机电一体化机械执行检测装置

1、第二章 机电一体化机械、执行、检测装置第一节 机电一体化系统之机械装置1. 1. 机电一体化机械系统的组成机电一体化机械系统的组成n(1)传动机构 传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。 n(2)导向机构 导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。n(3)执行机构 执行机构是用来完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。 1.1 概述2. 2. 机电一体化机械系统的特点机电一体化机械系统

2、的特点 机电一体化机械系统除了应具备普通机械系统的要求外,还有其特殊要求。 （1）高精度：影响因素包括间隙、刚度、导向精度等。 （2）快速响应：影响因素包括摩擦、惯量、刚度、阻尼等。(伺服系统的频带/带宽！) （3）稳定性：影响因素包括温度、环境等。3. 3. 解决措施解决措施(1) 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件 如：滚珠丝杆、滚动导向支承、动静压导向支承等。(2) 缩短传动链，提高传动和支承刚度缩短传动链，提高传动和支承刚度 如：大扭矩、宽频调整电机直接驱动滚珠丝杆；丝杆两端加预紧。(3) 选用最佳传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出

3、轴上选用最佳传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量的等效转动惯量(4) 缩小反向死区误差缩小反向死区误差 如：采取消除传动间隙，减少支承变形等。(5)改进支承和架体的结构设计以提高刚性，减少振动，降低噪声改进支承和架体的结构设计以提高刚性，减少振动，降低噪声 如：选用复合材料，提高刚度和强度，降低重量，缩小结构， 确保系统小型化、轻量化、高速化、高可靠性。2.2.1 2.2.1 同步带传动同步带传动 2.2.2 2.2.2 齿轮传动齿轮传动2.2.3 2.2.3 谐波齿轮传动谐波齿轮传动2.2.4 2.2.4 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动1.2 典型机械传动机构1.2.1

4、 同步带传动n同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，于1940年由美国尤尼罗尔橡胶公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，取得显著效益，并被逐渐引用到其他机械传动上。1. 1. 类型类型 (1) 按用途n一般工业用同步带传动 即梯形齿同步带传动。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。n高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive)，在我国通称为圆弧齿同步带传动。它主要用于重型机械的传动中，如运输机械、石油机械和机床、发电机

5、等的传动。(2) 按规格n模数制 同步带主要参数是模数m(与齿轮相同)，根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数。n节距制 即同步带的主要参数是带齿节距，按节距大小不同，相应带、轮有不同的结构尺寸。该种规格制度目前被列为国际标准。nDIN(德国标准化学会)米制节距 德国同步带传动国家标准制定的规格制度。其主要参数为齿节距，但标准节距数值不同于ISO节距制。我国由于德国进口设备较多，故DIN米制节距同步带在我国也有应用。2. 2. 同步带结构同步带结构n同步带一般由强力层、带齿、带背和包布层组成。带背强力层包布层3. 3. 同步带特点同步带特点n优点 (1) 工作时无滑动(50m/s)，有准确

6、的传动比 (2) 传动效率高(98%)，节能效果好 (3) 传动比范围大(10)，结构紧凑 (4) 维护保养方便，运转费用低，恶劣环境条件下仍能正常工作n缺点 (1) 安装要求高，中心距要求严格 (2) 带与带轮制造工艺复杂，成本高同步带传动主要用于中小功率、传动比要求精确的场合，如打印机、绘图仪、小型机电设备等精密机械中。4. 4. 同步带的设计计算同步带的设计计算n在正常的工作条件下，同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。n设计同步带传动的已知条件 (1) 需要传递的名义功率； (2) 主、从动轮的转速或传动比; (

7、3) 传动中心距; (4) 使用条件。n设计步骤 (1) 确定带的设计功率；(2) 选择带型和节距；(3) 确定带轮齿数和节圆直径；(4) 确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距； (5) 校验同步带和小带轮的啮合齿数；(6) 确定实际所需同步带宽度； (7) 带的工作能力验算。1.2.2 齿轮传动电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLF1. 1. 齿轮传动系统的总传动比齿轮传动系统的总传动比n出发点：出发点：机电一体化齿轮传动系统主要是研究它的动力学特性。(1) (1) 最佳总传动比最佳总传动比 首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综合为系统的总负载，方法有：(a)

