《机电一体化系统设计》第4章伺服系统设计PPT课件

转模 模
设计原则
计外阻度考 原形尼精虑 则美、度刚
观最、度 灯小惯和 设和量强
、
19
2、测量模块
功能：采集有关系统状态和行为的信息； 组成：由传感器、调理电路、变换电路组成 输入：确定机械受控模块性能的物理变量，如：压力、
位移、速度等； 输出：被测量的特征值，如：电压、电流、相位等； 设计要求：不失真地反映被测物理量的时间变化曲线。
的一种反馈控制系统称为 【B 】
❖ A．数控机床
B．伺服系统
❖ C．自动导引车 D．顺序控制系统
❖ （ 06、4 ）．有伺服放大器、执行机构、传动装
置等组成的模块称
【A 】
❖ A．机械结构模块 B．测量模块
❖ C．驱动模块
D．接口模块
34
真题解析——选择题
❖ （ 05、4 ）1、主要用于系统中各级间的信息传递 的模块称为【 】 B
及自动引导车联接起来的系统称( C )
❖ A.顺序控制系统
B.计算机集成制造系统
❖ C.柔、4 ）1.受控变量是机械运动的一种反馈控
制系统称(
)B
❖ A.顺序控制系统 B.伺服系统
C.数控机床
D.工业机器人
36
真题解析——问答题
（ 13、7 ） ❖ 11．简述典型机电一体化系统中微计算机模块的定
❖ A．自动引导车 B．伺服系统 ❖ C．工业机器人 D．数控系统 ❖ （ 13、4 ）1.系统的输入输出满足线性叠加原理
的系统称为 【 A 】 ❖ A．线性系统 B．时变系统 ❖ C．定常系统 D．随机系统
31
真题解析——选择题
❖ （ 11、4 ）1、负责系统内部个模块之间信息传递 的模块称为【 C 】

绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的， 它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数， 什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的 位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠 性大大提高了。
光栅传感器
长光栅横向模尔条纹
从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ 很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫 尔条纹间距B为:
三、步进电动机及其控制Fra bibliotek3) 最大静转矩和失调角 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和
定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角 度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这 个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最 大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。
二、伺服电机及其控制
二、伺服系统类型
按被控量的不同可以将伺服系统分为位置 伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的 是位置伺服系统 ；
按照控制方式，可将伺服系统分为开环、 闭环、半闭环系统 。 （P25）
根据执行器使用的动力源，可以将伺服系 统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气 压伺服系统等几种类型
二、伺服系统类型
定子：磁场—永磁体
转子：电枢绕组
换向：换向器与电刷
二、伺服电机及其控制
(2) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为（P101）：
nCUe c CeCRt2 T
式中，U c 一电枢控制电压；R一电枢回路电
阻； —每极磁通；C e 、C t —分别为电动机
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。

工件自动装卸机系统
足部按摩器

机械传动系统的设计是机电一体化设备设计中的极其重要的
一环，也是比较繁难的工作，要求设计人员对传动机构的性能、 运动、工作特点和使用场合有深入的了解和丰富的实际知识和设 计经验。一般的设计步骤为：
1）根据设备与其完成的生产任务选定机械的工作原理和传 动方案，完成同一工作可采用不同的工作原理，也可有不同的传 动方案，采用最佳设计方案，从而确定执行构件的数目、运动形 式及运动协调配合。
优点：每一元功能可以由多种功能载体，可以组合多种方案，选出最
佳。缺点：工作量大，新课题下手很难。适用于总功能可以分解，多数元 功能可以用现有的科技知识来解决的问题。
（2）模仿改造法 用现有的类似的技术装备，保留原装置的有利条件，消除其不利条件，
增加其缺少的条件，从而使其能满足现设计的要求。设计时，应多选几种 原型机。
4.1.1机械传动系统的方案拟定 1．机械的原始运动参数 （1）执行构件的运动参数。执行构件常见的运动形式有回转运 动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。 回转运动又分为三种，连续回转运动（车床、钻床等），运动 参数为每分钟转数；间歇回转运动（转位机构、放映机的抓片机 构等），运动参数为每分钟转位次数、转角的大小和运动系数等； 往复摆动（颚式破碎机），运动参数为每分钟摆动次数。 直线运动也分三种，往复直线运动（牛头刨床、插床），运 动参数为每分钟行程数、行程大小、行程速比系数等；带停歇的 往复直线运动（自动机的刀架），运动参数为一个工作循环中， 停歇次数多少、停歇的位置、停歇时间的长短、行程的大小和工 作速度等；带停歇的单向直线运动（刨床的进给机构），运动参 数为每次进给量的大小。 曲线运动分为两种，沿固定不变的曲线运动（搅拌机），沿 可变曲线运动（起重机）。

谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
《机电一体化系统设计》_伺服系统设计 解析
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比

第4章 伺服控制系统与执行元件
4.被控对象； 5.检测环节； 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需 要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路(过程控制中变 送单元)。 4.1.2伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。 (1)按被控量参数特性分类。位移、速度、力矩等各种伺服 系统 (2)按驱动元件的类型分类。电气伺服系统、液压伺服系统、 气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直 流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。 (3)按控制原理分类。开环控制伺服系统、全闭环控制伺服 系统和半闭环控制伺服系统
第4章 伺服控制系统与执行元件
3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速 度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关， 如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 4.工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。 当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作； 而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。
第4章 伺服控制系统与执行元件
第4章 伺服控制系统与执行元件
4.1 概述
4.1.1伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但
从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括 控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等 五部分。图4-1给出了伺服系统组成原理框图。
图4-1 伺服系统组成原理框图
第4章 伺服控制系统与执行元件
4.2 执行元件
4.2.1执行元件的分类及其特点 执行元件是能量变换（转换）元件，其目的是控制
机械执行机构运动，是机电一体化系统（产品）必不可 少的驱动部件。如数控机床主轴转动、工作台进给以及 工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件 即为执行元件。

