第4章+伺服系统设计

第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。

在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。

机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。

1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。

它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。

1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。

伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。

2 )稳定性好。

稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

3 )快速响应。

响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4)调速范围宽。

调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。

5 )低速大转矩。

在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

现代机械设计手册总目录(共6卷）化学工业出版社第1卷第1篇机械设计基础资料第1章常用资料和数据第2章法定计量单位和常用单位换算第3章优先数和优先数系第4章常用数学公式第5章常用力学公式第2篇零件结构设计第1章零件结构设计的基本要求和内容第2章铸件结构设计工艺性第3章锻压件结构设计工艺性第4章冲压件结构设计工艺性第5章切削件结构设计工艺性第6章热处理零件设计的工艺性要求第7章其他材料零件及焊接件的结构设计工艺性第8章零部件设计的装配及维修工艺性要求第3篇机械制图和几何精度设计第1章机械制图第2章尺寸精度第3章几何公差第4章表面结构第5章孔间距偏差第4篇机械工程材料第1章钢铁材料第2章有色金属材料第3章粉末冶金材料第4章复合材料第5章非金属材料第5篇连接件与紧固件第1章连接设计基础第2章螺纹连接第3章键、花键和销的连接第4章过盈连接第5章胀套及型面连接第6章焊、铆、粘连接第7章锚固连接第2卷第6篇轴和联轴器第1章轴第2章软轴第3章联轴器第7篇滚动轴承第1章滚动轴承的分类、结构型式及代号第2章滚动轴承的特点与选用第3章滚动轴承的计算第4章滚动轴承的应用设计第5章常用滚动轴承的基本尺寸及性能参数第8篇滑动轴承第1章滑动轴承的分类、特点与应用及选择第2章滚动轴承材料第3章不完全流体润滑轴承第4章液体动压润滑轴承第5章液体静压轴承第6章气体润滑轴承第7章箔片气体轴承第8章流体动静压润滑轴承第9章电磁轴承第9篇机架、箱体及导轨第1章机架结构设计基础第2章机架的设计与计算第3章齿轮传动箱体的设计与计算第4章机架与箱体的现代设计方法第5章导轨第10篇弹簧第1章弹簧的基本性能、类型及应用第2章圆柱螺旋弹簧第3章非线性特性线螺旋弹簧第4章多股螺旋弹簧第5章蝶形弹簧第6章环形弹簧第7章片弹簧及线弹簧第8章板弹簧第9章发条弹簧第10章扭杆弹簧第11章弹簧的热处理、强化处理和表面处理第12章橡胶弹簧第13章空气弹簧第14章膜片及膜盒第15章压力弹簧管第16章弹簧的疲劳强度第17章弹簧的失效及预防第11篇机构第1章结构的基本知识和结构分析第2章基于杆组解析法平面结构的运动分析和受力分析第3章连杆机构的设计及运动分析第4章平面高副结构设计第5章凸轮机构设计第6章其他常用机构第7章组合机构的设计第8章机构选型范例第12篇机械零部件设计禁忌第1章连接零部件设计禁忌第2章传动零部件设计禁忌第3章轴系零部件设计禁忌第3卷第13篇带、链传动第1章带传动第2章链传动第14篇齿轮传动(完整word版)现代机械设计手册总目录第1章渐开线圆柱齿轮传动第2章圆弧圆