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1、一、绪论 目的：目的：对什么是“机电一体化”有初步的感性认识，了解机电一体化系统的概念，基本组成及相关技术。 重点：重点：掌握组成机电一体化系统的五大组成部分即机械系统、控制系统、能源动力系统、执行单元、检测传感器等的功能。 物质、能量和信息物质、能量和信息(即工业三大要素即工业三大要素) 机电一体化系统须具有以下三大“目的功目的功能能”：变换变换(加工、处理)功能、传递传递(移动、输送)功能和储存储存(保持、积累、记录)功能。 机电一体化机电一体化的外文名词是机电一体化机电一体化的外文名词是 ，来源于日本（，来源于日本（70年代）。年代）。取英语取英语Mechanics（机械学）的前半部和（
2、机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成。（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为我国通常称为机电一体化或机械电子学机电一体化或机械电子学；思考题： 1.1.机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能要素以及分别实现哪些功能? ? 2. 2. 工业三大要素指的是什么？机电一体化设工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些？计的目标是哪些？ 3. 3. 机电一体化的接口功能有哪些？根据不同机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的接口功能试说明的接口功能试说明接口的种类接口的种类。 4. 4. 说明机电一体化
3、系统设计的设计思想、方说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。法。 5. 5. 开发性设计、变异性设计、适应性设计有开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同何异同？二、机械系统部件的选择与设计机械系统部件的选择与设计 目的：目的：通过本章的学习，把已学过的一些机械设计的初步知识运用到系统中，并进一步学习一些典型的机械结构设计方法。 重点：重点：突出在机电一体化系统中常用的机械传动装置的设计和选用，以及主要机械结构如主轴组件、导轨、支承件在设计时应注意的问题。 难点：难点：常用的传动装置如滚珠丝杠副、同步齿轮带等的选择及设计计算。 技巧注意事项：技巧注意事项：因为该部分内容与所学过的机械设计课
4、程联系紧密，学生必要时应该复习以前内容。2.2 传动部件的选择与设计传动部件的选择与设计 常用传动部件常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，及齿形传动、高速带传动，及各种凸轮、连杆各种凸轮、连杆其它其它非线性非线性传动元件。传动元件。 其其主要功能主要功能是是传递转矩和转速传递转矩和转速。因此，它。因此，它实实质质上是一种转矩、转速上是一种转矩、转速变换器变换器。 目的目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。方面得到最佳匹配。（2）滚珠的循环方式）滚珠的循环方式 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有滚珠丝
5、杠副中滚珠的循环方式有内循环内循环和和外外循环循环两种。两种。内循环：内循环： 滚珠在循环过程中滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触始终与螺杆保持接触的循环的循环叫内循环。叫内循环。外循环：外循环： 滚珠在返回时与螺杆脱离滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的接触的循环称为外循环。按结构的不同不同,外循环可分为外循环可分为螺旋槽式、插管螺旋槽式、插管式式和和端盖式端盖式三种。三种。五、轴向间隙的调整五、轴向间隙的调整 轴向间隙通常是指轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。除。除了结构本身的游隙之外，
6、在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。 滚珠与螺母原有的间隙滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程空程，从而影，从而影响机构的传动精度。响机构的传动精度。通常采用通常采用双螺母双螺母预紧预紧的方法的方法消除间消除间隙，提高刚度。隙，提高刚度。 常用调整结构形式：常用调整结构形式： 垫片调隙式垫片调隙式 螺纹调隙式螺纹调隙式 齿差调隙式齿差调隙式 变位螺距调隙式变位螺距调
7、隙式（不常用）（不常用）当螺旋机构中存在间隙，若螺杆当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的转动方向改变，螺母不能立即的转动方向改变，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某产生反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运一角度后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为动，这种现象称为空回空回。 轴向间隙包括两部分轴向间隙包括两部分 “齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器”一、一、 齿轮传动系统的总传动比及其分配齿轮传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学动力学特性特性。 2.2.4
8、 齿轮传动齿轮传动 1.最佳总传动比最佳总传动比 由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使系统中常采用使负载加速度最大的方法负载加速度最大的方法。二、二、 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法 (1) 圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动 (a) 偏心套偏心套(轴轴)调整法调整法 如右图所示，将相互啮合的如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮一对齿轮中的一个齿轮4装装在电机输出轴上，并将电机在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套安装在偏心套1(
