机电一体化系统设计考试重点.pdf

第一章 一、定义 机电一体化系统：机电一体化系统是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、控制技术、传感技术等融合而成的一种新技术。其产品是利用该技术设计开发的由机械单元、动力单元、微电子控制单元、传感单元和执行单元组成的单机或系统。二、构成要素 机械单元：本体、传动机构、支承机构、连接机构 动力单元：电、液、气等 传感单元：光、电、流体、机械等 控制单元：计算机、可编程控制器等 执行单元：通过动力单元和传动机构驱动执行构件完成各种动作的装置 三、相关技术 机械技术 信息处理技术 自动控制技术 伺服传动技术 检测传感技术 系统总体技术 第二章 一、主要内容 1、准备技术资料。2、确定性能指标。3、拟定系统原理方案。4、确定系统主体构造方案。5、电路构造方案设计。6、总体布局和环境设计。7、系统简图设计。8、总体方案评价。9、总体设计报告。二、原理方案设计步骤 1、设计任务 2、求解总功能 3、总功能分解 4、求解子功能 5、原理解组合 6、评价及决策 7、最正确原理方案 三、抽象化的目的 抽象化设计是是设计人员在设计过程中暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，突出根本的、必要的要求。这样便于抓住问题核心，同时防止了构思方案狭窄，可以放开视野以寻求更为理想的设计方案。四、构造方案设计和要遵循的原则 1、根本原理 任务分配原则 自动补偿原则 力传递原则 变形协调原则 力平衡原则 等强度原则 稳定性原则 低噪声原则 提高精度原则 2、需要提高精度时的设计原则 运动学原理 平均效应原则 阿贝误差原则 基准重合原则 最短传动链原则 三化系列化、标准化、通用化 第三章 一、动力元件的种类 电气式 液压式 气压式 其他如：压电元件等 二、步进电机工作原理 转子及静子线圈的齿错开小的角度在交变电流产生的磁场作用下产生扭矩。三、动力元件的选择原则及负载特性 1、动力元件的选择原则 分析负载特性要求 分析动力元件的特性 经济性 环境影响 2、负载特性 恒转矩负载特性 恒功率负载特性 负载转矩是转速的函数 负载转矩是行程转角的函数 负载转矩变化无规律 四、相关计算 负载惯量：Jc 电机惯量：Jm 1、1 Jc/Jm 3 小转矩 Jm2 2、0.25 Jc/Jm 1 大转矩 Jm2 3、步距角 360Z*m 式中 Z：转子步数 m：运行指数 4、静态矩角特性：当=90。时静态转矩为最大转矩：Tjmax 动态转矩：工作时输出转矩 T 及输入脉冲频率 f 之间的关系。第四章 一、传动系统的组成要素 变速装置：改变输出转速和转矩 启停换向装置 制动装置 平安保护装置 二、摩擦式离合器的变速机构的安装位置及影响。超速现象：同轴上某条传动链上的转速远高于未参及传动的零件。三、啮合式变速机构原理 四、钢球摩擦离合器 五、带式制动器工作原理受力分析 六、转速图 1、主要参数：轴数、转速级数、传动路线、变速组数、传动顺序、传动副数、传动比、变速规律 3、变速范围：Rn=nmaxnmin Rn=z-1 z：级数 4、级比规律：第一扩大组的级比指数等于根本组传动副数。：根本组级比指数 x0 =1。：任意扩大组的级比指数等于根本组传动副数及各扩大组的乘积。5、构造式：ZP0(x0)P1(x1)式中 Z：变速级数 P0：根本组传动副数 X0：根本组级比指数 P1：第一扩大组传动副数 X1：第一扩大组级比指数 6、计算转速：在动力元件发挥最大动率时，通过传动系统传动输出的最低转速。原因：在过低转速工作时，动力元件处于欠负荷状态，只有当工作转速大于某一值时才能使动力元件满负荷运转 七、转速图的拟定原则 、根本概念 1、根本组：级比指数 x0=1 以实现主轴转速的等比数列变化比不课少的变速组。2、扩大组：级比指数 xi 1 以扩大系统转速输出范围。、拟定原则 1、变速组传动副确实定。2、传动顺序：“前多后少靠近动力端传动副数多，执行端传动副少，尽量根本组在前。3、极限传动比：imax 4 直齿 imin 0.5 斜齿 imin 最大变速范围：直齿 rmax=8 斜齿 rman=10 八、摩擦式无级变速器传动原理。九、齿轮传动的消隙方式 1、直齿 1、偏心套调整法调整中心距 2、双片薄齿轮错齿调隙法 2、斜齿 1、垫片调整法双片薄齿间加轴向距离 2、轴向压簧 3、斜齿 1、轴向弹簧 2、周向弹簧 十、滚珠丝杠的消隙预紧 1、双螺母齿差式预紧 1=1z1 1z2 zs 2、双螺母垫片式预紧 3、双螺母螺纹式预紧 4、双螺母弹簧式预紧 5、单螺母变位导程自锁式预紧 第五章 一、执行系统的分类及特点 1、概念 运动循环图：表达和校核各执行机构间协调及配合。