机电一体化系统设计(第六版) 课件 第5-9章 机电一体化系统检测传感系统的选择与设计-典型机电一体化系统与技术简介

第5章机电一体化系统检测传感系统的选择与设计

§5-1

检测传感器的分类、要求与选用

§5-2检测传感器的测量电路及微机接口

§5-3常用检测传感器§5-1检测传感器的分类、要求与选用一、检测传感器的分类与基本要求

按信号类型分：一、检测传感器的分类与基本要求数字型传感器工作原理模拟型传感器工作原理二值型传感器工作原理

按信号类型分：一、检测传感器的分类与基本要求

按被测物理量分：一、检测传感器的分类与基本要求

按检测原理分：电阻式电感式磁电式电容式光电式传感器一、检测传感器的分类与基本要求

机电一体化系统对检测传感器的基本要求：

①体积小、重量轻、对整机的适应性好；

②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；

③安全可靠、寿命长；

④便于与计算机连接；

⑤不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响，

也不影响外部环境；

⑥对环境条件适应能力强；

⑦现场处理简单、操作性能好；

⑧价格低廉。二、传感器的选用原则及注意事项根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很宽，确保其主要性能指标，适当放宽对次要性能指标的要求。要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。环境变化(如温度、振动、噪声等)将改变传感器的某些特性(如灵敏度、线性度等指标)，且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移。还可根据传感器的环境参数指标(如零点温漂、加速度灵敏度等)及应用环境要求合理选用传感器。为保证测量精度，根据使用目的可对环境条件及使用条件提出一定要求，或采取一定措施(如隔振)；用户在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是"校准"。§5-2检测传感器的测量电路及微机接口在机电一体化系统设计中，所选用的传感器多数己由生产厂家配好转换元件和转换电路而不需要用户设计，除非是现有传感器产品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求，才自己选用传感器的敏感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。传感检测系统构成§5-2检测传感器的测量电路及微机接口

传感器的输出信号(如模拟信号、数字信号和开关信号)不同，其测量电路也有模拟型测量电路、数字型测量电路和开关型测量电路之分。

1模拟型测量电路模拟型测量电路适用于电阻式、电感式、电磁式、电热式等输出模拟信号的传感器，如基于电阻应变式的压力传感器。

2数字型测量电路数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式，如光栅，光电编码器等。

3开关型测量电路传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。

4转换电路

中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换电路，如电桥、放大电路、调制与解调电路、数/模(D/A)与模/数(A/D)转换电路等的作用做一简单说明。1)电桥电桥适用于电参量式传感器。其作用是将被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电容等参数的变化，转换为电量(电压、电流、电荷等)。2）放大电路

放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。为得到高质量的模拟信号，要求放大电路具有抗干扰、高输入阻抗等性能。常用的抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接地等方法。4转换电路3）调制与解调电路

由传感器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大和传送，零点漂移及干扰等会影响测量精度。因此常先用调制器把直流信号变换成某种频率的交流信号，经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式。4）模/数(A/D)与数/模(D/A)转换电路

在机电一体化系统中，传感器输出的信号如果是连续变化的模拟量，为了满足系统信息传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟量变为数字量，或再将数字量变为模拟量，前者就是模/数(A/D)转换，后者为数/模(D/A)转换。5.传感器与微机的基本接口

输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。5.传感器与微机的基本接口§5-3常用检测传感器一、位移和位置传感器在机电一体化系统中大多数应用会涉及轴的运动控制，因此，最常见的传感器是位移和位置传感器，如机器人关节控制、数控机床坐标轴控制等都会用到角位移传感器、线性位移传感器和行程限位开关等。速度测量可以通过在已知的时间间隔进行连续的位移测量来获得。常用位移和位置传感器光电编码器旋转变压器光电开关光栅传感器§5-3常用检测传感器1.光电编码器光电编码器又称光电编码盘，基于光电效应原理工作，是目前用得较多的角位移传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一起转动。通过装在转轴上的带孔码盘（或明暗相间码盘），将被测轴的角位移转换成脉冲列或某种制式的编码，并由此得出转轴的位置或转速。优点：无接触磨损、码盘寿命长、允许转速高，精度高。缺点：结构复杂、价格高。光电编码器增量式绝对式（1）增量式光电编码器增量式光电编码器原理示意图及输出波形图辨向：光阑板上设置了两个相邻的缝隙，与两个相邻缝隙对应的是A、B两个光敏元件，两个缝隙的间距是编码盘相邻槽间距的（m+1/4）倍（m为正整数）。对于A、B两脉冲列，若A超前T/4，便可推知图5-8a所示的编码盘为逆时针旋转。反之，若B超前T/4，则编码盘为顺时针旋转。（2）绝对式光电编码器绝对式光电编码器原理示意图图示绝对式光电编码器的码盘上有四个同心圆圈（码道）。每个码道对应一个光电检测元件，当码盘处于不同的位置时，由光电元件的受光与否，转换成电信号送往数码寄存器。图中码道被平均分成了16份，码道上透明（白色）的部分为“0”，不透明（黑色）的部分为“1”。不同黑、白区域的排列组合即构成与转轴位置相对应的数码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应“3”号位等。图示为单圈绝对式光电编码器，可以做到18个码道，但只能检测360°以内的绝对角度，为了记录大于360°的绝对角度，需要用多圈绝对式光电编码器。2.

旋转变压器旋转变压器是精密制造装备上常见的角位移测量装置，它结构简单、动作灵敏，对工作环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，尤其适用于有一定抗震要求的场合。旋转变压器根据互感原理工作，当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感应电压，其大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。2.

旋转变压器图示为无刷式双极对正/余弦旋转变压器结构简图，定子上有励磁绕组和匝数相等，且相互垂直的正余弦绕组，当定子励磁绕组输入正弦波电压时，转子感应绕组上会感应出同频率的正弦电压，随着转子的旋转，正余弦绕组上的感应电压随着转子的旋转角度φ而变化无刷式正/余弦旋转变压器结构简图2.