9、或偏心轴或偏心轴)上，通过转动偏心套上，通过转动偏心套(偏心轴偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。不能自动补偿。 2.2.4 齿轮传动齿轮传动1偏心套 2电动机3减速箱 4和5减速齿轮 齿轮啮合间隙会造成齿轮啮合间隙会造成传动死区传动死区，若死，若死区在闭环系统中，则可能造成系统不稳区在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使得系统产生以定，常会使得系统产生以15倍的间隙倍的间隙而进行的低频振荡。而进行的低频振荡。
10、 为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高的齿轮传动副。但的齿轮传动副。但为了降低制造成本为了降低制造成本，则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除或减小啮合间隙，以提高传动精度和系或减小啮合间隙，以提高传动精度和系统的稳定性。统的稳定性。 (b) 轴向垫片调整法轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮如右图所示，齿轮1和和2相啮相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以方向略有锥度，这样就可以用用轴向垫片轴向垫片3使齿轮使齿轮2沿轴向沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片侧间隙
11、。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮的厚度应使得齿轮1和和2之间之间既齿侧间隙小，运转又灵活。既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套特点同偏心套(轴轴)调整法调整法。2.2.4 齿轮传动齿轮传动1 1、2-2-齿轮齿轮 3-3-垫片垫片(c) 双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片可相对转动的做成宽齿轮，另一个用两片可相对转动的薄齿轮组成薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿
12、侧间宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。隙，反向时不会出现死区。 具体措施有：具体措施有： （1）周向弹簧式）周向弹簧式 （2）可调拉簧式）可调拉簧式 2.2.4 齿轮传动齿轮传动小结：齿轮传动传动链的级数和级比的选择小结：齿轮传动传动链的级数和级比的选择 总原则：尽量采用较大传动比的单级传动尽量采用较大传动比的单级传动配置传动比的目的配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的：满足驱动元件与负载之间的、相互匹配的基本要求。相互匹配的基本要求。多级传动时，遵循如下的原则：1、最小等效转动惯量原则、最小等效转动惯量原则 传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小
13、，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时， i 的分配各级相等；大功率传动时， i 的分配先大后小。对数减少传动精度提高三、三、 谐波齿轮传动谐波齿轮传动1、谐波齿轮传动原理、谐波齿轮传动原理 利用行星轮系传动原理，利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮波发生器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力。相对位移
14、，传递运动和动力。 由三个基本构件组成：波由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮，其实质发生器、柔轮、刚轮，其实质是一种新型减速器。是一种新型减速器。波发生器是行星轮系的转臂刚轮是中心轮柔轮是行星轮2.2.6 间歇传动部件 在机械和仪表中，常常需要原动件在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而从动件则产生周期性作连续运动，而从动件则产生周期性时动时停的间歇运动，实现这种间歇时动时停的间歇运动，实现这种间歇运动的机构称为运动的机构称为间歇运动机构间歇运动机构。 常见的间歇传动部件有：棘轮传动、棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件2.4.1导向支承部件导向支承部件 导
15、向支承部件的导向支承部件的作用作用是支承和限制运动部件按给定的运动要是支承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。这样的部件通常被标为求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副导轨副，简称简称导轨导轨。 导轨副主要由导轨副主要由承导件承导件1和运动件和运动件2两部分组成，如图两部分组成，如图2-20所所示。运动方向为直线的被称为示。运动方向为直线的被称为直线导轨副直线导轨副，为回转的被称为，为回转的被称为回转运动导轨副回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨滑动导轨
16、、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。等。 图图2-20 导轨副的组成导轨副的组成1承导件承导件 2运动件运动件 机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和运动速度都比较高，因此，其导轨应具有较好运动速度都比较高，因此，其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，均匀，低速运动或微量位移时不出现低速运动或微量位移时不出现爬行爬行现象现象；高速运动时应无振动。高速运动时应无振动。 在低速运行时在低速运行时(如如0.05mmmin)，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停(即爬行)。其其主要原因是摩擦系数随运动
