一、机电一体化起源与定义：
在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。
机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。
典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、工程机械、汽车、智能化仪器仪表、CAD／CAM系统等。 P26间隙的影响
三、机电一体化的目的（功能）
使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠性化、省材料化、省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活和生产的多样化需要和生产的省力化、自动化需要。 四、 机电一体化发展概况
“萌芽阶段”“蓬勃发展阶段”“智能化阶段”
1 智能化、2 模块化、3 网络化、4 微型化、5、绿色化、6、人格化 五、机电一体化系统的构成 1、执行元件（主功能）
实现机电一体化系统主功能。主功能是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。
主功能包括三个目的功能：
（1）变换（加工、处理）功能； （2）传递（移动、输送）功能； （3）储存（保存、存储、记录）功能 2、机械本体（构造功能）
机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 3、动力源(动力功能)
是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。
4、传感检测单元（计测功能）
对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测。要求：体积小、精度高、抗干扰
5、控制与信息处理单元（控制功能）
将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。要求：高可靠性、处理速度快、智能化 6、接口
将各组成单元或子系统连接成一有机的整体。各要素或子系统之间能顺利进行物质、能量和信息的传递和交换。
接口包括：电气接口—实现系统间电信号的连接。
机械接口—完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接。 人机接口—提供人与系统间的交互界面。
广义的接口功能有两种，一种是输入/输出；另一种是变换、调整。
控制信息
动力源 (1）较高的定位精度
（2）良好的动态响应特性— 响应快、稳定性好。 (3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 （4）高的谐振频率、合理的阻尼比。 2、主要措施和手段
（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。
（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。
（3）选择合理（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，尽可能的提高系统的加速能力。
（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误差。 （5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。 （一）机械系统组成及功能
1、传动结构：主要功能是传递能量和运动 ，是一种力、速度变换器。
2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。
3、支承件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。
三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。
（二）常见的机械传动装置及功能
1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速； 2、它的实质是一种转矩、转速变换器；
3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。 （三）丝杠螺母机构基本传动形式
滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。
滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%）、传动精度高。
1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补
偿空间；因而，存在一定的空回间隙。
2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。
丝杠螺母传动的类型与特点
1)螺母固定、丝杆转动并移动 2)丝杆转动、螺母移动 3)螺母转动、丝杆移动 4)丝杆固定、螺母转动并移动 5）差动传动方式 (四)、滚动螺旋传动
1、滚珠丝杠副的组成及特点 P48
（1）、滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当螺杆或螺母传动时，滚动沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。
（2）、滚珠丝杠结构组成
1-反向器 2-螺母 3-丝杠 4-滚珠 （3）、滚珠丝杠的特点
优点： ①传动效率高（0.9～0.95）； ②传动精度高；
③摩擦小、不易磨损，寿命长； ④运动的可逆性；
⑤结构复杂，工艺性差，成本高。
⑥轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)； ⑦运动平稳。
