【正文】 造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方法 。 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動(dòng)控制技術(shù)主要包括 位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用 工業(yè)控制機(jī) （包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。 現(xiàn)代機(jī)械要求具有 更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更好。 （ 4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。 （ 2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化構(gòu)成要素 目 錄 緒論 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口設(shè)計(jì) 應(yīng)用舉例 緒 論 第一節(jié) 機(jī)電一體化概念 一、機(jī)電一體化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 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（產(chǎn)品）。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無(wú)刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床等。 在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械系統(tǒng)時(shí)除了考慮 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度及熱變形 等問(wèn)題外，還應(yīng)考慮采用 新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工藝裝置 。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的 速度、可靠性和智能化程度 。 5 伺服傳動(dòng)技術(shù) 伺服傳動(dòng)包括 電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓 等各種類型的傳動(dòng)裝置常見(jiàn)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有 電氣伺服（如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 等）和 液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸 等）兩類。 2. 整體設(shè)計(jì)法 整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì) 。 第三節(jié) 機(jī)電一體化發(fā)展方向 一、機(jī)電一體化特點(diǎn) 體積小，重量輕 速度快，精度高 可靠性高 柔性好 二、發(fā)展方向 復(fù)合化 小型化，輕量化 高速化 移動(dòng)化 智能化 層次化和系統(tǒng)化 全盤(pán)化 總之，性能上 :向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展 。每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可由單獨(dú)的控制電機(jī)、傳動(dòng)件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的若干個(gè)子系統(tǒng)來(lái)完成，若干個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)與控制。但定位精度降低，易產(chǎn)生爬行；穩(wěn)態(tài)誤差大，精度降低。 合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈方法 (1)合理選擇傳動(dòng)型式 (2)合理確定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比 (3)合理布置傳動(dòng)鏈 合理確定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比 合理布置傳動(dòng)鏈 齒輪傳動(dòng)間隙的消除措施 由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度。裝配時(shí)只要改變墊片 3的厚度就能調(diào)整兩個(gè)齒輪的軸向相對(duì)位置，從而消除了齒側(cè)間隙。這時(shí)兩齒輪的螺旋線就產(chǎn)生了錯(cuò)位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。 功能：實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)之間相互轉(zhuǎn)換或調(diào)整。 a) 螺母 固定、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)精度較高、螺母支承絲桿可消除附加軸向竄動(dòng)，剛性較差特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較高、要限制螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置b) 絲桿 轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)c) 螺母 轉(zhuǎn)動(dòng)、絲桿移動(dòng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、站用空間較大、傳動(dòng)時(shí)需限制螺母移動(dòng)和絲桿轉(zhuǎn)動(dòng) 但使用不方便，故應(yīng)用較少。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái)，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動(dòng)。 因此 ， 功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的 1/4～ 1/3。 5） 磨損小 ， 使用壽命長(zhǎng) 。