第二章

機電一體化機械、執行、檢測裝置第一節機電一體化系統之機械裝置1.機電一體化機械系統的組成(1)傳動機構傳動機構不僅僅是轉速和轉矩的變換器,而且已成為伺服系統的一部分,它要根據伺服控制的要求進行選擇設計,以滿足整個機械系統良好的伺服性能。

(2)導向機構導向機構的作用是支承和導向,它為機械系統中各運動裝置能安全、準確地完成其特定方向的運動提供保障,一般指導軌、軸承等。(3)執行機構執行機構是用來完成操作任務的直接裝置。執行機構根據操作指令的要求在動力源的帶動下完成預定的操作。

1.1概述2.機電一體化機械系統的特點

機電一體化機械系統除了應具備普通機械系統的要求外,還有其特殊要求。

（1）高精度：影響因素包括間隙、剛度、導向精度等。（2）快速響應：影響因素包括摩擦、慣量、剛度、阻尼等。(伺服系統的頻帶/帶寬！)（3）穩定性：影響因素包括溫度、環境等。3.解決措施(1)采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件如：滾珠絲桿、滾動導向支承、動靜壓導向支承等。(2)縮短傳動鏈，提高傳動和支承剛度如：大扭矩、寬頻調整電機直接驅動滾珠絲桿；絲桿兩端加預緊。(3)選用最佳傳動比，提高系統分辨率，減少等效到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量(4)縮小反向死區誤差如：采取消除傳動間隙，減少支承變形等。(5)改進支承和架體的結構設計以提高剛性，減少振動，降低噪聲如：選用復合材料，提高剛度和強度，降低重量，縮小結構，確保系統小型化、輕量化、高速化、高可靠性。2.2.1同步帶傳動2.2.2齒輪傳動2.2.3諧波齒輪傳動2.2.4滾珠絲杠傳動1.2典型機械傳動機構1.2.1同步帶傳動同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優點的傳動零件。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優點的傳動零件，于1940年由美國尤尼羅爾橡膠公司首先加以開發。1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機針和纏線管的同步傳動上，取得顯著效益，并被逐漸引用到其他機械傳動上。1.類型

(1)按用途一般工業用同步帶傳動即梯形齒同步帶傳動。它主要用于中、小功率的同步帶傳動，如各種儀器、計算機、輕工機械中均采用這種同步帶傳動。高轉矩同步帶傳動又稱HTD帶(HighTorqueDrive)，在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動。它主要用于重型機械的傳動中，如運輸機械、石油機械和機床、發電機等的傳動。(2)按規格模數制同步帶主要參數是模數m(與齒輪相同)，根據不同的模數數值來確定帶的型號及結構參數。節距制即同步帶的主要參數是帶齒節距，按節距大小不同，相應帶、輪有不同的結構尺寸。該種規格制度目前被列為國際標準。DIN(德國標準化學會)米制節距德國同步帶傳動國家標準制定的規格制度。其主要參數為齒節距，但標準節距數值不同于ISO節距制。我國由于德國進口設備較多，故DIN米制節距同步帶在我國也有應用。2.同步帶結構同步帶一般由強力層、帶齒、帶背和包布層組成。帶背強力層包布層3.同步帶特點優點(1)工作時無滑動(50m/s)，有準確的傳動比(2)傳動效率高(>98%)，節能效果好(3)傳動比范圍大(10)，結構緊湊(4)維護保養方便，運轉費用低，惡劣環境條件下仍能正常工作缺點(1)安裝要求高，中心距要求嚴格(2)帶與帶輪制造工藝復雜，成本高同步帶傳動主要用于中小功率、傳動比要求精確的場合，如打印機、繪圖儀、小型機電設備等精密機械中。4.同步帶的設計計算在正常的工作條件下，同步帶傳動的設計準則是在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強度。在灰塵雜質較多的條件下，則應保證帶齒的一定耐磨性。設計同步帶傳動的已知條件(1)需要傳遞的名義功率；(2)主、從動輪的轉速或傳動比;(3)傳動中心距;(4)使用條件。設計步驟(1)確定帶的設計功率；(2)選擇帶型和節距；(3)確定帶輪齒數和節圓直徑；(4)確定同步帶的節線長度、齒數及傳動中心距；(5)校驗同步帶和小帶輪的嚙合齒數；(6)確定實際所需同步帶寬度；(7)帶的工作能力驗算。1.2.2齒輪傳動電機、傳動裝置和負載的傳動模型1.齒輪傳動系統的總傳動比出發點：機電一體化齒輪傳動系統主要是研究它的動力學特性。(1)最佳總傳動比首先把傳動系統中的工作負載、慣性負載和摩擦負載綜合為系統的總負載，方法有：(a)峰值綜合：若各種負載為非隨機性負載，將各負載的峰值取代數和。(b)均方根綜合：若各種負載為隨機性負載，取各負載的均方根。