缺点：成本高，不能自锁，传动可逆，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。 2、滚珠丝杠副的典型结构类型
滚珠丝杠副的结构类型可以从滚珠丝杠副的结构类型可以从①螺纹滚道的截面形状、 ②滚珠的循环方式和③消除轴向间隙的调整方法进行区别。 预紧方式
1）、单螺母变位导程预紧和单螺母滚珠过盈预紧式 2）、单螺母增大钢球直径预紧 3）、双螺母垫片预紧
4）、双螺母螺纹预紧调整式 5）、双螺母齿差预紧调整式 6）、弹簧式自动调整预紧式 滚珠丝杠副支承方式的选择 1）单推——单推式
结构：止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。 特点： 轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大； 轴承寿命比双推一双推式低；
2）双推一双推式
结构：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。 特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。 3）双推——简支式
结构：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。
特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。
4）双推——自由式
结构与特点：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。
——————————————————————————————————————— 在伺服系统中,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。
得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻, 此时, 电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子, 达到了惯性负载和转矩的最佳匹配
传动链的级数和各级传动比的分配 【等效转动惯量最小原则 1）小功率传动装置
各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则 2) 大功率传动装置
传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。 【质量最小原则
1）小功率传动装置 2）大功率传动装置
各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。 【输出轴转角误差最小原则
各级传动比应按“先小后大”原则分配
（1）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。
（2）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。
（3）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。 谐波齿轮传动 优点：
①传动比大（单级传动比可达60～250）； ②承载能力强；
③传动精度高、回程误差小； ④传动效率高； ⑤体积小，重量轻； ⑥噪声低传动平稳； ⑦结构简单。 缺点：
对材料、加工、热处理要求把高，散热条件差，转动惯量大。 齿轮传动间隙的消除措施 1、圆柱齿轮传动 （a）偏心轴套调整法
（b）轴向垫片调整法（锥度齿轮调整法）
（c）双片薄齿轮错齿调整法 周向弹簧式（不用于功率驱动）周向可调拉簧式 2、斜齿轮传动齿侧隙的消除方法 （a）垫片调整法
（b）轴向压簧调整法 3、锥齿轮传动
（a）轴向压簧调整法 （b）轴向弹簧调整法
一、伺服系统的基本概念及一般组成 （一）伺服系统定义
伺服系统：以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为被控制量的一种自动控制系统。它在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能，实现机电一体化的驱动（操作）功能。 （二）一般组成
二、伺服系统的分类
1、按其控制原理——开环、全闭环和半闭环；
2、按其驱动方式
——电气伺服、气压伺服、液压伺服 3、按其被测控量的性质
——速度、位置、同步、扭矩控制等形式； 4、按其执行元件
——步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。 应用提示：开环系统的执行元件大多采用步进电机、闭环和半闭环伺服系统的执行元件大多采用直流伺服电机
三、机电一体化系统对其伺服系统的要求 1）快速性： 2）精确性：
3）稳定性：
P67步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的直线位移（或角位移）的数字/模拟变换器 一、步进电机的特点
1、输出转角与输入脉冲严格成正比，且在方向上与输入脉冲同步。每输入一个电脉冲，电机就转动一个角度（步距角），当连续不断地输入脉冲，就一步一步不断转动。
若控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序可以控制电机转角、转速与转向（很容易用微机实现数字控制）。
2、输出转角的精度高，虽有（相邻）步距角误差，但无累积误差，有步距角误差，但转子转速转过一转以后，其（一转内）累积误差为“0”,不会长期积累。 3、可实现平滑无级调速。调速范围较宽。
4、步进电机的工作状态不易受各种干扰因素影响（如电压波动，负载变化，环境误差的影响），只要干扰因素不引起“丢步”，就不影响正常工作。
