机电一体化基础知识考试复习总结.docx

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第一章　　绪论

●机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。

●机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。

●机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能节省材料、省能源，使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化，自动化需求。

机电一体化基本结构要素：

1．机械本体包括机身、框架机械联接等在内的产品支持结构属于基础部分，实现产品的构造功能。

2．动力源　向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。

3．检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。

4．控制与信息处理装置主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。

5．执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。

机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

1．功能附加型产品：

主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当的提高。

经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类机电一体化产品。

2．功能替代型产品：

主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高。

柔性增加，如电子缝纫机、自动照相机等用微电于装置取代了原来复杂的机械控制机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。

3．机电融合型产品：

主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑、设计更灵活、成本进一步降低。

传真机、复印机、摄象机、磁盘驱动器、CNC数控机床等都是这一类机电一体产品。

l机电一体化共性关键技术

一、机械技术机械技术是机电一体化的基础。

机电一体化产品中的主功能和构造功能，它主要是以机械技术为主实现的。

二、计算机与信息处理技术实现信息处理的主要工具是计算机。

计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。

在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。

计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。

三、检测与传感技术检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测

装置。

机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制及信息处理装置。

因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。

四、自动控制技术自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。

自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化。

五、伺服驱动技术伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动

装置。

执行元件有电动、气动、液压等多种类型，因此伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。

六、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，然后再把功功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。

机电一体化设计突出体现在两个方面：

一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一体化设计；另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电了体化技术对各种技术方案进行分析和评价，选择最优的技术方案。

因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。

机电一体化产品设计一般可分为三种类型：

（1）开发性设计一个从无到有的创造过程，是在没有任何样板可供参考的情况下，根据功能和性能要求所进行的设计。

开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。

（2）适应性设计在原有产品总的方案基本不变的情况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的生所进行的设计。

适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握。

（3）变异性设计在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产吕规格方面的需求进行的系列化设计。

变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。

第二章机械系统设计

一、机电一体化对机械系统的基本要求．

1．高精度精度直接影响产品的质量，如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。

2．快速响应要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。

3．良好的稳定性要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。

二．机械系统的组成

1.传动机构以满足整个机械系统良好的伺服性能。

要满足传动精度的要求。

2.导向机构其作用是支承和导向。

3.执行机构具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。

一、传动机构性能要求

1．转动惯量小转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振，在设计传动机构时

应尽量减小转动惯量。

2．刚度大刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。

大刚度对机械系统而言是有利的。

3．阻尼合适要求摩擦小、抗振性好、间隙小。

二、无侧隙齿轮传动机构

（一）直齿圆柱齿轮传动机构1．偏心轴套调整法2．双片薄齿轮错齿调整法

（二）斜齿轮传动机构1．垫片调整法2.轴向压簧调整法

（三）锥齿轮传动机构1．轴向压簧调整法2．周向弹簧调整法

（四）齿轮齿条传动机构1双片薄齿轮错齿调整法2双齿轮调整法

三、滚珠丝杠副传动机构

（一）滚珠丝杠副的特点1．传动效率高2．运动具有可逆性3．系统刚度好4．传动精度高5．使用寿命长6．不能自锁7．制造工艺复杂

（二）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副对其轴向间隙有严格要求，以比保证其反向传动精度，通常采用双螺母预紧的方法，减小或消除轴向间隙，提高滚珠丝杠副的刚度。

常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：

（1）垫片调隙式（图2-9）

（2）螺纹调隙式（图2-10）（3）齿差调隙式（图2-11）

（四）滚珠丝杠副的安装

1．支承方式的选择（如表2-5）

（1）一端固定、一端自由（F—O）（如图2-13）

（2）一端固定、一端游动（F—S）（如图2-14）

（3）两端固定（F-F）（如图2-15）

2.制动装置由于滚动丝杠副的传动效率高，又无自锁能力，故需要安装制动装置以满足其传动要求，特别是当其处于垂直传动时。

四、锥环无键联轴器：

该机构利用锥环之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联接传递转矩，且可任意调节两联接件之间的角度位置。

