伺服系统中机械部件选择与设计
机电一体化系统设计_第二章机械部件选择与设计
d) 弹簧式自动预紧调整
但结构复杂、轴向刚度较差、适合清载场合。
（3）选择滚珠丝杠副支承方式
为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传 动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。
a) 单推--单推式支承
特点：两端止推轴承可使滚珠丝杆产生预拉伸力， 提高了丝杆安装刚度，预拉力越大，轴承寿命降低。
3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤
依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、 丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚 道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。 〃 承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择 在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、 疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。 〃 压杆稳定性验算或校核 压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和 变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。 〃 刚度验算 结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。 **由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。
滚珠丝杠副的四种支承方式及其特点
（4）滚珠丝杠副的制动装置
作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠 丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能 力）。 常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。
2 1
6 7
3
4
5
4 3 2 1
超越离合器
双推式电磁离合器
超越离合器的工作原理
超越离合器是利用主动件和从动件的转速变化或回转方 向变换而自动接合和脱开的一种离合器。当主动件带动从 动件一起转动时，称为结合状态；当主动件和从动件脱开 以各自的速度回转时，为超越状态。
超越离合器具有以下功能 a.在快速进给机械中实现快慢速转换、超越功能。 b.实现步进间隙运动和精确定位的分度功能。
机械装备设计
（一）普通卧式车床主轴部件结构分析：1.主轴头大尾小，轴上零件依次从头向尾安装；2.主轴采用齿轮传动，传动齿轮位于前后支承之间，中间设置辅助支承，。
3.前、后主支承均为圆柱滚子轴承，属于刚度型配置；前,后滚子轴承均采用锁紧螺母预紧；4.前端设置双向推力角接触球轴承，承受双向轴向载荷；5.因圆柱滚子轴承允许轴向窜动，故主轴受热后向后端延伸；结构分析：1.主轴直径头大尾小轴上零件依次从头向尾安装2. 主轴尾部安装卸货皮带轮，传动的径向力直接传递到轴承座；3. 主轴前后支承均为两个同向角接触球轴承，前后支承为背靠背安装，为速度型配置；轴承通过螺母1锁紧；通过调整轴套2与轴承座之间的轴向公差实现预紧。
机械：机构与机器总称。
机构为变换和传递力和运动的可动装置机械制造装备：用于制造机械产品的工具或产品，典型的装备是机床。
机械制造过程：从原材料开始，经过热、冷加工，装配成产品，对产品进行调试和检测、包装和发运的全过程。
机械制造装备的发展趋势:(1)高效、高速、高精度方向发展(2)多功能复合化、柔性自动化（3）绿色制造和可持续发(4）智能化装备（5）北京机床博览会（一）机械制造生产模式的演变:（1）单件小批量，作坊式生产（2）中小批量生产，（3）大批量，流水线生产(4)大批量定制生产，大批量定制是以大批量生产的成本和速度,提供定制的个性化产品和服务的生产模式机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备四大类。
（1）加工装备：主要指采用机械制造方法制作机械零件的机床。
机床是制造机器的机器，也称工作母机。
包括：金属切削机床、特种加工机床、锻压机床等。
（2）工艺装备：各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。
它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。
（3）仓储运送装备：仓储运输装备包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等。
（4）辅助装备：排屑装置、过滤装置、清洗设备等。
金属切削机床：俗称工作母机，是机械制造业的基础装备，性能要求高于其它机械产品。
机电一体化系统设计伺服系统设计
二、伺服电机及其控制
2 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应
用最为广泛.
桥式(H形)PWM变换器主电路
二、伺服电机及其控制
作用在电机两端的 平均电压为：
UAB(2Tton1)Us
二、伺服电机及其控制 3 直流伺服系统模型
二、伺服电机及其控制
1校正环节：一般速度环调节器为比例环节 G1S =Kp
1 系统等效转动惯量 的计算
系统运动部件动能的总和J d为x
E1 2im 1Mi Vi21 2jn1Jj
2 j
二、伺服系统稳态设计
设等效到执行元件输出轴上的总动能为
Edx
1 2
Jdx
d2
根据动能不变的原则,有 Edx ,E系统等效转动惯量
为
Jdxim 1Mi Vid2jn1Jj dj 2
一、方案设计
4．控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机
控制方式、驱动电路等的选择.常用的微型机有单 片机、单板机、工业控制微型机等,其中单片机由 于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多 方面的优越性,在伺服系统的控制中得到了广泛的 应用.
二、伺服系统稳态设计
系统方案确定后,应进行方案实施的具体化设 计,即各环节设计,通常称为稳态设计.其内容主要 包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系 统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等 环节的设计与计算.稳态设计要满足系统输出能力 指标的要求.
可按下面公式计算
360
0பைடு நூலகம்
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数.