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。 雙圓弧滾道 ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在軸向間隙，加工質(zhì)量易于保證，在使用雙螺母結(jié)構(gòu)的條件下，具有軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，傳遞精度高。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可靠、調(diào)整方便，但無(wú)法定量調(diào)整。b) 雙 螺母墊片預(yù)緊調(diào)整特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可靠、滾珠絲杠的間隙調(diào)整與預(yù)緊 滾珠絲杠副的潤(rùn)滑與密封 潤(rùn)滑： 主要有脂潤(rùn)滑和滴油潤(rùn)滑。 單圓弧螺紋滾道的單螺母絲杠副 ——以動(dòng)力傳動(dòng)為主 ， 允許傳動(dòng)存在一定間隙 ， 且垂直安裝 。 滾珠絲杠副的標(biāo)注方法 — — 循環(huán)方式 預(yù)緊方式 公稱直徑 基本導(dǎo)程 負(fù)荷滾珠總?cè)?shù) 精度等級(jí) 螺紋旋向 浮動(dòng)式 F 雙螺母齒差預(yù)緊 C 內(nèi)循環(huán) 雙螺母墊片預(yù)緊 D 固定式 G 預(yù)緊方式 雙螺母螺紋預(yù)緊 L 單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊 B 插管式 C 外循環(huán) 螺旋槽式 L 螺旋旋向?yàn)樽?、右旋，只?biāo)左旋代號(hào)為 LH，右旋不標(biāo)。 承載能力計(jì)算與滾珠絲杠副型號(hào)選擇 在最大靜載荷和動(dòng)載荷條件下，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度、接觸應(yīng)力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等驗(yàn)算，綜合決定選擇滾珠絲杠副型號(hào)。 剛度驗(yàn)算 結(jié)構(gòu)剛度（支承方式相關(guān)）和接觸剛度（導(dǎo)軌滾道）。 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)： ? 工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 ? 傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好 ? 傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊 ? 維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低 ? 惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作 同步帶傳動(dòng)與類型 導(dǎo)向支承部件的選擇與設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌支承部件的作用 ： 支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求和規(guī)定運(yùn)動(dòng)方向作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （ 2） 常見(jiàn)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)形式 導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，依據(jù)不同的要求可設(shè)計(jì)或選用不同形式的導(dǎo)軌副。 1）導(dǎo)向精度要求及影響因素 導(dǎo)向精度（要求）： 指動(dòng)導(dǎo)軌沿給定方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)保證的準(zhǔn)確程度，主要是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度或圓度。 導(dǎo)向精度（直線度）和接觸精度（平面度和接觸面積）。 油膜厚度和油膜剛度。 導(dǎo)軌和機(jī)架的熱變形（熱敏感性）。 通常分為：靜剛度 —— 抵抗恒定載荷的能力。 3）精度保持性要求（耐磨性） 精度保持性要求： 指導(dǎo)軌副表面的耐磨性（耐磨能力）應(yīng)達(dá)到導(dǎo)軌面的使用壽命要求。 耐磨精度失效特性 ——摩擦副劇烈磨損階段特性。 5）溫度敏感性和結(jié)構(gòu)工藝性要求 溫度敏感性 —— 指導(dǎo)軌在環(huán)境溫度和導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱的影響下，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)靈活性、平穩(wěn)性、導(dǎo)向精度產(chǎn)生變化的反映程度。 2） 選擇導(dǎo)軌副的截面形狀，保證導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。 6） 制定必要的技術(shù)條件（關(guān)重件的制造工藝規(guī)范、裝配調(diào)整技術(shù)條件、檢測(cè)驗(yàn)收技術(shù)條件、使用維護(hù)操作規(guī)范、維修維護(hù)工藝流程與規(guī)范等）。但存在導(dǎo)軌水平與垂直誤差的相互影響，為保證高的導(dǎo)向精度（直線度），導(dǎo)軌面加工、檢驗(yàn)、維修困難。由于導(dǎo)軌在水平和垂直面位置互不影響，因而在水平和垂直兩方向均須間隙調(diào)整裝置，安裝調(diào)整方便。主要用于高精機(jī)床。 L1L1 L13 輔助導(dǎo)向面2 導(dǎo)向面 2 1 3 32 11 承載面3）三角形導(dǎo)軌與矩形或平面導(dǎo)軌組合 特點(diǎn)： 兼有三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向精度好、矩形導(dǎo)軌制造方便、剛性好的優(yōu)點(diǎn)，可避免熱變形產(chǎn)生的配合間隙變化；但是，存在兩導(dǎo)軌導(dǎo)向平面磨損不均并使導(dǎo)軌產(chǎn)生位置變化；另外，兩導(dǎo)軌的摩擦阻力不同，因而布置驅(qū)動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與兩摩擦阻力的和力同向?yàn)橐恕? 導(dǎo)軌副材料選用與組合： 常用鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料。 