《测控仪器设计》(第4章)《测控仪器设计(第3版)》

第四章

精密机械系统设计

本章在对测控仪器常用各种机械系统分析的基础上，重点对系统精度和性能影响较大的机械结构进行研究，如基座、导轨、轴系及伺服系统第一节精密机械系统现代设计方法一、精密机械系统的计算机辅助设计计算机辅助设计（CAD）是利用计算机及其图形设备来帮助设计人员进行相关设计工作。

目前主要CAD设计软件有（含二维和三维设计软件）：CAD设计软件AutodeskInventorSolidWorksCATIASolidEdgePro/EAutoCADUGNXOneSpaceDesigner二、模块化设计

模块化设计是指在对一定范围内不同功能或相同功能中不同性能、不同规格的相关产品进行功能分析的基础上，通过对模块的选择和组合构成不同的产品，用于满足市场不同需求的设计方法。模块化设计有利于产品的快速升级和产品更新。以模块化设计为指导思想，以快速、提高可靠性和降低成本为主要目的进行仪器机械系统结构模块化设计。模块化设计原则力求以少量的模块组成尽可能多的产品，在满足产品技术要求的基础上使产品的精度高、性能稳定、结构简单、成本降低、维护性高模块系列化，其目的在于用有限的产品种类和规格最大限度及经济合理地满足用户的要求产品的模块化设计方法侧重功能划分的模块化设计方法侧重于产品或零部件的形状结构的分类精密仪器部件已经形成标准、系列化模块化部件直线运动导轨组件精密基准部件（长度基准件、角度基准件）瞄准部件模块化设计优点设计和制造时间短有利于产品的更新和新产品开发降低产品成本，提高产品质量和可靠性维护方便三、反求工程设计

反求工程也称为逆向工程或反向工程，主要是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和技术的综合。反求工程是消化吸收先进技术并进行技术创新的高新技术，是实现跨越式发展的关键。反求工程利用现代计算机辅助设计使其变为能根据现有的物理部件通过CAD、CAM、CAE或其他软件构筑3D模型的方法。第二节仪器的支承件设计一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求结构特点：1）结构尺寸较大2）结构比较复杂仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。它不仅起着连接和支承仪器的机、光、电等各部分零件和部件的作用，而且能保证仪器的工作精度。从对仪器精度影响来看，基座和立柱的力变形和温度变形将直接影响测量精度。本节针对支承件的特点，从精度角度出发，重点研究基座和立柱等对仪器精度影响很大的支承件的设计要求和结构设计问题。设计要求1）具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小（1）严格控制工作环境温度（2）控制仪器内的热源（3）采取温度补偿措施4）有良好的抗振性在对仪器基座及支承件设计时，应考虑抗振性问题，常采用如下方法：1）在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有频率，防止共振;2）合理地进行结构设计;3）减小内部振源的振动影响;4）采用减振或隔振设计;

二、基座与立柱等支承件的结构设计

（一）刚度设计

（1）有限元分析法

（2）仿真分析法

（二）基座与支承件的结构设计

（1）正确选择截面形状与外形结构

（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度

横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较0.281.275.040.881抗扭惯性矩（相对值）7.333.215.041.041抗弯惯性矩（相对值）空心矩形空心方形空心圆形实心方形实心圆形

断面形状

肋的布置形式（二）基座与支承件的结构设计（1）正确选择截面形状与外形结构（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度

（4）良好的结构工艺性，减小应力变形

（5）合理地选择材料

（3）正确的结构布局，减小力变形花岗石具有许多优点：

1）稳定性好2）加工简便3）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数均很小4）吸振性好5）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好6）维护保养方便7）价格便宜第三节仪器的导轨及设计

一、导轨的功用与分类导轨的基本功用：传递精密直线运动，其导向精度是最重要的要求和指标

按导轨面间摩擦性质可分为:

1）滑动摩擦导轨

2）滚动导轨

3）静压导轨

4）弹性摩擦导轨

二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精度导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。

