機電一體化系統(tǒng)設計課件

1、2024/3/27,1,第一節(jié) 機電一體化的定義,傳統(tǒng)機械：主要以力學為理論基礎，以經(jīng)驗為實踐基礎；現(xiàn)代機械：以力學、電子學、計算機學、控制論、信息論等為理論基礎，以經(jīng)驗、機、電、計算機、傳感與測試等技術為實踐基礎。機械：強度高、輸出功率大、承載大載荷；實現(xiàn)微小復雜運動難。電子：可實現(xiàn)復雜的檢測和控制；但無法實現(xiàn)重載運動。,2024/3/27,2,第一節(jié) 機電一體化的定義,機電一體化和機械電氣化的區(qū)別電氣機械在設計過程中不考慮或

2、較少考慮電氣與機械的內(nèi)在聯(lián)系。機械和電氣裝置之間界限分明裝置所需的控制以基于電磁學原理的各種電器，屬于強電范疇。,2024/3/27,3,第一節(jié) 機電一體化的定義,機電一體化是在以機械、電子技術和計算機科學為主的多門學科相互滲透、相互結合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術學科。,2024/3/27,4,第一節(jié) 機電一體化的定義,機電一體化涉及到許多相關的學科：機械學、電子學、控制論、計算機科學 機電一體化的產(chǎn)生與迅速發(fā)

3、展的根本原因在于社會的發(fā)展和科學技術的進步。系統(tǒng)工程、控制論和信息論是機電一體化的理論基礎，也是機電一體化技術的方法論。微電子技術的發(fā)展，半導體大規(guī)模集成電路制造技術的進步，則為機電一體化技術奠定了物質(zhì)基礎；,2024/3/27,5,第一節(jié) 機電一體化的定義,Mechtronics是一個綜合的概念，包含技術和產(chǎn)品兩方面。機電一體化技術指包括技術基礎、技術原理在內(nèi)的使機電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術。機電一體化產(chǎn)品指采用機電一

4、體化技術，在機械產(chǎn)品基礎上創(chuàng)建出來的新一代機電產(chǎn)品。,2024/3/27,6,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的分類 按機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的用途分類，有產(chǎn)業(yè)機械，信息機械，民用機械等；按機械和電子的功能和含量分類，有以機械裝置為主體的機械電子產(chǎn)品和以電子裝置為主體的電子產(chǎn)品；按機電結合的程度分類，有功能附加型、功能替代型和機電融合型。,2024/3/27,7,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,機

5、電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性使用安全性和可靠性提高生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高調(diào)整和維護方便，使用性能改善具有復合功能，適用面廣改善勞動條件，有利于自動化生產(chǎn)節(jié)約能源，減少耗材,2024/3/27,8,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,現(xiàn)代機械的機電一體化目標提高精度增強功能提高生產(chǎn)效率節(jié)約能源，降低能耗提高安全性、可靠性,2024/3/27,9,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,改善操作性和實用性減輕勞動強度，改

6、善勞動條件簡化結構，減輕重量降低價格增強柔性應用功能,2024/3/27,10,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,機電一體化技術方向在原有機械系統(tǒng)的基礎上采用微型計算機控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強用電子裝置局部代替機械傳動裝置和機械控制裝置，以簡化結構，增強控制靈活性,2024/3/27,11,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,用電子裝置完全代替原來執(zhí)行信息處理功能的機構，即減化了結構，又極大地豐富了信息傳

7、輸內(nèi)容，提高了速度。用電子裝置替代機械的主要功能，形成特殊的加工能力將機電技術完全融合形成新型機電一體化產(chǎn)品,2024/3/27,12,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設計思想 在開發(fā)過程中，一方面要求設計機械系統(tǒng)時應選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機械系統(tǒng)參數(shù)；同時也要求設計控制系統(tǒng)時，應根據(jù)機械系統(tǒng)的固有結構參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。,2024/3/27,13,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與

8、方法,機電一體化系統(tǒng)設計方法取代法整體設計法組合法,2024/3/27,14,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,取代法 這種方法是用電氣控制取代原傳統(tǒng)中機械控制機構。這種方法是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。 這種方法的缺點是跳不出原系統(tǒng)的框架，不利于開拓思路，尤其在開發(fā)全新的產(chǎn)品時更具有局限性。,2024/3/27,15,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,整體設計法 這種方法主要用于全新產(chǎn)

9、品和系統(tǒng)的開發(fā)。在設計時完全從系統(tǒng)的整體目標考慮各子系統(tǒng)的設計，所以接口簡單，甚至可能互融一體。,2024/3/27,16,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)設計的目標與方法,組合法 這種方法就是選用各種標準模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)。 利用此方法可以縮短設計與研制周期、節(jié)約工裝設備費用，有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。,2024/3/27,17,第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,機械本體動力單元傳感檢測單元執(zhí)行單元

