机械传动的基本原理

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机械传动的基本原理范文第1篇

关键词 机械设计基础 实验教学 创新能力

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.05.067

“机械设计基础”是机械专业学生的主要技术基础课程之一，是培养学生分析、解决工程实际问题和创新能力的主干课程，是连接基础理论知识和实践的桥梁。机械基础实验教学不仅是培养学生理论与实践相结合、解决分析问题的能力，同时它也是启迪学生创新思维、开拓学生创新潜能的重要手段。因其自身的基础性和平台作用，可以方便地指导学生进行发散思维训练和创新设计工作。而机械设计基础实验教学正是培养学生创新能力的一个重要环节。

1实验教学的重要作用

实验教学是使学生在特定的环境下通过学生的主观努力完成的教学过程，它在培养学生综合能力方面具有特定的优势，它的直观性、实践性、综合性是理论教学不可替代的。学生通过实践教学培养出来的综合能力包括动手能力、观察分析能力和勇于探索的创新精神。在实验的过程中，学生不仅可以学会选择、正确使用各种仪器，而且可以验证所学的基本理论，培养实事求是的科学态度。同时，实验教学是学生巩固理论知识、掌握实验技能、培养创新思维的重要环节，从某种意义上讲，对启发学生的想象思维和创新意识起着点石成金的作用。

机械设计基础课程是学生进行机械综合设计的基础课程，同时也是工程意识训练的主要课程。机械设计基础实验教学是一个必不可少的实践环节，它对实现理论课程教学目标起着特别关键的作用。

加强实践教学环节是高等工科院校课程教学改革的一个特别重要的方向。改革以往高校课程教学中重视理论知识，轻视实践环节、忽略实际应用的状况；完成全新的实验教学体系的构建；满足社会对创新型人材培养的要求。为此目的，我们紧紧围绕机械设计基础课程教学内容与体系，对机械设计基础实验教学的方法进行了改革探索，完善了实验教学体系、改革了实验教学手段和方法。

2重视基础性实验，培养学生的基本技能

基础性实验大多属于演示性和验证性实验，如机械认知实验、齿轮范成实验、带传动实验等，但这些实验对促进学生理解课程内容基本原理，掌握基本技能，消化吸收基本概念，巩固基础知识，培养科学思维的能力和严谨的工作作风起着直接的作用，是由感性认识进一步发展成理性认识的过程。因此，如何最大限度发挥基础性实验在教学中的作用，是广大教师应该深思的问题。我院结合机械原理及机械设计实验室目前的具体情况，在实验教学方法、实验要求和方式上的进行完善和改造，使其发挥更好的作用。

如在机械认知实验中，我们针对机械原理部分、机械设计部分分别配备了实验演示柜、实物展示柜和机械系统展示厅，组成了机械认知的实验教学体系，并有机地与工程训练中心、机电一体化实验室等相关专业实验室相结合，充分做到可看、可记、可操作。在整个机械认知实验中，教师除了做认真的讲解外，允许学生随时提问，鼓励学生动手操作，引导学生开展讨论，充分调动学生学习的积极性，激发学生对机械认知的兴趣，培养学生掌握实验操作技能，这样的教学模式深受学生欢迎。

又如在机构运动简图测L实验中，实验室提供大量的机构模型，让学生亲手测量机构尺寸，并按一定的比例关系绘制出合理的运动简图，增强学生对理论教学内容的理解，然后再对一台真实的内燃机进行实际机构的测绘，实验的难度逐步加大，锻炼学生实际动手能力、发现问题、解决实际问题的能力。这些实验为实验教学有力开展打下了坚实的基础，为实验教学顺利有序的进行提供了基本保障。

3更新实验教学内容，培养学生的综合能力

提高实验教学质量，培养学生的综合能力，必须对实验教学内容、手段、方法进行更新，改变实验教学环境，提高实验教师水平。为了培养学生的综合能力，必须改善现有的教学条件，为此，我们购置一些新的实验设备，编写实验大纲、实验指导书，开展应用性较强的设计性、综合性实验研究。

