機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)習(xí)提綱主講教師：張業(yè)明zym@QQ403597998Telymclass@163.com(zym123)河南理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》2013-2014年度第一學(xué)期新校區(qū)考試安排：時(shí)間：16周，2013年12月21日周五下午2點(diǎn)半-4點(diǎn)半地點(diǎn)：3204（機(jī)制09-5機(jī)制09-6機(jī)制09-7機(jī)制09-8機(jī)制09-9）；3202（機(jī)制本11-3機(jī)制本11-4，機(jī)制單09-1）；3203（機(jī)制才11-1）。考試形式：閉卷。題型：一、填空題（8個(gè)小題，共16分）；二、多項(xiàng)選擇題（8個(gè)小題，共16分）；三、簡(jiǎn)答題（5個(gè)小題，共45分）；四分析題（2個(gè)小題，共23分）第1章緒論目的：對(duì)什么是“機(jī)電一體化”有初步的感性認(rèn)識(shí)，了解機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念，基本組成及相關(guān)技術(shù)。重點(diǎn)：掌握組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成部分即機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、能源動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行單元、檢測(cè)傳感器等的功能。物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)機(jī)電一體化系統(tǒng)須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動(dòng)、輸送)功能和儲(chǔ)存(保持、積累、記錄)功能。機(jī)電一體化機(jī)電一體化的外文名詞是

Mechatronics

，來(lái)源于日本（70年代）。取英語(yǔ)Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部拼合而成。我國(guó)通常稱為機(jī)電一體化或機(jī)械電子學(xué)；典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)包含哪些基本要素？一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。這些組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過(guò)接口耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機(jī)融合的一個(gè)完整系統(tǒng)。什么是機(jī)電一體化技術(shù)？它主要涉及哪些學(xué)科？從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡(jiǎn)單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論等的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的應(yīng)用技術(shù)。涉及到許多相關(guān)的學(xué)科：機(jī)械學(xué)：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等；電子學(xué)：電工學(xué)、電機(jī)學(xué)、數(shù)字電路、模擬電路等；控制論：經(jīng)典控制（控制工程基礎(chǔ))、現(xiàn)代控制（多變量)等；計(jì)算機(jī)科學(xué)：微處理系統(tǒng)及接口技術(shù)，應(yīng)用軟件技術(shù)（CAD、CAM、FMS、CAT、CNC）等。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)1.機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。2.計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)包括信息的輸入、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)及輸出。信息處理的工具是計(jì)算機(jī)，因此信息處理技術(shù)是和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相關(guān)，包括硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等；機(jī)電系統(tǒng)中采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，其硬件包括輸入/輸出設(shè)備、顯示器、外部存儲(chǔ)器、主機(jī)、可編程控制器、數(shù)控裝置等。3.自動(dòng)控制技術(shù)

機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正補(bǔ)償?shù)龋詣?dòng)控制的基礎(chǔ)是自動(dòng)控制原理，分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論4.伺服傳動(dòng)技術(shù)

所謂“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。

在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照指令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)技術(shù)與使用的執(zhí)行元件有關(guān)。按照?qǐng)?zhí)行元件的不同分為電氣伺服、液壓伺服、氣壓伺服5.檢測(cè)傳感技術(shù)

是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺(jué)器官，即從待測(cè)對(duì)象獲取信號(hào)并送到信息處理部分。

主要內(nèi)容包括：一是將物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、溫度等）轉(zhuǎn)換成一定的與其成比例的電量；二是對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理如放大、補(bǔ)償、標(biāo)定。

檢測(cè)傳感裝置是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，要求傳感器及其放大處理電路快速、精確地獲取信息，并能夠抗干擾、可靠性高。6.系統(tǒng)總體技術(shù)