旋转变压器左图为旋转变压器工作原理。Vr为输入励磁电压，Vs为正弦绕组输出电压，Vc为余弦绕组输出电压，正余弦绕组的输出电压与转子的旋转角度φ之间有严格的对应关系，对输出电压进行信号处理，就可以求得转子的旋转角度。φ=15°时输入输出电压波形φ=60°时输入输出电压波形3.光栅传感器光栅是一种非接触式测量装置，它利用光学原理工作；主要由标尺光栅和光栅读数头(含有指示光栅)两部分组成，两者产生相对移动；按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光珊用于角位移的检测，长光栅（也叫光栅尺）用于直线位移的检测；光栅尺是在透明玻璃片或长条形金属镜面上用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹制成，相邻线纹间距相等，称为栅距W，W=a+b，一般a=b常见的长光栅线纹密度为25条/mm、50条/mm、100条/mm、250条/mm。光栅尺实物光栅条纹局部放大图3.光栅传感器光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源发出的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射到标尺光栅上，标尺光栅后的指示光栅刻线与标尺光栅刻线相对叠在一起，中间留有很小的间隙，并使两光栅的条纹相错一个很小的角度θ，由于光的衍射，在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。透射光栅尺光路图莫尔条纹3.光栅传感器安装光栅时要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。当两光栅沿栅线垂直方向相对移动时，莫尔条纹将会沿栅线方向移动，而且两者有着确定的对应关系；当标尺光栅向右移动一个栅距W时，莫尔条纹将向下移动一个条纹间距B；如果主光栅向左移动，则莫尔条纹将向上移动。因此，可根据莫尔条纹的移动数量和移动方向，确定标尺光栅的位移量和位移方向，并由光电元件转换成电脉冲信号。4.

光电开关光电开关是一种用于检测物体的存在或位置的传感器，它通常由一个发射器和一个接收器组成，通过发射器和接收器之间光路的通和断来切换信号的开和关。发射器里有发光二极管（LED），可以发射一束红外光束（或其他可见光），接收器里有光敏元件，当没有物体遮挡光束时，发射器发出的光线可以照射到接收器上。如果有物体进入光束的路径并阻挡了光线，光线将无法到达接收器，导致光电二极管停止产生电流。当光束恢复到未被遮挡的状态时，电流重新流动，通过电流的变化来指示物体的存在或位置。透射型光电开关反射型光电开关二、力和力矩传感器机电一体化系统中力和力矩传感器的应用也非常广泛，它们用于监测、控制和优化各种机械系统的运行。常用的测量力和力矩的传感器应变式压电式电容式电感式光电式超声式二、力和力矩传感器应变式力传感器：工作原理基于材料的应变特性，它可以测量物体受力时的形变或应变，从而计算出作用在物体上的力。压电式力传感器：基于压电效应和逆压电效应原理工作，石英和压电陶瓷等材料在一定方向受到外力作用而变形时，会在相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉时，又恢复到不带电的状态，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。电容式力传感器：测量电容的变化来确定物体受到的力，当外部力导致介电体发生形变时，电容值会随之发生变化。电感式力传感器：测量电感值的变化来确定物体受到的力。光电式力传感器：测量光信号的变化来确定物体受到的力。超声式力传感器：测量超声波的传播时间或速度的变化来确定物体受到的力。尽管检测原理不同，但几乎所有的力和力矩传感器，都是先把力、力矩等被测参量变换成相应的线（角）位移或应变，然后再配合各种形式的转换元件转换成易于测量的电信号输出。1.应变式力和力矩传感器应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化，然后利用电桥将电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再送入测量放大电路测量。最后利用标定的电压(或电流)和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。应变片通常包括基底、电阻丝、覆盖层、焊盘和引线等部分。与弹性元件粘贴在一起的应变片1.应变式力和力矩传感器据被测量的不同，弹性元件通常有不同的结构型式，如柱型、环型和梁型等。几种典型弹性元件的结构简图柱型环型梁型1.应变式力和力矩传感器图示是上海自动化仪表有限公司生产的BLR-1应变式拉(压)力传感器，所用的弹性元件是柱型。圆筒1的两端有螺纹，以便传递外力。筒的中间贴有应变片2，通过壳体3上的接线座4将信号引出。为了防止灰尘和水蒸气进入，两端与壳体连接的地方放置密封圈5，一端利用内压环6压在筒体上，并通过压盖7压紧在外壳上，另一端直接压在外壳上。BLR-1拉(压)力传感器1.应变式力和力矩传感器环型测力/称重传感器1.应变式力和力矩传感器除了可以测拉压力，应变片也可以用来测量扭矩（力矩）。以测量轴类零件为例，轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，此应变可用应变片测量。应变片可以直接贴在需要测扭矩的轴类零件上，也可以贴在一根特制的弹性传动轴上，制成一个应变式扭矩传感器。只要转轴的尺寸、材料确定，转轴的切应变（应力)和两端面的相对转角只与轴上所承受的扭矩有关，且成正比例关系。静态扭矩传感器2.多轴力和力矩传感器以上介绍的力和力矩传感器，通常只有一个自由度，用于测量物体单个方向的力或力矩，在某些应用中需要测量物体上多个轴（方向）上力或力矩的大小和方向，以获取更全面的受力信息。车削三轴力传感器的应用2.多轴力和力矩传感器以上介绍的力和力矩传感器，通常只有一个自由度，用于测量物体单个方向的力或力矩，在某些应用中需要测量物体上多个轴（方向）上力或力矩的大小和方向，以获取更全面的受力信息。装配机器人和六维力传感器三、智能传感器智能传感器结合了传感技术、数据处理和人工智能（AI）等先进技术和方法，不仅能够感测环境和被测物体的信息，并能基于对信息的分析做出自主决策，智能传感器是实现智能制造的核心部件。能传感器结合了传感技术、数据处理和人工智能（AI）等先进技术和方法，不仅能够感测环境和被测物体的信息，并能基于对信息的分析做出自主决策，智能传感器是实现智能制造的核心部件。智能传感器的构成框图第6章机电一体化系统元、部件的特性分析§6-1自动控制理论与机电一体化系统§6-2元、部件的力学特性读者注意：这里对其他系统的动态特性从略，请读者参看教材补充。§6-1自动控制理论与机电一体化系统机电一体化系统的操作过程控制目的有两个：根据操作条件的变化，制定最佳操作方案；对操作过程进行自动检测和自动控制，提高控制性能，实现规定的目的功能。§6-1自动控制理论与机电一体化系统伺服控制的首要目标是系统的输出，要尽可能使输出量跟踪随时刻变化的输入量，因此，对抗外部干扰的能力要求更高。对被控对象来说，系统的各构成要素的特性参数比较容易掌握，而随操作条件和环境条件变化的过程控制较难掌握；以反馈控制理论为基础的控制理论是机电一体化系统不可缺少的理论基础。“反馈”：通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。在设计机电一体化系统的控制系统时，首先必须明确其静态和动态特性要求，研究其外部干扰的形式、强弱、持续时间及其作用点，其次，必须选择具有适合该系统特性的调节器、检测传感器及执行元件。