負載綜合時，要轉化到電機軸上，成為等效負載轉矩。使等效負載轉矩最小或負載加速度最大的總傳動比，即為最佳總傳動比。通常采用負載角加速度最大原則選擇總傳動比,以提高伺服系統的響應速度。Jm——電動機M的轉子的轉動慣量；θm——電動機M的角位移；

JL——負載L的轉動慣量；θL——負載L的角位移；TLF——摩擦阻抗轉矩；i——齒輪系G的總傳動比。電機、傳動裝置和負載的傳動模型電機、傳動裝置和負載的傳動模型TLF換算到電動機軸上的阻抗轉矩為TLF/i；JL換算到電動機軸上的轉動慣量為JL/i2。設Tm為電動機的驅動轉矩,在忽略傳動裝置慣量的前提下,根據旋轉運動方程,電動機軸上的合轉矩Ta為電機、傳動裝置和負載的傳動模型令若不計摩擦,即TLF＝0,則解得注：實際中為提高抗干擾能力常選用較大的傳動比。2.

齒輪傳動鏈的級數和各級傳動比的分配

(1)等效轉動慣量最小原則小功率傳動裝置，電動機驅動的二級齒輪傳動系統如圖所示。由于功率小,假定各主動輪具有相同的轉動慣量,軸與軸承轉動慣量不計,各齒輪均為實心圓柱齒輪,且齒寬和材料均相同,效率不計,則有同理，對于n級齒輪系,則有例1設有i=80,傳動級數n=4的小功率傳動,試按等效轉動慣量最小原則分配傳動比。解:

驗算i

=i

1

i

2

i

3

i

4≈80。分析可知，各級傳動比分配的結果應遵循“前小后大”的原則。(2)質量最小原則對于小功率傳動裝置,按質量最小原則來確定傳動比時,通常選擇相等的各級傳動比。在假設各主動小齒輪的模數、齒數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。這樣便可設計成如圖所示的回曲式齒輪傳動鏈；其總傳動比可以非常大。顯然,這種結構十分緊湊。圖回曲式齒輪傳動鏈(3)輸出軸轉角誤差最小原則以四級齒輪減速傳動鏈為例。四級傳動比分別為i1、i2、i3、i4,齒輪1~8的轉角誤差依次為ΔΦ1~ΔΦ8。該傳動鏈輸出軸的總轉動角誤差ΔΦmax為可以看出,如果從輸入端到輸出端的各級傳動比按“前小后大”原則排列,則總轉角誤差較小,而且低速級的誤差在總誤差中占的比重很大。因此,要提高傳動精度,就應減少傳動級數,并使末級齒輪的傳動比盡可能大,制造精度盡可能高。(4)三種原則的選擇

在設計齒輪傳動時,上述三條原則應根據具體工作條件綜合考慮。

對于傳動精度要求高的降速齒輪傳動鏈,可按輸出軸轉角誤差最小原則設計。

對于要求運轉平穩、啟停頻繁和動態性能好的降速傳動鏈,可按等效轉動慣量最小原則和輸出軸轉角誤差最小原則設計。對于要求質量盡可能小的降速傳動鏈,可按質量最小原則設計。3.齒輪傳動間隙的調整方法核心問題：采取措施，消除齒側間隙，保證雙向傳動精度。(1)圓柱齒輪傳動偏心套(軸)調整法如右圖所示，將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪4裝在電機輸出軸上，并將電機2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過轉動偏心套(偏心軸)的轉角，就可調節兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉時的齒側間隙。特點是結構簡單，但其側隙不能自動補償。軸向墊片調整法

齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側間隙。裝配時軸向墊片3的厚度應使得齒輪1和2之間既齒側間隙小，運轉又靈活。特點同偏心套(軸)調整法。雙片薄齒輪錯齒調整法這種消除齒側間隙的方法是將其中一個做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個薄齒輪的左齒側和另一個薄齒輪的右齒側分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側，以消除齒側間隙，反向時不會出現死區。(2)斜齒輪傳動消除斜齒輪傳動齒輪側隙的方法與上述錯齒調整法基本相同，也是用兩個薄片齒輪與一個寬齒輪嚙合，只是在兩個薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便錯開了。(3)錐齒輪傳動軸向壓簧調整法

