機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

1、2024/3/27,1,第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義,傳統(tǒng)機(jī)械：主要以力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以經(jīng)驗(yàn)為實(shí)踐基礎(chǔ)；現(xiàn)代機(jī)械：以力學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、控制論、信息論等為理論基礎(chǔ)，以經(jīng)驗(yàn)、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、傳感與測試等技術(shù)為實(shí)踐基礎(chǔ)。機(jī)械：強(qiáng)度高、輸出功率大、承載大載荷；實(shí)現(xiàn)微小復(fù)雜運(yùn)動(dòng)難。電子：可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢測和控制；但無法實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)動(dòng)。,2024/3/27,2,第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義,機(jī)電一體化和機(jī)械電氣化的區(qū)別電氣機(jī)械在設(shè)計(jì)過程中不考慮或

2、較少考慮電氣與機(jī)械的內(nèi)在聯(lián)系。機(jī)械和電氣裝置之間界限分明裝置所需的控制以基于電磁學(xué)原理的各種電器，屬于強(qiáng)電范疇。,2024/3/27,3,第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義,機(jī)電一體化是在以機(jī)械、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)為主的多門學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科。,2024/3/27,4,第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義,機(jī)電一體化涉及到許多相關(guān)的學(xué)科：機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué) 機(jī)電一體化的產(chǎn)生與迅速發(fā)

3、展的根本原因在于社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。系統(tǒng)工程、控制論和信息論是機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)，也是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。微電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，則為機(jī)電一體化技術(shù)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；,2024/3/27,5,第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義,Mechtronics是一個(gè)綜合的概念，包含技術(shù)和產(chǎn)品兩方面。機(jī)電一體化技術(shù)指包括技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理在內(nèi)的使機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化產(chǎn)品指采用機(jī)電一

4、體化技術(shù)，在機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上創(chuàng)建出來的新一代機(jī)電產(chǎn)品。,2024/3/27,6,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的分類 按機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的用途分類，有產(chǎn)業(yè)機(jī)械，信息機(jī)械，民用機(jī)械等；按機(jī)械和電子的功能和含量分類，有以機(jī)械裝置為主體的機(jī)械電子產(chǎn)品和以電子裝置為主體的電子產(chǎn)品；按機(jī)電結(jié)合的程度分類，有功能附加型、功能替代型和機(jī)電融合型。,2024/3/27,7,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,機(jī)

5、電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性使用安全性和可靠性提高生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高調(diào)整和維護(hù)方便，使用性能改善具有復(fù)合功能，適用面廣改善勞動(dòng)條件，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)節(jié)約能源，減少耗材,2024/3/27,8,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo)提高精度增強(qiáng)功能提高生產(chǎn)效率節(jié)約能源，降低能耗提高安全性、可靠性,2024/3/27,9,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,改善操作性和實(shí)用性減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改

6、善勞動(dòng)條件簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量降低價(jià)格增強(qiáng)柔性應(yīng)用功能,2024/3/27,10,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,機(jī)電一體化技術(shù)方向在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)用電子裝置局部代替機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，以簡化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性,2024/3/27,11,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,用電子裝置完全代替原來執(zhí)行信息處理功能的機(jī)構(gòu)，即減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳

7、輸內(nèi)容，提高了速度。用電子裝置替代機(jī)械的主要功能，形成特殊的加工能力將機(jī)電技術(shù)完全融合形成新型機(jī)電一體化產(chǎn)品,2024/3/27,12,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想 在開發(fā)過程中，一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)；同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。,2024/3/27,13,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與

8、方法,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法取代法整體設(shè)計(jì)法組合法,2024/3/27,14,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,取代法 這種方法是用電氣控制取代原傳統(tǒng)中機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。 這種方法的缺點(diǎn)是跳不出原系統(tǒng)的框架，不利于開拓思路，尤其在開發(fā)全新的產(chǎn)品時(shí)更具有局限性。,2024/3/27,15,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,整體設(shè)計(jì)法 這種方法主要用于全新產(chǎn)

9、品和系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以接口簡單，甚至可能互融一體。,2024/3/27,16,第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法,組合法 這種方法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。 利用此方法可以縮短設(shè)計(jì)與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。,2024/3/27,17,第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,機(jī)械本體動(dòng)力單元傳感檢測單元執(zhí)行單元