“反馈”的涵义§6-1自动控制理论与机电一体化系统

在经典控制理论中，研究机电—体化系统的动态特性是以传递函数为基础的，而传递函数是通过数学中的拉普拉斯变换定义的。§6-1自动控制理论与机电一体化系统当系统的运动能够用相关定律(如电学、热学、力学等的某些定律)描述时，该系统的传递函数就可用理论推导的方法求出。无法用相关定律推导其传递函数的系统，用实验法建立其传递函数。一、拉普拉斯变换与传递函数

线性定常系统(或元件)的传递函数定义为：零初始值下，系统（元件）输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。

常用函数的拉氏变换和反变换可从拉氏变换表中查出，通常不必自己计算。当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。

系统（或执行元件）在阶跃信号作用下(即操作量阶跃变化时)的过渡过程，大致可分为稳定过程、不稳定过程(发散)、稳定过程(有振荡)三种情况，并可近似地用传递函数表示。

系统过渡过程结束后，其输出即进入与输入相应的稳态。此时，系统输出量与目标值之差做稳态误差，通常以ess表示。二、控制系统的过渡过程特性

伺服系统以机械位置或角度作为控制对象，也称随动系统。

通过随动系统的传递函数可以分析：1）系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和振荡性。2）系统的稳态精度，即稳态误差的大小。三、伺服系统及其动态特性三、伺服系统及其动态特性1.机器人手臂位置控制伺服系统（电动伺服系统）三、伺服系统及其动态特性2.电液伺服系统根据传递函数得到的输出三、伺服系统及其动态特性2.电液伺服系统对上式取拉式反变换可得到xc(t)

随时间变化的规律。据此可以分析：（1）系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和震荡性。（2）系统的稳态精度，即稳态误差ess的大小。系统信号随时间连续变化时，则称系统为连续时间系统，其信号为连续时间信号；在系统中，只要有一个地方的信号是脉冲信号或数字信号时，就称系统为离散系统或称采样系统，其脉冲信号或数字信号称为离散信号或采样信号。四、采样控制简介采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一般的采样系统和数字控制系统。炉温控制系统原理图1.采样控制概念炉温偏离给定值时，测温电阻R变化，电桥失去平衡，检流计指针发生偏转。指针每隔T秒（采样周期）与电位器接触一次，每次接触时间为τ（采样持续时间）秒。四、采样控制简介1.采样控制概念（1）信号采样与复现在大多数实际应用中，τ远小于采样周期T，可以认为τ趋近于零，即可把采样器的输出近似地看成一连串强度等于矩形脉冲面积的理想脉冲e*(t)。信号的复现可由保持器来实现，保持器可将脉冲信号变成阶梯信号。当采样频率足够高时，保持器的输出信号就接近于连续信号。四、采样控制简介1.采样控制概念（2）采样定理若采样频率ws＞2wmax，那么一定可以由采样信号e*(t)唯一地决定出原始信号。信号并非都是“有限带宽”，在应用中实际采样频率比2wmax大得多。四、采样控制简介1.采样控制概念（3）采样控制系统典型结构图四、采样控制简介2.数字控制系统四、采样控制简介§6-2元、部件的力学特性52一、机械系统特性及变换机构机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元件系统和电子信息处理(控制)系统等子系统构成。各子系统的输入与输出之间不一定成比例关系，可具有某种频率特性(动态特性或传递函数)，即输出可能具有与输入完全不同的性质。机械系统一般都具有非线性环节，在非线性不能忽略时，只能用微分方程来研究其特性。考虑各子系统的动态特性和非线性进行电子信息处理系统设计是机电一体化系统设计的一个特点。本章主要介绍机电一体化系统中的机械系统、传感系统和执行元件系统等几个子系统的基本特性，并从机电一体化系统构成要素的角度说明其分析方法。一、机械系统特性及变换机构

机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械零件构成的，其功能是将一种机械量变换成与目的要求对应的另一种机械量。例如，有的连杆机构就是将回转运动变换为直线运动。机械系统在传递运动的同时还将进行力(或转矩)的传递。

因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力(或转矩)的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。一、机械系统特性及变换机构

齿轮传动机构图机电一体化系统的传动机构有线性传动机构，也有非线性传动机构，常用的线性传动机构有齿轮传动、同步带传动等图a、b、c的传动比i=θ1/θ2=z2/z1;图d的传动比i=2(z1+z2)/z1;图e为谐波齿轮传动,当刚性轮固定时,其传动比i=zr/(zr-zg);一、机械系统特性及变换机构图f为差动齿轮传动机构,其运动变换关系一、机械系统特性及变换机构挠带传动机构这种机构适合于轴间距较大的轴之间传递回转运动传动比i=d2/d1=z2/z1;一、机械系统特性及变换机构回转--直线（或直线--回转）线性变换机构二、机械系统的机构静力学特性机构静力学所研究的问题是：①机构输出端所受负载(力或转矩)向输入端的换算；②机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响；③求由上述各种力或重力加速度引起的机构内部各连杆、轴承等的受力。这里主要对研究机电一体化系统设计中机电有机结合最重要的第一、第二个问题加以叙述。第三个问题是机构的强度、刚度设计中要研究的重要问题，此处予以省略。1.负载力(或转矩)向输入端的换算二、机械系统的机构静力学特性对单输入输出系统应用虚功原理1.负载力(或转矩)向输入端的换算二、机械系统的机构静力学特性多输入输出系统应用虚功原理2.机构内部摩擦力的影响1)线性变换机构以图示滑动丝杠副为例分析滑动摩擦的影响:运动变换关系使丝杠产生转动所需的转矩螺纹表面受到的正压力Fn和摩擦力μFn向x、y轴分解：2.机构内部摩擦力的影响2)非线性变换机构以图示曲柄滑块机构为例分析滑动摩擦影响:运动变换关系设BC作用于滑块的力Fc，AC作用于滑块的力Fn，摩擦力为μFn，外负载力为Fy，则：又因为所以由于摩擦力的存在,从Fy向T变换系数与φ有关,但不是比例关系。一般由于摩擦的存在,非线性变换机构的变换关系不是一定的。