在錐齒輪4的傳動軸7上裝有壓簧5，其軸向力大小由螺母6調節。錐齒輪4在壓簧5的作用下可軸向移動，從而消除了其與嚙合的錐齒輪l之間的齒側間隙。(4)齒輪齒條傳動機構當傳動負載大時，可采用雙齒輪調整法。通過預載裝置4向齒輪3上預加負載，使大齒輪2、5同時向兩個相反方何轉動，從而帶動小齒輪1、6轉動，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側，消除了齒側間隙。1.2.3諧波傳動諧波齒輪傳動具有結構簡單、傳動比大(幾十到幾百)、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩、承載能力強、效率高等優點，故在工業機器人、航空、火箭等機電一體化系統中日益得到廣泛的應用。1諧波齒輪傳動的結構2.諧波齒輪傳動的原理通常波發生器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個為固定件。當波發生器裝入柔輪內孔時，由于前者的總長度略大于后者的內孔直徑，故柔輪變為橢圓形，于是在橢圓的長軸兩端產生了柔輪與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區；同時在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉方向的不同，或處于嚙合狀態，或處于非嚙合狀態。當波發生器連續轉動時，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產生了相對位移，從而傳遞運動。在波發生器轉動一周期間，柔輪上一點變形的循環次數與波發生器上的凸起部位數是一致的，稱為波數。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數差應等于波發生器波數(即波發生器上的滾輪數)的整倍數，通常取為等于波數。2.諧波齒輪傳動的原理柔輪和剛輪齒距P相等，齒數不同。Zg—剛輪齒數，Zr—柔輪齒數，Zg>Zr，Zg–Zr=n，n為諧波發生器的波數。若n=2，當波發生器旋轉180o時，將迫使柔輪和剛輪相對移動一個齒距。若柔輪固定，則剛輪轉一個角度。柔輪固定時傳動比：ir=Zg/（Zg–Zr）;(波發生器輸入,剛輪輸出)剛輪固定時傳動比：ig=Zr/（Zg–Zr）;(波發生器輸入,柔輪輸出)1.2.4滾珠絲杠傳動又稱螺旋傳動機構，將旋轉運動變為直線運動。1.工作原理與結構滾珠絲杠螺母機構組成：絲杠、螺母、滾珠、反向器（回珠管）。絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承載滾珠，當絲杠或螺母轉動時，滾珠沿螺紋滾道滾動，則絲杠與螺母之間相對運動時產生滾動摩擦，為防止滾珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，它們與螺紋滾道形成循環回路，使滾珠在螺母滾道內循環。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。2.特點效率高：90-98%，而滑動絲杠為30~40%剛度好：通過預緊實現。壽命長：滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，壽命約為滑動絲桿副的4-10倍以上。運動平穩：滾動摩擦系數接近常數，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊，預緊后可消除間隙產生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。精度高：由于摩擦升溫小，通過預緊進行預拉伸以補償熱膨脹，容易獲得高精度。傳動可逆，不能自鎖。用于垂直傳動時，必須在系統中附加自鎖或制動裝置。造價高。滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。3.滾珠絲杠副軸向間隙的調整和施加預緊力的方法

滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格要求，以保證其反向傳動精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預緊或單螺母（大滾珠、大導程）的方法，把彈性變形控制在最小限度內，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。(1)雙螺母螺紋預緊原理左右螺母齒輪同向旋轉一個齒，因兩齒輪齒數不同，故旋轉角度不同，相當于一端固定，另一端旋轉了一個微小的角度。

實質：兩螺母之間存在相對移動。(2)雙螺母齒差預緊原理(齒差調隙)(3)單螺母預緊原理（增大滾珠直徑法）為了補償滾道的間隙，設計時將滾珠的尺寸適當增大，使其4點接觸，產生預緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。(4)單螺母預緊原理（偏置導程法）

偏置導程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中部將其導程增加一個預壓量Δ，以達到預緊的目的。目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達0.05mm，而雙螺母式的經加預緊力調整后基本上能消除軸向間隙。應用該方法消除軸向間隙時應注意以下兩點：（1）預緊力大小必須合適，過小不能保證無隙傳動；過大將使驅動力矩增大，效率降低，壽命縮短。預緊力應不超過最大軸向負載的1/3。（2）要特別注意減小絲杠安裝部分和驅動部分的間隙，這些間隙用預緊的方法是無法消除的，而它對傳動精度有直接影響。小結：4.滾珠絲杠副的安裝

絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零件的連接剛性，對滾珠絲杠副傳動系統的剛度和精度都有很大影響，需在設計、安裝時認真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，以下列出了四種典型支承方式及其特點。1．軸向剛度較高；2．預拉伸安裝時，須加載荷較大，軸承壽命較低；3．適宜中速、精度高，并可用雙推—單推組合。方案一：單推—單推

