【正文】 變換，變換后的數(shù)字信號才能為計算機接收和處理。在一般工業(yè)生產(chǎn)自動控制中大都采用渦流式或電容式接近傳感器。 因此、它只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。圖所示為永磁式測速機原理電路圖。 感應(yīng)同步器 在兩個相對放置的板上刻有如圖所示的繞組，當(dāng)在滑尺的兩個繞組中分別加上激勵電壓時，則在定尺繞組中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其幅值決定于繞組的相對位置。鐵心處在中間位置時，輸出不為零。 應(yīng)用： 可用于動態(tài)非接觸測量。 金屬板置于一線圈附近，相互間距為 ?。 圖中兩平行極板固定不動 ， 極距為 ， 相對介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中 ， 從而改變電容 。 此外，要求體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等。 綜上所述，滾動導(dǎo)軌副應(yīng)達(dá)到的基本要求： 高的導(dǎo)向精度 、 高的耐磨性 、 足夠的剛度 、 良好的工藝性 。 按滾道截面形狀 —— 平面導(dǎo)軌、三角形導(dǎo)軌、圓弧形（或鋼絲滾道）導(dǎo)軌等。 （ 3） 導(dǎo)軌副材料的選擇 導(dǎo)軌副材料選擇的基本要求： 導(dǎo)軌副材料應(yīng)具有高的耐磨性、減振性、熱穩(wěn)定性以及易于生產(chǎn)制造。 （ 2）常見導(dǎo)軌副組合與間隙調(diào)整、特點 特點： 兩導(dǎo)軌磨損均勻，能自動補償垂直和水平方向下磨損，接觸剛度好，導(dǎo)向和精度保持性高，但工藝性差，熱敏感性較大。為防止因振動或傾翻載荷引起兩導(dǎo)向面較長時間脫離接觸，應(yīng)有輔助導(dǎo)向面并具備間隙調(diào)整能力。 （ 3） 導(dǎo)軌副的設(shè)計內(nèi)容與步驟 1） 依據(jù)導(dǎo)軌副使用的工作條件，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。 耐磨精度保持性 ——摩擦副正常磨損階段特性。 2）導(dǎo)軌的剛度要求 導(dǎo)軌的剛度（要求） ： 導(dǎo)軌抵抗外載荷的能力，從而不影響導(dǎo)向部件的導(dǎo)向精度（運動精度）。 在高精度導(dǎo)軌副中，可采用卸荷裝置等方法減小導(dǎo)軌面的承載載荷，提高導(dǎo)向精度。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點的傳動零件。 （ 6） 滾珠絲杠副的選擇方法 1） 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)形式確定 依據(jù)預(yù)緊條件和防塵條件決定滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)形式。 消除和減小絲杠軸向間隙的主要方法： 主要分為 雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整、雙螺母墊片式預(yù)緊調(diào)整、雙螺母齒差式預(yù)緊調(diào)整、彈簧式自動預(yù)緊調(diào)整、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊調(diào)整 四種方式。 7） 不能自鎖 。 滾珠絲杠副的傳動效率 η＝ ～ ， 比常規(guī)的絲杠螺 母副提高 3～ 4倍 。 （ 2）絲杠螺母機構(gòu)傳遞運動的基本條件 1）滑動絲杠螺母機構(gòu)傳遞運動基本條件： 應(yīng)有足夠的滑移間隙和充分地潤滑，熱脹冷縮補償空間；因而，存在一定的空回間隙。裝配時，將墊片厚度增加或減少 Δt，然后再用螺母擰緊。 第二節(jié) 機械傳動裝置 1 齒輪 2 同步齒形帶傳動 3 滾珠絲杠 4 滾珠花鍵 5 諧波齒輪減速器 提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施 提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施有： (1)適當(dāng)提高零部件本身的精度； (2)合理設(shè)計傳動鏈，減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響 〔 3)采用消隙機構(gòu)．以減少或消除空程。機械的主要功能是完成機械運動，一部機器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機械運動。 該方法是改造舊產(chǎn)品 、開發(fā)新產(chǎn)品 或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法 ,也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法 。機電一體化系統(tǒng)中主要采用 工業(yè)控制機 （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，分布式計算機測控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。 （ 4）用電子裝置替代機械的主功能，形成特殊的加工能力。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 機電一體化構(gòu)成要素 目 錄 緒論 機械系統(tǒng)設(shè)計 傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計 控制電動機及其選擇計算 工業(yè)控制計算機及接口設(shè)計 應(yīng)用舉例 緒 論 第一節(jié) 機電一體化概念 一、機電一體化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 機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)的機械電子裝置（產(chǎn)品）。