读者注意

其他系统的动态特性，这里从略，请读者参看教材补充。第7章机电一体化系统机电有机结合的分析与设计

§7-1机电有机结合的稳态与动态设计

§7-2机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法

§7-3

机电有机结合之二：动态设计的考虑方法

§7-4可靠性、安全性设计§7-1机电有机结合的稳态与动态设计

机电一体化系统的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。§7-1机电有机结合的稳态与动态设计在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元部件的种类、各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法，以及信号转换的方式等。有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算。§7-1机电有机结合的稳态与动态设计初步确定系统的主回路各部分特性、参数，着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。稳态设计动态设计这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的基础。系统的实际电路及实际参数，往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。§7-2机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法一、被控对象（典型负载）分析

位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。

被控对象(简称负载)的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。一、被控对象（典型负载）分析

指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。

对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目。在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。1.典型负载分析一、被控对象（典型负载）分析

被控对象的运动，有的是直线运动，如机床的工作台X、Y及Z轴，机器人臂部的升降、伸缩运动，绘图机的X、Y方向运动；也有的是旋转运动，如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。

执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。

因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件(k)的输出轴上，即计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩(回转运动)或计算等效质量和等效力(直线运动)。2.负载的等效换算2.负载的等效换算图示的机床工作台伺服进给系统由一个移动部件和n个转动部件组成。M、v和F分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(m/s)和所受的负载力(N)；Jj、nj（

j）和Tj分别为转动部件的转动惯量(kgm2)、转速(r/min或rad/s)和所受负载转矩(N

m)。2.负载的等效换算

（1）求等效转动惯量Jeq

所以，等效转动惯量为：v单位：m/minnj单位：r/minv单位：m/s

j单位：rad/s用工程上常用单位时，上式改写为

根据能量守恒定律有：2.负载的等效换算

（1）求等效转动惯量Jeql0为丝杠导程,ij-1为第(j-1)级传动比

移动部分为丝杠螺母传动时(跟丝杠连接的齿轮是第n个齿轮)：2.负载的等效换算

（1）求等效转动惯量Jeql0为丝杠导程,ij-1为第(j-1)级传动比

移动部分为齿轮齿条传动时(跟齿条啮合的齿轮是第n个齿轮)：2.负载的等效换算

（2）求等效转矩Teq

所以，等效负载转矩为：v单位：m/minnj单位：r/minv单位：m/s

j单位：rad/s用工程上常用单位时，上式改写为

根据做功相等有：计算举例已知进给系统移动部件（工作台、夹具、工件等）总质量M=400kg，沿运动方向的总负载力为800N；电动机转子的转动惯量4*10-5kgm2，齿轮轴部件I、II（包含齿轮）的转动惯量分别为5*10-4kgm2

、7*10-4kgm2

；Z1与Z2的齿数分别为20与40，模数为1mm。求等效到电动机轴上的等效转动惯量（包含电机本身的转动惯量）和等效力。解=0.04715kgm2

计算举例已知进给系统移动部件（工作台、夹具、工件等）总质量M=400kg，沿运动方向的总负载力为800N；电动机转子的转动惯量4*10-5kgm2，齿轮轴部件I、II（包含齿轮）的转动惯量分别为5*10-4kgm2

、7*10-4kgm2

；Z1与Z2的齿数分别为20与40，模数为1mm。求等效到电动机轴上的等效转动惯量（包含电机本身的转动惯量）和等效力。解二、执行元件的匹配选择拟定系统方案时，要根据技术条件的要求进行综合分析，以选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。1.执行元件的转矩与惯量匹配电动机轴上的总负载转矩T

包括：等效负载转矩Teq(包括摩擦负载和工作负载)、等效惯性负载转矩T惯等，即

考虑到机械的总传动效率

时，则此外，推荐Jeq/Jm<=4。

为保证电机带负载能正常起动和定位停止，起动和制动转矩Tq应满足：计算举例计算举例

根据计算的T

和Jm选择步进电机时，还要对电机其他的性能指标和参数进行验算，如最快工作进给速度时电动机输出转矩校核；最快空载移动时电动机输出转矩校核；最快空载移动时电动机运行频率校核；启动频率的校核；步距角的匹配条件步距角的选择受脉冲当量等因素影响，应满足关系式

i＝αl0/(3600δ)

当然，步距角越小，误差越小，则精度越高。二、执行元件的匹配选择2.执行元件的功率匹配nmax-电动机的最高转速，r/min;wmax--电动机的最高角速度，rad/s;λ--考虑电动机、减速器等的功率系数,一般取入=1.2~2，对于小功率伺服系统，λ可达2.5，二、执行元件的匹配选择3.过热过载验算

过热验算:当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩和等效功率，在电动机励磁磁通Φ近似不变时：t1,t2：时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分别为T1,T2。TN--电机额定转矩（Nm）；PN--电机额定功率(W)；nN--电机额定转速（r/min）。过载验算:使电机瞬时最大负载转矩与电动机额定转矩的比值不大于某一系数

km:电动机的过载系数,一般电动机产品目录中给出。则所选电动机的不过热条件为：三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配

总减速比选择依据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定；既要使减速比达到一定条件下最佳；同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系；还要同时满足最大转速要求等。三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配

总减速比选择方法：（1）加速度最大（2）输出速度最大（3）按进给系统传动要求f1:--电动机的黏性摩擦系数;f2--负载的黏性摩擦系数。当对系统的输出速度、加速度都有一定要求时,应按(1)选择减速比i,然后验算是否满足i

ωLmax≤ωm。ωLmax为负载的最大角速度;ωm为电动机输出的角速度。总减速比之后，再按第二章分配原则合理确定减速级数及分配各级的速比四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计