1） 采用鑲裝導(dǎo)軌 2）提高導(dǎo)軌精度、改善導(dǎo)軌表面粗糙度、采取合理的潤(rùn)滑措施 3） 減少導(dǎo)軌單位面上的壓力（比壓）、采用必要的卸荷裝置 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的類型與選擇 組成： 帶溝槽的靜導(dǎo)軌和動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)體以及滾動(dòng)體隔離元件等組成。 按滾動(dòng)體的循環(huán)方式 ——非循環(huán)導(dǎo)軌和循環(huán)導(dǎo)軌。 4） 滾動(dòng)體與滾道為點(diǎn)或線接觸，接觸應(yīng)力較大，抗振性較差。 （ 1）直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副 1） 滾動(dòng)體循環(huán)工作方式的基本工作原理 組成： 動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)體與隔離元件組成動(dòng)導(dǎo)軌副，并在定導(dǎo)軌副上移動(dòng)。 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選用原則： 依據(jù)傳動(dòng)部件的 承載能力、導(dǎo)向精度、耐磨性、剛度（結(jié)構(gòu) /接觸）、工藝性 等要求。 三、傳感器特性： 靜態(tài)特性： 線性度 ：傳感器實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差 靈敏度 ：輸出變化對(duì)輸入變化的比值 遲滯性 ：在正反行程期間輸入 — 輸出特性曲線不重合程度 重復(fù)性 ：輸入量按同一方向多次測(cè)試時(shí)所得特性曲線的不重合程度 動(dòng)態(tài)特性：傳遞函數(shù)、時(shí)間響應(yīng)函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)。 這種傳感器的輸出特性呈線性。 應(yīng)用： 這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式 ， 可以用來(lái)測(cè)量紙張 、 絕緣薄膜等的厚度 ，也可以用來(lái)測(cè)量糧食 、 紡織品 、 木材或煤等非導(dǎo)電固體的物質(zhì)的濕度 。 自感型 （一）可變磁阻式 1—— 線圈 2—— 鐵心 3—— 銜鐵 由此可見(jiàn)：只要 改變空氣隙厚度或改變氣隙截面積 ，即可改變線圈的電感量。當(dāng)線圈中有高頻交流電流通過(guò)時(shí)，便產(chǎn)生磁通 ?。 影響因素： 線圈與金屬板間距離；金屬板的電阻率；磁導(dǎo)率；線圈激磁園頻率等。用作渦流式位移計(jì)、振動(dòng)測(cè)量?jī)x、無(wú)損探傷儀、測(cè)厚儀等。只反映鐵心位移大小，不反映移動(dòng)極性。 解決辦法： 后接電路。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如圖 318所示。 光電編碼器 將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字電信號(hào)，進(jìn)行角位移檢測(cè)的傳感器稱為編碼器。 第三節(jié) 速度、加速度傳感器 一、直流測(cè)速機(jī) 直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是 — 臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。 恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢(shì)。光源發(fā)出的光通過(guò)縫隙圓盤(pán)和指示縫隙照射到光電器件上。位置傳感器分 接觸式和接近式 兩種。其基本工作原理可用圖 3— 38表示出來(lái)。在環(huán)境比較好的場(chǎng)合，可采用光電式接近傳感器。接近傳感器設(shè)置在工件傳送帶的一側(cè)，當(dāng)傳送帶運(yùn)行時(shí)，一個(gè)個(gè)工件經(jīng)過(guò)接近傳感器，當(dāng)工件靠近接近傳感器時(shí)，傳感器輸出脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)可直接送往計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 當(dāng)模擬信號(hào)送到模數(shù)變換器時(shí)．為減少轉(zhuǎn)換誤差．一般希望送來(lái)的模擬信號(hào)盡可能大，如采用 A／ D變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，在 A／ D輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號(hào)盡可能達(dá)到最大值； 然而，當(dāng)被測(cè)參量變化范圍較大時(shí)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號(hào)變化也較大，在這種情況下、如果單純只使用一個(gè)放大倍數(shù)的放大器，就無(wú)法滿足上述要求；在進(jìn)行小信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，可能會(huì)引入較大的誤差。 圖為利用 AD521測(cè)量放大器與模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器，通過(guò)改 變其外接電阻 RG的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制。 (3)工作壓力低．可降低對(duì)氣動(dòng)元件的材料和制造精度要求。 氣壓系統(tǒng)與電氣、液壓系統(tǒng)比較有以下缺點(diǎn)： (1)氣功裝置的信號(hào)傳遞速度限制在聲速范圍之內(nèi)，所以它的工作頻率和響應(yīng)速度遠(yuǎn)不如電氣裝置．并且信號(hào)產(chǎn)生較大失真和延遲，也不便于構(gòu)成十分復(fù)雜的回路。 (4)工作壓力較低，不易獲得大的推力。 1繞組 2定子鐵心 3轉(zhuǎn)子鐵心 圖 61 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理實(shí)際上是 電磁鐵的作用原理 。這種通電方式稱為三相三拍，而通常的通電方式為三相六拍，其通電順序?yàn)?A→AB→B→BC→C→CA→A… 及A→AC→C→CB→B→BA→A… ，相應(yīng)地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 15。 求 : 步進(jìn)電機(jī)的步