機電一體化技術(shù)實踐

1、第二章第二章 機電一體化系統(tǒng)的單元技術(shù)機電一體化系統(tǒng)的單元技術(shù) 圖2-1 四軸聯(lián)動數(shù)控雕銑機裝配圖第一節(jié)精密機械技術(shù)第一節(jié)精密機械技術(shù) 1機械傳動機構(gòu)機械傳動機構(gòu) 1.1 絲杠螺母機構(gòu)絲杠螺母機構(gòu) 1機械傳動機構(gòu)機械傳動機構(gòu) 1.2 齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動機構(gòu) 1機械傳動機構(gòu)機械傳動機構(gòu) 1.3 撓性傳動機構(gòu)撓性傳動機構(gòu) 1機械傳動機構(gòu)機械傳動機構(gòu) 1.3 間歇傳動機構(gòu)間歇傳動機構(gòu) 2機械導(dǎo)向機構(gòu)機械導(dǎo)向機構(gòu) 2機械導(dǎo)向機構(gòu)機械導(dǎo)向機構(gòu) 2機械導(dǎo)向機構(gòu)機械導(dǎo)向機構(gòu) 3機械執(zhí)行機構(gòu)機械執(zhí)行機構(gòu) 3機械執(zhí)行機構(gòu)機械執(zhí)行機構(gòu) 3機械執(zhí)行機構(gòu)機械執(zhí)行機構(gòu) 4軸系軸系 4軸系軸系 5機座或機架機座或機架

2、傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量，傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的器件或裝置。號的器件或裝置。第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.1 概述概述第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.1 概述概述transducer / sensor “能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實

3、現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.1 概述概述transducer / sensor 常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： 光敏傳感器視覺 聲敏傳感器聽覺 氣敏傳感器嗅覺 化學(xué)傳感器味覺 壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺 敏感元件的分類： 物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。 化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。 生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。 通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.

4、1 概述概述 傳感器與人的感官一一對應(yīng)，相當人眼（視覺）的光傳感器，如光敏元件、電荷耦合器件（）、圖像傳感器和光敏二極管等；相當于人耳（聽覺）的音響傳感器，如傳聲器、壓電元件等；相當于人皮膚（觸覺）的振動傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，其中振動傳感器有應(yīng)變片、半導(dǎo)體壓力傳感器等，溫度傳感器有熱敏電阻、鉑電阻、熱電偶和熱釋電傳感器等，壓力傳感器有膜片、力敏聚合物等；相當于人舌頭（味覺）的味覺傳感器，如鉑、氧化物、離子傳感器等；相當于人鼻（嗅覺）的嗅覺傳感器，如生物化學(xué)元件等。此外，還有檢測位移量的差動變壓器、檢測轉(zhuǎn)速的編碼器、磁性傳感器等。第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.1 概

5、述概述第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.1 概述概述第二節(jié)傳感檢測技術(shù)第二節(jié)傳感檢測技術(shù) 2.1 2.1 概述概述熱敏傳感器：熱敏傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換為電熱敏傳感器：熱敏傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。信號的裝置。 2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 1. 傳感器的靜特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。 (1) 線性度 傳感器的線性度是指傳感器實際輸出輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即100%maxFSyL xyS0%100FSmyH

6、H2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性100%FSmRyR 1322nyyyiFSR2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性2. 2. 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特

7、性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。 2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器（ resistance type transducer ） 把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應(yīng)變式傳感器、電位器式傳感器等。電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表。（一）變阻器式傳感器（一）變阻器式傳感器 變阻器式傳感器也稱電位器式傳感器，其工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電

8、阻的變化。 AlR2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器xkRllkdxdRSa)直線位移型 b)角位移型 c)非線性型 常數(shù)kddRS 又稱函數(shù)電位器。是其輸出電阻與電刷位移之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，即它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等各種特定函數(shù)，也可以是其它任意函數(shù)。非線性電位器可以應(yīng)用于測量控制系統(tǒng)、解算裝置等。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器負載電阻為 ，電位器長度為l，總電阻為，電刷位移為x，相應(yīng)的電阻為 RxRx，電源電壓為U，輸出電壓為U0為: 當時2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；受環(huán)境因素(如溫度、濕度

9、、電磁場干擾等)影響小；可以實現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸出信號大，一般不需放大。缺點：因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，所以分辨力較低；動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器（二）（二）電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 以應(yīng)變片為傳感元件的傳感器。體積小，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快，測量精度高，壽命長，性能穩(wěn)定可靠，可用于測量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。半導(dǎo)體應(yīng)變式金屬電阻應(yīng)變片 直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。 將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物

10、理參量的傳感器。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器（二）（二）電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器AlRdRdAARdllRdRdrdrldlRdR2ldlrdrldlrdr縱向應(yīng)變 橫向應(yīng)變 泊松比21212EERdREd優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,價格低。缺點:精度不高,靈敏度低。1 金屬電阻應(yīng)變片2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器（二）（二）電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 2 半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：單晶片材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)象。ERdRERdRSg比金屬絲的靈敏度大5070倍。優(yōu)點：靈敏度高。缺點：溫度穩(wěn)定性能差，靈敏度分散