8、 峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和。(b) 均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载的均方根。 负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效负载转矩。使等效负载转使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。JmiJLMGLmLTLF 通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。 Jm电动机M的转子的转动惯量；m电动机M的角位移； JL负载L的转动惯量； L负载L的角位移； TLF 摩擦阻抗转矩； i齿轮系G的总传动比。电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLF电

9、机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLFLmLmLmi nTLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF / i ； nJL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。 n设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为LLmmLmLFmaiiJJiJJiTTT )()(22LmLFmLJiJTiT2 则电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLF0/didL mLmLFmLFJJTTTTi2mLJJi 令若不计摩擦, 即TLF0, 则解得n注：实际中为提高抗干扰能力常选用较大的传动比。LmLFmLJiJTiT2 2.2. 齿轮传

10、动链的级数和各级传动比的分配齿轮传动链的级数和各级传动比的分配 (1) 等效转动惯量最小原则等效转动惯量最小原则n小功率传动装置 ，电动机驱动的二级齿轮传动系统如图所示。由于功率小,假定各主动轮具有相同的转动惯量,轴与轴承转动惯量不计,各齿轮均为实心圆柱齿轮,且齿宽和材料均相同,效率不计, 则有可得令, 0)11 (14122121142144112312221421321iJiiiiJJiJJiJJJJiiJiJJJJmememe2/)2(2123/11iiiin同理，对于n级齿轮系,则有122222)1(21)12(212112nknkniiiinnnn例1 设有i =80,传动级数n=

11、4的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解: 验算i = i 1 i 2 i 3 i 480。 9887. 6)280(21438. 3)280(21085. 2)280(27268. 1802158241542/4322)12(22/42121)12(214214444iiii分析可知，各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。(2) (2) 质量最小原则质量最小原则n对于小功率传动装置,按质量最小原则来确定传动比时,通常选择相等的各级传动比。n在假设各主动小齿轮的模数、齿数均相等的特殊条件下,各大齿轮的分度圆直径均相等,因而每级齿轮副的中心距也相等。这样便可设计成如图所示

12、的回曲式齿轮传动链； 其总传动比可以非常大。显然,这种结构十分紧凑。 伺 服电 动 机181715 161413111210978654213图 回曲式齿轮传动链(3) (3) 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则n以四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为 i1、i2、 i3、i4,齿轮18的转角误差依次为18。 3i2412i15i36i478输 出该传动链输出轴的总转动角误差max为847643544323243211maxiiiiiiiii in可以看出,如果从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列,则总转角误差较小, 而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此,要

13、提高传动精度,就应减少传动级数, 并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。 (4)(4)三种原则的选择三种原则的选择 在设计齿轮传动时,上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。n对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计。 n对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。 n对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计。 3.3.齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法n核心问题：采取措施，消除齿核心问题：采取措施，消除齿侧间隙，保证双向传动精度。侧间隙，保证双向传动精度。(1) 圆柱齿轮

14、传动n偏心套(轴)调整法 如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。n轴向垫片调整法 齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。n双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施

15、使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。12341233 4 5 6 7(2) 斜齿轮传动n消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。(3) 锥齿轮传动n轴向压簧调整法 在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙。(4) 齿轮齿条传动机构n当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿

16、轮2、5同时向两个相反方何转动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 1.2.3 谐波传动n谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十到几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。n1 1 谐波齿轮传动的结构谐波齿轮传动的结构 n2. 2. 谐波齿轮传动的原理谐波齿轮传动的原理 通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与

17、刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。 在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮数)的整倍数，通常取为等于波数。n2. 2. 谐波齿轮传动的原理谐波齿轮传动的原理 n柔轮和刚轮齿距P相等，

18、齿数不同。Zg刚轮齿数，Zr柔轮齿数， ZgZr， ZgZr=n，n为谐波发生器的波数。n若n=2，当波发生器旋转180时，将迫使柔轮和刚轮相对移动一个齿距。若柔轮固定，则刚轮转一个角度。n柔轮固定时传动比：ir = Zg /（ Zg Zr） ; (波发生器输入, 刚轮输出)n刚轮固定时传动比：ig = Zr /（ Zg Zr） ; (波发生器输入, 柔轮输出)1.2.4 滚珠丝杠传动n又称螺旋传动机构，将旋转运动变为直线运动。又称螺旋传动机构，将旋转运动变为直线运动。n1. 工作原理与结构工作原理与结构n滚珠丝杠螺母机构组成：丝杠、螺母、滚珠、反向器（回珠管）。n丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承