17、速度的变化和传动主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。系统刚性不足。 运动的灵活性和低速运动的平稳性导轨的爬行现象机理（弹簧导轨的爬行现象机理（弹簧-阻尼系统）阻尼系统） 传动系统 2 带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低运动开始的低速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。由此来分
18、析下图所示的运动系统是：匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件 l 这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。 弹簧弹簧-阻尼系统图阻尼系统图1-1-主动件；主动件；2-2-弹簧弹簧- -阻尼；阻尼；3-3-运动件；运动件；4-4-静导轨静导轨 为防止爬行现象的出现，可同时采取以下为防止爬行现象的出
19、现，可同时采取以下几项措施：几项措施： 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；塑料层导轨等； 在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；导轨油； 用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。 防止爬行现象采取以防止爬行现象采取以下几项措施下几项措施习题与思考题习题与思考题 2-1设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求？
20、作稳定性，常提出哪些要求？2-2机电一体化系统传动机构的作用是什么？机电一体化系统传动机构的作用是什么？2-3机电一体化系统（产品）对传动机构基本要求是什么？机电一体化系统（产品）对传动机构基本要求是什么？2-4简述丝杠螺母机构的分类及其特点。简述丝杠螺母机构的分类及其特点。2-5丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么？丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么？2-6丝杠螺母副的组成要素有哪些？丝杠螺母副的组成要素有哪些？2-7滚珠丝杠副的传动特点有哪些？滚珠丝杠副的传动特点有哪些？2-8珠丝杠副的典型结构类型有哪些？各有何特点？珠丝杠副的典型结构类型有哪些？各有何特点？2-9滚珠丝杠副消除轴向
21、间隙的调整预紧方法有哪些？滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？2-10现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程为现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程为6mm、一端的齿轮齿数为、一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为、另一端的齿轮齿数为98，当其，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时，试问：两个个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离。螺母之间相对移动了多大距离。=（1/z1-1/z2)*ph*n2-11简述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义。简述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义。2-13 简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点
22、。简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。2-15 齿轮传动部件的作用有哪些？齿轮传动部件的作用有哪些？2-16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？什么？2-17 已知：已知：4级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为0.005rad，各级减速比相同，即各级减速比相同，即1.5，求：，求： （1）该传动系统的最大转角误差；）该传动系统的最大转角误差； （2）为缩小其最大转角误差，应采取何种措施？）为缩小其最大转角误差，应采取何种措施？ 2-18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？谐波齿
23、轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？2-19 设有一谐波齿轮减速器，其减速比为设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔轮齿数为，柔轮齿数为100。当刚轮固定时，试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方当刚轮固定时，试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向（与输入轴的转向相比较）。向（与输入轴的转向相比较）。2-20 齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？2-21 简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。要求。2-22 导轨的截面形状及其特点是什么？导轨的截面形状及其特点是什么？2
