機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

緒論

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門(mén)課程是多學(xué)科的交叉和綜合，涉及的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)較多，講授的主要內(nèi)容包括：機(jī)電一體化系統(tǒng)基本知識(shí)；機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)；機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用。1.1機(jī)電一體化概念機(jī)電一體化是在新技術(shù)浪潮中，電子技術(shù)、信息技術(shù)向機(jī)械工業(yè)滲透并與機(jī)械技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。機(jī)電一體化的外文名詞是

Mechatronics，來(lái)源于日本（70年代）。取英語(yǔ)Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部拼合而成。我國(guó)通常稱(chēng)為機(jī)電一體化或機(jī)械電子學(xué)；

機(jī)電一體化涉及到許多相關(guān)的學(xué)科

機(jī)械學(xué)：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等電子學(xué)：電工學(xué)、電機(jī)學(xué)、數(shù)字電路、模擬電路控制論：經(jīng)典控制（控制工程基礎(chǔ)）、現(xiàn)代控制（多變量）計(jì)算機(jī)科學(xué)：微處理系統(tǒng)及接口技術(shù)，應(yīng)用軟件技術(shù)（CAD、CAM、FMS、CAT、CNC）1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成

構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的要素很多，其中五大要素是必須的，可以從構(gòu)成人體的五大要素得到啟發(fā)。如圖1.1所示為人體的五大要素圖1.2所示為機(jī)電一體化的五大要素

腦心臟骨骼五官四肢控制系統(tǒng)動(dòng)力裝置檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械本體圖1.1圖1.21.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)一、機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積剛性、耐用性等有重要影響。強(qiáng)調(diào)精密機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的運(yùn)用，即利用高、新技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足：減輕重量，減小體積提高剛度實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用花、系列化二、信息處理技術(shù)包括信息的輸入、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)及輸出。信息處理的工具是計(jì)算機(jī)，因此信息處理技術(shù)是和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相關(guān)，包括硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等；機(jī)電系統(tǒng)中采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，其硬件包括輸入/輸出設(shè)備、顯示器、外部存儲(chǔ)器、主機(jī)、可編程控制器、數(shù)控裝置等。三、自動(dòng)控制技術(shù)機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正補(bǔ)償?shù)?，自?dòng)控制的基礎(chǔ)是自動(dòng)控制原理，分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論研究單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)（以傳傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)）研究多輸入-多輸出非線性、高精度多變量系統(tǒng)（以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)）四、伺服傳動(dòng)技術(shù)所謂“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。電信號(hào)機(jī)械動(dòng)作在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照指令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。伺服傳動(dòng)系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)技術(shù)與使用的執(zhí)行元件有關(guān)。按照?qǐng)?zhí)行元件的不同分為電氣伺服、液壓伺服、氣壓伺服速度快、控制靈活、可靠性高、應(yīng)用較廣，但低速輸出力矩較小低速輸出力矩大，功率密度大，在大型機(jī)床、工程機(jī)械、航空航天航海具有優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜五、檢測(cè)傳感技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺(jué)器官，即從待測(cè)對(duì)象獲取信號(hào)并送到信息處理部分。主要內(nèi)容包括：一是將物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、溫度等）轉(zhuǎn)換成一定的與其成比例的電量；二是對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理如放大、補(bǔ)償、標(biāo)定。檢測(cè)傳感裝置是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，要求傳感器及其放大處理電路快速、精確地獲取信息，并能夠抗干擾、可靠性高六、系統(tǒng)總體技術(shù)從整體的觀點(diǎn)出發(fā)，組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，即從全局和系統(tǒng)目標(biāo)角度，將系統(tǒng)分解成若干功能子系統(tǒng)，對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)方案要從整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)考慮，最終使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。1.4機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類(lèi)從用途和功能兩個(gè)方面分類(lèi)按照用途分按照功能分產(chǎn)業(yè)機(jī)械：用于工業(yè)生產(chǎn)的電子控制機(jī)械，如數(shù)控設(shè)備信息機(jī)械：用于信息處理、存儲(chǔ)的機(jī)械如自動(dòng)化辦公設(shè)備民生機(jī)械：用于人民生活的電子機(jī)械產(chǎn)品家用電器數(shù)控機(jī)械類(lèi)：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人電子設(shè)備類(lèi)：如自動(dòng)洗衣機(jī)電液伺服類(lèi)：如電液振動(dòng)臺(tái)信息控制類(lèi)：如傳真機(jī)機(jī)電結(jié)合類(lèi)：如自動(dòng)售貨機(jī)

機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。整體目標(biāo)、功能分析產(chǎn)品性能要求選擇合理的單元組合方案實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化整體優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)；總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)；技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)確定；總體方案評(píng)價(jià)與決策?？傮w設(shè)計(jì)是綱，給具體設(shè)計(jì)規(guī)定總的基本原理、原則和方法。2.1系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)一、功能分析設(shè)計(jì)法

一切從系統(tǒng)的功能出發(fā)，將設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化1、為什么要抽象化？復(fù)雜的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的模式分析抽象突出基本的、必要的要求，擯棄偶然情況和枝節(jié)問(wèn)題，便于抓住設(shè)計(jì)問(wèn)題核心避免構(gòu)思方案前形成的條條框框，放開(kāi)視野，尋求更為理想的設(shè)計(jì)方案2、如何把設(shè)計(jì)問(wèn)題抽象化？

工程設(shè)計(jì)中常用的的抽想方法是“黑箱法”

1、黑箱法的基本原理：將所要實(shí)現(xiàn)給定功能的機(jī)電系統(tǒng)看作為一個(gè)未知內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)、功能載體的“黑箱”，通過(guò)對(duì)輸入量和輸出量的分析，逐步掌握輸入和輸出的基本特征和轉(zhuǎn)換關(guān)系，尋求能實(shí)現(xiàn)這種基本特征和轉(zhuǎn)換關(guān)系的工作原理和功能載體。未知已知黑色白化機(jī)電一體化產(chǎn)品（黑箱）物料能量信息物料′能量′信息′伴生輸出伴生輸入功能載體求解即：黑箱法的表達(dá)物料：固體、液體、氣體等任何物體；能量：機(jī)械能、電能、熱能、化學(xué)能、光能等；信息：數(shù)據(jù)、指示值、測(cè)量值、控制信號(hào)、波形等。物料的轉(zhuǎn)換指如何將毛坯、半成品轉(zhuǎn)換成成品；能量的轉(zhuǎn)換指如何將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或機(jī)械能變成其它形式能量；信息的傳輸或轉(zhuǎn)換指將物理量的測(cè)量和顯示、控制信號(hào)的傳遞等。2、黑箱法求解方法黑箱法求解過(guò)程就是黑箱白化的過(guò)程，步驟如圖所示：詳細(xì)表達(dá)輸入和輸出量建立輸入和輸出間關(guān)系尋找合適的實(shí)例設(shè)定系統(tǒng)的總功能進(jìn)行總功能分解尋找系統(tǒng)的功能解評(píng)價(jià)與決策切削機(jī)床、精密測(cè)量設(shè)備、輕工機(jī)械、包裝機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械如:沖床（黑箱）板料電能控制信號(hào)成型工件機(jī)械能、摩擦能工作狀態(tài)顯示振動(dòng)、噪聲溫度、振動(dòng)例1：沖床的黑箱法表述二、功能結(jié)構(gòu)分析1、功能結(jié)構(gòu)示意圖和功能元總功能分功能分功能的原理方案例2：CNC齒輪測(cè)量中心黑箱法表述(P13圖2.2)總功能1231.11.21.33.13.21.2.11.2.23.1.13.1.2Ⅰ層Ⅱ?qū)英髮庸δ芙Y(jié)構(gòu)示意圖最小的基本分功能或滿足功能要求的最小單位稱(chēng)之為功能元。機(jī)電一體化系統(tǒng)基本功能元物理功能元：變換、合并分離、傳導(dǎo)隔阻、儲(chǔ)存邏輯功能元：與、或、非數(shù)學(xué)功能元：加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方、微分、積分2、功能元實(shí)施原理方案的選擇各種功能實(shí)施的基礎(chǔ)：以自然科學(xué)原理為基礎(chǔ)的技術(shù)效應(yīng)，例如以物理學(xué)為主要技術(shù)基礎(chǔ)的力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等原理廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，即所謂的物理效應(yīng)。實(shí)施的要點(diǎn)：同一種功能可以用不同的技術(shù)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，選出最佳的功能元實(shí)施原理方案，有以下途徑可以參考：參考資料、專(zhuān)利、產(chǎn)品；利用創(chuàng)造性思維；利用設(shè)計(jì)目錄。三、功能結(jié)構(gòu)圖1、三種基本功能結(jié)構(gòu)類(lèi)型：

串聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)F1F2F3F1F2F3F1F2F3又稱(chēng)順序結(jié)構(gòu)，反映分功能時(shí)間、空間順序或因果關(guān)系

又稱(chēng)選擇結(jié)構(gòu)，幾個(gè)分功能作為手段共同完成一個(gè)目的

又稱(chēng)回路結(jié)構(gòu)，輸出反饋為輸入的循環(huán)

2、功能結(jié)構(gòu)圖的建立從上層分功能的結(jié)構(gòu)考慮起，逐層向下細(xì)化。（例P16圖2.5-2.7）四、系統(tǒng)原理方案選擇

形態(tài)學(xué)矩陣建立在功能分解和功能求解的基礎(chǔ)上，得到多種可行方案，經(jīng)篩選、評(píng)價(jià)可以獲得最佳方案。形態(tài)學(xué)矩陣的運(yùn)用步驟：進(jìn)行方案構(gòu)思選擇系統(tǒng)原理方案時(shí)，用“窮盡法”將各分功能的解全部列出，就可寫(xiě)出功能-功能解的形態(tài)學(xué)矩陣，形態(tài)即相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)各分功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和技術(shù)手段?？偣δ芊纸庑螒B(tài)構(gòu)想和功能求解方案組成方案評(píng)價(jià)和選擇新穎性、先進(jìn)性實(shí)用性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、資料積累、創(chuàng)新能力專(zhuān)業(yè)知識(shí)、情報(bào)資料相容條件、連接條件等形態(tài)學(xué)矩陣列表12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34功能載體分功能理論上組合出的的方案數(shù)為：N=3×5×4＝602.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)是原理設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)化，而且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新。主要包括兩個(gè)方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)重點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì)電氣結(jié)構(gòu)主要是選型，考慮安裝問(wèn)題一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的工作任務(wù)、內(nèi)容及步驟1、任務(wù)：將原理方案結(jié)構(gòu)化，確定機(jī)器(或系統(tǒng))各個(gè)零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配等；2、內(nèi)容：設(shè)計(jì)零部件形狀、數(shù)量、相互空間位置，選擇材料、確定尺寸，進(jìn)行各種計(jì)算校核，按比例繪制結(jié)構(gòu)方案總圖，在

計(jì)算時(shí)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法。

3、步驟(如圖示)：設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求主功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查主輔功能結(jié)構(gòu)影響及配合詳細(xì)設(shè)計(jì)主輔功能載體結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步修改完善技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)決策方案確定NoYes結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從：定性到定量，抽象到具體，粗略到精細(xì)的過(guò)程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足的目標(biāo)：保證功能、提高性能、降低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：質(zhì)的設(shè)計(jì)：定性分析構(gòu)型（形狀、位置關(guān)系）量的設(shè)計(jì)：定量計(jì)算尺寸、確定材料按比例繪制結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歸結(jié)為三個(gè)階段：初步設(shè)計(jì)：主功能載體設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)：副功能載體設(shè)計(jì)，主功能載體詳細(xì)設(shè)計(jì)完善、審核設(shè)計(jì)二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則保證實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能總目標(biāo)降低制造成本保障人和環(huán)境的安全

保證系統(tǒng)功能可靠的方法：

冗余配置明確基本原則簡(jiǎn)單安全可靠

功能載體工作原理明確功能載體使用工況明確零件數(shù)目盡可能減少幾何形狀簡(jiǎn)單規(guī)則采用標(biāo)準(zhǔn)零件構(gòu)件的可靠性功能可靠性工作安全性和環(huán)境適應(yīng)性并聯(lián)冗余串聯(lián)冗余原理冗余例如：1、飛機(jī)上的備用發(fā)動(dòng)機(jī)（雙驅(qū)動(dòng)或三驅(qū)動(dòng)）2、煤礦井下的水泵系統(tǒng)采用兩套或三套配置（一套運(yùn)轉(zhuǎn)、一套維修、一套備用）三、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)原理與原則1、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則空間物體有六個(gè)自由度，自由度S與約束q關(guān)系是：S=6-q應(yīng)該合理施加約束，滿足物體所所需要的運(yùn)動(dòng)方式。要求約束：1、點(diǎn)約束2、約束點(diǎn)離開(kāi)遠(yuǎn)些3、自由度限制方向應(yīng)垂直于被約束平面平面直線2、基準(zhǔn)面合一原則

3、傳動(dòng)鏈最短原則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最短傳動(dòng)鏈好處：傳動(dòng)性能穩(wěn)定性愈好，傳動(dòng)精度愈高

基準(zhǔn)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（圖紙上）工藝基準(zhǔn)（制造基準(zhǔn)）定位基準(zhǔn)測(cè)量基準(zhǔn)裝配基準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量滿足：定位基準(zhǔn)面與使用或加工基準(zhǔn)面統(tǒng)一原則，可以減小由于基準(zhǔn)不一致帶來(lái)的誤差。電機(jī)變速箱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)高分辨率控制電機(jī)直線電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化裝置4、“三化”原則三化零件標(biāo)準(zhǔn)化部件通用化產(chǎn)品系列化“三化”原則是國(guó)家一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，優(yōu)點(diǎn)在于：互換性好；縮短制造周期；維護(hù)方便。如：課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的齒輪、滾珠絲杠、液壓缸尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)公稱(chēng)系列；選用材料牌號(hào)、規(guī)格符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。5、阿貝原則（提高精度原理）德國(guó)人阿貝1890年提出對(duì)精密量?jī)x有指導(dǎo)意義的原則：若使量?jī)x測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，必須將測(cè)量?jī)x的讀數(shù)線尺安放在被測(cè)尺寸的延長(zhǎng)線上。

原因是這樣做避免了一階誤差。例如：游標(biāo)卡尺不符合阿貝原則，精度較低千分尺（螺旋測(cè)微儀）符合阿貝原則，精度較高

此外還有一些原則，如：合理力流原則、變形協(xié)調(diào)原則、變形最小原則、平均效應(yīng)原則、穩(wěn)定性原則等。

2.3機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的過(guò)程可行性研究報(bào)告、任務(wù)書(shū)原理方案圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、總裝圖零、部件工作圖、設(shè)計(jì)技術(shù)文件工藝文件、樣機(jī)試制試驗(yàn)、鑒定文件信息反饋、修改完善規(guī)劃階段總體階段詳細(xì)施工階段調(diào)試生產(chǎn)階段銷(xiāo)售階段用戶對(duì)產(chǎn)品的需求總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵繪制生產(chǎn)圖紙、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)、明細(xì)表

機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)計(jì)要遵循機(jī)電結(jié)合、機(jī)電互補(bǔ)的原則，滿足高精度、快速響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求。具體包括兩大部分的內(nèi)容：一是機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，一是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滾珠絲杠傳動(dòng)無(wú)側(cè)隙齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)同步齒形帶傳動(dòng)膜片彈性聯(lián)軸器導(dǎo)軌設(shè)計(jì)支承裝置主軸組件設(shè)計(jì)3.1機(jī)械傳動(dòng)裝置概述一、傳動(dòng)裝置功能及性能要求功能：傳遞運(yùn)動(dòng)（速度、位移）和動(dòng)力（力、力矩）增速或減速；變速；改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律或形式動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)的驅(qū)動(dòng)力(力矩）

機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)的一部分，通過(guò)控制裝置，使機(jī)械傳動(dòng)部分與伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相匹配，并且滿足傳動(dòng)精度、定位精度高，響應(yīng)速度快，速度的穩(wěn)定性好。

性能要求滿足以下幾個(gè)方面：1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（J）小

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，使機(jī)械負(fù)載變大，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降，但是J小不應(yīng)影響機(jī)械系統(tǒng)的剛度。2、剛度（K）大

剛度是指彈性體抵抗變形的能力，或產(chǎn)生單位彈性變形量所需要的作用力。大的剛度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)是有利的，可增大機(jī)構(gòu)固有頻率，不易產(chǎn)生共振，增加伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3、阻尼（B）合適

