机电一体化设计练习主要思路
一、机电一体化基本概念
用常见例子区别模拟信号和数字信号;实质：时间-强度表达形式
时间是横坐标,强度是纵坐标,强度连续为模拟信号,强度离散为数字信号,光盘0101数字信号
“机电一体化”的含意P1：从系统观点出发,将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合,实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术;
6个相关技术P3：分析信息处理技术、伺服传动技术
1、信息处理技术计算机数据处理
包括信息的变换、存取、运算、判断和决策,信息处理大都是依靠计算机来进行的,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的;主要采用工业控制机可编程控制器、单多回路调节器、单片微机控制器、总线式工业控制机、分布式计算机测控系统等进行信息处理;
2、伺服传动技术
在控制指令的指挥下,控制驱动元件,使机械执行机构按指令要求进行运动,并具有良好的动态性能;液压伺服系统工作稳定、响应速度快、输出力矩大,特别是在低速运行时的性能更具有突出的优点;缺点：增加液压动力源,设备复杂、体积大、维修费用大,污染环境;大部分采用电气伺服系统,采用电动机作为伺服驱动元件,具有控制灵活、费用较小、可靠性高等优点,缺点：低速时输出力矩不够大;
实例：温度控制系统图解,联系伺服控制系统说明各环节功能;
见书上
机电一体化系统4个分类伺服、数字、顺序、过程举例说明：
1、伺服传动系统    工业机器人、数控机床、坐标测量机
机械设备位置和速度的动态控制;工业机器人的关节伺服传动系统
2、数字控制系统    CNC机床
由数控装置生成数字形式指令驱动机器运动;CNC计算机数控机械
3、顺序控制系统    自动制造单元自动洗衣机
按规定的生产时序或现场输入信号为条件,按预定规律或顺序完成动作的控制系统;继电器逻辑电路、PLC可编程控制器、通用微机
4、过程控制系统     柔性制造系统
机械、电力、冶金、化工、建材的工业控制,如CIMS、FMS是典型的机械制造过程控制系统;
机电一体化的四视图设计方法功能、结构、控制、信息举例电动自行车,全自动洗衣机：
功能视图：是对机电一体化系统的基本功能和为实现基本功能的辅助功能的描述与设计
结构视图：选取已系列化的机电部件以及设计制作适当的元器件和零件,围绕实现主功能,来实现设计的集成化,以及创新的总体结构、部件结构和零件结构
控制视图：描述及设计这些机电一体化单元的原理组成及协调控制的方法,同时描述信息系统的组成及接口
信息视图：描述机电一体化系统中的信息流的工具
例1全自动洗衣机的设计
功能：洗涤+漂洗+脱水+烘干;
机构：双筒,外盛水,内可旋;机架支承弹性悬挂系统;偏心稳定系统;洗涤脱水机械换档;开盖联动安全系统;
控制：电机调速系统;洗涤顺序控制;洗涤信息采集和反馈控制;安全报警;
信息：与控制系统匹配的人机界面;选择输入开关,工作状态显示,声、光、图象显示;
例2电动助力车设计
功能：电机驱动前进,安全制动,转向等;
机构：双轮,前驱动,后驱动;机架支承弹性避振系统;有阻尼转向系统;机械换档;机械制动;安全系统;
控制：电机调速系统;启动停车顺序控制;速度和里程信息采集,电池充放电控制;安全报警;
信息：与控制系统匹配的人机界面.电机速度选择开关,工作状态显示,声、光、图象显示;
现代设计方法：
现代机械系统五个特点规划P3：
1.由数字化信息网络包括通信和远程传感器检测监控等协调和控制;
2.以创新构思和创新技术方案处理包括所有适用的物理量和先进技术的物质流,能量流和信息流;
3.以功能分析方法来开发创新产品;
4.以现代设计方法和先进制造技术开发生产;
5.快速响应市场个性化需求的最优化集成系统;
“绿设计”的主要内容是什么
规划P5
以保护环境资源为核心;要求在产品整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合;在进行设计决策时,除满足产品的物理目标外,还应满足环境目标,达到优化设计要求;在产品整个生命周期内,优先考虑环境属性可拆卸、回收、维护、重复利用等
“反求工程设计”指怎样的设计过程
规划P7
以先进产品设备的实物、软件图样、程序、技术文件等、或影像图片、照片等作为研究对象,应用现代设计理论与方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究,掌握其功能原理、参数、尺寸、材料和结构,特别是关键技术,进而开发出同类的先进产品;反求设计思想和组成;包括：设计思想分析,原理方案分析,结构分析,形体尺寸,精度分配,材料分析,工作性能分析,造型设计分析,工艺分析,使用维护分析,包装技术;
“摩擦学设计”的特点是什么
规划P10
摩擦学是研究相对运动表面的科学及有关的应用技术;由于摩擦损耗约占世界能源总损耗量的1/2~1/3,一般机械中磨损失效的零件约占全部报废零件的4/5,摩擦学研究发展迅速;主要内容：摩擦与摩损机理,润滑理论,新型耐磨减磨材料与表面处理工艺,新型润滑材料,和测试技术;
二、机械传动
机械结构中阻尼比和摩擦力对伺服系统性能的影响;P18
1、阻尼的影响：