24、-23 简述旋转支承的种类及其基本要求。简述旋转支承的种类及其基本要求。2-25 轴系部件设计的基本要求有哪些？轴系部件设计的基本要求有哪些？三、传感检测系统的选择与设计传感检测系统的选择与设计 目的：目的：了解并会选用在机电一体化系统中常用的一些传感元件。 重点：重点：掌握传感器的各种类型、测量精度、范围、基本的结构以及连接方式等。 难点：难点：各类传感器的输入输出信号处理技术和测试技术基本知识的运用。3.1传感器的组成和分类传感器的组成和分类3.1.1传感器的组成传感器的组成 通常传感器由敏感元件、转换元件敏感元件、转换元件和和转换电路转换电路三部分组成。 图3-1传感器的组成（1）敏感元
25、件）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。 表表3.2传感器的技术指标传感器的技术指标 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的
26、输入量与输出量之间的关系。过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定分传感器的标定分静态标定静态标定和和动态标定动态标定:1. 感器静态特性标定感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2. 传感器动态特性标定传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。数，如时
27、间常数、上升时间或工作频率、通频带等。3.1.5 传感器的标定3.2 线位移检测传感器线位移检测传感器 3.2.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 3.2.2 感应同步器感应同步器 3.2.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅，也光源、透镜、光栅副（主光栅，也称标尺光栅和指示光栅）称标尺光栅和指示光栅）和和光电接收元件光电接收元件组成。莫尔条纹（莫尔条纹（MoireMoire）条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2均匀刻线均匀刻线
28、主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动3 莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点 方向性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直 同步性：同步性：光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动莫尔条纹移动一个间距一个间距方向对应方向对应 放大性：放大性：夹角夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度 可调性：可调性：夹角夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活 准确性：准确性：大量刻线大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服克服个别个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 莫尔
29、条纹与标尺光栅移动方向的关系莫尔条纹与标尺光栅移动方向的关系细分技术细分技术 提高分辨力方法提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下，用内插法把莫尔条纹间距进行“细分”，提高计数脉冲的频率(故又称倍频倍频)。 细分细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。 细分方法有机械细分机械细分和电子细分电子细分两类。 包括包括定尺定尺和和滑尺滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为一般为2mm)的方的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两齿形线圈。定尺
30、绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为个励磁绕组，分别称为正弦绕组正弦绕组和和余弦绕组余弦绕组。当。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组尺绕组错开错开1/4节距（节距（电相位差电相位差90）。滑尺和。滑尺和定 尺 相 对 平 行 安 装 ， 其 间 保 持 一 定 间 隙定 尺 相 对 平 行 安 装 ， 其 间 保 持 一 定 间 隙（0.050.2mm）。）。二、感应同步器二、感应同步器直线型感应同步器定尺、直线型感应同步器定尺、滑尺的结构滑尺的结构3.3 角位移检测传感器角位移检测传感器 一、旋转变压器一、旋转变压器 旋转
31、变压器是一种利用旋转变压器是一种利用电磁感应原理电磁感应原理将转角变换为电压信将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。产品中。 二、光电编码器二、光电编码器 光电编码器是一种光电编码器是一种码盘式角度码盘式角度数字检测元件数字检测元件。它有两种。它有两种基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。 增量式编码器增量式编码器具有结构简单、价格低、精度
32、易于保证等具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。优点，所以目前采用最多。 绝对式编码器绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。级检测装置，使其结构复杂、成本高。 4 4、传感器与微机的基本接口、传感器与微机的基本接口 输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量输入到微机的信息必须是微机能够处
33、理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。一、检测系统的组成一、检测系统的组成四、微机控制系统的选择及接口设计微机控制系统的选择及接口设计 目的：目的：了解控制系统在机电一体化系统的作用及常用的控制系统类型，掌握基本的设计方法，对执行机构运动的分析等。 重点：重点：微机控制系统在机电一体化中的应用。考虑接口的设计（主要是硬件）。学习了解Protel电路设计与制板软件的使用。 难点：难点：程序语言设计和微机控制所学内容在本章的灵活运用。 技巧注意事项