对一副导轨来说其直线度是非常重要的精度指标，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。

（1）导轨的几何精度

导轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度，导轨面间的平行度和导轨间的垂直度（2）导轨的接触精度垂直面内的直线度水平面内的直线度导轨面间的平行度（二）导轨运动的平稳性爬行现象：在其低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的而与动导轨相连的工作台却出现一慢一快，一跳一停的现象（三）刚度要求（四）耐磨性要求产生爬行现象的主要原因有：①导轨间的静、动摩擦系数差值较大；②动摩擦系数随速度变化；③系统刚度差导轨受力会产生变形，其中有自重变形、局部变形和接触变形减少的办法有：①采用刚度设计②结构设计③补偿措施导轨应耐磨，以提高其使用寿命三、导轨设计应遵守的原理和准则（一）运动学原理导轨设计时应首先保证导向精度。为了保证导向精度，在导轨设计时应遵守运动学原理。运动学原理是把动导轨视为有确定运动的刚体，设计是不允许有多余的自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度V型与平面导轨组合双V型导轨组合（二）弹性平均效应原理（三）导向导轨与压紧导轨分立原则在仪器中，有许多是按弹性平均原理来设计导轨的。

按此方法设计导轨副的弹性平均效应而得到平均，从而提高其承载能力和导向精度。在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度导轨布置图a)双V形导轨导向与压紧

b)万工显导轨布置图1—横向压紧轴承2—横向支承导轨3—横向支承滚动轴承4—基座5—横向滑架6—纵向支承滚动轴承7—纵向压紧轴承8—纵向导向导轨9—纵向导向滚动轴承10—横向导向导轨11—纵向滑架12—横向导向滚动轴承四、滑动摩擦导轨及设计滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨优点:结构简单制造容易接触刚度大

缺点:摩擦阻力大、磨损快动、静摩擦系数差别大低速度时，易产生爬行。（一）滑动摩擦导轨的截面形状

ααV型导轨矩形导轨圆柱型导轨燕尾型导轨V型导轨矩形导轨圆柱型导轨燕尾型导轨滑动导轨一般都由支承面和导向面组成（二）滑动摩擦导轨的组合形式及其特点

（1）V型和平面组合导轨三角形和平面组合导轨导向性好平导轨制造简单刚性好应用较为广泛缺点是导轨磨损不均匀，且牵引力的位置不在两导轨的中间。

（2）双V型组合导轨

加工、检验和维修比较困难需要较高的技术及精密的基准研具进行精研

（3）双矩形组合导轨适用于承载较大的普通精度的设备

矩形导轨组合1-承载面2-导向面（4）燕尾组合导轨燕尾导轨（5）双圆柱导轨五、滚动摩擦导轨及设计滚动导轨磨损小，保持精度持久性好，故在仪器中广泛应用这种导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力大。

（一）滚动导轨的结构形式及其特点滚动导轨按不同的滚动体可分为滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨滚动轴承导轨等1．滚珠导轨V形滚珠导轨a）常用双V形滚珠导轨b）V形小圆弧导轨c）双圆弧导轨（1）双V形滚珠导轨运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩

(2)双圆弧滚珠导轨计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用

接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、寿命长。

（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器上（如掩膜检查显微镜工作台）

四圆柱棒滚珠导轨1一滚珠2一滑板3一圆柱棒（4）V形-平面滚珠导轨加工和装配都方便缺点是左右两排滚珠中心运动速度不一致万能工具显微镜19JA就采用该型滚珠导轨

V形一平面滚珠导轨a)常用V形一平面滚珠导轨b)V形一平面滚珠导轨运动分析

2．滚柱（针）导轨

（1）V形滚柱导轨承载能力比较大耐磨性能好，灵活性不如滚珠导轨多用在重型仪器上

滚柱导轨a)交叉滚柱导轨b)V形一平面滚柱导轨（2）平面滚动导轨（滚珠或滚柱）

形状简单加工比较容易

平面滚动导轨1—滚柱2—上动板3—导轨4—压紧轴承5—导向触头6—下动板（3）滚动轴承导轨摩擦力矩小运动灵活承载能力大调整方便用于大型仪器（如万工显、三座标、测长机等）（二）滚动摩擦导轨的组合应用（1）滚动与滑动摩擦导轨的组合应用滚动轴承导轨摩擦力小，运动灵活，用做导向

滚动轴承和滑动导轨的组合1—平面滑动导轨2—滚动轴承导轨（2）滚柱导轨与滚动轴承导轨的组合形状简单，加工容易

（3）滚柱和滚珠导轨的组合灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承载大的优点。（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合轻载部件中使用

