1、第一章1、机电一体化含义：机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。2、共性关键技术：检测传感技术，信息（信息处理）技术，自控控制技术，伺服驱动技术，精密机械技术，系统总体技术。机电一体化技术内部联系与外部影响（下图）3、构成要素：机械系统(机构) 构造骨骼、电子信息处理系统(计算机)控制（信息存储、处理、传送）大脑、动力系统(动力源)提供动力（能量）内脏、传感检测系统(传感器)计测（信息收集与变换）感官、执行元件系统(如电动机)驱动（操作）肌肉4、功能构成： 根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、
2、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。 “目的功能”：（1）变换(加工、处理) 功能；（2）传递(移动、输送)功能；（3）储存(保持、积蓄、记录)功能。 5、系统的五种内部功能：主功能、动力功能、计测功能、控制功能、构造功能。6、系统构成要素的相互连接接口：（1）变换、调整功能，可将接口分成以下四种：1)零接口（输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆） 2)无源接口（齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器、透镜） 3)有源接口（电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A 转换器、A/D 转换器、力矩变换器） 4)智能接口（自动变速装置， 通用输入输出
3、 LSI(8255等通用 I/O)、GP-IB 总线、STD 总线） ；（2）输入输出功能，分成以下四种广义接口：1机械接口 2）物理接口 3）信息接口 4）环境接口 7、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：1)机电互补法：机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。如用PLC 或微型计算机来取代机械式变速机构、凸轮、离合器等。2) 结合( 融合)法：是将各组成要素有机结合为一体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。如激光打印机的主扫描机构激光扫描镜，其扫描镜转轴就是电动
4、机的转子轴。3)组合法：是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品） 。如工厂中的一些工业机器人的各自由度（伺服轴）的执行元件、运动机构等组成的功能部件（子系统） ，可用于不同的关节，组成机器人的回转、伸缩、俯仰等功能模块系列。第二章1、对机械系统的要求：为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。采取措施：1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；2) 缩短传动链，提高传动与支承刚度；3)选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提
5、高加速能力；4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施；5)改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。 传动间隙的影响：齿隙的存在对于工作在可逆运转的传动装置造成了空程误差（回差） 。此时，输入输出的单值线性关系变化为具有滞形环的非单值的非线性关系。1）闭环之外的齿轮的齿隙对系统稳定性无影响,但影响伺服精度。2）闭环之内传递动力的齿轮的齿隙对系统静态精度无影响,这是因为控制系统有自动校正作用。3）反馈回路上数据传递齿轮的齿隙既影响稳定性,又影响精度。 调整：改变相互啮合的两齿轮的中心距或者增加某一齿轮的齿厚。1）圆柱齿轮传动机构 a）偏心轴套调整法 b）错齿调整
6、法； 2）斜齿轮传动机构 a）垫片调整法 b）轴向压簧调整法； 3）锥齿轮传动机构 a）轴向压簧调整法 b）周向弹簧调整法2、机械系统的分类：（1）传动机构：其主要功能是传递转矩和转速，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。 （2）导向机构：其作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其待定方向的运动提供保障。 （3）执行机构：它是用以完成操作任务的。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。3、丝杆螺母机构：主要构成组成：丝杆、丝杆螺母和减摩介质或滚动体（回珠
7、装置） ；功能：实现回转体运动与直线运动之间相互转换或调整；作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的传递；分类：滑动和滚动丝杆螺母机构。丝杆螺母机构传递运动的基本条件：1）滑动丝杆螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑、热胀冷缩空间，因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝杆螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作，因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需要滚珠的回珠装置（内或外） 。4、最佳传动比的确定：1）公式推导：Jm电动机M 的转子的转动惯量；m电动机 M 的角位移；JL负载 L 的转动惯量；L负载 L 的角位移；