同一台步进电动机,因通电方式不同,运行时步 距角也是不同的
机电复习汇总资料
第一章填空1、系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
2、随着微电子技术、软件技术及配套关联技术的发展，机械开始赋予了大脑的功能，逐渐走向了真正摆脱人干预的闭环自动控制，实现了以电代机、以软件代硬件、机电有机融合的机电一体化技术。
3、机电一体化的含义是“机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。
4、机电一体化的概念已不再局限于某一具体产品的范围，而是扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统，如柔性制造系统、计算机集成制造系统及各种工业过程控制系统。
5、机电一体化的目的是提高系统(产品)的附加值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短小轻薄化方向发展，以满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。
6、根据不同的使用目的，要求机电一体化系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理。
7、机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。
8、要从能量流、信息流及物质流的视角去分析机电一体化共性关键技术。
9、要从伺服控制系统稳、准、快的要求认识机电一体化共性关键技术。
10、构成机电一体化系统的要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。
为此，各要素或各子系统连接处必须具备一定的“联系条件”，这些联系条件称为接口。
第三章机械系统部件的选择与设计1．丝杠螺母机构四种基本传动形式包括：螺母固定、丝杆转动并移动，丝杆固定、螺母转动并移动，丝杆转动、螺母移动和螺母转动、丝杆移动。
2. 滑动导轨副常见的截面形状有三角形、矩形、燕尾形和圆形。
3. 轴系(主轴)用标准滚动承轴的类型有向心轴承、向心推力轴承和推力轴承。
4. 在同步带传动中，带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。
浅谈伺服系统的设计
浅谈伺服系统的设计作者：张春凤来源：《职业·中旬》2010年第05期一、伺服系统及其构成伺服系统(Servo system)也叫随动系统,是自动控制系统的一种。
光机电一体化系统中的伺服系统,以机械量(如位移、速度、加速度、力和力矩等)作为控制量,在控制指令作用下驱动执行元件,使机械的运动部件按照控制指令的要求运动,并满足一定的性能指标。
伺服系统的基本要求是使系统的输出量能够快速而精确地跟随输入指令的变化规律。
伺服系统通常具有负反馈的闭环控制系统,也有采用开环控制系统。
伺服系统服务的对象很多,如计算机光盘驱动控制、弧焊机器人轨迹控制、雷达跟踪系统等,都需要使用伺服系统。
虽然服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等不同,对伺服系统的要求有差别,但所有伺服系统的共同点则是带动控制对象按照指定规律作机械运动。
伺服系统的一般组成可描述为图1所示的形式。
伺服系统的执行元件是机械部件和电子装置的接口,功能是根据控制器发出的控制指令,将能量转换为机械部件运动的机械能。
根据执行元件能量转换形式的不同,可以分为电气元件、液压元件和气压元件3种。
伺服系统的执行元件可由3种元件独立构成,也可以互相组合。
如完全由电气元件组成的电气伺服系统,由电气和液压元件组合的电气一液压伺服系统等等。
电气执行元件也就是通常所说的电机,具有能源易获取、干净无污染、控制性能良好等优点,目前多数伺服系统采用电机作为伺服系统的执行元件。
二、伺服系统的基本要求1.对系统稳态性能的要求伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、速度误差、加速度误差。
速度误差是指系统处于等速跟踪状态时,输出轴与其输入轴作相等的匀速运动时,同一时刻二者的转角差;加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时,在同一时刻两轴之间的最大差值。
2.对伺服系统动态性能的要求伺服系统应渐近稳定并留有一定的稳定裕量。
在典型信号输入下,系统的时域响应特性要满足规定要求。
伺服系统
内容提要
1 2 3 4
常用执行装置
步进伺服系统
交流伺服系统
直流伺服系统
常见执行装置
1.微动装置
（1）机械式微动装置
常见执行装置
1.微动装置
（2）热变形式微动装置
常见执行装置
1.微动装置
（3）磁致伸缩式微动装置
常见执行装置
1.微动装置
（4）电气机械式微动装置
常见执行装置
2.工业机器人末端执行期
交流伺服系统
一、交流伺服驱动系统的组成
一般闭环伺服系统的结构是一个三环结构系统，外环 是位置环，中环是速度环，内环为电流环。
CNC 位置调节 速度调节 电流调节 转换驱动 电流反馈 工作台
M
G
速度反馈
位置反馈
交流伺服系统
二、闭环位置控制的实现
插补程序输出ΔX，新的指令位置X+ΔX与计数器中的
实际位置XF进行比较，其差值经增益放大，并由D/A转换为
（1）机械夹持器
常见执行装置
2.工业机器人末端执行期
（1）机械夹持器
常见执行装置
2.工业机器人末端执行期
（2）特种末端执行期
真空吸附手
电磁吸附手
常见执行装置
3.静压轴承
工作原理：依靠供油装 置，将高压油压入轴承 间隙中，强制形成油膜。 节 特点：静压轴承在任 何工况下都能胜任工 作。
设计：潘存云
交流伺服系统
2、伺服系统的参数 速度环
增益
零点漂移 测速反馈深度
滞后时间常数
位置环 增益
精停和粗停允差
反向间隙补偿 丝杠螺距误差补偿
项目二 进给伺服驱动系统
3、全数字式伺服系统 CNC系统与伺服驱动之间传递的信息包括：位置、速度、 扭矩等，伺服驱动装置可独立完成位置控制。
电液伺服系统的设计与实现
电液伺服系统的设计与实现随着科技的不断发展，机械设备的功能和性能要求也越来越高。
而在众多机械设备中，电液伺服系统以其优良的性能和高效的工作模式，已经成为了广泛应用的设备之一。
本文将就电液伺服系统的设计和实现进行讨论，以期提高其性能和工作效率。
一、电液伺服系统的组成电液伺服系统是由3个部分组成的：电子控制单元、电液传动系统和执行机构。
1. 电子控制单元电子控制单元包括控制器和信号处理器，控制器是整个系统的核心。
它可以接收来自传感器的反馈信息，根据内部程序计算出控制信号，并输出到执行机构，实现对执行机构的精确控制。
