伺服傳動(dòng)系統(tǒng)

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1、 4.1 概 述第 四 章 伺 服 系 統(tǒng) 技 術(shù)一 、 伺 服 系 統(tǒng) 基 本 概 念 伺 服 傳 動(dòng) 技 術(shù) （ 伺 服 控 制 ， 伺 服 系 統(tǒng) ） 是 指 在 控 制指 令 的 指 揮 下 ， 控 制 驅(qū) 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 使 機(jī) 械 系 統(tǒng) 的運(yùn) 動(dòng) 部 件 按 照 指 令 要 求 進(jìn) 行 運(yùn) 動(dòng) 。 實(shí) 現(xiàn) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 對(duì)給 定 指 令 的 準(zhǔn) 確 跟 蹤 ， 即 實(shí) 現(xiàn) 輸 出 變 量 的 某 種 狀 態(tài)能 夠 自 動(dòng) ， 連 續(xù) ， 精 確 的 復(fù) 現(xiàn) 輸 入 指 令 信 號(hào) 的 變 化規(guī) 律 。 二 、 伺 服 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 組 成 比較 元件 調(diào)節(jié) 元件

2、執(zhí)行 元件 被控 對(duì)象 測(cè)量、反饋元 件 輸入指令 輸出量比 較 環(huán) 節(jié) 是 將 輸 入 的 指 令 信 號(hào) 與 系 統(tǒng) 的 反 饋 信 號(hào)進(jìn) 行 比 較 ， 以 獲 得 輸 出 與 輸 入 間 的 偏 差 信 號(hào) 的 環(huán)節(jié) ， 通 常 由 專 門 的 電 路 或 計(jì) 算 機(jī) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn)控 制 器 通 常 是 計(jì) 算 機(jī) 或 PID控 制 電 路 ， 其 主 要 任務(wù) 是 對(duì) 比 較 元 件 輸 出 的 偏 差 信 號(hào) 進(jìn) 行 變 換 處 理 ，以 控 制 執(zhí) 行 元 件 按 要 求 動(dòng) 作執(zhí) 行 環(huán) 節(jié) 的 作 用 是 按 控 制 信 號(hào) 的 要 求 ， 將 輸 入 的各 種 形 式 的 能

3、 量 轉(zhuǎn) 化 成 機(jī) 械 能 ， 驅(qū) 動(dòng) 被 控 對(duì) 象 工作 。 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 中 的 執(zhí) 行 元 件 一 般 指 各 種 電機(jī) 或 液 壓 、 氣 動(dòng) 伺 服 機(jī) 構(gòu) 等檢 測(cè) 環(huán) 節(jié) 是 指 能 夠 對(duì) 輸 出 進(jìn) 行 測(cè) 量 并 轉(zhuǎn) 換 成 比 較 環(huán) 節(jié)所 需 要 的 量 綱 的 裝 置 ， 一 般 包 括 傳 感 器 和 轉(zhuǎn) 換 電 路 三 、 伺 服 系 統(tǒng) 基 本 類 型 表 示 的 方 式 有 開 環(huán) 、 閉 環(huán) 和 半 閉 環(huán) 三 種 形 式有 位 移 、 速 度 、 力 和 力 矩 等 伺 服 系 統(tǒng) 形 式 按 驅(qū) 動(dòng) 方 式 不 同有 電 氣 、 液 壓

4、 和 氣 壓 等 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 形 式 按 執(zhí) 行 元 件 不 同分 為 步 進(jìn) 電 機(jī) 伺 服 、 直 流 電 機(jī) 伺 服 和 交 流 電 機(jī) 伺服 形 式 四 、 伺 服 系 統(tǒng) 基 本 要 求 Rn要 大 ， 并 且 在 該 范 圍 內(nèi) ， 速 度 穩(wěn) 定 ； 無(wú) 論 高 速 低 速 下 ， 輸 出 力 或 力 矩 穩(wěn) 定 ， 低 速 驅(qū) 動(dòng) 時(shí) ，能 輸 出 額 定 的 力 或 力 矩 ； 在 零 速 時(shí) ， 伺 服 系 統(tǒng) 處 于 “ 鎖 定 ” 狀 態(tài) ， 即 慣 性小 。 minmaxnnRn 六 、 電 力 電 子 變 流 技 術(shù)1、 開 關(guān) 器 件 類 型晶 閘 管 （ S