10、驅(qū)動(dòng)單元控制與信息處理單元接口,2024/3/27,18,第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,機(jī)械本體（機(jī)械系統(tǒng)） 包括機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置。其主要功能是使構(gòu)造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時(shí)間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定的關(guān)系。 其開發(fā)重點(diǎn)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以便于機(jī)械系統(tǒng)的快速組合和更換,2024/3/27,19,第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,動(dòng)力單元 按照機(jī)電一體化系統(tǒng)的控

11、制要求。為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。 其顯著特征之一，是用盡可能小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出。,2024/3/27,20,第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,傳感檢測單元 對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程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，并轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。 對(duì)其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測精度高、抗干擾性強(qiáng),2024/3/27,21,第三

12、節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,執(zhí)行單元 根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)單元 在控制信息作用下，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。,2024/3/27,22,第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,控制與信息處理單元 控制與信息處理單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元。其功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過輸出接口送往執(zhí)

13、行機(jī)構(gòu)，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期的性能。,2024/3/27,23,第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素,接口 將各要素或子系統(tǒng)連接成為一個(gè)有機(jī)整體，使各個(gè)功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，從而形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程。 其基本功能主要有三個(gè)：變換、放大、傳遞,2024/3/27,24,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),機(jī)械技術(shù)（精密機(jī)械技術(shù)）微電子技術(shù)傳感檢測技術(shù)信息處理技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)總體

14、技術(shù),2024/3/27,25,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),機(jī)械技術(shù)（精密機(jī)械技術(shù)） 是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。 機(jī)械技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、材料、性能以及功能上的變更。,2024/3/27,26,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),傳感檢測技術(shù) 是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺器官，即從待測

15、對(duì)象那獲取能反映待測對(duì)象特征與狀態(tài)的信息。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。 傳感檢測技術(shù)的研究內(nèi)容包括兩方面：一是研究如何將各種被測量轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究如何將轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理。,2024/3/27,27,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),信息處理技術(shù) 信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策。實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)，因此信息處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)是密切

16、相關(guān)的。 信息處理的發(fā)展方向是如何提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。,2024/3/27,28,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)的目的在于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的目標(biāo)最佳化。 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、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。,2024/3/27,29,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)就是在控制指令的指揮下，

17、控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求運(yùn)動(dòng)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 常見的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有電氣伺服和液壓伺服。,2024/3/27,30,第四節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)。即從全局的角度和系統(tǒng)的目標(biāo)出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)來考慮每個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)方案，對(duì)于子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的矛盾或子系統(tǒng)和系統(tǒng)整體之間的矛盾都要從總體協(xié)調(diào)的

18、需要來選擇解決方案。,2024/3/27,31,第二章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)與控制，用于完成一系列運(yùn)動(dòng)的機(jī)械和機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。 機(jī)電一體化中的機(jī)械系統(tǒng)需使伺服馬達(dá)和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩得到匹配，也就是在滿足伺服系統(tǒng)高精度、高響應(yīng)速度、良好穩(wěn)定性的前提下，還應(yīng)該具有較大的剛度、較高的可靠性和重量輕、體積小、壽命長等特點(diǎn)。,2024/3/27,32,第二章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：機(jī)電一體化系

19、統(tǒng)中傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實(shí)際上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化器。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：其作用是支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用來完成操作任務(wù)。能根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下，完成預(yù)定的操作。,2024/3/27,33,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,2.1.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類及特點(diǎn) 機(jī)電一體化系統(tǒng)中所用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有滑動(dòng)絲杠副、滾珠絲杠副、齒輪傳動(dòng)副、同步帶傳動(dòng)副、間歇機(jī)構(gòu)、繞性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

20、 對(duì)于工作機(jī)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既要求能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，又要求能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換；對(duì)于信息機(jī)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要要求運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換；對(duì)于動(dòng)力，則只需要克服慣性力（力矩）和各種摩擦力（力矩）以及較小的工作負(fù)載即可。,2024/3/27,34,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,2.1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求影響機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)性能的因素一般有以下幾個(gè)負(fù)載的變換傳動(dòng)鏈慣性傳動(dòng)鏈固有頻率間隙、摩擦、潤滑和溫升,2024/3/27,35,第一節(jié) 傳動(dòng)裝

21、置,在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡可能小剛度越大伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失越??；剛度越大機(jī)構(gòu)固有頻率越高，超出系統(tǒng)的頻帶寬度，不易產(chǎn)生共振；剛度越大閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低,2024/3/27,36,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能?。粍?dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)