六、静压导轨及设计要点静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦静压导轨的特点：摩擦系数极低，故没有爬行，不产生磨损，寿命长，驱动功率小精度高导轨的承载能力较大，刚度好抗振性好结构复杂（一）液体静压导轨

开式液体静压导轨工作原理

开式液体静压导轨工作原理1—动导轨2—静导轨3—节流器4—精滤油器5—液压泵6—溢流阀7—滤油器8—油箱液体静压导轨在导轨上有油腔，当压力油引入后，动导轨和工作台浮起，在导轨面间形成一层极薄的油膜，且油膜厚度基本上保持恒定不变，使导轨具有高的运动精度。开式液体静压导轨的特点:①能较好的承受垂直载荷②结构简单，便于加工和调整；③节流器常采用毛细管式和单面薄膜反馈式。闭式液体静压导轨的特点：①承受载荷能力强；②运动精度比开式的好，动态性能也较好；③结构比较复杂，加工和装调比较麻烦；④节流器采用毛细管式或双面薄膜反馈式

开式和闭式液体静压导轨结构原理图a)开式平面—V形导轨b)开式双V形导轨c)闭式导轨在机身一条导轨两侧d)闭式导轨在机身两导轨内倜e)闭式导轨在机身两条导轨上下和一条导轨两侧（二）空气静压导轨

空气静压导轨工作原理

气浮导轨气垫布置图1、2、6一支承气垫3、5一导向气垫4一平衡气垫

简单气垫空气静压导轨在导轨上有气垫，当压缩空气引入后，由于压缩空气的静压力而使动导轨及工作台浮起气体静压导轨特点工作平稳、可靠运动精度高无磨损、无爬行承载力较低，导轨刚度较差需要一套清洁稳定的压缩空气源气浮导轨的形式七、设计时导轨选择要点（一）导轨形式的选择

在设计仪器时，其导轨形式的选择是非常重要的一个环节，导轨的选择不仅决定了仪器的精度指标是否达到设计要求，同时也决定了仪器的成本高低

选择导轨形式时，要考虑的因素很多，如导向精度、运动平稳性、承载能力（刚度）、耐磨性、使用环境、安装形式、各向静力矩、运动速度、行程大小、成本等因素。

由于每种形式的导轨各有其特点，所以在选择时要综合考虑各种导轨的对比高要求高好较低好高空气静压导轨高要求高好较大好高液体静压导轨较高要求较高较好较低较好高滚动导轨低要求不高差大较好较高滑动导轨成本使用环境耐磨性承载能力运动平稳性导向精度

特性导轨名称

（二）标准导轨的选用a）

直线球滑座系列导轨a）直线球滑座导轨b）球滑座LSP型结构示意图b）a）b）

交叉滚子工作台式导轨a)

交叉滚子工作台式导轨

b)交叉滚子工作台式导轨结构示意图

交叉滚子导轨a）b)

LM导轨SR系列a）SR系列导轨b）SR系列导轨的构造图a）b）

LM导轨HSR系列a）HSR系列导轨b）HSR系列导轨的构造图a）b）超小型LM导轨RSR系列a）RSR系列导轨b）RSR系列导轨的构造图第四节主轴系统及设计一、主轴系统设计的基本要求主轴系统设计的主要要求:是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性在测控仪器中，由于运动的需要，可能有多个转轴，其中对仪器精度影响最大的转轴称为主轴

