教學(xué)課件-機(jī)電一體化技術(shù)(邱士安)

1.1概述1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.3機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢思考題1.1.1引言

機(jī)電一體化技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來，在傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)上，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是微電子技術(shù)#,信息技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。

1.1概述機(jī)電一體化技術(shù)綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和感知等組成要素為基礎(chǔ)，對各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，形成物質(zhì)和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價(jià)值的系統(tǒng)工程技術(shù)。

“機(jī)電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”，它是取Mechanics(機(jī)械學(xué))的前半部分和Electronics(電子學(xué))的后半部分拼合而成的。它是一個(gè)新興的邊緣學(xué)科，正處于發(fā)展階段，代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向。

現(xiàn)代高新技術(shù)(如微電子技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)、光纖通信技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等)的發(fā)展需要具有智能化、自動(dòng)化和柔性化的機(jī)械設(shè)備，機(jī)電一體化正是在這種巨大的需求推動(dòng)下產(chǎn)生的新興技術(shù)。微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)使信息與智能和機(jī)械裝置與動(dòng)力設(shè)備有機(jī)結(jié)合，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能，除了具有高精度、高可靠性、快速響應(yīng)外，還將逐步實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自控制、自組織、自管理等功能。

由于機(jī)電一體化技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)力，因此世界各國均將其作為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。從20世紀(jì)70年代起，在發(fā)達(dá)國家興起了機(jī)電一體化熱，而在20世紀(jì)90年代，中國也把機(jī)電一體化技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的十大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)電一體化技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用從一般的數(shù)控機(jī)床、加工中心和機(jī)械手發(fā)展到智能機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、無人生產(chǎn)車間和將設(shè)計(jì)、制造、銷售、管理集于一體的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。機(jī)電一體化產(chǎn)品涉及工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、人民生活、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域，如集成電路自動(dòng)生產(chǎn)線、激光切割設(shè)備、印刷設(shè)備、家用電器、汽車電子化

、微型機(jī)械、飛機(jī)、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)儀器、環(huán)境監(jiān)測等。

機(jī)電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，機(jī)電一體化的發(fā)展依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?？梢灶A(yù)料，隨著信息技術(shù)、材料技術(shù)、生物技術(shù)等新興學(xué)科的高速發(fā)展，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、微型機(jī)械、家用智能設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、現(xiàn)代制造系統(tǒng)等產(chǎn)品及領(lǐng)域，機(jī)電一體化技術(shù)將得到更加蓬勃的發(fā)展。1.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素

一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結(jié)構(gòu)組成要素、

動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間，形成通過接口耦合來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機(jī)融合的一個(gè)完整系統(tǒng)

。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能如圖1-1所示。圖1-1機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能(a)機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素;(b)機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能

1.機(jī)械本體

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械本體包括機(jī)身、框架、連接等。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)性能、水平和功能的提高，機(jī)械本體要在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面

適應(yīng)產(chǎn)品高效率、多功能、高可靠性和節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。

2.動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)

動(dòng)力部分的功能是按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

用盡可能小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出，是機(jī)電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。

驅(qū)動(dòng)部分的功能是在控制信息作用下提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)一方面要求驅(qū)動(dòng)的高效率和快速響應(yīng)特性，另一方面要求對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。由于電力電子技術(shù)的高度發(fā)展，高性能的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、直流伺服和交流伺服驅(qū)動(dòng)方式大量應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)。

3.傳感測試部分

傳感測試部分的功能是對系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，生成相應(yīng)的可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。

4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能是根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件，一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的匹配性要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要考慮改善系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，如提高剛性、減小重量和保持適當(dāng)?shù)淖枘幔瑧?yīng)盡量考慮組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提高系

統(tǒng)的整體可靠性等。

5.控制及信息單元

控制及信息單元的功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。該單元一般由計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、I/O(輸入/輸出)接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。機(jī)電一體化系統(tǒng)對控制和信息處理單元的基本要求是提高信息處理速度和可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自診斷功能，實(shí)現(xiàn)信息處理智能化。

以上這五部分我們通常稱為機(jī)電一體化的五大組成要素。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的這些單元和它們內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間都遵循接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換的原則

，我們稱它們?yōu)樗拇笤瓌t。

6.接口耦合與能量轉(zhuǎn)換

(1)變換。兩個(gè)需要進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間，由于信息的模式不同(數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等)，無法直接實(shí)現(xiàn)信息或能量的

交流，需要通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。

(2)放大。在兩個(gè)信號強(qiáng)度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經(jīng)接口放大，達(dá)到能量的匹配。

(3)耦合。變換和放大后的信號在各環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準(zhǔn)確地交換，必須遵循一致的時(shí)序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式

進(jìn)行傳遞。

(4)能量轉(zhuǎn)換。其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器。該轉(zhuǎn)換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。

7.信息控制

在系統(tǒng)中，作為智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策功能，以達(dá)到信息控制的目的。對于智能化程度高的系統(tǒng)，還包含

了知識獲取、推理及知識自學(xué)習(xí)等以知識驅(qū)動(dòng)為主的信息控制。

8.運(yùn)動(dòng)傳遞

運(yùn)動(dòng)傳遞是指運(yùn)動(dòng)各組成環(huán)節(jié)之間的不同類型運(yùn)動(dòng)的變換與傳輸，如位移變換、速度變換、加速度變換及直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換等。運(yùn)動(dòng)傳遞還包括以運(yùn)動(dòng)控制為目的的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是提高系統(tǒng)的伺服性能。1.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的技術(shù)組成

機(jī)電一體化系統(tǒng)是多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，是技術(shù)密集型的系統(tǒng)工程。其技術(shù)組成包括機(jī)械技術(shù)、檢測技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)等?，F(xiàn)代的機(jī)電一體化產(chǎn)品甚至還包含了光、聲、化學(xué)、生物等技術(shù)的應(yīng)用。

1.機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。隨著高新技術(shù)引入機(jī)械行業(yè)，機(jī)械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，機(jī)械技術(shù)不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，而是要優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性和壽命等參數(shù)對機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合影響。機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化的技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上以及功能上的變更，以滿足減少重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能和增加功能的要求。

在制造過程的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。這里原有的機(jī)械技術(shù)以知識和技能的形式存在。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)是目前CAD／CAM系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問題在于如何將各行業(yè)、企業(yè)、技術(shù)人員中的標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表達(dá)和陳述，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)與管理。

2.計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策，實(shí)現(xiàn)信息處理的工具是計(jì)算機(jī)，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，數(shù)據(jù)技術(shù)等。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)信息處理部分指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率。計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)

電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。

人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。

3.自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)范圍很廣，機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在基本控制理論指導(dǎo)下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。由于控制對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，例如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。

隨著微型機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)越來越多地與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機(jī)電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。

4.傳感與檢測技術(shù)

傳感與檢測裝置是系統(tǒng)的感受器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。傳感與檢測是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。傳感與檢測的關(guān)鍵元件是傳感器。傳感器是將被測量(包括各種物理量、化學(xué)量和生物量等)變換成系統(tǒng)可識別的，與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的有用電信號的一種裝置。

現(xiàn)代工程技術(shù)要求傳感器能快速、精確地獲取信息，并能經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。與計(jì)算機(jī)技術(shù)相比，傳感器的發(fā)展顯得緩慢，難以滿足技術(shù)發(fā)展的要求。不少機(jī)電一體化裝置不能達(dá)到滿意的效果或無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原因在于沒有合適的傳感器。因此大力開展傳感器的研究對于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

5.伺服傳動(dòng)技術(shù)

伺服傳動(dòng)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的驅(qū)動(dòng)裝置，由微型計(jì)算機(jī)通過接口與這些傳動(dòng)裝置相連接，控制它們的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工作機(jī)械作回轉(zhuǎn)、直線以及其他各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。伺服傳動(dòng)技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置或部件，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。常見的伺服驅(qū)動(dòng)有電液馬達(dá)、脈沖油缸、步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)等。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，為機(jī)電一體化系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的伺服驅(qū)動(dòng)單元，極大地促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。