10、驅(qū)動單元控制與信息處理單元接口,2024/3/27,18,第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,機械本體（機械系統(tǒng)） 包括機械傳動裝置和機械結構裝置。其主要功能是使構造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時間關系安置在一定位置上，并保持特定的關系。 其開發(fā)重點是模塊化、標準化和系列化，以便于機械系統(tǒng)的快速組合和更換,2024/3/27,19,第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,動力單元 按照機電一體化系統(tǒng)的控

11、制要求。為系統(tǒng)提供能量和動力以保證系統(tǒng)正常運行。 其顯著特征之一，是用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。,2024/3/27,20,第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,傳感檢測單元 對系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理產(chǎn)生相應的控制信息。 對其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測精度高、抗干擾性強,2024/3/27,21,第三

12、節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,執(zhí)行單元 根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動作。驅(qū)動單元 在控制信息作用下，驅(qū)動各種執(zhí)行機構完成各種動作和功能。,2024/3/27,22,第四節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,控制與信息處理單元 控制與信息處理單元是機電一體化系統(tǒng)的核心單元。其功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、存儲、分析、加工，根據(jù)信息處理結果，按照一定的程序發(fā)出相應的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)

13、行機構，控制整個系統(tǒng)有目的的運行，并達到預期的性能。,2024/3/27,23,第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,接口 將各要素或子系統(tǒng)連接成為一個有機整體，使各個功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運動，從而形成機電一體化的系統(tǒng)工程。 其基本功能主要有三個：變換、放大、傳遞,2024/3/27,24,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,機械技術（精密機械技術）微電子技術傳感檢測技術信息處理技術自動控制技術伺服驅(qū)動技術系統(tǒng)總體

14、技術,2024/3/27,25,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,機械技術（精密機械技術） 是機電一體化的基礎。機電一體化的機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優(yōu)越。 機械技術的出發(fā)點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其他高新技術來更新概念，實現(xiàn)結構、材料、性能以及功能上的變更。,2024/3/27,26,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,傳感檢測技術 是機電一體化系統(tǒng)的感覺器官，即從待測

15、對象那獲取能反映待測對象特征與狀態(tài)的信息。它是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，其功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高。 傳感檢測技術的研究內(nèi)容包括兩方面：一是研究如何將各種被測量轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究如何將轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理。,2024/3/27,27,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,信息處理技術 信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策。實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機，因此信息處理技術與計算機技術是密切

16、相關的。 信息處理的發(fā)展方向是如何提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。,2024/3/27,28,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,自動控制技術 自動控制技術的目的在于實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的目標最佳化。 機電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。,2024/3/27,29,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,伺服驅(qū)動技術 伺服驅(qū)動技術就是在控制指令的指揮下，

17、控制驅(qū)動元件，使機械的運動部件按照指令要求運動，并具有良好的動態(tài)性能。 常見的伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有電氣伺服和液壓伺服。,2024/3/27,30,第四節(jié) 機電一體化的相關技術,系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術是以整體的概念組織應用各種相關的應用技術。即從全局的角度和系統(tǒng)的目標出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)技術協(xié)調(diào)的觀點來考慮每個子系統(tǒng)的技術方案，對于子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的矛盾或子系統(tǒng)和系統(tǒng)整體之間的矛盾都要從總體協(xié)調(diào)的

18、需要來選擇解決方案。,2024/3/27,31,第二章 機械系統(tǒng)設計,機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)是由計算機協(xié)調(diào)與控制，用于完成一系列運動的機械和機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。 機電一體化中的機械系統(tǒng)需使伺服馬達和負載之間的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩得到匹配，也就是在滿足伺服系統(tǒng)高精度、高響應速度、良好穩(wěn)定性的前提下，還應該具有較大的剛度、較高的可靠性和重量輕、體積小、壽命長等特點。,2024/3/27,32,第二章 機械系統(tǒng)設計,傳動機構：機電一體化系

19、統(tǒng)中傳動結構的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實際上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化器。導向機構：其作用是支撐和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。執(zhí)行機構：用來完成操作任務。能根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作。,2024/3/27,33,第一節(jié) 傳動裝置,2.1.1傳動機構的種類及特點 機電一體化系統(tǒng)中所用的傳動機構主要有滑動絲杠副、滾珠絲杠副、齒輪傳動副、同步帶傳動副、間歇機構、繞性傳動機構等。

20、 對于工作機中的傳動機構，既要求能實現(xiàn)運動的轉(zhuǎn)換，又要求能夠?qū)崿F(xiàn)動力的轉(zhuǎn)換；對于信息機中的傳動機構，主要要求運動的轉(zhuǎn)換；對于動力，則只需要克服慣性力（力矩）和各種摩擦力（力矩）以及較小的工作負載即可。,2024/3/27,34,第一節(jié) 傳動裝置,2.1.2傳動機構的基本要求影響機電一體化系統(tǒng)中的傳動鏈動力學性能的因素一般有以下幾個負載的變換傳動鏈慣性傳動鏈固有頻率間隙、摩擦、潤滑和溫升,2024/3/27,35,第一節(jié) 傳動裝