22、生爬行，精度降低，壽命減少。此外，還要求抗振性好，穩(wěn)定性高，間隙小（減少誤差，提高伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性），避免諧振，特別是其動(dòng)態(tài)特性與伺服電動(dòng)等其他環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配。,2024/3/27,37,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 在滿足系統(tǒng)剛度的條件下，機(jī)械部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小越好。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)使機(jī)械負(fù)載增大、系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振。同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大會(huì)使電氣驅(qū)動(dòng)部件的諧振頻率降低，而阻尼增

23、大。,2024/3/27,38,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,摩擦 兩物體接觸面間的摩擦力在應(yīng)用上可以簡化為粘性摩擦力、庫倫摩擦力與靜摩擦力三類，方向均與運(yùn)動(dòng)方向（或運(yùn)動(dòng)趨勢方向）相反。粘性摩擦力大小與兩物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比；庫倫摩擦力是接觸面對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的阻力，大小為一常數(shù)；靜摩擦力是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢但仍處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)摩擦面間的摩擦力，其最大值發(fā)生在相對(duì)開始運(yùn)動(dòng)前的一瞬間，運(yùn)動(dòng)開始后靜摩擦力即消失。,2024/3/27,39,第一節(jié) 傳動(dòng)裝

24、置,阻尼 運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械部件容易產(chǎn)生振動(dòng)，其振幅取決于系統(tǒng)的阻尼和固有頻率，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅越小，且衰減越快；線性阻尼下的振動(dòng)為實(shí)模態(tài)，非線性阻尼下的振動(dòng)為復(fù)模態(tài)。機(jī)械部件振動(dòng)時(shí)，金屬材料的內(nèi)摩擦較小，而運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻尼占主導(dǎo)地位的。在實(shí)際應(yīng)用中一般將摩擦阻尼簡化為粘性摩擦的線性阻尼,2024/3/27,40,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,剛度 剛度為彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。機(jī)械系統(tǒng)的剛度包括構(gòu)件產(chǎn)生各種基本變形時(shí)的剛度

25、和兩接觸面的接觸剛度兩類。靜態(tài)力和變形之比為靜剛度；動(dòng)態(tài)力和變形之比為動(dòng)剛度。,2024/3/27,41,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,諧振頻率 包括機(jī)械傳動(dòng)部件在內(nèi)的彈性系統(tǒng)，若阻尼不計(jì)，可簡化為質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)。由此可確定系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)外界的激振頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而不能正常工作。機(jī)械傳動(dòng)部件實(shí)際上是個(gè)多自由度系統(tǒng)，有一個(gè)基本固有頻率和若干高階固有頻率，分別稱為機(jī)械傳動(dòng)部件的一階諧振頻率和n階諧振頻率。,202

26、4/3/27,42,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,間隙 間隙將使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中間產(chǎn)生回程誤差，影響伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性。有間隙時(shí)，應(yīng)減小位置環(huán)增益 間隙的主要形式有齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙、絲杠螺母的傳動(dòng)間隙、絲杠軸承的軸向間隙、連軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)性能，要盡可能避免間隙的出現(xiàn)。當(dāng)間隙出現(xiàn)時(shí)，要采取消隙措施。,2024/3/27,43,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,2.1.3 常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法滾珠絲杠

27、副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)棘輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軟軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu),2024/3/27,44,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,一、滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)元件——滾珠。主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),2024/3/27,45,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,滾珠絲杠副的特點(diǎn)傳動(dòng)效率高運(yùn)動(dòng)具有可逆性系統(tǒng)剛度好傳動(dòng)精度高使用壽命長不能自鎖工藝復(fù)雜,

28、2024/3/27,46,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型可從螺紋滾道的界面形狀、滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙的調(diào)整方法進(jìn)行區(qū)別單圓弧型和雙圓弧型,2024/3/27,47,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,內(nèi)循環(huán)和外循環(huán) 內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短，流暢性好，效率高螺母的尺寸也較小。缺點(diǎn)是反向器加工困難，裝配調(diào)整也不方便,2024/3/27,48,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式

29、反向器在高頻浮動(dòng)中達(dá)到回珠圓弧槽進(jìn)出口的自動(dòng)對(duì)接，通道流暢，摩擦性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛度的精密進(jìn)給系統(tǒng),2024/3/27,49,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,外循環(huán) 滾珠在循環(huán)返回時(shí)，離開絲杠螺紋滾道，在螺母或體外作循環(huán)運(yùn)動(dòng),2024/3/27,50,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,螺旋槽式的特點(diǎn)是工藝簡單、徑向尺寸小、易于制造，但是擋珠器剛性差，易磨損,2024/3/27,51,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)插管式結(jié)構(gòu)簡