19、载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。n为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 2. 特点特点n效率高：90-98%，而滑动丝杠为3040 %n刚度好：通过预紧实现。n寿命长：滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，寿命约为滑动丝杆副的4-10倍以上。n运动平稳：滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精

20、度。n精度高：由于摩擦升温小，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀，容易获得高精度。n传动可逆，不能自锁。用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。n造价高。滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。3. 3. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。n通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以

21、减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。n(1) 双螺母螺纹预紧原理 左右螺母齿轮同向旋转一个齿，因两齿轮齿数不同，故旋转角度不同，相当于一端固定，另一端旋转了一个微小的角度。 实质：实质：两螺母之间存在相对移动两螺母之间存在相对移动。n(2) 双螺母齿差预紧原理(齿差调隙)n(3) 单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）n为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大，使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。丝杠侧螺母侧丝杠侧螺母侧承载滚珠间隔钢球n(4) 单螺母预紧原理（偏置导程法） n偏置导程法原理如上图所示，仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量，

22、以达到预紧的目的。导程导程+导程丝杠侧螺母侧预拉方向预拉方向n目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm，而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点：n（1）预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动；过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的1/3。n（2）要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响。小结：小结：n4. 4. 滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装 丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大

23、影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，以下列出了四种典型支承方式及其特点。1轴向刚度较高；2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命较低；3适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。 n方案一：单推单推 n方案二：双推双推 1轴向刚度最高。2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高。3适宜高速、高刚度、高精度。n方案三：双推简支 1轴向刚度不高，与螺母位置有关。2双推端可预拉伸安装。3适宜中速、精度较高的长丝杠。n方案四：双推自由 1轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。 第二节 机电一体化执行装

24、置2.1 执行装置概述1. 执行装置概念及其分类n执行装置就是“按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。n按利用的能源分类，可将执行装置分为电动、液压和气动执行装置。2. 执行装置的特点(1)电动执行装置n优点 以电源为能源，在大多数情况下容易得到；容易控制；可靠性、稳定性和环境适应性好；与计算机等控制装置的接口简单。n缺点 在多数情况下，为了实现一定的旋转运动或者直线运动，必须使用齿轮等运动传递和变换机构；容易受载荷的影响；获得大功率比较困难。国内外第一台陆地用12000米交流变频电驱动钻机，也是目前全球技术最先进的特深井陆地石油

25、钻机(2)液压执行装置n优点 容易获得大功率； 功率重量比大，可以减小执行装置的体积； 刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制； 通过流量控制可以实现无级变速。n缺点 必须对油的温度污染进行控制，稳定性较差； 有因漏油而发生火灾的危险； 液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。工程机械半潜式钻井平台自升式钻井平台 (3)气动执行装置n 优点优点 利用汽缸可以实现高速直线运动； 利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制； 无火灾危险和环境污染； 系统结构简单，价格低。n 缺点缺点 由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难； 虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的

26、动作速度很慢，能量效率较低。 n在开发和改进执行装置时要考虑的问题有：在开发和改进执行装置时要考虑的问题有：功率重量比；功率重量比；体积体积和重量；和重量；响应速度和操作力；响应速度和操作力；能源及自身检测功能；能源及自身检测功能；成本及寿成本及寿命；命；能量的效率等。能量的效率等。 2.2 电动执行装置1. 1. 直流伺服电机直流伺服电机n(1)(1)特特 点点 直流伺服电机，只要接上直流电源就可以运转，这是直流电机的一大优点。而且，直流伺服电机作为控制电机，具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高等许多突出的优点。 它的缺点是，由于转子上安装了具有机械运动的电刷和换向器，

27、需要定时维护、更换电刷，因此存在使用寿命短和噪声大等问题。此外，直流电机与步进电机不同，在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。 (2)(2)构造与工作原理构造与工作原理n直流伺服电机由永磁体定子、线圈转子(电枢)、电刷和换向器构成。n为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必须有电刷和换向器。 利用晶体管放大器的线性驱动方式利用晶体管放大器的线性驱动方式利用晶体管放大器的开关驱动方式（脉宽调制利用晶体管放大器的开关驱动方式（脉宽调制PWM）占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。脉宽调制脉宽调制PWMPWM速度控制型伺服放大器速度控制