方案二：雙推—雙推

1．軸向剛度最高。2．預拉伸安裝時，須加載荷較小，軸承壽命較高。3．適宜高速、高剛度、高精度。方案三：雙推—簡支

1．軸向剛度不高，與螺母位置有關。2．雙推端可預拉伸安裝。3．適宜中速、精度較高的長絲杠。

方案四：雙推—自由

1．軸向剛度低，與螺母位置有關；2．雙推端可預拉伸安裝；3．適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短絲杠。第二節機電一體化執行裝置2.1執行裝置概述

1.執行裝置概念及其分類執行裝置就是“按照電信號的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉換成旋轉運動、直線運動等方式的機械能的裝置”。按利用的能源分類，可將執行裝置分為電動、液壓和氣動執行裝置。2.執行裝置的特點

(1)電動執行裝置[優點]以電源為能源，在大多數情況下容易得到；容易控制；可靠性、穩定性和環境適應性好；與計算機等控制裝置的接口簡單。[缺點]在多數情況下，為了實現一定的旋轉運動或者直線運動，必須使用齒輪等運動傳遞和變換機構；容易受載荷的影響；獲得大功率比較困難。國內外第一臺陸地用12000米交流變頻電驅動鉆機，也是目前全球技術最先進的特深井陸地石油鉆機(2)液壓執行裝置[優點]容易獲得大功率；功率／重量比大，可以減小執行裝置的體積；剛度高，能夠實現高速、高精度的位置控制；通過流量控制可以實現無級變速。[缺點]必須對油的溫度污染進行控制，穩定性較差；有因漏油而發生火災的危險；液壓油源和進油、回油管路等附屬設備占空間較大。工程機械半潛式鉆井平臺自升式鉆井平臺

(3)氣動執行裝置[優點]利用汽缸可以實現高速直線運動；利用空氣的可壓縮性容易實現力控制和緩沖控制；無火災危險和環境污染；系統結構簡單，價格低。[缺點]由于空氣的可壓縮性，高精度的位置控制和速度控制都比較困難；雖然撞停等簡單動作速度較高，但在任意位置上停止的動作速度很慢，能量效率較低。在開發和改進執行裝置時要考慮的問題有：①功率／重量比；②體積和重量；③響應速度和操作力；④能源及自身檢測功能；⑤成本及壽命；⑥能量的效率等。2.2電動執行裝置

1.直流伺服電機(1)特點直流伺服電機，只要接上直流電源就可以運轉，這是直流電機的一大優點。而且，直流伺服電機作為控制電機，具有起動轉矩大、體積小、重量輕、轉矩和轉速容易控制、效率高等許多突出的優點。

它的缺點是，由于轉子上安裝了具有機械運動的電刷和換向器，需要定時維護、更換電刷，因此存在使用壽命短和噪聲大等問題。此外，直流電機與步進電機不同，在位置控制和速度控制時，必須使用角度傳感器來實現閉環控制。(2)構造與工作原理直流伺服電機由永磁體定子、線圈轉子(電樞)、電刷和換向器構成。為了得到連續的旋轉運動，就必須隨著轉子的轉動角度不斷改變電流方向，因此，必須有電刷和換向器。

利用晶體管放大器的線性驅動方式利用晶體管放大器的開關驅動方式（脈寬調制PWM）占空比是高電平所占周期時間與整個周期時間的比值。脈寬調制PWM速度控制型伺服放大器2.交流伺服電機

(1)特性交流伺服電機的最大優點是因沒有電刷和換向器而不需要維護，也沒有產生火花的危險；缺點是與直流電機相比驅動電路復雜、價格高。隨著機電一體化技術的發展，逐漸攻克了許多技術難題。交流伺服電機在工業機器人和NC機床等許多領域內得到了廣泛的應用。特別是用電子轉換向器代替機械換向器的無刷電機，由于繼承了有刷電機的良好控制性能，因此，在機電一體化領域已成為非常有用的電動執行裝置。(2)種類與工作原理交流伺服電機按結構可分為同步電機和異步電機。轉子是由永磁體構成的為同步電機，轉子是由繞組形成的電磁鐵構成的為異步電機。此外還有無刷電機。同步電機將永磁體裝在轉子上，定子上裝有繞組。單相或者三相交流電流通過定子繞組，在定子上產生旋轉磁場。旋轉磁場與轉子磁場相互作用驅動轉子轉動。這種電機體積小，主要應用在要求響應速度快的中等功率以下的工業機器人和機床領域。異步電機的轉子和定子都裝有繞組，定子繞組叫做一次繞組，轉子繞組叫做二次繞組。定子繞組通入交流電→旋轉磁場→切割轉子繞組→轉子繞組產生感應電動勢和感應電流→電磁轉矩（與旋轉磁場同向）。異步電機的轉子慣性矩可以做得很小，所以響應速度很快，主要應用于中等功率以上的伺服系統。無刷直流電機的構造與同步電機相同。無刷伺服電機用磁極檢測傳感器、轉角傳感器和晶體管換向器組成電子式換向裝置。無刷電機的工作原理與同步電機相同，其特性與直流電機相同。由于沒有電刷上的電壓降和摩擦損耗，而且轉子慣量小，所以具有穩定、可靠、效率高、響應速度快等直流電機和交流電機共同的優點，在各種伺服系統中應用范圍很廣。圖4-53交流伺服系統結構圖