在JCY机械传动性能综合性实验台上开设机械传动性能综合性实验。该实验可对齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动等机械传动或上述组合的传动系统进行综合性能测试。实验突出了设计性、综合性的特点。通过该项实验学生掌握合理布置机械传动的基本要求，机械传动方案设计的一般方法，并利用机械传动综合实验台对机械传动系统组成方案的性能进行测试，分析组成方案的特点，设计满足条件的机械传动系统，完成传动系统运动参数和组成方案设计。掌握机械传动系统性能测试的基本原理和方法，测试常用机械传动装置在传递运动与动力过程中速度曲线、传动比曲线、效率曲线等各种参数曲线。按照组成方案搭接机械传动性能测试系统并进行测试，完成组成方案的机械性能分析，树立用实验手段来分析机械设计方案的思想，加深对常见机械传动性能的认识和理解，培养了学生的综合能力。

在3DMC实验台开展机构组合与创新实验。学生通过机械原理、机械设计学习中所萌发的创造性思维可以从本实验台上得以实现。该实验台可拼装连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构、带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动以及由它们组合成的性能各异、平面的、空间的机械传动系统，培养了学生机械传动方案的设计能力。实验台可以测试原动件和执行构件以及中间任意构件的位移、速度、加速度等参数，学生将测试的参数与设计结果及理论分析结果进行比较，增强了学生的创新意识和实际动手能力。

轴系结构设计与分析实验。轴系结构是机械系统的重要组成部分，涵盖了轴承、联轴器、键联接及螺纹联接，转子动力学等内容。通过该项实验，学生们掌握了轴及轴上零件的结构、功用、工艺要求和装配关系；熟悉轴的结构设计和轴承部件组合设计的基本要求，掌握轴及轴上零件的定位与固定方法；通过轴系部件的组装与测绘，学会对现有机械部件进行结构分析，培养结构设计能力。

4引入创新性实验，培养学生的创新意识

创新性实验是指通过实验获得的新的发现与发明，获得新的技术和方法，具有一定社会价值的原创性实验，这类实验应在分析、综合性实验基础上，探索奥秘，获取新数据、新理论和新方法。创新是人类文明进步的原动力，是国民经济发展的基础。实验教学是培养学生实践能力及创新能力的重要方法之一。

在JPCC-II平面机构创新组合及运动参数分析实验台开设平面机构创新组合测试分析实验。该实验是为本科生和研究生而设计的有关平面机构创新设计的综合性、设计性、研究创新性实验。可进行基本平面机构的设计、拼装（本实验台提供13种以上传动方案）及进行运动、动力学分析，培养学生创新意识和工程实践能力。

在JDT-A/I机构系统动力学调速实验台开设机构系统动力学调速实验。该实验可对机构原动件及执行构件的动态参数进行测试和仿真，利用计算机软件，角位移动传感器，数据采集卡，观察机构的周期性速度波动现象和绘制测试和仿真曲线；利用飞轮的质量变化，观察分析速度波动变化情况；学生利用计算机程序进行设计，独立自主完成实验。

开设计算机凸轮机构仿真设计测试综合实验。该实验通过计算机软件对机构的动态参数进行测试，计算机软件对机构的运转进行动态仿真，凸轮可更换，配备8个不同运动规律的平面凸轮和一种圆柱凸轮，还配备凸轮制图软件，可自行在线切割机上加工任意规律的凸轮实验。计算机软件具有多媒体教学功能，学生可自主地进行实验，培养学生的独立工作能力。

5开放实验室，发挥学生的创新能力

针对学生在机械设计方面具备的基础知识、实验技能、感性认识，榕嘌提高学生的创新能力，我们开放机械创新实验室，为学生提供工程实验、工程设计平台。让学生走进实验室，组建创新团队，发挥学生主体作用，激发学生学习的积极性，把理论与实践结合起来，提高学生的创造性综合素质，培养学生团结合作精神。

学生创新团队从课题选题、资料收集、申请立项、实验方案设计、数据分析到报告编写、结题答辩，充分发挥团队每个学生的特长，运用所学的知识，分工合作，开展课题研究，将理论与实践相结合。同学们克服了眼高手低、只说不做的通病，团结合作精神得到加强，创新意识、创新思维得到拓展，实际动手能力、工程设计能力得到了全面锻炼。

