机电一体化技术实践

1、第二章 机电一体化系统的单元技术 图2-1 四轴联动数控雕铣机装配图第一节精密机械技术第一节精密机械技术 1机械传动机构机械传动机构 1.1 丝杠螺母机构丝杠螺母机构 1机械传动机构机械传动机构 1.2 齿轮传动机构齿轮传动机构 1机械传动机构机械传动机构 1.3 挠性传动机构挠性传动机构 1机械传动机构机械传动机构 1.3 间歇传动机构间歇传动机构 2机械导向机构机械导向机构 2机械导向机构机械导向机构 2机械导向机构机械导向机构 3机械执行机构机械执行机构 3机械执行机构机械执行机构 3机械执行机构机械执行机构 4轴系轴系 4轴系轴系 5机座或机架机座或机架 传感器是能够感受规定的被测量，

2、传感器是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。号的器件或装置。第二节传感检测技术第二节传感检测技术 2.1 2.1 概述概述第二节传感检测技术第二节传感检测技术 2.1 2.1 概述概述transducer / sensor “能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节

3、。第二节传感检测技术第二节传感检测技术 2.1 2.1 概述概述transducer / sensor 常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： 光敏传感器视觉 声敏传感器听觉 气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压敏、温敏、流体传感器触觉 敏感元件的分类： 物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类，基于化学反应的原理。 生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。 通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类第二节传感检测技术第二节传感检测技术 2.1 2.1 概述概述 传感器与人的感官

4、一一对应，相当人眼（视觉）的光传感器，如光敏元件、电荷耦合器件（）、图像传感器和光敏二极管等；相当于人耳（听觉）的音响传感器，如传声器、压电元件等；相当于人皮肤（触觉）的振动传感器、温度传感器和压力传感器，其中振动传感器有应变片、半导体压力传感器等，温度传感器有热敏电阻、铂电阻、热电偶和热释电传感器等，压力传感器有膜片、力敏聚合物等；相当于人舌头（味觉）的味觉传感器，如铂、氧化物、离子传感器等；相当于人鼻（嗅觉）的嗅觉传感器，如生物化学元件等。此外，还有检测位移量的差动变压器、检测转速的编码器、磁性传感器等。第二节传感检测技术第二节传感检测技术 2.1 2.1 概述概述第二节传感检测技术第二节

5、传感检测技术 2.1 2.1 概述概述第二节传感检测技术第二节传感检测技术 2.1 2.1 概述概述热敏传感器：热敏传感器是将温度转换为电热敏传感器：热敏传感器是将温度转换为电信号的装置。信号的装置。 2.2 2.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 (1) 线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即100%maxFSyL xyS0%100FSmyHH2.2 2.2 传感器的基本

6、特性传感器的基本特性2.2 2.2 传感器的基本特性传感器的基本特性100%FSmRyR 1322nyyyiFSR2.2 2.2 传感器的基本特性传感器的基本特性2. 2. 传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间

7、、调整时间、频率响应范围、临界频率等。量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。 2.2 2.2 传感器的基本特性传感器的基本特性2.3 2.3 常用传感器常用传感器一、电阻式传感器电阻式传感器（ resistance type transducer ） 把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表。（一）变阻器式传感器（一）变阻器式传感器 变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。 AlR2.3 2.

8、3 常用传感器常用传感器xkRllkdxdRSa)直线位移型 b)角位移型 c)非线性型 常数kddRS 又称函数电位器。是其输出电阻与电刷位移之间具有非线性函数关系的一种电位器，即它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等各种特定函数，也可以是其它任意函数。非线性电位器可以应用于测量控制系统、解算装置等。2.3 2.3 常用传感器常用传感器负载电阻为 ，电位器长度为l，总电阻为，电刷位移为x，相应的电阻为 RxRx，电源电压为U，输出电压为U0为: 当时2.3 2.3 常用传感器常用传感器优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；可以实

9、现输出输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。缺点：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。2.3 2.3 常用传感器常用传感器（二）（二）电阻应变式传感器电阻应变式传感器 以应变片为传感元件的传感器。体积小，结构简单，动态响应快，测量精度高，寿命长，性能稳定可靠，可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。半导体应变式金属电阻应变片 直接用来测定结构的应变或应力。 将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参量的传感器。2.3 2.3