1—交流伺服驅動器，2—交流伺服電動機，3—位置和速度檢測裝置圖4-54交流伺服驅動器結構圖3步進電機

(1)特點步進電機也叫做脈沖電機，每當輸入一個脈沖時，電機就旋轉一個固定的角度(這個固定的角度稱為步距角)。電機轉過的角度與輸入的脈沖總數成正比，電機的轉速與輸入脈沖的頻率成正比。這種電機的最大優點是不需要傳感器，不需要反饋，可以實現開環控制；由于可以直接用數字信號控制，所以與計算機的接口比較容易；因為沒有電刷，所以維護方便、壽命長；此外，它還具有啟動、停止、正轉、反轉容易控制等許多優點。步進電機的缺點是能量效率較低，失步(輸入脈沖而電機未轉動)等。(2)種類與工作原理步進電機按產生轉矩的方式可以分為永磁體式、可變磁阻式(也稱為反應式)和混合式。PM式步進電機用沿圓周方向磁化的圓柱形永磁體作轉子，周圍是定子，在定子電磁鐵和轉子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下，驅動轉子轉動。VR式步進電機用齒輪狀的鐵心作轉子，周圍是電磁鐵定子。定子電磁鐵與轉子鐵心之間的吸引力驅動轉子轉動。在定子磁場中，轉子始終轉向磁阻最小的位置。選擇適當的定子和轉子的齒數差可以減小步距角，使轉子旋轉平穩。HD式步進電機是PM式和VR式的復合形式。在永磁體轉子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產生轉矩的原理與PM式相同，轉子和定子的形狀與VR式相似，所以稱為混合式。為了減小步距角，可以在結構上增加轉子和定子的齒數。(3)特性與驅動方式(3)特性與驅動方式啟動轉矩是電機從停止狀態迅速達到設定轉速時，所能驅動的最大負載扭矩。當輸入脈沖頻率一定，負荷扭矩逐漸增大，或者負荷扭矩一定，脈沖頻率逐漸增加時步進電機不失步的極限轉矩稱為動轉矩(失步轉矩)。起動轉矩與動轉矩之間的區間稱為過渡區。在這個輸出轉矩區間，步進電機啟動時的脈沖頻率必須緩慢增加。步進電機轉子不轉時的電磁轉矩稱為靜轉矩，這是步進電機所能產生的最大轉矩。在空載靜止狀態下，能夠使電機瞬時啟動的最大輸入脈沖頻率稱為最大空載啟動頻率。輸入脈沖頻率緩慢上升時，步進電機能夠不失步運行的極限頻率稱為空載運行頻率(也稱為最大響應頻率)。【四相步進電機】信號發生電路輸出旋轉方向、旋轉角度和轉速脈沖信號，經環形分配電路進行判斷分配，再經過功率放大電路放大，按勵磁順序對各個線圈進行勵磁。單相勵磁方式按φ1→φ2→φ3→φ4→φ1→…的順序一相一相的勵磁。這種勵磁方式能耗低，每一步的轉角精度高，但是由于轉子的慣性存在，容易產生失步。雙相勵磁方式按φ1φ2→φ2φ3→φ3φ4→φ4φ1→φ1φ2→…的順序依次對相鄰兩相向時進行勵磁。這種勵磁方式輸出轉矩大，轉子的過沖小，所以是一種常用的勵磁方式。但這種勵磁方式存在電效率低的缺點。單雙相勵磁方式

