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机电一体化的技术和系统设计

机电一体化的技术和系统设计 2011： 一、机电一体化概论　　1．机电一体化的定义　　机电一体化是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技术，是机械技术与微电子技术的有机结合。　　2．机电一体化系统的基本结构要素　　机电一体化系统一般包括6个基本结构要素：机械本体、能源、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信息处理单元。　　应掌握这些基本结构要素的构成，在机电一体化系统中所起的作用，以及系统对基本结构要素的要求。对于一般的机电一体化系统应能够熟练分析系统中的各个部分分别属于系统的哪一基本结构要求。　　3．机电一体化的相关技术　　机电一体化的相关技术有：机械技术、计算机与信息处理技术、系统技术、自动控制技术、系统技术、自动控制技术、传感与检测技术。伺服驱动技术。　　应了解各项相关技术在整体系统中的作用。 二、机电一体化的系统设计方法及工程路线　　重点内容是机电一体化产品的设计方法和工程路线。它包括以下14个基本步骤：　　（1）拟定产品（设计）目标，确定初步技术规范。　　（2）收集资料，市场分析，可行性分析，技术经济性分析。　　（3）初步设计（总体方案设计）。　　（4）初步设计方案的评审、评价（不满意，修改）。　　（5）确定数学模型（理论分析）。　　（6）详细设计（样机设计）。　　（7）详细设计方案评审、评价（不满意，修改）。　　（8）试制样机。　　（9）样机试验，测试。　　（10）技术评价与审定（不满意，修改）。　　（11）小批量生产。　　（12）试销。　　（13）正常生产，收集用户意见。 （14）销售，收集用户意见。 其中（1）至（4）为总体方案设计阶段：（5）至（8）为详细设计阶段；（9）至（11）为样机测试阶段；（11）至（14）为生产销售阶段。整个设计过程要经过3次设计，3次评审，以确保设计质量。其中详细设计是机电一体化产品设计与开发过程的核心内容。它包括机电一体化系统总体设计、业务的分组、机械本体及工具设计、控制回路设计、程序（软件）设计、后备系统设计、完成设计说明书、机电一体化系统使用说明书等产品文件等。

三、机电一体化机械系统　　重点掌握机械传动系统中惯量、阻尼、刚度、间隙等机械参数对伺服控制系统性能的影响，以及折算惯量、驱动力等参数的计算方法。重点在于如何为系统选择合理的传动方案、合适的传动元件，而不是具体传动元件的结构设计。　　1.对传动系统的要求　　静特性：传动精度　　动特性：稳定性、快速响应性　　可靠性　　主要性能取决于：传动类型、传动方式、传动精度和可靠性。　　2．机械传动系统的主要特性　　（1）转动惯量 转动惯量对系统动态特性的影响；系统等效转动惯量的计算方法。　　（2）阻尼 阻尼对系统动态特性的影响；机械系统的阻尼比。　　（3）刚度 刚度对系统动态特性的影响；　　3．减小传动链误差的措施　　(1)提高零件本身的制造精度可以减少传动误差和回程误差。　　(2)合理地设计传动链　　(3)采用消除间隙机构可以减少回程误差。　　螺纹传动间隙的消除机构, 齿轮传动侧隙的消除机构, 滚珠丝杠螺母间隙的调整机构等。　　4．机械传动装置　　（1）齿轮传动及系统传动比的分配。　　（2）滚珠丝杠及选用 四、动力驱动及定位　　1．驱动装置的技术要求　　（1）精度 传动系统中的传动误差和回路要对控制系统性能产生影响，而各个环节的误差因其在系统中所处位置不同，对系统输出的精度的影响是不同的，且同一环节误差的高频分量和低频分量对输出精度的影响也不同。　　（2）稳定性 闭环控制可以提高系统的精度和综合性能，但必须考虑稳定性问题。稳定性与系统的阻尼情况、结构、固有频率、回路误差及一些环境因素有关。在设计驱动装置时，应考虑传动比分配、惯量的分布、阻尼大小及系统的刚度等因素的影响。　　（3）响应速度 响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。提高固有频率，减少阻尼。提高驱动元件的输出力都有利于提高系统的响应速度。　　（4）可靠性 　　2．步进电机　　（1）步进电机如何实现速度控制　　控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。　　（2）步进电机的类型和通电方式　　步进电机有反应式、永磁式和混合式三种类型。三相步进电机的通电方式主要有三相三拍、三相双三拍和三相六拍。　　（3）步进电机的主要特性　　特性指标：步距角、最高启动频率、最高连续工作频率等；静态特性与动态特性　　（4）步进电机的电源　　步进电机的电源由变频信号源、脉冲分配器和功率放大器组成。　　（5）步进电机的应用　　常用于自动化仪表和小功率伺服系统，实现开环的位置或速度控制。　　（6）步进电机的选择　　按位置精度要求确定步距角、计算负载转矩、计算换算转动惯量、选择启动和工作频率、按矩频特性曲线校验电机力矩。　　3．直流电机 　　直流电机分为永磁式和电磁式两种，电磁式的磁场由激磁绕组产生，永磁式的磁场由永磁体产生。　　（1）直流伺服电机的主要特点：　　a．具有较大的起动转矩、功率大，响应速度快。　　b．输出力矩与控制电流成正比，输出转速要受到负载变化的影响。　　c．可通过闭环实现转速、位置、力矩的伺服控制。　　d．具有良好的调速性能，范围宽广。　　e．常采用线形驱动和脉宽调制驱动两种驱动方式　　（2）直流电机的选择　　负载力矩的计算、折算、惯量的计算、电机性能转速及功率的计算等。　　4．常用动力驱动系统的特性及选择方法。步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服元件、气压伺服元件等常用驱动元件的主要特性，适用场合及成本。