21、置,在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動機構的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量應盡可能小剛度越大伺服系統(tǒng)動力損失越??；剛度越大機構固有頻率越高，超出系統(tǒng)的頻帶寬度，不易產(chǎn)生共振；剛度越大閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高機械零件產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低,2024/3/27,36,第一節(jié) 傳動裝置,系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能??；動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)

22、生爬行，精度降低，壽命減少。此外，還要求抗振性好，穩(wěn)定性高，間隙小（減少誤差，提高伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性），避免諧振，特別是其動態(tài)特性與伺服電動等其他環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配。,2024/3/27,37,第一節(jié) 傳動裝置,轉(zhuǎn)動慣量 在滿足系統(tǒng)剛度的條件下，機械部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量越小越好。轉(zhuǎn)動慣量大會使機械負載增大、系統(tǒng)響應速度變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振。同時轉(zhuǎn)動慣量的增大會使電氣驅(qū)動部件的諧振頻率降低，而阻尼增

23、大。,2024/3/27,38,第一節(jié) 傳動裝置,摩擦 兩物體接觸面間的摩擦力在應用上可以簡化為粘性摩擦力、庫倫摩擦力與靜摩擦力三類，方向均與運動方向（或運動趨勢方向）相反。粘性摩擦力大小與兩物體相對運動的速度成正比；庫倫摩擦力是接觸面對運動物體的阻力，大小為一常數(shù)；靜摩擦力是有相對運動趨勢但仍處于靜止狀態(tài)時摩擦面間的摩擦力，其最大值發(fā)生在相對開始運動前的一瞬間，運動開始后靜摩擦力即消失。,2024/3/27,39,第一節(jié) 傳動裝

24、置,阻尼 運動中的機械部件容易產(chǎn)生振動，其振幅取決于系統(tǒng)的阻尼和固有頻率，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅越小，且衰減越快；線性阻尼下的振動為實模態(tài)，非線性阻尼下的振動為復模態(tài)。機械部件振動時，金屬材料的內(nèi)摩擦較小，而運動副的摩擦阻尼占主導地位的。在實際應用中一般將摩擦阻尼簡化為粘性摩擦的線性阻尼,2024/3/27,40,第一節(jié) 傳動裝置,剛度 剛度為彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。機械系統(tǒng)的剛度包括構件產(chǎn)生各種基本變形時的剛度

25、和兩接觸面的接觸剛度兩類。靜態(tài)力和變形之比為靜剛度；動態(tài)力和變形之比為動剛度。,2024/3/27,41,第一節(jié) 傳動裝置,諧振頻率 包括機械傳動部件在內(nèi)的彈性系統(tǒng)，若阻尼不計，可簡化為質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)。由此可確定系統(tǒng)的固有頻率。當外界的激振頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而不能正常工作。機械傳動部件實際上是個多自由度系統(tǒng)，有一個基本固有頻率和若干高階固有頻率，分別稱為機械傳動部件的一階諧振頻率和n階諧振頻率。,202

26、4/3/27,42,第一節(jié) 傳動裝置,間隙 間隙將使機械傳動系統(tǒng)中間產(chǎn)生回程誤差，影響伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性。有間隙時，應減小位置環(huán)增益 間隙的主要形式有齒輪傳動的齒側間隙、絲杠螺母的傳動間隙、絲杠軸承的軸向間隙、連軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。在機電一體化系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)良好的動態(tài)性能，要盡可能避免間隙的出現(xiàn)。當間隙出現(xiàn)時，要采取消隙措施。,2024/3/27,43,第一節(jié) 傳動裝置,2.1.3 常用傳動機構的設計方法滾珠絲杠

27、副傳動機構齒輪傳動同步帶傳動諧波齒輪傳動棘輪傳動機構軟軸傳動機構,2024/3/27,44,第一節(jié) 傳動裝置,一、滾珠絲杠副傳動機構 滾珠絲杠是一種新型螺旋傳動機構，具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠。主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動,2024/3/27,45,第一節(jié) 傳動裝置,滾珠絲杠副的特點傳動效率高運動具有可逆性系統(tǒng)剛度好傳動精度高使用壽命長不能自鎖工藝復雜,

28、2024/3/27,46,第一節(jié) 傳動裝置,滾珠絲杠副的結構類型可從螺紋滾道的界面形狀、滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙的調(diào)整方法進行區(qū)別單圓弧型和雙圓弧型,2024/3/27,47,第一節(jié) 傳動裝置,內(nèi)循環(huán)和外循環(huán) 內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點是滾珠循環(huán)的回路短，流暢性好，效率高螺母的尺寸也較小。缺點是反向器加工困難，裝配調(diào)整也不方便,2024/3/27,48,第一節(jié) 傳動裝置,內(nèi)循環(huán)浮動式

