機(jī)電一體化習(xí)題課

作業(yè)題1.什么是機(jī)電一體化？機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素有哪些？定義：“機(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置?！奔窗褭C(jī)械部分和電子部分各作為一個環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在一個“系統(tǒng)”之中。為了使系統(tǒng)的運行達(dá)到最優(yōu)化，應(yīng)該使構(gòu)成系統(tǒng)的所有硬件采取最佳組合方式。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素答：機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素有：結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素五個要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間，通過接口耦合、運動傳遞、物質(zhì)流動、信息控制、能量轉(zhuǎn)換有機(jī)融合集成一個完整系統(tǒng)。包括機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分五大部分。機(jī)械本體——系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、聯(lián)接等。動力與驅(qū)動部分——在控制信息作用下，提供動力，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動作和功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)——根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作。傳感測試部分——對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，變成可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。控制及信息處理部分——將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個系統(tǒng)有目的地運行。2.簡要敘述機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：機(jī)械設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、計算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)和伺服傳動技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)。

機(jī)械設(shè)計技術(shù)——機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。計算機(jī)與信息處理技術(shù)——信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策，實現(xiàn)信息處理的工具是計算機(jī)，因此計算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計算機(jī)技術(shù)包括計算機(jī)的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，數(shù)據(jù)技術(shù)等。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，計算機(jī)信息處理部分指揮整個系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)技術(shù)——以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，以功能單元為子系統(tǒng)進(jìn)行二次分解，生成功能更為單一和具體的子功能單元。這些子功能單元同樣可繼續(xù)逐層分解，直到能夠找出一個可實現(xiàn)的技術(shù)方案。接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。自動控制技術(shù)——范圍很廣，主要包括：基本控制理論，在此理論指導(dǎo)下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)的設(shè)計；設(shè)計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。

傳感與檢測技術(shù)——關(guān)鍵元件是傳感器。與信息系統(tǒng)的輸入端相聯(lián)并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動化程度就越高。伺服傳動技術(shù)——直接執(zhí)行操作的技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機(jī)械動作的轉(zhuǎn)換裝置或部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。3.機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)由哪幾部分組成（1）傳動機(jī)構(gòu)。傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是其傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響。（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。支承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。該機(jī)構(gòu)應(yīng)能保證安全、準(zhǔn)確。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。完成操作任務(wù)。根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預(yù)定的操作。一般要求它具有較高的靈敏度、精確度，良好的重復(fù)性和可靠性等。4.常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)有哪些？各有何特點。滾珠絲杠副、同步帶傳動副、諧波齒輪傳動等。滾珠絲杠副新型螺旋傳動機(jī)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠，當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。為防止?jié)L珠從螺紋滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。滾動絲杠副特點①傳動效率高。90%-95%②運動具有可逆性。正逆效率基本一樣③系統(tǒng)剛度好。能預(yù)緊，無爬行④傳動精度高。制造精度高⑦工藝復(fù)雜。成本高⑥不能自鎖。因重力而下滑⑤使用壽命長。磨損小，比滑動高5-6倍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，如圖所示。帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應(yīng)齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運動和動力。與一般帶傳動相比較，同步帶傳動具有如下特點：同步帶傳動特點①能方便地實現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動；②工作平穩(wěn)，能吸收振動；③不需要潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護(hù)保養(yǎng)方便；④強(qiáng)度高，厚度小，重量輕；⑤中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高；⑥制造工藝復(fù)雜，成本高。諧波齒輪傳動工作原理主要組成元件工作過程實用產(chǎn)品工作波形諧波齒輪傳動優(yōu)點①傳動比大。單級50-5000,最高可達(dá)30000以上②承載能力大。同時嚙合齒數(shù)有30%--40%③傳動精度高。嚙合齒數(shù)多，誤差均化④可以向密封空間傳遞運動或動力。⑤傳動平穩(wěn)。無沖擊振動⑥傳動效率高。單級在69%-96%⑦結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。諧波齒輪傳動用于機(jī)器人、雷達(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡、電子儀器、儀表等的大傳動比傳動機(jī)構(gòu)中缺點①柔輪和波發(fā)生器制造復(fù)雜。②傳動比下限值較高。③不能做成交叉軸和相交軸的結(jié)構(gòu)。5.如何消除滾珠絲杠副的軸向間隙？雙螺母預(yù)緊（F預(yù)〈Fmax/3）。常用的消除軸向間隙的方法有以下幾種：雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)隙式。雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)隙式。雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)隙式。彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式。分析計算題如圖已知齒輪1的齒數(shù)Z1=25，轉(zhuǎn)動慣量J1=0.0003Kg.m2，齒輪2的齒數(shù)Z2=50，轉(zhuǎn)動慣量J2=0.0048Kg.m2，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J3=0.003Kg.m2，絲杠螺距P=10mm，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量JM=0.0016Kg.m2,工作臺質(zhì)量m=100Kg,驅(qū)動系統(tǒng)總效率為0.8,工作臺與導(dǎo)軌面的摩擦系數(shù)為0.02,不考慮切削阻力,電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速500r/min的啟動加速時間為50ms。試求此系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效力矩電機(jī)工作臺mZ1J1Z2J2J3等效轉(zhuǎn)動慣量的計算系統(tǒng)由有m個轉(zhuǎn)動件和n個移動件組成，等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為：式中：Ji為第i個轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2