柱齿轮传动第3章锥齿轮传动第4章蜗杆传动第5章渐开线圆柱齿轮行星传动第6章渐开线少齿差行星齿轮传动第7章摆线针轮行星传动第8章谐波齿轮传动第9章活齿传动第10章塑料齿轮第15篇减速器、变速器第1章减速器设计一般资料第2章标准减速器及产品第3章机械无级变速器及产品第16篇离合器、制动器第1章离合器第2章制动器第17篇润滑第1章润滑基础第2章润滑剂第3章轴承的润滑第4章齿轮传动的润滑第5章其他元器件的润滑第6章润滑方法及润滑装置第7章典型设备的润滑第18篇密封第1章密封的分类及应用第2章垫片密封第3章密封胶及胶黏剂第4章填料密封第5章成形填料密封第6章油封第7章机械密封第8章真空密封第9章迷宫密封第10章浮环密封第11章螺旋密封第12章磁流体密封第13章离心密封第4卷第19篇液力传动第1章液力传动设计基础第2章液力变矩器第3章液力机械变矩器第4章液力耦合器第5章液黏传动第20篇液压传动与控制第1章常用基础标准、图形符号和常用术语第2章液压流体力学常用计算公式及资料第3章液压系统设计第4章液压基本回路第5章液压工作介质第6章液压缸第7章液压控制阀第8章液压泵第9章液压马达第10章液压辅件与液压泵站第11章液压控制系统概述第12章液压伺服控制系统第13章电液比例控制系统第21篇气压传动与控制第1章气压传动技术基础第2章气动系统第3章气动元件的造型及计算第4章气动系统的维护及故障处理第5章气动元件产品第6章相关技术标准及资料第5卷第22篇光机电一体化系统设计第1章光机电一体化系统设计基础第2章传感检测系统设计第3章伺服系统设计第4章机械系统设计第5章微机控制系统设计第6章接口设计第7章设计实例第23篇传感器第1章传感器的名词术语和评价指标第2章力参数测量传感器第3章位移和位置传感器第4章速度传感器第5章振动与冲击测量传感器第6章流量和压力测量传感器第7章温度传感器第8章声传感器第9章厚度、距离、物位和倾角传感器第10章孔径、圆度和对中仪第11章硬度、密度、粉尘度和黏度传感器第12章新型传感器第24篇控制元器件和控制单元第1章低压电器第2章单片机第3章可编程控制器（PLC）第4章变频器第5章工控机第6章数控系统第25篇电动机第1章常用驱动电动机第2章控制电动机第3章信号电动机和微型电动机第6卷第26篇机械振动与噪声第1章概述第2章机械振动基础第3章机械振动的一般资料第4章非线性振动与随机振动第5章机械振动控制第6章典型设备振动设计实例第7章轴系的临界转速第8章机械振动的作用第9章机械振动测量第10章机械振动信号处理与故障诊断第11章机械噪声基础第12章机械噪声测量第13章机械噪声控制第27篇疲劳强度设计第1章机械零部件疲劳强度与寿命第2章疲劳失效影响因素与提高疲劳强度的措施第3章高周疲劳强度设计方法第4章低周疲劳强度设计方法第5章裂纹扩展寿命估算方法第6章疲劳实验与数据处理第28篇可靠性设计第1章机械失效与可靠性第2章可靠性设计流程第3章可靠性数据及其统计分布第4章故障模式、效应及危害度分析第5章故障树分析第6章机械系统可靠性设计第7章机械可靠性设计第8章零件静强度可靠性设计第9章零部件动强度可靠性设计第10章可靠性评价第11章可靠性试验与数据处理第29篇优化设计第1章概述第2章一维优化搜索方法第3章无约束优化算法第4章有约束优化算法第5章多目标优化设计方法第6章离散问题优化设计方法第7章随机问题优化设计方法第8章机械模糊优化设计方法第9章机械优化设计应用实例第30篇反求设计第1章概述第2章反求数字化数据测量设备第3章反求设计中的数据预处理第4章三维模型重构技术第5章常用反求设计软件与反求设计模第6章反求设计实例第31篇数字化设计第1章概述第2章数字化设计系统的组成第3章计算机图形学基础第4章产品的数字化造型第5章计算机辅助设计技术第6章有限元分析技术第7章虚拟样机技术第32篇人机工程与产品造型设计第1章概述第2章人机工程第3章产品造型设计第33篇创新设计第1章创新的理论和方法第2章创新设计理论和方法第3章发明创造的情景分析与描述第4章技术系统进化理论分析第5章技术冲突及其解决原理第6章技术系统物-场分析模型第7章发明问题解决程序—-ARIZ法。