系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，B越大，振幅越小，衰減越快，但穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。阻尼比為：過(guò)阻尼系統(tǒng)臨界阻尼系統(tǒng)欠阻尼系統(tǒng)一般取二、傳動(dòng)裝置的類(lèi)型按工作原理分為：嚙合傳動(dòng)(齒輪傳動(dòng)、齒形帶傳動(dòng))摩擦傳動(dòng)(帶傳動(dòng)、鋼絲繩傳動(dòng))推動(dòng)傳動(dòng)(凸輪連桿機(jī)構(gòu))機(jī)械傳動(dòng)液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)液力傳動(dòng)流體傳動(dòng)交流電力傳動(dòng)直流電力傳動(dòng)交、直流電力傳動(dòng)電力傳動(dòng)磁力傳動(dòng)按輸出速度情況分為：

轉(zhuǎn)速恒定傳動(dòng)轉(zhuǎn)速可調(diào)傳動(dòng)3.2滾珠絲杠（或滾動(dòng)螺旋）傳動(dòng)一、工作原理與結(jié)構(gòu)形式絲杠和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，使絲杠和螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦。在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。結(jié)構(gòu)形式（按滾珠的循環(huán)方式不同）：內(nèi)循環(huán)類(lèi)型外循環(huán)類(lèi)型

外循環(huán)：多圈一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中一部分滾珠與絲杠脫離接觸內(nèi)循環(huán)：一圈一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中滾珠與絲杠始終不脫離接觸二、滾珠絲杠的特點(diǎn)1、傳動(dòng)效率高3、傳動(dòng)精度高精度其中：中徑處的螺旋升角當(dāng)量摩擦角（）一般而言，摩擦系數(shù)較小因此，效率很高，可達(dá)90%-95%。2、運(yùn)動(dòng)具有可逆性

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)正傳動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)變回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逆?zhèn)鲃?dòng)軸向定位精度進(jìn)給精度誤差：4、磨損小，使用壽命長(zhǎng)

滾珠、滾道、絲杠、螺母都經(jīng)過(guò)淬火、硬化處理HRC58-65。5、不能自鎖

垂直安裝時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設(shè)置制動(dòng)裝置，如圖示。6、制造工藝復(fù)雜，成本高

三、軸向間隙的調(diào)整軸向間隙包括兩部分

滾珠與螺母原有的間隙承載時(shí)滾珠與滾道彈性變形引起的間隙當(dāng)絲杠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，間隙會(huì)使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法消除間隙，提高剛度。

三種結(jié)構(gòu)形式：

墊片調(diào)隙式螺紋調(diào)隙式齒差調(diào)隙式變位螺距調(diào)隙式1、墊片調(diào)隙式調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，應(yīng)用廣，但僅適用于一般精度機(jī)構(gòu)。2、螺紋調(diào)隙式通過(guò)圓螺母調(diào)整，消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，再用鎖緊螺母鎖緊，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。3、齒差調(diào)隙式兩螺母的凸緣上制有圓柱外齒，齒數(shù)Z

1、Z2

且Z

2-Z1=1，分別與內(nèi)齒輪嚙合，調(diào)整時(shí)先取下內(nèi)齒輪，使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)位移（即在同方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒或幾個(gè)齒，根據(jù)間隙大?。缓髮?nèi)齒輪復(fù)位固定，達(dá)到消除間隙的目的。產(chǎn)生的軸向位移（即間隙）δ為：其中：n為螺母同方向轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)p為絲杠的導(dǎo)程例：若Z1=99，Z2=100，n=1,p=6mm則δ=0.6μm該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性差，但是調(diào)整的精度高，工作可靠。4、變位螺距調(diào)隙式（不常用）四、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級(jí)和標(biāo)注方法1、主要尺寸公稱(chēng)直徑（滾珠中心圓直徑）D0（mm）導(dǎo)程(或螺距)p（mm）螺旋升角λ（°）滾珠直徑d0(mm)螺紋滾道半徑R(mm)此外還有：絲杠外徑、絲杠內(nèi)徑、螺母外徑、螺母內(nèi)徑等。2、精度等級(jí)根據(jù)JB316.2-91《滾珠絲杠副精度》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為5個(gè)等級(jí)：1、2、3、4、5級(jí)（有的參考書(shū)稱(chēng)7個(gè)等級(jí)，另外有7、10級(jí)），1級(jí)最高，5級(jí)最低。一般動(dòng)力傳動(dòng)選4、5級(jí)數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械或儀器選1、2、3級(jí)3、標(biāo)注方法滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度的標(biāo)注方法如圖所示：螺紋旋向，右旋不標(biāo)檢查項(xiàng)目編號(hào)精度等級(jí)滾珠總?cè)?shù)基本導(dǎo)程公稱(chēng)直徑預(yù)緊方式循環(huán)方式外形結(jié)構(gòu)特征例：1、FC1B-60×6-5-E2左

(漢江機(jī)床廠)2、FFZD40×5-3-D3/1400×900（南京工藝裝備廠）×四、支承方式的選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算1、支承方式的選擇

為保證滾珠絲杠副傳動(dòng)的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用軸承組合，一般常用推力軸承和向心球軸承。

四種典型的支承方式：

固定可以用深溝球軸承和雙向推力軸承組合或用圓錐滾子軸承兩端都裝止推軸承，承受軸向載荷兩端都裝止推軸承和向心球軸軸承，承受軸向、徑向載荷固定端裝深溝球軸承和雙向推力軸承，承受徑向、軸向載荷，簡(jiǎn)支端用深溝球軸承徑向約束2、設(shè)計(jì)計(jì)算

已知條件是：工作載荷或平均工作載荷（F或Fm）;

絲杠副的使用壽命L；絲杠的工作長(zhǎng)度（或螺母的有效長(zhǎng)度）l;

絲杠的轉(zhuǎn)速n;

滾道硬度HRC及運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

設(shè)計(jì)步驟：1、求出計(jì)算載荷FcFc=KFmK為工況系數(shù)

2、根據(jù)壽命計(jì)算出額定動(dòng)載荷其中：小時(shí)3、查滾珠絲杠副系列中的額定動(dòng)載荷，使，初選幾個(gè)規(guī)格（或型號(hào)），列出其主要參數(shù)4、驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度、穩(wěn)定性等3、滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度的計(jì)算

傳動(dòng)剛度由三部分組成：滾珠絲杠的拉壓剛度KC滾珠絲杠與螺母接觸剛度KN滾珠絲杠軸承與軸承座的支承剛度KB（1）拉壓剛度KCa、一端固定，一端自由根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)其中：為行程比；

d1為絲杠螺紋底徑；E為彈性模量MPab、兩端固定MLl剛度最低點(diǎn)在：MLl剛度最低點(diǎn)在：（2）接觸剛度KN

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：其中：i為滾珠螺母的有效工作圈數(shù)

F為軸向載荷R為滾道半徑

rb

、db為滾珠半徑、直徑（指軸向）（3）支承剛度

包括三部分內(nèi)容軸承軸向剛度KB軸承支座剛度KBR螺母支座剛度KNR這三部分剛度，一般難以精確計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。4、滾珠絲杠副傳動(dòng)的力學(xué)模型傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度為：3.2（無(wú)側(cè)隙）齒輪傳動(dòng)一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)作用：用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：1、瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)精確度高；

2、強(qiáng)度大能承受重載，結(jié)構(gòu)較緊湊；

3、滿足主軸進(jìn)給速度要求，增大主軸轉(zhuǎn)矩。缺點(diǎn)：1、齒側(cè)間隙對(duì)傳動(dòng)精度影響；

2、齒輪的磨損引起反轉(zhuǎn)誤差的逐漸擴(kuò)大。二、齒輪傳動(dòng)的類(lèi)型1、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)a偏心軸套調(diào)整法中心距ab雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（1）可調(diào)拉簧式：2、斜齒輪傳動(dòng)a墊片調(diào)整法（2）周向彈簧式：b軸向（壓簧）調(diào)整法3、齒輪齒條傳動(dòng)存在齒側(cè)間隙，應(yīng)加以消除，常用的方法：a、雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法用于傳動(dòng)較小負(fù)載b、雙齒輪調(diào)整法

用于傳動(dòng)較大負(fù)載，如右圖所示三、齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和級(jí)比的選擇

總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，遵循如下的原則：1、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則傳動(dòng)比i的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低不明顯。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則傳動(dòng)比i的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、重量最輕原則小功率傳動(dòng)時(shí)，i的分配各級(jí)相等；大功率傳動(dòng)時(shí)，i