從整體的觀點(diǎn)出發(fā)，組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，即從全局和系統(tǒng)目標(biāo)角度，將系統(tǒng)分解成若干功能子系統(tǒng)，對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)方案要從整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)考慮，最終使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。第2章機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)目的：通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，把已學(xué)過(guò)的一些機(jī)械設(shè)計(jì)的初步知識(shí)運(yùn)用到系統(tǒng)中，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)一些典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)：突出在機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和選用，以及主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如主軸組件、導(dǎo)軌、支承件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。難點(diǎn)：常用的傳動(dòng)裝置如滾珠絲杠副、同步齒輪帶等的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算。技巧注意事項(xiàng)：因?yàn)樵摬糠謨?nèi)容與所學(xué)過(guò)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程聯(lián)系緊密，學(xué)生必要時(shí)應(yīng)該復(fù)習(xí)以前內(nèi)容。機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有哪些？它們的作用是什么？常用傳動(dòng)部件：螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步齒形傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)，及各種凸輪、連桿其它非線性傳動(dòng)元件。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器。目的是使執(zhí)行元件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。滾珠的循環(huán)方式滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)：滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)：滾珠在返回時(shí)與螺桿脫離接觸的循環(huán)稱為外循環(huán)。按結(jié)構(gòu)的不同,外循環(huán)可分為螺旋槽式、插管式和端蓋式三種。什么是滾珠絲杠的軸向間隙？如何調(diào)整滾珠絲杠的軸向間隙？軸向間隙通常是指絲杠和螺母無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動(dòng)。除了結(jié)構(gòu)本身的游隙之外，在施加軸向載荷之后，軸向間隙還包括彈性變形所造成的竄動(dòng)。滾珠與螺母原有的間隙承載時(shí)滾珠與滾道彈性變形引起的間隙

當(dāng)絲杠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，間隙會(huì)使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法消除間隙，提高剛度。常用調(diào)整結(jié)構(gòu)形式：★雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式★雙螺母齒差調(diào)隙式

★雙螺母墊片調(diào)隙式★彈簧式自動(dòng)調(diào)整式★單螺母變位導(dǎo)程調(diào)隙式和單螺母滾珠過(guò)盈預(yù)緊式（不常用）當(dāng)螺旋機(jī)構(gòu)中存在間隙，若螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變，螺母不能立即產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)，只有螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度后才能使螺母開始反向運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為空回。

軸向間隙包括兩部分

“齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器”一、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比及其分配設(shè)計(jì)機(jī)電一體化齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，主要是研究它的動(dòng)力學(xué)特性。2.2.4齒輪傳動(dòng)

1.最佳總傳動(dòng)比由于負(fù)載特性和工作條件的不同，最佳傳動(dòng)比有各種各樣的選擇方法。在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中常采用使負(fù)載加速度最大的方法。常用的圓柱齒輪傳動(dòng)的間隙調(diào)整方法

(a)偏心套(軸)調(diào)整法如右圖所示，將相互嚙合的一對(duì)齒輪中的一個(gè)齒輪4裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。2.2.4齒輪傳動(dòng)1偏心套2電動(dòng)機(jī)3減速箱4和5減速齒輪

齒輪嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)，若死區(qū)在閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常會(huì)使得系統(tǒng)產(chǎn)生以1～5倍的間隙而進(jìn)行的低頻振蕩。為此盡量采用齒側(cè)隙較小、精度較高的齒輪傳動(dòng)副。但為了降低制造成本，則多采用各種調(diào)整齒側(cè)隙的方法來(lái)消除或減小嚙合間隙，以提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(b)軸向墊片調(diào)整法如右圖所示，齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動(dòng)，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法。2.2.4齒輪傳動(dòng)1、2---齒輪

3--墊片(c)雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法

這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。具體措施有：

（1）周向彈簧式（2）可調(diào)拉簧式

2.2.4齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和級(jí)比的選擇應(yīng)遵循原則總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)配置傳動(dòng)比的目的：滿足驅(qū)動(dòng)元件與負(fù)載之間的位移、速度、加速度、傳動(dòng)精度（誤差）相互匹配的基本要求。多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，遵循如下的原則：1、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則

傳動(dòng)比i的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低不明顯。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

傳動(dòng)比i的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、重量最輕原則小功率傳動(dòng)時(shí)，i的分配各級(jí)相等；大功率傳動(dòng)時(shí)，i

的分配先大后小。對(duì)數(shù)減少傳動(dòng)精度提高三、諧波齒輪傳動(dòng)1、諧波齒輪傳動(dòng)原理

利用行星輪系傳動(dòng)原理，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔性齒輪產(chǎn)生可控制的變形波（近似諧波），并和剛輪作用引起齒間相對(duì)位移，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。由三個(gè)基本構(gòu)件組成：波發(fā)生器、柔輪、剛輪，其實(shí)質(zhì)是一種新型減速器。波發(fā)生器是行星輪系的轉(zhuǎn)臂剛輪是中心輪柔輪是行星輪2.2.6間歇傳動(dòng)部件