30、單，容易制造，但是徑向尺寸較大，彎管端部比較容易磨損,2024/3/27,52,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)端蓋式結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易加工準(zhǔn)備而影響其性能，故應(yīng)用較少。,2024/3/27,53,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整與預(yù)緊預(yù)緊力大小必須合適，過小不能保證無隙傳動(dòng)，過大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命縮短。要特別注意減少絲杠安裝部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的，而它對(duì)傳動(dòng)精

31、度有直接影響,2024/3/27,54,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)隙式 結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、預(yù)緊可靠，使用中調(diào)整方便，但不能精確地調(diào)整,2024/3/27,55,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)隙式可實(shí)現(xiàn)定量調(diào)整，調(diào)整精度很高，工作可靠，使用中調(diào)整較方便；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性能較差,2024/3/27,56,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)隙式 結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、預(yù)緊可靠、應(yīng)用

32、廣泛，但使用中調(diào)整不方便，也不很準(zhǔn)確，適用于一般精度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu),2024/3/27,57,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式 能消除使用過程中由于摩擦或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。軸向剛度低,2024/3/27,58,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,2024/3/27,59,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,二、齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用最多的機(jī)械傳動(dòng)裝置，主要原因是齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)。傳動(dòng)精確，且強(qiáng)度大、能承受重載、結(jié)構(gòu)

33、緊湊。摩擦力小、效率高。,2024/3/27,60,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,三、同步帶傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是綜合了帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)特點(diǎn)的一種新型傳動(dòng),2024/3/27,61,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)能方便地實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)不需要潤滑，耐油、水，耐高溫，耐腐蝕，維護(hù)保養(yǎng)方便強(qiáng)度高，厚度小，質(zhì)量輕中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高制造工藝復(fù)雜，成本高,2024/3/27

34、,62,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,四、諧波齒輪傳動(dòng) 依靠柔性齒輪所產(chǎn)生的可控制彈性變形波，引起齒間的相對(duì)位移來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的。,2024/3/27,63,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,諧波齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)傳動(dòng)比大承載能力大傳動(dòng)精度高可以向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳動(dòng)平穩(wěn)傳動(dòng)效率高結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕,2024/3/27,64,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,諧波齒輪傳動(dòng)的缺點(diǎn)揉輪和波發(fā)生器制造復(fù)雜，需專門設(shè)備，成本較高傳動(dòng)比下限值較高不能做成

35、交叉軸和相交軸的結(jié)構(gòu),2024/3/27,65,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,五、軟軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 軟軸又稱作鋼絲軟軸，是由幾層緊密纏在一起的彈簧鋼絲層構(gòu)成的，相鄰層的纏繞方向相反。工作時(shí)相鄰兩層鋼絲中的一層趨于擰緊，另一層趨于擰松，以使各層鋼絲間趨于壓緊，傳遞轉(zhuǎn)矩。,2024/3/27,66,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,鋼絲軟軸主要用于兩個(gè)傳動(dòng)機(jī)件的軸線不在同一直線上，或工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。它可以彎曲繞過各種障礙物，遠(yuǎn)距離傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。適合于

36、受連續(xù)沖擊的場合，也適用于高速、小轉(zhuǎn)矩的場合。不適合低速大轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)。因?yàn)檫@將使從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速不均勻，扭轉(zhuǎn)剛度無法保證。,2024/3/27,67,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,六、棘輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 棘輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于將原動(dòng)機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成間歇運(yùn)動(dòng)。,2024/3/27,68,第一節(jié) 傳動(dòng)裝置,棘輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和運(yùn)動(dòng)可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在各類機(jī)械中有廣泛的應(yīng)用。但是由于回程時(shí)搖桿上的棘爪在棘輪齒面上滑行時(shí)引起噪聲和齒尖磨損。同時(shí)為使棘

37、爪順利落入棘輪齒間，搖桿擺動(dòng)的角度應(yīng)略大于棘輪的運(yùn)動(dòng)角，這樣就不可避免的存在空程和沖擊。此外棘輪的運(yùn)動(dòng)角必須以棘輪齒數(shù)為單位有級(jí)地變化。因此棘輪機(jī)構(gòu)不宜應(yīng)用于高速和運(yùn)動(dòng)精度要求較高的場合。棘輪,2024/3/27,69,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),在機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中，導(dǎo)向支撐部件的作用是支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件能按給定的運(yùn)動(dòng)要求和運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，這樣的部件通常稱為導(dǎo)軌副，簡稱導(dǎo)軌。,2024/3/27,70,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),2.2.1導(dǎo)軌的組成、分