28、型伺服放大器 2. 交流伺服电机(1)(1)特特 性性n交流伺服电机的最大优点是因没有电刷和换向器而不需要维护，也没有产生火花的危险；缺点是与直流电机相比驱动电路复杂、价格高。n随着机电一体化技术的发展，逐渐攻克了许多技术难题。交流伺服电机在工业机器人和NC机床等许多领域内得到了广泛的应用。n特别是用电子转换向器代替机械换向器的无刷电机，由于继承了有刷电机的良好控制性能，因此，在机电一体化领域已成为非常有用的电动执行装置。(2) (2) 种类与工作原理种类与工作原理n交流伺服电机按结构可分为同步电机和异步电机。转子是由永磁体构转子是由永磁体构成的为同步电机，转子是由绕组形成的电磁铁构成的为异步

29、电机。成的为同步电机，转子是由绕组形成的电磁铁构成的为异步电机。此外还有无刷电机无刷电机。 n同步电机将永磁体装在转子上，定子上装有绕组。单相或者三相交流电流通过定子绕组，在定子上产生旋转磁场。旋转磁场与转子磁场相旋转磁场与转子磁场相互作用驱动转子转动互作用驱动转子转动。n这种电机体积小，主要应用在要求响应速度快的中等功率以下的工业机器人和机床领域。n异步电机的转子和定子都装有绕组，定子绕组叫做一次绕组，转子绕组叫做二次绕组。n定子绕组通入交流电定子绕组通入交流电旋转磁旋转磁场场切割转子绕组切割转子绕组转子绕组转子绕组产生感应电动势和感应电流产生感应电动势和感应电流电磁转矩（与旋转磁场同向）。

30、电磁转矩（与旋转磁场同向）。n异步电机的转子惯性矩可以做得很小，所以响应速度很快，主要应用于中等功率以上的伺服系统。n无刷直流电机的构造与同步电机相同。无刷伺服电机用磁极检测传感器、转角传感器和晶体管换向器组成电子式换向装置。电子式换向装置。n无刷电机的工作原理与同步电机相同，其特性与直流电机相同无刷电机的工作原理与同步电机相同，其特性与直流电机相同。n由于没有电刷上的电压降和摩擦损耗，而且转子惯量小，所以具有稳定、可靠、效率高、响应速度快等直流电机和交流电机共同的优点，在各种伺服系统中应用范围很广。 图4-53 交流伺服系统结构图1交流伺服驱动器，2交流伺服电动机，3位置和速度检测装置图4-

31、54 交流伺服驱动器结构图3 步进电机(1)(1)特特 点点n步进电机也叫做脉冲电机，每当输入一个脉冲时，电机就旋转一个固步进电机也叫做脉冲电机，每当输入一个脉冲时，电机就旋转一个固定的角度定的角度( (这个固定的角度称为步距角这个固定的角度称为步距角) )。n电机转过的角度与输入的脉冲总数成正比，电机的转速与输入脉冲的电机转过的角度与输入的脉冲总数成正比，电机的转速与输入脉冲的频率成正比。频率成正比。n这种电机的最大优点是不需要传感器，不需要反馈，可以实现开环控制；由于可以直接用数字信号控制，所以与计算机的接口比较容易；因为没有电刷，所以维护方便、寿命长；n此外，它还具有启动、停止、正转、反

32、转容易控制等许多优点。步进电机的缺点是能量效率较低，失步(输入脉冲而电机未转动)等。 (2) (2) 种类与工作原理种类与工作原理n步进电机按产生转矩的方式可以分为永磁体式、可变磁阻式(也称为反应式)和混合式。 nPM式步进电机用沿圆周方向磁化的圆柱形永磁体作转子，周围是定子，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下，驱动转子转动。nVR式步进电机用齿轮状的铁心作转子，周围是电磁铁定子齿轮状的铁心作转子，周围是电磁铁定子。定子电磁铁与转子铁心之间的吸引力驱动转子转动。n在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置转子始终转向磁阻最小的位置。选择适当的定子和转子的齿数差可以减小步距角，使