6.系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和全局角度，將總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干單元，找出能完成各個(gè)功能的技術(shù)方案，再把功能和技術(shù)方案組成方案組進(jìn)行分析、評價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)解決的是系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機(jī)聯(lián)系問題，即使各個(gè)組成要素的性能和可靠性很好，但如果整個(gè)系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào)，系統(tǒng)也很難正常運(yùn)行。

接口技術(shù)是系統(tǒng)總體技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要有電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口。電氣接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的信號聯(lián)系；機(jī)械接口則完成機(jī)械與機(jī)械部件、機(jī)械與電氣裝置的連接；人機(jī)接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面。1.1.4機(jī)電一體化技術(shù)與其他技術(shù)的區(qū)別

機(jī)電一體化技術(shù)有著自身的顯著特點(diǎn)和技術(shù)范疇，為了正確理解和恰當(dāng)運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，我們必須認(rèn)識機(jī)電一體化技術(shù)與其他技術(shù)之間的區(qū)別。

1.機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的區(qū)別

傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的操作控制主要通過具有電磁特性的各種電器來實(shí)現(xiàn)，如繼電器、接觸器等，在設(shè)計(jì)中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系；機(jī)械本體和電氣驅(qū)動(dòng)界限分明，整個(gè)裝置是剛性的，不涉及軟件和計(jì)算機(jī)控制。機(jī)電一體化技術(shù)以計(jì)算機(jī)為控制中心，在設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)機(jī)械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個(gè)裝置在計(jì)算機(jī)控制下具有一定的智能性。

2.機(jī)電一體化技術(shù)與并行工程的區(qū)別

機(jī)電一體化技術(shù)將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和檢測技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造階段就有機(jī)地結(jié)合在一起，十分注意機(jī)械和其他部件之間的相互作用。而并行工程將上述各種技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進(jìn)，只在不同技術(shù)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，最后通過簡單疊加完成整體裝置。

3.機(jī)電一體化技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的區(qū)別

自動(dòng)控制技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造等。機(jī)電一體化技術(shù)將自動(dòng)控制原理及方法作為重要支撐技術(shù)，將自控部件作為重要控制部件

應(yīng)用自控原理和方法，對機(jī)電一體化裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析和性能測算。

4.機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別

機(jī)電一體化技術(shù)只是將計(jì)算機(jī)作為核心部件應(yīng)用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計(jì)算機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中的一部分，它還可以在辦公、管理及圖像處理等方面得到廣泛應(yīng)用。機(jī)電一體化技術(shù)研究的是機(jī)電一體化系統(tǒng)，而不是計(jì)算機(jī)應(yīng)用本身。在機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)過程中，一直要堅(jiān)持貫徹機(jī)電一體化技術(shù)的系統(tǒng)思維方法，要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)分析和研究各個(gè)組成要素間的有機(jī)聯(lián)系，從而確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，并用自動(dòng)控制理論的相關(guān)手段，進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類

從控制的角度來講,機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接送給控制器，并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。一些家用電器、簡易NC機(jī)床和精度要求不高的機(jī)電一體化產(chǎn)品都采用開環(huán)控制方式。開環(huán)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,維修方便;缺點(diǎn)是精度較低，對輸出和干擾沒有診斷能力。

閉環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)的輸出結(jié)果經(jīng)傳感器和反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的輸入信號比較后產(chǎn)生輸出偏差，輸出偏差經(jīng)控制器處理再作用到受控對象，對輸出進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)更高精度的系統(tǒng)輸出?，F(xiàn)在的許多制造設(shè)備和具有智能的機(jī)電一體化產(chǎn)品都選擇閉環(huán)控制方式，如數(shù)控機(jī)床、

加工中心、機(jī)器人、雷達(dá)、汽車等。閉環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)具有高精度，動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維修難度較大。

從用途分類，機(jī)電一體化系統(tǒng)的種類繁多，如機(jī)械制造業(yè)機(jī)電一體化設(shè)備、電子器件及產(chǎn)品生產(chǎn)用自動(dòng)化設(shè)備、軍事武器及航空航天設(shè)備、家庭智能機(jī)電一體化產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)診斷及治療機(jī)電一體化產(chǎn)品,以及環(huán)境、考古、探險(xiǎn)、玩具等領(lǐng)域的機(jī)電一體化產(chǎn)品等。1.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)開發(fā)的類型

機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)開發(fā)的類型依據(jù)該系統(tǒng)與相關(guān)產(chǎn)品比較的新穎程度和技術(shù)獨(dú)創(chuàng)性，可分為開發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)和變參數(shù)設(shè)計(jì)。

1.開發(fā)性設(shè)計(jì)

開發(fā)性設(shè)計(jì)是一種獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)方式，即在沒有參考樣板的情況下，通過抽象思維和理論分析，依據(jù)產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求設(shè)計(jì)出系統(tǒng)原理和制造工藝。開發(fā)性設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品發(fā)明專利范疇。最初的電視機(jī)和錄像機(jī)、中國的神5航天飛船等都屬于開發(fā)性設(shè)計(jì)。

2.適應(yīng)性設(shè)計(jì)

所謂適應(yīng)性設(shè)計(jì)，就是在參考同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，在主要原理和設(shè)計(jì)方案保持不變的情況下，通過技術(shù)更新和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整使產(chǎn)品的性能、質(zhì)量提高或成本降低的產(chǎn)品開發(fā)方式。這一類設(shè)計(jì)屬于實(shí)用新型專利范疇，如用電腦控制的洗衣機(jī)代替機(jī)械控制的半自動(dòng)洗衣機(jī)，用照相機(jī)的自動(dòng)曝光代替手動(dòng)調(diào)整等。

3.變參數(shù)設(shè)計(jì)

所謂變參數(shù)設(shè)計(jì)，就是在設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)原理不變的情況下，僅改變部分結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)，使之適用范圍發(fā)生變化的設(shè)計(jì)方式。例如，同一種產(chǎn)品的不同規(guī)格型號的相同設(shè)計(jì)即屬此設(shè)計(jì)。1.2.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)方案的常用方法

在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)之前，要依據(jù)該系統(tǒng)的通用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和防偽性等要求合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。擬定設(shè)計(jì)方案的方法通常有取代法、整體設(shè)計(jì)法和組合法。

1.取代法

取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法，也是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方法。如用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)，用可編程序控制器取代機(jī)械凸輪控制機(jī)構(gòu)及中間繼電器等。這不但大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器控制，而且提高了系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。

2.整體設(shè)計(jì)法

整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)，考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)過程始終圍繞著系統(tǒng)整體性能要求，各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都兼顧了相關(guān)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求，因此使系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間接口有機(jī)融合、銜接方便，且大大提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)和制約了仿冒產(chǎn)品生產(chǎn)的難度。該方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的難度較大，周期較長，成本較高，維修和維護(hù)難度較大。例如，機(jī)床的主軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體，直線式伺服電機(jī)的定子繞組埋藏在機(jī)床導(dǎo)軌之中，帶減速裝置的電動(dòng)機(jī)和帶測速的伺服電機(jī)等。