11、度大，以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器（三）壓阻（三）壓阻式傳感器式傳感器 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。壓阻式傳感器的優(yōu)點是:靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；分辨率高，例如測量壓力時可測出1020Pa的微壓；測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；可測量低頻加速度和直線加速度。最大的缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器二、電容式傳感器電容式傳感器（ capacitive

12、 type transducer ） 把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。以最簡單的平行極板電容器為例說明其工作原理。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為壓力、液位、振動、位移、速度、加速度壓力、液位、振動、位移、速度、加速度2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。1 極距變化型極距變化型20AddCS優(yōu)點：可進行非接觸測量缺點： 靈敏度與成反比，極距越

13、小，靈敏度越高 存在非線性誤差，測量范圍小 配合使用的電子線路復(fù)雜2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。2 面積變化型面積變化型常數(shù)0dAdCS優(yōu)點：靈敏度為線性，測量范圍大?？捎糜跍y量大的角位移或線位移，差動式比單邊結(jié)構(gòu)的靈敏度高一倍。a)角位移型 b)平面線位移型 c)圓柱體線位移型2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。3 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型利用介質(zhì)介電常

14、數(shù)變化將被測量轉(zhuǎn)化為電容量的傳感器。常用測量材料的厚度、液位等。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器三、電感式傳感器電感式傳感器（ inductance type transducer ） 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等液位、比重、轉(zhuǎn)矩等 2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器1 自感型1）可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理

15、如圖所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器1 自感型1）可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。 故靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.0011 mm。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器1 自感型2）渦電流式利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。分析表明：由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。Z的變化與、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率以及

16、線圈激磁圓頻率等有關(guān)。改變其中某一因素，即可達到不同的變換目的。例：變化 ，可作為位移，振動測量。變化或 ，可作為材質(zhì)鑒別或探傷等。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器1 自感型2）渦電流式2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器2 互感式傳感器差動變壓器式電傳感器原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移轉(zhuǎn)化成線圈互感的變化。dtdiMe1122.3 2.3 常用傳感器常用傳感器2 互感式傳感器差動變壓器式電傳感器原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移轉(zhuǎn)化成線圈互感的變化。 差動變壓器傳感器工作原理a）、b）工作原理 c）輸出特性由一個線圈中的電流發(fā)生變化而使其它線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象叫互

17、感現(xiàn)象。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器 熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件,是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時，當兩接合點回路時，當兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大

18、小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表盒等主要部分組成，通常和顯示儀表,記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。2.3 2.3 常用傳感器常用傳感器濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。 濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣

19、吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。 第三節(jié)伺服傳動技術(shù)第三節(jié)伺服傳動技術(shù) 3.1 3.1 概述概述第三節(jié)伺服傳動技術(shù)第三節(jié)伺服傳動技術(shù) 3.1 3.1 概述概述一、數(shù)控伺服系統(tǒng)的定義及組成、數(shù)控伺服系統(tǒng)的定義及組成1、定義：、定義： 伺服伺服(Servo)，本意為，本意為“服從服從”的含義。進給伺的含義。進給伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)(Feed Servo System)就是以移動部件的位就是以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。 2、組成：、組成： 進給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：位置控制進給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個

20、部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機電機)；檢測與反饋單；檢測與反饋單元；機械執(zhí)行部件。元；機械執(zhí)行部件。第三節(jié)伺服傳動技術(shù)第三節(jié)伺服傳動技術(shù) 3.1 3.1 概述概述 數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較 第三節(jié)伺服傳動技術(shù)第三節(jié)伺服傳動技術(shù) 3.1 3.1 概述概述 數(shù)控原理 3.1 3.1 概述概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成3.1 3.1 概述概述 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)

21、進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置控裝置( (計算機計算機) )和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。床的重要組成部分。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)伺服機構(gòu)或或伺服單元伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強。復(fù)雜，綜合性強。3.1 3.1 概述概述 進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說如果說CNC裝置是

22、數(shù)控系統(tǒng)的裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦大腦”，是，是發(fā)布發(fā)布“命令命令”的的“指揮所指揮所”，那么進給伺服，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢四肢”，是一種，是一種“執(zhí)執(zhí)行機構(gòu)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。進給速度與位移量。3.1 3.1 概述概述二、對伺服系統(tǒng)的基本要求二、對伺服系統(tǒng)的基本要求 1 1、位移精度高、位移精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機確

23、程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機床工作臺進給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)床工作臺進給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺實際位移量之間的符合程度。兩者誤差化為工作臺實際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，位移精度愈高。愈小，位移精度愈高。 2 2、穩(wěn)定性好、穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(fù)到原來平衡狀暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加保證進給

24、速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)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、 動態(tài)動態(tài)響應(yīng)要快響應(yīng)要快 動態(tài)動態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精系統(tǒng)跟蹤精度。機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，為保證輪廓切削形狀精度和低的表度的位置隨動系統(tǒng)，為保證輪廓切削形狀精度和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，跟面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，跟隨誤差小。隨誤差小。4 4、調(diào)速范圍寬、調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提

25、供的最高轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。目前數(shù)控機床一般要求進給伺服系統(tǒng)和最低轉(zhuǎn)速之比。目前數(shù)控機床一般要求進給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍是的調(diào)速范圍是0 024m/min24m/min，有的已達到，有的已達到240m/min240m/min。在數(shù)。在數(shù)控機床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的控機床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就不同，為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。 3.1 3.1 概述概述5 5、低速大扭矩、低速大扭矩 要求

26、伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。要求伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。機床加工的特點是，在低速時進行重切削。因此，機床加工的特點是，在低速時進行重切削。因此，伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。 進給坐標的伺服控制屬于進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為在高速時為恒功率控制恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。，具有足夠大的輸出功率。3.1 3.1 概述概述

27、對伺服電機的要求：對伺服電機的要求：（1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時速度）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時速度平穩(wěn)。平穩(wěn)。（2 2）電機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以電機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3 3）反應(yīng)速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、反應(yīng)速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度的加速度(4000rad/s(4000rad/s2 2以上以上) )。（4 4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。 3.1 3.

