机电一体化总结

机电一体化总结

第一章

1、机电一体化的含义：

机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械工业领域技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究使得整个系统有机结合与综合集成，并在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。

2、机电一体化系统的组成：

a机械本体：微型化、轻型化、美观化

b伺服驱动执行：高精度、高速度、高可靠性

c传感检测单元：提高数据精度及速度

d计算机控制与信息处理e动力源

3、机电一体化相关技术：

a机械技术b传感检测技术c信息处理技术d自动控制技术e伺服驱动技术f系统总技术

4、机电一体化系统开发的设计思想：机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果，因此在机电一体化系统开发的过程中，要特别强调技术融合，学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机的结合成系统后，个单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进、相互提高，是整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。当然，如果设计不当，由于各单元功能的差异性，在组成系统后会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分之和的情况，从而失去了一体化的优势。因此，在开发过程中，一方面要求设计机械系统时，应选择与控系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，充分体现机电一体化的优越性。

5、机电一体化系统设计方法：a取代法b整体设计法c组合法6、机电一体化发展趋势：

a微型化（大型化）b智能化c集成化d模块化e绿色化

第二章

间隙

1齿轮传动齿侧间隙的消除

a刚性消隙法：在严格控制齿轮齿厚和齿距误差的条件下进行的，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但能提高传动刚度。

偏心轴套式消隙机构如图2-18所示。电动机1通过偏心轴套2装在箱体上。转动偏心轴套可调整两齿轮中心距，消除齿侧间隙

b柔性消隙法：调整后齿侧间隙可以自动补偿。采用这种消隙法时，对齿轮齿厚和齿距的精度要求可适当降低，但对影响传动平稳性有负面影响，且传动刚度低，结构也较复杂。2丝杠螺母间隙的调整：

丝杠螺母传动系统的轴向间隙为丝杠静止时螺母考虑轴向间隙又要考虑滚珠与滚道的接触弹性变形。丝杠螺母传动系统的调隙一般采用双螺母结构。

丝杠螺母传动系统的轴向间隙为丝杠静止时螺母沿轴向的位移量

S=L/z1z2。包括垫片式调隙机构、螺纹式调隙机构、齿差式调隙机构

第三章

三传感器

1传感器是借助于检测元件接受一切形式的信息，并按一定规律将他转化成另外一种信息的装置。

2常用直线位移测量传感器有：电感传感器，电容传感器，感应同步器，光栅传感器等。

3常用角位移传感器有：电容传感器，光电编码盘等

4电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器。5电感式传感器利用电磁感应原理，把被测位移量变化成线圈自感或互感变化的装置。

1、传感器的性能：

量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、分辨力（率）、阀值等

1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差

2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值

3、迟滞性：在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度

4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度2、传感器的选用原则：a足够的容量b与测量或控制系统的匹配性好c精度适当，且稳定性高d反应速度快，工作可靠性好e使用性和适应性强f使用经济

光栅由主光栅、指示光栅、电源盒光电器件组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多。光栅条纹密度一般为每毫米25条、50条、100条、250条等。把指示光栅平行地放在主光栅侧面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。主光栅和被测物相连，它随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上下移动。若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条纹宽度（mm），P表示光栅距离（mm），θ表示光栅条文间的夹角，则有：W≈P/θ光电式转速传感器

光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝隙圆盘，光源，光电器件和指示缝隙盘组成。光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为n=60N/Zt

.位置传感器分接触式和接近式两种，所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已经接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有一物体的一种传感器。

2.接触式传感器按其工作原理主要分为：电磁式、光电式、静电容式、气压式和超声波式。

电容传感器C=ε将被测非电量的变化转0εrA/δ

换为电容量变化的一种传感器。这种传感器具有结构简单、高分辨力、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，因此在自动检测中得到普遍应用。1.变极距型电容传感器：

当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大。

注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。2.变面积型电容传感器：

原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。

这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。3．变介质型电容传感器

原理结构如图。两平行极板固定不动，极距为δ0，相对介电常数为ε的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。

应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。

接近式传感器1．电磁式传感器

当一个永久磁铁或一个通有高频电流的线圈接近一个铁磁体时，它们的磁力线分布将发生变化，因此，可以用另一组线圈检测这种变化。当铁磁体靠近或远离磁场时，它所引起的磁通量变化将在线圈中感应出一个电流脉冲，其幅值正比于磁通的变化率，图3-20给出了线圈两端的电压随铁磁体进入磁场的速度而变化的曲线，箕电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场。因此，对此电压进行积分便可得出一个二值信号。当积分值小于特定的阈值时，积分器输出低电平；反之，则输出高电平，此时表示已接近某一物体。2．电容式传感器