29、反向器在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接，通道流暢，摩擦性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛度的精密進給系統(tǒng),2024/3/27,49,第一節(jié) 傳動裝置,外循環(huán) 滾珠在循環(huán)返回時，離開絲杠螺紋滾道，在螺母或體外作循環(huán)運動,2024/3/27,50,第一節(jié) 傳動裝置,螺旋槽式的特點是工藝簡單、徑向尺寸小、易于制造，但是擋珠器剛性差，易磨損,2024/3/27,51,第一節(jié) 傳動裝置,內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)插管式結構簡

30、單，容易制造，但是徑向尺寸較大，彎管端部比較容易磨損,2024/3/27,52,第一節(jié) 傳動裝置,內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)端蓋式結構簡單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易加工準備而影響其性能，故應用較少。,2024/3/27,53,第一節(jié) 傳動裝置,滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整與預緊預緊力大小必須合適，過小不能保證無隙傳動，過大將使驅(qū)動力矩增大，效率降低，壽命縮短。要特別注意減少絲杠安裝部分的間隙，這些間隙用預緊的方法是無法消除的，而它對傳動精

31、度有直接影響,2024/3/27,54,第一節(jié) 傳動裝置,雙螺母螺紋預緊調(diào)隙式 結構簡單、剛性好、預緊可靠，使用中調(diào)整方便，但不能精確地調(diào)整,2024/3/27,55,第一節(jié) 傳動裝置,雙螺母齒差預緊調(diào)隙式可實現(xiàn)定量調(diào)整，調(diào)整精度很高，工作可靠，使用中調(diào)整較方便；但結構復雜，加工和裝配工藝性能較差,2024/3/27,56,第一節(jié) 傳動裝置,雙螺母墊片預緊調(diào)隙式 結構緊湊、剛度高、預緊可靠、應用

32、廣泛，但使用中調(diào)整不方便，也不很準確，適用于一般精度的傳動結構,2024/3/27,57,第一節(jié) 傳動裝置,彈簧式自動調(diào)整預緊式 能消除使用過程中由于摩擦或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結構復雜。軸向剛度低,2024/3/27,58,第一節(jié) 傳動裝置,2024/3/27,59,第一節(jié) 傳動裝置,二、齒輪傳動 齒輪傳動是機電一體化系統(tǒng)中使用最多的機械傳動裝置，主要原因是齒輪傳動的瞬時傳動比為常數(shù)。傳動精確，且強度大、能承受重載、結構

33、緊湊。摩擦力小、效率高。,2024/3/27,60,第一節(jié) 傳動裝置,三、同步帶傳動 同步帶傳動是綜合了帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動特點的一種新型傳動,2024/3/27,61,第一節(jié) 傳動裝置,同步帶傳動的特點能方便地實現(xiàn)較遠中心距的傳動，傳動比準確，傳動效率高工作平穩(wěn)，能吸收振動不需要潤滑，耐油、水，耐高溫，耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便強度高，厚度小，質(zhì)量輕中心距要求嚴格，安裝精度要求高制造工藝復雜，成本高,2024/3/27

34、,62,第一節(jié) 傳動裝置,四、諧波齒輪傳動 依靠柔性齒輪所產(chǎn)生的可控制彈性變形波，引起齒間的相對位移來傳遞動力和運動的。,2024/3/27,63,第一節(jié) 傳動裝置,諧波齒輪傳動的優(yōu)點傳動比大承載能力大傳動精度高可以向密封空間傳遞運動或動力傳動平穩(wěn)傳動效率高結構簡單，體積小，質(zhì)量輕,2024/3/27,64,第一節(jié) 傳動裝置,諧波齒輪傳動的缺點揉輪和波發(fā)生器制造復雜，需專門設備，成本較高傳動比下限值較高不能做成

35、交叉軸和相交軸的結構,2024/3/27,65,第一節(jié) 傳動裝置,五、軟軸傳動機構 軟軸又稱作鋼絲軟軸，是由幾層緊密纏在一起的彈簧鋼絲層構成的，相鄰層的纏繞方向相反。工作時相鄰兩層鋼絲中的一層趨于擰緊，另一層趨于擰松，以使各層鋼絲間趨于壓緊，傳遞轉(zhuǎn)矩。,2024/3/27,66,第一節(jié) 傳動裝置,鋼絲軟軸主要用于兩個傳動機件的軸線不在同一直線上，或工作時彼此要求有相對運動的傳動。它可以彎曲繞過各種障礙物，遠距離傳遞回轉(zhuǎn)運動。適合于