3.組合法

組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計(jì)一臺數(shù)控機(jī)床，可以依據(jù)機(jī)床的性能要求，通過對不同廠家的計(jì)算機(jī)控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析，研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機(jī)性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成。用此方法開發(fā)的機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)具有設(shè)計(jì)研制周期短、質(zhì)量可靠、生產(chǎn)成本低、有利于生產(chǎn)管理和系統(tǒng)的使用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。1.2.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是用系統(tǒng)思維綜合運(yùn)用各有關(guān)學(xué)科的知識、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，通過總體研究和詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的產(chǎn)品研發(fā)過程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是使設(shè)計(jì)工作獲得最優(yōu)化效果，在保證目的功能要求與適當(dāng)使用壽命的前提下不斷降低成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程就是“目標(biāo)—功能—結(jié)構(gòu)—效果”的多次分析與綜合的過程。綜合可理解為各種解決問題要素的拼合的模型化過程，這是一種高度的創(chuàng)造行為。分析是綜合的反行為，也是提高綜合水平的必要手段。分析就是分解與剖析，對綜合后的解決方案提出質(zhì)疑、論證和改革。通過分析，排除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評價(jià)作準(zhǔn)備。綜合與分析是相互作用的。當(dāng)一種基本設(shè)想(方案)產(chǎn)生后，接著就要分析它，找出改進(jìn)方向。這個(gè)過程一直持續(xù)進(jìn)行，直到一個(gè)方案繼續(xù)進(jìn)行或被否定為止。隨著工業(yè)技術(shù)的高度發(fā)展和人民生活水平的提高，人們迫切要求大幅度提高機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和速度，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中推廣和運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)水平，是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與以經(jīng)驗(yàn)公式、圖表和手冊為設(shè)計(jì)依據(jù)的傳統(tǒng)方法不同，它是以計(jì)算機(jī)為手段，其設(shè)計(jì)步驟通常如下：

設(shè)計(jì)預(yù)測→信號分析→科學(xué)類比→系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)→創(chuàng)造設(shè)計(jì)→選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(如相似設(shè)計(jì)法、模擬設(shè)計(jì)法、有限元法、可靠性設(shè)計(jì)法、動(dòng)態(tài)分析法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、模糊設(shè)計(jì)法等)→機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的綜合評價(jià)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法還在不斷發(fā)展，它必將為機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更新穎、更廣闊的思路與視野。圖1-2機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的工程路線1.2.5機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的工程路線

各種機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售的過程各自有其自身特點(diǎn)，歸納其基本規(guī)律，機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的工程路線如圖1-2所示。1.3.1機(jī)電一體化的技術(shù)現(xiàn)狀

機(jī)電一體化占據(jù)主導(dǎo)地位是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而制造產(chǎn)業(yè)是整個(gè)科學(xué)技術(shù)和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)，因而機(jī)電一體化在當(dāng)前激烈的國際政治、軍事、經(jīng)濟(jì)競爭中起著舉足輕重的作用，受到各工業(yè)國家的極大重視。

日本將智能傳感器，計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)，具有視頻、

觸覺和人機(jī)對話能力的人工智能工業(yè)機(jī)器人，柔性制造系統(tǒng)等，列為高技術(shù)領(lǐng)域的重大研究課題。1.3機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢西歐高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃“尤里卡”計(jì)劃，提出五大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域、24個(gè)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目作為歐洲高技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，其中包括研制可自由行動(dòng)、決策并易于人機(jī)對話的歐洲第

三代安全民用機(jī)器人，廣泛合作研究計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、管理的柔性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠全面自動(dòng)化等機(jī)電一體化研究方向。

1991年3月，美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會在向總統(tǒng)提交的首份雙年度報(bào)告《國家關(guān)鍵技術(shù)》中，列舉了22項(xiàng)對于美國國家經(jīng)濟(jì)繁榮和國防安全至為關(guān)鍵的技術(shù)，并對各項(xiàng)入選技

術(shù)的內(nèi)容范圍，選擇依據(jù)和國際發(fā)展趨勢進(jìn)行了評述，著重強(qiáng)調(diào)了技術(shù)的有效利用。其中包括機(jī)器人、傳感器、控制技術(shù)和CIMS及與CIMS相關(guān)的其他工具和技術(shù)，如仿真系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、成組技術(shù)(GT)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)、工廠調(diào)度工具等。報(bào)告指出：在制造業(yè)方面，目前的發(fā)展趨勢是加速產(chǎn)品推廣，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，增加柔性以及實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—質(zhì)量控制一體化技術(shù)，那些未朝這一方向努力的公司將變得愈加缺乏競爭力。要實(shí)現(xiàn)合理的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)，制造廠家必須在整個(gè)生產(chǎn)經(jīng)營

中實(shí)施先進(jìn)的制造技術(shù)及管理策略。鑒于資金、技術(shù)密集型的高技術(shù)發(fā)展初期投資大、回收少的特點(diǎn)，多數(shù)國家政府給予資金支持和必要的政策優(yōu)惠。如前西德1984~1988年的五年計(jì)劃確定，提供5．3億馬克用于資助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造的應(yīng)用，擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人、軟件操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備的工業(yè)基礎(chǔ)等先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。日本政府早在1971年制定的《特定的電子工業(yè)和特定的機(jī)械工業(yè)臨時(shí)措施法》中，已把數(shù)控機(jī)床作為重點(diǎn)扶植對象。1978年頒布的《特定的機(jī)械信息產(chǎn)業(yè)振興臨時(shí)措施法》又規(guī)定：

促進(jìn)高精度、高性能機(jī)器人的工業(yè)化和實(shí)用化，開展特殊環(huán)境作業(yè)用的機(jī)器人研究。為此，1978～1984年間撥款90億日元開發(fā)數(shù)控技術(shù)；1983年組織了機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等行業(yè)10家制造廠參加極限作業(yè)環(huán)境機(jī)器人的開發(fā)研制，總投資300億日元，其中1/2由政府資助。

號稱“數(shù)控王國”的日本，2000年金屬切削機(jī)床(簡稱金切機(jī)床)的產(chǎn)值數(shù)控化率為88.5%，產(chǎn)量數(shù)控化率為59.4%。美國1983年制定的“星球大戰(zhàn)(SDI)”計(jì)劃投資1000億美元以發(fā)展高技術(shù)，其中也包括發(fā)展空間機(jī)器人、核能機(jī)器人、軍事機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)。美國國家科學(xué)

基金會(NST)每年投資100萬美元，國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)每年投資150萬美元用于發(fā)展相關(guān)技術(shù)。1985～1995年間，美國用于研制軍用機(jī)器人和智能機(jī)器人的經(jīng)費(fèi)從1.86億美元增至9.75億美元。國家規(guī)劃和支持對美國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。我國是發(fā)展中國家，與發(fā)達(dá)國家相比工業(yè)技術(shù)水平存在一定差距，但有廣闊的機(jī)電一體化應(yīng)用開拓領(lǐng)域和技術(shù)產(chǎn)品潛在市場。改革開放以來，面對國際市場激烈競爭的形勢

，國家和企業(yè)充分認(rèn)識到機(jī)電一體化技術(shù)對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，因此十分重視機(jī)電一體化技術(shù)的研究、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，在利用機(jī)電一體化技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及裝備方面都有明顯進(jìn)展，取得了較大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

1986年我國開始實(shí)施的《高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要》即“八六三”計(jì)劃，將自動(dòng)化技術(shù)，重點(diǎn)是CIMS和智能機(jī)器人技術(shù)等機(jī)電一體化前沿技術(shù)確定為國家高技術(shù)重點(diǎn)研究發(fā)展領(lǐng)域。1985年12月，國家科委組織完成了《我國機(jī)電一體化發(fā)展途徑與對策》的軟科學(xué)研究，探討我國機(jī)電一體化發(fā)展戰(zhàn)略，提出了數(shù)控機(jī)床、工業(yè)自動(dòng)化控制儀表等15個(gè)機(jī)電一體化優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域和6項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)的研究方向和課題，提出機(jī)電一體化產(chǎn)品的產(chǎn)值比率(即機(jī)電一體化產(chǎn)品總產(chǎn)值占當(dāng)年機(jī)械工業(yè)總產(chǎn)值的比值)在2000年達(dá)到15％～20％的發(fā)展目標(biāo)。

我國的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”和“九五”計(jì)劃這20年的發(fā)展，基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了多處數(shù)控開發(fā)和生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。

“八五”計(jì)劃攻關(guān)開發(fā)的成果——華中1號、中華1號、航天1號和藍(lán)天1號4種基本系統(tǒng)建立了具有中國自主版權(quán)的數(shù)控技術(shù)平臺。1990年，我國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量僅2634臺，而到2001年產(chǎn)量和消費(fèi)量已分別上升至17521臺和28535臺，在1990~2001年的11年中，數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年均增幅分別達(dá)到18.8%和25.3%。2000年我國機(jī)床的數(shù)控化率已達(dá)到6%。據(jù)預(yù)測分析，到2005年我國機(jī)床的數(shù)控化率為9.5%~10.36%，到2010年將達(dá)到16.5%~19.27%。