通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。

这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大，转速高，寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作。

五、其它传动机构

（一）软轴传动机构

（二）同步齿形带传动机构同步齿形带传动机构利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。

它兼有带传动齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传动过程无相对滑动，平均传动准确．，传动精度高，传动效率高，因此在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。

（三）谐波齿轮减速器柔轮的齿数少于刚轮。

一、导轨的功用机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。

二、导轨的基本要求

1．导向精度导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。

影响它的因素有：

导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。

2.耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。

3．疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑这种现象就是压溃。

4．刚度导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。

5．低速运动平稳性低速运动时，作为运动部件

的动导轨易产生爬行现象。

6．结构工艺性

三、导轨的分类和特点导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨，另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。

根据导轨副（简称导轨）之间的摩擦情况，导轨分为：

1：

滑动导轨两导轨工作面的磨擦性质为滑动摩擦。

2．滚动导轨两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。

这种导轨磨损小，寿命长，定位精度高，运动平稳可靠，但结构复杂，制造困难，成本高。

在高精密的机电一体化产品中应用广范。

（一）滚动直线导轨的特点

1.承载能力大其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力，可达到平面滚道形式的13倍。

2.刚性强预加载荷,能承受较大的冲击和振动

3.寿命长由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的1／50左右

（二）滚动直线导轨的分类

1．按滚动体的形状分有钢珠式和滚柱式两种

2．按导轨截面形状分有矩形和梯形两种

3．按滚道沟槽形状分有单圆弧和双圆弧二种，

四、塑料导轨

近年来各种塑料导轨制品已纷纷涌现，并形成各种系列，这不仅降低了导轨的生产成本，而且提高了导轨的抗振性、耐磨性、低速运动平稳性。

（一）塑料导轨软带（如图2-34）

（1）摩擦系数低而稳定

（2）动静摩擦系数相近

（3）吸收振动

（4）耐磨性好

（二）金属塑料复合导轨板该导轨板分为三层，内层钢背保证导轨板的机械强度和承载能力。

钢背上镀铜烧结球形青铜粉或者铜丝网形成多孔中间层，以提高导轨板的导热性。

表面自润滑塑料层——外层。

金属塑料导轨板的特点是摩擦特性优良，耐磨损。

一、执行机构的特点及要求机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点。

为实现不同的目的功能，需采用不同形式的执行机构，其中有电动的、机械的、电子的、激光的

二、微动机构微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。

微动机构的基本要求：

1灵敏度高，最小移动量达到使用要求2传动灵活，平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定位置3抗干扰能力强，快速响应性好4良好的结构工艺性能。

微动机构的形式：

1手动机械式2热变形式3磁致伸缩式

三定位机构是机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用将分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。

四、工业机器人末端执行器

（一）机械夹持器

（二）特种末端执行器特种末端执行器供工业器人完成某类特定的作（三）灵巧手

第三章接口技术

一、接口设计的重要性机电一体化技术是利用微电子技术，赋予机械系统“智能”，使其具有更高的自动化程度，最大限度地发挥机械能力的一种技术。

机电一体化产品由机械分系统和微电子分系统（控制微机）两大部分组成，二者又分别由若干要素构成。

要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的系统，就必须能顺利地在各要素、各子系统之间进行物质、能量和信息的传递与交换。

各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口。

在某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求，选择了各要素后所进行的接口设计。

从这一观点出发，机电一体化产品的性能取决于接口的性能，各要素和各子系统之间的接口性能是综合系统性能好坏的决定性因素。

接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。

二、接口的分类和特点按照接口所联系的子系统不同，以控制微机为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。

机电一体化产品由机械分系统和微电子分系统两大部分组成。

由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别，二者之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，因此机电接口有着重要的作用。