执行元件与机械传动系统确定之后，需要根据所拟系统的初步方案，选择和设计系统的其余部分，把初步方案逐步具体化。各部分的设计计算，必须从系统总体要求出发，考虑相邻部分的广义接口、信号的有效传递(防干扰措施)、输入／输出的阻抗匹配。总之，要使整个系统在各种运行条件下，达到各项设计要求。检测传感装置：精度(即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入／输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小，性能要稳定可靠等。信号转换接口电路：应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入／输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合匹配要求。86伺服放大器的设计与选择：（1）功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高、时间常数要小。（2）放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件。例如：为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施。（3）放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。（4）输入级应能与检测传感装置相匹配，即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。（5）放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计87电源的设计与选择：在一个系统中，所需电源一般很难统一，关键是动力电源，此外，还有各种类型的控制电源。系统对电源及其频率的稳定度都有一定要求（1）所使用电源应具有足够的保护措施，如过电压保护、掉电保护、过电流保护、短路保护等；（2）应具有抗干扰措施，如滤波、隔离、屏蔽等；（3）要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算在稳态设计的基础上，利用所选元、部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自动控制理论基础课程所学知识建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。现以工作台闭环伺服进给系统为例，分析在不同控制方式下传递函数的建立方法。1.半闭环控制方式：检测传感器装在丝杠端部五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算当系统受到附加外扰动转矩（用电压表示）时：五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算2.全闭环控制方式：检测传感器安装在动导轨上五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算机械传动系统的传递函数Gj(s)建立如下：等效扭转刚度：五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算机械传动系统的传递函数Gj(s)建立如下：其他等效量：五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算机械传动系统的传递函数Gj(s)建立如下：根据扭矩平衡（不考虑摩擦）：作用在轴Ⅱ上的转矩为T2(t)作用在轴III上的转矩为T3(t)五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算机械传动系统的传递函数Gj(s)建立如下：根据扭矩平衡（不考虑摩擦）：作用在轴Ⅱ上的转矩为T2(t)作用在轴III上的转矩为T3(t)3.工作台进给系统的主谐振频率五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算3.工作台进给系统的主谐振频率五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算3.工作台进给系统的主谐振频率五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算3.工作台进给系统的主谐振频率五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算通常在机械传动系统中Beq比较弱，上式近似为：五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算3.工作台进给系统的主谐振频率

K为等效扭转刚度§7-3机电有机结合之二：动态设计考虑方法机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统的动态设计。一、机电伺服系统的动态设计系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正(或补偿)形式，设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。控制方式：常用反馈控制方式或前馈和反馈相结合的复合控制方式等。校正形式：工程上常用对数频率法（借助Bode图)和根轨迹方法进行设计。§7-3机电有机结合之二：动态设计考虑方法

动态设计的一般考虑方法和步骤：用系统开环对数幅频特性进行设计，将各项设计指标反映到波德图上，并画出一条能满足要求的系统开环对数幅频特性；与原始系统(稳态设计基础上建立的系统)的开环对数幅频特性相比较，找出所需补偿(或校定)装量的对数幅频特性；根据此特性来设计较正(或补偿)装置，将该装置有效地连接到原始系统的电路中去，使校正(或补偿)后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的特性相一致。一、机电伺服系统的动态设计§7-3机电有机结合之二：动态设计考虑方法

在研究机电伺服系统的动态特性时，一般先根据系统组成建立系统的传递函数(即原始系统数学模型)，不易用理论方法求解的可用实验方法建立。进而可以根据系统传递函数分析系统的稳定性、系统的过渡过程品质(响应的快速性和振荡)及系统的稳态精度。当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出量也不能立即变化到与外部输入或干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化过程即为系统的过渡过程。

当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：

1）系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；

2）系统的输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定的；

3）系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。二、系统的调节方法§7-3机电有机结合之二：动态设计考虑方法当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输出相对应的稳定状态，此时系统的输出值与目标值之差称为稳态误差。具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标，在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应曲线来表示。当系统不稳定或虽然稳定但过渡过程性能和稳态性能不能满足要求时,可先调整系统中的有关参数,如仍不能满足使用要求就需进行校正，最简单的校正网络是比例积分-微分调节器,简称PID调节器(P表示比例，I表示积分，D表示微分)。单位阶跃响应过渡过程曲线Ts—上升时间；Ty—延滞时间；Tt—调整时间；