34、：技巧注意事项：复习控制工程、微机控制等相关内容。第一节第一节 微机控制系统设计的一般知识微机控制系统设计的一般知识 一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求1.作用：作用： 将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。第九节第九节 数字显示器及键盘的接口电路数字显示器及键盘的接口电路 一、数字显示器的结构及其工作原理一、数字显示器的结构及其工作原理 单片机应用系统中，常使用单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管，发光二极管，L
35、ight Emitting Diode )、CRT（阴极射线管（阴极射线管Cathode Ray Tube）显示器和）显示器和LCD(液晶显示器，液晶显示器，Liquid Crystal Display )等作为显示器件。其中等作为显示器件。其中LED和和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。 1、LED显示器显示器LED是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。
36、这种管导通，就能显示出各种字符。这种笔划式的七段显示器笔划式的七段显示器，能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。 发光二极管的阳极连在一起的称为发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极共阳极显示器，阴极显示器，阴极连在一起的称为连在一起的称为共阴极共阴极显示器。显示器。共阳极共阳极共阴极共阴极通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也称之为八段显示块八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点小数点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个将一个8位并行输出口与显示块的发光二位并行输出口与显示块的发光二极管引
37、脚相连极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数，共阳极与共阴极的段选码互为补数，二者之和为二者之和为FFH。 显示器有静态和动态两种方法：（1 1）. . 静态显示静态显示 就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管二极管恒定恒定地导通或截止。例如七段显示器的地导通或截止。例如七段显示器的a a、b b、c c、d d、e e、f f导通，导通，g g截止，显示截止，显示0 0。这种显示方式每这种显示方式每一位都需要一个一位都需要一个
38、8 8位输出口控制，位输出口控制，三位显示器的接三位显示器的接口逻辑如下图所示。口逻辑如下图所示。静态显示的特点：静态显示的特点： 每一位都需要一个每一位都需要一个8位输出口控制位输出口控制，用于显示位数较少（仅一、二位）的场合； 较小的电流能得到较高的亮度，可以由8255的输出口直接直接驱动。 （2 2）. . 动态显示动态显示 动态显示就是动态显示就是一位一位地轮流点亮一位一位地轮流点亮各位显示器各位显示器( (扫描扫描) )。对于每对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例
39、有关。调通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大；若显示器的位数不大于于8 8位，位，则控制显示器公共极电位只需一个则控制显示器公共极电位只需一个8 8位并行口位并行口( (称为称为扫描扫描口口或或位选口位选口 ) )。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8 8位位口口( (称为段数据口称为段数据口) )。用于显示位数稍多的场合，需编写扫描程序。用于显示位数稍多的场合，需编写扫描程序。 一、光电隔离电路设计一、光电隔离电路设计为了防止强
40、电干扰以及其他干扰信号通过为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/OI/O控制电路进入控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用首先采用滤波吸收滤波吸收，抑抑制干扰信号的产生，然后采用制干扰信号的产生，然后采用光电隔离光电隔离的办法，使微机与强的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示. .光电隔离电路的主要作用：光电隔离电路的主要作用： （1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，可将输入与输
41、出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电耦合器输入与输出端之间绝单向传递，又由于光电耦合器输入与输出端之间绝缘电阻非常大缘电阻非常大(一般为一般为10111013)，寄生电容很小，寄生电容很小(一般为一般为0.52pF)，因此，因此，干扰信号很难从输出端干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换可以进行电平转换。如上图。如上图a所示电路，通所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为
42、12V。 （3）提高驱动能力提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，。隔离驱动用光电耦合器件，如如达林顿晶体管输出达林顿晶体管输出和和晶闸管输出型晶闸管输出型光电耦合器件，光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接直接驱动负载。驱动负载。4-1 4-1 试说明试说明CPUCPU、MCMC与与MCSMCS之关系。之关系。4-2 4-2 试说明微型计算机的基本特点及选用要点试说明微型计算机的基本特点及选用要点. . 4-3 4-3 在设计微机控制系统