5、CR）電 力 晶 體 管 （ GTR）場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 （ MO SFET）AG K絕 緣 柵 雙 極 性 晶 體 管 IGBT） G EC （ 1） 晶 閘 管 開 關(guān) 特 性 （ 1） 若 門 極 G不 加 電 壓 ， 無(wú) 論 A加 正 向 還 是 反響 電 壓 ， 均 不 導(dǎo) 通 ， 具 有 正 反 阻 斷 能 力 。（ 2） 陽(yáng) 極 A和 門 極 G同 時(shí) 加 正 向 電 壓 才 能 導(dǎo)通 ， 導(dǎo) 通 必 須 具 備 的 兩 個(gè) 條 件（ 3） 晶 閘 管 導(dǎo) 通 后 ， 門 極 G就 失 去 了 控 制 作 用 ，要 斷 開 必 須 減 小 陽(yáng) 極 電 流 （ 小 于 維 持

6、電 流 ） （ 2） 功 率 晶 體 管 （ GTR） 有 截 止 ， 有 源 放 大 和 飽 和 三 種 狀 態(tài) ， 一 般 作 為 開 關(guān)使 用 ， 開 通 時(shí) 要 驅(qū) 動(dòng) ， 正 常 導(dǎo) 通 時(shí) 要 線 飽 和 ， 關(guān) 斷時(shí) 要 反 偏 ， 目 前 驅(qū) 動(dòng) 電 路 已 集 成 化 。特 點(diǎn) ： 飽 和 壓 降 低 ， 載 流 密 度 大 ， 驅(qū) 動(dòng) 電 流 較大 。（ 3） 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 （ MOSFET）特 點(diǎn) ： 驅(qū) 動(dòng) 功 率 大 ， 開 關(guān) 速 度 快 ， 導(dǎo) 通 壓 降 大 ，載 流 密 度 小 。工 作 狀 態(tài) （ 4） IGBT是 一 種 新 型 復(fù) 合 功 率

7、開 關(guān) 器 件 。 集 成 了 GTR和 MOSFET的 優(yōu) 點(diǎn) ， 驅(qū) 動(dòng) 功 率 小 而 飽 和 壓 降低 。驅(qū) 動(dòng) 用 集 成 芯 片 ， 如 EXB840， IR2130等 。 2、 開 關(guān) 器 件 特 性 目 前 ， 各 類 電 力 電 子 器 件 所 達(dá) 到 的 功 能 水 平 如 下 ： 普 通 晶 閘 管 ： 12kV、 1kA； 4kV、 3kA。 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 ： 9kV、 1kA； 4.5kV、 4.5kA。 電 力 晶 體 管 ： 單 管 1kV、 200A； 模 塊 1.2kV、 800A；1.8kV、 100A。 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 ： 1kV、 38A。 絕

8、 緣 柵 極 雙 極 型 晶 體 管 ： 1.2kV、 400A； 1.8kV、 100A。 3、 變 流 技 術(shù)（ 1） 整 流 把 交 流 電 變 為 固 定 的 （ 或 可 調(diào) 的 ） 直 流電（ 2） 逆 變 把 固 定 直 流 電 變 成 固 定 的 （ 或 可 調(diào) 的 ）交 流 電 。（ 3） 斬 波 把 固 定 的 直 流 電 壓 變 成 可 調(diào) 的 直 流 電（ 4） 交 流 調(diào) 壓 把 固 定 的 交 流 電 壓 變 成 可 調(diào) 的 交 流電 壓 。 （ 1） .整 流 器 整 流 過(guò) 程 是 將 交 流 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 直流 信 號(hào) 的 過(guò) 程 ， 可 通 過(guò) 二 極