我國汽車電子化的水平與先進(jìn)工業(yè)國家相比有較大差距。據(jù)統(tǒng)計(jì),1988年我國每輛汽車的電子產(chǎn)品費(fèi)用為300元人民幣，平均占整車成本的1.5％，而且能改善汽車性能的電子產(chǎn)品極少。我國在20世紀(jì)90年代已形成很大的汽車電子化產(chǎn)品市場，如1995年高能觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置的需求量為50萬部，電壓調(diào)節(jié)器需150萬部，微機(jī)控制點(diǎn)火裝置需10萬部，汽車專用集成電路需3000萬塊，汽車用各種傳感器需200萬只，所以在這方面需要進(jìn)行大量的工作。

近年來，我國已研制成功了用于噴漆、焊接、搬運(yùn)以及能前后行走的、能爬墻、能上下臺階、能在水下作業(yè)的多種類型機(jī)器人。

CIMS研究方面，我國已在清華大學(xué)建成國家CIMS工程研究中心(ERC)，在一些著名大學(xué)和研究單位建立了7個(gè)CIMS單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和8個(gè)CIMS培訓(xùn)中心，在國家立項(xiàng)實(shí)施CIMS的企業(yè)已達(dá)70余家。1994年清華大學(xué)榮獲美國制造工程師協(xié)會(SME)頒發(fā)的CIMS研究“大學(xué)領(lǐng)先獎(jiǎng)”。1995年北京第一機(jī)床廠榮獲SME頒發(fā)的“工業(yè)領(lǐng)先獎(jiǎng)”。上述成果的取得使我國在制造業(yè)機(jī)電一體化的研究和應(yīng)用方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，它必將推動(dòng)機(jī)電一體化技術(shù)向更高層次縱深發(fā)展。1.3.2機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們對機(jī)電一體化技術(shù)提出了許多新的和更高的要求，制造業(yè)中的機(jī)電一體化應(yīng)用就是典型的事例。毫無疑問，機(jī)械制造自動(dòng)化中的計(jì)算機(jī)數(shù)控、柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造及機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展代表了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展水平。為了提高機(jī)電產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，發(fā)展高新技術(shù)，現(xiàn)在有越來越多的零件要求的制造精度越來越高，形狀也越來越復(fù)雜，如高精度軸承的滾動(dòng)體圓度要求小于0.2μm；液浮陀螺球面的球度要求為0.1～0.5μm；激光打印機(jī)的平面反射鏡和錄像機(jī)磁頭的平面度要求為0.4μm，粗糙度為0.2μm。所有這些，要求數(shù)控設(shè)備具有高性能、高精度和穩(wěn)定加工復(fù)雜形狀零件表面的能力。因而新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。

1.機(jī)電一體化的高性能化

高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性?，F(xiàn)代數(shù)控設(shè)備就是以此“四高”為基礎(chǔ)，為滿足生產(chǎn)急需而誕生的。它采用32位多CPU結(jié)構(gòu)，以多總線連接，以32位數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳遞。因而，在相當(dāng)高的分辨率(0.1μm)情況下，系統(tǒng)仍有高速度(100m／min)，可控及聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)達(dá)16軸，并且有豐富的圖形功能和自動(dòng)程序設(shè)計(jì)功能。為獲取高效率，減少輔助時(shí)間，就必須在主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)給率、刀具交換、托板交換等各關(guān)鍵部分實(shí)現(xiàn)高速化；為提高速度，一般采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，進(jìn)行并行處理，使運(yùn)算能力進(jìn)一步加強(qiáng)，通過設(shè)置多重緩沖器，保證連續(xù)微小加工段的高速加工。對于復(fù)雜輪廓，采用快速插補(bǔ)運(yùn)算將加工形狀用微小線段來逼近是一種通用的方法。在高性能數(shù)控系統(tǒng)中，除了具有直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)等一般功能外，還配置有特殊函數(shù)插補(bǔ)運(yùn)算，如樣條函數(shù)插補(bǔ)等。微位置段命令用樣條函數(shù)來逼近，保證了位置、速度、加速度都具有良好的性能，并設(shè)置專門函數(shù)發(fā)生器、坐標(biāo)運(yùn)算器進(jìn)行并行插補(bǔ)運(yùn)算。超高速通信技術(shù)、全數(shù)字伺服控制技術(shù)是高速化的一個(gè)重要方面。高速化和高精度是機(jī)電一體化的重要指標(biāo)。高分辨率、高速響應(yīng)的絕對位置傳感器是實(shí)現(xiàn)高精度的檢測部件。采用這種傳感器并通過專用微處理器的細(xì)分處理，可達(dá)極高的分辨率。

采用交流數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其位置、速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了幾乎不受機(jī)械載荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)伺服系統(tǒng)和主軸控制裝置。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了所謂高速響應(yīng)內(nèi)裝式主軸電機(jī)，它把電機(jī)作為一體裝入主軸之中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電融合一體。這樣就使得系統(tǒng)的高速性、高精度性極佳。如法國IBAG公司等的磁浮軸承的高速主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15×104r/min，一般轉(zhuǎn)速為7×103～25×103r/min；加工中心換刀時(shí)間可達(dá)1.5s；切削速度方面，目前硬質(zhì)合金刀具和超硬材料涂層刀具車削和銑削低碳鋼的速度達(dá)500m/min以上，而陶瓷刀具可達(dá)800~1000m/min，比高速鋼刀具30～40m/min的速度提高數(shù)十倍。精車速度甚至可達(dá)1400m/min。前饋控制可使位置跟蹤誤差消除，同時(shí)使系統(tǒng)位置控制達(dá)到高速響應(yīng)。至于系統(tǒng)可靠性方面，一般采用冗余,故障診斷,自動(dòng)檢錯(cuò),系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)以及軟、硬件可靠性等技術(shù)，使得機(jī)電一體化產(chǎn)品具有高性能。對于普及經(jīng)濟(jì)型以及升級換代提高型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因組成它們的命令發(fā)生器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器以及檢測傳感器等各個(gè)部分都在不斷采用高速、高精度、高分辨率、高速響應(yīng)、高可靠的零部件，所以產(chǎn)品性能在不斷提高。

2.機(jī)電一體化的智能化趨勢

人工智能在機(jī)電一體化技術(shù)中的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是其重要應(yīng)用。智能機(jī)器人通過視覺、觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際變化過程反饋信息并做出判斷與決定。數(shù)控機(jī)床的智能化主要用各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作出判斷，自動(dòng)對異?，F(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)償，以保證加工過程的順利進(jìn)行，并保證加工出合格產(chǎn)品。目前，國外數(shù)控加工中心多具有以下智能化功能：對刀具長度、直徑的補(bǔ)償和刀具破損的監(jiān)測,切削過程的監(jiān)測,工件自動(dòng)檢測與補(bǔ)償?shù)取?/p>

隨著制造自動(dòng)化程度的提高，信息量與柔性也同樣提高，出現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)(IMS)控制器來模擬人類專家的智能制造活動(dòng)。該控制器對制造中的問題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分腦力勞動(dòng)，并對人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展。機(jī)電一體化的智能化趨勢包括以下幾個(gè)方面：

(1)診斷過程的智能化。診斷功能的強(qiáng)弱是評價(jià)一個(gè)系統(tǒng)性能的重要智能指標(biāo)之一。

通過引入人工智能的故障診斷系統(tǒng)，采用各種推理機(jī)制，能準(zhǔn)確判斷故障所在，并具有自動(dòng)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)與系統(tǒng)恢復(fù)功能，從而大大提高了系統(tǒng)的有效度。