凡作回转运动的仪器中都必须有主轴系统。因此主轴系统是测控仪器或精密机械的关键部件（一）主轴回转精度主轴回转精度是指该主轴轴系的误差运动的大小1）回转轴线：是一条某指定物体绕其旋转的线段2）轴线平均线：是一条相对地固定在指定的不转动物体上的参考线段3）轴系的误差运动：指回转轴线相对于轴线平均线的位置变动。它是在指定的方向上（径向与轴向），指定的位置、指定的转速和外力作用下进行测定轴系的误差运动分为:径向误差运动：亦称径向运动，它是倾角运动和纯径向运动在任何轴向位置处之和，径向误差运动与径向跳动的概念是不同的。径向跳动的测量值，除含有主轴的径向误差运动外，还包含有偏心量和圆度误差轴向误差运动：亦称轴向运动，它是回转轴线与轴线平均线保持重合，并相对于后者作轴向运动倾角误差运动：亦称倾角运动，它是回转轴线在轴向运动和纯径向运动所在的平面内，相对于轴线平均线所作的倾角运动端面误差运动：亦称端面运动，它是在与轴线平均线相距为R处的轴向误差运动。端面误差运动与端面跳动的概念也不完全相同，在端面跳动的测量结果中，除含有轴系的端面误差运动外，还包含有端面与轴线的垂直度及端面的平面度的影响由上述定义可以看出回转轴线在回转体中不同瞬时的相对位置是变化的，为了得到一个确切的概念，可以用瞬心法和平动中心法来分析。根据回转轴线的瞬心定义法，可以认为：垂直于主轴截面且回转速度为零的那条直线为回转轴线，它与主轴的几何中心不同，主轴回转后才有回转中心，且回转中心与几何中心不一定重合。主轴系统回转误差（误差运动）的评定方法以圆图像求中心的方法作为评定中心，其概念与圆度测量的四种评定中心是一致的，即最小区域中心、最小二乘中心、最大内接圆中心和最小外切圆中心为了符合常规习惯，建议以回转精度来代替轴系的误差运动值来表达轴系精度。如轴系径向回转精度即为轴系径向误差运动值

对于一个具体的轴系而言，规定要测哪几种回转精度，要视轴系的使用要求而定。如测角仪和圆度仪主要是径向回转精度，而陀螺仪表的轴系主要是倾角误差，因它是角传感器，对纯径向和纯轴向误差是不敏感的造成主轴回转误差的主要原因主轴和轴承加工的尺寸误差形状误差及主轴和轴承的装配误差主轴系统的刚度及润滑阻尼现象

对于滑动轴系，它由主轴和轴套组成，它的径向误差主要由主轴和轴套之间的间隙（轴承间隙）所引起。

通常把滑动轴系中，由于主轴与轴套有安装间隙而造成主轴中心的变动称为主轴晃动，晃动量的大小与e有关，e越小表明加工精度和装配精度高，主轴晃动也越小，但温度变化时会产生卡死现象

滚动轴承轴系的误差运动与滑动轴系不同，因为滚动轴系由主轴、轴套和介于二者之间的滚动体组成，而且是过盈装配做纯滚动运动。由于轴承内孔、主轴及滚动体形状误差，特别是滚动体有尺寸差，形成了滚动轴系的误差运动。若轴套固定，主轴旋转，则会产生主轴轴心线位移，称为主轴“漂移”

为减小滚动轴系的主轴“漂移”，可采用如下办法：1）严格控制主轴、滚动体、轴套的尺寸误差和形状误差，尤其应尽量减小滚动体的尺寸一致性误差2）采用误差平均原理，用平均读数法尽量减小主轴“漂移”带来的读数误差（二）主轴系统的刚度主轴刚度是指主轴某处在外力F（或转矩M）作用下与主轴在该处的位移量y(或转角θ)之比，即刚度K=F/y，其倒数y／F称为柔度。用转角表示时，刚度Kθ=M／θ。主轴刚度有轴向刚度和径向刚度之分。主轴系统刚度不好，会使主轴系统产生弹性变形而直接带来回转误差和测量误差提高主轴刚性的措施1）加大主轴直径2）合理选择支承跨距3）缩短主轴悬伸长度4）提高轴承刚度（三）主轴系统的振动主轴系统的振动，会影响主轴回转精度和主轴轴承的寿命，还会因产生噪声而影响工作环境影响主轴系统振动的因素很多，如带传动时的单向受力、电动机轴与主轴连接方式不好、主轴上零件存在不平衡质量等解决主轴振动的方法：1）用橡胶联接传动

2）用金属弹性元件联接传动

3）用直流电机直接传动

（四）主轴系统的热稳定性主轴系统的热稳定性是指主轴系统的回转精度对温度的敏感性。当环境温度变化或传动件摩擦升温会使主轴回转轴线位置发生变化，从而影响主轴的回转精度提高主轴系统热稳定性可采取如下措施

:1）正确选择和设计轴系2）合理选择推力支承位置3）减小热源影响4）采用热补偿措施（五）合理地设计结构，减小力变形

主轴和轴承结构设计应合理，装配、调试及更换要方便。主轴设计应避免奇形怪状，而产生应力变形；主轴上的坚固件应尽量少，以减小夹紧应力产生的变形，必要时应设计成凸肩带轴肩的主轴结构（六）主轴系统的寿命