9、管 或開 關(guān) 器 件 組 成 的 橋 式 電 路 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 udO ug1Ou TO t t t udR idug1V 1u2u1 (a) (b) T udO ug1, ug4O ug2, ug3O t t t udR idug2ug1V 1 V2 u g3V3ug4V4 au2u1 (a) (b) T b單 相 交 流 可 控 硅 橋 式 整 流 電 路 (a） 整 流 電 路 ； (b） 波 形 圖若 將 開 關(guān) 器 件 V換 成 二 極 管 ， 分 析 電 路 情 況 ？ （ 2） . 斬 波 器 M U S Ud Id U U d 1 O Ud2 (a) (b) t二 極 管 是

10、 續(xù) 流 二 極 管 ， 當(dāng) S斷 開 時(shí) ， 由 于 電 樞 電 感的 存 在 ， 電 動(dòng) 機(jī) 的 電 樞 電 流 可 通 過(guò) 它 形 成 續(xù) 流 回 路 。 （ 3） .逆 變 器 2dU2dU LR io uo V1 V2 VD1 VD2 uo Um O Um io O t3 t4 t1 t2 t5 t6 VD1 VD2 VD1 VD2 V1 V2 V1 V2 t t (a) (b) Ud 它 有 兩 個(gè) 導(dǎo) 電 臂 ， 每 個(gè) 導(dǎo) 電 臂 由 一 個(gè) 可 控 元 件 和 一 個(gè) 反并 聯(lián) 二 極 管 組 成 。 在 直 流 側(cè) 接 有 兩 個(gè) 相 互 串 聯(lián) 的 足 夠 大的 電 容

11、， 使 得 兩 個(gè) 電 容 的 連 結(jié) 點(diǎn) 為 直 流 電 源 的 中 點(diǎn) 。 （ 4） .交 流 調(diào) 壓 器 u 0O ug1,O ug2,O t t t u0Rug3(a) (b) VT1VT 2u1 一 、 執(zhí) 行 元 件 的 分 類 及 其 特 點(diǎn) 執(zhí) 行 元 件 是 能 量 變 換 元 件 ， 其 目 的 是 控 制 機(jī)械 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 。 機(jī) 電 一 體 化 伺 服 系 統(tǒng) 要 求執(zhí) 行 元 件 具 有 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 小 ， 輸 出 動(dòng) 力 大 ， 便于 控 制 ， 可 靠 性 高 和 安 裝 維 護(hù) 簡(jiǎn) 便 等 特 點(diǎn) 。根 據(jù) 使 用 能 量 的 不 同 ， 可 以

12、 將 執(zhí) 行 元 件 分 為電 磁 式 、 液 壓 式 和 氣 壓 式 等 幾 種 類 型 4.2 執(zhí) 行 元 件 交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī) 直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 其它電機(jī) 雙金屬片 形狀記憶合金 壓電元件其它 電磁鐵及其它 與材料有關(guān) 氣壓馬達(dá) 氣 缸 液壓馬達(dá) 油 缸 電動(dòng)機(jī) 電磁式 液壓式 氣壓式 執(zhí) 行 元 件 二 、 電 氣 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 中 較 多 的 采 用 電氣 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 ， 即 伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 。伺 服 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 一 般 是 指 ： 三 種 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 的 特 點(diǎn) ：轉(zhuǎn) 角 與 數(shù) 字 脈

13、 沖 成 比 例 ， 可 構(gòu) 成 直 接 數(shù) 字 控 制構(gòu) 成 廉 價(jià) 的 開 環(huán) 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) 控 制 較 簡(jiǎn) 單高 響 應(yīng) 、 高 功 率 密 度可 實(shí) 現(xiàn) 高 精 度 的 數(shù) 字 控 制換 向 器 件 需 維 護(hù)具 有 DC伺 服 電 機(jī) 的 全 部 優(yōu) 點(diǎn)需 要 磁 極 位 置 檢 測(cè) 器無(wú) 接 觸 換 向 器 件 ， 維 護(hù) 方 便 4.3 步 進(jìn) 電 機(jī) 伺 服 驅(qū) 動(dòng)一 、 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 原 理步 進(jìn) 電 機(jī) 是 將 電 脈 沖 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 變 為角 位 移 的 電 氣 執(zhí) 行 元 件 ， 電 機(jī) 繞 組 每 接 受 一 個(gè) 脈 沖 ， 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn) 過(guò) 相 應(yīng) 的