28、1 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類驅(qū)動電路驅(qū)動電路步進電機步進電機工作臺工作臺脈沖脈沖開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖：在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。 開環(huán)伺服系統(tǒng)采用開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進電機作為驅(qū)動元件，步進電機作為驅(qū)動元件，它沒有位置反饋回路和它沒有位置反饋回路和速度反饋回路，系統(tǒng)穩(wěn)速度反饋回路，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。定性好。 結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要在精度和速度要求不高、驅(qū)動力求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)般用于經(jīng)

29、濟型數(shù)控機床。控機床。3.1 3.1 概述概述開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖：在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。電電機機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件 A相相 B相相 C相相fnCNC插補指令插補指令脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數(shù)脈沖個數(shù)n換算換算脈沖環(huán)形脈沖環(huán)形分配變換分配變換功率功率放大放大3.1 3.1 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖：在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。指令指令伺服電機伺服電機速度檢測速度檢測速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測位置檢測 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在位置檢測裝置安裝在機床的工作

30、臺上，檢機床的工作臺上，檢測裝置測出實際位移測裝置測出實際位移量或者實際所處位置，量或者實際所處位置，并將測量值反饋給并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進裝置，與指令進行比較，求得差值，行比較，求得差值，依此構(gòu)成閉環(huán)位置控依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制。制。 該系統(tǒng)主要用于精度要求很該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。床以及較大型的數(shù)控機床等。3.1 3.1 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)位置控制調(diào)節(jié)器器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)調(diào)節(jié)與驅(qū)動動位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單

31、元+-電電機機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNC插補插補指令指令實際位實際位置反饋置反饋實際速實際速度反饋度反饋檢測與反饋檢測與反饋單元單元3.1 3.1 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖：在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。伺服電機伺服電機速度控制速度控制位置控制位置控制工作臺工作臺脈沖編碼器脈沖編碼器指令指令 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測元件安裝在電動機位置檢測元件安裝在電動機軸上或絲杠端部，用以精確軸上或絲杠端部，用以精確控制電機的角度，然后通過控制電機的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動部件，將角滾珠絲杠等傳動部件，將角

32、度轉(zhuǎn)換成工作臺的位移，為度轉(zhuǎn)換成工作臺的位移，為間接測量。間接測量。 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如閉環(huán)系的穩(wěn)定性雖不如閉環(huán)系統(tǒng)，但比開環(huán)要好。統(tǒng)，但比開環(huán)要好。3.1 3.1 概述概述半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖：在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。位置控制位置控制調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋檢測與反饋單元單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNC插補插補指令指

33、令實際實際位置位置反饋反饋實際實際速度速度反饋反饋3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng) 步進電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與普通電動機不同，它隨供給電源的脈沖一步一步的轉(zhuǎn)動，是一種數(shù)字電動機。步進電動機能隨供給的電源脈沖數(shù)轉(zhuǎn)動相應(yīng)步數(shù)，而每一步的角度是固定的，所以步進電動機能按控制轉(zhuǎn)動所需的圈數(shù)、角度，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機床、自動化設(shè)備、儀器儀表等行業(yè)。步進電機：步進電機：是一種是一種將電脈沖轉(zhuǎn)變成機械角位移的裝置將電脈沖轉(zhuǎn)變成機械角位移的裝置 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給

34、電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng) 定子鐵心在內(nèi)周有六個磁極，每個磁極上有5個小齒，齒中心距為9度，齒寬與齒間隔大小一樣，徑向的兩個磁極組成一對磁極，定子鐵心由沖制的硅鋼片疊制而成。 轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子上沒有線圈，但在外圓周有40個小齒，齒中心距為9度，齒寬與齒間隔大小一樣，轉(zhuǎn)子鐵心也由沖制的硅鋼片疊制而成。3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng) 定子定子:定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。下圖為三相定子：下圖為三相定子：AA,BB,CC A、B、C三相每相兩極。三相每相兩極。A相A相

35、B相B相C相C相定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)子上有均勻分布的轉(zhuǎn)子上有均勻分布的齒，沒有繞組。齒，沒有繞組。以四十齒為例來說以四十齒為例來說明步進電機的原理明步進電機的原理轉(zhuǎn)子齒間夾角為轉(zhuǎn)子齒間夾角為9o3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng) 由于定子磁極上的小齒的齒寬與齒間隔與轉(zhuǎn)子上的小齒一樣，所以當定子的一對磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊時，另兩對磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒角度相差3度或-3度，3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)3.3 3.3 步進電機的特性步進電機的特性1 1、步距