38、類及特點(diǎn) 導(dǎo)軌主要由兩部分組成：在工作時(shí)一部分固定不動(dòng)，稱為支承導(dǎo)軌；另一部分相對(duì)支承導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)導(dǎo)軌。,2024/3/27,71,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),2.2.2導(dǎo)軌的基本要求 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軌的基本要求是導(dǎo)向精度高、剛性好、運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好。 對(duì)精度要求高的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，還要求導(dǎo)軌的承載面與導(dǎo)向面嚴(yán)格分開；運(yùn)動(dòng)件較重時(shí)，必須設(shè)有卸荷裝置；運(yùn)動(dòng)件的支承必須符合三點(diǎn)

39、定位原理,2024/3/27,72,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),導(dǎo)向精度 導(dǎo)軌按給定方向作直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度直線度兩導(dǎo)軌面間的平行度,2024/3/27,73,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),耐磨性 導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長期使用后，應(yīng)能保持一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的耐磨性主要取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、摩擦性質(zhì)、表面粗糙度、表明硬度、表面潤滑及受力情況等。提高導(dǎo)軌的精度保持性，必須進(jìn)行正確的潤滑與保護(hù),2024/3/27,74,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)

40、的靈活性和低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性 工作時(shí)應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)無振動(dòng)。 為了防止產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以采?。翰捎脻L動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌，卸荷導(dǎo)軌、貼塑料層導(dǎo)軌?；蛘咴谄胀ɑ瑒?dòng)導(dǎo)軌上使用含有極性添加劑的導(dǎo)軌油。也可以用減少結(jié)合面、增加結(jié)構(gòu)尺寸、縮短傳動(dòng)鏈。減少運(yùn)動(dòng)副等方法,2024/3/27,75,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),2.2.3 常用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法塑料導(dǎo)軌 塑料導(dǎo)軌是在滑動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝

41、塑料而成。這種導(dǎo)軌定位精度較高，摩擦因數(shù)較小，剛度較高，無爬行現(xiàn)象，吸振較好，壽命長，化學(xué)穩(wěn)定性高，工藝性好，維護(hù)方便；但由于其耐熱性差，在使用中必須注意散熱。,2024/3/27,76,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),塑料導(dǎo)軌軟帶 可與鑄鐵或鋼組成滑動(dòng)摩擦副，也可以與滾動(dòng)導(dǎo)軌組成滾動(dòng)摩擦副,2024/3/27,77,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),金屬塑料復(fù)合導(dǎo)軌板一般用膠粘貼在金屬導(dǎo)軌上，成本較高塑料涂層主要用于導(dǎo)軌的維修和設(shè)備的改造，也可用

42、于新產(chǎn)品設(shè)計(jì),2024/3/27,78,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌是在做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的兩導(dǎo)軌面之間加入滾動(dòng)體，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦的一種直線運(yùn)動(dòng)支撐。滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn) 摩擦因數(shù)小，運(yùn)動(dòng)靈活；動(dòng)靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；可以預(yù)緊，剛度高；壽命長；精度高；潤滑方便，一次裝填，長期使用。,2024/3/27,79,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),滾動(dòng)導(dǎo)軌按 滾動(dòng)體形狀的不同，可以分為滾珠導(dǎo)軌。滾珠導(dǎo)

43、軌和滾針導(dǎo)軌,2024/3/27,80,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),滾珠為點(diǎn)接觸，摩擦小、靈敏度高，但承載能力小、剛度低，適用于載荷不大，行程較小，而運(yùn)動(dòng)靈敏度要求較高的場合。,2024/3/27,81,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),滾柱導(dǎo)軌為線接觸，承載能力和剛度都比滾珠導(dǎo)軌大，適用于載荷較大的場合，但制造安裝精度要求高。滾柱對(duì)導(dǎo)軌的不平度較敏感，容易產(chǎn)生側(cè)向偏移和滑動(dòng)，而使導(dǎo)軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。,2024/3/27,82,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),

44、滾針導(dǎo)軌的尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊、排列密集。承載能力大，但摩擦相應(yīng)增加，精度較低，適用于載荷大。導(dǎo)軌尺寸受限制的場合。（結(jié)構(gòu)尺寸較小的滾柱導(dǎo)軌）滾柱導(dǎo)軌支承為標(biāo)準(zhǔn)部件，具有安裝、潤滑簡單，調(diào)整防護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。,2024/3/27,83,第二節(jié) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu),按滾動(dòng)體的循環(huán)方式，滾動(dòng)導(dǎo)軌又可分為滾動(dòng)體不循環(huán)式導(dǎo)軌和滾動(dòng)體循環(huán)式導(dǎo)軌兩種。 滾動(dòng)體不循環(huán)式導(dǎo)軌的滾動(dòng)體可以是滾珠、滾柱或滾針。它們的共同特點(diǎn)是滾動(dòng)體不循環(huán)，因而行程不能太長。這種導(dǎo)軌