33、转子旋转平稳。nHD式步进电机是PM式和VR式的复合形式。n在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩产生转矩的原理与的原理与PMPM式相同，式相同，转子和定子的形状与转子和定子的形状与VRVR式相似，式相似，所以称为混合式。n为了减小步距角，可以在结构上增加转子和定子的齿数。(3)(3)特性与驱动方式特性与驱动方式(3)(3)特性与驱动方式特性与驱动方式n启动转矩启动转矩是电机从停止状态迅速达到设定转速时，所能驱动的最大负载扭矩。n当输入脉冲频率一定，负荷扭矩逐渐增大，或者负荷扭矩一定，脉冲频率逐渐增加时步进电机不失步的极限转矩称为动转矩动转矩(失步转矩失步转矩)。n起动转

34、矩与动转矩之间的区间称为过渡区过渡区。在这个输出转矩区间，步进电机启动时的脉冲频率必须缓慢增加。步进电机转子不转时的电磁转矩称为静转矩静转矩，这是步进电机所能产生的最大转矩。在空载静止状态下，能够使电机瞬时启动的最大输入脉冲频率称为最大空载启动频率最大空载启动频率。输入脉冲频率缓慢上升时，步进电机能够不失步运行的极限频率称为空载运行频率空载运行频率(也称为最大最大响应频率响应频率)。 n【四相步进电机【四相步进电机】信号发生电路输出旋转方向、旋转角度和转速脉冲信号，经环形分配电路进行判断分配，再经过功率放大电路放大，按励磁顺序对各个线圈进行励磁。n单相励磁方式单相励磁方式 按1 12 23 3

35、4 41 1的顺序一相一相的励磁。这种励磁方式能耗低，每一步的转角精度高，但是由于转子的惯性存在，容易产生失步。 n双相励磁方式双相励磁方式 按1 12 22 23 33 34 44 41 11 12 2的顺序依次对相邻两相向时进行励磁。这种励磁方式输出转矩大，转子的过冲小，所以是一种常用的励磁方式。但这种励磁方式存在电效率低的缺点。n单双相励磁方式单双相励磁方式 按1 11 12 22 22 23 33 33 34 44 44 41 11 1的顺序，单相、双相交替的方式进行励磁。具有分辨率高和运转平稳的优点。n环形分配器环形分配器 实现环形分配有三种方法：软件、小规模集成电路搭接、专用器件。

36、交流伺服系统与步进伺服系统的比较 在目前国内的机电一体化设备中，步进电动机伺服系统以其高的性价比获得了广泛的应用，全数字式交流伺服系统也以其高的伺服性能而倍受青睐。现就二者的使用性能作一比较，供选用时参考。 （1）控制精度 由于制造成本低，步进电动机的步距角通常做得比较大。两相混合式一般为1.8/0.9，五相混合式一般为0.72 /0.36，三相反应式多为1.5/0.75。要想减小步距角，方法有两个，一是采用减速传动，二是采用细分型驱动电源。 交流伺服电动机的控制精度由电动机轴后端的旋转编码器来保证。对于带2500线标准型编码器的电动机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其转角分辨率为360

37、/（25004）=0.036；对于带17位编码器的电动机而言，每转一圈，驱动器接收到217=131072个脉冲，其转角分辨率为360/1310729.89“，是步距角为1.8的步进电动机转角分辨率的1/655。（2）低频特性 步进电动机在低速时易出现低频振动现象，其振动频率与负载的情况和驱动电源的性能有关。解决低频振动有两种方法，一种是在电动机轴上加装阻尼器，另一种是在驱动电源上采用绕组电流细分的技术。 交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象，且具有共振抑制功能，系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 （3）矩频特性 步进电动机的输出转矩随

38、转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般不超过1000r/min。 交流伺服电动机为恒转矩输出，其额定转速一般为2000r/min或3000r/min，在额定转速以下都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出，最高转速通常可达5000r/min。 （4）过载能力 交流伺服电动机具有较强的过载能力，可用于克服惯性负载在起动瞬间的惯性转矩。 步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服惯性转矩，往往需要选取较大转矩的电动机，而在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了转矩浪费的现象。 （5）运行性能 步进伺服系统通常为开环控制，起动频率过高或负载过大时，容易出现丢步