14、 角 度 （ 即 步 距 角 ） ， 低 頻 率 運(yùn) 行 時(shí) ， 明 顯可 見 電 機(jī) 軸 是 一 步 一 步 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 ， 故 稱 為 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 。二 、 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 三 種 運(yùn) 行 方 式 ： 單 三 拍 時(shí) 雙 三 拍 時(shí) ： 單 雙 拍 （ 即 六 拍 ） 時(shí) ：A AB B BC C CA,-A AB B BC C CA 環(huán)形 分配器 功率 驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn) 電動(dòng)機(jī) 負(fù)載 指令脈沖 輸出 3、 開 環(huán) 控 制 原 理 圖4、 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 單 片 機(jī) 控 制（ 1） 控 制 換 向 順 序（ 2） 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 向（ 3）

15、控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 速 度結(jié) 論 ： 脈 沖 的 數(shù) 量 控 制 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 角 脈 沖 的 頻 率 控 制 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 脈 沖 的 通 入 次 序 控 制 電 機(jī) 的 方 向 5、 脈 沖 分 配（ 1） 通 過(guò) 軟 件 實(shí) 現(xiàn) 脈 沖 分 配有 兩 種 方 式 ： 軟 件 法 和 硬 件 法 。 軟 件 法 是 完 全 用 軟 件 的 方 式 按 照 給 定 的 通 電 換 相 順序 ， 通 過(guò) 單 片 機(jī) 的 I O口 向 驅(qū) 動(dòng) 電 路 發(fā) 出 控 制 脈 沖 。以 三 相 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 在 六 拍 方 式 為 例 。三 相 六 拍 工 作 方 式

16、 通電 正 序 為 ：A AB B BC C CA 通 電 狀 態(tài) P1.2（ C） P1.1（ B） P1.0（ A） 控 制 字A 1 1 0 FEHAB 1 0 0 FCHB 1 0 1 FDHBC 0 0 1 F9HC 0 1 1 FBHCA 0 1 0 FAH共 6個(gè) 通 電 狀 態(tài) ， 若 P1口 輸 出 控 制 信 號(hào) 中 ， 0代 表 使 繞組 通 電 ， 1代 表 使 繞 組 斷 電 ， 則 可 用 6個(gè) 控 制 字 來(lái) 對(duì) 應(yīng)這 6個(gè) 通 電 狀 態(tài) 。 在 程 序 中 ,只 要 依 次 將 這 6個(gè) 控 制 字 送 到 Pl口 步 進(jìn) 電 動(dòng)機(jī) 就 會(huì) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 一 個(gè) 齒

17、 距 角 。 每 送 一 個(gè) 控 制 字 ,就 完 成 一 拍 。步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 過(guò) 一 個(gè) 步 距 角 。 程 序 就 是 根 據(jù) 這 個(gè) 原 理進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 的 。 用 R0作 為 狀 態(tài) 計(jì) 數(shù) 器 ， 來(lái) 指 示 第 幾 拍 。 按 正 轉(zhuǎn) 時(shí) 加 1，反 轉(zhuǎn) 時(shí) 減 1的 操 作 規(guī) 律 ， 則 正 轉(zhuǎn) 程 序 為 ：CW： INC R0CJNE R0,#06H,ZZMOV R0,#00HZZ:MOV A,R0MOV DPTR,#ABC MOVC A,A+DPTR MOV P1,ARETABC:DB 0FEH,0FCH,0FDH,0F9H, DB 0FBH,0FAH 反 轉(zhuǎn)