36、角與步距角誤差、步距角與步距角誤差步距角步距角：每輸入一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過每輸入一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，稱為步進電機的步距角，用的角度，稱為步進電機的步距角，用 表示。表示。mzk360360rmz cmm步進電機的相數(shù)步進電機的相數(shù)Z Z（ZrZr）步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)K K（C C）狀態(tài)系數(shù)（與通電有關(guān)的系數(shù)）狀態(tài)系數(shù)（與通電有關(guān)的系數(shù)） K K1 1：單拍或雙三拍：單拍或雙三拍 K K2 2：單雙六拍：單雙六拍（1）某步進電動機）某步進電動機轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)子有4040齒并且采用單三齒并且采用單三拍工作的，其步距角為：拍工作的，其步距角為：ooo=360

37、/mzc=360 /40 3 1=3 ooo=360 /mzc=360 /40 3 2=1.5 步距角計算示例：步距角計算示例：（2）按單、雙相通電方式運行的三相步進）按單、雙相通電方式運行的三相步進電動機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)電動機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，其步距角為：，其步距角為：若步進電動機的頻率為若步進電動機的頻率為f f，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為：，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為：60( /min)srfnrmz c計算示例：計算示例：1 1、某步進電機定子、某步進電機定子6060齒，齒，5 5相十拍工作相十拍工作方式，直接驅(qū)動機床工作臺，其轉(zhuǎn)速為方式，直接驅(qū)動機床工作臺，其轉(zhuǎn)速為600r/min600r/min，

38、計算其穩(wěn)定工作頻率和步距角計算其穩(wěn)定工作頻率和步距角解：由解：由60srfnmz c有：有：5 40 2 60040006060rsmz cnfHZ ooor=360 /mz c=360 /50 5 2=0.72 2、靜特性、靜特性 1）靜態(tài)矩角特性）靜態(tài)矩角特性 當步進電動機某相通電時，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)，當步進電動機某相通電時，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)，這時轉(zhuǎn)子上無轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電動機軸上加一個這時轉(zhuǎn)子上無轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電動機軸上加一個負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過一個角度負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過一個角度，重新，重新處于不動（穩(wěn)定）狀態(tài)，這時轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)處于不動（穩(wěn)定）狀態(tài)，這時轉(zhuǎn)子上受

39、到的電磁轉(zhuǎn)矩矩T稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，它與負載轉(zhuǎn)矩相等，轉(zhuǎn)過的角稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，它與負載轉(zhuǎn)矩相等，轉(zhuǎn)過的角度度稱為失調(diào)角。靜態(tài)時稱為失調(diào)角。靜態(tài)時T與與的關(guān)系稱為矩角特性，的關(guān)系稱為矩角特性，它近似于正弦曲線。它近似于正弦曲線。靜態(tài)矩角特性靜態(tài)矩角特性 2)最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩 靜態(tài)矩角特性上的電磁轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，當靜態(tài)矩角特性上的電磁轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，當外轉(zhuǎn)矩除去后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置。外轉(zhuǎn)矩除去后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置。 最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進電動機承受負載的能力。它越大，電動機帶動負載能力最大靜

40、轉(zhuǎn)矩表示步進電動機承受負載的能力。它越大，電動機帶動負載能力越強，運行的快速性和穩(wěn)定性越好。越強，運行的快速性和穩(wěn)定性越好。 3、動特性、動特性 （1 1）最大起動轉(zhuǎn)矩）最大起動轉(zhuǎn)矩 電動機相鄰兩相的靜態(tài)矩角特性曲線交點所對應(yīng)電動機相鄰兩相的靜態(tài)矩角特性曲線交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩即為最大起動轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩即為最大起動轉(zhuǎn)矩TqTq。當外界負載超過最大起。當外界負載超過最大起動轉(zhuǎn)矩時，步進電動機就不能起動。如下圖所示。動轉(zhuǎn)矩時，步進電動機就不能起動。如下圖所示。 a bCAB qTBTqTAT （2 2）最大啟動頻率）最大啟動頻率 空載時，步進電動機由靜止狀態(tài)空載時，步進電動機由靜止狀態(tài)啟啟動，達到不動，達

41、到不丟步的正常運行的最高頻率稱為丟步的正常運行的最高頻率稱為最大起動頻率最大起動頻率。 啟啟動時指令脈沖頻率應(yīng)小于起動頻率，否則動時指令脈沖頻率應(yīng)小于起動頻率，否則將產(chǎn)生將產(chǎn)生失步失步。 步進電機在帶負載下的啟動頻率比空載要低。步進電機在帶負載下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率而且，隨著負載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進一步降低。這種特性稱為會進一步降低。這種特性稱為啟動矩頻特性啟動矩頻特性。啟動矩頻特性曲線啟動矩頻特性曲線 當電動機帶有負載力矩當電動機帶有負載力矩M時，隨外部慣量的增大，時，隨外部慣量的增大，啟動頻率將明顯下降，其關(guān)系稱為啟動頻率將明顯下

