机电一体化系统设计重点考点整理

机电一体化系统的定义：在继续的主功能、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技术用相关软件有机结合而构成的系统的总称。机电一体化是机械技术、电子技术及信息技术相互交叉、融合（有机结合）的产物。机电一体化含有技术和产品两方面的内容：首先是机电一体化技术，主要包括其技术原理，即使机电一体化系统（产品）得以实现，使用和发展的技术；其次是机电一体化产品，该产品主要是机械系统（或部件）与电子系统（或部件）用相关软件有机结合而构成的新系统，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。机电一体化的关键技术：检测传感技术、信息技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、系统整体技术。机电一体化的五个构成要素：机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统。通过传感器直径检测目标运动并进行反馈控制的系统为全闭环。通过传感器检测某一部位运动位移并进行反馈，间接控制目标运动的系统为半闭环。机电一体化三个系统目的功能：变换（加工、处理）功能；传递（移动、输送）功能；储存(保持，积蓄、记录)功能。机电一体化系统（产品）的五种内部功能：主功能；动力功能；计测功能；控制功能；构造功能。内部功能之间关系：主功能是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和储存。动力功能是向系统提供动力，让系统得以运转的功能。检测传感功能和控制功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，是系统正常运转，实施“目的功能”。构造功能是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系。广义的接口功能有两种：变换、调整；输入/输出。根据变换、调整功能接口可分为：零接口（不进行任何变换和调整、输出即为输入，仅起连接作用）；无源接口（只用无源要素进行变换调整）；有源接口（含有有源要素、主动进行匹配的接口）；智能接口（含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口）。根据输入/输出功能接口可分为:机械接口（只进行机械连接的接口）；物理接口（受接口部位的具体形态和物理条件约束的接口）；信息接口（受逻辑，软件约束的接口）；环境接口（对周围环境条件有保护作用和隔绝作用的接口）。机电一体化系统设计的三种考虑方法：机电互补法（又称取代法。特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品或系统中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足）；融合（结合）法（它是将各组成要素有机结合为一体化构成专用或通用的功能部件（子系统），其要素之间机电参数的有机匹配比较充分）；组合法（它是将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块像积木那样组合成各种机电一体化产品（系统））。机电一体化的三种设计类型：开发性设计（它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统）；适应性设计（它是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有的产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加值）；变异性设计（它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求）。机电一体化系统中机械装置的主要特点：较高的定位精度、响应要快、稳定性要好。机械系统部件的设计要求：低摩擦，无间隙，高刚度，低惯量，高谐振频率，适当的阻尼比。常采用的措施是：低摩擦，短传动链，最佳传动比，反向死区误差小，高刚性。滚珠丝杠的特点：摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%）、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长，但没有自锁能力，传动具有可逆性，结构复杂，制造成本高。滚珠丝杠螺母副的消除间隙方法（调整预紧方法）及其特点：双螺母螺纹预紧调整式（结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整）；双螺母齿差预紧调整式（可实现定量调整，可进行精密微调，使用中调整教方便）；双螺母垫片调整预紧式（结构简单，刚度高，预紧可靠，但使用中调整不方便）；弹簧式自动调整预紧式（能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结果复杂，轴向刚度低，适合用于轻载场合）；单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式（结构简单，紧凑，但使用中不能调整且制造困难）。齿轮传动的消除间隙方法及其特点：当是圆柱齿轮时有三种：偏心套（轴）调整法（特点是结构简单，但侧隙不能自动补偿）；轴向垫片调整法（特点同上）；双片薄齿轮错齿调整法（分俩中：周向弹簧式和可调拉簧式，特点是反向时不会出现死区。）滚珠丝杠的结构形式：螺母固定、丝杠转动并移动（螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度，但其轴向尺寸不易太长，刚性较差，只适用于行程较小的场合。）；丝杠转动、螺母移动（需限制螺母的转动，结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。）；螺母转动、丝杠移动（需限制螺母的移动和丝杠的转动，结构复杂并且占用轴向空间较大，应用较少。）；丝杠固定、螺母转动并移动（结构简单、紧凑、但是多数情况下，使用极不方便，故很少应用）。滚珠丝杆支承方式及其应用场合：单推—单推式（轴向刚度较高，预拉伸安装时预紧力较大，但轴承寿命比双推—双推式低）；双推—双推式（轴向刚度最高，适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统，但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。）；双推—简支式（轴向刚度较低，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。）；双推—自由式（轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。）。导轨的分类及基本要求：导轨按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨。按其结构特点可分为开式（借助重力或弹簧力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触）导轨。导轨的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。导轨副的截面形状：三角形（分对称，不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形四种，每种又分为凸形和凹形两类，凸形导轨不易积存切削等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切削等脏物落入导轨。各种导轨的特点：三角形导轨：导向精度高，导轨水平与垂直方向误差相互影响，给制作、检验和修理带来困难。矩形导轨：结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。燕尾形导轨：高度小、结构紧凑，可以承受颠覆力矩，但刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。圆形导轨：制造方便，磨损后很难调整和补偿间隙，适用于同时做直线运动和转动的地方，也用于承受轴向载荷的场合。执行元件的分类：电动式、液动式和气动式。机电一体化系统对执行元件的基本要求：惯量小、动力大；体积小、重量轻；便于维修、安装；宜于微机控制。机电一体化系统对控制用电动机的基本要求：性能密度大；快速性好；位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，振动噪声小；适应起、停频繁的工作要求；可靠性高、寿命长。步进电动机的类型：有旋转式步进电机，也有直线步进电机；从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电机。就常用的旋转式步进电机的转子结构来说可将其分为三类：可变磁阻型；永磁型；混合型。步进电机的静态特性是指他在稳定状态下的特性，包括静转矩，矩—角特性及静态稳定区。步进电机的动态特性：动态稳定区；起动转矩；最高连续运行频率及矩—频特性。各种功率放大的特点：单电压功率放大电路（电路结构简单，输出脉冲波形差、输出功率低，主要用于对速度要求不高的小型步进电机中）；高低压功率放大电路（效率很高，高速运行性能好，电动机运行时振动较大尤其在低速运行时）；恒流源功率放大电路（在较低的电压上有一定的上升率，可用在较高频率的驱动上）；斩波恒流功率放大电路（电路去掉了限流电阻，效率显著提高，输出较大，运行频率高）；调频调压功放电路（既解决了低频振荡问题，又保证了高频运行时的输出转矩）。微机控制系统的设计主要包括：选用微机；接口设计；选用控制形式和动作控制方式。接口方案选择依据：控制要求；能够得到何种元件；扩展接口的方便程度；方法为：选用功能接口板（较大系统），选用通用接口电路（较小系统）用集成电路自行设计接口电路。微机系统的类型：按组装形式分为单片机、单板机和微型计算机系统。通道的类型：开关量的输入/输出通道；数字量的输入/输出通道；模拟量的输入/输出通道。软件的设计方法：程序模块化设计方法和程序结构化设计方法。控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。微机控制系统专用与通用选择的方法：专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。对于多品种，中小批量生产的机电一体化产品，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。硬件与软件的抉择和权衡的方法：根据经济性和可靠性的标准来权衡。微机应用系统（输入/输出控制）对硬件电路的要求：能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；能够进行相应的形象转换，以满足文件对输入/输出信息的转换要求；应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。光电隔离电路的类型：普通型信号隔离用光电耦合器件；高速型光电耦合器；达林顿管输出光电耦合器；晶闸管输出型光电耦合器。光电隔离电路的作用：可将输入与输出端两部分电路的底线分开，各自使用一套电源供电；可以进行电平转换；提高驱动能力。信息转换电路的种类及应用场合：弱电转强电电路；数字脉冲转换；数/模、模/数转换；电量非电量转换。检测传感器装置匹配选择方法：检测传感装置的精度即分辨率、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入/输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小性能要稳定可靠。信号转换接口电路匹配选择方法：信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入/输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗的匹配。放大电路及电源的匹配选择方法：功率输出级必须与所有执行元件匹配；放大器应为执行元件的运行状态提供适宜条件；放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥；输入级应能与检测传感装置相匹配；放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。系统动态设计的目的：设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。动态设计包括：选择系统的控制方式和校正或补偿形式。动态设计的步骤：先用对数频率法等方法来确定控制方式，再根据控制方式设计校正或补偿装置。机电伺服系统常用的校正方式：比例(P)调节（调节作用的大小主要取决于增益K（比例系数）的大小，K越大，调节作用越强，但是存在调节误差，而且K太大会引起系统部稳定）；积分(I)调节（可以减少或消除误差，但由于积分调节响应慢，故很是单独使用）；比例—积分(PI)调节（既克服了单纯比例环节油调节误差的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱点，既能改善系统的稳定性能，有能改善其动态性能）；比例—积分—微分（PID）调节（不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统的动态性能，能是闭环系统更加稳定，其动态性能也比PI调节时更好。但在噪声比较大或要求响应快的系统中不宜采用）。可靠性的定义：是指系统或产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。完成规定功能就是能够连续地保持产品或系统的工作能力，使各项技术指标符合规定值。可靠性概念的含义：包括系统或产品的无故障性和耐久性。系统或产品的无故障性是指系统或产品在某一时期内或某一段工作时间内，连续不断地保持其工作能力的性能。系统或产品的耐久性是指产品或系统在整个使用期限内