18、 程 序MOV P1,ARETCCW： DEC R0CJNE R0,#0FFH,FZMOV R0,#05HFZ:MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,A+DPTR 軟 件 法 在 電 動(dòng) 機(jī) 運(yùn) 行 過(guò) 程 中 ，要 不 停 地 產(chǎn) 生 控 制 脈 沖 ， 占 用了 大 量 的 CPU時(shí) 間 ， 可 能 使 單片 機(jī) 無(wú) 法 同 時(shí) 進(jìn) 行 其 他 工 作 (如監(jiān) 測(cè) 等 ) （ 2） 通 過(guò) 硬 件 實(shí) 現(xiàn) 脈 沖 分 配采 用 小 規(guī) 模 集 成 電 路 搭 接 一 個(gè) 硬 件 分 配 器 ， 靈 活性 大 ， 不 占 用 計(jì) 算 機(jī) 的 工 作 時(shí) 間采 用 專 門 的

19、 環(huán) 形 分 配 器6. 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 速 度 控 制 通 過(guò) 單 片 機(jī) 發(fā) 出 的 步 進(jìn) 脈 沖 來(lái) 控 制 。軟 件 脈 沖 分 配 方 式 ： 采 用 調(diào) 整 兩 個(gè) 控 制 字 之 間 的 時(shí) 間 間 隔硬 件 脈 沖 分 配 方 式 ： 控 制 步 進(jìn) 脈 沖 的 頻 率 第 一 種 是 通 過(guò) 軟 件 延 時(shí) 的 方 法 。 使 CPU長(zhǎng) 時(shí) 間 等 待 占 用 大 量 機(jī) 時(shí) 。 第 二 種 是 通 過(guò) 定 時(shí) 器 中 斷 的 方 法 使 用 定 時(shí) 器 T0， 工 作 方 式 l。 設(shè) 用 于 改 變 速 度 的 定 時(shí)常 數(shù) 存 放 在 內(nèi) 部 RAM 30H(低

20、位 )和 31H(高 8位 )中 ，則 定 時(shí) 器 中 斷 服 務(wù) 子 程 序 為 AA： CPL P1.4 PUSH ACC PUSH PSWCLR CCLR TR0 MOV A,TL0 ADD A,30H MOV TL0,A MOV A,TH0 ADDC A,31H MOV TH0,A SETB TR0POP TR0POP ACCRETI調(diào) 速 指 令 是 通 過(guò) 輸 入 界 面 出 外 界 輸 入 的 ，可 通 過(guò) 鍵 盤 程 序 或 A D轉(zhuǎn) 換 程 序 接 收 ， 通過(guò) 這 些 程 序 將 外 界 給 定 的 速 度 值 轉(zhuǎn) 換 成 相應(yīng) 的 定 時(shí) 常 數(shù) ， 并 存 人 30H和

21、 31H 這 樣 就可 以 在 定 時(shí) 器 中 斷 后 改 變 步 進(jìn) 脈 沖 的 頻 率 ， 達(dá) 到 調(diào) 速 的 目 的 。 7、 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 驅(qū) 動(dòng) 控 制 電 路 560 R1uU 6 V 3.6 V 0.3 V 680 R3 470 R2 20 R4 5 V V1 V2 Ub3 b3 E0 步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)繞 組 VD V3 R0 C1 C2 10 R7 390 R5 低壓控制電路 高壓控制電路 uU 控制信 號(hào) 低壓輸入信號(hào) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組 高壓輸入信號(hào) Ug(高壓) Vg VD1 VD2 Vd Rf1 Rf2 Ud (低壓) OT V1 U1 15 V 3 k R1 1 k R

22、2 510 R4 8 R5 V2 0.01F C1 VD2 T VD3 V 4 VD4 VD6 U3 100 V W V5 U2 5 V 1 k R3 VD1 V3 8 R6 3 k R7 R9 51 R8 1 kUref R10 0.27 VD5 VD7 OP t tO O i u 二 、 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 調(diào) 壓 調(diào) 速 原 理直 流 電 動(dòng) 機(jī) K IRUn U 電 樞 電 壓 ， I 電 樞 電 流 ， R電 路總 電 阻 ， 每 極 磁 通 量 ， K 電 動(dòng) 機(jī)結(jié) 構(gòu) 參 數(shù)由 上 式 可 知 ， 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 控 制 方 式 如 下 ：調(diào) 壓 調(diào) 速 （ 改 變