5、其它：启停时间短，一般在信号输入几毫秒后就使电动机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。 二、步进电机的种类
（一）按运动形式：有旋转式和直线步进电机； （二）从励磁相数分有（3、4、5、6相等）。
（三）就常用的旋转式步进电机的转子结构来说可分为三种： 1、反应式（可变磁阻型） 2、永磁式（PM） 3、混合式(HB)
三、步进电机工作原理P70
拍数（m）步距角
， K相数（P）
步距角越小，分辨力越高
步进电动机驱动系统原理示意图
3600
KPZ
n
60fPKZ
（一）步进电机的环形分配器P70 （二）功率放大器
作用和定义：从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般比较小（只有几个毫安），不能直接驱动电动机，必须采用功率放大器将脉冲信号放大，使其增大到能够驱动电动机运行（几至几十安培）。这种装置称为功率放大器 1、步进电机对放大器要求
①为步进电机绕组提供幅值足够，波形良好的脉冲电流（电流波形尽量接近矩形）。 ②功耗低，效率高。 2、常见的驱动电路 P76 （1）单电压驱动电路 （2）双电压驱动电路 （3）恒流源功率放大电路 （4）斩波恒流功率放大电路 （5）调频调压功放电路
直流伺服电动机种类与典型特点
种类：直流电动机有永磁式、它激式、串激式和并激式几种。永磁式和它激式直流电动机具有线性的机械特性，有良好的起动、制动和调速性能，特别适合伺服驱动。
直流电动机伺服驱动系统组成：包括直流电动机、位置或速度反馈装置、直流电源及控制驱动电路等几大部分。此处只对直流电动机的机械特性和动特性进行分析，以掌握直流电动机伺服驱动的原理及特点，以便在选择驱动类型时做出决策 直流伺服电动机的调速公式：
nUaIaRaUaRaCmIan0 CeCeCeCm
（1）调压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n n0
调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。
（2）调阻调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra
R
R n n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性曲线变软。
（3）调磁调速
工作条件：
保持电压 U =UN ；
保持电阻 R = R a ； n调节过程： 减小励磁
N
n
n0
调速特性：
转速上升，机械特性曲线变软。 TT
L e
调磁调速特性曲线 改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
微机控制系统的设计思路
（一）首先确定系统整体控制方案 1、确定控制方式 2、执行元件类型
3、考虑特殊控制要求（如高精度、高可靠性、快速性） 4、微机控制系统的作用（输入/输出or变换/调整） 5、成本
（二）确定控制算法 1、数学模型：
2、常见的控制方法：
如：机床中：逐点比较法和数字积分法 直接数值控制法中的PID调节控制 位置数字伺服系统中实现最少拍控制阀 （三）选择微型计算机 1、从控制角度出发
（1） 较完善的中断系统（实时控制：正常、故障）；（2） 足够的存储容量（内部资源不够，可扩展）；（3） 完善的输入/输出通道和实时时钟； 2、其他要求（从被控对象角度出发）
（1）字长；（2）速度；（3）指令。 （四）系统总体设计 1、接口设计
扩展接口常用的几种方法：
（1）选用功能接口板（2）选用通用接口电路（3）用集成电路自行设计接口电路 2、通道设计
开关量、数字量、模拟量
3、操作控制台设计（原因、功能）。 （五）软件设计
1、软件的分类（系统软件和应用软件）2、控制系统对应用软件的要求3、应用软件的设计方法
（六）系统调试
1、调试步骤2、硬件调试与软件调试3、系统调试
存储器种类 1、RAM 2、ROM
输入/输出接口
输出端口
图 可编程通用接口电路
标准接口芯片
（1）接口硬件电路的组成 地址译码器
I/O读写译码器
I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器） （2）I/O扩展常用的两类接口芯片
★采用TTL或CMOS工艺的数据缓冲器和数据锁存器 （常用方法）
★采用可编程的通用I/ O接口芯片（如Intel的8255、8251、8243；ZILOG的Z80PIO）
此处仅以最常用的PPI8255为例进行介绍。 I/O端口的扩展
（1）原因：由于单片机自身单纯供用户使用的I/O线不多（P1与P3），需通信的外部设备多，因此往往需要扩展。 （2）扩展芯片
供作扩展I/O的芯片主要有：通信的I/O接口芯片，TTL电路芯片，CMOS类的锁存器、缓冲器。
3）扩展方法： 总线扩展法：把扩展的I/O口引脚直接与单片机的总线相连。片选信号与片外RAM统一编址。
串口扩展法：单片机串行口工作于方式0状态下提供给I/O扩展功能，把单片机串行口输入/输出的8位数据，转换为与CPU并行输入/输出。
从整体结构形式上可将机器人分为五种基本坐标式机器人 （1）直角坐标式（2）圆柱坐标式机器人（3）球坐标式机器人（4）关节坐标式机器人（5）平面关节式机器人 工业机器人机械结构构成（一)手臂（二）手腕 （三）手部（四）机身及行走机构
在机电一体化系统稳态设计的负载分析中，常见的典型负载形式有：惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载等
P26,p56
提高轴系性能的措施 1、提高轴系的旋转精度
（1）轴向跳动的引起因素 （2）径向跳动的引起因素
（3）提高旋转精度的措施（3点） 2、提高轴系组件的抗振性
（1）强迫振动与自激振动的引起因素 （2）提高抗振性的措施（3）点 3、其他方法
如减小热变形等。
