、正確的接地等方法。屏蔽是抑制場(chǎng)干擾的主要措施，而濾波則是抑制干擾最有效的手段，特別是抑制導(dǎo)線藕合到電路中的干擾。對(duì)于信號(hào)通道中的干擾，可根據(jù)測(cè)量中的有效信號(hào)頻譜和干擾信號(hào)的頻譜，設(shè)計(jì)濾波器，以保留有用信號(hào)，剔除干擾信號(hào)。接地的目的之一是給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，若接地方法不正確，會(huì)引起干擾。(3)調(diào)制與解調(diào)電路。由傳感器輸出的電信號(hào)多為微弱的、變化緩慢的類似于直流的信號(hào)，若采用一般直流放大器進(jìn)行放大和傳送，零點(diǎn)漂移及干擾等會(huì)影響測(cè)量精度。因此常先用調(diào)制器把直流信號(hào)變換成某種頻率的交流信號(hào)，經(jīng)交流放大器放大后再通過(guò)解調(diào)器將此交流信號(hào)重新恢復(fù)為原來(lái)的直流信號(hào)形式模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，為了滿足系統(tǒng)信息的傳輸、運(yùn)算處理、顯示或控制的需要，應(yīng)將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，或再將數(shù)字量變?yōu)槟M量，前者就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，后者就是數(shù)模轉(zhuǎn)換。單元四機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)4.1概述伺服的意思就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要用于機(jī)械設(shè)備位置和速度的動(dòng)態(tài)控制。4.1.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類及特點(diǎn)絕大部分機(jī)電一體化系統(tǒng)都具有伺服功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的伺服控制是為執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)而提供控制和動(dòng)力的重要環(huán)節(jié)。伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。(1)比較元件是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)元件又稱控制器，通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。執(zhí)行元件的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。被控對(duì)象是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載。測(cè)量反饋元件是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成比較元件所需要的量綱的裝置一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。無(wú)論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是低于檢測(cè)裝置的精度伺服系統(tǒng)的種類很多，按其驅(qū)動(dòng)元件的類型分類，可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)類型的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)控制伺服系統(tǒng)。一般我們也將驅(qū)動(dòng)元件稱作執(zhí)行元件或執(zhí)行器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。按控制方式分類，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。4.1.2執(zhí)行器及其選取依據(jù)執(zhí)行器通常又稱為驅(qū)動(dòng)器、調(diào)節(jié)器等，是驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、拖動(dòng)、操縱等裝置、機(jī)構(gòu)或元器件的總稱。根據(jù)主要被控參數(shù)選擇能量和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置的大致原則如下。直線運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置:根據(jù)力和距離。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置:根據(jù)扭矩和速度。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu):根據(jù)輸入/輸出速度大小和方向的變化。4.1.3輸出接口裝置執(zhí)行元件與負(fù)載之間的連接方式一般有兩種形式:一種是與負(fù)載固連，直接驅(qū)動(dòng);另一種是通過(guò)不同的機(jī)械傳動(dòng)裝置(如齒輪傳動(dòng)鏈、帶傳動(dòng))與負(fù)載相連。這些機(jī)械傳動(dòng)裝置就是執(zhí)行元件的輸出接口裝置。4.2典型執(zhí)行元件執(zhí)行元件是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換元件。4.2.1電氣執(zhí)行元件電氣式執(zhí)行元件是將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。電氣執(zhí)行元件的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、便于控制、能實(shí)現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)快、體積小、動(dòng)力較大和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)載能力差、易于燒毀線圈、容易受噪聲干擾。步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)一般構(gòu)成典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它能將CNC裝置輸出的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)齒輪、絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)直線移動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中無(wú)位置、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)，其精度主要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角以及與之相連傳動(dòng)鏈的精度。(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)越多，步距角越小，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置精度越高，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。常見(jiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是:當(dāng)某相定子繞組通電勵(lì)磁后，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對(duì)齊，實(shí)際上就是電磁鐵的作用原理(3)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移的控制電動(dòng)機(jī)，利用它可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的全數(shù)字化伺服系統(tǒng)，并且不需要反饋環(huán)節(jié)。