％—最大超调量；Essr—稳态误差。二、系统的调节方法二、系统的调节方法1.PID调节器及其传递函数105（3）比例-积分调节器（图c）

调节作用取决于增益Kp(比例系数)的大小。Kp越大，调节作用越强，但是存在调节误差。而且Kp太大会引起系统不稳定。（2）积分调节器（图b）可以减少或消除误差，但由于积分调节器响应慢，故很少单独使用。既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱点，既能改善系统的稳定性能，又能改善其动态性能。（1）比例调节器（图a）二、系统的调节方法1.PID调节器及其传递函数不但能改善系统的稳定性能也能改善其动态性能。但是，由于它含有微分作用，在噪声比较大或要求响应快的系统中不宜采用（4）比例-积分-微分调节器（图c）其中，二、系统的调节方法1.PID调节器及其传递函数有源校正，通常不是靠理论计算而是用工程整定的方法来确定其参数的。在观察输出响应波形是否合乎理想要求的同时,按照先调K、后调T、再调”,的顺序，反复调整这三个参数，直至观察到输出响应波形比较合乎理想状态要求为止(一般认为在闭环机电伺服系统的过渡过程曲线中，若前后两个相邻波峰值之比为4:1，则响应波形较为理想)。2.调节作用分析加了调节器的系统2.调节作用分析调节器控制作用有三种基本形式,即比例作用、积分作用和微分作用。每种作用可以单独使用,也可以组合使用,但微分作用形式很少单独使用,一般与比例作用形式或比例-积分作用形式组合使用。2.调节作用分析基本控制作用的种类2.调节作用分析典型信号的响应2.调节作用分析(1)应用比例(P)调节器的情况应用比例作用时,其闭环响应输入信号R(S)引起的输出扰动信号D(S)引起的输出2.调节作用分析(1)应用比例(P)调节器的响应输入信号R(S)引起的输出扰动信号D(S)引起的输出2.调节作用分析(1)应用比例(P)调节器的响应系统加入具有比例作用的调节器时，闭环响应仍为一阶滞后，但时间常数小了，说明系统响应快了外部干扰为阶跃信号时,引起的稳态(t→∞)输出(误差)2.调节作用分析(1)应用比例(P)调节器的响应输入为阶跃信号时,引起的稳态(t→∞)输出若K1=1，输入输出相等。此时，比例调节作用的大小主要取决于比例系数K0。K0愈大,调节作用愈强,动态特性也愈好。但K0太大,会引起系统不稳定。比例调节的主要缺点是存在误差。因此,对于干扰较大、惯性也较大的系统,不宜采用单纯比例调节器。2.调节作用分析(2)应用积分(I)调节器的响应阶跃干扰引起的稳态输出为零，阶跃输入引起的稳态输出2.调节作用分析(3)应用比例积分(PI)调节器的响应阶跃干扰引起的稳态输出为零，阶跃输入引起的稳态输出2.调节作用分析(4)应用比例积分微分(PID)调节器的响应PID调节器在阶跃信号作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后再进行积分，直到最后消除误差为止，无论从稳态，还是从动态的角度来说，调节品质均得到了改善，从而使用PID调节器成为一种应用最为广泛的调节器。由于PID调节器含有微分作用，所以噪声大或要求响应快的系统最好不使用。3.速度反馈校正无反馈校正器时的闭环传递函数用反馈校正器时的闭环传递函数用反馈校正后，系统的阻尼(由分母中第二项的系数决定)增加了，因而阻尼比ζ增大，超调量σ减小，相应地相角裕量γ则会增加，故系统的相对稳定性得到改善。4.局部反馈校正具有两个主要优点①反馈校正所用信号的功率水平较高,不需要放大,这给使用提供了很多便利;②如图所示,当G(s)H(s)>1时,局部反馈部分的等效传递函数被局部反馈所包围部分的元件的非线性或参数的波动对控制系统性能的影响可以忽略基于这一特点,采用局部速度反馈校正可以达到改善系统性能的目的。三、机械结构弹性变形对系统的影响传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振(或机械谐振)。机械装置并非刚体，而具有柔性。其物理模型是质量-弹簧系统。例如机床进给系统中，床身、电动机、减速箱、各传动轴都有不同程度的弹性变形，并具有一定的固有谐振频率。对于一般要求不高且控制系统的频带也比较窄，只要传动系统设计的刚度较大，结构谐振频率通常远大于闭环上限频率，故结构谐振问题并不突出。随着科技的发展，对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈高，必须提高控制系统的频带宽度，从而可能导致结构谐振频率逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落到带宽之内，使系统产生自激振荡而无法工作，或使机构损坏。1.结构谐振的影响三、机械结构弹性变形对系统的影响1.结构谐振的影响传动系统模型三、机械结构弹性变形对系统的影响1.结构谐振的影响等效三、机械结构弹性变形对系统的影响1.结构谐振的影响传递函数：当La与B可以忽略不计时1.结构谐振的影响用根轨迹法对简化后的传递函数分解因为τL的实际数值不大,故小闭环极点的数值离开环极点较近1.结构谐振的影响用根轨迹法对简化后的传递函数分解因为τL的实际数值不大,故小闭环极点的数值离开环极点较近1.结构谐振的影响1.结构谐振的影响

结构谐振频率为

n

(KL/JL)0.5。当被控对象负载惯量JL↓，传动装置刚性KT↑，则结构谐振的频率

n↑;当被控对象负载惯量JL↑，传动装置刚性KT↓，则结构谐振的频率

n↓。若

n处在系统的通频带之外(即高频段)，就可以认为结构谐振对整个伺服系统的动态性能没有影响（图中实线）；若

n处于系统的中频段(图中虚线)，结构谐振对伺服系统的影响就会很大，致使系统在附近产生自激振荡。对要求加速度很大、快速性能好的系统，由于通频带较宽，因而更容易出现自激振荡。

结构谐振频率

n处在系统的通频带之外时，对整个伺服系统的动态性能没有影响。通常选择

n>=(8~10)

c(

c为剪切频率)。提高

n的根本办法是增加传动系统的刚度、减小负载的转动惯量和采用合理的结构布置。例如，选用弹性模量高、密度小的材料。增加刚度主要是加大传动系统最后几根轴的刚度，因为末级轴的刚度对等效刚度的影响最大，或者采用无齿轮传动装置，因为齿轮传动中齿隙会降低系统的谐振频率。减小惯性元件之间的距离也是提高传动系统刚度的一个措施。2.减小或消除结构谐振的措施（1）提高传动刚度（谐振频率）

提高阻尼可降低谐振峰值，这是解决结构谐振问题的一种经济有效的方法。机械结构本身的阻尼是很小的，通常采用粘性联轴器，或在负载端设置液压阻尼器或电磁阻尼器。这都可明显提高系统阻尼。如果结构谐振频率不变，将阻尼比提高10倍，系统的带宽也可提高10倍。

可以看出，加大粘性阻尼系数B，即增大相对阻尼比

，就能有效地降低振荡环节的谐振峰值。只要使相对阻尼比

≥0.5，机械谐振对系统的影响就会被大大削弱。

2.减小或消除结构谐振的措施（2）提高机械阻尼在系统中串联图示反谐振滤波器校正网络图反谐振校正装置该网络的传递函数为：其中，该网络频率特性有一凹陷处，将此处对准系统的结构谐振频率

n，就可抵消或削平结构谐振峰值，这种滤波叫陷波滤波。反谐振校正装置频率特性2.减小或消除结构谐振的措施（3）采用校正网络在低摩擦系统中,谐振的消除可以用测速发电机(TG)电压与正比于电动机电流的综合电压来实现。这个综合电压由电容器滤波后,将其输出作为速度反馈信号。2.减小或消除结构谐振的措施（4）应用综合速度反馈测速发电机输出电压：正比于电动机电流的电压：2.减小或消除结构谐振的措施（4）应用综合速度反馈对uT和us进行拉氏变换，并与上式联立要使u0和正比于Ω，就需要零极点相同可以通过调节电位计实现。将α代入U0(s)，2.减小或消除结构谐振的措施（4）应用综合速度反馈优点：可以使结构谐振的影响下降到最低程度；缺点：反馈的速度信号与转速不完全成正比,因此对速度调节不利,特别是在负载摩擦阻尼显著时更为明显。实际的机电一体化系统的传动装置较复杂,结构谐振频率和谐振峰值不止一个,又由于系统的参数也可能变化,使谐振频率不能保持恒定,再加上传动装置存在传动间隙、干摩擦等非线性因素的影响,使得实际的结构谐振特性十分复杂。用校正(或补偿)方法只能近似地削弱结构谐振对伺服系统的影响。对于负载惯量大的伺服系统,由于其谐振频率低,严重影响获得系统应有的通频带,若对系统进行全状态反馈,可以任意配置系统的极点,特别是针对结构谐振这一复极点,进行阻尼的重新配置,可以有效地克服结构谐振现象的出现。四、传动间隙对系统特性的影响1.机械传动间隙由于减速器的主动轮和从动轮之间间隙的存在和传动方向的变化，齿轮传动的输入转角和输出转角之间呈滞环特性。1.机械传动间隙折算到输出轴上的总间隙可见，最后一级齿轮的传动间隙影响最大。为了减小其间隙的影响,除尽可能地提高齿轮的加工精度外，装配时还应尽量减小最后一级齿轮的传动间隙。2.传动间隙的影响