45、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本較低，但有時(shí)難以施加預(yù)緊力，剛度較低，抗振性能差，不能承受沖擊載荷。,2024/3/27,84,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),2.3.1常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法熱變形式 熱變形式執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于微動(dòng)機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)利用電熱元件作為動(dòng)力源，電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形實(shí)現(xiàn)微小位移。,2024/3/27,85,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)可以利用變壓器、變阻器等來調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿的加熱速度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移速度和微進(jìn)給量的控制。為了使傳

46、動(dòng)桿恢復(fù)到原來的位置，可以利用壓縮空氣或乳化液來冷卻 熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)具有高剛度和無間隙的優(yōu)點(diǎn)，并可通過控制加熱電流來得到所需微量位移；但由于熱慣性以及冷卻速度難以精確控制等原因，這種微動(dòng)系統(tǒng)只適用于行程較短、頻率不高的場合。,2024/3/27,86,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),磁致伸縮式該類機(jī)構(gòu)利用某些材料在磁場作用下具有改變尺寸的磁致伸縮效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)微量位移。,2024/3/27,87,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),磁致伸縮式微動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征

47、為重復(fù)精度高，無間隙，剛度好，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，工作穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；但由于工程材料的磁致伸縮量有限，該類機(jī)構(gòu)所提供的位移量很小，因而該類機(jī)構(gòu)適用于精確位移調(diào)整、切削 刀具的磨損補(bǔ)償 及自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,2024/3/27,88,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器 工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能、多自由度操作機(jī)，是能搬動(dòng)物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業(yè)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器裝在

48、操作機(jī)手腕的前端，是直接實(shí)現(xiàn)操作功能的機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器因用途不同而結(jié)構(gòu)各異，一般可分為三大類：機(jī)械夾持器、特種末端執(zhí)行器、萬能手,2024/3/27,89,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),機(jī)械夾持器 它是工業(yè)機(jī)器人中最常用的一種末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械夾持器首先應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾工件在移動(dòng)、停留和裝入過程中不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時(shí)，應(yīng)完全松開。另外，它還應(yīng)保證工件夾持姿態(tài)再現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。,2024/3/27,90,

49、第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),機(jī)械夾持器常用壓縮空氣作動(dòng)力源，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，機(jī)械夾持器可有下述幾種型式圓弧開合型圓弧平行開合型直接平行開合型,2024/3/27,91,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),圓弧開合型 在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，手指指端的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧夾持器工作時(shí)，兩手指繞支點(diǎn)作圓弧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行夾持和定心。這類夾持器對(duì)工件被夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求，否則可能會(huì)造成工件狀態(tài)失常,2024/3/2

50、7,92,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),圓弧平行開合型這類夾持器兩手指工作時(shí)作平行開合運(yùn)動(dòng)，而指端運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓弧,2024/3/27,93,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),直接平行開合型 這類夾持器兩手指的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，且兩指夾持面始終保持平行,2024/3/27,94,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),真空吸附手結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，且吸附作業(yè)具有一定柔順性，這樣即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不會(huì)影響吸附手的工作。它常用小件搬運(yùn)，也根據(jù)工件形狀、尺寸、質(zhì)量大

51、小的不同將多個(gè)真空吸附手組合使用。,2024/3/27,95,第三節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu),2）電磁吸附手它同樣結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但它吸附工件的過程是從不接觸工件開始的。這種吸附方式可以用于搬運(yùn)較大的可磁化性材料的工件,2024/3/27,96,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),檢測系統(tǒng)是機(jī)電一體化設(shè)備中不可缺少的組成部分。其功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需的自身和外界環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，將其轉(zhuǎn)變成可識(shí)別的電信號(hào)，傳遞給信息處理單元。如果把機(jī)電一

52、體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)看做是人的手足，信息處理系統(tǒng)看做是人的大腦，則檢測系統(tǒng)好比人的感覺器官。自動(dòng)化程度越高，控制系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求也就越高,2024/3/27,97,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測量,并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理,2024/3/27,98,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),3.1.1傳感器的基本用途 傳感器是借助檢測元件接收一種形式的信息，并按一定規(guī)律將它