的分配先大后小。對(duì)數(shù)減少傳動(dòng)精度提高3.3諧波齒輪傳動(dòng)一、諧波齒輪傳動(dòng)原理利用行星輪系傳動(dòng)原理，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔性齒輪產(chǎn)生可控制的變形波（近似諧波），并和剛輪作用引起齒間相對(duì)位移，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。由三個(gè)基本構(gòu)件組成：波發(fā)生器、柔輪、剛輪，其實(shí)質(zhì)是一種新型減速器。二、諧波齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)1、傳動(dòng)比大：1.002～1.02或50～500；2、承載能力高；3、傳動(dòng)平穩(wěn)，精度高；4、體積小，噪聲低

優(yōu)點(diǎn)波發(fā)生器是行星輪系的轉(zhuǎn)臂剛輪是中心輪柔輪是行星輪1、柔輪周期性變形，易疲勞破壞；2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和啟動(dòng)力矩大，不適宜于小功率傳動(dòng)；3、不能用于傳動(dòng)比較小場(chǎng)合（i小于35）；4、散熱差

缺點(diǎn)三、諧波齒輪型號(hào)四、應(yīng)用廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如機(jī)器人、機(jī)器儀表、雷達(dá)中用作運(yùn)動(dòng)傳遞；在冶金、化工、起重運(yùn)輸設(shè)備中傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。有標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)格可供選擇3.5同步齒形帶傳動(dòng)一、同步齒形帶傳動(dòng)的特點(diǎn)綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，如下圖示。二、同步齒形帶的結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)和尺寸規(guī)格1、結(jié)構(gòu)和材料1、傳動(dòng)比比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高；2、工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)；3、傳動(dòng)比范圍大；4、中心距嚴(yán)格，成本高；5、不需潤(rùn)滑，耐油、耐高溫，維護(hù)方便。與一般帶傳動(dòng)相比的特點(diǎn)：同步帶由強(qiáng)力層和帶齒、帶背組成。帶的抗拉元件，保證工作時(shí)節(jié)距不變傳遞帶輪間的動(dòng)力粘結(jié)強(qiáng)力層基體材料：鋼絲、玻璃纖維、芳綸聚氨脂橡膠、氯丁橡膠2、主要參數(shù)和規(guī)格主要參數(shù)是帶齒的節(jié)距t(或pb

):相鄰兩個(gè)齒中心間沿節(jié)線距離，t=πm節(jié)線(Lp)：強(qiáng)力層的中心線。節(jié)線長(zhǎng)度為齒形帶的公稱(chēng)長(zhǎng)度。按GB11616-89規(guī)定，同步帶有單面齒（僅一面有齒）和雙面齒（兩面都有齒）兩種形式，根據(jù)節(jié)距不同分為七種規(guī)格：型號(hào)MXLXXLXLLHXHXXH節(jié)距（mm）2.0323.1755.089.52512.722.22531.753、同步帶的標(biāo)記帶的標(biāo)記包括長(zhǎng)度代號(hào)、型號(hào)、寬度代號(hào)等。例：420L050寬度代號(hào)（帶寬12.7mm）型號(hào)（節(jié)距9.525mm）節(jié)線長(zhǎng)度代號(hào)（節(jié)線長(zhǎng)度1066.8mm）三、同步帶輪1、帶輪的結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)如右圖示材料：鑄鐵或鋼（一般情況）塑料或鋁合金（高速小功率）2、帶輪的參數(shù)及尺寸規(guī)格（1）齒形3、帶輪的標(biāo)記帶輪的標(biāo)記由帶輪齒數(shù)、帶的型號(hào)、輪寬代號(hào)表示。例：30L075輪寬（19.05mm）帶型號(hào)（節(jié)距9.525mm）帶輪齒數(shù)（30個(gè)）與梯形齒同步帶匹配，齒形有直線形和漸開(kāi)線形兩種。（2）齒數(shù)齒數(shù)少則結(jié)構(gòu)緊湊，但齒數(shù)太少易產(chǎn)生彎曲和疲勞破壞，按國(guó)標(biāo)GB11361-89規(guī)定，小帶輪應(yīng)有許用最小齒數(shù)（參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）。四、同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算1、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)齒形帶的強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行，限制齒形帶單位寬度的拉力，防止強(qiáng)力層的疲勞破壞、斷裂以及節(jié)距改變而爬齒等。根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算齒形帶寬度的公式為：

其中：Nj為齒形帶傳遞的計(jì)算功率（kW）

[P]為齒形帶單位寬度的許用應(yīng)力（N/mm）

Pc為齒形帶單位寬度的離心應(yīng)力（N/mm）：

v為帶速（m/s）

q為單位長(zhǎng)度、單位寬度的帶重（N/m.mm）

g為重力加速度（m/s2）2、已知條件及設(shè)計(jì)內(nèi)容初始數(shù)據(jù)：功率N、轉(zhuǎn)速n、傳動(dòng)比i、空間位置尺寸及工作條件等。計(jì)算內(nèi)容為：（1）確定計(jì)算功率Nj：（2）確定模數(shù)mKg為工況系數(shù)（取決于載荷性質(zhì)）N為傳遞的額定功率查表得到由圖5-46，根據(jù)Nj、n查表選取m，盡可能選用小模數(shù)（因?yàn)辇X形帶柔性好、嚙合齒多、工作平穩(wěn)）。（3）確定小帶輪齒數(shù)Z1、大帶輪齒數(shù)Z2及節(jié)圓直徑D1、D2

根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速n1及所選模數(shù)，查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（帶輪最少許用齒數(shù)表）,選取小帶輪的齒數(shù)Z1，使Z1>Zmin，則（4）校核帶的速度v為帶的最大允許帶速（m/s）,可根據(jù)模數(shù)m查表確定，表5-11（5）確定中心距a、帶長(zhǎng)Lp和帶齒數(shù)Z

根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求，初定中心距a0：

初定帶長(zhǎng)L0：再根據(jù)L0，查表5-8，定實(shí)際帶長(zhǎng)LP及齒數(shù)Z最后根據(jù)實(shí)際帶長(zhǎng)Lp計(jì)算實(shí)際中心距a（中心距可調(diào)）（中心距不可調(diào)）要求Zn≥4當(dāng)m≤2時(shí)

Zn≥6當(dāng)m>2時(shí)（7）根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則定齒形帶寬度b（8）定作用在輪軸上的力Fs（9）定帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸（結(jié)構(gòu)、參數(shù)、材料、尺寸等）根據(jù)小帶輪包角原理Zn的計(jì)算公式：一、控制系統(tǒng)的地位和要求

控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品最重要的組成部分，相當(dāng)于人的“大腦”，實(shí)現(xiàn)控制及信息處理功能。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)§4.1控制系統(tǒng)概述

對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求：被控制量按規(guī)定的規(guī)律變化，控制系統(tǒng)具備穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性

穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)能交付使用的首要條件，包括兩方面的含義，一是絕對(duì)穩(wěn)定性，就是通常所說(shuō)的系統(tǒng)穩(wěn)定；另一方面是相對(duì)穩(wěn)定性，即輸出量振蕩的強(qiáng)烈程度。如何判別系統(tǒng)穩(wěn)定？

快速性是要求系統(tǒng)有一定的響應(yīng)速度，即要求被控制量能夠迅速地根據(jù)輸入信號(hào)所規(guī)定的形式變化。用響應(yīng)時(shí)間（tr、

tp、

ts）表示

準(zhǔn)確性是表示系統(tǒng)控制精度的一項(xiàng)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其響應(yīng)速度經(jīng)過(guò)漸態(tài)過(guò)程后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)輸出值與期望值之間的差異，即穩(wěn)態(tài)誤差要小。穩(wěn)態(tài)誤差：二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制系統(tǒng)是由控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、檢測(cè)裝置所構(gòu)成的整體，其基本構(gòu)成如圖所示：G(s)H(s)R(s)C(s)傳遞函數(shù)：控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測(cè)裝置給定值輸出值控制裝置

被控對(duì)象可以是機(jī)電設(shè)備（如機(jī)床）、一種過(guò)程（如化工生產(chǎn)過(guò)程）等，它在控制裝置的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，按預(yù)定的規(guī)律或目的運(yùn)行。簡(jiǎn)單的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)與復(fù)雜的航天飛機(jī)控制系統(tǒng)在原理上類(lèi)似，但在結(jié)構(gòu)上是很不相同的。機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成：三、控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型