10、 常用传感器常用传感器（二）（二）电阻应变式传感器电阻应变式传感器AlRdRdAARdllRdRdrdrldlRdR2ldlrdrldlrdr纵向应变 横向应变 泊松比21212EERdREd优点:结构简单,性能稳定,价格低。缺点:精度不高,灵敏度低。1 金属电阻应变片2.3 2.3 常用传感器常用传感器（二）（二）电阻应变式传感器电阻应变式传感器 2 半导体应变片工作原理：半导体材料压阻效应。压阻效应：单晶片材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。ERdRERdRSg比金属丝的灵敏度大5070倍。优点：灵敏度高。缺点：温度稳定性能差，灵敏度分散度大，以及在较大应变作用下，非

11、线性误差大等。2.3 2.3 常用传感器常用传感器（三）压阻（三）压阻式传感器式传感器 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。压阻式传感器的优点是:灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。2.3 2.3 常用传感器常用传感器二、电容式传感器电容式传感器（ capacitive type transduce

12、r ） 把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为压力、液位、振动、位移、速度、加速度压力、液位、振动、位移、速度、加速度2.3 2.3 常用传感器常用传感器根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。1 极距变化型极距变化型20AddCS优点：可进行非接触测量缺点： 灵敏度与成反比，极距越小，灵敏度越高 存在非线性误差

13、，测量范围小 配合使用的电子线路复杂2.3 2.3 常用传感器常用传感器根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。2 面积变化型面积变化型常数0dAdCS优点：灵敏度为线性，测量范围大。可用于测量大的角位移或线位移，差动式比单边结构的灵敏度高一倍。a)角位移型 b)平面线位移型 c)圆柱体线位移型2.3 2.3 常用传感器常用传感器根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。3 介质变化型介质变化型利用介质介电常数变化将被测量转化为电容量的传

14、感器。常用测量材料的厚度、液位等。2.3 2.3 常用传感器常用传感器三、电感式传感器电感式传感器（ inductance type transducer ） 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。 力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等液位、比重、转矩等 2.3 2.3 常用传感器常用传感器1 自感型1）可变磁阻式电感传感器可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁

15、组成。2.3 2.3 常用传感器常用传感器1 自感型1）可变磁阻式电感传感器可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。灵敏度S与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小的范围内工作。 故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。2.3 2.3 常用传感器常用传感器1 自感型2）涡电流式利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。分析表明：由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。Z的变化与、金属板的电阻率、磁导率以及线圈激磁圆频率等有关。改变其中

16、某一因素，即可达到不同的变换目的。例：变化 ，可作为位移，振动测量。变化或 ，可作为材质鉴别或探伤等。2.3 2.3 常用传感器常用传感器1 自感型2）涡电流式2.3 2.3 常用传感器常用传感器2 互感式传感器差动变压器式电传感器原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测位移转化成线圈互感的变化。dtdiMe1122.3 2.3 常用传感器常用传感器2 互感式传感器差动变压器式电传感器原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测位移转化成线圈互感的变化。 差动变压器传感器工作原理a）、b）工作原理 c）输出特性由一个线圈中的电流发生变化而使其它线圈产生感应电动势的现象叫互感现象。2.3 2.3 常用传

17、感器常用传感器 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有

18、关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表盒等主要部分组成，通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。记录仪表和电子调节器配套使用。2.3 2.3 常用传感器常用传感器湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率

19、和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。 第三节伺服传动技术第三节伺服传动技术 3.1 3.1 概述概述第三节伺服传动技术第三节伺服传动技术 3.1 3.1 概述概述一、数控伺服系统的定义及组成、数控伺服系统的定义及组成1、定义：、定义： 伺服伺服(Servo)，本意为，本意为“服从服从”的含义。进给伺的含义。进给伺服系统服系统(Feed Servo System)就是以移动部件的位就是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。置和速度作为控制量的自动控制系统。 2、组成：、组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控