概括起來(lái)它主要有如下特點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，控制其通電狀態(tài)改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，即步距角。改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，但脈沖頻率變化過(guò)快，會(huì)引起失步或過(guò)沖(即步進(jìn)電機(jī)少走或多走)。定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，故也稱之為脈沖電機(jī)。有脈沖就走，無(wú)脈沖就停，角位移隨脈沖數(shù)的增加而增加。輸出轉(zhuǎn)角精度較高，一般只有相鄰誤差，但無(wú)累積誤差。步距角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大驅(qū)動(dòng)電路兩大部分組成。功率放大驅(qū)動(dòng)電路。功率放大驅(qū)動(dòng)電路完成由弱電到強(qiáng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有:能提供足夠幅值，前后沿較好的勵(lì)磁電流;功耗小，變換效率高;能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行;成本低且易于維護(hù)。脈沖分配器。脈沖分配器完成步進(jìn)電機(jī)繞組中電流的通斷順序控制，即控制插補(bǔ)輸出脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的通斷電順序規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的各相輸入端。脈沖分配有兩種方式:一種是硬件脈沖分配(或稱為脈沖分配器)，另一種是軟件脈沖分配，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制。硬件脈沖分配。硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發(fā)器構(gòu)成，提供符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制指令所需的順序脈沖。軟件脈沖分配。在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，可以采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有很多，如查表法、比較法、移位法等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。采用軟件進(jìn)行脈沖分配雖然增加了軟件編程的復(fù)雜程度，但它省去了硬件環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性速度控制。對(duì)于任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)講，都要求能夠?qū)λ俣葘?shí)行控制，特別在數(shù)控系統(tǒng)中，這種要求就更高。在開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，對(duì)進(jìn)給速度的控制就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的控制。由前面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理分析可知，通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相鄰兩種勵(lì)磁狀態(tài)之間的時(shí)間間隔即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的控制。對(duì)于硬件環(huán)形分配器來(lái)講，只要控制CP的頻率就可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度。對(duì)于軟件環(huán)形分配器來(lái)講，只要控制相鄰兩次輸出狀態(tài)之間的時(shí)間間隔，也就是控制相鄰兩節(jié)拍之間延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短。其中，實(shí)現(xiàn)延時(shí)的方法又分為兩種:一種是純軟件延時(shí);另一種是定時(shí)中斷延時(shí)。直流伺服電動(dòng)機(jī)(2)直流伺服電機(jī)的分類①小慣量直流伺服電機(jī)。②大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)。③無(wú)刷直流伺服電機(jī)。3?交流伺服電機(jī)及其速度控制交流伺服電動(dòng)機(jī)分為交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。(1)交流永磁式同步電機(jī)原理與特點(diǎn)。交流永磁式同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件三部分組成。永磁式同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高;缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)難。(2)交流伺服電機(jī)的調(diào)速。變頻器。對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電。變頻器有交流一交流變頻和交流一直流一交流變頻兩大類。交一交變頻器也稱作直接變頻器，是用晶閘管整流器將工頻交流電直接變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，其正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖，這個(gè)脈動(dòng)交流電的基波就是所需的變頻電壓。交一直一交變頻器也稱作間接變頻器，是先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波動(dòng)電壓，這個(gè)脈動(dòng)交流電的基波就是所需的變頻電壓。這種方法獲得的交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍寬，調(diào)節(jié)線性度好。數(shù)控機(jī)床常采用這種方法。SPWM變頻器，即正弦波脈寬調(diào)制變頻器，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種交一直一交變頻器，不僅適合于交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)，也適合于交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。SPWM變頻器采用正弦規(guī)律脈寬調(diào)制原理，其調(diào)制的基本特點(diǎn)是等距、等幅，但不等寬。因其脈寬按正弦規(guī)律變化，具有功率因數(shù)高，輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，因而在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。三相SPWM原理。在直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)中，PWM輸出電壓是由三角載波調(diào)制電壓得到的。同理，在交流SPWM中，輸出電壓是由三角載波調(diào)制的正弦電壓得到SPWM的輸出電壓是幅值相等、寬度不等的方波信號(hào)。其各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，其脈寬基本上按正弦分布，其基波是等效正弦波。