可分为：直线式、圆周式和直角坐标式。执行系统 =执行机构 +执行构件 驱动 执行元件和动力 系统中直接完成 元件之后的局部 工作的零部件 2、分类 动作型 运动动力 动力型 动作动力型 单一型 相互关系 相互独立型 相互联系型 二、执行系统的设计步骤及方法 由于执行机构间的周期性间隔、位移等因素，因此可分为：工作行程、空行程和停歇阶段。总时间为循环周期，有必要在分析功能要求的根底上制定循环图。设计要求 原理设计 运动规律设计 机构形式设计 系统协调设计图 运动简图 尺度设计 运动动力设计 方案评价 运动循环时间同步化：只有时间顺序无空间干预关系。运动循环空间同步化：既具有时间顺序又有空间干预关系。第六章 一、位移检测传感器 机械式微动开关、光栅传感器、感应同步器、旋转编码盘 一、使用要求 2、固有频率 被测信号频率的 5 10 倍 3、构造尺寸满足安装要求以便于安装 4、抗干扰性和可靠性高 5、经济性 二、光栅传感器 1、测量原理 利用光栅的莫尔条纹现象进展测量莫尔条纹方向及刻线方向垂直 位移 电脉冲信号 标尺光栅运动 指示光栅固定 2、条纹特性 1、光栅移动一个栅距 W，条纹也移动 BM，固定检测点上的光强变化一样。2、光栅反向移动，莫尔条纹移动方向随之改变。3、BM B 位移放大作用的放大倍数 K 1 因此：当 W 一定时越小 BM越大 从而栅距虽很小难以观察，莫尔条纹却清晰可见。3、提高精度的措施 1、增加光栅刻线密度。2、对测量信号细分、4、光栅传感器特点：1、精度高 2、可实现动态测量 3、具有一定抗干扰能力，以适应环境、油污，但灰尘会有影响 4、高精度设备本钱高 二、旋转编码器角位移 机械传动模拟量 旋转角度数字信号 1、增量式：1、A、B 两组信号相位相差 90。以区别转向。2、Z 向脉冲：又称为零点脉冲，一周产生一个脉冲用于转数计数。特点：构造简单，体积小，价格廉价易实现原点复位，但可能会因为噪声或外界干扰而产生计数错误。会因为非法停车后排出 4 故障后找不到原先的位置。2、绝对式：转角 相应代码 指示绝对位置 特点：1、坐标值可直接读出，无累积进程误差。2、运转速度可提高。3、具有机械位置存储功能，非法停车后可回原位置。4、构造复杂，制造困难，本钱高。二、速度传感器 测速发电机、光电转速传感器、光电旋转传感器 第七章 一、控制系统根本要求 1、稳定性好 2、精度高 3、快速响应性好 4、其他 二、控制系统设计的根本步骤 1、制定设计任务书 2、确定控制方案 3、硬件设计 4、软件设计 5、系统联调 6、整理编写技术文件 三、控制系统的种类 模拟伺服控制 电气伺服 数字伺服控制 软件伺服控制 电液伺服 四、步进电机 脉冲分配器 电脉冲 1、电源 电机 功率放大器 转角 电脉冲数 频率 五、直流伺服电机的控制方式 调压调速 调磁调速 改变电枢回路电阻 晶闸管可控硅直流驱动控制 晶体管脉宽调速驱动 第八章 一、旋转支承 1、根本要求：旋转精度高、静刚度好、抗震性高、热变形小、耐磨性好。2、支承方式 单推-单推：轴向刚度高、预紧力大、寿命小 双推-双推：刚度高、应用于高刚度、高精度、精细丝杠 双推-简支：轴向刚度不高、使用时应注意减少丝杠热变形。其预紧力小，寿命长，应用于高精度长丝杠。双推-自由：用于轻载、低速、垂直安装的丝杠。3、三支承构造要求：1、三个通孔同轴度要求高 2、适当加大轴径，并选择适宜的强度。二、滑动导轨的构造 矩形截面导轨：易制造、承载大、无自动补偿 1、根本 三角形截面：受力不对称、能自动补偿、承载能力强 形式 燕尾型：构造复杂、摩擦阻力大、无自动补偿 圆形：易制造、用于有旋转的直线运动 2、组合形式 双三角 双矩形 三角+平面 三角+矩形 3、材料选择 一般取支承导轨的材料稍硬 三、滑动导轨间的间隙调整装置 压板式 镶条式 注：为了提高刚度运动刚度一般将调隙装置安装在不受力或受力较小的一侧，但调隙后部件有较大的侧位移影响移动速度；对于精细设备，受力较小，因此调隙装置应安装在受力的一侧，或双边放置，普通设备那么安装在不受力一侧。四、固定支承部件及设计原则 1、隔板：提高支承件的整体刚度；纵向抗弯，横向抗扭，斜向兼顾 2、加强筋：提高局部刚度，高度为 45 倍壁厚，厚度为 0.8 倍的壁厚。第九章 一、稳态、动态设计的主要内容 系统输出运动参数到达设计要求 动力元件参数选择 功率的匹配及过载验算 1、稳态 各主要部件的选择及控制电路设计 设计 信号的有效传递 各级阻抗匹配 抗干扰措施 其他 设计校正补偿 2、动态设计 使系统满足技术指标 二、惯量计算 由于整个系统中有转动、平动，动力元件的额定转矩、加减速控制及制动方案的选择应及被控制对象的固有参数匹配，因此要将及被控制对象有关的参数及其所受负载等效在系统的一根轴上计算输出轴所受灯箱启动惯量和等效负载转矩。