53、轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而且轉(zhuǎn)換后的信息也是有各種形式，由于電信號(hào)是最易于處理和便于傳輸?shù)?，所以目前大多?shù)的傳感器將獲取的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。,2024/3/27,99,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),3.1.2傳感器的組成與分類傳感器的組成,2024/3/27,100,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),敏感元件 直接感受被測量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量轉(zhuǎn)換元件 將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)

54、換成其他參數(shù)基本轉(zhuǎn)換電路 將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量,2024/3/27,101,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),傳感器的分類 目前采用的傳感器分類方法主要有按被測物理量分類：這種方法明確表明了傳感器的作用，便于使用者選擇，如位移、壓力傳感器按傳感器工作原理分類：這種方法表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器設(shè)計(jì)和應(yīng)用，如壓阻式、壓電式、電感式,2024/3/27,102,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),按傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分

55、類1）能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）不需外加電源而將被測量轉(zhuǎn)換成電能輸出，如壓電式，光電式等2）能量控制型（參量型）需外加電源才能輸出測試電量，如電阻、電感等,2024/3/27,103,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),按傳感器工作機(jī)理分類1）結(jié)構(gòu)型：被測參數(shù)變化引起傳感器的結(jié)構(gòu)變化，使輸出電量變化，利用物理學(xué)中的定律和運(yùn)定定律等構(gòu)成2）物性型：利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測參數(shù)變化的原理構(gòu)成。傳感器的性能與材料密切相關(guān),2024/3/27,10

56、4,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),按傳感器輸出信號(hào)的形式分類1）模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量2）數(shù)字式：傳感器輸出為數(shù)字量 習(xí)慣上，常把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器，有利于設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)選擇,2024/3/27,105,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),3.1.4傳感器的性能與選用原則傳感器的性能 傳感器的性能分為靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)性能 傳感器在靜態(tài)信號(hào)作用下，其輸入－輸出關(guān)系稱為靜態(tài)性能，其包含有線

57、性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性,2024/3/27,106,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),線性度：傳感器的實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差,2024/3/27,107,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),靈敏度：是指傳感器在靜態(tài)信號(hào)輸入情況下，輸入變化對(duì)輸入變化的比值s 一般希望傳感器的靈敏度高一些，并且在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸入－輸出特性為直線,2024/3/27,108,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),遲

58、滯性：表明傳感器在正、反行程期間輸入－輸出特性曲線不重合的程度 產(chǎn)生遲滯性現(xiàn)象的主要原因是機(jī)械的間隙、摩擦或 磁滯等因素,2024/3/27,109,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),重復(fù)性：表示傳感器在輸入量按同一方向作全程多次測試時(shí)所得特性曲線的不一致程度,2024/3/27,110,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),傳感器的動(dòng)態(tài)特性 指傳感器對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器其輸出能再現(xiàn)輸入變化規(guī)律。但實(shí)際上除了具有理

59、想的比例特性環(huán)節(jié)外，輸出信號(hào)不可能與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入與輸出之間的差異叫做動(dòng)態(tài)誤差,2024/3/27,111,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),傳感器的選用原則 傳感器是測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常應(yīng)該具有快速、準(zhǔn)確、可靠而又經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。足夠的容量，傳感器的工作范圍或量程要足夠的大，具有一定過載的能力。,2024/3/27,112,第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí),與測量或控制系統(tǒng)的匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏

60、度高，要求其輸出信號(hào)與被測輸入信號(hào)成確定關(guān)系，且比值要大。反應(yīng)速度快，工作可靠性好適用性和適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)作能量小，對(duì)被測對(duì)象的狀態(tài)影響小，內(nèi)部噪聲小又不易受外界干擾的影響，使用安全。使用經(jīng)濟(jì)，成本低，壽命長，且易于使用、維修和校準(zhǔn),2024/3/27,113,第二節(jié) 常用傳感器,位移測量傳感器是線性位移和角位移測量的總稱，位移測量在機(jī)電一體化領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。常用的直線位移傳感器有：電感傳感器、電容傳感器、感應(yīng)同步器、光柵傳感器；常

61、用角位移傳感器有：電容傳感器、光電編碼器,2024/3/27,114,第二節(jié) 常用傳感器,3.2.1線位移檢測傳感器 線位移傳感器是利用敏感元件某些電參數(shù)隨位移變化而改變的特性進(jìn)行工作電阻式線位移傳感器電感式線位移傳感器電容式線位移傳感器光柵式線位移傳感器激光式線位移傳感器,2024/3/27,115,第二節(jié) 常用傳感器,電阻式線位移傳感器電位器式線傳感器 電位器式線位移傳感器利用被測部件的移動(dòng)通過拉桿帶動(dòng)電刷移