用這個(gè)輸出脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大后作為交流伺服電動(dòng)機(jī)的相電壓(電流)。改變正弦基波的頻率就可以改變電機(jī)相電壓(電流)的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速的目的。三相SPWM變頻器的主回路。SPWM調(diào)制波經(jīng)功率放大后才可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由SPWM的調(diào)制原理可知，調(diào)制主回路功率器件在輸出電壓的半周內(nèi)要多次開關(guān)，而器件本身的開關(guān)能力與主回路的結(jié)構(gòu)及其換流能力有關(guān)，所以開關(guān)頻率和調(diào)制度對(duì)SPWM調(diào)制有重要的影響。4.2.2液壓執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件是先將電能變化成液體壓力，并用電磁閥控制壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液壓式執(zhí)行元件有直線式油缸、回轉(zhuǎn)式油缸、液壓電機(jī)等液壓執(zhí)行元件的特點(diǎn)是輸出功率大、速度快、動(dòng)作平穩(wěn)、可實(shí)現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)特性好和過(guò)載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積龐大、介質(zhì)要求高、易泄漏和污染環(huán)境。1.液壓缸的類型和特點(diǎn)液壓缸是使負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)或小于3600擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，它將液壓油的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的形式輸出，它是整個(gè)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行部分。液壓缸按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同可分為活塞式、柱塞式和擺動(dòng)式三類。按活塞桿的形式分，可分為單活塞桿缸和雙活塞桿缸。按缸的特殊用途分，可分為伸縮缸、串聯(lián)缸、增壓缸、增速缸、步進(jìn)缸、齒條缸、定位缸等?；钊揭簤焊?。活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式雙桿活塞液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式。前者工作臺(tái)移動(dòng)范圍約等于活塞有效行程L的三倍，常用于中小型設(shè)備。后者工作臺(tái)的移動(dòng)范圍只約等于液壓缸行程L的兩倍，常用于大型設(shè)備。單桿活塞液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運(yùn)動(dòng)可以獲得不同的速度和輸出力。差動(dòng)連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效辦法。柱塞式液壓缸。缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。柱塞式液壓缸是單作用的，它的回程需要借助自重或彈簧等其他外力來(lái)完成。如果要獲得雙向運(yùn)動(dòng)，可將兩柱塞液壓缸成對(duì)使用。柱塞缸的柱塞端面是受壓面，其面積大小決定了柱塞缸的輸出速度和推力。為保證柱塞缸有足夠的推力和穩(wěn)定性，一般柱塞較粗，質(zhì)量較大，水平安裝時(shí)易產(chǎn)生單邊磨損，故柱塞缸適宜于垂直安裝使用。為減輕柱塞的質(zhì)量，有時(shí)制成空心柱塞。柱塞缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，常用于工作行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。組合式液壓缸①伸縮缸。伸縮缸又稱多級(jí)缸，它由兩級(jí)或多級(jí)活塞缸套裝而成，前一級(jí)活塞缸的活塞是后一級(jí)活塞缸的缸筒。工作時(shí)外伸動(dòng)作逐級(jí)進(jìn)行，首先是最大直徑的缸筒外伸，當(dāng)其達(dá)到行程終點(diǎn)的時(shí)候，稍小直徑的缸筒開始外伸，這樣各級(jí)缸筒依次外伸。由于有效工作面積逐次減小，因此，當(dāng)輸入流量相同時(shí)，外伸速度逐次增大;當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，液壓缸的工作壓力逐次增高。空載縮回的順序一般是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長(zhǎng)度較短，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于安裝空間受到限制而行程要求很長(zhǎng)的場(chǎng)合。齒條活塞缸。齒條活塞缸又稱無(wú)桿式液壓缸，它由帶有齒條桿的雙活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)所組成?；钊耐鶑?fù)移動(dòng)經(jīng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成齒輪軸的周期性往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。它多用于自動(dòng)生產(chǎn)線、組合機(jī)床等的轉(zhuǎn)位或分度機(jī)構(gòu)中。液壓電機(jī)液壓電機(jī)是執(zhí)行元件。液壓電機(jī)和液壓泵一樣，都是依靠密封工作容積的變化實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，都屬容積式，同樣具有配流機(jī)構(gòu)。液壓電機(jī)與液壓缸的不同在于:液壓電機(jī)是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出機(jī)械能的形式是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;液壓缸是實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)(或往復(fù)擺動(dòng))，輸出機(jī)械能的形式是力和速度(或扭矩和角速度)。(1)軸向柱塞式液壓電機(jī)。低速大轉(zhuǎn)矩液壓電機(jī)。這種液壓電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但其缺點(diǎn)是體積和質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，低速穩(wěn)定性比多作用內(nèi)曲線式稍差。液壓電機(jī)的性能及選用。高速小轉(zhuǎn)矩液壓電機(jī)多數(shù)需要配置減速機(jī)來(lái)帶動(dòng)外負(fù)載。除軸向柱塞式液壓電機(jī)外，齒輪式和葉片式電機(jī)效率相對(duì)偏低，大多用于較小負(fù)載轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合，若配置減速機(jī)構(gòu)輸出，效率較低。因此對(duì)于大轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)采用高速小轉(zhuǎn)矩電機(jī)時(shí)，常用性能較好的軸向柱塞電機(jī)配置減速機(jī)構(gòu)輸出。高速液壓電機(jī)大多有較高的噪聲，且低速性能不佳，它與對(duì)應(yīng)的泵具有相同原理和結(jié)構(gòu)。