(2)人機(jī)接口的智能化。智能化的人機(jī)接口，可以大大簡化操作過程，這里包含多媒體技術(shù)在人機(jī)接口智能化中的有效應(yīng)用。

(3)自動(dòng)編程的智能化。操作者只需輸入加工工件素材的形狀和需加工形狀的數(shù)據(jù)，加工程序就可全部自動(dòng)生成，這里包含：①素材形狀和加工形狀的圖形顯示；②自動(dòng)

工序的確定；③使用刀具、切削條件的自動(dòng)確定；④刀具使用順序的變更；⑤任意路徑的編輯；⑥加工過程干涉校驗(yàn)等。

(4)加工過程的智能化。通過智能工藝數(shù)據(jù)庫的建立，系統(tǒng)根據(jù)加工條件的變更，自動(dòng)設(shè)定加工參數(shù)。同時(shí)，將機(jī)床制造時(shí)的各種誤差預(yù)先存入系統(tǒng)中，利用反饋補(bǔ)償技術(shù)

對靜態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。還能對加工過程中的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過專家系統(tǒng)分析進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償或在線控制。

3.機(jī)電一體化的系統(tǒng)化發(fā)展趨勢

系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)多系列控制功能的NC系統(tǒng)。表

現(xiàn)特征之二是機(jī)電一體化系統(tǒng)的通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS-232等常用通信方式外，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)正逐漸被采用，且標(biāo)準(zhǔn)化LAN的制造自動(dòng)化協(xié)議(MAP)已開始進(jìn)入NC系統(tǒng)，從而可實(shí)現(xiàn)異型機(jī)異網(wǎng)互聯(lián)及資源共享。

4.機(jī)電一體化的輕量化及微型化發(fā)展趨勢

一般地，對于機(jī)電一體化產(chǎn)品，除了機(jī)械主體部分，其他部分均涉及電子技術(shù)。隨著片式元器件(SMD)的發(fā)展，表面組裝技術(shù)(SMT)正在逐漸取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù)(THT)而成為電子組裝的重要手段，電子設(shè)備正朝著小型化、輕量化、多功能、高可靠方向發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，SMT發(fā)展異常迅速。1993年，電子設(shè)備平均60％以上采用SMT。同年，世界電子元件片式化率達(dá)到45％以上。因此，機(jī)電一體化中具有智能、動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)、感知特征的組成部分將逐漸向輕量化、小型化方向發(fā)展。

此外，20世紀(jì)80年代末期，微型機(jī)械電子學(xué)及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、裝置和系統(tǒng)的開發(fā)研究取得了綜合成果，科學(xué)家利用集成電路的微細(xì)加工技術(shù)，將機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器及電源集成在一個(gè)很小的多晶硅上，使整個(gè)裝置的尺寸縮小到幾個(gè)毫米甚至幾百微米，因而獲得了完備的微型電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)。這表明機(jī)電一體化技術(shù)已進(jìn)入微型化的研究領(lǐng)域?？茖W(xué)家預(yù)言，這種微型機(jī)電一體化系統(tǒng)將在未來的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、航海及家庭服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展將使現(xiàn)行的某些產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域發(fā)生深刻的技術(shù)革命。

1-1試分析機(jī)電一體化技術(shù)的組成及相互關(guān)系。

1-2列舉各行業(yè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例，并分析各產(chǎn)品中相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用情況。

1-3為什么說機(jī)電一體化技術(shù)是其他技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)？舉例說明。

1-4試分析機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的區(qū)別。思考題2.1概述2.2機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的原則2.3機(jī)械系統(tǒng)性能分析2.4機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制思考題機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械及機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。其核心是由計(jì)算機(jī)控制的，包括機(jī)械、電力、電子、液壓、光學(xué)等技術(shù)的伺服系統(tǒng)。它的主要功能是完成一系列機(jī)械運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可單獨(dú)由控制電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的子系統(tǒng)來完成，而這些子系統(tǒng)要由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)和控制，以完成整個(gè)系統(tǒng)的功能要求。2.1概述機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從系統(tǒng)的角度進(jìn)行合理化和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和支承部件。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮一般機(jī)械設(shè)計(jì)要求外，還必須考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)因素與整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能參數(shù)及電氣參數(shù)的匹配，以獲得良好的伺服性能。2.1.1機(jī)電一體化對機(jī)械系統(tǒng)的基本要求

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的制造精度外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即快速響應(yīng)和良好的穩(wěn)定性。

1.高精度

精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。如果機(jī)械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機(jī)電一體化產(chǎn)品其他的系統(tǒng)工作再精確，也無法完成其預(yù)定的機(jī)械操作。

2.快速響應(yīng)

機(jī)電一體化系統(tǒng)的快速響應(yīng)就是要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令所經(jīng)過的時(shí)間間隔短，這樣系統(tǒng)才能精確地完成預(yù)定的任務(wù)要求，控制系統(tǒng)也能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行情況得到信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù)。

3.良好的穩(wěn)定性

機(jī)電一體化系統(tǒng)要求其機(jī)械裝置在溫度、振動(dòng)等外界干擾的影響下依然能夠正常穩(wěn)定地工作，即系統(tǒng)抵御外界環(huán)境的影響和抗干擾能力強(qiáng)。

為確保機(jī)械系統(tǒng)的上述特性，在設(shè)計(jì)中通常提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率和適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫?。此外，機(jī)械系統(tǒng)還要求具有體積小、重量輕、高可靠性和壽命長等特點(diǎn)。2.1.2機(jī)械系統(tǒng)的組成

概括地講，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)主要包括如下三大機(jī)構(gòu)。1.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而且已成為伺服系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。因此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)除了要滿足傳動(dòng)精度的要求外，還要滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性的要求。

2.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是支承和導(dǎo)向，它為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障，一般指導(dǎo)軌、軸承等。

3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來完成操作任務(wù)的直接裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)定的操作。一般要求它具有較高的靈敏度、精確度以及良好的重復(fù)性和可靠性。由于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，使傳統(tǒng)的作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)發(fā)展為具有動(dòng)力、變速與執(zhí)行等多重功能的伺服電動(dòng)機(jī)，從而大大簡化了傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。除以上三部分外，機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械部分通常還包括機(jī)座、支架、殼體等。2.1.3機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：靜態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。1.靜態(tài)設(shè)計(jì)

靜態(tài)設(shè)計(jì)是指依據(jù)系統(tǒng)的功能要求，通過研究制定出機(jī)械系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)方案。該方案只是一個(gè)初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要零、部件的種類，各部件之間的連接方式，系統(tǒng)的控制方式，所需能源方式等。有了初步設(shè)計(jì)方案后，就可以開始按技術(shù)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各組成部件的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)關(guān)

系及參數(shù)，確定零件的材料、結(jié)構(gòu)及制造精度；驗(yàn)算執(zhí)行元件(如電機(jī))的參數(shù)、功率及過載能力，選擇相關(guān)元、部件；配置系統(tǒng)的阻尼等。以上稱為穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的靜態(tài)特性要求。

2.動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是指研究系統(tǒng)在頻率域的特性，借助靜態(tài)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過建立系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)整體的傳遞函數(shù)，并利用自動(dòng)控制理論的方法求得該系統(tǒng)的頻率特性（幅頻特性和相頻特性）。系統(tǒng)的頻率特性體現(xiàn)了系統(tǒng)對不同頻率信號的反應(yīng)，決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、最大工作頻率和抗干擾能力。

靜態(tài)設(shè)計(jì)是在忽略了系統(tǒng)自身的運(yùn)動(dòng)因素和干擾因素的狀態(tài)下進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。對于伺服精度和響應(yīng)速度要求不高的機(jī)電一體化系統(tǒng)，靜態(tài)設(shè)計(jì)就能夠滿足設(shè)計(jì)要求了。對于精密和高速智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)，環(huán)境干擾和系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響會很大，因此必須通過調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)和改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來保證系統(tǒng)的功能要求。動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)過程往往會改變前期的部分設(shè)計(jì)方案，有時(shí)甚至?xí)品麄€(gè)方案，重新進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)。