在機(jī)械和儀表中，常常需要原動(dòng)件作連續(xù)運(yùn)動(dòng)，而從動(dòng)件則產(chǎn)生周期性時(shí)動(dòng)時(shí)停的間歇運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。常見的間歇傳動(dòng)部件有：棘輪傳動(dòng)、槽輪傳動(dòng)、蝸形凸輪傳動(dòng)等部件2.4.1導(dǎo)向支承部件導(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)軌副主要由承導(dǎo)件1和運(yùn)動(dòng)件2兩部分組成，如圖2-20所示。運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹本€的被稱為直線導(dǎo)軌副，為回轉(zhuǎn)的被稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副。常用的導(dǎo)軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質(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。

圖2-20導(dǎo)軌副的組成1－承導(dǎo)件2－運(yùn)動(dòng)件

機(jī)電一體化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等的精度和運(yùn)動(dòng)速度都比較高，因此，其導(dǎo)軌應(yīng)具有較好的靈活性和平穩(wěn)性，工作時(shí)應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)無(wú)振動(dòng)。在低速運(yùn)行時(shí)(如0.05mm／min)，往往不是作連續(xù)的勻速運(yùn)動(dòng)而是時(shí)走時(shí)停(即爬行)。其主要原因是摩擦系數(shù)隨運(yùn)動(dòng)速度的變化和傳動(dòng)系統(tǒng)剛性不足。④運(yùn)動(dòng)的靈活性和低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性導(dǎo)軌的爬行現(xiàn)象機(jī)理（彈簧-阻尼系統(tǒng)）

傳動(dòng)系統(tǒng)2帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)件3在靜導(dǎo)軌4上運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用在導(dǎo)軌副內(nèi)的摩擦力是變化的。導(dǎo)軌副相對(duì)靜止時(shí)，靜摩擦系數(shù)較大。運(yùn)動(dòng)開始的低速階段，動(dòng)摩探系數(shù)隨導(dǎo)軌副相對(duì)滑動(dòng)速度的增大而降低，直到相對(duì)速度增大到某一臨界值，動(dòng)摩擦系數(shù)才隨相對(duì)速度的減小而增加。由此來(lái)分析下圖所示的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是：勻速運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)件1，通過(guò)壓縮彈簧推動(dòng)靜止的運(yùn)動(dòng)件3，當(dāng)運(yùn)動(dòng)件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時(shí)，3不動(dòng)。直到彈簧力剛剛大于靜摩擦力F時(shí)，3才開始運(yùn)動(dòng)，動(dòng)摩擦力隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應(yīng)增大，同時(shí)彈簧相應(yīng)伸長(zhǎng)，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負(fù)加速度，速度降低，動(dòng)摩擦力相應(yīng)增大，速度逐漸下降，直到3停止運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)件l這時(shí)再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進(jìn)入下一個(gè)周期。彈簧-阻尼系統(tǒng)圖1-主動(dòng)件；2-彈簧-阻尼；3-運(yùn)動(dòng)件；4-靜導(dǎo)軌

為防止爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)，可同時(shí)采取以下幾項(xiàng)措施：

★采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、卸荷導(dǎo)軌、貼塑料層導(dǎo)軌等；

★在普通滑動(dòng)導(dǎo)軌上使用含有極性添加劑的導(dǎo)軌油；

★用減小結(jié)合面、增大結(jié)構(gòu)尺寸、縮短傳動(dòng)鏈、減少傳動(dòng)副等方法來(lái)提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。

防止爬行現(xiàn)象采取以下幾項(xiàng)措施第3章傳感檢測(cè)系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)目的：了解并會(huì)選用在機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的一些傳感元件。重點(diǎn)：掌握傳感器的各種類型、測(cè)量精度、范圍、基本的結(jié)構(gòu)以及連接方式等。難點(diǎn)：各類傳感器的輸入輸出信號(hào)處理技術(shù)和測(cè)試技術(shù)基本知識(shí)的運(yùn)用。3.1傳感器的組成和分類3.1.1傳感器的組成通常傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

圖3-1傳感器的組成（1）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,其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。（2）轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（如電阻、電感、電容等）形式。（3）基本轉(zhuǎn)換電路：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。表3.2傳感器的技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其它指標(biāo)量程指標(biāo):量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo):靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo):精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間、過(guò)沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo):工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo):允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其它環(huán)境參數(shù):抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo):供電方式(直流、交流、頻率及波形等)、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指標(biāo):外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝連接方面指標(biāo):安裝方式、饋線電纜等