43、中首先会遇到的问题是什么？在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？4-4 4-4 从控制的角度得出所选择的微机应能满足哪些要求？从控制的角度得出所选择的微机应能满足哪些要求？4-9 4-9 试说明试说明MCS51MCS51系列单片机的结构特点。系列单片机的结构特点。4-10 4-10 单片机具有哪些独特优点？单片机具有哪些独特优点？4-11 4-11 常用半导体存储器的种类有哪些？常用半导体存储器的种类有哪些？4-12 4-12 试说明试说明80318031单片机的输入输出及存储器的扩展方法。单片机的输入输出及存储器的扩展方法。4-13 4-13 试说明七段试说明七段LEDLED的组成原理
44、。的组成原理。4-14 4-14 静态显示与动态显示的主要区别有哪些？静态显示与动态显示的主要区别有哪些？4-15 4-15 键盘键值如何确定。键盘键值如何确定。4-16 4-16 微机应用系统微机应用系统I/OI/O控制可靠性设计分析方法是什么？控制可靠性设计分析方法是什么？4-17 4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。试说明光电耦合器的光电隔离原理。 习题与思考题习题与思考题 五、执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 目的：目的：伺服系统的主要作用及其分类，学习步进电机伺服装置的基本原理和运行特性、控制方法，了解直流伺服电机、交流伺服电机的特点。 重点：重点：开环伺服系统的基本设
45、计方法，包括步进电机的选择、传动比的分配、惯性匹配、力矩校核、刚度计算、定位误差分析等。 难点：难点：清楚计算过程中每个公式的来龙去脉及其量纲。一、执行元件的作用 1.作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式转运动、直线运动等方式机械能机械能，并完成要求动作，并完成要求动作的的能量转换装置能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。执行元件的种类执行元件的种类三、对执行元件的基本要求（1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。 表征执行元件惯量的性能指标：表征
46、执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量直线运动）、转动惯量J（回转运动）（回转运动） 表征输出动力的性能指标：推力表征输出动力的性能指标：推力F、转矩、转矩T、功率、功率P 对直线运动：对直线运动：a=F/m；对回转运动：；对回转运动：P=T，=T/J。即加速。即加速度度a与角加速度与角加速度表征了执行元件的加速性能。表征了执行元件的加速性能。 比功率比功率：表征动力大小的综合指标表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与，包含功率、加速性能与转速三种因素，即比功率转速三种因素，即比功率P /=T2/J（2）体积小，重量轻体积小，重量轻: :用功率密度或比功率密度来评价用功率密度或
47、比功率密度来评价 功率密度功率密度P/G；比功率密度；比功率密度(T2/J)/G，其中其中G为执行元为执行元件重量。件重量。（3）安装方便、便于维修维护。安装方便、便于维修维护。 最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机走向无维修（4）易于实现自动化控制易于实现自动化控制：主流是电气式主流是电气式。其次是液压式和气。其次是液压式和气压式压式( (在驱动接口中需要增加电在驱动接口中需要增加电- -液或电液或电- -气变换环节气变换环节) )。内燃。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。 二、伺服系统的基本组成二、伺服系统的基本
48、组成 由以下由以下4 4部分组成：部分组成： 控制器；控制器； 功率驱动装置；功率驱动装置； 检测反馈装置；检测反馈装置； 伺服电机伺服电机(M).(M). 例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别半闭环位置检测半闭环位置检测 装置安装位置：装置安装位置：注意注意: :半闭环位置检测半闭环位置检测装置安装位置装置安装位置在滚在滚珠丝杠或电机轴上珠丝杠或电机轴上, ,而不是工作台上而不是工作台上. .半开环系统半开环系统(3)(3)半闭环与闭环伺服系统区别半闭环与闭环伺服系统区别 精度较低精度较低 传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误
49、传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统精度低于闭环系统. . 调整比较容易调整比较容易(4)(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合半闭环和闭环伺服系统应用场合 注意注意: : 半闭环系统应用较多半闭环系统应用较多, ,闭环系统一般只用在精闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上度要求较高的大型数控机床上. .图图6-3 伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机控制方式的基本形式第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动一、步进电动机的特点与种类一、步进电动机的特点与种类 1. 1. 步进
50、电动机的特点步进电动机的特点 步进电动机又称步进电动机又称脉冲电动机脉冲电动机。它是将。它是将电脉冲信号电脉冲信号转转换成换成机械角位移机械角位移的执行元件。的执行元件。 输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。 只要只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电