按φ1→φ1φ2→φ2→φ2φ3→φ3→φ3φ4→φ4→φ4φ1→φ1→…的順序，單相、雙相交替的方式進行勵磁。具有分辨率高和運轉平穩的優點。環形分配器

實現環形分配有三種方法：軟件、小規模集成電路搭接、專用器件。交流伺服系統與步進伺服系統的比較在目前國內的機電一體化設備中，步進電動機伺服系統以其高的性／價比獲得了廣泛的應用，全數字式交流伺服系統也以其高的伺服性能而倍受青睞。現就二者的使用性能作一比較，供選用時參考。（1）控制精度由于制造成本低，步進電動機的步距角通常做得比較大。兩相混合式一般為1.8°/0.9°，五相混合式一般為0.72°/0.36°，三相反應式多為1.5°/0.75°。要想減小步距角，方法有兩個，一是采用減速傳動，二是采用細分型驅動電源。交流伺服電動機的控制精度由電動機軸后端的旋轉編碼器來保證。對于帶2500線標準型編碼器的電動機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其轉角分辨率為360°/（2500×4）=0.036°；對于帶17位編碼器的電動機而言，每轉一圈，驅動器接收到217=131072個脈沖，其轉角分辨率為360°/131072≈9.89“，是步距角為1.8°的步進電動機轉角分辨率的1/655。（2）低頻特性步進電動機在低速時易出現低頻振動現象，其振動頻率與負載的情況和驅動電源的性能有關。解決低頻振動有兩種方法，一種是在電動機軸上加裝阻尼器，另一種是在驅動電源上采用繞組電流細分的技術。交流伺服電動機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象，且具有共振抑制功能，系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。（3）矩頻特性步進電動機的輸出轉矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般不超過1000r/min。交流伺服電動機為恒轉矩輸出，其額定轉速一般為2000r/min或3000r/min，在額定轉速以下都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出，最高轉速通常可達5000r/min。（4）過載能力交流伺服電動機具有較強的過載能力，可用于克服慣性負載在起動瞬間的慣性轉矩。步進電動機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服慣性轉矩，往往需要選取較大轉矩的電動機，而在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了轉矩浪費的現象。（5）運行性能步進伺服系統通常為開環控制，起動頻率過高或負載過大時，容易出現丟步或堵轉的現象，停止時若處理不當也易出現過沖。所以為了保證其控制精度，應處理好升降速問題。交流伺服系統為閉環控制，驅動器可直接對電動機編碼器的反饋信號進行采樣，在內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電動機的丟步或過沖現象，控制性能可靠。（6）速度響應性能步進電動機從靜止加速到工作轉速通常需要200～400ms的時間。交流伺服電動機的加速性能則要好得多，以臺達ASDA-400W交流伺服電動機為例，從靜止加速到其額定轉速（3000r/min）僅需幾毫秒。綜上所述，交流伺服系統在性能上明顯優于步進伺服系統，但其價格卻要高得多，而且結構復雜，維修成本較高。步進伺服系統雖然性能差一些，但其價格低，性/價比高，結構簡單，維修成本較低。因此，在設計選擇伺服控制系統的方案過程中要綜合考慮各方面的因素，妥善進行分析確定。2.3液壓與氣動執行裝置1.液壓執行裝置

液壓系統由液壓泵、溢流閥、管路、控制閥、執行裝置等組成。典型液壓執行裝置包括油缸、液壓馬達、擺動油缸（280deg）。液壓油缸液壓油缸有僅在活塞的單端受到液壓作用的單作用油缸和活塞兩端都受到液壓作用的雙作用油缸。單作用油缸的回程運動是由載荷、重力或者彈簧力來驅動。在液壓伺服系統中，一般都采用控制性能好的往復雙作用油缸。液壓馬達液壓馬達與液壓泵的輸入、輸出關系相反，構造基本相同。液壓馬達可以大致分為葉片馬達、齒輪馬達和活塞式馬達等。葉片馬達的結構是在轉子徑向上插入若干葉片，葉片懸伸部分在液壓作用下產生轉矩。葉片馬達具有輸出轉矩平穩、噪音低、轉矩／重量比高等優點。齒輪馬達的結構與齒輪泵一樣，都是由兩個齒輪和殼體構成，由左右兩個口的壓力差來決定旋轉方向。齒輪馬達具有結構簡單、重量輕、價格便宜、抗振動等優點。活塞式馬達分為徑向活塞式馬達和軸向活塞式馬達。圖中所示是徑向活塞式馬達，各活塞與曲軸之間通過連桿連接，與曲軸連為一體的旋轉閥控制各個油缸按順序供油，使曲軸能夠連續轉動。活塞式馬達雖然結構復雜，但效率較高。2.驅動方式與液壓控制閥