齒輪液壓電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小，泄漏大，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，可用于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。葉片液壓電機(jī)慣性小，動(dòng)作靈敏，但容積效率不夠高，機(jī)械特性軟，適用于轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)矩不大而要求啟動(dòng)換向頻繁的場(chǎng)合。軸向柱塞液壓電機(jī)應(yīng)用廣泛，容積效率較高，調(diào)整范圍也較大，且穩(wěn)定轉(zhuǎn)速較低但耐沖擊振動(dòng)性較差，油液要求過(guò)濾清潔，價(jià)格也較高。要求低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，常采用徑向柱塞式液壓電機(jī)。4.2.3氣壓執(zhí)行元件氣壓執(zhí)行元件與液壓執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。氣壓式執(zhí)行元件的特點(diǎn)是介質(zhì)來(lái)源方便、成本低、速度快、無(wú)環(huán)境污染，但功率較小、動(dòng)作不平穩(wěn)、有噪聲、難于伺服。同液壓執(zhí)行元件一樣，氣壓執(zhí)行元件也分成氣缸和氣動(dòng)電機(jī)。1.氣缸氣缸是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中使用最多的一種執(zhí)行元件，根據(jù)使用條件、場(chǎng)合的不同，其結(jié)構(gòu)、形狀也有多種形式。常見(jiàn)的分類方法有按結(jié)構(gòu)分類、按缸徑分類、按緩沖形式分類、按驅(qū)動(dòng)方式分類和按潤(rùn)滑方式分類。其中最常用的是普通氣缸，即在缸筒內(nèi)只有一個(gè)活塞和一根活塞桿的氣缸，主要有單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。單作用氣缸只在活塞一側(cè)通入壓縮空氣使其伸出或縮回，另一側(cè)是通過(guò)呼吸孔開放在大氣中的。這種氣缸只能在一個(gè)方向上做功?；钊姆聪騽?dòng)作則靠一個(gè)復(fù)位彈簧或施加外力來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙作用氣缸活塞的往返運(yùn)動(dòng)是依靠壓縮空氣從缸內(nèi)被活塞分隔開的兩個(gè)腔室(有桿腔、無(wú)桿腔)交替進(jìn)入和排出來(lái)實(shí)現(xiàn)的，壓縮空氣可以在兩個(gè)方向上做功。在機(jī)電設(shè)備中，最常用的一種氣缸是氣動(dòng)手指(氣爪)，它可以實(shí)現(xiàn)各種抓取功能，是現(xiàn)代氣動(dòng)機(jī)械手中一個(gè)重要部件。氣動(dòng)手指的主要類型有平行手指氣缸、擺動(dòng)手指氣缸、旋轉(zhuǎn)手指氣缸和三點(diǎn)手指氣缸等。2?氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的比較空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞;將用過(guò)的氣體排入大氣，無(wú)需回氣管路處理方便;泄漏不會(huì)嚴(yán)重的影響工作，不污染環(huán)境?？諝忏@性很小，在管路中的沿程壓力損失為液壓系統(tǒng)的千分之一，易于遠(yuǎn)距離控制。工作壓力低，可降低對(duì)氣動(dòng)元件的材料和制造精度要求。對(duì)開環(huán)控制系統(tǒng)，它相對(duì)液壓傳動(dòng)具有動(dòng)作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。維護(hù)簡(jiǎn)便，使用安全，沒(méi)有防火、防爆問(wèn)題適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機(jī)械的特殊要求。對(duì)于無(wú)油的氣動(dòng)控制系統(tǒng)則特別適用于無(wú)線電元器件生產(chǎn)過(guò)程，也適用于食品和醫(yī)藥的生產(chǎn)過(guò)程。氣壓系統(tǒng)與電氣、液壓系統(tǒng)比較有以下缺點(diǎn)氣動(dòng)裝置的信號(hào)傳遞速度限制在聲速范圍之內(nèi)，所以它的工作頻率和響應(yīng)速度遠(yuǎn)不如電氣裝置，并且信號(hào)產(chǎn)生較大失真和延遲，也不便于構(gòu)成十分復(fù)雜的回路。但這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)造成困難?？諝獾膲嚎s性遠(yuǎn)大于液壓油的收縮性，精度較低。氣壓傳動(dòng)的效率比液壓傳動(dòng)還要低，且噪聲較大。3執(zhí)行元件功率驅(qū)動(dòng)接口在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件往往是功率較大的機(jī)電設(shè)備，微機(jī)控制系統(tǒng)后向通道輸出的控制信號(hào)(數(shù)字量或模擬量)需要通過(guò)與執(zhí)行元件相關(guān)的功率放大器才能對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的控制。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，功率放大器被稱為功率驅(qū)動(dòng)接口，其主要功能是把微機(jī)系統(tǒng)后向通道輸出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作的具有一定電壓和電流的強(qiáng)電功率信號(hào)或液壓氣動(dòng)信號(hào)。3.1功率驅(qū)動(dòng)接口的分類和組成形式根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)接口選用的功率器件，功率驅(qū)動(dòng)接口可分為功率晶體管、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管及專用功率驅(qū)動(dòng)集成電路等多種類型。根據(jù)控制方式，功率驅(qū)動(dòng)接口分為鎖相傳動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)接口、脈沖寬度調(diào)制型功率驅(qū)動(dòng)接口、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)差調(diào)速功率驅(qū)動(dòng)接口及變頻調(diào)速功率驅(qū)動(dòng)接口等。根據(jù)負(fù)載的供電特性，功率驅(qū)動(dòng)接口可分為直流輸出和交流輸出兩類，其中交流輸出功率驅(qū)動(dòng)接口又分為單相交流輸出和三相交流輸出。由于功率接口的驅(qū)動(dòng)級(jí)一般工作于高電壓大電流狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率較大或失控時(shí)大功率器件往往會(huì)燒毀而使系統(tǒng)失效，利用保護(hù)電路對(duì)大功率器件工作參數(shù)進(jìn)行在線采樣，并反饋給控制器或信號(hào)預(yù)處理電路，使功率器件不致產(chǎn)生過(guò)流或過(guò)壓，并使功率輸出波形的失真度減少到最低程度。根據(jù)執(zhí)行元件的類型，功率驅(qū)動(dòng)接口可分為開關(guān)功率接口、直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)接口、交流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)接口、伺服電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)接口及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)接口等。其中開關(guān)功率驅(qū)動(dòng)接口又包括繼電接觸器、電磁鐵及各類電磁閥等的驅(qū)動(dòng)接口。