2. 电液传动系统电液传动系统是整个电液伺服系统的动力源，它包括电液转换器、电动机、泵、油箱、阀门等组成。
电动机通过传动装置，驱动泵产生压力液体，液体经过阀门进入执行机构，实现机械臂等动作。
3. 执行机构执行机构是电液伺服系统的输出节点，它通过接收液压驱动，转换为机械运动。
在典型的电液伺服系统中，执行机构通常包括液压缸、液压马达、液压单元等。
二、电液伺服系统的优点1. 精度高因为电液伺服系统可以接收来自传感器的反馈信息，根据内部程序计算出控制信号，并输出到执行机构，实现对执行机构的精确控制，所以其控制精度很高，可以满足高精密度机械设备的要求。
2. 动态性能好电液伺服系统的调节速度快，反应灵敏。
它不仅可以适应于各种工况的需要，而且可以根据需要进行控制和调节。
相比之下，其他传动系统难以满足这些要求。
3. 可扩展性强电液伺服系统的结构比较清晰，它根据要求可以进行功能扩展。
同时，它也可以与其他的控制系统进行集成，如PLC、CAN总线等。
三、电液伺服系统的设计电液伺服系统的设计必须根据所需的实际应用来进行，下面简单介绍了一些设计方法。
1. 系统参数计算电液伺服系统的设计一定要进行系统参数计算，以确保正确的系统工作。
主要包括负载惯性、运动速度、加速度、油液流量、泵、马达的型号、离合器等参数的计算。
2. 控制系统设计控制系统设计是电液伺服系统设计的核心问题。
伺服驱动系统设计方案及对策
伺服驱动系统设计方案及对策一、硬件设计方案及对策：1.选用高性能的伺服电机和驱动器：根据具体需要选择适合的伺服电机和驱动器，确保其具备足够的功率和控制精度。
在选择过程中，需要对驱动器的技术参数进行充分了解，并评估其适用性和可靠性。
2.采用合适的编码器：编码器用于测量电机的位置和速度，对伺服驱动系统的控制精度至关重要。
选择合适的编码器，能够提供高分辨率和高精度的反馈数据，并且具备良好的抗干扰性能。
3.电源设计：伺服驱动系统对电源质量和稳定性要求较高，需要提供稳定的电源供应和电磁兼容性设计，避免电源波动对系统性能的影响。
4.散热设计：伺服电机和驱动器在运行时会产生较大的热量，必须进行有效的散热设计，以确保系统的稳定性和可靠性。
可采用风扇散热、散热片等方式来降低温度。
5.机械设计：在伺服驱动系统中，机械结构的设计对系统性能有很大影响。
需要针对具体应用场景选择合适的传动方式和结构设计，考虑到负载、速度、精度等因素。
6.停电保护设计：为了避免突发停电导致系统损坏，可以设计备用电池或超级电容器等储能装置，以保证在停电短时间内继续工作并正常停机。
二、软件设计方案及对策：1.控制算法设计：通过对伺服电机的位置、速度和加速度等参数进行精细控制，实现对运动轨迹的准确控制。
设计合理的控制算法，能够提高系统的控制精度和稳定性。
2.运动控制软件设计：根据伺服驱动系统的应用需求，设计合理的运动控制软件，包括运动插补算法、软件调速、位置校正等功能。
3.通信接口设计：伺服驱动系统通常需要与上位机或其他设备进行通信，需要设计合适的通信接口，以实现数据传输和控制。
4.用户界面设计：为了方便用户操作和监测系统运行状态，可以设计友好的用户界面，包括参数设置、故障诊断、实时监控等功能。
5.系统诊断与故障检测设计：通过设计合理的系统诊断和故障检测功能，可以检测和排除系统故障，提高系统的可靠性和稳定性。
三、通信网络设计方案及对策：1.选择适当的通信协议：根据伺服驱动系统所处的应用环境和通信要求，选择适当的通信协议，如CAN总线、以太网等。
伺服电机如何进行选型
伺服电机选型技术指南1、机电领域中伺服电机的选择原则现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。
伺服驱 动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。
首先要选出满足给 定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。
述度自廿比 ioa% 各种电机的T-3曲线 (1)传统的选择方法这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表 示，对于旋转运动用角速度3 (t)，角加速度a (t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时 间的函数，与其他因素无关。
很显然。
电机的最大功被电机最大应大于工作负载所需的峰值 功率P 峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的 传动机构中它们是受限制的。
用3峰值，T 峰值表示最大值或者峰值。
电机的最大速度决定了 减速器减速比的上限，n 上限二3峰值最大/3峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限， n 下P 「T 峰值/T 电机,最大，如果n 下限大于n 上限，选择的电机是不合适的。
反之，则可以通过对每 种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。
只用峰值功率作为选择电机的原则 是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。
(2)新的选择方法一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方 法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便，另外，还提供了传动比的一个可 能范围。
这种方法的优点：适用于各种负载情况;将负载和电机的特性分离开；有关动力的 各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。
因此，不再需要用大量的类比来检查 电机是否能够驱动某个特定的负载。
在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。
比如，一个大的传动比会 减小外部扭矩对电机运转的影响，而且，为输出同样的运动，电机就得以较高的速度旋转， 产生较大的加速度，因此电机需要较大的惯量扭矩。
机械传动部件影响伺服机构性能的因素
文章编号:1001-3997(2001)01-0076-01机械传动部件影响伺服机构性能的因素张建伟 张莉军 (齐齐哈尔第一机床厂,齐齐哈尔 161005) 中图分类号:TH132 文献标识码:B 驱动各加工坐标轴运动的传动装置就称为进给伺服系统。
它包括机械传动部件和产生主动力,控制其运动的各种驱动装置。
机械传动部件通常有:进给齿轮箱、滚珠丝杠螺母副、工作台或刀架等。