1ξ=0,无阻尼,系统处于等幅持续振荡状态;
2ξ≥1,系统为临界阻尼或过阻尼,过渡过程无振荡,响应时间较长;
30<ξ<1,系统为欠阻尼系统,在过渡过程中处于减幅振荡状态,幅值衰减快慢取决于衰减系数ξωn ;ωn为常数,ξ越小,振荡剧烈,稳定前的过渡过程长,ξ越大,振荡小,过渡过程平稳,系统稳定性好,但响应时间长,灵敏度低;
2、摩擦引起动态滞后和系统误差当驱动力矩小于静摩擦力矩为传动死区
摩擦引起低速爬行低速运动在临界转速前后产生非连续的爬行
静摩擦力：物体相对静止,刚要启动时的阻力非线性;
动摩擦力：相对运动时,接触面对运动物体的阻力常数;
粘性摩擦力：运动速度改变时接触面对运动物体的阻力;线性
机械变速系统传动比的确定的主要三原则;P26
1．精度要求高的减速传动,选级数较少,按转角误差最小原则设计; 减速传动比“前小后大”;增速传动要“前大后小”;
2．传动要求平稳,启停频繁,动态性能要好的减速传动,按转等效动惯量最小或转角误差最小原则设计,惯性小;传动比分配“前小后大”;对负载变化大的齿轮传动,传动比应采用不可约的比数,避免同时啮合,磨损加剧;
3．质量和体积要求尽量小的减速传动,按质量最小原则设计;传动比分配小功率取相等,大功率要“前大后小”;
谐波齿轮传动工作原理、特点和传动比公式P36表
谐波齿轮传动工作原理：依靠柔性齿轮所产生的可控制的弹性变形波,引起齿间的相对位移来传递动力和运动的;柔轮的变形是一个基本对称的和谐波,故称为谐波传动;
柔轮与刚轮齿距相同,齿数不同,相差2齿为二波,波形发生器有二个触头,也称双波发生器;波发生器转动,迫使柔轮与刚轮上的齿依此进入啮合,接触处为纯滚动,由于两轮圆周相差二个齿距弧长,所以波发生器转360度,柔轮相对刚轮位移2个齿距,如柔轮有200齿,就实现了1:100的传动比;
特点：  优点：传动比大、承载能力大、传动精度高、可向密封空间传递动力、传动平稳、效率较高、机构简洁,体小质轻
缺点：制造复杂,成本高、不宜小传动比、不能做成交叉和相交轴
构件
传动比计算式
功能
输入与输出运动的方向关系
固定
输入
输出
刚轮2
波发生器H
柔轮1
减速
异向
刚轮2
柔轮1
波发生器H
增速
异向
举例说明结构设计三个方面规划P77
1、功能设计：以各种具体的结构实现机电一体化系统的功能要求;
2、质量设计：兼顾各种要求和限制,提高机电一体化系统的质量和性能；
3、优化设计和创新设计：充分应用现代设计方法系统地构造设计优化模型,用创造性设计思维方法进行机电一体化系统设计的优化和创新;
并联运动机床布局基本特点,与传统机床比较有何特点规划P86
并联运动机床布局基本特点：
1、机床床身框架为固定平台,由若干个杆件把固定平台与运动平台联系起来,组成空间并联机构;2、主轴部件安装在并联机构的运动平台上;3、通过改变并联机构中杆件的长度或移动杆件的支点,按照并联运动学原理形成刀具的加工轨迹;
并联运动机床与传统机床相比：
1.以并联结构方式共同承受切削力和部件的重力载荷,结构刚性提高,构件截面尺寸可大幅度的缩减；运动部件质量明显减小；运动件惯性载荷减轻,动态性能好；
2.并联机构使各运动环节的运动误差不会直接叠加,工作精度应比传统机床高；3.并联机构便于机床比较容易实现电主轴、滚珠丝杠、直线电动机等机电一体化部件组成结构简单、模块化程度高、变化灵活、易于重构的加工设备;是新一代机床结构的重要发展方向;
λ型并联机构
三、伺服系统
伺服系统的基本组成框图和功能说明P58,用温度控制系统相比
框图见P58
控制器：决策控制方案;
功率放大器：放大控制信号,来驱动执行机构;
执行机构：执行指令,完成动作;
检测装置：测量被控量,实现反馈控制;
4种变流器类型与功能P61
DC变流器整流器——把交流变换成固定的或可调的直流电
AC变流器逆变器——把固定的直流电变成固定或可调的交流电
AC变流器固定交流—频率电压可调交流——把固定的交流电变成可调的交流电
DC变流器斩波器：固定直流—可调直流——把固定的直流电变成可调的直流电
晶闸管和IGBT的符号和特点;晶闸管导通条件P62
晶闸管导通条件：                                    符号：
不加电压,A不论正反向,SCR不导通正反向阻断;
、G同时加正电压,SCR导通导通的两个条件;
3.导通后,G失去控制作用,当A电压降至很小,恢复阻断
IGBT：输出级具有GTR的高电流密度、低饱和电压
输入级具有MOSFET的高输入阻抗、高速特性的一种新型符合功率开关器件
直流：相敏放大器的主要任务P68
1将输入交流电压变换成直流电压；
2当输入交流电压相位变成相差π时,输出的直流电压极性亦随之改变;或者说输出直流电压的极性反映了输入交流电压的相位；
3输出直流电压的数值与输入交流电压的幅值成正比鉴幅型
占空比ρ定义和数学表达式：
ρ=τ/T=Ud/Us模块化设计的产品举例 ;当T不变时,只要改变导通时间τ,就可以改变电枢两端的平均电压Ud
PWM电机调速的基本机理：脉冲宽度变化—平均电压变化—转速变化
利用大功率器件的开关作用,将直流电压转换成一定频率的方波电压,通过对方波脉冲宽度的
控制,改变输出电压的平均值;用于直流电机调速

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