）；ni為其轉(zhuǎn)速；nk為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；vj為第j個移動件的移動速度（m/min）；mj為其質(zhì)量（Kg）由題意已知，有齒輪1，2，絲杠三個轉(zhuǎn)動件，工作臺一個移動件。而且已知各自的轉(zhuǎn)動慣量齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量J1=0.0003Kg.m2，齒輪2轉(zhuǎn)動慣量J2=0.0048Kg.m2，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J3=0.003Kg.m2。由齒輪1的齒數(shù)Z1=25，齒輪2的齒數(shù)Z2=50，可以得到總的等效轉(zhuǎn)動慣量為：(2)加速力矩Ta阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5(N)等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M)齒輪減速機(jī)構(gòu)級數(shù)越多，等效力矩越小。分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機(jī)理。兩種特性利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾。輸入端為高電平，使二極管發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，從輸出端輸出高電平；輸入端為低電平，使二極管截止，使光敏三極管截止，從輸出端輸出低電平。作用機(jī)理輸入端和輸出端沒有直接的電的耦合（沒有公共的電源端和地端），而是靠光來耦合，其傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。

簡述數(shù)字量輸出通道的功能及其常用的輸出驅(qū)動電路。功能把計算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動信號。常用的輸出驅(qū)動電路三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。對比分析說明三極管輸出驅(qū)動與繼電器輸出驅(qū)動的異同點。使用場合：

低壓小電流開關(guān)量

輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。（一）三極管驅(qū)動電路CPU數(shù)據(jù)線D＝“0”，經(jīng)反相器后變?yōu)椤?”，三極管導(dǎo)通。經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di＝“1”時，經(jīng)7406反相驅(qū)動器變?yōu)椤?”，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅(qū)動大型負(fù)荷設(shè)備。由于繼電器線圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護(hù)驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。（二）.繼電器驅(qū)動電路相同點：數(shù)字量輸出驅(qū)動電路，靠數(shù)字量進(jìn)行開關(guān)控制。不同點：適用場合不一樣三極管：低壓小電流場合繼電器：弱電控制強(qiáng)電，驅(qū)動電路的控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。需要續(xù)流回路。1.晶閘管驅(qū)動電路圖3-36雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”時，經(jīng)7406反相變?yōu)榈碗娖?，光耦二極管導(dǎo)通，使光敏晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而驅(qū)動大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。續(xù)續(xù)續(xù)對比分析說明晶閘管輸出驅(qū)動與固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路的異同點。2固態(tài)繼電器驅(qū)動電路Di=“0”時，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖剑筃PN型三極管導(dǎo)通,SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。圖3-38固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路相同點：數(shù)字量輸出驅(qū)動電路，靠數(shù)字量進(jìn)行開關(guān)控制；無觸點開關(guān)；弱電控制強(qiáng)電（小功率驅(qū)動大功率）不同點：晶閘管不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。固態(tài)繼電器本身帶有光電耦合電路，不需要采用隔離措施，而且其輸出驅(qū)動電路中要考慮增加阻容吸收組件，進(jìn)行過電壓和過電流保護(hù)。功率接口器件的區(qū)別繼電器：頻率低，過載能力強(qiáng)，有隔離干擾作用，但本身容易產(chǎn)生火花；適用于高電壓大電流負(fù)載，不能與CPU直接相連，需要加隔離措施大功率三極管，晶閘管：頻率高，過載容易損壞，容易對周圍產(chǎn)生干擾；大功率三極管適用于低電壓小電流的負(fù)載，晶閘管適用于高電壓大電流負(fù)載，不能與CPU直接相連，需要加隔離措施固態(tài)繼電器：頻率高，抗干擾能力強(qiáng)，體積大。適用于高電壓大電流負(fù)載。

串模干擾是指迭加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。

對串模干擾的抑制較為困難，因為干擾Un直接與信號Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。一、串模干擾的抑制何謂串模干擾？何謂共模干擾？分別說明抑制其干擾的主要措施。

共模干擾是指控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓。共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。共模干擾電壓的抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離兩個地之間的電聯(lián)系，以及采用被測信號的雙端差動輸入方式。變壓器隔離光電隔離浮地屏蔽二、共模干擾的抑制1．變壓器隔離利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計算機(jī)的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。

圖3-70變壓器隔離2．光電隔離最常用。在數(shù)字信號通道中進(jìn)行隔離。主要用在模擬量輸入輸出通道中，即在A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號之間插入光耦隔離器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)信號和控制信號的耦合傳送

圖3-71光電隔離器的數(shù)字信號隔離浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少，從而抑制了共模干擾的來源，使共模干擾降至很低，圖3-73給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。3．浮地屏蔽（a）原理框圖（b）等效電路圖3-73浮地輸入雙層屏蔽放大電路畫圖說明光柵莫爾條紋的形成原理，并簡述其主要優(yōu)點。將標(biāo)尺光柵和指示光柵重疊在一起，并使它們的刻線之間形成一個很小的交角，如圖4-7所示，由于遮光效應(yīng)，在黑色光柵相交處，刻線聚集較密，形成暗帶；其他地方刻線較稀，形成亮帶。這種在光柵垂直方向上出現(xiàn)的明暗相間