42、降，其關(guān)系稱為啟動矩頻特性啟動矩頻特性。J/kgcms2 （3）連續(xù)運行頻率）連續(xù)運行頻率 步進電動機在最大起動頻率以下起動步進電動機在最大起動頻率以下起動后，當輸入脈沖信號頻率連續(xù)上升時，能不后，當輸入脈沖信號頻率連續(xù)上升時，能不失步運行的最大輸入信號頻率，稱為連續(xù)運失步運行的最大輸入信號頻率，稱為連續(xù)運行頻率。該頻率遠大于最大起動頻率。行頻率。該頻率遠大于最大起動頻率。（4 4）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩 步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為為動態(tài)轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩。最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系稱為。最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系稱為矩矩

43、頻特性頻特性。該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩成為動態(tài)轉(zhuǎn)。該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩成為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩，使用時要考慮動矩。最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩，使用時要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的升高而降低的特點。態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的升高而降低的特點。 MqOFq/HZM/(Nm)3.2 3.2 開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)步進驅(qū)動系統(tǒng)階階段段步驟步驟方法方法主主 要要 指指 導(dǎo)導(dǎo) 理理 論論產(chǎn)產(chǎn)品品規(guī)規(guī)劃劃設(shè)計方法設(shè)計方法預(yù)測技術(shù)預(yù)測技術(shù)設(shè)計方法學(xué)設(shè)計方法學(xué)技術(shù)預(yù)測理論技術(shù)預(yù)測理論市場學(xué)市場學(xué)信息學(xué)信息學(xué)機械產(chǎn)品設(shè)計一般進程機械產(chǎn)品設(shè)計一般進程信息集約信息集約可行性報告、設(shè)計要求項目表可

44、行性報告、設(shè)計要求項目表產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)預(yù)測調(diào)研預(yù)測調(diào)研可行性分析可行性分析明確任務(wù)要求明確任務(wù)要求階階段段步驟步驟方方法法主主 要要 指指 導(dǎo)導(dǎo) 理理 論論原原理理方方案案設(shè)設(shè)計計系統(tǒng)化設(shè)計法系統(tǒng)化設(shè)計法創(chuàng)造技法創(chuàng)造技法評價決策方法評價決策方法系統(tǒng)工程學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)形態(tài)學(xué)形態(tài)學(xué)創(chuàng)造學(xué)創(chuàng)造學(xué)思維心理學(xué)思維心理學(xué)決策論決策論模糊數(shù)學(xué)模糊數(shù)學(xué)總功能分析總功能分析原理參數(shù)表、方案原理圖原理參數(shù)表、方案原理圖功能分解功能分解功能載體組合功能載體組合功能原理方案功能原理方案( (多個多個) )功能元求解功能元求解原理試驗原理試驗評價決策評價決策最優(yōu)原理方案最優(yōu)原理方案階階段段步驟步驟方法方法主要指

45、導(dǎo)理論主要指導(dǎo)理論技技術(shù)術(shù)設(shè)設(shè)計計價值設(shè)計價值設(shè)計優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計宜人性設(shè)計宜人性設(shè)計產(chǎn)品造型設(shè)產(chǎn)品造型設(shè)計計系列化設(shè)計系列化設(shè)計機械性能設(shè)機械性能設(shè)計計工藝性設(shè)計工藝性設(shè)計自動化設(shè)計自動化設(shè)計價值工程學(xué)價值工程學(xué)最優(yōu)化方法、工程最優(yōu)化方法、工程遺傳算法遺傳算法可靠性理論與實驗可靠性理論與實驗人機工程學(xué)人機工程學(xué)工業(yè)美學(xué)工業(yè)美學(xué)模塊化設(shè)計、模塊化設(shè)計、相似理論相似理論有限元法、動態(tài)設(shè)有限元法、動態(tài)設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計、計、摩擦學(xué)設(shè)計、高等機構(gòu)學(xué)高等機構(gòu)學(xué)機械設(shè)計的工藝基機械設(shè)計的工藝基礎(chǔ)礎(chǔ)控制理論、智能工控制理論、智能工程、人工神經(jīng)元計程、人工神經(jīng)元計算方法、專家系統(tǒng)算方法、專

46、家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)方案( (多個多個) )結(jié)構(gòu)價值分析結(jié)構(gòu)價值分析試驗?zāi)Ｐ驮囼災(zāi)Ｐ驮囼炘囼灴傮w設(shè)計總體設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計造型設(shè)計造型設(shè)計造型價值分析造型價值分析外觀方案外觀方案( (多個多個) )評價決策評價決策評價決策評價決策最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案最優(yōu)造型方案最優(yōu)造型方案最優(yōu)技術(shù)設(shè)計方案最優(yōu)技術(shù)設(shè)計方案總體布置圖、裝配總體布置圖、裝配草圖、技術(shù)文件草圖、技術(shù)文件總體效果圖、總體效果圖、外觀效果模型外觀效果模型階階段段步驟步驟方法方法主要指導(dǎo)主要指導(dǎo)理論理論工工藝藝設(shè)設(shè)計計各種制造、裝各種制造、裝配、造型、裝配、造型、裝飾、檢驗等方飾、檢驗等方法法各種工藝學(xué)各種工藝學(xué)批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)計算機