4.3.2電力電子器件傳統(tǒng)的開關(guān)器件包括晶閘管(SGR、電力晶體管(CTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)、場(chǎng)控晶閘管(MQT)等新型電力電子器件。電力電子器件的性能要求是大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)和低損耗。評(píng)價(jià)器件品質(zhì)因素的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。開關(guān)器件分為晶閘管型和晶體管型，其共同特點(diǎn)是用正或負(fù)的信號(hào)施加于門極上(或柵極或基極)來(lái)控制器件的通與斷。4.3.3開關(guān)型功率接口在開關(guān)型功率接口中，微機(jī)輸出的是開關(guān)量控制信號(hào)，執(zhí)行元件工作于低頻開關(guān)狀態(tài)，如電磁閥、電磁鐵、機(jī)器主電動(dòng)機(jī)、電熱器件、電光器件等。這類接口一般采用晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)或繼電器電路切換的方法。晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路晶閘管具有弱電控制，強(qiáng)電輸出的特點(diǎn)。單向晶閘管又稱可控硅整流器，其最大特點(diǎn)是有截止和導(dǎo)通兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)(開關(guān)作用)，同時(shí)又具有單向?qū)щ姷恼髯饔?。通過(guò)它可以用小的功率信號(hào)控制大功率設(shè)備，因此在交直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、調(diào)功、伺服控制及無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等方面均有廣泛的應(yīng)用。固態(tài)繼電器接口固態(tài)繼電器SSR又稱固態(tài)開關(guān)，是一種以弱電信號(hào)控制強(qiáng)電開關(guān)的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件它可用來(lái)代替各種繼電接觸控制器，實(shí)現(xiàn)功率設(shè)備的無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪聲、高速開關(guān)固態(tài)繼電器為一個(gè)四端組件，它內(nèi)部基本上由三個(gè)部分組成:輸入受控部分、光電藕合部分及輸出驅(qū)動(dòng)部分。繼電器型驅(qū)動(dòng)接口由于固態(tài)繼電器是通過(guò)改變金屬觸點(diǎn)的位置使動(dòng)觸點(diǎn)與定觸點(diǎn)閉合或分開，所以具有接觸電阻小、流過(guò)電流大及耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，但在動(dòng)作可靠性上不及晶閘管。繼電器有電壓線圈與電流線圈兩種工作類型，它們?cè)诒举|(zhì)上是相同的，都是在電能的作用下產(chǎn)生一定的磁勢(shì)，電壓繼電器的電氣參數(shù)包括線圈的電阻、電感或匝數(shù)、吸合電壓、釋放電壓和最大允許工作電壓。電流繼電器的電氣參數(shù)包括線圈匝數(shù)、吸合電流和最大允許工作電流。常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，一般用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)多個(gè)繼電器的系統(tǒng)中，宜采用功率驅(qū)動(dòng)集成電路。交流電磁式繼電器通常用雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)或一個(gè)直流繼電器作為中間繼電器控制。4?液壓輸入接口裝置電液伺服閥是由電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器和液壓放大器兩部分組成，閥的輸入為小功率電流信號(hào)，輸出為大功率的液壓信號(hào)。電液比例閥是在傳統(tǒng)液壓閥基礎(chǔ)上采用螺管式比例電磁閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)的液壓閥，這種閥的動(dòng)態(tài)性能不及電液伺服閥，但卻具有抗污染能力強(qiáng)、可靠、節(jié)能、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制閥是利用數(shù)字信息直接控制的液壓閥，可與微機(jī)直接相連，不需要D/A轉(zhuǎn)換。常見(jiàn)的數(shù)字閥有采用脈寬調(diào)制原理控制的高速開關(guān)型數(shù)字閥，以及用步進(jìn)電機(jī)作D/A轉(zhuǎn)換器，用增量方式進(jìn)行控制的數(shù)字閥。單元五機(jī)電一體化控制及接口技術(shù)5.1控制技術(shù)概述5.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制形式機(jī)電一體化控制本質(zhì)上就是自動(dòng)控制，機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制形式就是自動(dòng)控制系統(tǒng)的不同分類方式。自動(dòng)控制是指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置，使被控對(duì)象的被控量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律變化。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制過(guò)程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科，是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般性理論。根據(jù)它的不同發(fā)展階段與內(nèi)容，可將其分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論及智能控制理論三個(gè)階段。按照輸出量對(duì)控制作用的影響不同，機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。1?開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)是沒(méi)有反饋的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接送給控制器，并通過(guò)控制器對(duì)受控對(duì)象產(chǎn)生控制作用。開環(huán)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便，缺點(diǎn)是精度較低，對(duì)輸出和干擾沒(méi)有診斷能力。2?閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)的輸出結(jié)果經(jīng)傳感器和反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的輸入信號(hào)比較產(chǎn)生輸出偏差，輸出偏差經(jīng)控制器處理再作用到受控對(duì)象，對(duì)輸出進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)更高精度的系統(tǒng)輸出。1.2控制系統(tǒng)的基本要求和一般設(shè)計(jì)方法為了使被控量按照預(yù)定的規(guī)律變化，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出了穩(wěn)穩(wěn)定性）、準(zhǔn)（準(zhǔn)確性）、快（快速性）的基本要求。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，這是對(duì)控制系統(tǒng)的一個(gè)基本要求。