按照信息和能量的传递方向，机电接口又可分为信息采集接口（传感器接口）与控制输出接口。

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。

一、人机接口类型及特点　人机接口是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口。

按照信息的传递方向，可以分作两大类：

输入接口与输出接口。

人机接口特点：

专用性、低速性、高性能价格比。

二、输入接口设计

（一）开关输入接口设计

（二）拨盘输入接口设计

（三）键盘输入接口设计

1.矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘由一组行线（xi）与一组列线（Yi）交叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区别，可以按一定规律分别为各个键命名键号，通常将行线通过上拉电阻接至十5V电源、当无键按下时，行线与列拔断开，行线呈高电平。

当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。

如果将行线接至控制微机的输入口，列线接至控制微机的输出口，则在微机控制下依次从Y0—Y3输出低电平，并使其它线保持高电平，则通过对x0—x3的读取即可判断有无键闭合、哪一个键闭合。

这种工作方式称为扫描工作方式。

3.键输入程序设计方法

（1）判断键盘上有无键闭合

（2）判别闭合键的键号（3）去除键的机械抖动（4）使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理

4.中断方式设计键盘接口平时不对键盘进行监控，只有当有键闭合时，产生中断请求，控制系统才响应中断,对键盘进行管理。

三、输出接口设计　输出接口是操作者对机电系统进行监测的窗口，通过输出接口，机电系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等，并进行故障报警。

（一）发光二极管显示器的接口设计

（二）打印机接口设计（三）ＣＲＴ显示器接口设计

一、机电接口的类型及特点机电接口，是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。

按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口（传感器接口）与控制量输出接口。

（一）信息采集接口的任务与特点机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效控制，必须随时对机械系统的运行状态进行监控，要随时检测各种运行参数，如位置、速度、转矩、压力、温度等等。

再经过信息采集接口的整形，放大，匹配，转换，变成微机可以接受的信号传递给微机。

（二）控制输出接口的任务与特点控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。

三、控制量输出接口中的功率接口设计

在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般都比较大，而计算机发出的数字控制信号或经转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小，必须经过功放后才能驱动被控对象。

实现功率放大功能的接口电路被称为功率接口电路。

（一）功率接口常用器件

1．晶闸管晶闸管又称可控硅，是目前应用最广泛的半导体功率开关元件，其控制电流可从数安培到数千安培。

晶闸管的主要类型有单向晶闸管SCR，双向晶闸管Triac和可关断晶闸管GTO等三种最基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型

（1）单向晶闸管SCRSCR由三个极组成，分别称为阳极A，阴极K及控制极G（又称门极）。

它有截止和导通两种稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。

导通条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。

关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需的条件。

晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制作用了。

只有当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。

2．功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。

3.功率场效应晶体管4，固态继电器

（二）光电耦合器驱动接口电路设计光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管封装在一起，通过光信号，实现电信号传递的器件。

由于光电耦合器输入与输出之间没有直接的电气联系，电信号是通过光信号传递的，所以也称光电隔离器。

光电耦合器的发光部分和受光部分不接触，被耦合的两部分自成系统不“共地”，能够实现强电部分与弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。

二、机电一体化对检测系统的基本要求基本要求是：

精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。

此外还有一些特殊要求，如体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。

三、检测系统设计的任务、方法和步骤检测系统设计的主要任务是：

根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。

检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。

检测系统设计的一般步骤如下：

（1）设计任务分析

（2）系统方案选择（3）系统构成框图设计（4）环节设计与制造（5）总装调试及实验分析（6）系统运行及考核。

四、信号调制与解调电路

（一）幅值调制的基本思想是让一个具有特定角频率Wc的高频信号的幅值随被测量x而变化。

该高频信号称为载波信号，被测量x称调制信号，载波信号经被测量x调制后所得到的幅值随x变化的信号称已调制信号或调幅信号。

最简单的幅值调制是线性调制，即让高频振荡信号的幅值为被测信号x的线性函数，所得到的调幅信号的一般表达式为Us=（Um+mx）COSWct式中，Wc是载波信号的角频率；Um是载波信号幅度；x是调制信号；m称调制深的。