学生在开放的实验室里，在老师的指导下完成了多项大学生创新项目，发表了科技论文，有的项目还申请了国家专利。通过参加创新项目，不但提高了学生的动手能力，而且对已学过的理论知识也起到了融会贯通的作用。在这个开放式教学平台上学生的想象力得到充分发挥，创新意识明显加强。同时实验室资源得到了充分利用。

机械传动的基本原理范文第2篇

一、关注课堂教学，强化目标管理

“以学论教”是现代课程教学评价的指导思想。这里的“学”是指学生能否学得轻松，学得自主，能否主动参与、乐于探究、勤于动手，是否具体有效，获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。课堂教学是一种有目的、有计划的活动。《机械基础》的教学应摆脱传统的学科教学系统性、完整性的束缚，强调基础知识、基本原理，注意实际应用，适当引入新理论、新技术、新工艺和新方法，以求在较短的学习时间内提高教学效率。

《机械基础》中的机械原理，研究的是机器中机构的运动特性性能和设计问题。这与一般的基础课程存在不同之处：第一，一题多解；第二，只要能实现给予的运动要求，其方案都是对的，而差别在于考虑现实问题的周到性和合理性；第三，不限于逻辑推理的结果。例如，在讲解机械传动时，从传动是把机器动力部分的运动和能量传递给执行部分的这一目的入手，引出传动的类型、特点和应用；最后，根据机器的功能和要求选择合理的传动方式。机械零件部分是学习通用零件的结构、功能和特点，在教学中指导学生在熟悉零件结构、功能和特点的基础上，进一步掌握通用零部件的选用方法和装配技能等。这种引入目标意识的发散思维，往往会得到意想不到的结果。因此，课堂教学应紧紧围绕教学目标进行，培养学生的目标学习意识。

二、抓好课程设计，调动学生的学习积极性

教师的启发诱导和学生的积极思维相结合，是当代兴起的“情境教学”的成功经验总结，符合课堂条件下心理活动规律。孔子曰：“不愤不启，不悱不发”，引用在当今教学中，就是要求教师能够不断启发学生，创设问题情境，使学生面临一定的、迫切需要解决的问题，积极思考、活跃思维、触类旁通、举一反三。它可以是直观启发、比喻启发、对比启发、练习启发、演示启发等各种方式的相互使用。充分利用直观教具和生动具体的语言描绘，并结合学生的生活经验，学生就会感到新奇，并逐渐通过学习在知识上有所长进，在精神上有所享受。例如，在讲解滚动轴承时，出示各种类型的轴承，让学生观看，然后让学生分析、归类、总结它们的使用性能；在讲解铰链四杆机构的类型时，把学生分成几个小组，用硬纸板和图钉做成四杆机构，并通过改变相关杆的长度来演示各种基本机构之间的转换，并体会他们的运动特性。这样，通过直观形象的教学活动，从而激发他们学习的兴趣，调动其学习的积极性，使课堂教学效果极佳。

三、重视实践教学，强调理论联系实际

《机械基础》不仅是一门技术基础课程，也是一门能直接用于生产，与现实生活联系比较紧密的课程。很多学校已形成了较完善的多媒体课件，利用这些课件能将一些黑板教学不易描述清楚、学生难以理解，甚至于有些是在实验中看不到的现象，直观而形象地展示出来。例如，液压传动部分，只利用挂图讲解，收不到好的教学效果；而利用课件，把液压的动态过程直观形象地演示出来，学生很快就明白了。然而，技工教育是针对生产一线培养技术工人的教育，加强学生动手能培养，是其中很重要的组成部分。这种与工程实际紧密相连的课程，教学中的多媒体课件不能取代实践性教学环节的作用。例如，在讲授机构部分时，除了用多媒体形象展示各种机构的运动外，还要让学生观察各种机构模型、动作演示装置。实验课可以帮助学生理解理论知识、基本原理，实践课能培养学生的动手能力。因此，教学中还要安排一些有较强实用性的实训课，如带传动中心距的调整、齿轮间隙的调整、减速器拆装等。实训前，要求学生认真预习，掌握基本理论。实训中，指导学生正确使用各种工具，按照操作步骤认真操作；安排一定课时去工厂车间见习，向工人师傅学习操作经验和窍门；结束后，要求学生按时按量地完成实践报告，特别要把观察到的现象、操作的步骤和自己分析、感受写在报告中。这样完成实践课，既增强了学生参与的积极性和主动性，又强化了学生自主学习的主体地位，锻炼了动手能力，还提高了学生发现问题、解决问题的能力。