机械传动部件在伺服机构中的重要性常常被机床的用户忽视,特别是在机床出现故障进行维修时,首先是找电气人员,过多地依赖电气人员,而不是首先检查机械,检查传动链中各机械环节的故障因素。
只有在机械传动部件良好的条件下才能迅速找出电气系统中的故障因素,也只有在这种条件下,才能调试出优良性能的伺服系统,提高机床的加工精度。
机械传动部件影响伺服机构性能的因素有以下几方面:(1)刚性:部件的刚性好就是说它的弹性变形小。
这样的部件组成的传动链受负载的扰动时不易引起振动,传动灵敏,接收到运动指令后可立即跟随,动作传递性好,因之可以获得较高的运动精度。
容易引起刚性问题的部件主要有:连轴节、滚珠丝杠。
这些部件的刚性,在机床使用过程中一般变化不大,只是在设计时应该考虑有适当的变形量。
(2)间隙:它包括各机件间的连接间隙,伺服机构运动时表现为反向间隙,是构成运动损失量(又称失动量)的一部分:在开始接受到运动指令时,坐标轴不动。
因此,在半闭环系统中会造成位置误差。
在全闭环系统中,这等于加入一个延时环节,因此会影响系统的运动特性。
当然,在C NC系统中,对间隙都做了补偿,这只能是减轻了间隙对伺服机构的影响程度,绝不会免除其造成的恶果。
这是因为:(1)不可能做到完全补偿,补偿是静态的,而运动会造成动态间隙;(2)补偿是只有一个,而正反向间隙不会是一致的。
在工作中,间隙是要变化的。
机床经过一段时间工作后,应检查其间隙,一经发现变化,应修改C NC系统中补偿量的设定值。
伺服电机设计方案
伺服电机设计方案1. 引言伺服电机是一种能够通过反馈信号来控制输出位置、速度或力矩的电机。
它广泛应用于机械、自动化、机器人等领域。
本文将介绍伺服电机的设计方案，从电机选型、控制系统设计以及应用注意事项等方面进行阐述。
2. 电机选型在进行伺服电机设计前，首先需要进行电机选型。
电机选型的关键是根据实际应用需求确定电机参数，例如额定功率、电压、转速范围等。
同时，还要考虑电机的尺寸、重量、使用环境和成本等因素。
常见的伺服电机类型包括直流伺服电机（DC Servo Motor）、步进伺服电机（Stepper Servo Motor）和交流伺服电机（AC Servo Motor）。
根据具体应用需求，选择合适的电机类型。
3. 控制系统设计伺服电机的控制系统设计是确保电机准确控制和稳定性的关键。
一个典型的伺服电机控制系统包括以下几个部分：3.1 反馈传感器反馈传感器用于感知电机的转动角度、速度和位置等信息，并将这些信息反馈给控制系统。
常用的反馈传感器包括编码器（Encoder）、霍尔传感器（Hall Sensor）和光电传感器（Photoelectric Sensor）。
选择合适的反馈传感器能够提高伺服电机的控制精度。
3.2 控制器控制器是伺服电机控制系统的核心部分，它负责接收来自反馈传感器的信号，并通过算法计算出反馈信号与设定值之间的误差，并产生控制信号输出给电机驱动器。
常见的控制器类型包括PID控制器、模糊控制器和自适应控制器。
选择合适的控制器能够保证伺服电机的稳定性和控制精度。
3.3 电机驱动器电机驱动器用于控制电机的运行，接收控制器发出的信号，并将其转换为合适的电流、电压或脉冲信号。
不同类型的伺服电机需要配备相应的电机驱动器。
在选购电机驱动器时，要考虑驱动器的功率范围、响应速度和保护功能等。
4. 应用注意事项设计伺服电机时，还需要注意以下几个方面：4.1 温度控制伺服电机在长时间运行中会产生热量，需要进行合理的散热设计，以避免过热对电机和控制系统的影响。
伺服系统设计
伺服系统设计伺服系统也称之为随动系统，是以位移、速度或力、力矩等作为被控量的自动控制系统。
数控机床的伺服系统是指机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。
1.伺服系统基本结构伺服系统的结构类型很多，其组成和工作状况也不相同，一般来说，其基本组成可包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分。
1）控制器控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。
常用的控制算法有PD（比例+微分）、PI（比例+积分）、PID（比例+积分+微分）以及根据系统要求所设计的最优控制等。
控制器通常由电子线路或计算机组成。
2）功率放大器功率放大器的作用是将信号进行放大，并用驱动执行机构完成某种操作。
在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要用各种电力电子器件组成。
3）执行机构执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构或机械传动装置等组成。
目前采用电动机作驱动元件的占较大比例，伺服电机包括步进、直流伺服、交流伺服电机等。
4）检测装置检测装置的任务是测量被控制量（即输出量）实现反馈控制。
伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘；用来检测速度信号的检测装置有：测速发电机、光电码盘等。
检测装置的精度至关重要，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。
5）比较元件比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统偏差信号的环节，通常可通过电子电路或计算机软件实现。
2.设计方法1）设计方案分析，系统方案确定首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其他性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比选定一种比较合理的方案。
方案设计应包括下述内容：控制方式选择、执行元件选择、传感器及其检测装置选择、机械传动及执行机构选择等。
2）系统性能分析根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。
首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对传递函数及方框图进行化简，然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不满足要求，应修改方案或增加校正环节。
《机电一体化系统设计》复习资料解读
思考题：
1.机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成 要素以及分别实现哪些功能?
2. 工业三大要素指的是什么？机电一体化设计 的目标是哪些？
3. 机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的 接口功能试说明接口的种类。