为了长时间保持主轴的回转精度，主轴系统应具有足够的耐磨性。通常静压和动压轴系由于无摩擦无磨损，寿命很长；滚动摩擦轴系由于摩擦系数小于普通滑动摩擦轴系而寿命较长；普通滑动摩擦轴系的耐磨性取决于轴颈和轴套的工作面，而滚动摩擦轴系的耐磨性取决于滚动轴承

为了提高耐磨性，除了选取耐磨材料外，还应进行合理地热处理，如高频淬火、氮化处理等。对于滚动摩擦轴系和普通滑动摩擦轴系还应选择合适的润滑油，充分润滑二、精密油膜滑动轴承轴系结构及设计（一）半运动式圆柱形轴承轴系

应用十分广泛的经纬仪轴系的典型结构

轴套固定不动，轴旋转。轴套的锥形表面与主轴圆柱面及轴肩端面之间，有一圈精密滚珠，构成锥形滚动支承，由它承受重量(轴向力)又具有自动定心作用

半运动式柱形轴承轴系

圆锥形滑动轴系（二）锥形滑动轴承

锥形滑动轴承轴系的轴承由相同锥度的轴与轴套所组成，中间靠薄薄的润滑油隔开

（三）V形弧滑动轴承轴系刻划机V形弧滑动轴承轴系三、滚动摩擦轴系及设计（一）标准滚动轴承轴系滚动摩擦轴系有两类：一类是标准滚动轴承的轴系，另一类是非标准滚动轴承的轴系。

标准的滚动轴承已标准化，系列化，可根据载荷、转速、回转精度、刚度等要求选用，不用再设计（二）单列滚动轴承轴系

单列滚动轴承轴系的上下轴承的滚珠按单列排放结构简单制造安装维修方便具有较高的回转精度（可达0.1μm）在小型、低速轻载仪器中获广泛应用渐开线齿形仪主轴系统（三）密珠轴承轴系1．密珠轴承轴系的特点及结构仪器中常用的轴系结构由主轴、轴套和密集于二者之间的具有过盈配合的滚珠所组成成本较低且使用方便、寿命长、精度也较高承载能力不大，适用于轻载、低速小型仪器中

密珠轴系结构1、3—止推板2、8—端面止推滚珠4—小滚珠5—径向滚珠6—隔离圈

7—轴套9—主轴lO—弹簧片ll—压帽2．密珠轴承设计要点（1）滚珠的密集度：适当提高滚珠密集度，即增加滚珠数量，可以使主轴的“飘移”有所改善（2）滚珠的排列方式：排列方式必须满足每个滚珠的滚道互不重叠，并在直径方向上滚珠的配置成对称的原则（3）过盈量的确定：过盈量的选择是密珠轴承设计中的重要问题，过盈量能补偿轴承零件的加工误差，提高轴系的回转精度和刚度

径向轴承隔离圆孔的排列四、气体静压轴承轴系结构及设计空气静压轴承轴系的典型结构

圆柱形空气静压轴承轴系1一进气嘴2一过滤片3一外罩4一轴承套5一径向节流孔6一轴向节流孔7一气浮轴8一上止推板9一宝石轴承lO一衬套11一连接板12一下止推板由气体润滑轴承构成的圆柱形空气静压轴系结构简单，回转精度高，工艺性好，因此应用比较普遍

（1）圆柱型空气静压轴承轴系

混合形空气静压轴承轴系1一进气孔2一主轴3一凸球4一进气口5、6、8一凹半球7一轴套9一凸半球型圆柱轴承套10一压簧11一支承板（2）圆球与圆柱混合型空气静压轴承轴系获得美国专利的混合型空气静压轴承轴系

五、液体静压轴承轴系及设计特点:1）形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率小2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。3）回转精度较高，可达0.05μm。由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度。4）抗振性好于气体静压轴承。5）需要一套高质量的供油系统，不仅系统复杂化而且成本也较高。液体静压轴承轴系是由压力油将轴系浮起进行工作的轴承（一）工作原理（二）液体静压轴承轴系结构与主要参数圆度仪用液体静压轴承轴系原理图1—滤油网2—液压泵3—溢流阀4—精滤油器5—节流器6—轴承