為了使液壓執行裝置正常工作，必須控制工作油的壓力、流量和流動方向。控制方式有兩種：一種是改變泵轉速或者斜板角度來控制出口流量的泵控制方式；另一種是泵出口流量一定，用液壓閥來調節油路的面積，從而控制執行裝置的流量、壓力等的閥控制方式。泵控制方式具有系統結構簡單，能量效率高等優點。從響應速度、控制精度和價格等方面來看，閥控制方式更優越。常用的控制閥是模擬型的電液伺服閥(簡稱伺服閥)和開關型的電磁換向閥(簡稱電磁閥)。電液伺服閥由力矩電機、噴嘴擋板機構、四個進油出油口構成。電液伺服閥的最大優點是能夠用小功率的電機快速、高精度地控制大功率的液壓能。由于伺服閥的精度要求很高，價格很貴，而且對工作油的清潔程度和濕度都要求很高，這是它的缺點。2.4執行裝置的應用實例

【飛行模擬器】【工件輸送系統】6-DOF擺動裝置6-DOF座椅【6自由度擺動裝置】油缸由伺服閥控制，在5-10t載荷的條件下，前后、左右、上下運動速度±60cm／s以上，加速度±0.6g以上；轉動、螺旋、擺動運動角速度±200／s以上，角加速度600／s2以上。這種機構叫做并行桿機構（也稱作并聯機器人）。【坐席振動發生裝置】

利用油缸和伺服閥控制，能夠產生擺動裝置無法產生的、極限達到40Hz的高頻率振動。在G坐椅裝置中，通過坐席底板和靠背底板上的液壓油缸以及坐席墊和靠背墊內的氣功氣囊，控制接觸面積和受壓的感覺來實現體感和振動模擬。【工件輸送系統】

氣動執行裝置常用于加工、檢查和裝配等生產線上的輸送或夾緊操作中。圖示是快速上、下料輸送單元。上料端和下料端的兩個可升降送料裝置由一個汽缸驅動，采用同步齒形帶連接，從結構上實現了上料下料同步和高效率。工件由上料端的升降氣缸提起，在同一個電磁閥控制下，下料端的升降氣缸將加工后的工件提起。在將待加工工件送上加工工位的同時，將加工后的工件送到下料的滾動輸送線上。這套系統中采用了三個氣缸，兩個電磁閥，結構簡單，能夠進行質量小于1kg(300×300×30mm)的上下料操作，動作節拍可以達到7s。第三節機電一體化檢測裝置要使機電一體化系統有效地發揮功能，必須首先獲得各種各樣的信息。其中檢測起著重要的作用。本章將學習檢測的概念，特別要學習機電一體化系統中涉及到的諸如位移、角度、距離、速度、加速度、力和扭矩等重要機械量的基本檢測原理，還要了解利用視覺信息的高級檢測技術以及檢測數據的處理方法。3.1檢測的概念

在像機器人的機電一體化系統中，動作控制是先通過傳感器接受外界信息，經過計算機對這些信息進行處理，再通過執行裝置使機器人手臂有目的地移動并實現操作。從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。

3.2位移、角度、距離的測量1.電位器分為直線型和旋轉型。通過電刷的滑動，可以得到與電刷所在角度(位置)相對應的電壓。轉過θ角時，通過電刷的滑動部分阻值為輸出電壓輸出電壓與阻值無關，所以溫度變化對輸出電壓沒有影響。2.旋轉編碼器

將旋轉角度轉換為數字量的傳感器稱為旋轉編碼器。旋轉編碼器分為增量型和絕對型兩種。增量編碼器有A相、B相、Z相三條光柵，A相與B相的相位差為90度。利用B相的上升沿觸發檢測A相的狀態，以此判斷旋轉方向。絕對式碼盤不透光區零位標志透光區絕對編碼器光柵盤如圖所示，與位數(4，8，12，16)相對位置有柵格，光敏二極管的個數也與位數對應。用光敏二極管輸出的二進制碼可以檢測轉動的絕對角度。分辨力角度3、直線光柵(1)結構及工作原理直線光柵主要用來測量直線位移，具有測量精度高、響應速度快、信號處理方便等優點。直線光柵分為透射式和反射式兩類，如圖4-45所示。透射式光柵是在透明的光學玻璃上刻制平行且等間隔的密集線紋，利用光的透射現象形成光柵；反射式光柵是在不透明的金屬材料上刻制平行等距的密集線紋，利用光的全反射或漫反射形成光柵。圖直線光柵的結構

a）透射式光柵b）反射式光柵

1-光電元件2、6-透鏡3-狹縫4-指示光柵5-標尺光柵7-光源圖直線光柵的外形

1-標尺光柵2-光柵讀數頭3-電纜線直線光柵的外形如圖所示。其中長的一根稱為主光柵或標尺光柵，短的一根稱為讀數頭，讀數頭由指示光柵、光源、透鏡和光電元件等封裝組成。下面以莫爾條紋式透射光柵為例介紹其工作原理。如圖所示，光柵尺上相鄰兩條線紋間的距離稱為柵距或節距ω。安裝時，應保證標尺光柵與指示光柵相距0.05～0.1mm間隙，并使兩者的線紋相互傾斜一個很小的角度θ。當光源照射時，在線紋的相交處出現莫爾條紋，兩條莫爾條紋間的距離稱為紋距Ｗ。已知柵距為ω，則有近似公式：Ｗ＝ω/θ。θ通常很小，這樣Ｗ就較大。當標尺光柵向右或向左移動一個柵距ω時，莫爾條紋就向上或向下移動一個紋距W。標尺光柵右移時，莫爾條紋上移；