20、制单元；驱动元件单元；速度控制单元；驱动元件(电机电机)；检测与反馈单；检测与反馈单元；机械执行部件。元；机械执行部件。第三节伺服传动技术第三节伺服传动技术 3.1 3.1 概述概述 数控加工与传统加工的比较 第三节伺服传动技术第三节伺服传动技术 3.1 3.1 概述概述 数控原理 3.1 3.1 概述概述数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成3.1 3.1 概述概述 伺服系统伺服系统是指以机械位置或角度作为控制是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执进给指令信号，经变换、调节和放

21、大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置控装置( (计算机计算机) )和机床的联系环节，是数控机和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为数控机床伺服系统又称为位置随动系统位置随动系统、驱动系统驱动系统、伺服机构伺服机构或或伺服单元伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。复杂，综合性强。3.1 3.1 概述概述 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说如果说CNC装置是数控系统的装置是数控系统的“大

22、脑大脑”，是，是发布发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服，那么进给伺服系统则是数控系统的系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执执行机构行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNC装置发来的装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。进给速度与位移量。3.1 3.1 概述概述二、对伺服系统的基本要求二、对伺服系统的基本要求 1 1、位移精度高、位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机确程度。伺服系统的位移精度是指指

23、令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。愈小，位移精度愈高。 2 2、稳定性好、稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响

24、数控加工精度和表面粗糙度。工精度和表面粗糙度。3.1 3.1 概述概述3 3、 动态动态响应要快响应要快 动态动态响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。随误差小。4 4、调速范围宽、调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速调速范围是指生产机

25、械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。目前数控机床一般要求进给伺服系统和最低转速之比。目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是的调速范围是0 024m/min24m/min，有的已达到，有的已达到240m/min240m/min。在数。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 3.1 3.1 概述概述5 5、低速大扭矩、低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动

26、功率。要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。 进给坐标的伺服控制属于进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制恒转矩控制，在整个，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为控制在低速时为恒转矩控制恒转矩控制，能提供较大转矩。，能提供较大转矩。在高速时为在高速时为恒功率控制恒功率控制，具有足够大的输出功率。，具有足够大的输出功率。3.1 3.1 概述概述 对伺服电机的要求：对伺服电机的

27、要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度平稳。平稳。（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。满足低速大转矩的要求。（3 3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度的加速度(4000rad/s(4000rad/s2 2以上以上) )。（4 4）能承受频繁的起动、制动和正反转。）能承受频繁的起动、制动和正反转。 3.1 3.1 概述概述三、伺服系统的分类

28、三、伺服系统的分类驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲开环伺服系统开环伺服系统脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。 开环伺服系统采用开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和它没有位置反馈回路和速度反馈回路，系统稳速度反馈回路，系统稳定性好。定性好。 结构简单、结构简单、工作稳定、调试工作稳定、调试方便、维修简单、方便、维修简单、价格低廉等优点，价格低廉等优点，在精度和速度要在精度和速度要求不高、驱动力求不高、驱动力矩不大的场合得矩不大的场合得到广泛应用。一到广泛应用。一般用于经济型数般用于经济型数控机床。控机床。3.1

29、3.1 概述概述开环伺服系统开环伺服系统脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。电电机机机械执行部件机械执行部件 A相相 B相相 C相相fnCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环形脉冲环形分配变换分配变换功率功率放大放大3.1 3.1 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类闭环伺服系统闭环伺服系统脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。指令指令伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测 闭环伺服系统的闭环伺服系统的位置检测装置安装在位置检测装置安装在机床的工作台上，检机床的工作台上，检测装

30、置测出实际位移测装置测出实际位移量或者实际所处位置，量或者实际所处位置，并将测量值反馈给并将测量值反馈给CNC装置，与指令进装置，与指令进行比较，求得差值，行比较，求得差值，依此构成闭环位置控依此构成闭环位置控制。制。 该系统主要用于精度要求很该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。床以及较大型的数控机床等。3.1 3.1 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类闭环伺服系统闭环伺服系统位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱调节与驱动动位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电电机机机械执行部件机械

31、执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈检测与反馈检测与反馈单元单元3.1 3.1 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类半闭环伺服系统半闭环伺服系统脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令 半闭环伺服系统一般将半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠端部，用以精确轴上或丝杠端部，用以精确控制电机的角度，然后通过控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为度转换