G
三、传动系统等效负载转矩的计算
传动系统等效负载转矩T 可根据静态时功率守恒原则进行 计算。下面以机床工作台的进给伺服系统为例，说明等效 负载转矩的计算方法。如图4-5所示，当系统匀速运动时， 考虑进给切削力 和因部件重力G而产生的摩擦力，则所 Ff 需的负载功率为： P ′L = ( F f + Gµ )vi = ( F f + Gµ ) Ph n s （4-3） 式中 ：F f ——运动部件所受的进给切削力，单位为N； G ——工作台运动部件的总重力，单位为N； v i ——运动部件的移动速度，单位为m/s µ ——导轨的摩擦系数； ——滚珠丝杠的导程，单位为m； Ph ns——滚珠丝杠的转速，单位为r/s
2. 按使用的驱动元件分类 （1）步进伺服系统 驱动元件为步进电动机。常 用于开环/半闭环位置伺服系统，控制简单，性能/ 价格比高，维修方便。缺点是低速有振动，高速输 出转矩小，控制精度偏低。 （2）直流伺服系统 驱动元件为小惯量直流伺服 电动机或永磁直流伺服电动机。小惯量伺服电动机 最大限度地减低了电枢的转动惯量，所以能获得较 好的快速性；永磁直流伺服电动机能在较大的负载 转矩下长时间工作，电动机的转子惯量大，可与丝 杠直接相联。 （3）交流伺服系统 驱动元件为交流异步伺服电 动机或交流永磁同步伺服电动机。可以实现位置、 速度、转矩和加速度等的控制。
P ′L ( F f + Gµ ) Ph n s ( F f + Gµ ) Ph η= = = PM 2π Teq n m 2π Teq i
(4-5)
式中 i ——传动机构的传动比, i = n m n s 由式(4-5)可得，折算到电动机轴上的等效负载转矩为： (4-6) ( F f + Gµ ) Ph Teq = 2πη i

四、系统论、控制论和信息论的相互关系 系统论、
信息论研究的是如何认识信息和度量信息。 而系统论和控制论是研究如何利用信息，系统 论是利用信息来实现系统最优化，控制论是利 用信息来实现系统的有目的最佳控制。
1.5.2 关键技术（技术构成） 关键技术（技术构成）
1、机械技术 、
数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品和系统 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品
机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目 的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中 的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，它还可以在办 公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化 技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。
1.2 机电一体化系统的基本组成
1.2.1 机电一体化系统的功能组成
D、节约能源
• 机电一体化的产品 ， 可以节约材料、 节约 机电一体化的产品， 可以节约材料 、
能源。 能源。例如： • 我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械 式 ， 如果用电子式调整器每年全国可节约 电600万度； 600万度； • 汽油机电子点火； • 液压挖掘机电子节能。

2. 快速发展阶段 ▲ 时间： 20世纪70年代到80年代
▲ 发展情况：
计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一 体化的发展奠定了技术基础，人们自觉、主动地利用３Ｃ技
术的成果创造新的机电一体化产品。Mechatronics诞生。 这一阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展， 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持， 其中日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。 我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，80年代开 始，组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、 层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制订了一系列有利 于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动 化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域 及6项共性关键技术的研究方向和课题。
机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品 （或系统）得以实现、使用和发展的技术。
机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传
感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械 技术及系统总体技术等。
机电一体化产品（系统）
机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是 两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电 结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件 系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。
数 控 铣 床
数控车床
焊接机器人

汽车防抱死系统(ABS)
1.2 发展概况
在机电一体化技术的发展过程中，其不断吸取机械学、 电子学、信息科学等学科的发展成果，以实现本学科的发 展壮大。由于这些相关学科的发展都经历了较长的过程， 因此，机电一体化技术的发展经历了一个较长期的过程。 有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能 化阶段三个阶段。

特点
• 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部 分加上电器、液压和机械控制等部分组成
• 机电一体化机械系统是由计算机协调控制的，用于完 成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和 （或）机电部件相互联系的系统组成，其核心是由计 算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服 系统。
• 机电一体化中的机械系统需使伺服电机和负载之间的 转速、转矩及惯量得到匹配，即在满足伺服系统高精 度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有 较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命 长等特点。
• 功能——是传递动力和运动 • 作用——机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影
响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动 的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。
（2） 支承与导向机构
• 作用——为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其 特定方向的运动提供支承和导向。
（3） 执行机构
⑤差动传动方式
作用——是支承做回转运动的轴或丝杠；
弹性膜片联轴器——传递较大扭矩；
（4） 良好的结构工艺性 ：机械加工工艺性和装配工艺性
现代钢带传动产品的特点
表4-3 常用设备推荐寿命（小时）
结构简单，相对刚度低，预紧可靠，用于较小直径丝杠
轴向基本额定动载荷Ca——一组（相当数量）相同参数的滚珠丝杠副，在相同的条件下，运转10e6转时，90%的滚珠丝杠副的螺纹滚道
• 作用——执行机构根据操作指令的要求在动力 源的驱动下，完成预定的操作。一般要求它具 有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等。
• （4） 轴系
• 作用——传递转矩及精确的回转运动，它直接 承受外力（力矩）
• （5） 机座机架
• 作用——承重、支撑、保证各零部件相对位置 的基准作用。