23、電 樞 電 壓 ， 恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速 ）調(diào) 磁 調(diào) 速 （ 改 變 勵(lì) 磁 電 流 ， 恒 功 率 調(diào) 速 ）改 變 電 樞 回 路 的 電 阻 調(diào) 速 三 、 交 流 異 步 電 機(jī) 調(diào) 速轉(zhuǎn) 速 公 式 ： )1(60 sfn p 00nn ns 其 中 ： f為 電 源 頻 率s為 轉(zhuǎn) 差 率p為 極 對(duì) 數(shù)n 0為 同 步 轉(zhuǎn) 速 ： fn p600 調(diào) 速 方 法 ：改 變 f變 頻 調(diào) 速 （ 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 ）改 變 P變 極 調(diào) 速 （ 有 級(jí) 調(diào) 速 ）改 變 S該 方 法 會(huì) 降 低 交 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 機(jī)械 特 性 ， 一 般 不 用 380 UVW過(guò) 壓欠 壓 S

24、A4828IPM故 障單 片 機(jī) 隔 離驅(qū) 動(dòng)IPM t2.4k/15W R1 1 2 3 4 5 GU-SH-112D FR102 t 3K R4 + - 2 3 5 4 12 LM339 t1K R6 t10M R5 5V D1 10K RP1 P521 10K RP2 +24v 1 0 0 u F / 2 5 V C1 1 . 2 K R7 3 0 0 K / 2 W R2 2 2 0 0 u F / 4 5 0 C5 2 2 0 0 u F / 4 5 0 C4 2 2 0 K / 5 W R3 2 2 0 K / 5 W R8 0 . 4 7 u F / 1 2 0 0 V C6 P

25、ort Port P N VT1 2SC945 380 V4 RP3 10k RP4 10k 10k 10k 6.8k 6.8k +24v +24v+24v +5v +5v VOH VOL 5 4 2 3 1 2 LM339 5 4 2 3 1 2 LM339 RP3 10k 5 4 2 3 1 2 LM339 10k 6.8k +24v +5v Br_C 4. 4 伺 服 機(jī) 械 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)一 、 系 統(tǒng) 方 案 確 定典 型 的 開 環(huán) 控 制 位 置 伺 服 系 統(tǒng) 是 數(shù) 控 機(jī) 床 的 伺 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 、數(shù) 控 x、 y工 作 臺(tái) 、 機(jī) 器 人 的 關(guān) 節(jié) 移

26、動(dòng) 等 。其 結(jié) 構(gòu) 原 理 如 圖 所 示 ：PC機(jī) 驅(qū) 動(dòng)器 執(zhí) 行元 件 傳 動(dòng)機(jī) 構(gòu) 執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)方 案 確 定 實(shí) 質(zhì) 是 對(duì) 上 述 各 構(gòu) 成 環(huán) 節(jié) 的 選 擇 設(shè) 計(jì) 執(zhí) 行 元 件 的 選 擇 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 中 可 以 采 用 步 進(jìn)電 機(jī) 、 液 壓 伺 服 閥 控 制 的 液 壓 馬 達(dá) 和 液 壓 缸 、 氣 壓 伺 服閥 控 制 的 氣 壓 馬 達(dá) 和 氣 壓 缸 等 作 為 執(zhí) 行 元 件 ， 其 中 步 進(jìn)電 機(jī) 應(yīng) 用 最 廣 泛 ， 當(dāng) 負(fù) 載 能 力 不 夠 時(shí) ， 考 慮 后 者 。 總 之 ， 要 考 慮 負(fù) 載 能 力 、 調(diào) 速 范 圍