根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的多樣性及復(fù)雜性決定了控制器的多樣性，一般有以下四種類(lèi)基本類(lèi)型：

數(shù)字控制系統(tǒng)（NCS）將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序，由計(jì)算機(jī)生成數(shù)字形式的指令，再驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的一種控制形式，其實(shí)際上是軌跡控制的問(wèn)題。數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床檢測(cè)裝置控制介質(zhì)

控制介質(zhì)：傳遞零件的加工信息

數(shù)控裝置：完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、運(yùn)算及各種控制功能

伺服系統(tǒng)：接收指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即電信號(hào)到機(jī)械量轉(zhuǎn)換）

檢測(cè)裝置：檢測(cè)速度和位移，并反饋信息

伺服控制系統(tǒng)（SCS）輸入為模擬或數(shù)字的電信號(hào)，輸出是機(jī)械的位移或速度的變化率，主要考慮如何穩(wěn)定的、快速的、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)指令的功能要求，即要使輸出量以一定的精度復(fù)現(xiàn)輸入量的變化，常稱(chēng)為動(dòng)作控制?？刂破黩?qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)檢測(cè)裝置指令信號(hào)輸出信號(hào)

順序控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)控制方式，即輸出量的開(kāi)和關(guān)是一系列輸入開(kāi)關(guān)條件的函數(shù)?？刂破鲗?duì)操作過(guò)程的“邏輯狀態(tài)”進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)順序控制的方法有機(jī)電式繼電器、各種氣動(dòng)和液動(dòng)裝置、可編程控制器（PLC）等。

過(guò)程控制系統(tǒng)在冶金、化工、電力等生產(chǎn)過(guò)程中采用的工業(yè)控制系統(tǒng)，過(guò)程控制系統(tǒng)的受控變量是生產(chǎn)過(guò)程的物理量，可以是連續(xù)的、離散的。信號(hào)不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，在相鄰兩個(gè)時(shí)刻間隔信號(hào)不確定信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程和內(nèi)容

機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)過(guò)程如圖示：

控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：

確定控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：

確定控制算法：

采用何種控制方式，開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)；考慮驅(qū)動(dòng)元件的類(lèi)型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型；選擇觀測(cè)點(diǎn)、被測(cè)量和傳感器；考慮微機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機(jī)承擔(dān)那些任務(wù)，應(yīng)具備哪些功能，需哪些輸入/輸出通道，配備哪些外圍設(shè)備或接口硬件等；畫(huà)出控制系統(tǒng)組成的初步框圖。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型（物理系統(tǒng)動(dòng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式），數(shù)學(xué)模型反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供依據(jù)，即由數(shù)學(xué)模型推出控制算法。應(yīng)根據(jù)不同的控制對(duì)象、不同的控制指標(biāo)要求選用不同的控制算法。一般的控制采用PID控制；復(fù)雜的控制系統(tǒng),采用的控制方法較多,如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)智能控制等。積分比例微分被控對(duì)象r(t)+––+++u(t))c(t)e(t))PID控制器PID控制原理：P（Proportional）：控制作用的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度D（Differential）：減小超調(diào)，提高動(dòng)特性及控制精度PID控制器傳遞函數(shù)：

選擇微型計(jì)算機(jī)：

控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：存儲(chǔ)容量、處理速度、輸入輸出通道；單片機(jī)、工控機(jī)、商用機(jī)。解決微型機(jī)、被控對(duì)象和操作者三者之間信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問(wèn)題，通過(guò)總體設(shè)計(jì)畫(huà)出系統(tǒng)各部分的具體構(gòu)成框圖。

硬、軟件設(shè)計(jì)：

硬件設(shè)計(jì)包括電氣裝置及元器件的選擇、接口設(shè)計(jì)、操作控制面板設(shè)計(jì)等

軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等，通常不需用戶設(shè)計(jì)；應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者要主要考慮的問(wèn)題。

控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的要求具有實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、靈活性和通用性。

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，按照軟件工程的方法將整個(gè)程序分成若干模塊，一個(gè)模塊完成一定的功能，并且限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和操作順序，便于查錯(cuò)、糾錯(cuò)。

整理、編寫(xiě)技術(shù)文件：技術(shù)文件包括：控制系統(tǒng)原理說(shuō)明及圖表；設(shè)計(jì)圖樣、電器元件明細(xì)表；系統(tǒng)操作程序及說(shuō)明書(shū)等。一、機(jī)電系統(tǒng)中控制的主要任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)的要求，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并滿足工作要求。具體任務(wù)包括：§4.2機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定

使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定的順序和規(guī)律運(yùn)動(dòng)

改變各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方向和速度大小

使各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件間有協(xié)調(diào)的動(dòng)作，完成給定作業(yè)循環(huán)的要求

對(duì)工作中的不正常情況報(bào)警根據(jù)任務(wù)要求，就需：

確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制系統(tǒng)二、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的概念

運(yùn)動(dòng)規(guī)律是機(jī)電一體化設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的描述，不論運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何復(fù)雜，都有共性一面，即用矢量形式

來(lái)描述。

通常用運(yùn)動(dòng)曲線研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移隨時(shí)間的變化y=y(t)，用位移運(yùn)動(dòng)曲線表示。運(yùn)動(dòng)曲線的性質(zhì)：位移是時(shí)間的單值函數(shù)；位移是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，可以微分；在時(shí)間上具有不可逆性，過(guò)去的狀態(tài)影響未來(lái)，未來(lái)狀態(tài)對(duì)過(guò)去沒(méi)有影。運(yùn)動(dòng)曲線包括速度運(yùn)動(dòng)曲線加速度運(yùn)動(dòng)曲線突跳運(yùn)動(dòng)曲線急跳運(yùn)動(dòng)曲線位移運(yùn)動(dòng)曲線

位置矢量

速度矢量

加速度矢量

運(yùn)動(dòng)突跳（jerk）

運(yùn)動(dòng)急跳(quirk)三、運(yùn)動(dòng)曲線的無(wú)因次表示和特性值1、無(wú)因次表示為研究方便，引入無(wú)因次時(shí)間和無(wú)因次位移（或速度等），其定義如下：T=t/thY=y/h運(yùn)動(dòng)曲線可分為三種類(lèi)型：雙停留曲線：“停、升、停、回”如凸輪曲線，或“停、升、?！比玳g歇傳動(dòng)單停留曲線：“停、升、回”如滑塊運(yùn)動(dòng)無(wú)停留曲線：“升、回”如四連桿和曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)

主要研究運(yùn)動(dòng)曲線中隨時(shí)間變化的升、回段，只在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，才考慮停留段。（t=th時(shí)，位移為h）無(wú)因次曲線表達(dá)式可以寫(xiě)成以下形式：無(wú)因次運(yùn)動(dòng)量與實(shí)際的有因次運(yùn)動(dòng)量的關(guān)系，由前面的公式導(dǎo)出：四、判別執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度類(lèi)型的準(zhǔn)則

無(wú)因次運(yùn)動(dòng)量實(shí)際上是運(yùn)動(dòng)量瞬時(shí)真值與平均值之比，故有時(shí)把其稱(chēng)為位移系數(shù)、速度系數(shù)、加速度系數(shù)等。2、運(yùn)動(dòng)曲線的特性值運(yùn)動(dòng)曲線的v、a、j等的最大值在運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析中，有各自重要的含義：

最大速度vm,由于m與v之積是動(dòng)量，從安全角度考慮，特別是重載或大質(zhì)量系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)采用vm較小的運(yùn)動(dòng)曲線。

最大加速度am,由于m與a之積是慣性力，也稱(chēng)之為動(dòng)載荷，動(dòng)載荷大使機(jī)構(gòu)受力增大，振動(dòng)增加，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度。

最大突跳Jm,表示了加速度曲線a(T)的斜率，與從動(dòng)件的振動(dòng)關(guān)系很大，在高速機(jī)構(gòu)中，防止產(chǎn)生過(guò)大振動(dòng)，應(yīng)當(dāng)采用Jm較小的運(yùn)動(dòng)曲線。

這些運(yùn)動(dòng)曲線的特性值要按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)在低速、中速、高速不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律情況下合理選擇。