47、輔助制計算機輔助制造造銷銷售售反饋控制法反饋控制法零件工作圖零件工作圖外觀件加工工藝、外觀件加工工藝、面飾工藝規(guī)程面飾工藝規(guī)程部件裝配圖部件裝配圖效果圖、檢驗標準效果圖、檢驗標準技術(shù)文件技術(shù)文件造型工藝文件造型工藝文件試制試制修改修改批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)技術(shù)服務(wù)用戶訪問用戶訪問 二、二、機械總體方案設(shè)計的目的和內(nèi)容機械總體方案設(shè)計的目的和內(nèi)容目的目的 產(chǎn)品功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟效益是否顯產(chǎn)品功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟效益是否顯著，在很大程度上取決于總體方案設(shè)計的構(gòu)思和方案擬定時著，在很大程度上取決于總體方案設(shè)計的構(gòu)思和方案擬定時的設(shè)計思想。的設(shè)計思想。內(nèi)容內(nèi)容執(zhí)行系統(tǒng)的方案

48、設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計運動規(guī)律設(shè)計運動規(guī)律設(shè)計系統(tǒng)功能原理設(shè)計系統(tǒng)功能原理設(shè)計機構(gòu)尺度設(shè)計機構(gòu)尺度設(shè)計運動和動力分析運動和動力分析原動機類型的選擇和原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計各級傳動比的分配各級傳動比的分配傳動鏈中機構(gòu)傳動鏈中機構(gòu)順序的安排順序的安排傳動路線選擇傳動路線選擇傳動類型選擇傳動類型選擇控制系統(tǒng)的方案設(shè)計控制系統(tǒng)的方案設(shè)計其它輔助系統(tǒng)的設(shè)計其它輔助系統(tǒng)的設(shè)計照明系統(tǒng)設(shè)計照明系統(tǒng)設(shè)計安全保障系統(tǒng)設(shè)計安全保障系統(tǒng)設(shè)計故障檢測系統(tǒng)設(shè)計故障檢測系統(tǒng)設(shè)計冷卻系

49、統(tǒng)設(shè)計冷卻系統(tǒng)設(shè)計潤滑系統(tǒng)設(shè)計潤滑系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)第二節(jié) 機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設(shè)計機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設(shè)計 重要性重要性執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機械執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機械系統(tǒng)預(yù)期工作任務(wù)。系統(tǒng)預(yù)期工作任務(wù)。機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計是機械系統(tǒng)總體方案設(shè)計的核機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計是機械系統(tǒng)總體方案設(shè)計的核心，是整個機械設(shè)計工作的基礎(chǔ)。心，是整個機械設(shè)計工作的基礎(chǔ)。機械執(zhí)行系統(tǒng)的組成機械執(zhí)行系統(tǒng)的組成 由一個或多個執(zhí)行機構(gòu)組成。執(zhí)行構(gòu)件是執(zhí)行機構(gòu)的輸由一個或多個執(zhí)行機構(gòu)組成。執(zhí)行構(gòu)件是執(zhí)行機構(gòu)的輸出構(gòu)件，其數(shù)量及運動形式、運動規(guī)律和傳動特性等要求，出構(gòu)件，

50、其數(shù)量及運動形式、運動規(guī)律和傳動特性等要求，決定了整個執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。決定了整個執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。 一、機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設(shè)計的主要內(nèi)容和過程一、機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設(shè)計的主要內(nèi)容和過程 功能原理設(shè)計功能原理設(shè)計根據(jù)需要制定機械的總功能，擬根據(jù)需要制定機械的總功能，擬定實現(xiàn)總功能的工作原理和技術(shù)定實現(xiàn)總功能的工作原理和技術(shù)手段，確定機械所要實現(xiàn)的工藝手段，確定機械所要實現(xiàn)的工藝動作動作運動規(guī)律設(shè)計運動規(guī)律設(shè)計通過對工作原理所提出的工通過對工作原理所提出的工藝動作進行分解，決定采用藝動作進行分解，決定采用何種運動規(guī)律來實現(xiàn)工作原何種運動規(guī)律來實現(xiàn)工作原理理執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計

51、決定選擇何決定選擇何種機構(gòu)實現(xiàn)種機構(gòu)實現(xiàn)給定的運動給定的運動規(guī)律規(guī)律執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計根據(jù)工藝過程對各動根據(jù)工藝過程對各動作的要求，分析各執(zhí)作的要求，分析各執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)當如何協(xié)調(diào)行機構(gòu)應(yīng)當如何協(xié)調(diào)配合，設(shè)計出機械運配合，設(shè)計出機械運動循環(huán)圖動循環(huán)圖確定各執(zhí)行機確定各執(zhí)行機構(gòu)的運動尺寸，構(gòu)的運動尺寸，繪制出各執(zhí)行繪制出各執(zhí)行機構(gòu)的運動簡機構(gòu)的運動簡圖圖運動和動力分析運動和動力分析檢驗執(zhí)行系檢驗執(zhí)行系統(tǒng)是否滿足統(tǒng)是否滿足運動要求和運動要求和動力性能方動力性能方面的要求面的要求方案評價與決策方案評價與決策對方案進行定性對方案進行定性評價和定量評價評價和定量