36、受連續(xù)沖擊的場合，也適用于高速、小轉(zhuǎn)矩的場合。不適合低速大轉(zhuǎn)矩的傳動。因為這將使從動軸的轉(zhuǎn)速不均勻，扭轉(zhuǎn)剛度無法保證。,2024/3/27,67,第一節(jié) 傳動裝置,六、棘輪傳動機構 棘輪傳動機構主要用于將原動機構的連續(xù)運動轉(zhuǎn)換成間歇運動。,2024/3/27,68,第一節(jié) 傳動裝置,棘輪機構具有結構簡單、制造方便和運動可靠等優(yōu)點，故在各類機械中有廣泛的應用。但是由于回程時搖桿上的棘爪在棘輪齒面上滑行時引起噪聲和齒尖磨損。同時為使棘

37、爪順利落入棘輪齒間，搖桿擺動的角度應略大于棘輪的運動角，這樣就不可避免的存在空程和沖擊。此外棘輪的運動角必須以棘輪齒數(shù)為單位有級地變化。因此棘輪機構不宜應用于高速和運動精度要求較高的場合。棘輪,2024/3/27,69,第二節(jié) 導向機構,在機電一體化機械系統(tǒng)中，導向支撐部件的作用是支撐和限制運動部件能按給定的運動要求和運動方向運動，這樣的部件通常稱為導軌副，簡稱導軌。,2024/3/27,70,第二節(jié) 導向機構,2.2.1導軌的組成、分

38、類及特點 導軌主要由兩部分組成：在工作時一部分固定不動，稱為支承導軌；另一部分相對支承導軌作直線或回轉(zhuǎn)運動，稱為動導軌。,2024/3/27,71,第二節(jié) 導向機構,2.2.2導軌的基本要求 機電一體化系統(tǒng)對導軌的基本要求是導向精度高、剛性好、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結構工藝性好。 對精度要求高的直線運動導軌，還要求導軌的承載面與導向面嚴格分開；運動件較重時，必須設有卸荷裝置；運動件的支承必須符合三點

39、定位原理,2024/3/27,72,第二節(jié) 導向機構,導向精度 導軌按給定方向作直線運動的準確程度直線度兩導軌面間的平行度,2024/3/27,73,第二節(jié) 導向機構,耐磨性 導軌的耐磨性是指導軌在長期使用后，應能保持一定的導向精度。導軌的耐磨性主要取決于導軌的結構、材料、摩擦性質(zhì)、表面粗糙度、表明硬度、表面潤滑及受力情況等。提高導軌的精度保持性，必須進行正確的潤滑與保護,2024/3/27,74,第二節(jié) 導向機構,運動

40、的靈活性和低速運動的平穩(wěn)性 工作時應輕便省力，速度均勻，低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，高速運動時應無振動。 為了防止產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以采?。翰捎脻L動導軌、靜壓導軌，卸荷導軌、貼塑料層導軌?；蛘咴谄胀ɑ瑒訉к壣鲜褂煤袠O性添加劑的導軌油。也可以用減少結合面、增加結構尺寸、縮短傳動鏈。減少運動副等方法,2024/3/27,75,第二節(jié) 導向機構,2.2.3 常用導向機構的設計方法塑料導軌 塑料導軌是在滑動導軌上鑲裝

41、塑料而成。這種導軌定位精度較高，摩擦因數(shù)較小，剛度較高，無爬行現(xiàn)象，吸振較好，壽命長，化學穩(wěn)定性高，工藝性好，維護方便；但由于其耐熱性差，在使用中必須注意散熱。,2024/3/27,76,第二節(jié) 導向機構,塑料導軌軟帶 可與鑄鐵或鋼組成滑動摩擦副，也可以與滾動導軌組成滾動摩擦副,2024/3/27,77,第二節(jié) 導向機構,金屬塑料復合導軌板一般用膠粘貼在金屬導軌上，成本較高塑料涂層主要用于導軌的維修和設備的改造，也可用

42、于新產(chǎn)品設計,2024/3/27,78,第二節(jié) 導向機構,滾動導軌 滾動導軌是在做相對直線運動的兩導軌面之間加入滾動體，變滑動摩擦為滾動摩擦的一種直線運動支撐。滾動導軌的優(yōu)點 摩擦因數(shù)小，運動靈活；動靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；可以預緊，剛度高；壽命長；精度高；潤滑方便，一次裝填，長期使用。,2024/3/27,79,第二節(jié) 導向機構,滾動導軌按 滾動體形狀的不同，可以分為滾珠導軌。滾珠導

43、軌和滾針導軌,2024/3/27,80,第二節(jié) 導向機構,滾珠為點接觸，摩擦小、靈敏度高，但承載能力小、剛度低，適用于載荷不大，行程較小，而運動靈敏度要求較高的場合。,2024/3/27,81,第二節(jié) 導向機構,滾柱導軌為線接觸，承載能力和剛度都比滾珠導軌大，適用于載荷較大的場合，但制造安裝精度要求高。滾柱對導軌的不平度較敏感，容易產(chǎn)生側向偏移和滑動，而使導軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。,2024/3/27,82,第二節(jié) 導向機構,