4. 说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。
5. 开发性设计、变异性设计、适应性设计有何 异同？
一对齿轮区中在的闭一环个系齿统轮中4装，则可能造成系统不稳 在电机输定出，轴常上会，使并得将系电统机产生以1～5倍的间隙 2安装在偏而心进套行1的(或低偏频心振轴荡) 。 上，通过转动为偏此心尽套量(采偏用心齿轴侧) 隙较小、精度较高 的轮齿轮转的正角中、， 心的 则反就 距齿 多转可 ，轮 采时调 从传用的节而动各齿两消副种侧啮除。调间合圆但整隙齿柱为齿。了侧13偏减降隙心速低的套箱 2制方电动造法机成来本消，除 特点是结或构减简小单啮，合但间其隙侧，隙以提4和高5减传速动齿轮精度和系 不能自动统补的偿稳。定性。
弹簧-阻尼系统图
1-主动件；2-弹簧-阻尼； 3-运动件；4-静导轨
防止爬行现象采取以 下几项措施
为防止爬行现象的出现，可同时采取以下 几项措施： ★ 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴 塑料层导轨等； ★ 在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的 导轨油； ★ 用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动 链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。
导向支承部件
▪ 导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要 求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副， 简称导轨。
▪ 导轨副主要由承导件1和运动件2两部分组成，如图2-20所 示。运动方向为直线的被称为直线导轨副，为回转的被称为 回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩 擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。
第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
11
2.体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用
执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度 或比功 率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则
当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端 流向V1端，W相电流为零所形成的磁场，也是一个两极磁场，但N、S极的 轴线在空间顺时针方向转了60°。
转子转动
直流电
同 步 电 机
永磁型（SM）
励磁型（IM）
同步电机将永磁体或励磁线圈装在转子上，定子上装有绕组。三相 交流电流通过定子绕组，在定子上产生旋转磁场。旋转磁场与转子磁场 相互作用驱动转子转动。
12
第二节 常用的控制用电动机
电动式的执行元件由于 其操作简单、编程容易、易 于实现计算机控制，因此电 动机在机电一体化中应用的 最为广泛。
一、 电动机的种类、特点及选用
在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机,一类为一般的动力 用电动机,如感应式异步电动机和同步电动机等；另一类为控制用电动 机,如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和 各种AC/DC电动机等，下图为常用电动机的适用范围。
42
此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型 步进电机的铁心无极性，故不需改变电流极性，因此多为单极性励磁。
43
2)永磁型(PM-Permanent Magnet)
永磁（PM）型步进电机的转子2 采用永久磁铁、定子1采用软磁钢 制成，绕组3轮流通电，建立的磁 场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引 与排斥产生转矩。其结构如右图所 示。这种电动机由于采用了永久磁 铁，即使定子绕组断电也能保持一 定转矩，故具有记忆能力，可用做 定位驱动。PM型电动机的特点是励 磁功率小、效率高、造价低，因此 需要量也大。由于转子磁铁的磁化 间距受到限制，难于制造，故步距 角较大。与VR型相比转矩大，但转 子惯量也较大。
伺服电机如何进行选型
伺服电机选型技术指南1、机电领域中伺服电机的选择原则现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。
伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。
首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。
各种电机的T-ω曲线（1）传统的选择方法这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，对于旋转运动用角速度ω(t)，角加速度α(t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。
很显然。
电机的最大功率P电机，最大应大于工作负载所需的峰值功率P峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。
用ω峰值，T峰值表示最大值或者峰值。
电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限=ω峰值，最大/ω峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。
反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。
只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。
（2）新的选择方法一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。
这种方法的优点：适用于各种负载情况；将负载和电机的特性分离开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。