32、成工作台的位移，为间接测量。间接测量。 半闭环环路内不包半闭环环路内不包括或只包括少量机械传括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统定的控制性能，其系统的稳定性虽不如闭环系的稳定性虽不如闭环系统，但比开环要好。统，但比开环要好。3.1 3.1 概述概述半闭环伺服系统半闭环伺服系统脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际

33、实际速度速度反馈反馈3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统 步进电动机的运转状态与普通电动机不同，它随供给电源的脉冲一步一步的转动，是一种数字电动机。步进电动机能随供给的电源脉冲数转动相应步数，而每一步的角度是固定的，所以步进电动机能按控制转动所需的圈数、角度，广泛应用在数控机床、自动化设备、仪器仪表等行业。步进电机：步进电机：是一种是一种将电脉冲转变成机械角位移的装置将电脉冲转变成机械角位移的装置 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过

34、一个步距角。3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统 定子铁心在内周有六个磁极，每个磁极上有5个小齿，齿中心距为9度，齿宽与齿间隔大小一样，径向的两个磁极组成一对磁极，定子铁心由冲制的硅钢片叠制而成。 转子铁心转子上没有线圈，但在外圆周有40个小齿，齿中心距为9度，齿宽与齿间隔大小一样，转子铁心也由冲制的硅钢片叠制而成。3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统 定子定子:定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。下图为三相定子：下图为三相定子：AA,BB,CC A、B、C三相每相两极。三相每相两极。A相A相B相B相C相C相定子上线圈的绕

35、法定子上线圈的绕法3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统转子上有均匀分布的转子上有均匀分布的齿，没有绕组。齿，没有绕组。以四十齿为例来说以四十齿为例来说明步进电机的原理明步进电机的原理转子齿间夹角为转子齿间夹角为9o3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统 由于定子磁极上的小齿的齿宽与齿间隔与转子上的小齿一样，所以当定子的一对磁极小齿与转子小齿对齐时，另两对磁极小齿与转子小齿角度相差3度或-3度，3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统3.3 3.3 步进电机的特性步进电机的特性1 1、步距角与步距角误差、步距角与步距角

36、误差步距角步距角：每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过的角度，称为步进电机的步距角，用的角度，称为步进电机的步距角，用 表示。表示。mzk360360rmz cmm步进电机的相数步进电机的相数Z Z（ZrZr）步进电机转子齿数步进电机转子齿数K K（C C）状态系数（与通电有关的系数）状态系数（与通电有关的系数） K K1 1：单拍或双三拍：单拍或双三拍 K K2 2：单双六拍：单双六拍（1）某步进电动机）某步进电动机转子有转子有4040齿并且采用单三齿并且采用单三拍工作的，其步距角为：拍工作的，其步距角为：ooo=360 /mzc=360 /40 3

37、1=3 ooo=360 /mzc=360 /40 3 2=1.5 步距角计算示例：步距角计算示例：（2）按单、双相通电方式运行的三相步进）按单、双相通电方式运行的三相步进电动机，转子齿数电动机，转子齿数z=40，其步距角为：，其步距角为：若步进电动机的频率为若步进电动机的频率为f f，则步进电动机的转速为：，则步进电动机的转速为：60( /min)srfnrmz c计算示例：计算示例：1 1、某步进电机定子、某步进电机定子6060齿，齿，5 5相十拍工作相十拍工作方式，直接驱动机床工作台，其转速为方式，直接驱动机床工作台，其转速为600r/min600r/min，计算其稳定工作频率和步距角计算

38、其稳定工作频率和步距角解：由解：由60srfnmz c有：有：5 40 2 60040006060rsmz cnfHZ ooor=360 /mz c=360 /50 5 2=0.72 2、静特性、静特性 1）静态矩角特性）静态矩角特性 当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个负载转矩，转子按一定方向转过一个角度负载转矩，转子按一定方向转过一个角度，重新，重新处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转矩矩T称为静态转矩，