傳感器標(biāo)定是指利用較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具（或儀器、儀表）對(duì)傳感器的特性進(jìn)行刻度，或者說(shuō)通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器的標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定:1.感器靜態(tài)特性標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、精度、遲滯性和重復(fù)性等。2.傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定的目的確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間或工作頻率、通頻帶等。傳感器的標(biāo)定3.2線位移檢測(cè)傳感器3.2.1光柵位移傳感器3.2.2感應(yīng)同步器3.2.3磁柵位移傳感器3.3角位移檢測(cè)傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，輸出信號(hào)大，抗干擾好，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。二、光電編碼器光電編碼器是一種碼盤式角度—數(shù)字檢測(cè)元件。它有兩種基本類型：一種是增量式編碼器，一種是絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多。

絕對(duì)式編碼器能直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來(lái)，組成多級(jí)檢測(cè)裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

4、傳感器與微機(jī)的基本接口

輸入到微機(jī)的信息必須是微機(jī)能夠處理的數(shù)字量信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量。與此相應(yīng)的有三種基本接口方式，見下表。一、檢測(cè)系統(tǒng)的組成第4章微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì)目的：了解控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化系統(tǒng)的作用及常用的控制系統(tǒng)類型，掌握基本的設(shè)計(jì)方法，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析等。重點(diǎn)：微機(jī)控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用。考慮接口的設(shè)計(jì)（主要是硬件）。學(xué)習(xí)了解Protel電路設(shè)計(jì)與制板軟件的使用。難點(diǎn)：程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)和微機(jī)控制所學(xué)內(nèi)容在本章的靈活運(yùn)用。技巧注意事項(xiàng)：復(fù)習(xí)控制工程、微機(jī)控制等相關(guān)內(nèi)容。第一節(jié)微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般知識(shí)

一、微機(jī)部分的作用及機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)其基本要求1.作用：

將來(lái)自傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行處理，并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)機(jī)電一體化系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所處的位置見下圖。第九節(jié)數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路

一、數(shù)字顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用LED(發(fā)光二極管，LightEmittingDiode

)、CRT（陰極射線管CathodeRayTube）顯示器和LCD(液晶顯示器，LiquidCrystalDisplay

)等作為顯示器件。其中LED和LCD成本低、配置靈活、與單片機(jī)接口方便，應(yīng)用廣泛。

1、LED顯示器

LED是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆劃發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。這種筆劃式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量少，但控制簡(jiǎn)單、使用方便。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱為共陽(yáng)極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。共陽(yáng)極共陰極通常的七段LED顯示塊中有八個(gè)發(fā)光二極管，故也稱之為八段顯示塊。其中七個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”。一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。七段顯示塊與單片機(jī)接口非常容易。只要將一個(gè)8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陽(yáng)極與共陰極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)，二者之和為FFH。

數(shù)碼管顯示有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法：（1）.靜態(tài)顯示

就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。例如七段顯示器的a、b、c、d、e、f導(dǎo)通，g截止，顯示0。這種顯示方式每一位都需要一個(gè)8位輸出口控制，三位顯示器的接口邏輯如下圖所示。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)：每一位都需要一個(gè)8位輸出口控制，用于顯示位數(shù)較少（僅一、二位）的場(chǎng)合；較小的電流能得到較高的亮度，可以由8255的輸出口直接驅(qū)動(dòng)。

（2）動(dòng)態(tài)顯示

動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器(掃描)。對(duì)于每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示；若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)8位并行口(稱為掃描口或位選口

)。控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)共用的8位口(稱為段數(shù)據(jù)口)。用于顯示位數(shù)稍多的場(chǎng)合，需編寫掃描程序。

一、光電隔離電路設(shè)計(jì)為了防止強(qiáng)電干擾以及其他干擾信號(hào)通過(guò)I/O控制電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，影響其工作，通常的辦法是首先采用濾波吸收，抑制干擾信號(hào)的產(chǎn)生，然后采用光電隔離的辦法，使微機(jī)與強(qiáng)電部件不共地，阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)。光電隔離電路主要由光電耦合器的光電轉(zhuǎn)換元件組成，如下圖所示.光電隔離電路的主要作用：