39、或堵转的现象，停止时若处理不当也易出现过冲。所以为了保证其控制精度，应处理好升降速问题。 交流伺服系统为闭环控制，驱动器可直接对电动机编码器的反馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电动机的丢步或过冲现象，控制性能可靠。 （6）速度响应性能 步进电动机从静止加速到工作转速通常需要200400ms的时间。交流伺服电动机的加速性能则要好得多，以台达ASDA-400W交流伺服电动机为例，从静止加速到其额定转速（3000r/min）仅需几毫秒。 综上所述，交流伺服系统在性能上明显优于步进伺服系统，但其价格却要高得多，而且结构复杂，维修成本较高。步进伺服系统虽然性能差一些，但其价格低

40、，性/价比高，结构简单，维修成本较低。因此，在设计选择伺服控制系统的方案过程中要综合考虑各方面的因素，妥善进行分析确定。2.3 液压与气动执行装置1. 液压执行装置 液压系统由液压泵、溢流阀、管路、控制阀、执行装置等组成。n典型液压执行装置包括油缸、液压马达、摆动油缸（ 280 deg）。液压油缸液压油缸n液压油缸有仅在活塞的单端受到液压作用的单作用油缸和活塞两端都受到液压作用的双作用油缸。n单作用油缸的回程运动是由载荷、重力或者弹簧力来驱动。n在液压伺服系统中，一般都采用控制性能好的往复双作用油缸。 液压马达液压马达n液压马达与液压泵的输入、输出关系相反，构造基本相同。n液压马达液压马达可以

41、大致分为叶片马达、齿轮马达和活塞式马达等。n叶片马达的结构是在转子径向上插入若干叶片，叶片悬伸部分在液压作用下产生转矩。叶片马达具有输出转矩平稳、噪音低、转矩重量比高等优点。 n齿轮马达的结构与齿轮泵一样，都是由两个齿轮和壳体构成，由左右两个口的压力差来决定旋转方向。齿轮马达具有结构简单、重量轻、价格便宜、抗振动等优点。n活塞式马达分为径向活塞式马达和轴向活塞式马达。图中所示是径向活塞式马达，各活塞与曲轴之间通过连杆连接，与曲轴连为一体的旋转阀控制各个油缸按顺序供油，使曲轴能够连续转动。活塞式马达虽然结构复杂，但效率较高。2. 驱动方式与液压控制阀n为了使液压执行装置正常工作，必须控制工作油的

42、压力、流量和流动方向。控制方式有两种：一种是改变泵转速或者斜板角度来控制出口流量的泵控制方式；另一种是泵出口流量一定，用液压阀来调节油路的面积，从而控制执行装置的流量、压力等的阀控制方式。n泵控制方式具有系统结构简单，能量效率高等优点。从响应速度、控制精度和价格等方面来看，阀控制方式更优越。常用的控制阀是模拟型的电液伺服阀(简称伺服阀)和开关型的电磁换向阀(简称电磁阀)。n电液伺服阀由力矩电机、喷嘴挡板机构、四个进油出油口构成。n电液伺服阀的最大优点是能够用小功率的电机快速、高精度地控制大功率的液压能。由于伺服阀的精度要求很高，价格很贵，而且对工作油的清洁程度和湿度都要求很高，这是它的缺点。

43、2.4 2.4 执行装置的应用实例执行装置的应用实例n【飞行模拟器【飞行模拟器】n【工件输送系统【工件输送系统】n6-DOF摆动装置n6-DOF座椅【6 6自由度摆动装置自由度摆动装置】n油缸由伺服阀控制，在5-10t载荷的条件下，前后、左右、上下运动速度60 cms以上，加速度0.6g以上；转动、螺旋、摆动运动角速度200s以上，角加速度600s2以上。这种机构叫做并行杆机构（也称作并联机器人）。【坐席振动发生装置【坐席振动发生装置】 利用油缸和伺服阀控制，能够产生摆动装置无法产生的、极限达到40Hz的高频率振动。在G坐椅装置中，通过坐席底板和靠背底板上的液压油缸以及坐席垫和靠背垫内的气功气

44、囊，控制接触面积和受压的感觉来实现体感和振动模拟。 【工件输送系统【工件输送系统】n气动执行装置常用于加工、检查和装配等生产线上的输送或夹紧操作中。图示是快速上、下料输送单元。n上料端和下料端的两个可升降送料装置由一个汽缸驱动，采用同步齿形带连接，从结构上实现了上料下料同步和高效率。n工件由上料端的升降气缸提起，在同一个电磁阀控制下，下料端的升降气缸将加工后的工件提起。在将待加工工件送上加工工位的同时，将加工后的工件送到下料的滚动输送线上。n这套系统中采用了三个气缸，两个电磁阀，结构简单，能够进行质量小于1kg(30030030mm)的上下料操作，动作节拍可以达到7s。 第三节 机电一体化检测