最簡(jiǎn)單的工程判別準(zhǔn)則是：按運(yùn)動(dòng)規(guī)律在第幾階位移導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)間斷或跳躍運(yùn)動(dòng)曲線在Y(p)上出現(xiàn)不連續(xù)，通過(guò)p值判定機(jī)構(gòu)速度類(lèi)型：

較合理的判別準(zhǔn)則是既考慮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度ωd，又考慮機(jī)構(gòu)的固有頻率ωn

即滿足ωd/ωn=10-d

判定準(zhǔn)則是：d的大小表明了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度偏離機(jī)構(gòu)固有頻率的程度，偏離共振峰值越遠(yuǎn)，動(dòng)力扭曲變形越小，因此該判定準(zhǔn)則反映了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)際情況。P=2—

低速機(jī)構(gòu)P=3：—

中速機(jī)構(gòu)P=4：—

高速機(jī)構(gòu)d=3—

低速機(jī)構(gòu)d=2：—

中速機(jī)構(gòu)d=1：—

高速機(jī)構(gòu)這一準(zhǔn)則只考慮了運(yùn)動(dòng)學(xué)因素，未考慮機(jī)構(gòu)質(zhì)量、剛度等動(dòng)力學(xué)因素作用。五、選擇機(jī)械程序控制的基本形式和原則

分配凸輪軸方式分配軸上有多個(gè)凸輪，每個(gè)凸輪就是一個(gè)執(zhí)行構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件

曲柄軸方式利用曲柄的錯(cuò)位使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定順序動(dòng)作為了使機(jī)電設(shè)備的整個(gè)工作循環(huán)中各個(gè)工序按一定順序進(jìn)行，需配備專(zhuān)門(mén)的程序控制系統(tǒng)，通常有兩種類(lèi)型：一是機(jī)械控制方式，二是電子控制方式，常用的有以下幾種形式：1、機(jī)械程序控制的基本形式

機(jī)電結(jié)合的程序控制方式利用行程開(kāi)關(guān)的接通與關(guān)閉，以及電磁繼電器（或電磁鐵等）通停電時(shí)間的長(zhǎng)短，以此來(lái)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定順序動(dòng)作

電子控制方式利用可編程控制器（PLC），通過(guò)編制接點(diǎn)梯形圖（類(lèi)似繼電器邏輯電路圖）在可編程存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)用戶設(shè)定的指令，通過(guò)數(shù)字或模擬輸入、輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機(jī)械過(guò)程。究竟選擇何種控制型式，要綜合考慮，通常的原則如下：對(duì)所選的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，注意其動(dòng)作型式（直線、旋轉(zhuǎn)；連續(xù)、間歇、步進(jìn)等）及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)，還要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，考慮運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程速度、加速度變化的要求、剛度的大小、質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼等因素。2、選擇控制形式的基本原則

控制對(duì)象僅作簡(jiǎn)單的單一運(yùn)動(dòng)時(shí)，宜采用機(jī)械控制系統(tǒng)，主要是凸輪或四桿機(jī)構(gòu)；

當(dāng)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)不同的工況（工進(jìn)）要求，采用液壓或氣壓控制系統(tǒng)。

當(dāng)控制對(duì)象有多個(gè)自由度，需要較高自動(dòng)化程度時(shí)，宜采用微機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

滿足特殊要求及自動(dòng)化程度增加要求時(shí)，采用組合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)（如組合機(jī)床）

完成同樣的運(yùn)動(dòng)要求，應(yīng)采用構(gòu)件數(shù)目和運(yùn)動(dòng)副數(shù)目較少的機(jī)構(gòu)。一、運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的作用

機(jī)電一體化設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律性，且運(yùn)動(dòng)參數(shù)位移、速度周期性重復(fù)，構(gòu)成一個(gè)個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)，運(yùn)動(dòng)循環(huán)用循環(huán)圖表示，其作用在于：§4.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)

反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)在完成總功能中的作用和次序

表明各機(jī)構(gòu)間的配合協(xié)調(diào)關(guān)系

確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較高的動(dòng)作效率，較低的能耗二、運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的表示11、單個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖

直線式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖單個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的基礎(chǔ)，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能要求表示，表示的方式有三種：反映運(yùn)動(dòng)循環(huán)的各運(yùn)動(dòng)區(qū)段時(shí)間及順序，按時(shí)間及順序?qū)⑦\(yùn)動(dòng)循環(huán)各

圓形運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖

直角坐標(biāo)循環(huán)圖區(qū)段繪制于直線坐標(biāo)上，如圖atk(前進(jìn)或上升），td(后退或下降），to(起始停留），tp(全過(guò)程）將運(yùn)動(dòng)循環(huán)的區(qū)段按時(shí)間及順序成比例地繪制于極坐標(biāo)上，該方式特別適合于具有多個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖b2、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖用橫坐標(biāo)表示各區(qū)段的時(shí)間（或分配軸轉(zhuǎn)角），縱坐標(biāo)表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征（如位移、角度等），此種方式表示出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)更多的運(yùn)動(dòng)信息，除時(shí)間、次序外，還有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，最常用。由個(gè)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的循環(huán)圖組成系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，遵循原則：同一時(shí)間或轉(zhuǎn)角；以某個(gè)主執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為基準(zhǔn)；各執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于主執(zhí)行機(jī)構(gòu)循環(huán)的先后次序。例1：自動(dòng)切書(shū)機(jī)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖3例2：?jiǎn)屋S自動(dòng)車(chē)床的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖（教材p40）三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)計(jì)算1、運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)步驟2、設(shè)計(jì)計(jì)算例1：打印機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)計(jì)算知：生產(chǎn)率Q=4500件/班（1）確定打印頭的運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間理論生產(chǎn)率為則每件的時(shí)間為6s,即(件/min）tp=6s（2）確定循環(huán)組成區(qū)段

確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)

確定運(yùn)動(dòng)循環(huán)的組成區(qū)段

確定運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)各區(qū)段的時(shí)間（或分配軸轉(zhuǎn)角）

繪制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖根據(jù)工藝要求，打印頭循環(huán)區(qū)段由4段組成：

tk打印頭向下接近產(chǎn)品

ts

打印頭打印時(shí)停留

td

打印頭向上返回

to

初始位置停留總時(shí)間過(guò)程為：（3）組成區(qū)段時(shí)間分配根據(jù)工藝要求，打印頭停留時(shí)間為ts=2s,相應(yīng)的tk、td

、to

分別為2s、1s、1s（4）繪制打印頭運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖tkts

tdtotptso例2：自動(dòng)壓痕機(jī)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)計(jì)算四、系統(tǒng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)1、運(yùn)動(dòng)循環(huán)的時(shí)間同步化2、運(yùn)動(dòng)循環(huán)的空間同步化問(wèn)題：各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖為什么要進(jìn)行同步化設(shè)計(jì)？如何進(jìn)行同步化設(shè)計(jì)？一、伺服系統(tǒng)基本概念

§5.1概述伺服系統(tǒng)也稱(chēng)之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是以位移、速度或力、力矩等作為被控量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。1

伺服系統(tǒng)技術(shù)電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分

在控制信號(hào)傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口

在反饋信號(hào)傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：圖5.1伺服系統(tǒng)組成二、伺服系統(tǒng)基本類(lèi)型

2采用不同的分類(lèi)方法，可以得到不同類(lèi)型的伺服系統(tǒng)

按控制原理（或方式）不同表示的方式有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式

按被控制量性質(zhì)不同有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式

按驅(qū)動(dòng)方式不同有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式

按執(zhí)行元件不同分為步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)伺服形式0.1110100P(kW)f(Hz)101001000圖5.2伺服系統(tǒng)適用范圍3三、伺服系統(tǒng)基本要求

精度

響應(yīng)速度

調(diào)速范圍指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示影響伺服系統(tǒng)精度的因素：1、組成元件本身誤差傳感器的靈敏度和精度伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區(qū)誤差機(jī)械裝置反向間隙和傳動(dòng)誤差各元器件的非線性因素等2、系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)形式輸入指令信號(hào)的形式是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比，即：應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速的沖擊；Rn要大，并且在該范圍內(nèi)，速度穩(wěn)定；無(wú)論高速低速下，輸出力或力矩穩(wěn)定，低速驅(qū)動(dòng)時(shí)，能輸出額定的力或力矩；在零速時(shí)，伺服系統(tǒng)處于“鎖定”狀態(tài)，即慣性小。4