（1）可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。這樣信息通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，單向傳遞，又由于光電耦合器輸入與輸出端之間絕緣電阻非常大(一般為1011~1013Ω)，寄生電容很小(一般為0.5~2pF)，因此，干擾信號(hào)很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。（2）可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如上圖a所示電路，通過(guò)光電耦合器可以很方便地把微機(jī)的輸出信號(hào)變?yōu)?2V。（3）提高驅(qū)動(dòng)能力。隔離驅(qū)動(dòng)用光電耦合器件，如達(dá)林頓晶體管輸出和晶閘管輸出型光電耦合器件，不但具有隔離功能，而且還具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。微機(jī)輸出信號(hào)通過(guò)這種光電耦合器件后，就能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第5章執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)目的：伺服系統(tǒng)的主要作用及其分類，學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)伺服裝置的基本原理和運(yùn)行特性、控制方法，了解直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)。重點(diǎn)：開環(huán)伺服系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，包括步進(jìn)電機(jī)的選擇、傳動(dòng)比的分配、慣性匹配、力矩校核、剛度計(jì)算、定位誤差分析等。難點(diǎn)：清楚計(jì)算過(guò)程中每個(gè)公式的來(lái)龍去脈及其量綱。一、執(zhí)行元件的作用1.作用：執(zhí)行元件主要用來(lái)根據(jù)控制信息和指令，將來(lái)自電、液壓、氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式機(jī)械能，并完成要求動(dòng)作的能量轉(zhuǎn)換裝置，它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所處的位置參見下圖。執(zhí)行元件的種類三、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求（1）慣量小，動(dòng)力大。

表征執(zhí)行元件慣量的性能指標(biāo)：m(直線運(yùn)動(dòng)）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）表征輸出動(dòng)力的性能指標(biāo)：推力F、轉(zhuǎn)矩T、功率P對(duì)直線運(yùn)動(dòng)：a=F/m；對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：P=ωT，ε=T/J。即加速度a與角加速度ε表征了執(zhí)行元件的加速性能。

比功率：表征動(dòng)力大小的綜合指標(biāo)，包含功率、加速性能與轉(zhuǎn)速三種因素，即比功率＝Pε/ω=T2/J（2）體積小，重量輕:用功率密度或比功率密度來(lái)評(píng)價(jià)

功率密度＝P/G；比功率密度＝(T2/J)/G，其中G為執(zhí)行元件重量。（3）安裝方便、便于維修維護(hù)。

最好不要維修，無(wú)刷DC及AC伺服電機(jī)→走向無(wú)維修（4）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制：主流是電氣式。其次是液壓式和氣壓式(在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié))。內(nèi)燃機(jī)定位運(yùn)動(dòng)的微機(jī)控制較難，故通常僅被用于交通運(yùn)輸機(jī)械。伺服系統(tǒng)的基本組成和伺服電動(dòng)機(jī)的主要控制方式

由以下4部分組成：

?控制器；

?功率驅(qū)動(dòng)裝置；

?檢測(cè)反饋裝置；

?伺服電機(jī)(M).

例：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)區(qū)別①半閉環(huán)位置檢測(cè)裝置安裝位置：注意:半閉環(huán)位置檢測(cè)裝置安裝位置在滾珠絲杠或電機(jī)軸上,而不是工作臺(tái)上.半開環(huán)系統(tǒng)(3)半閉環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)區(qū)別

②精度較低

傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動(dòng)誤差沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng).

③調(diào)整比較容易(4)半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合注意:

半閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用較多,閉環(huán)系統(tǒng)一般只用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上.圖6-3伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式第四節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類

1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：①步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響(如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；②步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫?huì)長(zhǎng)期積累；③控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。④不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開環(huán)控制；⑤缺點(diǎn)是能量效率較低。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與DC和AC伺服電動(dòng)機(jī)相比其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、速度控制比較簡(jiǎn)單、外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，所以在辦公室自動(dòng)化方面的打印機(jī)、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用，在工廠自動(dòng)化方面也可代替低檔的DC伺服電動(dòng)機(jī)。

(3)工作原理小結(jié)

①步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度,即步距角α；

式中：

①m為相數(shù),k為通電方式系數(shù)。m相m拍時(shí)(如單相或雙相勵(lì)磁時(shí)，k=1；m相2m拍時(shí)(如單雙相勵(lì)磁時(shí))，k=2；z為轉(zhuǎn)子齒數(shù).

②通過(guò)改變通電順序來(lái)改變旋轉(zhuǎn)方向；

③通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)速就越高.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式：

單三拍時(shí)：A—B—C,—A—B—C…4

雙三拍時(shí)：

單雙拍（即六拍）時(shí)：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,--A—AB—B—BC—C—CA…步進(jìn)電機(jī)的主要特性主要特性有5個(gè)：

?步距角與靜態(tài)步距誤差；?啟動(dòng)頻率fq

；

?連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率；

?加減速特性；

?矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩.