伺服进给系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握伺服进给系统的基本概念、分类和工作原理；2. 了解伺服进给系统在自动化设备中的应用和重要性；3. 掌握伺服电机、驱动器、编码器等关键部件的选型和使用方法；4. 学会分析伺服进给系统的性能指标，如稳定性、精度和响应速度。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行伺服进给系统设计、调试和优化的能力；2. 提高学生运用相关软件（如CAD、MATLAB等）进行系统仿真和分析的技能；3. 培养学生团队协作和沟通能力，能够就伺服进给系统相关问题进行讨论和交流。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对机械工程和自动化领域的兴趣，激发学生探索精神和创新意识；2. 增强学生环保意识，认识到伺服进给系统在节能减排方面的重要性；3. 培养学生严谨、负责的学习态度，提高学生面对工程问题的解决能力。

课程性质分析：本课程为机械工程及自动化专业课程，旨在让学生掌握伺服进给系统的设计原理和实际应用。

课程具有较强的实践性和应用性。

学生特点分析：学生处于本科阶段，已具备一定的机械基础和自动化知识，具有较强的学习能力和动手能力。

教学要求：1. 理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力；2. 采用案例教学，提高学生的工程意识；3. 强化团队合作，培养学生的沟通协调能力。

二、教学内容1. 伺服进给系统概述- 伺服进给系统的基本概念、分类和发展趋势；- 伺服进给系统的工作原理及其在自动化设备中的应用。

2. 伺服进给系统关键部件- 伺服电机的类型、结构及性能指标；- 驱动器的选型、连接和调试方法；- 编码器的种类、原理及其在伺服系统中的应用。

3. 伺服进给系统设计- 伺服进给系统的设计原则和步骤；- 伺服电机、驱动器和编码器的选型方法；- 系统参数的调试和优化。

4. 伺服进给系统性能分析- 系统稳定性、精度和响应速度等性能指标；- 相关软件（如CAD、MATLAB等）在系统仿真和分析中的应用。

2024年《变频及伺服应用技术》教案一、教学内容本节课选自2024年《变频及伺服应用技术》教材的第三章“变频器的原理及其应用”和第四章“伺服系统的设计与实现”。

具体内容包括：变频器的基本结构、工作原理及其控制方式；伺服系统的组成、类型及性能指标；变频器和伺服系统在实际工程中的应用案例。

二、教学目标1. 了解变频器的基本结构、工作原理及控制方式，掌握变频调速的原理及方法。

2. 熟悉伺服系统的组成、类型及性能指标，掌握伺服系统的设计与实现方法。

3. 能够运用所学知识，分析并解决实际工程中变频器和伺服系统的问题。

三、教学难点与重点重点：变频器的工作原理及控制方式；伺服系统的设计与实现。

难点：变频调速系统的设计及优化；伺服系统参数的调整与调试。

四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实物模型、实验设备。

2. 学具：笔记本、教材、计算器。

五、教学过程1. 导入：通过实际工程案例，引出变频器和伺服系统的应用场景，激发学生学习兴趣。

2. 理论讲解：（1）讲解变频器的基本结构、工作原理及控制方式；（2）介绍伺服系统的组成、类型及性能指标；（3）分析变频器和伺服系统在实际工程中的应用案例。

3. 实践操作：（1）展示变频调速实验，让学生直观感受变频器的调速效果；（2）组织学生进行伺服系统设计及调试实验，提高学生的动手能力。

4. 例题讲解：结合教材，讲解典型例题，巩固所学知识。

5. 随堂练习：布置相关练习题，检验学生对知识的掌握程度。

六、板书设计1. 变频器的基本结构、工作原理及控制方式；2. 伺服系统的组成、类型及性能指标；3. 变频调速实验原理及步骤；4. 伺服系统设计与调试方法。

七、作业设计1. 作业题目：（1）简述变频器的工作原理及控制方式；（2）分析伺服系统的性能指标及其影响因素；（3）设计一个简单的变频调速系统，并给出参数计算过程。

2. 答案：（1）变频器工作原理：通过改变电机供电频率，实现电机转速的调节。