因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载。
在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。
比如，一个大的传动比会减小外部扭矩对电机运转的影响，而且，为输出同样的运动，电机就得以较高的速度旋转，产生较大的加速度，因此电机需要较大的惯量扭矩。
机械系统部件的选择与设计要求PPT(53张)
还有电气驱动部件的谐振频率。
（4）摩擦 摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。
实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很 大的不同。
机电一体化系统设计
——郭世伟
第二章 机械系统部件的选择与设计
一、机械系统部件的设计要求
1、机械传动系统的分析与特性
传统机械一般由动力件、传动件和执行件组成。信息控 制等因素的引入，使作为动力源的传统电机转换为具有动力、 变速和执行等多功能的伺服电机，其变速功能可在很大程度上 代替机械传动中的“调速装置”，取代了几个执行件之间的传 动联系，大大减少了传动件的数目，缩短了传动链，简化了机 构，使动力件、传动件与执行件朝着合为一体的最小系统进行。 典型如控制电机对负载的“直接驱动”等。
对工作机中的传动机构，要求实现运动和动力的变换， 对信息机中的传动机构，主要是运动的变换功能。
常用机械传动部件及其运动、动力变换功能列表如下：
（二）丝杠螺母传动机构
1、基本传动形式 丝杠螺母机构为螺旋传动机构，主要实现旋转运动与直
线运动间的相互变换，应用于能量传递（传力螺旋）、运动传 递（传动螺旋）和零件相对位置的调整（调整螺旋）等。
c.
பைடு நூலகம்
丝杠螺母间隙的调整：
2、机械系统部件的设计要求
与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统 的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要 快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：
2.2 机械传动部件的选择
特点: 可实现定量
调整即可进行精
密微调，使用中 调整较方便
1-套筒 2-内齿轮 3-螺母 4-丝杆 Z1,Z2:两个螺母端部圆柱齿轮的齿数 Z2=Z1+1
相对轴向位移：δ=(Ph/Z1-Ph/Z2)=(Ph / Z1* Z2)
5、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 (3)双螺母垫片调整预紧式：
双螺母垫片调整预紧式 1-垫片 2-螺母
在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的 反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杆 1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循 环回路。一般在同一螺母上装有2—4个滚 珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。 优点:滚珠循环的回路短、流畅性好、效 率高、螺母的径向尺寸也较小。 不足:反向器加工困难、装配调整也不方 便。
滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、制造 成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传 动效率低(30％－40％)。
滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件： 应有足够的滑移间隙和充分的润滑，热胀冷缩补 偿空间；因而存在一定的空回间隙。
滚珠丝杠螺母机构：结构复杂、制造成本高，但 其摩擦阻力矩小、传动效率高(92％－98％)、 传动精度高、工作寿命长。因此在机电一体化 系统中得到广泛应用。在数控机床上采用的都 是滚珠丝杠螺母机构。 滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件： 应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿 能力，可实现无间隙工作；因而存在一定的表 面应力；为了实现连续运转，需滚珠的回珠装 置（内或外）。
(2)滚珠的循环方式
3)端盖式 在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回 程滚道，螺母两端装有两块扇形盖 板成套筒2，滚珠的回程道口就在 盖板上。滚道半径为滚珠直径的 1.4-1.6倍。
优点:结构简单、工艺性好 缺点:滚道吻接和弯曲处圆角不易准 确制作而影响其性能，故应用较少。
《伺服机械传动系统》课件
控制装置是伺服机械传动系统的核心部分，它根据输入的 信号和系统的反馈信号，通过控制算法计算出电机的输入 电压或电流，从而实现对系统的精确控制。
分类与组成
分类
根据应用场合和传动方式的不同，伺 服机械传动系统可分为滚珠丝杠、齿 轮齿条、同步带等类型。
组成
伺服机械传动系统主要由伺服电机、 传动机构、执行机构、控制装置等部 分组成。
特点
高精度、高速度、高稳定性、高 可靠性、易于实现自动化控制。
工作原理
伺服电机
伺服电机是一种能够实现精确控制的电动机，通过改变输 入的电压或电流，可以精确地控制电机的转速和转矩。
传动机构
传动机构是将伺服电机的动力传递到执行机构的中间环节 ，其作用是将电机的旋转运动转化为执行机构的直线运动 或旋转运动。
航空航天
飞机控制
伺服机械传动系统用于控 制飞机的起落架、襟翼等 关键部位，确保飞行的安 全和稳定。
卫星姿态调整
伺服机械传动系统用于调 整卫星的姿态，确保卫星 的正常运行和数据的准确 传输。
火箭推进器
伺服机械传动系统用于控 制火箭推进器的方向和角 度，确保火箭的精确发射 。
军事装备
坦克炮塔
伺服机械传动系统用于控制坦克炮塔 的旋转和俯仰，提高坦克的射击精度 和速度。
导弹制导
潜艇导航
伺服机械传动系统用于潜艇的导航和 控制，实现潜艇在水下的隐蔽和精准 航行。
伺服机械传动系统用于导弹的制导和 控制，确保导弹能够准确命中目标。
交通运
地铁门控制
伺服机械传动系统用于控制地铁 车门的开闭，确保地铁运行的安
全和便捷。
高速列车制动
伺服机械传动系统用于高速列车的 制动系统，实现列车的高速稳定制 动。
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8．谐振频率