如图所示，G2代表闭环之内的动力传动链，G3代表反馈回路的动力传动链。（1）闭环之内的动力齿轮传动间隙影响系统的稳定性

给系统输入一阶跃信号，电动机开始转动。由于存在传动间隙，被控对象不动，没有反馈信号，当电动机转过齿隙后，因冲击从动轮加速转动。又因为系统具有惯量，当

c=

r时，被控对象靠惯性继续转动，使系统出现较大的反向误差。如果间隙不大，且系统中控制器设计得合理，被控对象摆动的振幅就愈来愈小，最后停止在

c=

r的平衡位置上。2.传动间隙的影响

如图所示，G2代表闭环之内的动力传动链，G3代表反馈回路的动力传动链。（1）闭环之内的动力齿轮传动间隙影响系统的稳定性如间隙较大，且控制器设计得不好，那么被控对象就会反复摆动，即产生自激振荡。因此，闭环之内动力传动链中的齿轮传动间隙会影响伺服系统的稳定性。但G2中的间隙不会影响系统的精度。当被控对象受到外力矩干扰时，可在齿轮传动间隙范围内游动，但只要

c

r

，通过反馈作用，就会将被控对象被校正到所确定的位置上。2.传动间隙的影响

如图所示，G2代表闭环之内的动力传动链，G3代表反馈回路的动力传动链。（2）反馈回路上的齿轮传动间隙既影响系统的稳定性又影响系统精度

当被控对象在外力作用下转动不超过传动间隙时，连接在输出轴上的检测元件仍处于静止状态，无反馈信号，当然也无误差信号，所以控制器不能校正此误差。该间隙影响系统稳定性的分析过程同(1)。五、机械系统实验振动模态参数识别上述主要介绍了可计算(传动系统)部分的动态分析方法。机械系统(包括机械传动系统和机械支承系统)在内、外的变化载荷作用下，会表现出不同的动态响应特性。某些动态响应特性会影响机电一体化系统的正常工作，工程设计人员必须给予足够的重视。对不可计算的复杂机械系统的动态分析，通常采用被广泛使用的实验模态分析方法。通过这种方法可识别机械系统的结构模态参数，如固有振动频率、振型、模态刚度、模态质量及模态阻尼等。从而建立用这些模态参数表示的机械结构系统的动态方程，通过分折找出其问题所在，以便采取提高刚度和阻尼效果的有效方法。实验振动模态分析方法有时域法和频域法。时域法是直接从机械系统结构的时间域的响应求取模态参数。频域法是先将测试数据变换成频率域数据，然后进行模态分析进而确定模态参数，其具体分析方法请参看有关资料。§7-4

可靠性、安全性设计（1）可靠性：是指产品(或系统)在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。（2）规定条件：是指使用时的工作条件、环境条件和存储时的存储条件等，“规定条件”不同，产品的可靠性也不同。（3）规定时间：其长短的不同，产品的可靠性也不同。（4）完成规定功能：能够连续地保持产品(或系统)的工作能力，使各项技术指标符合规定值，否则就称为失效(故障）。（5）失效(故障）：是一种破坏产品(或系统)工作能力的事件，失效(故障)越频繁可靠性就越低。一、可靠性设计1.可靠性的基本概念2.可靠性的含义（1）产品(或系统)的无故障性是指产品在某一时期内(或某一段工作时间内)，连续不断地保持其工作能力的性能。（2）产品(或系统)和耐久性产品的耐久性是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工作能力的性能。一般来说，如果不采取维修和预防措施消除故障、恢复其丧失了的工作能力，产品是不能长时期工作的。保证产品具有必要的可靠性是一个综合性问题，不能单纯依靠某一特定的方法。保证产品可靠性的方法主要有两种：（1）提高产品的设计和制造质量这是提高可靠性的最根本的方法，包括加大设计的安全系数，提高设计裕度；采取自动控制措施等。（2）采用冗余技术冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类，包括①工作冗余：有两个或两个以上单元并行工作，平均负担工作应力，所有单元都失效时，系统才失效。②后备冗余：一个单元工作，另一个单元待机备用。须设置失效检测与转换装置，检测到失效就启动转换装置，用后备单元代替失效单元。机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。3.保证产品(或系统)可靠性的方法（3）采用诊断技术诊断的任务：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度。

诊断的过程：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号，再从中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置或确定产品元器件距离极限状态的程度。（4）采取抗干扰措施在机电一体化产品(或系统)中，电噪声的干扰是产生元部件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素，这是机电一体化产品设计中不可忽视的问题之一。3.保证产品(或系统)可靠性的方法干扰的定义

干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。 电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。3.保证产品(或系统)可靠性的方法①干扰源传导型：通过各种线路传入控制器，相应的干扰源包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；辐射型：通过空间感应进入控制器，相应的干扰源包括电磁干扰和静电干扰等。3.保证产品(或系统)可靠性的方法图示各种干扰源进入控制器的渠道，这些渠道可分为两大类型：

供电干扰：周围大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动会引起的干扰。雷电感应也会产生冲击电流。此外，突然断电有可能引起控制数据丢失或程序紊乱；强电干扰：驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流，并通过电磁感应干扰其它信号线路。它们通过外部接口通道影响控制器内部I/O接口的状态，并通过I/O接口进入控制器；接地干扰：由于接地不当形成接地环路产生的干扰；电磁（静电）干扰：如果在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备(控制器、驱动接口、转换接口等)和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。①干扰源3.保证产品(或系统)可靠性的方法②抗干扰措施3.保证产品(或系统)可靠性的方法用来抑制上述各种干扰信号的产生或防止干扰信号危害的抗干扰措施，既有针对各种干扰源的性质和部位而采取的措施，也有从全局出发而采取的提高产品可靠性的措施。