圆度仪用液体静压轴承轴系1—滤油网2—内套3—轴向液压轴承4—倾斜调整螺钉5—调心台6—调节螺钉7—主轴8—步进电机液体静压轴承的主要参数（1）油腔形式和数量（2）轴承内径D

（3）轴承的长度L（4）轴向封油面宽度l1和周向封油边宽度b1

（5）主轴和轴承配合直径间隙2h0（6）油腔深度Z1

推荐Z1=（30～60）h0。（7）轴承跨距l

一般取（4～6）D。（8）回油槽深度Z2和宽度b2（9）轴与轴承的几何形状误差（10）轴承材料轴系的比对

高要求高好较大好0.025μm

动压轴系高要求高好较大好0.01~0.02μm

气体静压轴系高要求高好大好0.05μm

液体静压轴系0.1μm

密珠轴系0.2μm

单列非标准滚动轴承轴系较高要求较高较好较大较好0.5μm

标准滚动轴承轴系滚动轴系0.2μm

圆锥滑动轴系低要求较低差大较差2~10μm

圆柱滑动轴系滑动轴系成本使用环境耐磨性承载能力转动灵活性回转精度

特性轴系名称第五节伺服机械系统设计

在进行点、线、面或空间曲面测量和精密定位时，精密机械系统需要作各种运动，如直线运动、回转运动、曲线运动、空间运动等。这些运动需要驱动装置、传动装置和控制装置构成一个伺服系统来达到各种精密运动的目的一、伺服系统的分类按控制特点分为点位控制和连续控制系统

点位控制系统是指控制点与点之间位置，而对运动轨迹没有严格规定，如精密定位工作台的定位。

连续控制系统则是用控制装置连续控制两个轴或多个轴同时连续运动、实现平面或空间曲面内的精密定位。该系统较点位控制系统复杂，成本也高。

按控制技术分为开环伺服系统和闭环伺服系统（1）开环伺服系统

由控制装置发出的指令脉冲作用于电动机的驱动电路，它控制驱动电动机通过机械传动装置带动工作台运动。如果驱动电动机采用步进电机，则可通过指令脉冲控制步进电动机点动或连续运动，步进电动机的瞬态响应可达（2000～3000）步/s。开环系统的运动速度上限受电动机驱动频率和机械传动装置减速比限制。步进电动机可锁紧在任何位置上开环伺服系统适用于对运动速度和定位精度要求不高的场合

开环伺服系统原理图驱动控制伺服电动机机械装置工作台

闭环伺服系统比较调节运算D/A驱动伺服电机机械装置NCVC工作台检测装置D/A位置检测脉冲指令脉冲（2）闭环伺服系统

与开环系统相比，增加了检测装置，可以随时测出工作台的实际位移，并将测得值反馈到控制装置中与指令信号进行比较，用比较后的差值进行控制。因此闭环伺服系统可以校正传动链内的电气装置、机械刚度、间隙、摩擦、制造水平等形成的各种误差，达到精确定位的目的闭环伺服系统按反馈和比较方式不同分为脉冲比较式、幅度比较式、相位比较式等闭环伺服系统实质上是一个自动调节系统。系统的响应特性，如超调量、起调时间、调整时间、动态偏移误差和动态重复性误差等是反馈系统品质的重要参量，而稳态响应误差，如幅值误差、相位误差等是影响系统精度的重要指标检测装置的精度是影响闭环伺服系统精度的主要因素。常用的检测装置有：激光干涉仪、光栅系统、感应同步器、CCD摄像系统等二、伺服驱动装置常用的驱动装置有步进电机、直流电机、同步电机、测速电机和压电陶瓷驱动器

