機電一體化中伺服傳動技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】伺服傳動技術(shù)廣泛的應(yīng)用于當(dāng)前機電一體化控制系統(tǒng)中，使得機電工程逐漸向著智能化、科學(xué)化的方向發(fā)展。本文主要從兩個方面對伺服傳動技術(shù)進(jìn)行了分析，首先對伺服傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了探討，隨后在此基礎(chǔ)上對伺服傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從方案確定以及機械計算兩個方面闡述了伺服傳動系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容。文章分析扎根于實際，能夠為機電一體化工程中伺服傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】機電一體化；伺服傳動系統(tǒng)；智能化；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、引言

機電一體化是當(dāng)前機電工程的重要發(fā)展方向，特別是隨著各種信息控制技術(shù)的發(fā)展，機電一體化開始逐漸向著智能、集成的方向發(fā)展，其中伺服傳動技術(shù)就是其中非常重要的一類。隨著伺服傳動技術(shù)的逐漸成熟，工程機械對其進(jìn)行了科學(xué)的定義，伺服傳動技術(shù)（伺服控制，伺服系統(tǒng)）是指在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，使機械系統(tǒng)的運動部件按照指令要求進(jìn)行運動。實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動，連續(xù)，精確的復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律[1]。由于其操作簡單，控制能力準(zhǔn)確，因此，伺服傳動系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于機械電氣控制系統(tǒng)中，成為當(dāng)前機電一體化系統(tǒng)控制的重要技術(shù)。因此，本文將對伺服傳動技術(shù)的基本工作組成及其系統(tǒng)設(shè)計展開分析，為實際的機電一體化技術(shù)的發(fā)展提供參考。

2、伺服傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整個伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成并不復(fù)雜，它是有幾個基本元件共同組成，并且彼此之間存在著指令的加工和分析[2]，如圖1所示。

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分析，整個伺服傳動控制系統(tǒng)工作大致包含四個環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)，控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，執(zhí)行環(huán)節(jié)以及檢測環(huán)節(jié)。當(dāng)輸入指令進(jìn)入整個系統(tǒng)之后，指令信號將被各個環(huán)節(jié)進(jìn)行加工，從而最終獲得指令的反饋。

比較環(huán)節(jié)。比較環(huán)節(jié)是信號處理、分析的第一個環(huán)節(jié)，通過對輸入信號與反饋信號進(jìn)行比較，從而計算出輸出與輸入信號之間的差別。如果二者具有較大的差別，那么說明系統(tǒng)對于信號的處理存在問題，可以通過對系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)而校準(zhǔn)。

控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)?？刂普{(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是對比較環(huán)節(jié)的信號分析做出的空盒子和調(diào)節(jié)，通過對信號差別的變化，從而做出正確的指令，這一環(huán)節(jié)主要通過計算機或PID控制電路完成。

執(zhí)行環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)的指令完成的主要環(huán)節(jié)，它將調(diào)節(jié)元件的輸出的信號轉(zhuǎn)化為實際的機械能。在實際的機電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件通常指種電機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。

檢測環(huán)節(jié)。檢測環(huán)節(jié)是對輸出信號進(jìn)行檢測與反饋的過程，在機電一體化中是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

伺服傳動系統(tǒng)的分類方式和類型有多種[3]，例如，根據(jù)控制原理（或方式）的不同，分為：閉環(huán)、半閉環(huán)和開環(huán)三種形式；根據(jù)被控制量性質(zhì)不同，分為：速度、位移、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式；按驅(qū)動方式的不同，又分為：有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動形式；按執(zhí)行元件的不同，則分為交流電機伺服、直流電機伺服和步進(jìn)電機伺服形式等。但是無論是那種形式，其傳動系統(tǒng)的組成都是類似的，各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)作形成了統(tǒng)一的整體。

3、伺服傳動系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計

伺服傳動系統(tǒng)的設(shè)計是建立在系統(tǒng)組成確定的基礎(chǔ)上展開的，整體系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計主要包括兩個方面：方案設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計計算。本將以開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)作為實例對系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析。

3.1系統(tǒng)設(shè)計的方案確定

系統(tǒng)設(shè)計的方案確定實際上是對系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)進(jìn)行確定，從而為完整的系統(tǒng)選擇有效的設(shè)備。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，各個元件的選擇原則如下。

執(zhí)行元件的選擇。執(zhí)行元件是控制信號與設(shè)備之間的連接，是整體系統(tǒng)工作核心。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件主要采用步進(jìn)電機、液壓伺服閥控制的液壓馬達(dá)和液壓缸、氣壓伺服閥控制的氣壓馬達(dá)和氣壓缸等。在系統(tǒng)設(shè)計中，步進(jìn)電機應(yīng)用最為廣泛，如果負(fù)荷能力不足，則要考慮用其他的設(shè)備?？傊?，在執(zhí)行元件的設(shè)計時，要充分考慮設(shè)備的負(fù)載能力、調(diào)速范圍、體積、成本等因素。

傳動元件的選擇。傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機構(gòu)之間的一個機械接口，用于對運動和力進(jìn)行變換和傳遞，伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機構(gòu)多為直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。最常用的傳動方式包括齒輪齒條傳動、絲杠螺母傳動、同步齒型帶傳動、以及直線電機傳動。每種傳動方式起到的作用是不同的，不同方式的伺服傳動系統(tǒng)要根據(jù)傳動方式進(jìn)行元件選擇。

控制元件的選擇?？刂圃倪x擇較為簡單，當(dāng)前開環(huán)伺服系統(tǒng)的控制元件主要包括微機、步進(jìn)電機控制方式、驅(qū)動電路、接口電路等。

3.2系統(tǒng)設(shè)計計算

對于開環(huán)伺服傳動系統(tǒng)，不僅要確定各個元件，還必須根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行一定的機械計算。計算的內(nèi)容主要包括脈沖當(dāng)量以及減速傳動比。

（1）脈沖當(dāng)量的計算

不同的執(zhí)行元件其脈沖當(dāng)量是不同的，以步進(jìn)電機為例，在精密機床中，脈沖當(dāng)量一般在0.001-0.0025mm/pulse；數(shù)控機床一般為0.005～0.01mm/pulse；一般機床為0.1～0.15mm/pulse。

在系統(tǒng)設(shè)計時，先根據(jù)系統(tǒng)的要求度選定脈沖當(dāng)量的范圍，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機的參數(shù)，并選定絲杠的導(dǎo)程，計算出傳動比，最后設(shè)計傳動齒輪的各參數(shù)。

（2）計算減速傳動比

減速傳動比是伺服傳動系統(tǒng)重要的參數(shù)，通過數(shù)值大小來確定傳動方式，其計算公式為：

其中，i表示減速傳動比，α表示步進(jìn)電機負(fù)載參數(shù)，p表示絲杠的導(dǎo)程，δ表示脈沖當(dāng)量。

在設(shè)計過程中，當(dāng)計算出的傳動比較小時，采用一級齒輪傳動或同步帶傳動；傳動比較大時，采用多級齒輪傳動。

參考文獻(xiàn)

[1]周保牛，黃俊桂.具有伺服進(jìn)給功能的數(shù)控主傳動系統(tǒng)的研制[J].機床與液壓，2009，10

[2]李艷杰，付曉云.液壓傳動與控制系統(tǒng)的新型節(jié)能技術(shù)探討[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2010，6

[3]鄧力凡.數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題[J].機械工程師，2010，9