39、它与负载转矩相等，转过的角称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角度度称为失调角。静态时称为失调角。静态时T与与的关系称为矩角特性，的关系称为矩角特性，它近似于正弦曲线。它近似于正弦曲线。静态矩角特性静态矩角特性 2)最大静转矩最大静转矩 静态矩角特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区域内，当静态矩角特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区域内，当外转矩除去后，转子在电磁转矩的作用下，仍能回到稳定平衡点位置。外转矩除去后，转子在电磁转矩的作用下，仍能回到稳定平衡点位置。 最大静转矩表示步进电动机承受负载的能力。它越大，电动机带动负载能力最大静转矩表示步进电动机承受负载的能

40、力。它越大，电动机带动负载能力越强，运行的快速性和稳定性越好。越强，运行的快速性和稳定性越好。 3、动特性、动特性 （1 1）最大起动转矩）最大起动转矩 电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的转矩即为最大起动转矩的转矩即为最大起动转矩TqTq。当外界负载超过最大起。当外界负载超过最大起动转矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。动转矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。 a bCAB qTBTqTAT （2 2）最大启动频率）最大启动频率 空载时，步进电动机由静止状态空载时，步进电动机由静止状态启启动，达到不动，达到不丢步的正常运行的最高频率称

41、为丢步的正常运行的最高频率称为最大起动频率最大起动频率。 启启动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生将产生失步失步。 步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。这种特性称为会进一步降低。这种特性称为启动矩频特性启动矩频特性。启动矩频特性曲线启动矩频特性曲线 当电动机带有负载力矩当电动机带有负载力矩M时，随外部惯量的增大，时，随外部惯量的增大，启动频率将明显下降，其关系称为启动频率将明显下降，其关系称为启动矩频特性启动

42、矩频特性。J/kgcms2 （3）连续运行频率）连续运行频率 步进电动机在最大起动频率以下起动步进电动机在最大起动频率以下起动后，当输入脉冲信号频率连续上升时，能不后，当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步运行的最大输入信号频率，称为连续运失步运行的最大输入信号频率，称为连续运行频率。该频率远大于最大起动频率。行频率。该频率远大于最大起动频率。（4 4）矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩 步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩，称步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩，称为为动态转矩动态转矩。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩矩频特性频特性。该特性上每一个频

43、率对应的转矩成为动态转。该特性上每一个频率对应的转矩成为动态转矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点。态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点。 MqOFq/HZM/(Nm)3.2 3.2 开环步进驱动系统开环步进驱动系统阶阶段段步骤步骤方法方法主主 要要 指指 导导 理理 论论产产品品规规划划设计方法设计方法预测技术预测技术设计方法学设计方法学技术预测理论技术预测理论市场学市场学信息学信息学机械产品设计一般进程机械产品设计一般进程信息集约信息集约可行性报告、设计要求项目表可行性报告、设计要求项目表产品设

44、计任务产品设计任务预测调研预测调研可行性分析可行性分析明确任务要求明确任务要求阶阶段段步骤步骤方方法法主主 要要 指指 导导 理理 论论原原理理方方案案设设计计系统化设计法系统化设计法创造技法创造技法评价决策方法评价决策方法系统工程学系统工程学形态学形态学创造学创造学思维心理学思维心理学决策论决策论模糊数学模糊数学总功能分析总功能分析原理参数表、方案原理图原理参数表、方案原理图功能分解功能分解功能载体组合功能载体组合功能原理方案功能原理方案( (多个多个) )功能元求解功能元求解原理试验原理试验评价决策评价决策最优原理方案最优原理方案阶阶段段步骤步骤方法方法主要指导理论主要指导理论技技术术设设

45、计计价值设计价值设计优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计宜人性设计宜人性设计产品造型设产品造型设计计系列化设计系列化设计机械性能设机械性能设计计工艺性设计工艺性设计自动化设计自动化设计价值工程学价值工程学最优化方法、工程最优化方法、工程遗传算法遗传算法可靠性理论与实验可靠性理论与实验人机工程学人机工程学工业美学工业美学模块化设计、模块化设计、相似理论相似理论有限元法、动态设有限元法、动态设计、摩擦学设计、计、摩擦学设计、高等机构学高等机构学机械设计的工艺基机械设计的工艺基础础控制理论、智能工控制理论、智能工程、人工神经元计程、人工神经元计算方法、专家系统算方法、专家系统结构方案结构方案( (多