三、机械传动装置齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、摩擦传动

传动装置的作用是传递转速和转矩，要求能使工作台灵敏、准确、稳定地跟踪指令，实现精确移动（1）机械传动装置的选择

选择机械传动装置的主要依据是工作台的定位分辨力和定位精度（2）机械传动装置的减速比

（3）机械传动装置的动力设计

动力系统要能提供足够的力矩和功率，以使工作台能跟随指令运动（4）刚度计算四、伺服系统的精度

伺服系统的精度是指伺服系统带动工作台运动，到达点、线、面和空间位置的准确度对于开环伺服系统，构成系统的各个环节的误差，都会影响伺服精度，它包括：伺服电动机运行误差，如用步进电动机时，步进电动机的步距角误差；机械传动系统的机械传动误差，如齿轮传动的齿形误差、周节累积误差，反向转动时齿轮侧隙造成失动等；螺旋副传动的螺距误差、传动间隙、螺旋副的刚度；导轨的直线度误差等。对于闭环伺服系统，它由控制环节和反馈环节组成，由于反馈环节中有检测装置，由检测值与指令值相比较，其差值去控制工作台运动，因而控制环节的电气误差和机械误差可以得到一定的校正，但是控制环节中小于一个控制脉冲的误差是无法校正的，如调节运算误差、数模转换（D/A）误差、步进电动机的步距角误差、机械装置的灵敏限误差等。对于反馈环节其误差源主要有位置检测装置的检测误差、模数转换（A/D）的量化误差等第六节微调与微位移机构及设计一、微调机构

微动微调机构是精密仪器中广泛使用的一种机构，主要目的是使仪器中的某一部件在较小的氛围内进行缓慢而平稳地微量移动（角位移或线位移），或将其调整到所需要的精确位置的一种机构例如：光学仪器中的显微镜调焦；精密仪器读数装置或基准部件的对零等对微调微动机构的基本要求：1）结构简单又能保证较大的传动比2）微动调节的灵敏度高3）传动机构调整灵活、无空程4）工作可靠，调整好位置能够锁紧5）工艺性好，操作方便微动微调机构主要分为机械传动式微调机构和光学机械传动式微调机构（一）机械传动式微调机构机械传动式微调机构是利用机械传动能产生大的传动比这一特点设计的，如螺旋传动微调机构、凸轮传动微调机构、杠杆传动微调机构、摩擦传动微调机构等（二）光学机械传动式微调机构光学机械传动式微调机构是将机械式放大与光学放大结合，构成大的位移缩小机构实现精密微调。二、微位移机构及设计微位移机构与微调机构都是产生微小运动量的机构，常和人的手动相结合，借助人眼的瞄准实现精密对准和定位。

微位移机构不仅要实现微量进给，而且还需要精密检测装置和驱动控制装置，又称为微位移系统。微位移机构和微调机构相比更加强调的是给出精确的位移量和精密定位。微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高的技术，其精度要达到亚微米和纳米级应用微位移技术的系统称为微系统它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成（一）常用的微位移机构

（1）柔性支承一压电器件驱动的微位移机构柔性支承无间隙、无摩擦、不发热压电驱动精度高、无噪声、不受温度和电磁场影响、体积小、不老化，因而很容易实现0.l～0.001μm的微位移柔性支承、压电器件驱动的微位移机构（2）平行片簧导轨一电压器件驱动的微位移机构微工作台用平行片簧导向无间隙，无摩擦精度高0.01μm的位移分辨力

平行片簧导轨—压电器件驱动的微位移机构（3）滚动导轨一压电器件驱动滚动导轨微工作台原理图导轨承片台压电陶瓷压电陶瓷具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高（4）平行片簧导轨一步进电机及机械式位移缩小机构驱动

丝杆及弹性缩小工作台杠杆式位移缩小机构原理图（5）平行弹簧导轨一电磁位移器驱动

楔块式位移缩小机构原理图

电磁驱动的微动工作台（6）气浮导轨一步进电机及摩擦传动

气浮导轨—步进电机及静摩擦传动工作台（7）二维X-Y双向微位移工作台

X-Y双向微位移工作台（

二）微驱动器件1、压电及电致伸缩器件

压电器件和电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件，它结构紧凑体积小，位移分辨力高，控制简单，不发热，抗干扰性好，因而是理想的微位移器件，分辨力可达到0.001μm，定位精度可达±0.01μm

在微位移器件中，压电及电致伸缩器是应用逆压电效应或电致伸缩效应工作的，即电介质在外电场作用下产生应变2、电磁驱动器

电磁驱动器是用电磁力来驱动微工作台。微工作台可用平行片簧导轨导向，也可用金属丝悬挂导向。通过改变电磁铁线圈的电流来控制电磁铁的吸引力，克服弹簧的作用力，达到控制工作台微位移的目的

电磁式驱动器位移分辨力约0.1μm，最大初始间隙800μm左右，线性范围±100μm。

电磁微驱动器方法简单，驱动范围大，但线圈通电流后易发热，易受电磁干扰图4-