2.2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)對機(jī)械傳動(dòng)的要求

機(jī)械傳動(dòng)是一種把動(dòng)力機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間裝置，是一種扭矩和轉(zhuǎn)速的變換器，其目的是在動(dòng)力機(jī)與負(fù)載之間使扭矩得到合理的匹配，并可通過機(jī)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)對輸出的速度調(diào)節(jié)。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)中的變速機(jī)構(gòu)，只有當(dāng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍滿足不了系統(tǒng)要求時(shí)，才通過傳動(dòng)裝置變速。2.2機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的原則由于機(jī)電一體化系統(tǒng)對快速響應(yīng)指標(biāo)要求很高，因此機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置不僅僅是用來解決伺服電機(jī)與負(fù)載間的力矩匹配問題的，更重要的是為了提高系統(tǒng)的伺服性能。為了提高機(jī)械系統(tǒng)的伺服性能，要求機(jī)械傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振性好、間隙小，并滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性等要求。2.2.2總傳動(dòng)比的確定

根據(jù)以上所述，機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置在滿足伺服電機(jī)與負(fù)載的力矩匹配的同時(shí)，應(yīng)具有較高的響應(yīng)速度，即啟動(dòng)和制動(dòng)速度。因此，在伺服系統(tǒng)中，通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動(dòng)比，以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。傳動(dòng)模型如圖2-1所示。圖中：

Jm——電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

θm——電動(dòng)機(jī)M的角位移；

JL——負(fù)載L的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

θL——負(fù)載L的角位移；

TLF——摩擦阻抗轉(zhuǎn)矩；

i——齒輪系G的總傳動(dòng)比。圖2-1電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型

根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有(2-1)

式中:

θmθmθm——電動(dòng)機(jī)的角位移、角速度、角加速度；θL,θL

、θL——負(fù)載的角位移、角速度、角加速度。

(2-2)

TLF換算到電動(dòng)機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為TLF/i；JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JL/i2。設(shè)Tm為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在忽略傳動(dòng)裝置慣量的前提下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程，電動(dòng)機(jī)軸上的合轉(zhuǎn)矩Ta為則

式(2-2)中若改變總傳動(dòng)比i，則也隨之改變。根據(jù)負(fù)載角加速度最大的原則，令d

/di=0，則解得

若不計(jì)摩擦，即TLF＝0,則

(2-3)式(2-3)表明，得到傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比i的最佳值的時(shí)刻就是JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm的時(shí)刻，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載，一半用于加速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。當(dāng)然，上述分析是忽略了傳動(dòng)裝置的慣量影響而得到的結(jié)論，實(shí)際的總傳動(dòng)比要依據(jù)傳動(dòng)裝置的慣量估算適當(dāng)選擇大一點(diǎn)。在傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)完以后，在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，通常將傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量歸算為負(fù)載折算到電機(jī)軸上，并與實(shí)際負(fù)載一同考慮進(jìn)行電機(jī)響應(yīng)速度驗(yàn)算。圖2-2電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩級齒輪傳動(dòng)2.2.3傳動(dòng)鏈的級數(shù)和各級傳動(dòng)比的分配

在機(jī)電一體化傳動(dòng)系統(tǒng)中，為了既滿足總傳動(dòng)比的要求，又使結(jié)構(gòu)緊湊，常采用多級齒輪副或蝸輪蝸桿等其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成傳動(dòng)鏈。下面以齒輪傳動(dòng)鏈為例，介紹級數(shù)和各級傳動(dòng)比的分配原則，這些原則對其他形式的傳動(dòng)鏈也有指導(dǎo)意義。

1.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則

齒輪系傳遞的功率不同，其傳動(dòng)比的分配也有所不同。1)小功率傳動(dòng)裝置

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2-2所示。由于功率小，假定各主動(dòng)輪具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1，軸與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)，各齒輪均為實(shí)心圓柱齒輪，且齒寬b和材料均相同

，效率不計(jì)，則有

i1=(

×i)1/3

(2-4)

i2=2-1/6i2/3

式中：

i1、i2

——齒輪系中第一、第二級齒輪副的傳動(dòng)比；

i——齒輪系總傳動(dòng)比，i=i1i2。

同理，對于n級齒輪系，則有

i1=

(2-5)

ik=

(2-6)

例2-1

設(shè)有i=80，傳動(dòng)級數(shù)n=4的小功率傳動(dòng)，試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。

解

驗(yàn)算I=i1i2i3i4≈80。以上是已知傳動(dòng)級數(shù)進(jìn)行各級傳動(dòng)比的確定方法。若以傳動(dòng)級數(shù)為參變量，齒輪系中折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je與第一級主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1之比為Je/J1，其變化與總傳動(dòng)比i的關(guān)系如圖2-3所示。

圖2-3小功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級數(shù)曲線

2)大功率傳動(dòng)裝置

大功率傳動(dòng)裝置傳遞的扭矩大，各級齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級增加，各級齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差別很大。大功率傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)級數(shù)及各級傳動(dòng)比可依據(jù)圖2-4、圖2-5、圖2-6來確定。傳動(dòng)比分配的基本原則仍應(yīng)為“前小后大”。圖2-4大功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級數(shù)曲線圖2-5大功率傳動(dòng)裝置確定第一級傳動(dòng)比曲線圖2-6大功率傳動(dòng)裝置確定各級傳動(dòng)比曲線

例2-2

設(shè)有i=256的大功率傳動(dòng)裝置，試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。

解查圖2-4，得n=3，Je/J1=70；n=4，Je/J1=35；n=5，Je/J1=26。兼顧到Je/J1

值的大小和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，選n＝4。查圖2-5，得i1＝3.3。查圖2-6，在橫坐標(biāo)ik-1上3.3處作垂直線與A線交于第一點(diǎn)，在縱坐標(biāo)ik軸上查得i2＝3.7。通過該點(diǎn)作水平線與B曲線相交得第二點(diǎn)i3＝4.24。由第二點(diǎn)作垂線與A曲線相交得第三點(diǎn)i4＝4.95。

驗(yàn)算i1i2i3i4＝256.26。滿足設(shè)計(jì)要求。

2.質(zhì)量最小原則

質(zhì)量方面的限制常常是設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮的重要問題，特別是用于航空、航天的傳動(dòng)裝置，按質(zhì)量最小的原則來確定各級傳動(dòng)比就顯得十分必要。

1)大功率傳動(dòng)裝置

對于大功率傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)級數(shù)確定，主要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性。在給定總傳動(dòng)比的情況下，傳動(dòng)級數(shù)過少會使大齒輪尺寸過大，導(dǎo)致傳動(dòng)裝置體積和質(zhì)量增大；傳動(dòng)級數(shù)過多會增加軸、軸承等輔助構(gòu)件，導(dǎo)致傳動(dòng)裝置質(zhì)量增加。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的功能要求和環(huán)境因素，通常情況下傳動(dòng)級數(shù)要盡量地少。大功率減速傳動(dòng)裝置按質(zhì)量最小原則確定的各級傳動(dòng)比表現(xiàn)為“前大后小”的傳動(dòng)比分配方式。減速齒輪傳動(dòng)的后級齒輪比前級齒輪的轉(zhuǎn)矩要大得多，同樣傳動(dòng)比的情況下齒厚、質(zhì)量也大得多，因此減小后級傳動(dòng)比就相應(yīng)減少了大齒輪的齒數(shù)和質(zhì)量。

大功率減速傳動(dòng)裝置的各級傳動(dòng)比可以按圖2-7和圖2-8選擇。圖2-7大功率傳動(dòng)裝置兩級傳動(dòng)比曲線(i<10時(shí)，使用圖中的虛線)

圖2-8大功率傳動(dòng)裝置三級傳動(dòng)比曲線(i<100時(shí)，使用圖中的虛線)