系統(tǒng)的穩(wěn)定性有兩層含義:一是系統(tǒng)穩(wěn)定，叫做絕對(duì)穩(wěn)定性，通常所講的穩(wěn)定性就是這個(gè)含義;另一方面的含義是輸出量振蕩的強(qiáng)烈程度，稱為相對(duì)穩(wěn)定性。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無(wú)關(guān)?？焖傩允窍到y(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能”在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，不僅要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號(hào)所規(guī)定的形式變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。準(zhǔn)確性是在系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間的接近程度。除了要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快以外，還要求控制系統(tǒng)的控制精度高。穩(wěn)”與“快”是說(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程)品質(zhì)。系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的能量不可能突變?！皽?zhǔn)”是說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))品質(zhì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法是把系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)先抽象成數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和研究，不論具有何種量綱，都在模型中以相同的形式表達(dá)，用相同的方法分析，因而各環(huán)節(jié)的特性可按系統(tǒng)整體要求進(jìn)行匹配和統(tǒng)籌設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般可按下面四個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行(1)準(zhǔn)備階段。對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行機(jī)理分析和理論分析，明確被控對(duì)象的特點(diǎn)及要求;限定控制系統(tǒng)的工作條件及環(huán)境，確定安全保護(hù)措施及等級(jí);明確控制方案的特殊要求;確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo);制定試驗(yàn)項(xiàng)目及指標(biāo)。理論設(shè)計(jì)。建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，把被控對(duì)象的控制特性用數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述，作為控制方案選擇及控制器設(shè)計(jì)的依據(jù);確定控制算法及控制器結(jié)構(gòu)，選擇中央處理單元、存儲(chǔ)器等，主要硬、軟件設(shè)計(jì)以及各種接口的選擇和設(shè)計(jì);確定系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)及參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)性能分析、優(yōu)化(3)設(shè)計(jì)實(shí)施。模塊組裝，系統(tǒng)仿真、測(cè)試設(shè)計(jì)定型。整理出設(shè)計(jì)圖樣、電子元器件明細(xì)表、系統(tǒng)操作程序及說(shuō)明書、維修及故障診斷說(shuō)明書和使用說(shuō)明書等，形成相應(yīng)技術(shù)文件。1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及常用類型1?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是指計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、磁盤驅(qū)動(dòng)器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道以及各種顯示、記錄設(shè)備、運(yùn)行操作臺(tái)等。計(jì)算機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。它接收從控制臺(tái)來(lái)的命令，對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和邏輯判斷、報(bào)警處理等，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果通過(guò)接口發(fā)出輸出命令。接口與輸入/輸出(I/O)通道是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的橋梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口。由于計(jì)算機(jī)處理的只能是數(shù)字量，而被控對(duì)象的參數(shù)既有數(shù)字量又有模擬量，因此I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道之分。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最基本的外部設(shè)備是操作臺(tái)。它是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，操作人員可通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令;計(jì)算機(jī)可向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。操作臺(tái)一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT示器等。傳感器的主要功能是將被檢測(cè)的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)(如0~10mADC)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要把各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃盘?hào)送到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)，也需要各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)按計(jì)算機(jī)的輸出命令去控制對(duì)象。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)開關(guān)，電液伺服閥，交、直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軟件是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計(jì)算和自診斷等功能的程序。整個(gè)系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。2?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的類型由于微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，機(jī)電一體化系統(tǒng)大多采用計(jì)算機(jī)作為控制器，目前常用的有基于單片機(jī)、單板機(jī)、普通PC機(jī)、工業(yè)PC機(jī)和可編程序控制器(PLC)等多種類型的控制系統(tǒng)。