標尺光柵左移時，莫爾條紋下移

圖光柵莫爾條紋的形成莫爾條紋在移動一個紋距W的過程中，其光強的變化近似正弦波形，通過光電元件可將光強變化轉變成電信號。若僅用一個光電元件，只能產生一個正弦波信號用作計數，還不能分辨運動的方向。為了辨別光柵移動的方向，需沿著莫爾條紋的移動方向間隔1/4紋距布置A、B兩個光電元件，由于莫爾條紋通過兩個光電元件的時間不同，A、B兩個輸出信號將有90°或1/4周期的相位差（如圖4-51所示），它們經過放大整形與電子判向后，即可作為直線位移的計數脈沖。與旋轉編碼器相同，直線光柵尺也有零位信號，且根據需要可以設置多個零位標志。四倍頻電路為了提高增量式旋轉編碼器和直線光柵的分辨率，需要增加刻線的密度，但過密的刻線會使制造困難，而且成本也會提高。為此，常采用電子細分的方法來提高精度，電子細分又稱倍頻電路。光柵輸出信號的一個周期代表光柵移過一個柵距，如能把它的一個周期分成若干個等份，就能得到倍頻信號。常用的電子細分方式有四倍頻、五倍頻、八倍頻、十倍頻和二十倍頻等。最常用的是四倍頻處理，電路如圖4-50所示。由增量式旋轉編碼器或直線光柵輸出的相位差為90°的A、B相信號，經4049芯片整形后變成A、B方波，通過對A、B方波反相可得C、D方波，然后對A、B、C、D四路方波進行微分，在每路方波信號的上升沿處形成微分脈沖，再經整形和合并，最后得到正反向的四倍頻脈沖。詳細的數字化波形如圖4-51所示。

實現四倍頻處理也可以選擇專用芯片，如QA740210四倍頻集成電路。該芯片可將兩路正交的方波信號進行四倍頻處理，輸出兩路加、減計數信號，可送到雙時鐘可逆計數器進行加、減計數，也可直接送到微型計算機（包括單片機）進行數據處理。QA740210的典型接線如圖4-52所示，圖中0°和90°兩個引腳為兩路正交方波信號的引入端，+CP和-CP為正反向脈沖的輸出腳。圖4-50四倍頻電路原理圖圖4-51四倍頻電路數字化波形圖

圖4-52QA740210四倍頻集成芯片的典型接線3.超聲波傳感器

用超聲波來測量距離，在機器人上用于檢測障礙物。原理與蝙蝠通過感覺自己所發出的超聲波來測定距離的道理相同。發射器發出的超聲波碰到檢測物體后反射回來，由接收器接收，同時測定從發射到接收的時間T,設超聲波的傳播速度為v，則從超聲波傳感器到被測物體的距離可以用下式計算超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關，所以會產生誤差。此外，還由于定向性不是很好，反射效果受被測對象的表面狀態和材質的影響，所以測量精度不是很高。超聲波頻率高于20000赫茲，方向性好，穿透力強，在水中傳播距離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。3.3速度和加速度的測量

1.測速發電機利用發電機的原理測量旋轉速度。當位于磁場中的線圈旋轉時，在線圈兩端將產生感應電動勢，根據法拉第定律E與旋轉速度成正比，這種原理可以用于角速度傳感器。如果將測速發電機的轉子軸與伺服電機的轉子軸直接連在一起，那么測速發電機就成為伺服電機的速度反饋傳感器。這種方法應用廣泛。2.加速度傳感器（地震儀式拾振器）安裝在被測物體上，多用于機器人、飛機、車輛等設備上。用彈簧和阻尼器將質量塊連接到被測物體殼體內，這種結構稱為地震儀系統。系統運動方程式為用相對位移表示得到變換為標準形式得到傳遞函數為用s＝jω代入得到頻率傳遞函數增益和相位分別為在ζ=0.7附近，λ《1(振動頻率遠遠小于固有頻率)，增益為1／ωn2，相位差近似為180度。檢測到的相