8、TLF 摩擦阻抗转矩；i齿轮系 G 的总传动比。根据传动关系有 ， 电动.Lm.,机的角位移、角速度、角加速度； 负载的.角位移、角速度、角加速度；TLF 换算到电动机轴上的阻抗转矩为 TLF / i ；JL 换算到电动机轴上的转动惯量为 JL/i2。 设 Tm 为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta 为 上式中若)()(2.2.LmPLmFaJiTiJT改变总传动比 i，则 也随之改变。根据载角加速度最.大的原则，令 ，则解得0/dL若不计摩擦，即 ，则mPmJTi2)(0LF总结：得到传动装置总传动比 i 的Li或最佳值的时刻就是 JL 换
9、算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量 Jm 的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。2）各级传动比的最佳分配原则：重量最轻原则；输出轴转角误差最小原则；等效转动惯量最小原则。5、运动的灵活性和低速运动的平稳性：工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动。导轨的爬行：在低速运行时(如 0.05mmmin)，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停。 （导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段，动摩探系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩
10、擦系数才随相对速度的减小而增加。 ）主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。第三章1、伺服系统的结构组成：如入指令比较元件 调节元件执行元件 被控对象输出量；被控对象测量、反馈元件比较元件2、直流伺服电动机：1）直流伺服电动机运行特性的一般表达式： 如果把角速度 看meaTCRU2作是电磁转矩 Tm 的函数，即 =f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为如果把角速度 看作是电枢电压mea20U
11、a 的函数，即 =f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式 ,Tm0，得空载角速度；meaKTCU0，得启动转矩。如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。机械特性越硬，电动机的负载能力越强。2）内阻、负载、摩擦的影响：功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻；由于负载的变动将导致调节特性的非线性，当电枢电压Ua 增加时，直流伺服电动机角速度 的变化率越来越小；如果系统开始处于静止状态，当输入轴以一定的角速度转动时,由于静摩擦力矩 T 的作
12、用,在 i|Ts/K|范围内,输出轴将不会运动, i 值即为静摩擦引起的传动死区。在传动死区内,系统将在一段时间内对输入信号无响应,从而造成误差。当输入轴以恒速 继续运动,在 i|Ts/K|后,输出轴也以恒速 运动 ,但始终滞后输入轴一个角度 ss 。3、脉宽调制（PWM）：当输入一个直流控制电压 U 时就可得到一定宽度与 U 成比例的脉冲方波来给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而得到不同大小的电压值 Ua，使得直流电动机平滑调速。设开关 S 周期性闭合、断开，闭开的周期是 T。在一个周期内闭合时间是 ，断开时间是T- ，若外加电压 U 为常数，则电源加到电
13、动机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为 U，宽度为，则一个周期内电压的平均值为：式中， 为导通率，又称占dta01空系数。当 T 不变时，只要连续地改变占空比，就可以连续地使得 Ua 从 0 变化到 U，从而达到连续改变电动机转速的目的。为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电桥由四个大功率晶体管 VT1VT4 组成。如果在 VT1 和 VT3 的基极上加以正脉冲的同时，在 VT2 和 VT4 的基极上加负脉冲，这时 VT1 和 VT4 导通，VT2 和 VT4 截止，电流沿+90VcVT1dMbVT3a0V 的路径流通。设此时电动机的转向为正
14、向。反之，如果在晶体管 VT1和 VT3 的基极上加负脉冲，在 VT2 和 VT4 的基极上加正脉冲，则 VT2 和 VT4 导通，VT1 和 VT3 截止，电流沿+90VcVT2bMdVT4a0V 的路径流通，电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显然，如果改变加到 VT1 和 VT3、VT2 和 VT4 这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速。4、步进电动机：1）步距角360(z m)【式中 z转子齿数，m运行拍数】2）当失调角 在- 到 的范围内，若去掉负载转矩e，转子仍能回到初始稳定平衡位置。因此，-LT= ，qq查 / 与相对、通电方式之关系可知，qmaxj/ =0.87， =0.87 =6.83N.m。因为 Taxj= ，故可选用。2）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机）预选电动机的估算功率可由下式确定 )(5.9)(maxaxWTnJTPmeq过热验算：当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩，在电动机磁通近似不变时，有：不过热条件.21tdxeq 5.9/)(,NeqdssnP（b）过载验算：应使得瞬时最大负载转矩与电动机的额定转矩的比值不大于某一系数，即 mkTax4、 5、