例2-3

設(shè)n＝2，i＝40，求各級傳動(dòng)比。

解查圖2-7可得

i1≈9.1，i2≈4.4

例2-4

設(shè)n＝3，i＝202，求各級傳動(dòng)比。圖2-9回曲式齒輪傳動(dòng)鏈

解查圖2-8可得

i1≈12，i2≈5，i3≈3.4

2)小功率傳動(dòng)裝置

對于小功率傳動(dòng)裝置，按質(zhì)量最小原則來確定傳動(dòng)比時(shí)，通常選擇相等的各級傳動(dòng)比。

在假設(shè)各主動(dòng)小齒輪的模數(shù)、齒數(shù)均相等的特殊條件下，各大齒輪的分度圓直徑均相等，因而每級齒輪副的中心距也相等。這樣便可設(shè)計(jì)成如圖2-9所示的回曲式齒輪傳動(dòng)

鏈；其總傳動(dòng)比可以非常大。顯然，這種結(jié)構(gòu)十分緊湊。

3.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

以圖2-10所示四級齒輪減速傳動(dòng)鏈為例。四級傳動(dòng)比分別為i1、i2、i3、

i4，齒輪1~8的轉(zhuǎn)角誤差依次為ΔΦ1~ΔΦ8。圖2-10四級減速齒輪傳動(dòng)鏈

該傳動(dòng)鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)角誤差ΔΦmax為

(2-7)由式(2-7)可以看出，如果從輸入端到輸出端的各級傳動(dòng)比按“前小后大”原則排列，則總轉(zhuǎn)角誤差較小,而且低速級的誤差在總誤差中占的比重很大。因此，要提高傳動(dòng)精度，就應(yīng)減少傳動(dòng)級數(shù),并使末級齒輪的傳動(dòng)比盡可能大，制造精度盡可能高。

4.三種原則的選擇

在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置時(shí)，上述三條原則應(yīng)根據(jù)具體工作條件綜合考慮。

(1)對于傳動(dòng)精度要求高的降速齒輪傳動(dòng)鏈，可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。若為增速傳動(dòng)，則應(yīng)在開始幾級就增速。

(2)對于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的降速傳動(dòng)鏈，可按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。

(3)對于要求質(zhì)量盡可能小的降速傳動(dòng)鏈，可按質(zhì)量最小原則設(shè)計(jì)。為了保證機(jī)電一體化系統(tǒng)具有良好的伺服特性，我們不僅要滿足系統(tǒng)的靜態(tài)特性，還必須利用自動(dòng)控制理論的方法進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程首先是針對靜態(tài)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，然后用控制理論的方法分析系統(tǒng)的頻率特性，并通過調(diào)節(jié)相關(guān)機(jī)械參數(shù)改變系統(tǒng)的伺服性能。2.3機(jī)械系統(tǒng)性能分析2.3.1數(shù)學(xué)模型的建立

機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立與電氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立基本相似，都是通過折算的辦法將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)裝置轉(zhuǎn)換成等效的簡單函數(shù)關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式一般是線性微分方程(通常簡化成二階微分方程)。機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析的是輸入(如電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng))和輸出(如工作臺運(yùn)動(dòng))之間的相對關(guān)系。等效折算過程是將具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系的機(jī)械系統(tǒng)的慣量、彈性模量和阻尼(或阻尼比)等機(jī)械性能參數(shù)歸一化處理，從而通過數(shù)學(xué)模型來反映各環(huán)節(jié)的機(jī)械參數(shù)對系統(tǒng)整體的影響。下面以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)為例，來介紹建立數(shù)學(xué)模型的方法。在圖2-11所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)通過兩級減速齒輪G1、G2、G3、G4及絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺作直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)J1為軸Ⅰ部件和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2、J3為軸Ⅱ、Ⅲ部件構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K1、K2、K3分別為軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；K為絲杠螺母副及螺母底座部分的軸向剛度系數(shù)；m為工作臺質(zhì)量；C為工作臺導(dǎo)軌粘性阻尼系數(shù)；

T1、T2、T3分別為軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的輸入轉(zhuǎn)矩。圖2-11數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，首先是把機(jī)械系統(tǒng)中各基本物理量折算到傳動(dòng)鏈中的某個(gè)元件上(本例是折算到軸Ⅰ上)，使復(fù)雜的多軸傳動(dòng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單一軸運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化前后的系統(tǒng)

總機(jī)械性能等效；然后，在單一軸基礎(chǔ)上根據(jù)輸入量和輸出量的關(guān)系建立它的輸入/輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式(即數(shù)學(xué)模型)。對該表達(dá)式進(jìn)行的相關(guān)機(jī)械特性分析就反映了原系統(tǒng)的性能。

在該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過程中，我們分別針對不同的物理量(如J、K、ω)求出相應(yīng)的折算等效值。機(jī)械裝置的質(zhì)量(慣量)、彈性模量和阻尼等機(jī)械特性參數(shù)對系統(tǒng)的影響是線性疊加的，因此在研究各參數(shù)對系統(tǒng)的影響時(shí)，可以假設(shè)其他參數(shù)為理想狀態(tài)，單獨(dú)考慮特性關(guān)系。下面就基本機(jī)械性能參數(shù)來分別討論轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性模量和阻尼的折算過程。

1.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算

把軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺的質(zhì)量都折算到軸Ⅰ上，作為系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。設(shè)

分別為軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,ω1、ω2、ω3分為軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的角速度，v為工作臺位移時(shí)的線速度，z1,z2,z3,z4分別為四個(gè)齒輪的齒數(shù)。

(1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算。根據(jù)動(dòng)力平衡原理，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸的力平衡方程分別是

(2-9)

(2-８)

(2-10)

因?yàn)檩SⅡ的輸入轉(zhuǎn)矩T2是由軸Ⅰ上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩獲得的，且與它們的轉(zhuǎn)速成反比，

所以

又根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有

把T2和ω2值代入式(2-9)，并將式(2-8)中的T1也帶入，整理得

(2-11)

同理

(2-12)

(2)將工作臺質(zhì)量折算到Ⅰ軸。在工作臺與絲杠間，

驅(qū)動(dòng)絲杠使工作臺運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)動(dòng)力平衡關(guān)系有

式中:;

v

——

工作臺的線速度；

L

——

絲杠導(dǎo)程。所以絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一周所做的功等于工作臺前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程時(shí)其慣性力所做的功。

又根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有

把v值代入上式整理后得

(2-13)

(3)折算到軸Ⅰ上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。把式(2-11)、(2-12)、(2-13)分別代入式(２-8)、(2-9)、(2-10)中，消去中間變量并整理后求出電機(jī)輸出的總轉(zhuǎn)矩T1為

(2-14)式中:

(2-15)為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(或質(zhì)量)折算到軸Ⅰ上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中，

分別為Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺質(zhì)量折算到Ⅰ軸上的折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.粘性阻尼系數(shù)的折算

機(jī)械系統(tǒng)工作過程中，相互運(yùn)動(dòng)的元件間存在著阻力，并以不同的形式表現(xiàn)出來，如摩擦阻力、流體阻力以及負(fù)載阻力等，這些阻力在建模時(shí)需要折算成與速度有關(guān)的粘滯阻尼力。

當(dāng)工作臺勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸Ⅲ的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T3完全用來克服粘滯阻尼力的消耗?？紤]到其他各環(huán)節(jié)的摩擦損失比工作臺導(dǎo)軌的摩擦損失小得多，故只計(jì)工作臺導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)C。

根據(jù)工作臺與絲杠之間的動(dòng)力平衡關(guān)系有

T32π=CvL即絲杠轉(zhuǎn)一周T3所作的功，等于工作臺前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程時(shí)其阻尼力所作的功。

根據(jù)力學(xué)原理和傳動(dòng)關(guān)系有

(2-16)式中:C′——工作臺導(dǎo)軌折算到軸Ⅰ上的粘性阻力系數(shù)，其值為

(2-17)

3.彈性變形系數(shù)的折算

機(jī)械系統(tǒng)中各元件在工作時(shí)受力或力矩的作用，將產(chǎn)生軸向伸長、壓縮或扭轉(zhuǎn)等彈性變形，這些變形將影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)特性,建模時(shí)要將其折算成相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)或軸向剛度系數(shù)。