电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近硷游电摄时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被酒物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电释C=Q/u．所以电荷的增多，使电容C随之增大，从而有使振荡电路的振减弱，甚至停止震荡。震荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。电磁感应式传感器只能检测电磁材料，对其它非电磁材料则无能为力。而电容传感器却能克服以上缺点，它几乎能检测所有的固体和液体材料。

3.光电式传感器

这种传感器具有体积小、可靠性

高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路兼容等优点，它分透光型和反射型两种。

在透光塑光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙：当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件（光敏元件）便可检测出物体已经到达。这种传感器的接口电路如图3-21所示。反射型光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测件上，由于是检测反射光，所以

得到的输出电流Ic较小。另外，对于不同的物体

表面．信躁比也不一样．因此，设定限幅电平就显得非常重要图3，22表示这种传感器的典型应用，它的电路和透射型传感器大致相同，只是接收器的发射极电阻R：用得较大且为可调，这主要是因为反射型传感器的光电流较小且有很大分散性。

3、传感器的应用及工作原理：例：a烟雾传感器b鼠标c测水箱水位

4、位置检测：

A接触式位置传感器：a由微动开关制成的位置传感器b二维矩阵式配置的位置传感器

B接近式位置传感器：a电磁式传感器b电容式传感器c光电式传感器5、传感器的非线性补偿法：a计算法b查表法c插值法6、最小二乘法：

ykxb△i=yi-(kxi+b)

nn2△i[y(kx2ib)]i1i1n

△i2i1

b0则：b=

n2△i

i10k

则：k=

7、数字滤波方法

a算术平均值法b中值滤波法c防脉

冲干扰平均值法d程序判断滤波法第四章

直线电动机与旋转电机传动相比，直线电机传动主要具有下列优点：(1)直线电机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音；(2)快速响应：用直线电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行；(3)仪表用的直线电机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命；(4)直线电机由于散热面积大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电机的容量定额；

(5)装配灵活性大，往往可将电机和其它机件合成一体1.直线电动机包括：直线感应电动机、直线直流电动机、直线步进电动机由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的叫次级，有动初级和动次级。直线感应电动机工作原理：当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度Bδ是直线移动的，故称为行波磁场。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内表面上的线速度是一样的，即为Vs，称为同步速度，且Vs=2fτ。在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电动势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若初级移动的速度用V表示，那滑差率s=(vs-v)/vs，次级移动速度v=（1-s）vs，上式表明，直线感应电动机的速度与电动机极距及电源频率成正比，因此改变极距或电源频率都可以改变电动机的速度。与旋转电动机一样，改变直线电动机初级绕组的通电相序，可改变电动机运动的方向，因而可使直线电动机作往复直线运动。平板型直线电动机仅在次级的一侧具有初级，这种结构形式称单边型，单边型除了产生切向力外，还会在初、次级间产生较大的法向力，这在某些应用中是不希望的，为了更充分地利用次级和消除法向力，可以在次级的两侧都装上初级，这种结构形式称为双边型

1、直线电动机

A基本结构：初级、次级、行波磁场B分类：感应、直流、步进总传动比的确定im

mmLLL

TLTmTLF(JmJL

ii2)a

JL(Jm)i

i2L

TmiTiTLFc

mJ2J

miJLmi2JL令Li0

TLFT

iLF)2JLT(mTmJm

若不计摩擦，即TLF=0则iJL

Jm传动比分配原则

2齿轮传动链的级数和各级传动比的分配三种原则

最小等效转动惯量原则:各级传动比分配的结果为“前小后大”。

质量最小原则：小功率传动装置传动比分配结果为“等传动比分配”；大功率传动装置传动比分配结果为“前大后小”。

输出轴的转角误差最小原则三种原则的选择：（1）对于以提高传动精度和减小回程误差为主的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。若为增速传动链，则应在开始几级就增速。（2）对于要求运动平稳，启停频繁和动态性能好的伺服减速传动链，可按最小等效转动惯量和输出轴转角误差最小原则进行设计。对于负载变化的齿轮传动装置，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同时啮合。（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则进行设计。（4）对于传动比很大的传动链，可把定轴轮系和行星轮系结合使用。第五章

可编程序控制器：（1）控制程序可变，具有很好的柔性（2）可靠性强，是用于工业环境（3）编程简单，使用方便（4）功能完善（5）体积小，重量轻，易于装入机器内部总线型工业控制计算机：（1）提高设计效率，缩短设计和制造周期（2）提高了系统的可靠性（3）便与调试和维修（4）能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能单片机：（1）受集成度限制，片内存储器容量较小（2）可靠性高（3）易扩展（4）控制功能强（5）一般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件，软件开发工作量大。