62、動(dòng)，從而改變輸出的電量。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是 分辨率不高，易 磨損。,2024/3/27,116,第二節(jié) 常用傳感器,電阻應(yīng)變計(jì)式線位移傳感器利用應(yīng)變片的彎曲，造成電阻變化，將其轉(zhuǎn)化成電壓和電流的變化。其優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，精度高。不足之處是動(dòng)態(tài)范圍窄,2024/3/27,117,第二節(jié) 常用傳感器,電感式線位移傳感器(1)差動(dòng)電感式線位移傳感器 利用磁芯在線圈筒中自由移動(dòng)，切割磁力

63、線產(chǎn)生電動(dòng)勢使電橋失去平衡，產(chǎn)生測量信號(hào) 其優(yōu)點(diǎn)是具有動(dòng)態(tài)范圍寬和線性度好的優(yōu)點(diǎn) 。缺點(diǎn)是有 殘余電壓。,2024/3/27,118,第二節(jié) 常用傳感器,差動(dòng)變壓器式線位移傳感器將被測量轉(zhuǎn)化為線圈的互感變化。這種傳感器具有分辨率高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是殘余電勢較大,2024/3/27,119,第二節(jié) 常用傳感器,電容式線位移傳感器 平板電容器的電容決定于極板的工作面積、極板間介質(zhì)的介電常數(shù)和極板間的距離，位移

64、使電容器三個(gè)參數(shù)中的任意一個(gè)發(fā)生變化，均會(huì)引起電容量的變化。通過檢測電路將電容量的變換轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)性能好、靈敏度和分辨率高的特點(diǎn)。它可用于無接觸檢測，并可在惡劣環(huán)境下工作。,2024/3/27,120,第二節(jié) 常用傳感器,光柵式線位移傳感器,2024/3/27,121,第二節(jié) 常用傳感器,光柵是一種新型的位移檢測元件，它的特點(diǎn)是測量精度高、響應(yīng)速度快和量程范圍大等。,2024/3/27,122,

65、第二節(jié) 常用傳感器,激光式線位移傳感器這種傳感器動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、可用于非接觸檢測。其缺點(diǎn)是裝置復(fù)雜、使用調(diào)試不方便、價(jià)格高。,2024/3/27,123,第二節(jié) 常用傳感器,3.2.2角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器電阻式角位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器電容角位移傳感器光柵角位移傳感器磁電式角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器,2024/3/27,124,第二節(jié) 常用傳感器,電阻式角位移傳感器 其工作原理和電位器線位移傳感器相

66、似，不同之處是將電阻器做成圓弧型，電刷繞中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣電刷輸出的電壓就反映了電刷的轉(zhuǎn)角。電阻式角位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)范圍大、輸出信號(hào)強(qiáng)等特點(diǎn)；缺點(diǎn)是在圓弧型電阻器各段電阻率不一致情況下，會(huì)產(chǎn)生誤差。,2024/3/27,125,第二節(jié) 常用傳感器,旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器 旋轉(zhuǎn)變壓器角實(shí)際上是初級(jí)和次級(jí)繞組之間的角度可以改變的變壓器。常規(guī)變壓器的兩個(gè)繞組之間是固定的，其輸入電壓和輸出電壓之比保持常數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞

67、組和輸出繞組分別安裝在定子和轉(zhuǎn)子上。 旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、可靠性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中。,2024/3/27,126,第二節(jié) 常用傳感器,電容角位移傳感器 電容角位移傳感器的工作原理是當(dāng)動(dòng)極板產(chǎn)生角位移時(shí)，電容器的工作面積發(fā)生變換，電容量隨之改變。測量電路檢測這種電容量變換，即可確定角位移。,2024/3/27,127,第二節(jié) 常用傳感器,光柵角位移傳感器 與光柵線位移傳感器相比，光柵角位移傳感器將

68、光柵印在圓盤的圓周上。,2024/3/27,128,第二節(jié) 常用傳感器,磁電式角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器 利用導(dǎo)磁材料制成的齒輪代替光柵傳感器的光柵盤，利用磁芯繞組代替光電元件，由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)影響磁路的磁阻，使磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而在繞組中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)脈沖電壓。對(duì)脈沖電壓整形后進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以達(dá)到測量角位移及角速度的目的。,2024/3/27,129,第二節(jié) 常用傳感器,3.2.3速度與加速度傳感器電磁式速度傳感器 其原