52、評價并從中選出最佳并從中選出最佳設(shè)計方案設(shè)計方案 二、執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計二、執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計1. 功能原理的選擇與構(gòu)思功能原理的選擇與構(gòu)思產(chǎn)品的功能產(chǎn)品的功能產(chǎn)品的用途、性能、使用價值等，根據(jù)人們生產(chǎn)或生活產(chǎn)品的用途、性能、使用價值等，根據(jù)人們生產(chǎn)或生活需要提出。需要提出。 確定功能指標的考慮因素確定功能指標的考慮因素先進性先進性可行性可行性經(jīng)濟性經(jīng)濟性功能原理設(shè)計的重要性功能原理設(shè)計的重要性決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、工作質(zhì)量、傳動方案、結(jié)構(gòu)型決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、工作質(zhì)量、傳動方案、結(jié)構(gòu)型式、制造成本等。式、制造成本等。功能原理設(shè)計的多方案性功能原理設(shè)計的多方案性工作原理不同，運動方案也不

53、同工作原理不同，運動方案也不同齒輪加工齒輪加工剃齒剃齒范成原理范成原理仿形原理仿形原理工作原理相同，運動方案不同工作原理相同，運動方案不同齒輪加工齒輪加工插齒插齒滾齒滾齒 三、執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律設(shè)計三、執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律設(shè)計 1. 工藝動作分解和運動方案選擇工藝動作分解和運動方案選擇刀具作復(fù)合運動刀具作復(fù)合運動刀具與工作臺分別運動刀具與工作臺分別運動 運動規(guī)律設(shè)計通常是對工藝方法和工藝動作進行分析，運動規(guī)律設(shè)計通常是對工藝方法和工藝動作進行分析，把其分解成若干個基本動作。工藝動作分解的方法不同，所把其分解成若干個基本動作。工藝動作分解的方法不同，所形成的運動方案也不同。形成的運動方案也不同。立

54、式鉆床工藝動作分解立式鉆床工藝動作分解直線運動直線運動曲線運動曲線運動復(fù)合運動復(fù)合運動往復(fù)擺動往復(fù)擺動執(zhí)執(zhí)行行構(gòu)構(gòu)件件運運動動形形式式回轉(zhuǎn)運動回轉(zhuǎn)運動每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) rpm由兩個以上單一運動合成由兩個以上單一運動合成間歇轉(zhuǎn)動間歇轉(zhuǎn)動停歇往復(fù)直線運動停歇往復(fù)直線運動停歇單向直線運動停歇單向直線運動沿可變曲線運動沿可變曲線運動連續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動沿固定曲線運動沿固定曲線運動往復(fù)直線運動往復(fù)直線運動每分鐘轉(zhuǎn)位次數(shù)、轉(zhuǎn)角大小、運動系數(shù)每分鐘轉(zhuǎn)位次數(shù)、轉(zhuǎn)角大小、運動系數(shù)每分鐘擺動次數(shù)、轉(zhuǎn)角大小、行程速度變每分鐘擺動次數(shù)、轉(zhuǎn)角大小、行程速度變化系數(shù)化系數(shù)每分鐘行程數(shù)、大小、行程每分鐘行程數(shù)、大小、行程速

55、度變化系數(shù)速度變化系數(shù)每次進給量的大小每次進給量的大小每循環(huán)停歇次數(shù)、位置、時每循環(huán)停歇次數(shù)、位置、時間、行程大小和工作速度間、行程大小和工作速度四、執(zhí)行機構(gòu)的型式設(shè)計四、執(zhí)行機構(gòu)的型式設(shè)計1. 設(shè)計原則設(shè)計原則 滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運動要求滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運動要求 盡量簡化和縮短運動鏈盡量簡化和縮短運動鏈 盡量減小機構(gòu)尺寸盡量減小機構(gòu)尺寸 選擇合適的運動副形式選擇合適的運動副形式 考慮動力源的形式考慮動力源的形式 使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性 使機械具有調(diào)節(jié)某些運動參數(shù)的能力使機械具有調(diào)節(jié)某些運動參數(shù)的能力 保證機械的安全運轉(zhuǎn)保證機械的安全

56、運轉(zhuǎn) 2. 機構(gòu)的選型機構(gòu)的選型 目的目的選擇或創(chuàng)造出滿足執(zhí)行構(gòu)件運動和動力要求的機構(gòu)。選擇或創(chuàng)造出滿足執(zhí)行構(gòu)件運動和動力要求的機構(gòu)。 傳遞連續(xù)轉(zhuǎn)動的機構(gòu)傳遞連續(xù)轉(zhuǎn)動的機構(gòu)嚙合傳動機構(gòu)嚙合傳動機構(gòu) 連桿機構(gòu)連桿機構(gòu) 傳遞連續(xù)傳遞連續(xù)轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動機構(gòu)摩擦傳動機構(gòu)摩擦傳動機構(gòu) 摩擦輪傳動摩擦輪傳動 蝸桿傳動蝸桿傳動 鏈傳動鏈傳動 齒輪傳動齒輪傳動 平行四邊形機構(gòu)平行四邊形機構(gòu) 雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu) 帶傳動帶傳動 實現(xiàn)單向間歇轉(zhuǎn)動的機構(gòu)實現(xiàn)單向間歇轉(zhuǎn)動的機構(gòu)棘輪機構(gòu)棘輪機構(gòu) 齒輪齒輪-連桿機構(gòu)連桿機構(gòu) 單向間歇單向間歇轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動機構(gòu)槽輪機構(gòu)槽輪機構(gòu) 不完全齒輪機構(gòu)不完全齒輪機構(gòu) 凸輪式間歇運動機構(gòu)