五、计算机技术　　1．开放式体系结构及特点　　基于国际上流行的工业标准微机总线结构，针对不同的用户系统的要求，选用相应的有关功能模板组合成用户的应用系统。　　主要特点：向未来的VLSI开放，向不同用户层次开放；向特殊用户开放；采用模块式结构。　　2．工业控制机的分类及特点　　（1）工业控制机的分类　　工业控制机的主要类型：可编程序控制器；单、多回路调节器；微型机测控系统；单片机微控器；分散型控制系统。　　（2）工业控制机的主要特点：　　丰富的过程输入/输出功能；实时性；高可靠性；良好的环境适应性；丰富的应用软件；技术结合性。　　3．STD总线的特点和主要工作模式　　（1）主要特点　　a.小板结构，高度模块化，可靠性高，结构灵活，硬件冗余小，成本低；　　b.严格的标准化，广泛的兼容性；　　c.面向I/O设计，非常适用工业控制应用；　　d.高可靠性；　　（2）工作模式　　a.独立工作模式；　　b.作为其他计算机的前端控制机；　　c.构成分布式组合。　　4．STD总线的I/O子系统　　（1）开关量I/O模板 用于I/O信号的测量与控制；　　（2）模拟量I/O模板 用于外部模拟量的采样或输出模拟量的控制；　　各类开关量I/O模板的构成和功能；典型A/D模板、D/A模板的组成和功能。传感器技术　　1．传感器的基本特性　　（1）传感器的静态精度指标；　　（2）传感器的输入、输出特性。　　2．典型传感器及其应用　　（1）位移传感器　　电位器式位移传感器的特点与应用；光电编码器式位移传感器的特点与应用，测量方案的选择。　　（2）速度传感器　　直流测速发电机的特点与应用；光电编码器式速度传感器的特点与应用，测量方案的选择。 六、机电一体化系统设计与综合　　1．典型机电一体化系统实例分析　　工业机器人、数控设备等典型机电一体化系统的结构及功能分析。　　2．机电一体化系统设计与综合　　（1）执行机构与驱动元件　　执行机构的运动分析；各类驱动元件的特点；执行机构与驱动元件的匹配。　　（2）驱动方式与传感器　　传感器的选择与测量方案的确定应全面考虑：传感器的基本特性；驱动元件的类型；执行机构的传动方式。　　（3）控制方式与计算机　　制定控制方案应综合考虑：控制系统的功能和主要性能指标；产品成本、生产周期；可靠性和环境适应性。不同类型的产品应有不同的侧重电。 （4）系统与工作环境

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