一、机电一体化起源与定义：
在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。
机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。
典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、工程机械、汽车、智能化仪器仪表、CAD／CAM系统等。 P26间隙的影响
三、机电一体化的目的（功能）
使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠性化、省材料化、省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活和生产的多样化需要和生产的省力化、自动化需要。 四、 机电一体化发展概况
“萌芽阶段”“蓬勃发展阶段”“智能化阶段”
1 智能化、2 模块化、3 网络化、4 微型化、5、绿色化、6、人格化 五、机电一体化系统的构成 1、执行元件（主功能）
实现机电一体化系统主功能。主功能是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。
主功能包括三个目的功能：
（1）变换（加工、处理）功能； （2）传递（移动、输送）功能； （3）储存（保存、存储、记录）功能 2、机械本体（构造功能）
机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 3、动力源(动力功能)
是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。
4、传感检测单元（计测功能）
对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测。要求：体积小、精度高、抗干扰
5、控制与信息处理单元（控制功能）
将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。要求：高可靠性、处理速度快、智能化 6、接口
将各组成单元或子系统连接成一有机的整体。各要素或子系统之间能顺利进行物质、能量和信息的传递和交换。
接口包括：电气接口—实现系统间电信号的连接。
机械接口—完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接。 人机接口—提供人与系统间的交互界面。
广义的接口功能有两种，一种是输入/输出；另一种是变换、调整。
控制信息
动力源 (1）较高的定位精度
（2）良好的动态响应特性— 响应快、稳定性好。 (3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 （4）高的谐振频率、合理的阻尼比。 2、主要措施和手段
（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。
（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。
（3）选择合理（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，尽可能的提高系统的加速能力。
（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误差。 （5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。 （一）机械系统组成及功能
1、传动结构：主要功能是传递能量和运动 ，是一种力、速度变换器。
2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。
3、支承件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。
三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。
（二）常见的机械传动装置及功能
1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速； 2、它的实质是一种转矩、转速变换器；
3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。 （三）丝杠螺母机构基本传动形式
滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。
滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%）、传动精度高。
1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补
偿空间；因而，存在一定的空回间隙。
2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。
丝杠螺母传动的类型与特点
1)螺母固定、丝杆转动并移动 2)丝杆转动、螺母移动 3)螺母转动、丝杆移动 4)丝杆固定、螺母转动并移动 5）差动传动方式 (四)、滚动螺旋传动
1、滚珠丝杠副的组成及特点 P48
（1）、滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当螺杆或螺母传动时，滚动沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。
（2）、滚珠丝杠结构组成
1-反向器 2-螺母 3-丝杠 4-滚珠 （3）、滚珠丝杠的特点
优点： ①传动效率高（0.9～0.95）； ②传动精度高；
③摩擦小、不易磨损，寿命长； ④运动的可逆性；
⑤结构复杂，工艺性差，成本高。
⑥轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)； ⑦运动平稳。
