第六讲 机电一体化系统设计方法
步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：
采用齿轮传动时，但应采取措施消除其传动间隙。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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执行机构方案的选择
执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操 作的机构，应根据具体操作对象及其持点来选择和 设汁。执行机构方案的选择主要是指导向机构的选 择。主要有滑动和滚动两大类，在伺服系统中应用 较多的是塑料贴面滑动导轨和滚动导轨。
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3、惯量匹配计算 1）惯量匹配的基本原理 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电机转子 惯量相匹配。根据牛顿第二定理，机电传动系统所需
的转矩T与转动惯量和角加速度的关系为；
角加速度越小，则从计算机发出指令脉冲到进给系 统执行完毕之间的时间越长，系统反应越慢。 角加速度变化，系统反应忽快忽慢，影响加工精度。
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控制系统方案的选择
包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电 路等的选择和设计
常用的微型机有单板机、单片机、工业控制微型机 等，其中单片机由于在体积、成本、可靠件和控制 指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制 中得到了非常广泛的应用。
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如果比值太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性 ，负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态待性的 较大变化，影响系统的稳定。 如果该比值太小，说明电动机选择或传动系统设计不太合理 ，经济性较差。
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传动机构方案的选择
传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机 械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统 中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为 直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的 传动机构有：
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齿轮齿条传动可获得较大的传动比和较高的传动效 率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制 造困难，且为消除传动间隙而结构复杂。滚珠丝杠 传动结构简单、制造容易而应用广泛，丝杠螺母副 已成为伺服系统中的首选传动机构。
进电机的步距角α 及丝杠导程Ph。传动比的确定既要
使减速比达到最佳匹配，同时又要满足脉冲当量与步 距角之间的关系。
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2）各级传动比的确定 传动比的分配有三个原则：
1 2）质量最小原则 3）输出轴转角误差最小原则：
在总传动比确定的情况下，通常按最小负载惯量原则 来分配齿轮副的传动比，即按该原则设计的齿轮系统， 折算到电动机轴上的负载惯量最小。 如算出的传动比较小，可采用同步带或一级齿轮传动， 否则应采用多级齿轮传动。齿轮传动级数增加时，使 齿隙和静摩擦增加，传动效率降低而且结构复杂。
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目前大多数数控机床和工业机器人的伺服系统都采 用半闭环系统。
从控制原理上讲，闭环和半闭环控制原理是一样的 ，都要对系统输出进行实时监测和反馈，并根据偏 差对系统实施控制。两者的区别仅区别在于传感器 检测信号位置不同，因而导致设计、制造的难易程 度不同及工作性能的不同，但两者的设计及分析方 法是基本一致的。
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1、确定脉冲当量，初选步进电机
根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般
取 =0.001-0.01mm/pulse。取得太大，无法满足系
统精度要求；取得太小，或者机械系统难以实现， 或者对其精度和动态性能要求过高，经济性降低。
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2、齿轮传动计算 1）总传动比的确定 在开环系统中，步进电动机至丝杠间设有齿轮副传动 装置，其传动比i的大小决定于系统的脉冲当量δ 、步
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系统方案确定之后，应进行机械系统的设计计算， 其内容包括执行元件参数及规格的确定、系统结构 的具体设计、系统惯量、刚度等参数的计算，功率 的匹配及过载能力的验算等。
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三、开环伺服机械系统设计计算
开环控制系统设计的主要内容包括计算机硬件电路、 接口电路、步进电机驱动电路、控制算法、及相应控 制软件的具体工程设计。 设计时，先根据运动精度选定脉冲当量δ，再根据负 载确定步进电机的参数α，并选定丝杠的型号、导程 等参数，计算传动比，最后设计传动齿轮的各参数等。
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执行元件的选择
选择执行元件时应考虑电机的转速、转矩、和功 率等参数应与被控对象的需要相匹配，综合考虑 负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠 性以及体积、成本等多方面要求。如冗余量大， 容易成本提高、造成浪费，如果执行元件的参数 偏低，系统将达不到要求。开环伺服系统中一般 情况下应优先选用步进电动机。
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当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开 环控制。一般来讲，设计时应主要考虑满足精度方面 的要求，并通过合理的结构参数设计，使系统共有良 好的动态响应性能。
二、系统方案确定（开环系统） 在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统 是简易数控机床的伺服进给系统及数控x、y工作台等。 其结构原理如图所示：
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一、概述
当伺服系统精度要求较高或负载较大时，应采用闭 环或半闭环控制伺服系统。 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制系统。 它将全部机械传动机执行机构都封闭在反馈控制环 内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可 以达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂， 设计难度大，成本高，尤其机械系统的动态特性难 以提高，系统稳定性难以保证，因而除非精度要求 很高时，一般应采用半闭环控制系统。
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转动惯量J由伺服电动机转动惯量JM 与机电传动系 统负载惯量JL 两部分组成
负载惯量JL由执行部件以及夹具、工件或刀具、滚
珠丝杠、联轴器等直线和旋转运动件的质量或惯量折 合到电动机轴上的惯量组成。
JL/JM应控制在一定范围内，既不能太大，也不应太
小。这就是伺服系统中电动机转子的转动惯量与负载 惯量匹配原则。