27、、 體 積 、 成 本 等因 素 。 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 實(shí) 質(zhì) 上 是 執(zhí) 行 元 件 和 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 之 間 的 一 個(gè) 機(jī)械 接 口 ， 用 于 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 和 力 進(jìn) 行 變 換 和 傳 遞 ， 伺 服 系 統(tǒng) 中執(zhí) 行 元 件 以 輸 出 轉(zhuǎn) 速 和 轉(zhuǎn) 矩 為 主 ， 而 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 多 為 直 線運(yùn) 動(dòng) 或 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 將 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 轉(zhuǎn) 換 為 直 線 運(yùn) 動(dòng) 的 傳 動(dòng) 機(jī)構(gòu) 有 ： 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 方 案 的 選 擇絲 杠 螺 母 傳 動(dòng)同 步 齒 型 帶 傳 動(dòng)齒 輪 齒 條 傳 動(dòng)直 線 電 機(jī) 傳 動(dòng) 最 常 用步 進(jìn) 電 機(jī) 與 絲 杠 螺 母 間

28、的 運(yùn) 動(dòng) 傳 遞 可 能 有 多 種 形 式 ：采 用 同 步 齒 型 帶 傳 動(dòng) 絲 杠 ： 中 心 距 較 大通 過(guò) 減 速 器 傳 動(dòng) 絲 杠 ： 減 速 器 作 用 是 配 湊 脈 沖 當(dāng)量 、 轉(zhuǎn) 矩 放 大 、 慣 量 匹 配 等通 過(guò) 聯(lián) 軸 器 直 接 相 連 ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 可 獲 得 高 速 ，對(duì) 電 機(jī) 負(fù) 載 能 力 要 求 較 高 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 是 伺 服 系 統(tǒng) 中 的 被 控 對(duì)象 ， 是 進(jìn) 行 實(shí) 際 操 作 的 機(jī) 構(gòu) ， 執(zhí) 行機(jī) 構(gòu) 中 一 般 含 有 導(dǎo) 向 機(jī) 構(gòu) ， 執(zhí) 行 機(jī)構(gòu) 方 案 的 選 擇 主 要 是 指 導(dǎo) 向 機(jī) 構(gòu) 的選

29、 擇 ， 即導(dǎo) 軌 的 選 擇 ：滾 動(dòng) 導(dǎo) 軌氣 浮 導(dǎo) 軌 、 液 體 導(dǎo) 軌塑 料 貼 面 滑 動(dòng) 導(dǎo) 軌控 制 系 統(tǒng) 方 案 的 選 擇包 括 微 機(jī) 、 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 方 式 、 驅(qū) 動(dòng) 電 路 、 接 口 電路 等 的 選 擇 和 設(shè) 計(jì) 二 、 開 環(huán) 伺 服 機(jī) 械 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算確 定 脈 沖 當(dāng) 量 ， 初 選 步 進(jìn) 電 機(jī)根 據(jù) 系 統(tǒng) 精 度 要 求 確 定 ， 對(duì) 于 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) ， 一 般 取初 選 步 進(jìn) 電 機(jī) 指 ： 選 擇 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 類 型 和 步 矩 角 0.001 0.0025 精 密 機(jī) 床0.005 0.0

30、1 數(shù) 控 機(jī) 床0.1 0.15 一 般 機(jī) 床 i M驅(qū) 動(dòng) 器指 令 脈 沖 Z1Z2ip360 確 定 減 速 傳 動(dòng) 比傳 動(dòng) 比 公 式 ： 360pi 計(jì) 算 出 的 傳 動(dòng) 比 較 小 時(shí) ， 采 用 一 級(jí) 齒 輪 傳 動(dòng) 或 同 步 帶 傳 動(dòng)傳 動(dòng) 比 較 大 時(shí) ， 采 用 多 級(jí) 齒 輪 傳 動(dòng)注 ： 1、 齒 輪 傳 動(dòng) 級(jí) 數(shù) 增 加 時(shí) ， 使 齒 隙 和 靜 摩 擦 增 加 ，傳 動(dòng) 效 率 降 低 ， 故 傳 動(dòng) 級(jí) 數(shù) 一 般 不 超 過(guò) 3級(jí) 。2、 傳 動(dòng) 級(jí) 數(shù) 的 分 配 原 則 ：傳 動(dòng) 比 逐 級(jí) 增 加 （ 或 前 小 后 大 原 則 ） ，