缺点：成本高，不能自锁，传动可逆，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。 2、滚珠丝杠副的典型结构类型
滚珠丝杠副的结构类型可以从滚珠丝杠副的结构类型可以从①螺纹滚道的截面形状、 ②滚珠的循环方式和③消除轴向间隙的调整方法进行区别。 预紧方式
1）、单螺母变位导程预紧和单螺母滚珠过盈预紧式 2）、单螺母增大钢球直径预紧 3）、双螺母垫片预紧
4）、双螺母螺纹预紧调整式 5）、双螺母齿差预紧调整式 6）、弹簧式自动调整预紧式 滚珠丝杠副支承方式的选择 1）单推——单推式
结构：止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。 特点： 轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大； 轴承寿命比双推一双推式低；
2）双推一双推式
结构：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。 特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。 3）双推——简支式
结构：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。
特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。
4）双推——自由式
结构与特点：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。
——————————————————————————————————————— 在伺服系统中,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。
得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻, 此时, 电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子, 达到了惯性负载和转矩的最佳匹配
传动链的级数和各级传动比的分配 【等效转动惯量最小原则 1）小功率传动装置
各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则 2) 大功率传动装置
传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。 【质量最小原则
1）小功率传动装置 2）大功率传动装置
各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。 【输出轴转角误差最小原则
各级传动比应按“先小后大”原则分配
（1）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。
（2）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。
（3）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。 谐波齿轮传动 优点：
①传动比大（单级传动比可达60～250）； ②承载能力强；
③传动精度高、回程误差小； ④传动效率高； ⑤体积小，重量轻； ⑥噪声低传动平稳； ⑦结构简单。 缺点：
对材料、加工、热处理要求把高，散热条件差，转动惯量大。 齿轮传动间隙的消除措施 1、圆柱齿轮传动 （a）偏心轴套调整法
（b）轴向垫片调整法（锥度齿轮调整法）
（c）双片薄齿轮错齿调整法 周向弹簧式（不用于功率驱动）周向可调拉簧式 2、斜齿轮传动齿侧隙的消除方法 （a）垫片调整法
（b）轴向压簧调整法 3、锥齿轮传动
（a）轴向压簧调整法 （b）轴向弹簧调整法
一、伺服系统的基本概念及一般组成 （一）伺服系统定义
伺服系统：以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为被控制量的一种自动控制系统。它在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能，实现机电一体化的驱动（操作）功能。 （二）一般组成
二、伺服系统的分类
1、按其控制原理——开环、全闭环和半闭环；
2、按其驱动方式
——电气伺服、气压伺服、液压伺服 3、按其被测控量的性质
——速度、位置、同步、扭矩控制等形式； 4、按其执行元件
——步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。 应用提示：开环系统的执行元件大多采用步进电机、闭环和半闭环伺服系统的执行元件大多采用直流伺服电机
三、机电一体化系统对其伺服系统的要求 1）快速性： 2）精确性：
3）稳定性：
P67步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的直线位移（或角位移）的数字/模拟变换器 一、步进电机的特点
1、输出转角与输入脉冲严格成正比，且在方向上与输入脉冲同步。每输入一个电脉冲，电机就转动一个角度（步距角），当连续不断地输入脉冲，就一步一步不断转动。
若控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序可以控制电机转角、转速与转向（很容易用微机实现数字控制）。
2、输出转角的精度高，虽有（相邻）步距角误差，但无累积误差，有步距角误差，但转子转速转过一转以后，其（一转内）累积误差为“0”,不会长期积累。 3、可实现平滑无级调速。调速范围较宽。
4、步进电机的工作状态不易受各种干扰因素影响（如电压波动，负载变化，环境误差的影响），只要干扰因素不引起“丢步”，就不影响正常工作。