44、滾針導軌的尺寸小，結構緊湊、排列密集。承載能力大，但摩擦相應增加，精度較低，適用于載荷大。導軌尺寸受限制的場合。（結構尺寸較小的滾柱導軌）滾柱導軌支承為標準部件，具有安裝、潤滑簡單，調(diào)整防護容易等優(yōu)點。,2024/3/27,83,第二節(jié) 導向機構,按滾動體的循環(huán)方式，滾動導軌又可分為滾動體不循環(huán)式導軌和滾動體循環(huán)式導軌兩種。 滾動體不循環(huán)式導軌的滾動體可以是滾珠、滾柱或滾針。它們的共同特點是滾動體不循環(huán)，因而行程不能太長。這種導軌

45、結構簡單，制造容易，成本較低，但有時難以施加預緊力，剛度較低，抗振性能差，不能承受沖擊載荷。,2024/3/27,84,第三節(jié) 執(zhí)行機構,2.3.1常用執(zhí)行機構的設計方法熱變形式 熱變形式執(zhí)行機構屬于微動機構，該類機構利用電熱元件作為動力源，電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形實現(xiàn)微小位移。,2024/3/27,85,第三節(jié) 執(zhí)行機構,熱變形微動機構可以利用變壓器、變阻器等來調(diào)節(jié)傳動桿的加熱速度，以實現(xiàn)對位移速度和微進給量的控制。為了使傳

46、動桿恢復到原來的位置，可以利用壓縮空氣或乳化液來冷卻 熱變形微動機構具有高剛度和無間隙的優(yōu)點，并可通過控制加熱電流來得到所需微量位移；但由于熱慣性以及冷卻速度難以精確控制等原因，這種微動系統(tǒng)只適用于行程較短、頻率不高的場合。,2024/3/27,86,第三節(jié) 執(zhí)行機構,磁致伸縮式該類機構利用某些材料在磁場作用下具有改變尺寸的磁致伸縮效應，來實現(xiàn)微量位移。,2024/3/27,87,第三節(jié) 執(zhí)行機構,磁致伸縮式微動機構的特征

47、為重復精度高，無間隙，剛度好，轉(zhuǎn)動慣量小，工作穩(wěn)定性好，結構簡單、緊湊；但由于工程材料的磁致伸縮量有限，該類機構所提供的位移量很小，因而該類機構適用于精確位移調(diào)整、切削 刀具的磨損補償 及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,2024/3/27,88,第三節(jié) 執(zhí)行機構,工業(yè)機器人末端執(zhí)行器 工業(yè)機器人是一種自動控制，可重復編程，多功能、多自由度操作機，是能搬動物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業(yè)的機電一體化產(chǎn)品。工業(yè)機器人末端執(zhí)行器裝在

48、操作機手腕的前端，是直接實現(xiàn)操作功能的機構末端執(zhí)行器因用途不同而結構各異，一般可分為三大類：機械夾持器、特種末端執(zhí)行器、萬能手,2024/3/27,89,第三節(jié) 執(zhí)行機構,機械夾持器 它是工業(yè)機器人中最常用的一種末端執(zhí)行機構。機械夾持器首先應有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾工件在移動、停留和裝入過程中不改變姿態(tài)。當需要松開工件時，應完全松開。另外，它還應保證工件夾持姿態(tài)再現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。,2024/3/27,90,

49、第三節(jié) 執(zhí)行機構,機械夾持器常用壓縮空氣作動力源，經(jīng)傳動機構實現(xiàn)手指的運動。根據(jù)手指夾持工件時的運動軌跡的不同，機械夾持器可有下述幾種型式圓弧開合型圓弧平行開合型直接平行開合型,2024/3/27,91,第三節(jié) 執(zhí)行機構,圓弧開合型 在傳動機構帶動下，手指指端的運動軌跡為圓弧夾持器工作時，兩手指繞支點作圓弧運動，同時對工件進行夾持和定心。這類夾持器對工件被夾持部位的尺寸有嚴格要求，否則可能會造成工件狀態(tài)失常,2024/3/2

50、7,92,第三節(jié) 執(zhí)行機構,圓弧平行開合型這類夾持器兩手指工作時作平行開合運動，而指端運動軌跡為一圓弧,2024/3/27,93,第三節(jié) 執(zhí)行機構,直接平行開合型 這類夾持器兩手指的運動軌跡為直線，且兩指夾持面始終保持平行,2024/3/27,94,第三節(jié) 執(zhí)行機構,真空吸附手結構簡單，價格低廉，且吸附作業(yè)具有一定柔順性，這樣即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不會影響吸附手的工作。它常用小件搬運，也根據(jù)工件形狀、尺寸、質(zhì)量大

51、小的不同將多個真空吸附手組合使用。,2024/3/27,95,第三節(jié) 執(zhí)行機構,2）電磁吸附手它同樣結構簡單、價格低廉，但它吸附工件的過程是從不接觸工件開始的。這種吸附方式可以用于搬運較大的可磁化性材料的工件,2024/3/27,96,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,檢測系統(tǒng)是機電一體化設備中不可缺少的組成部分。其功能是對系統(tǒng)運行中所需的自身和外界環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，將其轉(zhuǎn)變成可識別的電信號，傳遞給信息處理單元。如果把機電一