上例中，應(yīng)先將各軸的扭轉(zhuǎn)角都折算到軸Ⅰ上來，絲杠與工作臺之間的軸向彈性變形會使軸Ⅲ產(chǎn)生一個(gè)附加扭轉(zhuǎn)角，也應(yīng)折算到軸Ⅰ上來，然后求出軸Ⅰ的總扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)。同樣，當(dāng)系統(tǒng)在無阻尼狀態(tài)下時(shí)，T1、T2、T3等輸入轉(zhuǎn)矩都用來克服機(jī)構(gòu)的彈性變形。圖2-12彈性變形的等效圖

(1)軸向剛度的折算。當(dāng)系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)載后，絲杠螺母副和螺母座都會產(chǎn)生軸向彈性變形，圖2-12是它的等效作用圖。在絲杠左端輸入轉(zhuǎn)矩T3的作用下，絲杠和工作臺之間的彈性變形為δ，對應(yīng)的絲杠附加扭轉(zhuǎn)角為Δθ3。根據(jù)動(dòng)力平衡原理和傳動(dòng)關(guān)系，在絲杠軸Ⅲ上有：

T32π=KδL

δ=所以

式中:K′——附加扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，其值為

(2-18)

(2)扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)的折算。設(shè)θ1、θ2、θ3分別為軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在輸入轉(zhuǎn)矩T1、T2、T3的作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。根據(jù)動(dòng)力平衡原理和傳動(dòng)關(guān)系有

由于絲杠和工作臺之間軸向彈性變形使軸Ⅲ附加了一個(gè)扭轉(zhuǎn)角Δθ3，因此軸Ⅲ上的實(shí)際扭轉(zhuǎn)角θⅢ為θⅢ＝θ3+Δθ3

將θ3、Δθ3值代入，則有

將各軸的扭轉(zhuǎn)角折算到軸Ⅰ上得軸Ⅰ的總扭轉(zhuǎn)角為

將θ1、θ2、θⅢ值代入上式有

(2-19)式中:KΣ

——折算到軸Ⅰ上的總扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，其值為

(2-20)

4.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上的參數(shù)折算，可建立系統(tǒng)動(dòng)力平衡方程和推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型。

設(shè)輸入量為軸Ⅰ的輸入轉(zhuǎn)角Xi，輸出量為工作臺的線位移Xo。根據(jù)傳動(dòng)原理，可把Xo折算成軸Ⅰ的輸出角位移Φ。在軸Ⅰ上根據(jù)動(dòng)力平衡原理有

(2-21)又因?yàn)?/p>

(2-22)

因此，動(dòng)力平衡關(guān)系可以寫成下式：

(2-23)這就是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它是一個(gè)二階線性微分方程。其中,JΣ、C′、KΣ均為常數(shù)。通過對式(2-15)進(jìn)行拉氏變換，可求得該系統(tǒng)的傳遞函為

(2-24)

式中:

ωn

——系統(tǒng)的固有頻率，其值為

ωn=

(2-25)

ξ

——系統(tǒng)的阻尼比，其值為

(2-26)

ωn和ξ是二階系統(tǒng)的兩個(gè)特征參量，它們是由慣量(質(zhì)量)、摩擦阻力系數(shù)、彈性變形系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。對于電氣系統(tǒng)，ωn和ξ則由R、C、L物理量決定，它們具有

相似的特性。

將s=jω

代入式(2-24)可求出A(ω)和Φ(ω)，即該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。由A(ω)和Φ(ω)可以分析出系統(tǒng)不同頻率的輸入(或干擾)信號對輸出幅值和相位的影響,從而反映了系統(tǒng)在不同精度要求狀態(tài)下的工作頻率和對不同頻率干擾信號的衰減能力。2.3.2機(jī)械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)要求精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠，這不全是靜態(tài)設(shè)計(jì)(機(jī)械傳動(dòng)和結(jié)構(gòu))所能解決的問題，而是要通過對機(jī)械傳動(dòng)部分與伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)相關(guān)機(jī)械性能參數(shù)，才能達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。

通過以上的分析可知，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)本身的阻尼比ξ、固有頻率ωn有關(guān)。ωn、ξ又與機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。因此，機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對伺服系統(tǒng)的性能有很大影響。圖2-13二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

1.阻尼的影響

一般的機(jī)械系統(tǒng)均可簡化為二階系統(tǒng)，系統(tǒng)中阻尼的影響可以由二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線來說明。由圖2-13可知，阻尼比不同的系統(tǒng)，其時(shí)間響應(yīng)特性也不同。

(1)當(dāng)阻尼比ξ＝0時(shí)，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)，因此系統(tǒng)不能無阻尼。

(2)當(dāng)ξ≥1時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。此時(shí)，過渡過程無振蕩，但響應(yīng)時(shí)間較長。

(3)當(dāng)0<ξ<1時(shí)，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)。此時(shí)，系統(tǒng)在過渡過程中處于減幅振蕩狀態(tài)，其幅值衰減的快慢，取決于衰減系數(shù)ξωn。在ωn確定以后,ξ愈小，其振蕩愈劇烈，過渡過程越長。相反，ξ越大，則振蕩越小，過渡過程越平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，但響應(yīng)時(shí)間較長，系統(tǒng)靈敏度降低。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮其性能指標(biāo)，一般取0.5<ξ<0.8的欠阻尼系統(tǒng)，既能保證振蕩在一定的范圍內(nèi)，過渡過程較平穩(wěn)，過渡過程時(shí)間較短，又具有較高的靈敏度。

2.摩擦的影響

當(dāng)兩物體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)，其接觸面要產(chǎn)生摩擦。摩擦力可分為粘性摩擦力、庫侖摩擦力和靜摩擦力三種，其方向均與運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反。

圖2-14反應(yīng)了三種摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，摩擦力為靜摩擦力Fs，其最大值發(fā)生在運(yùn)動(dòng)開始前的一瞬間；當(dāng)運(yùn)動(dòng)一開始，靜摩擦力即消失，此時(shí)摩擦力立即下降為動(dòng)摩擦(庫侖摩擦)力Fc，庫侖摩擦力是接觸面對運(yùn)動(dòng)物體的阻力，大小為一常數(shù)；隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，摩擦力成線性增加，此時(shí)摩擦力為粘性摩擦Fv。圖2-14摩擦力—速度曲線由此可見，只有物體運(yùn)動(dòng)后的粘性摩擦力是線性的，而當(dāng)物體靜止時(shí)和剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，其摩擦力是非線性的。摩擦對伺服系統(tǒng)的影響主要有：引起動(dòng)態(tài)滯后，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差和低速爬行。在圖2-15所示的機(jī)械系統(tǒng)中，設(shè)系統(tǒng)的彈簧剛度為K。如果系統(tǒng)開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入軸以一定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于靜摩擦力矩T的作用，在θi≤范圍內(nèi)，輸出軸將不會運(yùn)動(dòng)，θi值即為靜摩擦引起的傳動(dòng)死區(qū)。在傳動(dòng)死區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)將在一段時(shí)間內(nèi)對輸入信號無響應(yīng)，從而造成誤差。圖2-15力傳遞與彈性變形示意圖當(dāng)輸入軸以恒速Ω繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在θi>|Ts/K|后，輸出軸也以恒速Ω運(yùn)動(dòng)，但始終滯后輸入軸一個(gè)角度θss，若粘性摩擦系數(shù)為f，則有

(2-27)

式中:fΩ/K是粘性摩擦引起的動(dòng)態(tài)滯后；Tc/K是庫侖摩擦所引起的動(dòng)態(tài)滯后；θss為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

由以上分析可知，當(dāng)靜摩擦大于庫侖摩擦，且系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)(忽略粘性摩擦引起的滯后)，在驅(qū)動(dòng)力引起彈性變形的作用下，系統(tǒng)總是在啟動(dòng)、停止的交替變化之中運(yùn)動(dòng)，該現(xiàn)象被稱為低速爬行現(xiàn)象。低速爬行會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。爬行一般出現(xiàn)在某個(gè)臨界轉(zhuǎn)速以下，而在高速運(yùn)行時(shí)不會出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量減少靜摩擦并降