对于闭环系统，要求机械机构中的最低固 有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部 件的固有频率。
对于机械机构，它的固有频率取决于系统 各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的 结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达 到提高传动系统固有频率的目的。
一般要求： 机械传动系统最低固有频率≥300rad／s
摩擦力可分为三种：
静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力 +粘性摩擦力）。
负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加 而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力消 失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数F=μmg，随 着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性 摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。
结论：
i i1 2i1 1
i2 2i1 1
对于三级齿轮传动
ii1 2 i1 1 (22 i1 1 1 )1 /2 i2 2i1 1 i32 i2 1 (22 i1 1 1 )1 /2
查表求法：
各级传动比是逐渐递减的 即满足”前大后小”原则.
三、输出轴转角误差最小原则
5、爬行
当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会 出现—快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬 行。
1）产生爬行的原因和过程
匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当 运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直 到弹簧力刚刚大于F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系 数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用 在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦 力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件1这时再 重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。
9．间隙
对于系统闭环外的间隙，对系统稳定性无影响，但 影响到伺服精度。
对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围
内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间 隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。
转动惯量的计算： （单位：kg·m2）
(1) 圆柱体转动惯量
J 1 mR2 2
(2) 直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量
摩擦对伺服系统伺服系统的主要影响：降低系统的响应速度； 引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速 时产生爬行。
根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩 TK的关系为0.2TK＜Tf＜0.3 TK
在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值， 并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 。
同步齿形带传动
同步齿形带，是一种新型的带传动。
（一）同步齿形带的特点： 1、传动过程中无相对滑动，因而可以保持恒定的传动比，传动精度较高。 2、同步带传动工作平稳，结构紧凑，无噪音，有良好的减振性能，无需 润滑。 3、同步带无需特别紧张，故作用在轴和轴承上的载荷较小，传动效率较 高。 4、同步带传动的缺点是制造工艺较复杂，传递功率较小，寿命较低。
6、阻尼 在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5
~ 0.8之间。 7．刚度
采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状
和尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系 统的刚度。
对于伺服传动机构，增大系统的传动刚度有以下好
处：
（1）可减少系统死区误差，有利于提高传动精度； （2）可提高系统固有频率，有利于系统的抗振性； （3）可增加闭环控制系统的稳定性。
伺服系统中机械部件的选择与设计
与一般机构比较，对伺服系统机构的 要求：
① 定位精度要高 ② 响应速度要快 ③ 稳定性高
需求：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、 高谐振频率、适当的阻尼比
伺服系统机构的三大结构
① 传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳 定性、快速响应等伺服特性 ② 导向机构：考虑低速爬行现象 ③ 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、 可靠性
由上述分析可知，低速进给爬行现象的 产生主要取决于下列因素：
① 静摩擦力与动摩擦力之差，这个差 值越大，越容易产生爬行。
② 进给传动系统的刚度K越小、越容 易产生爬行。
③ 运动速度太低。
（适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f）
2）不发生爬行的临界速度
临界速度可按下式进行估算
F
VK 4Km
2．滚珠丝杠副的主要尺寸参数