三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)軟件脈沖分配

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、移位寄存器法等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。步序?qū)щ娤喙ぷ鳡顟B(tài)數(shù)值（16進(jìn)制）程序的數(shù)據(jù)表正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)CBATABA00101HTAB0DB01HAB01103HTAB1DB03HB01002HTAB2DB02HBC11006HTAB3DB06HC10004HTAB4DB04HCA10105HTAB5DB05H減速器傳動(dòng)比的計(jì)算及分配減速器傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。不但要求傳動(dòng)構(gòu)件要有足夠的強(qiáng)度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)為最大。以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，其傳動(dòng)比可按下式計(jì)算：式中為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角(o)；為絲杠導(dǎo)程(mm)；為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量(mm)。脈沖當(dāng)量指對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)輸入端的一個(gè)進(jìn)給脈沖，系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角或位移。第6章機(jī)電一體化系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

電磁干擾的兩種傳輸途徑：輻射耦合途徑，傳導(dǎo)耦合途徑。電磁干擾的存在必須具備三個(gè)條件：(1)電磁干擾源；(2)電磁干擾傳播途徑；(3)電磁干擾敏感體主要干擾源：為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)抗干擾性能，首先須弄清干擾源。從干擾竄入系統(tǒng)的渠道來(lái)看，系統(tǒng)所受到的干擾源分為供電干擾、過(guò)程通道干擾、場(chǎng)干擾等。幾種接地技術(shù)單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是為許多接在一起的不同的電路提供一個(gè)公共電位參考點(diǎn)，這樣不同種類電路的信號(hào)就可以在不同種的電路之間傳輸。多點(diǎn)接地

設(shè)備內(nèi)電路都以機(jī)殼為參考點(diǎn)，而各個(gè)設(shè)備的機(jī)殼又都以地為參考點(diǎn)。在高頻電路中必須使用多點(diǎn)接地，并且要求每根接地地線的長(zhǎng)度小于信號(hào)波長(zhǎng)的1/16。混合單點(diǎn)接地

系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點(diǎn)接地，而高頻或射頻信號(hào)又要求多點(diǎn)接地，這時(shí)就可以采用混合單點(diǎn)接地的方法。這種接地方法的缺點(diǎn)是接地導(dǎo)線有時(shí)較長(zhǎng)，不利于高頻或射頻電路所要求的接地性能，這種方法適用于板級(jí)電路的模擬地和數(shù)字地的接地方式。混合多點(diǎn)接地

混合多點(diǎn)接地方法不僅包含了單點(diǎn)接地特性也包含了多點(diǎn)接地特性，是經(jīng)常采用的一種接地方法。由于采用了就近接地，接地導(dǎo)線可以做到很短。這不僅降低了接地阻抗，同時(shí)還減小了接地回路的面積，有利于抑制干擾耦合的現(xiàn)象發(fā)生接地的一般性原則低頻電路：

對(duì)于低頻電路接地的問(wèn)題，應(yīng)堅(jiān)持一點(diǎn)接地的原則。這種接地方式一般在1MHz以下的工作頻率段內(nèi)能工作得很好。高于10MHz高頻電路：

為了降低接地線阻抗和接地線間的分布電感和分布電容所造成的電路引互相耦合干擾的機(jī)會(huì)，高頻電路宜采用就近接地，即“多點(diǎn)接地”的原則。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電路的工作頻率高于10MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。高頻接地的關(guān)鍵技術(shù)就是盡量減少接地線的分布電感和分布電容高低頻率混合電路：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中既有低頻電路又有高頻電路(這是常有的情況)時(shí)，應(yīng)該采用混合接地的原則。系統(tǒng)內(nèi)的低頻部分需要單點(diǎn)接地，而高頻部分需要多點(diǎn)接地。一般情況下，可以把地線分成3大類，即電源地、信號(hào)地和屏蔽地。所有電源地線都接到電源總地線上，所有的信號(hào)地線都接到信號(hào)總地線上，所有的屏蔽地線都接到屏蔽總地線上，最后將3大類地線匯總到公共的地線上。過(guò)程通道抗干擾措施

抑制傳輸線干擾主要措施：光電隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。具體來(lái)說(shuō)有如下幾點(diǎn)：1.光電隔離的長(zhǎng)線浮置措施

在長(zhǎng)線傳輸時(shí)可以將模塊間兩個(gè)光電耦合器件用連線“浮置”起來(lái)，消除了各電氣功能模塊間的互相竄擾，解決了長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配問(wèn)題。2