5、其它：启停时间短，一般在信号输入几毫秒后就使电动机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。 二、步进电机的种类
（一）按运动形式：有旋转式和直线步进电机； （二）从励磁相数分有（3、4、5、6相等）。
（三）就常用的旋转式步进电机的转子结构来说可分为三种： 1、反应式（可变磁阻型） 2、永磁式（PM） 3、混合式(HB)
三、步进电机工作原理P70
拍数（m）步距角
， K相数（P）
步距角越小，分辨力越高
步进电动机驱动系统原理示意图
3600
KPZ
n
60fPKZ
（一）步进电机的环形分配器P70 （二）功率放大器
作用和定义：从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般比较小（只有几个毫安），不能直接驱动电动机，必须采用功率放大器将脉冲信号放大，使其增大到能够驱动电动机运行（几至几十安培）。这种装置称为功率放大器 1、步进电机对放大器要求
①为步进电机绕组提供幅值足够，波形良好的脉冲电流（电流波形尽量接近矩形）。 ②功耗低，效率高。 2、常见的驱动电路 P76 （1）单电压驱动电路 （2）双电压驱动电路 （3）恒流源功率放大电路 （4）斩波恒流功率放大电路 （5）调频调压功放电路
直流伺服电动机种类与典型特点
种类：直流电动机有永磁式、它激式、串激式和并激式几种。永磁式和它激式直流电动机具有线性的机械特性，有良好的起动、制动和调速性能，特别适合伺服驱动。
直流电动机伺服驱动系统组成：包括直流电动机、位置或速度反馈装置、直流电源及控制驱动电路等几大部分。此处只对直流电动机的机械特性和动特性进行分析，以掌握直流电动机伺服驱动的原理及特点，以便在选择驱动类型时做出决策 直流伺服电动机的调速公式：
nUaIaRaUaRaCmIan0 CeCeCeCm
（1）调压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n n0
调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。
（2）调阻调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra
R
R n n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性曲线变软。
（3）调磁调速
工作条件：
保持电压 U =UN ；
保持电阻 R = R a ； n调节过程： 减小励磁
N
n
n0
调速特性：
转速上升，机械特性曲线变软。 TT
L e
调磁调速特性曲线 改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
微机控制系统的设计思路
（一）首先确定系统整体控制方案 1、确定控制方式 2、执行元件类型
3、考虑特殊控制要求（如高精度、高可靠性、快速性） 4、微机控制系统的作用（输入/输出or变换/调整） 5、成本
（二）确定控制算法 1、数学模型：
2、常见的控制方法：
如：机床中：逐点比较法和数字积分法 直接数值控制法中的PID调节控制 位置数字伺服系统中实现最少拍控制阀 （三）选择微型计算机 1、从控制角度出发
（1） 较完善的中断系统（实时控制：正常、故障）；（2） 足够的存储容量（内部资源不够，可扩展）；（3） 完善的输入/输出通道和实时时钟； 2、其他要求（从被控对象角度出发）
（1）字长；（2）速度；（3）指令。 （四）系统总体设计 1、接口设计
扩展接口常用的几种方法：
（1）选用功能接口板（2）选用通用接口电路（3）用集成电路自行设计接口电路 2、通道设计
开关量、数字量、模拟量
3、操作控制台设计（原因、功能）。 （五）软件设计
1、软件的分类（系统软件和应用软件）2、控制系统对应用软件的要求3、应用软件的设计方法
（六）系统调试
1、调试步骤2、硬件调试与软件调试3、系统调试
存储器种类 1、RAM 2、ROM
输入/输出接口
输出端口
图 可编程通用接口电路
标准接口芯片
（1）接口硬件电路的组成 地址译码器
I/O读写译码器
I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器） （2）I/O扩展常用的两类接口芯片
★采用TTL或CMOS工艺的数据缓冲器和数据锁存器 （常用方法）
★采用可编程的通用I/ O接口芯片（如Intel的8255、8251、8243；ZILOG的Z80PIO）
此处仅以最常用的PPI8255为例进行介绍。 I/O端口的扩展
（1）原因：由于单片机自身单纯供用户使用的I/O线不多（P1与P3），需通信的外部设备多，因此往往需要扩展。 （2）扩展芯片
供作扩展I/O的芯片主要有：通信的I/O接口芯片，TTL电路芯片，CMOS类的锁存器、缓冲器。
3）扩展方法： 总线扩展法：把扩展的I/O口引脚直接与单片机的总线相连。片选信号与片外RAM统一编址。
串口扩展法：单片机串行口工作于方式0状态下提供给I/O扩展功能，把单片机串行口输入/输出的8位数据，转换为与CPU并行输入/输出。
从整体结构形式上可将机器人分为五种基本坐标式机器人 （1）直角坐标式（2）圆柱坐标式机器人（3）球坐标式机器人（4）关节坐标式机器人（5）平面关节式机器人 工业机器人机械结构构成（一)手臂（二）手腕 （三）手部（四）机身及行走机构
在机电一体化系统稳态设计的负载分析中，常见的典型负载形式有：惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载等
P26,p56
提高轴系性能的措施 1、提高轴系的旋转精度
（1）轴向跳动的引起因素 （2）径向跳动的引起因素
（3）提高旋转精度的措施（3点） 2、提高轴系组件的抗振性
（1）强迫振动与自激振动的引起因素 （2）提高抗振性的措施（3）点 3、其他方法
如减小热变形等。