31、 使 輸 出 軸 轉(zhuǎn) 角誤 差 最 小 。 ipFipFipFJJ TTTTT dm Ffm 2 )122)( 2(00max 5.03.0max ms TT 4、 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 計(jì) 算Jm是 電 機(jī) 軸 自 身 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （ Kg.m2）Jd是 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機(jī) 軸 的 總 的轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （ Kg.m2）FW作 用 在 工 作 臺(tái) 的 外 力 （ N）F0絲 杠 螺 母 預(yù) 緊 時(shí) 的 力 （ N） P是 絲 杠 螺 距 （ mm）i是 總 傳 動(dòng) 比F 作 用 在 工 作 臺(tái) 的 摩 擦 力 （ N） 絲 杠 螺 母 預(yù) 緊 時(shí) 的 傳 動(dòng) 效 率 （

32、 取 0.9）0 基 本 公 式 281 mdJ 圓 柱 體 ldm 24其 中 ： Jd的 計(jì) 算對(duì) 上 圖 所 示 的 的 系 統(tǒng) ， 折 算 到 電機(jī) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 Jd由 幾 部 分 組 成 ： 電 機(jī) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 Jm 齒 輪 Z1的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 JZ1 齒 輪 Z2的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 JZ2和 絲 杠 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 JS折 算 到電 機(jī) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 工 作 臺(tái) 折 算 到 電 機(jī) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量對(duì) 于 直 線 移 動(dòng) 的 工 作 臺(tái) ， 折 算 到 絲 杠 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 為 ： 2)( 2pMJ 22) )2(1( 21

33、 pJJiJJJ Mszzmd絲 杠 軸 折 算 到 電 機(jī) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 為 ： 22 )2(1 2 pJJiJ Msz因 此 ， 折 算 到 電 機(jī) 軸 的 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 Jd為 ：對(duì) 于 齒 輪 齒 條 傳 動(dòng) 的 工 作 臺(tái) ， 折 算 到 驅(qū) 動(dòng) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng)慣 量 為 ： 2RMJ 對(duì) 于 帶 傳 動(dòng) 的 工 作 臺(tái) ， 折 算 到驅(qū) 動(dòng) 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 為 ：2)(vMJ 5、 最 高 運(yùn) 行 頻 率.根 據(jù) 工 作 臺(tái) 的 最 高 速 度 vmax選 擇 步 進(jìn) 電 機(jī) 最 高 運(yùn) 行 頻 率fmax maxmax fv 350max maxvf

34、由得 vmax (m/min) 作 業(yè) ： 某 開 環(huán) 數(shù) 控 車 床 的 伺 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) ， 已 知 ： 工 作 臺(tái) 質(zhì) 量 m=300kg,導(dǎo) 軌 的 摩 擦 系 數(shù) u=0.2， 最 大 軸 向 載 荷 Fmax=500kgf； 絲 杠 的 導(dǎo)程 p=6mm,公 稱 直 徑 d=45mm,摩 擦 系 數(shù) ,絲 杠 總 長(zhǎng) 度L=2.44m， 兩 端 最 大 支 承 長(zhǎng) 度 l=1.8m； 選 定 四 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電機(jī) ， 其 步 距 角 ， 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 ， 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 動(dòng)慣 量 。 要 求 系 統(tǒng) 脈 沖 當(dāng) 量 ， 最 大 進(jìn) 給 速度 ， 試 對(duì) 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 以 下 設(shè) 計(jì) 驗(yàn) 算 ：1、 計(jì) 算 減 速 傳 動(dòng) 比 i， 并 分 配 傳 動(dòng) 比 ；2、 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 計(jì) 算 ， 并 驗(yàn) 算 慣 量 匹 配 （ 計(jì) 算 齒 輪 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 時(shí) ，選 定 齒 輪 模 數(shù) m=2mm,齒 寬 b=20mm, ） ；3、 計(jì) 算 電 機(jī) 的 最 高 運(yùn) 行 頻 率 mNTs 10pulsemm/005.0min/2.1 max mv 23108.1 mkgJm 33 /108.7 mkg5.1 0025.0s M驅(qū) 動(dòng) 器指 令 脈 沖 Z1Z2 返 回