供电系统的抗干扰措施：针对交流供电网络这个干扰源所采取的抗干扰措施主要是稳压、滤波、隔离、分开走线。增加电子交流稳压器：用来稳定220V单向交流进线电压，以提高电源电压的稳定性。增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流。加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源(具有备用直流电源)，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。

滤波：抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。图为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V工频电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。②抗干扰措施3.保证产品(或系统)可靠性的方法继电器隔离：继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。②抗干扰措施3.保证产品(或系统)可靠性的方法隔离变压器：对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度.②抗干扰措施3.保证产品(或系统)可靠性的方法

强弱电分开走线可抑制干扰②抗干扰措施3.保证产品(或系统)可靠性的方法弱电转强电的抗干扰措施：首先采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。采用RC电路或二极管和稳压二极管吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。采用光隔离措施似防止驱动接口中的强电于扰及其它干扰信号进入控制器。②抗干扰措施3.保证产品(或系统)可靠性的方法FANUC接地系统接地系统的抗干扰措施：要防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路，通常采用以下措施：3.保证产品(或系统)可靠性的方法单点接地：由于接地点远而形成的环路，可采用单点接地方法。并联接地：由于多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路，可用并联接地方法。光电隔离：对于用长线传输的数字信号，可用光电耦合器。②抗干扰措施①增加系统信息管理的软件，与硬件配合，对信息进行保护。这包括防止信息被破坏、在出现故障时保护信息，在故障排除后，恢复信息等；②利用软件冗余，防止信息的输入/输出过程及传送过程中出错。如对关键数据采用重复校验方式，对信息采用重复传送并进行校验等；③编制诊断程序，及时发现故障，找出故障的部位，以便缩短修理时间；④用软件进行系统调度，这包括在发生故障时，进行现场保护、迅速将故障装置切换成备用装置；在过负荷或环境条件变化时，采取应急措施；在排除故障后，在排除故障后，使系统迅速恢复正常并投入运行等；⑤提高软件自身的可靠性。3.提高软件可靠性二、安全性设计

随着生产机械、搬运机械、装配机械等的机电一体化的发展、自动化程度的提高，安全性设计越来越重要。从工业安全角度来看，要减少生产事故的发生，在进行机电一体化设计的过程中，必须采取必要的安全措施。安全措施之一是故障自动保护化：一是必须具有通过伺服系统对机器人的误动作进行监视的功能，一有异常动作应自动切断电源；二是必须具有当人误入危险区时，能立即测知并自动停机的故障自动检测系统。以工业机器人为例，其安全措施大致有：1.设置安全栅；2.安装警示灯；3.安装监视器；4.安装防越程装置；5.安装紧急停止装置；6.低速示教。

157§8-1

车床的机电一体化改造设计分析§8-2

3D打印设备机电一体化设计第8章典型的机电一体化产品设计实例普通卧式车床刀架的纵向(Z轴)和横向(X轴)进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、床鞍以及中滑板产生移动。进给参数依靠手工调整，Z轴和X轴不能联动，因此普通卧式车床不能加工母线是曲线的回转体工件。对卧式车床进行数控化改造,主要是将Z轴和X轴进给系统改成用微机控制的，能独立运动的进给伺服系统，且Z轴和X轴可以联动运动；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。利用微机实现车床机电一体化改造时,可以采用单片机、PC机或PLC等，考虑到综合性价比，通常采用单片机再加上驱动电源步进电机组成X、Z轴的开环进给伺服系统，将加工程序输入到单片机系统进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配,输出一系列脉冲，经功率放大可以驱动X、Z轴运动。§8-1

车床的机电一体化改造设计分析§8-1

车床的机电一体化改造设计分析车床机电一体化改造系统框图§8-1

车床的机电一体化改造设计分析1.车床的机械传动系统改造设计方案分析改造前的CA6140车床CA6140车床改造方案在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；Z向进给运动：合上开合螺母，离合器M5脱开，使主运动与进给运动脱开；X向进给运动：将横向自动进给机构调整至空挡(脱开)位置；刀架：可以保持手动刀架或将原刀架换为自动转位刀架；主轴：如需加工螺纹,则要在主轴外端或其他适当位置安装一个脉冲发生器。§8-1

车床的机电一体化改造设计分析1.车床的机械传动系统改造设计方案分析CA6140车床改造方案改造后车床的运动传递过程：主运动：驱动主轴电动机→皮带传动→主轴变速齿轮传动→主轴；纵（Z）向进给：步进电动机A→减速齿轮传动→纵向丝杠传动→溜板→刀架。横（X）向进给：步进电动机B→减速齿轮传动→横向丝杠传动→刀架。§8-1

车床的机电一体化改造设计分析这种改造方案成本较低，且最大程度地保留了原传动系统的主要部件，即便改造不成功，将机床稍加整理，就可恢复原样。当然，为了保证加工精度，改造时也要考虑下列因素：为提高步进电机的驱动效率，应尽量减小传动系统的阻力(矩)；对丝杠要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适；为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨；根据阻力(矩)、切削用量等的不同选用与之相匹配的步进电动机；对要求加工精度较高的机床，其进给丝杠应改换为滚珠丝杠。二、自动转位刀架自动转位刀架具有重复定位精度高、刚性好、寿命长等特点。按其工作原理可分为螺旋升降转位刀架、槽轮转位刀架、棘轮棘爪转位刀架及电磁转位刀架等。图8-4a为螺旋升降转位刀架原理图,电动机1经弹簧安全离合器2、蜗轮蜗杆副3带动螺母6旋转,并将刀架5推起使端齿盘7的上、下盘分离,随即带动刀架旋转到位,然后由内装信号盘4发出到位信号,让电动机反转锁紧。图8-4b为槽轮转位刀架原理图。它是利用十字槽轮原理进行转位和锁紧定位的。销钉盘2每转一周,带动槽轮转过一个槽,使其刀架4转过360°/K(K为刀架工位数)。三、机床机电一体化改造的性能及精度选择车床的最大回转直径及最大长度，主轴电动机功率等一般都不改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度及粗糙度等基本上仍取决于机床本身原来的水平。但有一些性能指标是可选择的，如：1.主运动:主轴变速方法级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等；2.进给运动

进给速度：Z向(通常为8~400(mm／min))；X向(通常为2~100mm/min)；