（二）相位调制的基本思想是让一个具有特定角频率Wc的高频载波信号的相位随被测量x而变化，则已调制信号中就包含了x的全部信息。

最常用的是线性调相，即使调相信号的相移角为x的线性函数，其一般表达式为Us=UmCOS（Wct+mx）式中，Um是载波信号的幅值；；m称调制深的。

（二）频率调制的基本思想是让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量x（调制信号）而变化，则得到的已调制信号中就包含了x的全部信息。

在线性调频中，调频信号可以表达成：

Us=UmCOS（Wc+mx）t式中，Um和Wc分别是载波信号的幅值和中心角频率；m称调制深的

频率解调又称鉴频或频率检波，常用的方法有微分鉴频、

一、数字信号检测系统的组成

模拟信号需先经模／数转换后，再采入微型机进行处理，这将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰，不便于远距离传输。

数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输。

因此，数字式传感器得到了越来越多的应用。

最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测量。

第五章伺服系统设计

一、伺服系统的基本概念伺服系统，亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确位置,速度或力输出的自动控制系统。

二、伺服系统的基本结构形式

1.比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统动作的偏差信号的环节.

2.调节元件是伺服系统的一个重要组成部分，其作用是对比较元件输出的偏差信号进行变换、放大，以控制执行元件要求动作。

3.执行元件将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。

机电一体化产品中多采用伺服电动机作为执行元件。

4.被控对象是直接实现目的功能或主功能的主体，一般是机械装置，包括传动机构和执行机构。

5.测量反馈元件是指传感器及其信号检测装置。

三、伺服系统的基本类型按被控量的不同可将伺服系统分成位置、速度、力等伺服系统，按所采用的执行元件的不同可将伺服系统分成电气、液压、气动等伺服系统。

按控制方式的不同可将伺服系统分成开环、闭环、半闭环等伺服系统。

四、伺服系统的基本要求

（一）稳定性稳定性要求是一项最基本的要求，也是伺服系统能够正常运行的最基本条件。

一个伺服系统是否稳定，可根据系统的传递函数，采用自动控制理论所提供的各种方法判别。

（二）精度伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。

精度是对伺服系统的一项重要的性能要求。

设计伺服系统时，只要保证系统的误差满足精度指标要求就可以了。

（三）快速响应性快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。

响应速度常由系统的上升时间（输出响应从零上升到稳态值所需要的时间）来表征。

伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，必须首先满足稳定性要求，然后社满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。

一、执行元件的特点及类型

1．电气式主要有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

这是机电一体化伺服系统中最常用的执行元件，也是这一节所要介绍的重点。

2．液压式主要有液压缸、液压马达等，其优点是输出功率大、动作平稳，但需要相应的液压源，容易污染环境，控制性能不如伺服电动机。

3．气压式主要有气缸、气马达等，其优点是气源方便、成本低、动作快，但输出功率小，且难于伺服控制。

二、伺服系统对执行元件的要求

1．惯性小、动力大2．体积小、质量轻3．便于计算机控制

4．成本低、可靠性好、便于安装和维修。

（二）步进电动机的通电方式和步距角步进电动机绕组每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，这种通电方式称为单相通电方式。

三相步进电动机的A、B、C三相轮流通电一次共需三拍，称为一个通电循环，相应的通电方式又称为三相单三拍通电方式。

每拍中都有两相绕组通电，称为双相通电方式。

采用双相通电方式时，每个通电循环也需三拍，称为三相双三拍通电方式，即AB→BC→CA→AB→…。

通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，称为单双相轮流通电方式。

采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式，即A→AB→B→BC→C→CA→A→…。

一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式可分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。

所谓步距角，是指步进电动机每一拍转过