人机接口包括输出接口与输入接口两类，通过输出接口，操作者对系统的运行状态，各种参数进行监测；通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制。

开关型功率接口光电隔离技术晶闸管接口：（1）单项晶闸管接口（2）双向晶闸管驱动接口继电器输出接口固态继电器接口：（1）直流型SSR（2）交流型SSR

大功率场效应管开关接口模拟量输出接口

D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，与其位数无关。

单极性电压输出双极性电压输出

1、工业控制计算机系统的基本要求：a具有完善的过程输入/输出功能b具有实时控制功能c具有可靠性

d具有较强的环境适应和抗干扰能力e具有丰富的软件2、脉冲分配

A并行B串行：a硬件b程序c专用芯片

3、步进电动机的功率驱动接口电路

a单电压功率放大图图为该电路的原理图，是步进电动机控制中最简单的一种驱动电路，在本质上他是一个简单的功率反相器。晶体管V用作功率开关，L是步进电动机中的一组绕组电感；RL是绕组电阻；RC是外接电阻；VD是续流二级管。工作时，晶体管V基极输入的脉冲信号必须足够大，使其在高电平是保证V过饱和，在地电平是V充分截止。外接电阻RC式一个限流电阻，也是为改善回路时间常数的元件。b双电压功率放大电路

电路结构如图所示，图中使用U1和U2两个直流电源，U1为高电压

（80-150V）U2为低电压（5-20V），V1，V2为两个大功率晶体管。其中V1是高压开关管，V2是功率驱动管；VD1是U2的钳位二极管，它在V1导通时截止。在V1截止时，由于VD1正向偏置而向步进电动机绕组提供低电源U2；VD2是续流二极管，在V1，V2都截止时向绕组提供放电电路。

c斩波型功率放大电路

此类电路有两种：一种是斩波恒流型；另一种为斩波平滑性。前者应用较为广泛

斩波恒流功放是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，典型电路如图所示。在正常工作时，uIN端输入步进脉冲，这事晶体管V5导通，二极管VD1发光，引起V1导通，V2截止，V3、V4导通。同时，uIN使晶体管V6、V7、V8导通，加在绕组L上的电源U是绕组中的电流上升，当绕组中的电流升到额定值以上时，恒流采样电阻R12上产生的压降US高于运算放大器OP1的正输入端参考电压UP，是OP1输出低平，VD2导通，而使V5、V1截止，V2导通，V2、V4截止，即关闭了电源U。这样在绕组L中产生反电动势，由于V7、V8仍导通，故这时的反电动势有两个回路进行泄放，一个回路是L、RL、V8。R12、VD3；另一个回路是L、RL、R13、VD4、U、VD3。由于两个泄放回路的并联电阻很小，泄放时间常数较大，绕组L中的电流泄露放缓慢。当电流降至额定值一下是，R12采样电压US低于UP，OP1输出高电平，二极管VD2截止，晶体管V5、V1导通，V2截止、V3、V4导通。电源U又重新加于绕组L，是其电流上升。

第六章

1机电一体化产品典型设计进程1、准备阶段2、理论设计阶段3、产品的设计实施阶段4、设计定型阶段2性能参数运动参数2、动力参数3、品质参数4、环境参数5、结构参数6、界面参数3系统总体方案文件的内容

1、系统的主要功能2、控制策略及方案3、个功能模块的性能要求4、方案比较和选择的初步确定5、为保证系统性能指标所采用的技术措施6、抗干扰机可靠性设计策略7、外观造型方案及机械主题方案8、人员组织要求9、经费和进度计划的安排4常用设计策略

1、减少机械传动部件2、注意选用标准3、充分运用硬件功能软件化原则4、以微机系统为核心的设计策略

扩展阅读：机电一体化总结

1、机电一体化（Mechatronics）是机电一体化技术及其产品的统称，并把柔性制造系统和计算机集成制造系统等先进制造技术的生产线和制造过程也包括在内，发展了机电一体化的含义。包括六大关键技术：精密机床技术、伺服驱动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、系统总体技术。

2、机电一体化系统的基本功能要素（或组成）：①机械本体；②动力部分；③传感检测部分；④执行部分；⑤驱动部分；⑥控制与信息处理部分；⑦接口3、接口的三个作用：①交换；②放大；③传递