57、凸輪式間歇運動機構(gòu) 適用于轉(zhuǎn)角固定的轉(zhuǎn)位運動適用于轉(zhuǎn)角固定的轉(zhuǎn)位運動 每次轉(zhuǎn)角小，或轉(zhuǎn)角大小可調(diào)的低速場合每次轉(zhuǎn)角小，或轉(zhuǎn)角大小可調(diào)的低速場合大轉(zhuǎn)角而速度不高的場合大轉(zhuǎn)角而速度不高的場合運動平穩(wěn)、分度、定位準確，運動平穩(wěn)、分度、定位準確，但制造困難、高精度定位、高但制造困難、高精度定位、高速場合速場合特殊要求的輸送機構(gòu)特殊要求的輸送機構(gòu) 實現(xiàn)往復(fù)移動往復(fù)擺動運動的機構(gòu)實現(xiàn)往復(fù)移動往復(fù)擺動運動的機構(gòu)凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 組合機構(gòu)組合機構(gòu) 往復(fù)運動往復(fù)運動機構(gòu)機構(gòu)連桿機構(gòu)連桿機構(gòu) 螺旋機構(gòu)螺旋機構(gòu) 齒輪齒條機構(gòu)齒輪齒條機構(gòu) 液壓缸、氣缸液壓缸、氣缸 正弦機構(gòu)正弦機構(gòu) 正切機構(gòu)正切機構(gòu) 多桿機構(gòu)多桿機構(gòu)

58、 曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu) 連桿機構(gòu)特點連桿機構(gòu)特點制造容易、承載能力大，但難以實現(xiàn)精確運制造容易、承載能力大，但難以實現(xiàn)精確運動，適用于無嚴格運動規(guī)律的場合。動，適用于無嚴格運動規(guī)律的場合。 凸輪機構(gòu)特點凸輪機構(gòu)特點能實現(xiàn)任意復(fù)雜的運動和各構(gòu)件之間的運動能實現(xiàn)任意復(fù)雜的運動和各構(gòu)件之間的運動協(xié)調(diào)，承載能力不大。協(xié)調(diào)，承載能力不大。 螺旋機構(gòu)特點螺旋機構(gòu)特點可獲得大的減速比和較高的運動精度，常用可獲得大的減速比和較高的運動精度，常用作低速進給和精密微調(diào)機構(gòu)。作低速進給和精密微調(diào)機構(gòu)。 齒輪齒條機構(gòu)特點齒輪齒條機構(gòu)特點適用于移動速度較高的場合，精密齒條適用于移動速度較高的場合，精密齒條制造困難，

59、傳動精度及平穩(wěn)性不及螺旋機構(gòu)。制造困難，傳動精度及平穩(wěn)性不及螺旋機構(gòu)。 凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 連桿機構(gòu)連桿機構(gòu) 實現(xiàn)往復(fù)移動往復(fù)擺動運動的機構(gòu)實現(xiàn)往復(fù)移動往復(fù)擺動運動的機構(gòu)組合機構(gòu)組合機構(gòu) 往復(fù)運動往復(fù)運動機構(gòu)機構(gòu)螺旋機構(gòu)螺旋機構(gòu) 齒輪齒條機構(gòu)齒輪齒條機構(gòu) 液壓缸、氣缸液壓缸、氣缸 正弦機構(gòu)正弦機構(gòu) 正切機構(gòu)正切機構(gòu) 多桿機構(gòu)多桿機構(gòu) 曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu) 再現(xiàn)軌跡的機構(gòu)再現(xiàn)軌跡的機構(gòu)齒輪齒輪連桿組合機構(gòu)連桿組合機構(gòu)聯(lián)動凸輪機構(gòu)聯(lián)動凸輪機構(gòu) 再現(xiàn)軌跡再現(xiàn)軌跡機構(gòu)機構(gòu)連桿機構(gòu)連桿機構(gòu) 凸輪凸輪連桿組合機構(gòu)連桿組合機構(gòu) 一般而言，除了凸輪機構(gòu)能實現(xiàn)精確的曲線軌跡之外，一般而言，除了凸輪機構(gòu)能實現(xiàn)精

60、確的曲線軌跡之外，其它機構(gòu)都只能近似實現(xiàn)預(yù)定的曲線軌跡。其它機構(gòu)都只能近似實現(xiàn)預(yù)定的曲線軌跡。 齒輪齒輪連桿組合機構(gòu)連桿組合機構(gòu)攪拌機構(gòu)攪拌機構(gòu)CBADE聯(lián)動凸輪機構(gòu)聯(lián)動凸輪機構(gòu)凸輪凸輪連桿組合機構(gòu)連桿組合機構(gòu) 五、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計五、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計 執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計原則執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計原則 滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作先后的順序性要求滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作先后的順序性要求 滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作在時間上的同步性要求滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作在時間上的同步性要求 滿足各執(zhí)行機構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求滿足各執(zhí)行機構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求 滿足各執(zhí)行機構(gòu)在操作上的協(xié)同性要求滿足各執(zhí)行機構(gòu)在操作上的協(xié)同性要求 各執(zhí)