公称直径d0、基本导程L0（或螺距t）、行程L； 此外还有丝杆螺纹大径d、丝杆螺纹小径d1、滚珠直 径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、丝杆螺纹全 长LS等。
3．滚珠丝杠副结构尺寸的选择
公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸 系列选样；螺纹长度LS在允许的情况下要尽量短，一般 取LS／d0小于30为宜；基本导程L0 （或螺距t）的大小 应根据伺服系统系统的承载能力、传动精度要求确定。 L0大承载能力也大，L0小传动精度较高。要求传动速度 快时，可选用大导程滚珠丝扛副。滚珠的工作圈（或列） 数和工作滚珠的数量N由试验可知：第一、第二和第三圈 （或列）分别承受轴向载荷的50％、30％和20％左右。 因此，工作圈（或列）数一般取2.5—3.5。滚珠总数N一 般不超过150个。
1
结论： i1(2 i2)2(2 i)1/3(2 i)1/3 i2 i12 / 2
对于n级齿轮系分析可得：
2nn1 1
i1 22(2n1) i2n1 2(K1)
iK 22ni/22n1(K2~n)
各级转动比的分配按“前小后大”次序
传动级数n 确定：
②大功率传动
传动机构
1、传动机构的种类： 齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同 步带传动副、间歇机构、绕性传动机构
2、传动机构的特点： 传动精度高、 响应速度快、稳定性高
3、传动机构的基本要求
① 在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转
动惯量要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（
T电=T负+Jε ）；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统 固有频率下降，产生谐振。
四级传动比分别为i1 、i2 、i3 、i4；齿轮1 ~ 8的 转角误差依次为ф1~ф8，该传动链输出轴的总转 角误差ф为：
i1i2 2i 3i 434 i3 i4 56i 478
各级传动比应满足”前小后大”原则.
三种原则的选择： 对齿轮传动装置的设计，应根据具体
齿轮传动副
齿轮总传动比的设计原则: 工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均
方根力矩最小；电机驱动负载加速度最大三种方法计算。 负载加速度最大原则:
结论: i
JL Jm
Jm
JL i2
上式表明，齿轮系传动比的最子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用
2．滚珠循环的方式
（1）内循环 （2）外循环
3．滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧
（1）双螺母螺纹预紧调整式
（2）双螺母齿差预紧调整式
（3）双螺母垫片调整预紧式
（4）弹簧式自动调整预紧式
（5）单螺母变位导程自预紧式
滚珠丝杠副支承方式的选择
滚珠丝杠副的选择
1．滚珠丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，
3）消除爬行现象的途径（实际做法）
② 减少摩擦力的变化 a．用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝 杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩 擦面间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。 b．选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。 c．降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量， 采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。 d．提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等减少摩擦 力的变化。
4．滚珠丝杠副的精度等级
JB3162.2—91（ ISO3408—3：1992 ）《滚珠丝杠 副的验收技术条件》，将滚珠丝杠副的精度分为7个精度 等级，即1，2，3，4，5，7，10级。1级精度最高，依 次递减。标准中对各级精度的滚珠丝杠副的行程偏差有 多个项目的规定。 5．滚珠丝杠副的选择步骤
（1）承载能力选择 （2）压杆稳定性核算 （3）刚度的验算
确定n
第一级传动比确定
各级传动比的确定
二、重量最轻原则
①小功率传动
各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的 转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同材料的实 心圆柱体。
结论：对于n级传动 i1＝i2＝i3＝…in＝i1/n
②大功率传动
设 m 3 /m 1 D 3 /D 1 b 3 /b 1 3T 3 /T 1 3i1 设b1＝b2 ，b3＝b4
J
m
L
2
2
(3) 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量
J mR2
(4) 工作台折算到带传动驱动轴上的转动惯量
J
m
u
2
(5) 丝杠折算到电机上的转动惯量
J JS i2
例：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯 量
求系统折算到电机上的总传动比
滚珠丝杠副的特点 :
(1)传动效率高、摩擦损失小，传动效率很高，可达 0.92~0.96（滑动丝杠为0.2~0.4） (2)传动的可逆性、无自锁性 (3) 传动精度高 (4) 磨损小、使用寿命长
螺纹滚道截面的形状、滚珠循环的方 式、轴向间隙的调整及施加预紧力的方法：
1．滚珠丝杠螺母副螺纹滚道的截面形状
（m/s） 式中 ΔF-----静、动摩擦力之差（N）； K------传动系统的刚度（N／m）； ξ------阻尼比； m------从动件的质量（kg）。
以下两种观点有利于降低临界速度： 适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低 速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加 粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。