45、装置 n要使机电一体化系统有效地发挥功能，必须首先获得各种各样的信息。其中检测起着重要的作用。n本章将学习检测的概念，特别要学习机电一体化系统中涉及到的诸如位移、角度、距离、速度、加速度、力和扭矩等重要机械量的基本检测原理，还要了解利用视觉信息的高级检测技术以及检测数据的处理方法。3.1 检测的概念n在像机器人的机电一体化系统中，动作控制是先通过传感器接受外界信息，经过计算机对这些信息进行处理，再通过执行装置使机器人手臂有目的地移动并实现操作。n从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。 3.2 位移、角度、距离的测量1.电位器n分为直

46、线型和旋转型。通过电刷的滑动，可以得到与电刷所在角度(位置)相对应的电压。 转过角时，通过电刷的滑动部分阻值为 输出电压 输出电压与阻值无关，所以温度变化对输出电压没有影响。 Rr360)(EERrV360)(2. 旋转编码器n将旋转角度转换为数字量的传感器称为旋转编码器。将旋转角度转换为数字量的传感器称为旋转编码器。n旋转编码器分为增量型和绝对型两种。n增量编码器有A相、B相、Z相三条光栅，A相与B相的相位差为90度。利用B相的上升沿触发检测A相的状态，以此判断旋转方向。绝对式码盘不透光区不透光区零位标志零位标志透光区透光区n绝对编码器光栅盘如图所示，与位数(4，8，12，16)相对位置有栅

47、格，光敏二极管的个数也与位数对应。用光敏二极管输出的二进制码可以检测转动的绝对角度。 n2360分辨力角度3、直线光栅(1)结构及工作原理直线光栅主要用来测量直线位移，具有测量精度高、响应速度快、信号处理方便等优点。直线光栅分为透射式和反射式两类，如图4-45所示。透射式光栅是在透明的光学玻璃上刻制平行且等间隔的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅；反射式光栅是在不透明的金属材料上刻制平行等距的密集线纹，利用光的全反射或漫反射形成光栅。图 直线光栅的结构a）透射式光栅 b）反射式光栅1-光电元件 2、6-透镜 3-狭缝 4-指示光栅 5-标尺光栅 7-光源图 直线光栅的外形1-标尺光栅 2-光栅

48、读数头 3-电缆线 直线光栅的外形如图所示。其中长的一根称为主光栅或标尺光栅，短的一根称为读数头，读数头由指示光栅、光源、透镜和光电元件等封装组成。 下面以莫尔条纹式透射光栅为例介绍其工作原理。如图所示，光栅尺上相邻两条线纹间的距离称为栅距或节距。安装时，应保证标尺光栅与指示光栅相距0.050.1mm间隙，并使两者的线纹相互倾斜一个很小的角度。当光源照射时，在线纹的相交处出现莫尔条纹，两条莫尔条纹间的距离称为纹距。已知栅距为，则有近似公式：/。通常很小，这样就较大。当标尺光栅向右或向左移动一个栅距时，莫尔条纹就向上或向下移动一个纹距W。 标尺光栅右移时，莫尔条纹上移；标尺光栅左移时，莫尔条纹下

49、移图 光栅莫尔条纹的形成 莫尔条纹在移动一个纹距W的过程中，其光强的变化近似正弦波形，通过光电元件可将光强变化转变成电信号。若仅用一个光电元件，只能产生一个正弦波信号用作计数，还不能分辨运动的方向。为了辨别光栅移动的方向，需沿着莫尔条纹的移动方向间隔1/4纹距布置A、B两个光电元件，由于莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，A、B两个输出信号将有90或1/4周期的相位差（如图4-51所示），它们经过放大整形与电子判向后，即可作为直线位移的计数脉冲。 与旋转编码器相同，直线光栅尺也有零位信号，且根据需要可以设置多个零位标志。 四倍频电路 为了提高增量式旋转编码器和直线光栅的分辨率，需要增加刻线的密