其中，由于PLC及單片機(jī)控制系統(tǒng)具有一系列優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)中。5.2可編程序控制器技術(shù)5.2.1PLC技術(shù)基礎(chǔ)1.PLC的分類整體式(箱體式)。微型和小型PLC一般為整體式結(jié)構(gòu)。組合式(機(jī)架模塊式)。PLC的硬件組成(1)中央處理器。(2)存儲(chǔ)器。PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分(3)輸入單元。輸出單元。電源部分。(6)I/O擴(kuò)展端口。(7)外設(shè)接口。PLC的工作原理PLC的工作方式采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令執(zhí)行開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。從輸入觸點(diǎn)閉合到輸出觸點(diǎn)閉合有一段時(shí)間延遲，我們一般把這段時(shí)間稱作I/O響應(yīng)時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，影響PLC的I/O滯后現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)。PLC輸入電路中設(shè)置的輸入濾波器對(duì)信號(hào)的延遲作用；輸出繼電器一般都有機(jī)械滯后所引起的動(dòng)作延遲；PLC循環(huán)操作時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的滯后；用戶程序的語(yǔ)句編排不當(dāng)也會(huì)影響輸入/輸出響應(yīng)時(shí)間。(3)S7-200的編程步驟。對(duì)系統(tǒng)任務(wù)分塊；編制控制系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖；繪制各種電路圖；編制PLC程序并進(jìn)行模擬調(diào)試；制作控制臺(tái)與控制柜；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；編寫技術(shù)文件并現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。5.3人機(jī)接口技術(shù)人機(jī)接口是操作者與機(jī)電一體化系統(tǒng)(主要是控制微機(jī))之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向,可以分為兩大類:輸入接口與輸出接口。系統(tǒng)通過(guò)輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息。另一方面，操作者通過(guò)輸入接口向系統(tǒng)輸入各種控制命令及控制參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)所要求完成的任務(wù)。5.3.1輸入接口技術(shù)輸入口輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，要通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送給CPU，而CPU與存儲(chǔ)器以及其他設(shè)備傳輸?shù)妮斎?輸出數(shù)據(jù)，也要通過(guò)這條數(shù)據(jù)總線分時(shí)地進(jìn)行傳輸。因此，輸入口的功能就是在只有CPU允許該輸入口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)，才將來(lái)自外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)總線上。鍵盤是計(jì)算機(jī)中不可缺少的輸入設(shè)備，通過(guò)它可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，完成各種功能的操作，鍵盤按其結(jié)構(gòu)形式，有非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種，前者用軟件來(lái)識(shí)別和產(chǎn)生代碼，后者則用硬件來(lái)識(shí)別。在單片機(jī)中普遍使用的是非編碼鍵盤。。獨(dú)立式鍵盤在單片機(jī)系統(tǒng)中，與主機(jī)交換信息，有時(shí)并不需要復(fù)雜的鍵盤，只要幾個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)就可以了。例如緊急停機(jī)按鈕、部件到位的行程開關(guān)、變速開關(guān)等。如果系統(tǒng)裝備的開關(guān)數(shù)量不多，可以直接裝在接口上，這種連接的鍵盤稱為獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤可以用查詢指令檢查某接口上的開關(guān)是否按下。矩陣式鍵盤矩陣(行列)式鍵盤上的鍵按行列構(gòu)成矩陣，在行列交點(diǎn)上放置一個(gè)鍵，鍵實(shí)際上就是一個(gè)機(jī)械開關(guān)，被按下則其交點(diǎn)的行線和列線接通。為了得到被按鍵的鍵碼，有專門的鍵識(shí)別方法。常用的有:①行掃描法;②線翻轉(zhuǎn)法;③利用8279鍵盤接口產(chǎn)生鍵盤中斷。前兩種都要占用CPU大量的時(shí)間，而后一種則會(huì)節(jié)約CPU時(shí)間。典型行列式鍵盤識(shí)別方法。①測(cè)試有無(wú)鍵按下。②去抖動(dòng)。③鍵掃描以確定按鍵的物理位置。④計(jì)算鍵碼。⑤等待鍵釋放。5.3.2輸出接口技術(shù)從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過(guò)輸出口傳輸給輸出設(shè)備，但在輸出口與實(shí)際的輸出設(shè)備之間一般需要進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，并需要對(duì)輸出數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)序進(jìn)行控制。1.LED數(shù)碼顯示器的工作原理LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)。LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼。LED數(shù)碼顯示器的接口及顯示方法單片機(jī)與顯示器接口可以用硬件為主和用軟件為主的方法。所謂硬件為主就是用4位數(shù)據(jù)線而后用鎖存器、譯碼驅(qū)動(dòng)器顯示一位十六進(jìn)制字符。由于使用硬件較多，缺乏靈活性，所以常用軟件查表來(lái)代替硬件譯碼，但這也需簡(jiǎn)單的硬件電路配合(1)靜態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，是指每一位顯示器的字段控制是獨(dú)立的，每一位的顯示器都需要配一個(gè)8位輸出口來(lái)輸出該字位的七段碼。因此需要片外擴(kuò)展CPU輸出口。動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示方式，又稱掃描顯示方式，也就是在某一時(shí)刻只讓一個(gè)字位處于選通狀態(tài)，其他字位一律斷開，同時(shí)在字段線上發(fā)出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時(shí)刻，某一位數(shù)碼管就被點(diǎn)亮，并顯示出相應(yīng)的字符。5.4機(jī)電接口技術(shù)機(jī)電接口是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械裝置與控制微機(jī)間的接口。按照信息的傳遞方向可以將機(jī)電接口分為信息采集接口(傳感器接口)與控制量輸出接口。