應(yīng)變能力和過(guò)載能力要求：過(guò)載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時(shí)，能承受較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載而不致?lián)p壞四、電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置

機(jī)電一體化系統(tǒng)中較多的采用電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置，即伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是指：步進(jìn)電機(jī)（SteppingMotor）直流伺服電機(jī)(DCServoMotor)交流伺服電機(jī)(ACServoMotor)5三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：1、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制構(gòu)成廉價(jià)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡(jiǎn)單2、DC伺服電機(jī)高響應(yīng)、高功率密度可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制換向器件需維護(hù)3、AC伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)需要磁極位置檢測(cè)器無(wú)接觸換向器件，維護(hù)方便機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求：1、性能密度大6兩方面含義功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）功率密度指單位重量的輸出功率：比功率指功率對(duì)時(shí)間微分：因?yàn)?，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為：因此，比功率為：2、快速性好；調(diào)速范圍寬（1：1000以上）；適應(yīng)啟停頻繁的工作要求等。1§5.2步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姎鈭?zhí)行元件，電機(jī)繞組每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運(yùn)行時(shí)，明顯可見(jiàn)電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明工作原理：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用定子繞組通電勵(lì)磁，產(chǎn)生反應(yīng)磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖示，定子有三對(duì)磁極A-A，B-B，C-C，若轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為：定子每相磁極有5個(gè)齒，其齒距寬度與轉(zhuǎn)子一樣，則相鄰兩個(gè)齒的夾角必定是9°。

當(dāng)A相磁極與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，即定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，磁導(dǎo)率最大，磁阻最小，就會(huì)產(chǎn)生右圖所示的B、C相磁極錯(cuò)齒情況：在B相磁極中心線上應(yīng)是m號(hào)齒：顯然，B相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第13個(gè)齒再過(guò)3°的地方，即B相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差3°

同理，C相磁極中心線上應(yīng)是n號(hào)齒：即C相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第26個(gè)齒再過(guò)6°的地方，換而言之，C相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差6°依次按A-B-C-，A-B-C…通電流，轉(zhuǎn)子就跟隨磁場(chǎng)一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)，若需反向轉(zhuǎn)動(dòng)，只需改變通電相序A-C-B，A-C-B…。23三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式：

單三拍時(shí)：A—B—C,—A—B—C…4

雙三拍時(shí)：

單雙拍（即六拍）時(shí)：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,--A—AB—B—BC—C—CA…二、步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)

按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：反應(yīng)式(VR，VariableReluctance）永磁式(PM，PermanentMagnet)混合式(HB,Hybrid)

按勵(lì)磁相數(shù)分：有三相、四相、五相等步進(jìn)電機(jī)

按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分：有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，步矩角小，性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛，但動(dòng)態(tài)性差

永磁式步進(jìn)電機(jī)用永久磁鋼作為電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子，電磁阻尼大，步矩角大，啟動(dòng)頻率低，功率小

混合式步進(jìn)電機(jī)在永磁和變磁阻原理共同作用下，輸出轉(zhuǎn)矩大，步矩角小結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表示：BF勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式(BY永磁式、BYG混合式)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)外徑（mm)三、步進(jìn)電機(jī)的性能參數(shù)1、齒距角αz：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒的夾角2、步距角α：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度3、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax：在規(guī)定的通電相數(shù)下，轉(zhuǎn)矩的最大值m：定子繞組相數(shù)Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)k：通電狀態(tài)系數(shù)K=1單拍或雙拍K=2單雙拍定子繞組每改變一次通電的方式，稱(chēng)為“一拍”四、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性1、距角特性：?jiǎn)蜗嗤ㄈ腩~定通電時(shí)，其靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系2、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：相鄰兩通電狀態(tài)時(shí)，矩角特性交點(diǎn)的靜轉(zhuǎn)矩，反映了電機(jī)的承載能力5、最高啟動(dòng)頻率fqmax：步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)不失步達(dá)到穩(wěn)速所允許的最高輸入脈沖頻率（可以是空載下或有負(fù)載下）4、最高運(yùn)行頻率fmax：步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行時(shí)，輸入脈沖的最高頻率繞組的電流越大，靜轉(zhuǎn)矩越大，一般取TL=（30～50%）Tmax失步丟步：齒距數(shù)少于脈沖數(shù)越步：齒距數(shù)多于脈沖數(shù)6、失調(diào)角θ：?jiǎn)蜗喽ㄗ油姇r(shí)，該相定子齒與轉(zhuǎn)子齒的中心線不重合所夾角3、矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系

高速時(shí)，負(fù)載能力變差，這是其應(yīng)用受到限制的原因之一由圖看出：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的升高而降低原因：定子控制繞組有一定的電感量，回路有電氣時(shí)間常數(shù)，電感電流變化有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，達(dá)不到電流穩(wěn)態(tài)值。五、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)1、脈沖當(dāng)量δ：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)，工作臺(tái)走過(guò)的位移單位為mm/pulseδ=0.001～0.0025精密機(jī)床0.005～0.01數(shù)控機(jī)床0.1～0.15一般機(jī)床角脈沖當(dāng)量δα：就是步距角α(°/pulse)當(dāng)通過(guò)中間傳動(dòng)裝置時(shí)，角脈沖當(dāng)量δα為：M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖如下圖，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其脈沖當(dāng)量δ為：Z1Z2設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定δ，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)α，并選定絲杠的導(dǎo)程p,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等。2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù)一般根據(jù)TL

≤（30～50%）Tmax選擇Tmax其中TL為把負(fù)載折合到步進(jìn)電機(jī)軸的負(fù)載力矩，若相數(shù)、拍數(shù)較多，可選0.5，否則選0.3，考慮控制回路的復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)程度，一般取相數(shù)較少的。3、最高運(yùn)行頻率與速度關(guān)系.根據(jù)工作臺(tái)的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率fmax由得注意量綱：vmax(m/min)4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與加減速性能步進(jìn)電機(jī)的加減速性能與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的慣性力矩有關(guān)慣性力矩：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度越大，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率越低，加減速性能越差，越容易失步。通過(guò)減小步距角和減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改善啟動(dòng)、加減速性能5、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算作用在步進(jìn)電機(jī)軸的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：6、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算其中：Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）Jd是系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）是電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的角加速度（rad/s2）F作用在工作臺(tái)的摩擦力（N）FW作用在工作臺(tái)的外力（N）伺服系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的總效率（取0.7—0.85）

絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9）F0絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的力（N）P是絲杠螺距（mm）i是總傳動(dòng)比

基本公式圓柱體其中：Jd的計(jì)算對(duì)上圖所示的的系統(tǒng)，折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd由幾部分組成：

電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm

齒輪Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1

齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ2和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

工作臺(tái)折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于直線移動(dòng)的工作臺(tái)，折算到絲杠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：絲杠軸折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：因此，折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd為：對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：對(duì)于帶傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：R為齒輪分度圓半徑為驅(qū)動(dòng)軸的角速度v為工作臺(tái)的速度六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，其驅(qū)動(dòng)電路方式有多種：

單電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p55）

雙電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p56）

斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng)）

細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)控制繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，把步距角細(xì)分成若干步完成CLK六、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)（或計(jì)算機(jī)）產(chǎn)生，其基本控制作用如下：

控制換相順序（也稱(chēng)脈沖分配）

控制轉(zhuǎn)向（正反序通電）

控制速度（由單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率的大小決定）§5.3直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服電機(jī)類(lèi)型電勵(lì)磁：勵(lì)磁量容易調(diào)整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵(lì)磁功率，效率高，性能好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成：直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置反饋裝置直流電源及驅(qū)動(dòng)電路接口電路電樞控制原理：控制電樞繞組中的電流大小和方向，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測(cè)并反饋。圖1電樞控制原理二、直流伺服電機(jī)的特性

機(jī)械特性

調(diào)節(jié)特性當(dāng)控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓變化的關(guān)系圖2直流電機(jī)的靜態(tài)特性三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)在電樞上外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流電機(jī)的選擇2、設(shè)計(jì)的要求

根據(jù)負(fù)載的大小，選擇小慣量電機(jī)或大慣量電機(jī)（也稱(chēng)力矩電機(jī)）

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足要求

折算到電機(jī)軸的負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于或等于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速穩(wěn)定運(yùn)行，低速或重載

滿足穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求1、2、

滿足動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速其中：Tq為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩加速過(guò)程近似線性過(guò)程，則加速轉(zhuǎn)矩為：其中：nm為最高轉(zhuǎn)速為最高角速度