52、體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)看做是人的手足，信息處理系統(tǒng)看做是人的大腦，則檢測系統(tǒng)好比人的感覺器官。自動化程度越高，控制系統(tǒng)對傳感器的要求也就越高,2024/3/27,97,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號 對轉(zhuǎn)換后的電信號進行測量,并進行放大、運算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理,2024/3/27,98,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,3.1.1傳感器的基本用途 傳感器是借助檢測元件接收一種形式的信息，并按一定規(guī)律將它

53、轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學量和生物量，而且轉(zhuǎn)換后的信息也是有各種形式，由于電信號是最易于處理和便于傳輸?shù)模阅壳按蠖鄶?shù)的傳感器將獲取的信息轉(zhuǎn)換為電信號。,2024/3/27,99,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,3.1.2傳感器的組成與分類傳感器的組成,2024/3/27,100,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,敏感元件 直接感受被測量，并以確定關系輸出某一物理量轉(zhuǎn)換元件 將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)

54、換成其他參數(shù)基本轉(zhuǎn)換電路 將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量,2024/3/27,101,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,傳感器的分類 目前采用的傳感器分類方法主要有按被測物理量分類：這種方法明確表明了傳感器的作用，便于使用者選擇，如位移、壓力傳感器按傳感器工作原理分類：這種方法表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器設計和應用，如壓阻式、壓電式、電感式,2024/3/27,102,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,按傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分

55、類1）能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）不需外加電源而將被測量轉(zhuǎn)換成電能輸出，如壓電式，光電式等2）能量控制型（參量型）需外加電源才能輸出測試電量，如電阻、電感等,2024/3/27,103,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,按傳感器工作機理分類1）結構型：被測參數(shù)變化引起傳感器的結構變化，使輸出電量變化，利用物理學中的定律和運定定律等構成2）物性型：利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測參數(shù)變化的原理構成。傳感器的性能與材料密切相關,2024/3/27,10

56、4,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,按傳感器輸出信號的形式分類1）模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量2）數(shù)字式：傳感器輸出為數(shù)字量 習慣上，常把工作原理和用途結合起來命名傳感器，有利于設計檢測系統(tǒng)選擇,2024/3/27,105,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,3.1.4傳感器的性能與選用原則傳感器的性能 傳感器的性能分為靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標傳感器的靜態(tài)性能 傳感器在靜態(tài)信號作用下，其輸入－輸出關系稱為靜態(tài)性能，其包含有線

57、性度、靈敏度、遲滯和重復性,2024/3/27,106,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,線性度：傳感器的實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差,2024/3/27,107,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,靈敏度：是指傳感器在靜態(tài)信號輸入情況下，輸入變化對輸入變化的比值s 一般希望傳感器的靈敏度高一些，并且在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸入－輸出特性為直線,2024/3/27,108,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,遲

58、滯性：表明傳感器在正、反行程期間輸入－輸出特性曲線不重合的程度 產(chǎn)生遲滯性現(xiàn)象的主要原因是機械的間隙、摩擦或 磁滯等因素,2024/3/27,109,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,重復性：表示傳感器在輸入量按同一方向作全程多次測試時所得特性曲線的不一致程度,2024/3/27,110,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,傳感器的動態(tài)特性 指傳感器對輸入信號的響應特性，一個動態(tài)特性好的傳感器其輸出能再現(xiàn)輸入變化規(guī)律。但實際上除了具有理

59、想的比例特性環(huán)節(jié)外，輸出信號不可能與輸入信號具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸入與輸出之間的差異叫做動態(tài)誤差,2024/3/27,111,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,傳感器的選用原則 傳感器是測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常應該具有快速、準確、可靠而又經(jīng)濟地實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。足夠的容量，傳感器的工作范圍或量程要足夠的大，具有一定過載的能力。,2024/3/27,112,第一節(jié) 傳感器的基礎知識,與測量或控制系統(tǒng)的匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏

60、度高，要求其輸出信號與被測輸入信號成確定關系，且比值要大。反應速度快，工作可靠性好適用性和適應性強，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響小，內(nèi)部噪聲小又不易受外界干擾的影響，使用安全。使用經(jīng)濟，成本低，壽命長，且易于使用、維修和校準,2024/3/27,113,第二節(jié) 常用傳感器,位移測量傳感器是線性位移和角位移測量的總稱，位移測量在機電一體化領域應用十分廣泛。常用的直線位移傳感器有：電感傳感器、電容傳感器、感應同步器、光柵傳感器；常