例如，電火花加工機床、線切割加工機床、激光加工機床等。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 。 2. 整體設(shè)計法 整體設(shè)計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計 。每個機械運動可由單獨的控制電機、傳動件和執(zhí)行機構(gòu)組成的若干個子系統(tǒng)來完成，若干個機械運動由計算機來協(xié)調(diào)與控制。 合理設(shè)計傳動鏈方法 (1)合理選擇傳動型式 (2)合理確定級數(shù)和分配各級傳動比 (3)合理布置傳動鏈 合理確定級數(shù)和分配各級傳動比 合理布置傳動鏈 齒輪傳動間隙的消除措施 由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動變向狀態(tài)，反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隙，就會使進(jìn)給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅(qū)動精度。這時兩齒輪的螺旋線就產(chǎn)生了錯位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。 a) 螺母 固定、絲桿轉(zhuǎn)動并移動特點：結(jié)構(gòu)簡單、傳動精度較高、螺母支承絲桿可消除附加軸向竄動，剛性較差特點：結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較高、要限制螺母轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置b) 絲桿 轉(zhuǎn)動，螺母移動c) 螺母 轉(zhuǎn)動、絲桿移動特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、站用空間較大、傳動時需限制螺母移動和絲桿轉(zhuǎn)動 但使用不方便，故應(yīng)用較少。 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。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、預(yù)緊可靠、調(diào)整方便，但無法定量調(diào)整。 單圓弧螺紋滾道的單螺母絲杠副 ——以動力傳動為主 ， 允許傳動存在一定間隙 ， 且垂直安裝 。 承載能力計算與滾珠絲杠副型號選擇 在最大靜載荷和動載荷條件下，進(jìn)行彎曲強度、接觸應(yīng)力強度、疲勞強度等驗算，綜合決定選擇滾珠絲杠副型號。 同步帶傳動的優(yōu)缺點： ? 工作時無滑動，有準(zhǔn)確的傳動比 ? 傳動效率高，節(jié)能效果好 ? 傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊 ? 維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低 ? 惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作 同步帶傳動與類型 導(dǎo)向支承部件的選擇與設(shè)計 導(dǎo)軌支承部件的作用 ： 支承和限制運動部件按給定運動規(guī)律要求和規(guī)定運動方向作直線或回轉(zhuǎn)運動。 1）導(dǎo)向精度要求及影響因素 導(dǎo)向精度（要求）： 指動導(dǎo)軌沿給定方向作直線運動時應(yīng)保證的準(zhǔn)確程度，主要是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。 油膜厚度和油膜剛度。 通常分為：靜剛度 —— 抵抗恒定載荷的能力。 耐磨精度失效特性 ——摩擦副劇烈磨損階段特性。 2） 選擇導(dǎo)軌副的截面形狀，保證導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。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、維修困難。主要用于高精機床。 導(dǎo)軌副材料選用與組合： 常用鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料。 按滾動體的循環(huán)方式 ——非循環(huán)導(dǎo)軌和循環(huán)導(dǎo)軌。 （ 1）直線運動滾動導(dǎo)軌副 1） 滾動體循環(huán)工作方式的基本工作原理 組成： 動導(dǎo)軌、滾動體與隔離元件組成動導(dǎo)軌副，并在定導(dǎo)軌副上移動。 三、傳感器特性： 靜態(tài)特性： 線性度 ：傳感器實際特性曲線與擬合直線之間的偏差 靈敏度 ：輸出變化對輸入變化的比值 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試時所得特性曲線的不重合程度 動態(tài)特性：傳遞函數(shù)、時間響應(yīng)函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)。 應(yīng)用： 這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式 ， 可以用來測量紙張 、 絕緣薄膜等的厚度 ，也可以用來測量糧食 、 紡織品 、 木材或煤等非導(dǎo)電固體的物質(zhì)的濕度 。當(dāng)線圈中有高頻交流電流通過時，便產(chǎn)生磁通 ?。用作渦流式位移計、振動測量儀、無損探傷儀、測厚儀等。 解決辦法： 后接電路。 光電編碼器 將機械轉(zhuǎn)動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字電信號，進(jìn)行角位移檢測的傳感器稱為編碼器。 恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，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。