46、个多个) )结构价值分析结构价值分析试验模型试验模型试验试验总体设计总体设计结构设计结构设计造型设计造型设计造型价值分析造型价值分析外观方案外观方案( (多个多个) )评价决策评价决策评价决策评价决策最优结构方案最优结构方案最优造型方案最优造型方案最优技术设计方案最优技术设计方案总体布置图、装配总体布置图、装配草图、技术文件草图、技术文件总体效果图、总体效果图、外观效果模型外观效果模型阶阶段段步骤步骤方法方法主要指导主要指导理论理论工工艺艺设设计计各种制造、装各种制造、装配、造型、装配、造型、装饰、检验等方饰、检验等方法法各种工艺学各种工艺学批批量量生生产产计算机辅助制计算机辅助制造造销销售售

47、反馈控制法反馈控制法零件工作图零件工作图外观件加工工艺、外观件加工工艺、面饰工艺规程面饰工艺规程部件装配图部件装配图效果图、检验标准效果图、检验标准技术文件技术文件造型工艺文件造型工艺文件试制试制修改修改批量生产批量生产技术服务技术服务用户访问用户访问 二、二、机械总体方案设计的目的和内容机械总体方案设计的目的和内容目的目的 产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设计思想。的设计思想。内容内容执行系统的方案设计执行系统的方案设计执行系统

48、方案评价与决策执行系统方案评价与决策执行系统协调设计执行系统协调设计执行机构型式设计执行机构型式设计运动规律设计运动规律设计系统功能原理设计系统功能原理设计机构尺度设计机构尺度设计运动和动力分析运动和动力分析原动机类型的选择和原动机类型的选择和传动系统的方案设计传动系统的方案设计各级传动比的分配各级传动比的分配传动链中机构传动链中机构顺序的安排顺序的安排传动路线选择传动路线选择传动类型选择传动类型选择控制系统的方案设计控制系统的方案设计其它辅助系统的设计其它辅助系统的设计照明系统设计照明系统设计安全保障系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计故障检测系统设计冷却系统设计冷却系统设计润滑系统设计

49、润滑系统设计第二节第二节 机械执行系统运动方案设计机械执行系统运动方案设计 重要性重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成机械执行系统的组成 由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，出构件，其数量及运动形式、运动规律和传

50、动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。决定了整个执行系统的结构方案。 一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程 功能原理设计功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺手段，确定机械所要实现的工艺动作动作运动规律设计运动规律设计通过对工作原理所提出的工通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原何种运动规律来实现工作原理理执行机构型式设计执行机构型式设计决定选择何决定选择何种机构实现

51、种机构实现给定的运动给定的运动规律规律执行系统协调设计执行系统协调设计执行机构型式设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动根据工艺过程对各动作的要求，分析各执作的要求，分析各执行机构应当如何协调行机构应当如何协调配合，设计出机械运配合，设计出机械运动循环图动循环图确定各执行机确定各执行机构的运动尺寸，构的运动尺寸，绘制出各执行绘制出各执行机构的运动简机构的运动简图图运动和动力分析运动和动力分析检验执行系检验执行系统是否满足统是否满足运动要求和运动要求和动力性能方动力性能方面的要求面的要求方案评价与决策方案评价与决策对方案进行定性对方案进行定性评价和定量评价评价和定量评价并从中选出最佳并从中选出最

52、佳设计方案设计方案 二、执行系统的功能原理设计二、执行系统的功能原理设计1. 功能原理的选择与构思功能原理的选择与构思产品的功能产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。需要提出。 确定功能指标的考虑因素确定功能指标的考虑因素先进性先进性可行性可行性经济性经济性功能原理设计的重要性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。式、制造成本等。功能原理设计的多方案性功能原理设计的多方案性工作原理不同，运动方案也不同工作原理不同，运动方案也不同

53、齿轮加工齿轮加工剃齿剃齿范成原理范成原理仿形原理仿形原理工作原理相同，运动方案不同工作原理相同，运动方案不同齿轮加工齿轮加工插齿插齿滚齿滚齿 三、执行系统的运动规律设计三、执行系统的运动规律设计 1. 工艺动作分解和运动方案选择工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具作复合运动刀具与工作台分别运动刀具与工作台分别运动 运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解立式钻床工艺