50、度，但过密的刻线会使制造困难，而且成本也会提高。为此，常采用电子细分的方法来提高精度，电子细分又称倍频电路。光栅输出信号的一个周期代表光栅移过一个栅距，如能把它的一个周期分成若干个等份，就能得到倍频信号。常用的电子细分方式有四倍频、五倍频、八倍频、十倍频和二十倍频等。 最常用的是四倍频处理，电路如图4-50所示。由增量式旋转编码器或直线光栅输出的相位差为90的A、B相信号，经4049芯片整形后变成A、B方波，通过对A、B方波反相可得C、D方波，然后对A、B、C、D四路方波进行微分，在每路方波信号的上升沿处形成微分脉冲，再经整形和合并，最后得到正反向的四倍频脉冲。详细的数字化波形如图4-51所示

51、。 实现四倍频处理也可以选择专用芯片，如QA740210四倍频集成电路。该芯片可将两路正交的方波信号进行四倍频处理，输出两路加、减计数信号，可送到双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送到微型计算机（包括单片机）进行数据处理。QA740210的典型接线如图4-52所示，图中0和90两个引脚为两路正交方波信号的引入端，+CP和-CP为正反向脉冲的输出脚。图4-50 四倍频电路原理图图4-51 四倍频电路数字化波形图 图4-52 QA740210四倍频集成芯片的典型接线3. 超声波传感器n用超声波来测量距离，在机器人上用于检测障碍物。原理与蝙蝠通过感觉自己所发出的超声波来测定距离的道理相同。n发

52、射器发出的超声波碰到检测物体后反射回来，由接收器接收，同时测定从发射到接收的时间T,设超声波的传播速度为v，则从超声波传感器到被测物体的距离可以用下式计算 超声波在空气中的传播速度与温度有关，所以会产生误差。此外，还由于定向性不是很好，反射效果受被测对象的表面状态和材质的影响，所以测量精度不是很高。2vTL 超声波频率高于超声波频率高于2000020000赫兹，方向性好，穿透力强，在水中传播距离远，可用于测距，测速，赫兹，方向性好，穿透力强，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。因其频率下限大约等

53、于人的听觉上限而得名。 3.3 速度和加速度的测量1. 1. 测速发电机测速发电机n利用发电机的原理测量旋转速度。当位于磁场中的线圈旋转时，在线圈两端将产生感应电动势，根据法拉第定律E与旋转速度成正比，这种原理可以用于角速度传感器。 如果将测速发电机的转子轴与伺服电机的转子轴直接连在一起，那么测速发电机就成为伺服电机的速度反馈传感器。这种方法应用广泛。 dtdE2.加速度传感器（地震仪式拾振器）n安装在被测物体上，多用于机器人、飞机、车辆等设备上。n用弹簧和阻尼器将质量块连接到被测物体壳体内，这种结构称为地震地震仪系统仪系统。系统运动方程式为 0)()(11xxkxxcxm 用相对位移表示得到

54、变换为标准形式得到传递函数为 1xmkxxcxmrrr 12rnrnrxxx 2221)(nnsssG用sj代入得到频率传递函数 增益和相位分别为 在在=0.7=0.7附近，附近，1(1(振动频率远振动频率远远小于固有频率远小于固有频率) )，增益为，增益为1 1n n2 2，相位差近似为相位差近似为180180度。度。检测到的相对位移检测到的相对位移x xr r的幅值是检测物的幅值是检测物体振动加速度幅值的体振动加速度幅值的1 1n n2 2倍，可倍，可以用于测试物体的振动加速度。以用于测试物体的振动加速度。 21)/1 ()(22jjGn22221)2()1 ()/1 ()(nrxjG18012tan21=/n 振动频率比34 力和扭矩的测量1. 1. 电阻应变片电阻应变片n利用导体电阻的变化来测量应变的传感器。发生应变时，阻值也发生变化。导体阻值可以用下式来表示，为电阻率。 电阻变化率为 AlRAAllRR【整体轮辐式腕力传感器【整体轮辐式腕力传感器】在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片，组成8路全桥输出 。2. 压电元件n水晶、铁酸钡等晶体，在受到特定方向力的作用时，就会在表而上产生电荷，这种现象叫做压电效应。n夹在两块极板间的晶体受力作用时，表面产生的电荷为 为压电系数。极板间的电容为 极板间的电压为 可以得到与力成正比的电压，