位置傳感器分 接觸式和接近式 兩種。在環(huán)境比較好的場合，可采用光電式接近傳感器。 當(dāng)模擬信號送到模數(shù)變換器時．為減少轉(zhuǎn)換誤差．一般希望送來的模擬信號盡可能大，如采用 A／ D變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，在 A／ D輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號盡可能達(dá)到最大值； 然而，當(dāng)被測參量變化范圍較大時，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號變化也較大，在這種情況下、如果單純只使用一個放大倍數(shù)的放大器，就無法滿足上述要求；在進(jìn)行小信號轉(zhuǎn)換時，可能會引入較大的誤差。 (3)工作壓力低．可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。 (4)工作壓力較低，不易獲得大的推力。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，其通電順序為 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 15。 ， 系統(tǒng)規(guī)定的縱向步進(jìn)當(dāng)量 ι=， 計算步進(jìn)電動機與縱向絲杠之間的聯(lián)接傳動比 。 應(yīng)用 ：記錄儀，空調(diào)機。由于二極管 VD1的作用，使繞組只加上高電壓 U1，繞組的電流很快達(dá)到規(guī)定值。 步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)是靠給各相勵磁線圈通電順序變化來實現(xiàn)的。 （ 3）根據(jù)步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩頻特性。由于轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場始終正交，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。同時，在 比較器 的輸入端還加入一個調(diào)零電壓 v0，當(dāng)控制電壓 vIN為零時，調(diào)節(jié) vo使比較器的輸出電壓為正、負(fù)脈沖寬度相等的方波信號，如圖 4— 19(a)所示。 用于自動焊機中保持電弧長度穩(wěn)定，其原理如圖 4— 34所示。變頻器還有豐富的軟件，各種功能主要靠軟件來完成。就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需的功率。 機床專用變頻器 ：用于機床主軸傳動控制，以滿足工藝上要求得大加減速轉(zhuǎn) 矩，寬廣的恒功率控制及高精度的定位控制，提高機床自動化。 在低速范圍內(nèi) ， 應(yīng)考慮電動機的溫升情況 ， 是否需加裝風(fēng)扇給電動機散熱 。恒壓供水系統(tǒng)的控制原理圖如圖 414所示。 可靠性強，適于工業(yè)環(huán)境。 單板機 單片機 單片機系統(tǒng)構(gòu)成 單片機特點 受集成度的限制，片內(nèi)存儲器容量較小。23+d221+d0 易擴展。 功能完善。 在本系統(tǒng)主電路中 ， 變頻器的前端加入空氣斷路器與快速熔斷器進(jìn)行前端過電流保護與短路保護 ， 以避免變頻器整流部分的損壞 。 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實例 ABB變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 恒壓供水是指不論用戶端水量大小 ， 總保持管網(wǎng)水壓基本恒定 。 高頻變頻器 ：用于超精密加工、高速電動機。 Pm=(～ )TLrnLr/159η (2)發(fā)熱校核 TN≥TLr tdtTTTTtLFLaLLr? ??? 02)((3)轉(zhuǎn)矩過載校核 (TL)max≤(Tm)max過載轉(zhuǎn)矩 (Tm)max=λTn額定力矩 1）慣量較小的系統(tǒng) 1Jl/Jm3 2）慣量較大的系統(tǒng) ≤Jl/Jm≤1 變頻器種類 通用變頻器 ：節(jié)能，節(jié)電 20%，用于壓縮機、泵、攪拌機、擠壓機等； 提高控制性能實現(xiàn)自動化，用于運輸機械、起重機等。 PAM控制是 Pulse Amplitude Modulation（ 脈沖振幅調(diào)制 ） 控制的簡稱； PWM控制是 Pulse Width Modulation（ 脈沖寬度調(diào)制 ） 控制的簡稱 ， 是在逆變電路部分同時對輸出電壓 （ 電流 ） 的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式 。為保證焊接質(zhì)量，要求自動焊機在整個焊接過程中能夠自動調(diào)節(jié)電弧長度，使電弧穩(wěn)定地燃燒。 第四節(jié) 交流伺服電動機 與普通直流伺服電動機相比較， 普通交流伺服電動機的特點是：它不需要電刷和換向器，因而避免了由于存在電刷和換向器而引起的一系列弊病。對驅(qū)動電路一般要求 頻帶寬、效率高、能量能回授 等。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件還是獲得了廣泛的應(yīng)用。 在通電脈沖內(nèi)使勵磁線圈的電流能快速建立，而在斷電時電流能快速消失。 不足之處是 在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹 ， 影響電動機運行的平穩(wěn)性 。 特點 ：步距角小，工作頻率高，控制功率小。當(dāng) i為小數(shù)時，則可采用掛輪。 對于圖 61所示的單定子 、 徑向分相 、 反應(yīng)式步進(jìn)電動機 ， 當(dāng)它以三相三拍通電方式工作時 ， 其步距角為 ?=360/3 4