頻繁啟制動(dòng)或負(fù)載經(jīng)常變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩均方根值小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)等效發(fā)熱準(zhǔn)則，有：其中：Tn為額定轉(zhuǎn)速t為整個(gè)工作時(shí)間（或周期）Tt為瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩有三種調(diào)速方法：

電樞控制調(diào)速（即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，

磁場(chǎng)控制調(diào)速（即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，

混合調(diào)速（即恒功率調(diào)速），如主軸伺服驅(qū)動(dòng)，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率調(diào)速.如進(jìn)給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng)§5.4交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成

伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)

伺服驅(qū)動(dòng)器采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）三相逆變器、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)按照伺服電機(jī)類(lèi)型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：異步型交流伺服系統(tǒng)（IM）同步型交流伺服系統(tǒng)（SM）正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對(duì)數(shù)n0為同步轉(zhuǎn)速：通常采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：即在調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩維持在Tmax,氣隙磁通也在f為加在定子繞組的電源頻率E為定子繞組的電勢(shì)C為常數(shù)其中：U為電機(jī)的外加電壓

控制方式當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，有三種方式：

幅值控制：調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速

相位控制：調(diào)節(jié)控制電壓的相位角，改變轉(zhuǎn)速

幅值相位控制（電容控制）：調(diào)節(jié)控制電壓時(shí)，相位角隨之改變，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速目的

工作特性1、機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線

2、調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)系曲線圖3交流電機(jī)的靜態(tài)特性控制繞組勵(lì)磁繞組3、輸出特性P=f(n)：控制電壓不變時(shí)，輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，是有最大值的拋物線，當(dāng)堵轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)時(shí)，輸出功率為零，輸出功率的最大值在n=55%n空轉(zhuǎn)。

4、動(dòng)態(tài)特性n=f(t)外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程，理論分析知，交流和直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)類(lèi)似，因此，理想時(shí)，二者的動(dòng)態(tài)性相似三、同步交流伺服電機(jī)包括永磁同步交流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)1、永磁同步交流電機(jī)PMSM（PermanentMagnetSynchronousMotor）：2、無(wú)刷直流電機(jī)BDCM（BrushlessDCMotor）：用永磁體轉(zhuǎn)子代替繞線式轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組，省卻了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)、電刷等。將直流同步電機(jī)的定子永磁勵(lì)磁改為永磁體轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，直流電機(jī)的電樞電流改為定子三相繞組正、負(fù)方波電流，帶有電子換相器，其控制方式與交流伺服類(lèi)似。四、交流伺服電機(jī)的矢量控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩的控制容易，動(dòng)態(tài)性好，而交流電機(jī)的電樞電流不容易得到，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制較困難，進(jìn)行矢量控制的目的就是模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律三相交流量?jī)上嘟涣髁拷涣?直流變換逆變換等效直流量還原三相交流量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制五、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇

電機(jī)選擇

成本

轉(zhuǎn)矩慣量比

功率密度

調(diào)速范圍

對(duì)傳感器要求

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性

轉(zhuǎn)矩速度曲線§5.3伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)方案確定典型的開(kāi)環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺(tái)、機(jī)器人的關(guān)節(jié)移動(dòng)等。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：包括開(kāi)環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和閉環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹前者PC機(jī)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案確定實(shí)質(zhì)是對(duì)上述各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇設(shè)計(jì)

執(zhí)行元件的選擇

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇

開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中可以采用步進(jìn)電機(jī)、液壓伺服閥控制的液壓馬達(dá)和液壓缸、氣壓伺服閥控制的氣壓馬達(dá)和氣壓缸等作為執(zhí)行元件，其中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛，當(dāng)負(fù)載能力不夠時(shí)，考慮后者。總之，要考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、體積、成本等因素。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行變換和傳遞，伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)同步齒型帶傳動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)直線電機(jī)傳動(dòng)最常用步進(jìn)電機(jī)與絲杠螺母間的運(yùn)動(dòng)傳遞可能有多種形式：采用同步齒型帶傳動(dòng)絲杠：中心距較大通過(guò)減速器傳動(dòng)絲杠：減速器作用是配湊脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大、慣量匹配等通過(guò)聯(lián)軸器直接相連：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得高速，對(duì)電機(jī)負(fù)載能力要求較高

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對(duì)象，是進(jìn)行實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一般含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是指導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇，即二、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)

控制系統(tǒng)方案的選擇導(dǎo)軌的選擇：滾動(dòng)導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌、液體導(dǎo)軌塑料貼面滑動(dòng)導(dǎo)軌包括微機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路、接口電路等的選擇和設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取

=0.005-0.01mm/pulse初選步進(jìn)電機(jī)指：選擇步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型和步矩角混合式：兼以上二者優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高反應(yīng)式：小、f高、價(jià)格低，功耗大永磁式：大、f低，功耗小，斷電后仍有制動(dòng)力矩

計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

確定減速傳動(dòng)比按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù)參數(shù)選用傳動(dòng)比公式：計(jì)算出的傳動(dòng)比較小時(shí)，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng)傳動(dòng)比較大時(shí)，采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)增加時(shí)，使齒隙和靜摩擦增加，傳動(dòng)效率降低，故傳動(dòng)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3級(jí)。

傳動(dòng)級(jí)數(shù)的分配原則：傳動(dòng)比逐級(jí)增加（或前小后大原則），使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。計(jì)算時(shí)，按P104，級(jí)數(shù)選擇曲線和傳動(dòng)比分配曲線目的：為選擇步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析做基礎(chǔ)圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式：

確定步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd計(jì)算公式為：步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算：步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定：

驗(yàn)算慣量匹配步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)頻率確定：步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行頻率確定：根據(jù)啟動(dòng)頻率特性曲線：Tq對(duì)應(yīng)的fqmax

，實(shí)際運(yùn)行的fq<fqmax根據(jù)運(yùn)行頻率特性曲線：TL對(duì)應(yīng)的fmax

，實(shí)際運(yùn)行的f

<fmax電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)控制在：小慣量電機(jī)（Jm=0.00005kgm2）大慣量電機(jī)（Jm=0.1--0.6kgm2）比值太大，系統(tǒng)動(dòng)特性受負(fù)載變化干擾；比值太小，不經(jīng)濟(jì)，大馬拉小車(chē)。

計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度通過(guò)減速傳動(dòng)比i和絲杠導(dǎo)程p的合理搭配，使慣量匹配趨于合理。傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度為：此公式計(jì)算的主要是拉壓剛度，而絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度比拉壓剛度大的多，一般不予考慮扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：G為切變摸量

計(jì)算死區(qū)誤差

計(jì)算定位誤差死區(qū)誤差又稱(chēng)之為失動(dòng)量，指啟動(dòng)或反向時(shí)，系統(tǒng)的輸入與輸出運(yùn)動(dòng)間的差值產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動(dòng)死區(qū)（不靈敏區(qū)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙導(dǎo)軌副間的摩擦力由綜合拉壓剛度而產(chǎn)生的死區(qū)誤差：F為軸向負(fù)載力由于傳動(dòng)剛度變化引起定位誤差為：對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為系統(tǒng)允許的定位精度

驗(yàn)算固有頻率固有頻率的計(jì)算公式為：m是工作臺(tái)質(zhì)量或工作臺(tái)絲杠三、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)誤差分析

誤差來(lái)源

誤差校正

步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)的步距誤差，一般在左右，突然啟動(dòng)時(shí)有滯后，停止時(shí)有超前，從整個(gè)系統(tǒng)的誤差看，這一誤差較小，通常忽略不計(jì)；

齒輪傳動(dòng)：齒輪副的傳動(dòng)誤差和間隙會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成誤差；

滾珠絲杠副傳動(dòng)：滾珠絲杠副的軸向間隙產(chǎn)生誤差，而且由于綜合拉壓剛度不足，會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)誤差；

其它傳動(dòng)裝置：聯(lián)軸器、齒型帶傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成傳動(dòng)誤差。1、機(jī)械校正：提高機(jī)械裝置自身的精度，減少誤差，如消隙、減少等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、提高傳動(dòng)剛度、提高固有頻率等；2、電子校正：反向死區(qū)補(bǔ)償：利用反向死區(qū)補(bǔ)償電路調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電路電路具有自動(dòng)判斷方向的改變，并在反向