61、用角位移傳感器有：電容傳感器、光電編碼器,2024/3/27,114,第二節(jié) 常用傳感器,3.2.1線位移檢測傳感器 線位移傳感器是利用敏感元件某些電參數(shù)隨位移變化而改變的特性進行工作電阻式線位移傳感器電感式線位移傳感器電容式線位移傳感器光柵式線位移傳感器激光式線位移傳感器,2024/3/27,115,第二節(jié) 常用傳感器,電阻式線位移傳感器電位器式線傳感器 電位器式線位移傳感器利用被測部件的移動通過拉桿帶動電刷移

62、動，從而改變輸出的電量。其優(yōu)點是：結構簡單、性能穩(wěn)定。缺點是 分辨率不高，易 磨損。,2024/3/27,116,第二節(jié) 常用傳感器,電阻應變計式線位移傳感器利用應變片的彎曲，造成電阻變化，將其轉(zhuǎn)化成電壓和電流的變化。其優(yōu)點結構簡單，性能穩(wěn)定，精度高。不足之處是動態(tài)范圍窄,2024/3/27,117,第二節(jié) 常用傳感器,電感式線位移傳感器(1)差動電感式線位移傳感器 利用磁芯在線圈筒中自由移動，切割磁力

63、線產(chǎn)生電動勢使電橋失去平衡，產(chǎn)生測量信號 其優(yōu)點是具有動態(tài)范圍寬和線性度好的優(yōu)點 。缺點是有 殘余電壓。,2024/3/27,118,第二節(jié) 常用傳感器,差動變壓器式線位移傳感器將被測量轉(zhuǎn)化為線圈的互感變化。這種傳感器具有分辨率高、線性度好等優(yōu)點，其缺點是殘余電勢較大,2024/3/27,119,第二節(jié) 常用傳感器,電容式線位移傳感器 平板電容器的電容決定于極板的工作面積、極板間介質(zhì)的介電常數(shù)和極板間的距離，位移

64、使電容器三個參數(shù)中的任意一個發(fā)生變化，均會引起電容量的變化。通過檢測電路將電容量的變換轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。電容式傳感器具有結構簡單，動態(tài)性能好、靈敏度和分辨率高的特點。它可用于無接觸檢測，并可在惡劣環(huán)境下工作。,2024/3/27,120,第二節(jié) 常用傳感器,光柵式線位移傳感器,2024/3/27,121,第二節(jié) 常用傳感器,光柵是一種新型的位移檢測元件，它的特點是測量精度高、響應速度快和量程范圍大等。,2024/3/27,122,

65、第二節(jié) 常用傳感器,激光式線位移傳感器這種傳感器動態(tài)范圍寬、精度高、可用于非接觸檢測。其缺點是裝置復雜、使用調(diào)試不方便、價格高。,2024/3/27,123,第二節(jié) 常用傳感器,3.2.2角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器電阻式角位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器電容角位移傳感器光柵角位移傳感器磁電式角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器,2024/3/27,124,第二節(jié) 常用傳感器,電阻式角位移傳感器 其工作原理和電位器線位移傳感器相

66、似，不同之處是將電阻器做成圓弧型，電刷繞中心軸作旋轉(zhuǎn)運動，這樣電刷輸出的電壓就反映了電刷的轉(zhuǎn)角。電阻式角位移傳感器具有結構簡單、動態(tài)范圍大、輸出信號強等特點；缺點是在圓弧型電阻器各段電阻率不一致情況下，會產(chǎn)生誤差。,2024/3/27,125,第二節(jié) 常用傳感器,旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器 旋轉(zhuǎn)變壓器角實際上是初級和次級繞組之間的角度可以改變的變壓器。常規(guī)變壓器的兩個繞組之間是固定的，其輸入電壓和輸出電壓之比保持常數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁繞

67、組和輸出繞組分別安裝在定子和轉(zhuǎn)子上。 旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、可靠性好等特點，廣泛應用在各種機電一體化系統(tǒng)中。,2024/3/27,126,第二節(jié) 常用傳感器,電容角位移傳感器 電容角位移傳感器的工作原理是當動極板產(chǎn)生角位移時，電容器的工作面積發(fā)生變換，電容量隨之改變。測量電路檢測這種電容量變換，即可確定角位移。,2024/3/27,127,第二節(jié) 常用傳感器,光柵角位移傳感器 與光柵線位移傳感器相比，光柵角位移傳感器將

68、光柵印在圓盤的圓周上。,2024/3/27,128,第二節(jié) 常用傳感器,磁電式角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器 利用導磁材料制成的齒輪代替光柵傳感器的光柵盤，利用磁芯繞組代替光電元件，由于齒輪的轉(zhuǎn)動會影響磁路的磁阻，使磁通量發(fā)生變化，進而在繞組中會產(chǎn)生相應的感應脈沖電壓。對脈沖電壓整形后進行計數(shù)，也可以達到測量角位移及角速度的目的。,2024/3/27,129,第二節(jié) 常用傳感器,3.2.3速度與加速度傳感器電磁式速度傳感器 其原