54、动作分解直线运动直线运动曲线运动曲线运动复合运动复合运动往复摆动往复摆动执执行行构构件件运运动动形形式式回转运动回转运动每分钟转数每分钟转数 rpm由两个以上单一运动合成由两个以上单一运动合成间歇转动间歇转动停歇往复直线运动停歇往复直线运动停歇单向直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动沿可变曲线运动连续转动连续转动沿固定曲线运动沿固定曲线运动往复直线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数化系数每分钟行程数、大小、行程每分钟行程数、大小、行程速度变化系数速度变化系数每次进给

55、量的大小每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度间、行程大小和工作速度四、执行机构的型式设计四、执行机构的型式设计1. 设计原则设计原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求满足执行构件的工艺动作和运动要求 尽量简化和缩短运动链尽量简化和缩短运动链 尽量减小机构尺寸尽量减小机构尺寸 选择合适的运动副形式选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式考虑动力源的形式 使执行系统具有良好的传力和动力特性使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力使机械具有调节某些运动参数的能力 保证机械的安全运转保证机械的安全运转 2. 机构的选型机构的选

56、型 目的目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。 传递连续转动的机构传递连续转动的机构啮合传动机构啮合传动机构 连杆机构连杆机构 传递连续传递连续转动机构转动机构摩擦传动机构摩擦传动机构 摩擦轮传动摩擦轮传动 蜗杆传动蜗杆传动 链传动链传动 齿轮传动齿轮传动 平行四边形机构平行四边形机构 双曲柄机构双曲柄机构 带传动带传动 实现单向间歇转动的机构实现单向间歇转动的机构棘轮机构棘轮机构 齿轮齿轮-连杆机构连杆机构 单向间歇单向间歇转动机构转动机构槽轮机构槽轮机构 不完全齿轮机构不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构 适用于转角

57、固定的转位运动适用于转角固定的转位运动 每次转角小，或转角大小可调的低速场合每次转角小，或转角大小可调的低速场合大转角而速度不高的场合大转角而速度不高的场合运动平稳、分度、定位准确，运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高但制造困难、高精度定位、高速场合速场合特殊要求的输送机构特殊要求的输送机构 实现往复移动往复摆动运动的机构实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构凸轮机构 组合机构组合机构 往复运动往复运动机构机构连杆机构连杆机构 螺旋机构螺旋机构 齿轮齿条机构齿轮齿条机构 液压缸、气缸液压缸、气缸 正弦机构正弦机构 正切机构正切机构 多杆机构多杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 连

58、杆机构特点连杆机构特点制造容易、承载能力大，但难以实现精确运制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。动，适用于无严格运动规律的场合。 凸轮机构特点凸轮机构特点能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载能力不大。协调，承载能力不大。 螺旋机构特点螺旋机构特点可获得大的减速比和较高的运动精度，常用可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。作低速进给和精密微调机构。 齿轮齿条机构特点齿轮齿条机构特点适用于移动速度较高的场合，精密齿条适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。

59、制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。 凸轮机构凸轮机构 连杆机构连杆机构 实现往复移动往复摆动运动的机构实现往复移动往复摆动运动的机构组合机构组合机构 往复运动往复运动机构机构螺旋机构螺旋机构 齿轮齿条机构齿轮齿条机构 液压缸、气缸液压缸、气缸 正弦机构正弦机构 正切机构正切机构 多杆机构多杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 再现轨迹的机构再现轨迹的机构齿轮齿轮连杆组合机构连杆组合机构联动凸轮机构联动凸轮机构 再现轨迹再现轨迹机构机构连杆机构连杆机构 凸轮凸轮连杆组合机构连杆组合机构 一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只

60、能近似实现预定的曲线轨迹。其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。 齿轮齿轮连杆组合机构连杆组合机构搅拌机构搅拌机构CBADE联动凸轮机构联动凸轮机构凸轮凸轮连杆组合机构连杆组合机构 五、执行系统的协调设计五、执行系统的协调设计 执行系统协调设计原则执行系统协调设计原则 满足各执行机构动作先后的顺序性要求满足各执行机构动作先后的顺序性要求 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 满足各执行机构在操作上的协同性要求满足各执行机构在操作上的协同性要求 各执行机构的动作安排要有利于提高劳