机械传动的基本原理范文第3篇

关键词：直线电机；控制器；运动控制

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

一、交流伺服驱动

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而倍受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件（如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等），作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙，补偿机械传动件的制造误差，实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

二、直线电机驱动

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”，它具有原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1、高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高。

2、精度。直线驱动系统取消了因丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差，提高了机床的定位精度。

3、动刚度高。由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4、速度快。由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5、行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6、运动动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7、效率高。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

三、计算机控制器

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的“控制速度”依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

四、运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作；控制卡完成运动控制的所有细节。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

机械传动的基本原理范文第4篇

工程机械的技术养护是指为了使机械经常处于良好的技术状态，保证其可靠性，延长使用寿命，而对机械所采取的一系列技术措施。以“、调整、紧固、防腐”为主要内容，按不同需求分等级进行养护。

1.1日常保养。日常保养以清洁、补给和安全检视为中心，主要是维持机械的机容机况，使机械经常处于完整和完好的状况以保证正常运行。由操作人员在每日工作前、工作中和工作后，按各级机械的操作、使用和维护规程进行。

1.2分级保养。保养分为三级。一级保养主要对各总成和连接件的紧固、，对外部检查的一些必要的小调整。以清洁、、紧固为中心内容，并消除机械在运行一定时间后出现的某些薄弱环节，对有关制动操作等安全部件的养护由专业维修工负责进行。二级保养以检查调整为中心，对机械进行较深入的技术状况检查和调整。根据操作人员的反映和经过技术状况诊断，确定维修附加项目。三级保养以消除隐患为中心，对局部包括总成件检修，改善机械技术状况，以延长中修及大修周期。

2、工程机械设备的检查方法

2.1直观检查法。由操作人员直接观察设备及零部件的表面状态来进行故障的分析，看机械运转是否平稳，皮带是否太松或太紧了，螺丝是否松动，是否有漏油漏水现象等。

2.2温度检测法。以观测检查各机械零件的温度变化，并以此为信息源来判别机器的运行状态。对无温度指示器的部位，可用温度计或手感知的方法进行判断。

2.3压力检测法。观察和测试机械系统各部的气压、油压是否稳定，并以此为信息源，通过压力参数的变化特征判别设备的运行状况。

2.4噪声检测法。听机械各部件运转时有无异响，若某处发现响声跟平时不一样，则该处可能存在故障。

2.5振动检测法。观察发动机运行过程中的振动情况，并根据振动参数变化特征来判断机器的运转状态。

2.6金相分析法。对于一些零件，可观测其金属表面裂纹通及显微组织情况，并检测其残余应力，根据这些物理性质的变化特征，来判别机器设备是否存在故障。

3、工程机械故障分析

3.1机械故障基本原理机械故障是指机械由于使用过程中正常和非常原因导致机械不能工作,需要进行维护工作,当故障解除后方可继续使用。公路工程机械发生故障，首先是机械失效，机械失效与机械磨损有着密切的联系。机械磨损是指机械在使用过程中，由于工作或者故障导致机械结构发生摩擦,在初始磨损期,机械磨损和故障属于敏感发生阶段,若不能正常维护和应用机械，磨损率和故障率会急剧增加。在机械使用后期,机械故障率和磨损率达到最高,维护工作难度大,需要维护的工作范围也大。

3.2工程机械重要部件故障与处理

3.2.1发动机故障

(1)发动机异响故障分析。发动机出现故障时首先会发出异响,最可能是由于发动机部件发生损坏,导致碰撞发出异响。当发动机出现异响情况时,应立刻停机进行检查,确认异响消除后才能继续工作。