控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口接收傳感器輸出信號(hào)，檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按照要求動(dòng)作。5.4.1信息采集接口技術(shù)1?信息采集接口的任務(wù)與特點(diǎn)2?信號(hào)采集通道中的A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)(1)A/D轉(zhuǎn)換器概述。目前用得最多的是雙積分式和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。①分辨率與量化誤差②轉(zhuǎn)換精度。③轉(zhuǎn)換時(shí)間④量程:指所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，分為單極性和雙極性兩種。(2)典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。5.4.2控制量輸出接口技術(shù)1?控制輸出接口的任務(wù)與特點(diǎn)控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理。發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。根據(jù)執(zhí)行元件的需要不同，控制接口的任務(wù)也不同，對(duì)于交流電機(jī)變頻調(diào)速器，控制信號(hào)為0~5v電壓或4~20mA電流信號(hào)，則控制輸出接口必須進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換;對(duì)于交流接觸器等大功率器件，必須進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)。2?控制量輸出接口中的D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)單片機(jī)模擬通道中的輸出通道(也叫后向通道)，用于輸出控制系統(tǒng)需要的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。通常用D/A轉(zhuǎn)換作為輸出，一般也不需要光電隔離驅(qū)動(dòng)，但有特殊需要，就要加光電藕合;另外一種方法是用脈沖寬度調(diào)制輸出(即PWM)經(jīng)低通濾波輸出，作為D/A轉(zhuǎn)換，這種結(jié)構(gòu)在很多單片機(jī)中都有。單兀六機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是應(yīng)用系統(tǒng)總體技術(shù)，從整體目標(biāo)出發(fā)，綜合分析產(chǎn)品的性能要求及各機(jī)、電組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法6.1.1機(jī)電一體化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有機(jī)電互補(bǔ)法、機(jī)電結(jié)合法、機(jī)電組合法、反向設(shè)計(jì)法等常用設(shè)計(jì)方法。其目的是綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)各自的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)最佳的機(jī)電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品。機(jī)電互補(bǔ)設(shè)計(jì)法機(jī)電互補(bǔ)法也可稱為取代法。該方法主要是采用通用或?qū)Ｓ秒娮赢a(chǎn)品取代傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。機(jī)電結(jié)合設(shè)計(jì)法在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)單元部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，常把各組成部件有機(jī)結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能單元系統(tǒng)，充分利用不同部件之間機(jī)電參數(shù)的有機(jī)匹配。組合設(shè)計(jì)法組合設(shè)計(jì)法用于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具體的設(shè)計(jì)是把結(jié)合法制成的功能部件(或子系統(tǒng))、功能模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)，故稱為組合法。反向設(shè)計(jì)方法當(dāng)確定要開發(fā)新產(chǎn)品后，選定市場(chǎng)上當(dāng)前最流行的有代表意義的優(yōu)秀產(chǎn)品，進(jìn)行解剖、測(cè)繪、分析、評(píng)估，最后提出設(shè)計(jì)分析報(bào)告和建議，以確定自己的開發(fā)策略，這一整套工作就是通常所稱的反向設(shè)計(jì)法。6.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分利用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，把產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)放在人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)一體化中進(jìn)行，形成一套科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，采用新的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化，有效地提高機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。目前所采用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有以下幾種。(1)科學(xué)類比設(shè)計(jì)法。(2)信號(hào)分析設(shè)計(jì)法。(3)模塊化設(shè)計(jì)方法。(4)可靠性設(shè)計(jì)法。(5)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法。(6)優(yōu)化設(shè)計(jì)法。(7)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)步驟一般分為技術(shù)預(yù)測(cè)、信號(hào)分析、科學(xué)類比、仿真設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、創(chuàng)造性設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，根據(jù)具體要求可選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，現(xiàn)代設(shè)計(jì)在概念、方法和手段上有以下特征?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法立足于明確設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)，全面、系統(tǒng)地確定設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)計(jì)條件和最終設(shè)計(jì)結(jié)果，用現(xiàn)代設(shè)計(jì)原理和理論作指導(dǎo)，因此可以使設(shè)計(jì)過(guò)程始終不渝地從實(shí)際出發(fā)，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以獲得很高的設(shè)計(jì)成功率，取得優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果?，F(xiàn)