4、机电一体化的相关技术：①机械技术；②传感检测技术；③信息处理技术；④自动控制技术；⑤伺服传动技术；⑥系统总体技术

5、机电一体化的设计方法：整体设计法、组合法、替代法

6、机电一体化的设计类型：开发性设计、适应性设计、变异性设计7、机械移动系统的基本元件：质量、阻尼器、弹簧

8、影响机电一体化系统中传动链的动力学性能的因素：①负载的变化；②传动链惯性；③传动链固有频率；④间隙、摩擦、润滑和温升

9、GD即动物体的重量G与回转直径D的平方的乘积。(GD24gJ)

10、两物体接触面间的摩擦力在应用上可简化为粘性摩擦力、库仑摩擦力与静摩擦力三类11、齿轮传动齿侧间的消除：①刚性消隙法；②柔性消隙法

12、电动机驱动的二级齿轮传动系统，假定各主动小齿轮具有相同的转动惯量J1,轴与轴承

2i1转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽和材料均相同，效率为1，则i222或

i12i13（i1,i2为齿轮系中第一、二级齿轮副的传动比；i为齿轮系数总传动比，ii1i2）

13、滚珠花键既是一种传动装置，又是一种直线运动支撑，可用于机器人、机床、自动搬运

车等各种机械。

14、谐波齿轮传动特点：①传动比大；②承载能力强；③传动精度高；④齿侧间隙小；⑤传动平稳；⑥结构简单，体积小，重量轻。

H15、谐波齿轮传动的传动比计算irgrHzg式中：g、r、H分别为刚轮、柔gHzr轮和波形发生器的角速度；zg、zr分别为刚轮和柔轮的齿数。

16、滚珠丝杆副是将普通的丝杆加上滚珠，变滑动为滚动，是丝杆、螺母、滚珠等零件组成的机械元件。分为：外循环插线管式和内循环反向器式17、静压导轨是将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动键与导向支撑键之间，运动键浮在压力油和气体薄膜之上，与导向支撑件脱离接触，使之摩擦阻力大大减小的导轨。18、传感器：是借助于检测元件接受一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。分类方法：①以被测参量来分；②以传感器的工作原理来分。19、衡量传感器静态特性的重要指标：线性度、灵敏度、迟滞性、重复性。20、光栅：是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精度高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大等。光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。21、感应同步器分为：鉴相式和鉴幅式

22、接近式位置传感器按工作原理分为：电磁式、光电式、静电容式、气压式、超声波式。23、将放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗这种特点的放大器称为测量放大器；具有能利用计算机采用软件控制的办法来实现增益的自动变换功能的放大器叫做程控增益放大器；

24、隔离放大器特点：①能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏；②泄漏低电流，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路；③共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。

25、A/D转换器的特性：分辨率、相对精度、输入电压、输出电阻、转换时间（孔径时间）26、A/D转换器的孔径时间：在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出所需要的时间。27、采样频率：（香侬定理）不失真检测Ws(采样频率)≥2Wmax（信号最高频率）28、模拟信号经过时间离散变换和幅值离散变换(近似值)后转换成数字信号。29、用软件进行“线性化”处理的方法：计算法、查表法、插值法。30、伺服系统:以机械运动量为控制对象的反馈控制系统

31、伺服系统的结构组成及分类：①控制器；②功率放大器；③执行机构；④检测装置。32、采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为直流伺服系统。

33、直流伺服系统种类繁多，按伺服电动机、功率放大器、检测元件、控制器的种类以及反馈信号与指令比较方式等分为不同类型的直流伺服系统

34、相敏放大器也称鉴幅器，它的功能是将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。35、相敏放大器的任务①将输入交流电压变换成直流电压；②当输入交流电压相位变成相差∏时时，输出的直流电压极性亦随之改变；③输出直流电压的数值与输入交流电压的幅值成正比

36、脉宽调制型（PWM）功率放大器的基本原理：利用功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。

37、采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交流伺服电动机和异步型交流伺服电动机。38、步进电动机（或脉冲电动机或脉冲马达）；步进电动机多用于开环系统39、三相步进电动机的三种分配方式：三相三拍、三相六拍、双三拍40、步距角的计算（步距角）360，m为相数，z为转量数，k为通电方式导数。mzk41、细分驱动电路的作用是减少步距角

42、光电隔离电路的作用：1）通过光电转换隔离输入/输出2）实现电平转换3）增加驱动能力

44、在工业环境中使用计算机控制系统，除去被控对象、检测仪表和执行机构外，其余部分称做“工业控制计算机”，简称“工业控制机”或“工控机”

45、PLC工作特点：顺序扫描、循环执行（工作可靠、可与工业现场信号直接连接、积数式组合、编程操作容易、易于安装及维修）；PLC扫描工作制：输入扫描，计算，输出控制。（三阶段工作制）

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