(2)发动机停转故障分析。当发动机发生烧瓦和气门脱落、发动机的飞轮与起动机齿轮抱死时,容易引发发动机停转，导致设备无动力倾翻等事故。发动机在发生停转前均会发生剧烈的振动,因此,当发动机发生停转时,应立刻进行发动机停机维护并更换损坏部件。

(3)发动机过热故障分析。当发动机散热条件和措施不能保证发动机散热时,发动机就会过热,从而导致“粘缸”现象,影响发动机正常工作。因此,必须严格控制发动机的散热条件,有效降低发动机发热故障。

3.2.2传动系统故障分析

(1)传动系统异响故障发动机的传动系统设计不合理或在不合理工况下使用时,传动系统会发生异响故障。异响故障是由于传动系振动过大,机械部件之间发生碰撞,导致发出各种异响。如机械传动系统发生齿轮打齿、轮齿脱落等故障,会严重影响工程机械的正常工作。因此,需要对传动系统进行实时监控。

(2)传动系统不良故障对于机械传动部件,均需要采用措施,降低齿面之间的摩擦和冷却齿面之间热量。由于油的性能不能做出及时的判定,劣质的油很容易引起齿轮齿面的失效,影响传动。

3.2.3机械结构故障分析

(1)机械结构存在裂纹。机械结构的裂纹主要是设计制造存在缺陷,或使用过程中出现疲劳失效导致。裂纹是机械结构最为危险的隐患,极易引发机械事故。因此,在机械使用过程中,要对机械结构进行仔细检查,尤其是结构薄弱的环节。

(2)机械结构存在大变形。机械结构均为塑性钢材,受到外界载荷作用后,机械结构将会发生变形产生位移,影响结构的刚度。工程机械施工中,结构在受到超载荷后发生不可逆性变化。因此,在机械作业过程中,需要确保机械的整体塑性变形,防止出现失效。

3.3公路工程机械故障原因

(1)作业时间只考虑使用和赶工期,忽略了工程机械本身的力学规律,使其经常除超负荷压力中，出现过早和过重失效。

(2)设备使用不当，操作工人缺乏正确的使用指导，容易发生机械故障，影响机械作业能力。

(3)机械维护措施不规范,缺乏故障检测措施。重大安全事故往往是机械缺乏有效的检测措施，导致初始的小故障恶化为重大故障。

(4)机械维护措施不当,导致不能正确的处理机械故障。公路工程机械发生故障后,维护人员缺乏专业的机械知识,不能做出正确的处理办法,使机械存在安全隐患的前提下继续工作。

4、机械设备的保养方法

工程机械的保养是指采取一系列技术措施来使机械长期处于良好的技术状态，使其能安全高效的工作，并延长机械使用寿命。几种常用方法。

4.1就车保养法。此法是根据保养等级和保养部位的不同情况，将该部件进行拆卸、清洗检查和重新装配。工效太低，仅适用于保养单位人员少，设备少，并且类型复杂，配件通用互换性差的工程机械。

4.2逐件轮流保养法。此法主要依靠机组的操作手完成，它适用于时间紧迫和保养人员缺少，机械分散且无备用机械的情况下的一级或二级保养。此法较符合施工单位实际情况而得到普遍应用。

4.3总成分工保养法。该法将机械设备分为若干总成，如变速器总成、发动机离合器总成、自动系统、电气系统以及轮胎、履带等，然后根据这些分法，将人员编成不同的保养作业工组并进行编号，并根据具体的工作内容和程序进行分工、定位，使他们在规定的时间内协同完成保养作业内容。

4.4机动快速保养法。此法是在前面的总成分工保养法的基础上，为了在较短时间内快速完成保养任务，各作业工组采用快速保养工具来辅助完成。这种方法适合于有充足的熟练保养人员，并且机械零、部件、材料、配件齐全，场地较宽，工具设备齐全和保养任务量大的情况下采用。

5、结语

机械传动的基本原理范文第5篇

关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制

1引言

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。

2全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

3直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

5运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。