第15-1课 任务4.1 认识机电一体化伺服系统
主要内容：
1.讲解课前的3个案例，认识机电一体化伺服系统；
案例1什么是伺服系统(0: 36) .mp4
案例2伺服控制模式及优势( 12 : 01 ) .mp4
案例3伺服电机的应用实例(1 :45 ) .mp4
2. 观看视频,教师在线答疑
4.1认识机电体化伺服驱动系统( 14 : 26 ) .mp4
3. 指导学生：
4.1 [任务实施]认识机电体化伺服驱动系统.doc
4.完成课后作业
【任务描述】
伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，加工中心的机械加工过程就是一个典型的伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。本任务介绍伺服驱动系统的组成、分类及执行元件与负载之间的连接方式，完成本任务，可实现以下任务目标。
【任务目标】
技能目标
能区分开环伺服系统、半闭环伺服系统、全闭环伺服系统。
知识目标
（1）理解伺服驱动系统的组成及各组成部分的作用；
（2）了解伺服系统的分类；
（3）了解执行元件与负载之间的连接方式。
建议学时：1个学时
在开始学习本节知识之前，同学们观看以下视频，认识什么是伺服系统、伺服控制模式，了解伺服系统的应用。
（注：本部分所有视频只用于辅助教学，不产生任何经济效益，如有侵权，请告知）
观看视频： 案例1 什么是伺服系统（0:36）
观看视频：案例2 伺服控制模式及优势（12:01）
观看视频：案例3 伺服电机的应用实例（1：45）
观看完视频，接下来，我们看伺服系统具体的组成、分类、接口。
一、伺服驱动系统的组成
从自动控制理论的角度分析，机电一体化伺服控制系统一般由以下环节组成，如图4.1所示。
在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电动机即是执行元件又是检测元件。
二、伺服系统分类
1）按伺服执行装置类型分类
伺服系统按伺服执行元件类型或其控制能源分，可分为电动伺服系统、液动伺服系统、气动伺服系统三类，伺服执行装置如图4.2所示。
执行元件是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小、输出动力大、便于控制、可靠性高和安装维护简便等特点。电气式、液压式和气动式执行元件是三种最常用的执行元件。
电气式、液动式和气动式执行元件的具体特点如表4.1所示。
表4.1 电气式、液压式和气动式执行元件的具体特点
种类 | 特点 | 优点 | 缺点 |
电动式 | 可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。 | 操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。 | 瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。 |
液动式 | 液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。 | 输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。 | 设备难以小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。 |
气动式 | 气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。 | 气源方便、成本低；无因泄露而污染环境；速度快、操作简便。 | 功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。 |
2）按检测反馈装置分类
伺服系统按有无检测传感器及传感器安装的位置可分为：开环伺服系统、半闭环伺服系统、全闭环伺服系统三种，如图所示
开环伺服系统如图4.9所示，未安装传感器，开环，步进电动机作为执行元件，系统简单、经济。
三、输出接口装置
执行元件与负载之间的连接方式一般有两种形式：一是直接驱动，与负载固连；二是通过不同的机械传动装置（如齿轮传动链、带传动）与负载相连，这些机械传动装置就是执行元件的输出接口装置。
观看视频：4.1 认识机电一体化伺服驱动系统（14：26）
【任务实施】 认识机电一体化伺服驱动系统
结合图1.6、图1.7、图1.8所示的机电一体化系统或其他机电一体化系统，并根据是否有反馈检测元件区分开环伺服系统、半闭环伺服系统、全闭环伺服系统。
简答题
1.叙述机电一体化伺服控制系统一般那些环节组成；并指出各环节的作用；
2.叙述伺服系统按伺服执行元件类型或其控制能源分为哪三类？并指出各自的特点。
3.叙述伺服系统按有无检测传感器及传感器安装的位置可分为哪三类？并指出各自的特点。
教师根据学生记录结果给予评价，见表4.2。
表4.2 任务评价表
实训项目 |
项目内容 | 配分 | 得分 |
认识机电一体化伺服驱动系统 | 基本情况的记录 | 100 |
|
工时：1学时 | 教师签字： | 总分 |
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理论项目 |
项目内容 | 配分 | 得分 |
叙述机电一体化伺服控制系统一般那些环节组成；并指出各环节的作用； | 20 |
|
叙述伺服系统按伺服执行元件类型或其控制能源分为哪三类？并指出各自的特点。 | 40 |
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叙述伺服系统按有无检测传感器及传感器安装的位置可分为哪三类？并指出各自的特点。 | 40 |
|
时间：1学时 | 教师签字： | 总分 |
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“理论项目”参考答案
1. 从自动控制理论的角度来分析，机电一体化的伺服控制系统一般由以下环节组成，如图4.1所示。
（1）比较环节 是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
（2）控制器 通常是计算机或PID控制电路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
（3）执行元件 作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电动机或液压、气动伺服机构等。
（4）被控对象 是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。
（5）检测环节 是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。
2.伺服系统按伺服执行元件类型或其控制能源分，可分为电动伺服系统、液动伺服系统、气动伺服系统三类。
表4.1 电气式、液压式和气动式执行元件的具体特点
种类 | 特点 | 优点 | 缺点 |
电动式 | 可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。 | 操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。 | 瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。 |
液动式 | 液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。 | 输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。 | 设备难以小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。 |
气动式 | 气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。 | 气源方便、成本低；无因泄露而污染环境；速度快、操作简便。 | 功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。 |
3.伺服系统按有无检测传感器及传感器安装的位置可分为：开环伺服系统、半闭环伺服系统、全闭环伺服系统三种：
开环伺服系统，未安装传感器，开环，步进电动机作为执行元件，系统简单、经济。
半闭环伺服系统，在电动机同轴上安装传感器，间接反映执行机构运动状态，半闭环，使用交、直流伺服电动机，精度比开环高，系统稳定。
全闭环伺服系统，在执行机构上安装传感器，直接反映执行机构运动状态，全闭环，使用交、直流伺服电动机，精度最高。
