控制系统，用于精密机械运动

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 机械运动控制系统的内容与分类 1 1.1.1 机械运动控制系统的定义、由来与内容 1 1.1.2 机械运动控制系统的分类 3 1.2 机械运动控制系统的应用 6 1.2.1 运动规划 6 1.2.2 多轴插补 7 1.2.3 电子齿轮与电子凸轮 8 1.2.4 比较输出与同步跟踪 8 1.2.5 精密探针位置测量 9 1.3 机械运动控制系统中的非线性及其补偿 10 1.3.1 机械运动控制系统中的连续与不连续非线性 10 1.3.2 机械运动控制系统中常见不连续非线性及其补偿 10 1.4 机械运动控制系统的发展趋势 12 第2章 运动控制系统中的机械结构 16 2.1 滑动螺旋传动与滑动导轨 16 2.1.1 滑动螺旋传动 16 2.1.2 滑动导轨 18 2.2 滚动螺旋传动与滚动导轨 21 2.2.1 滚动螺旋传动 21 2.2.2 滚动导轨 22 2.3 齿轮减速与谐波减速 24 2.3.1 齿轮减速器的型式与应用 24 2.3.2 行星齿轮减速器的传动比计算 26 2.3.3 谐波齿轮减速器 27 2.4 空气静压技术与磁浮技术 29 2.4.1 空气静压技术简介及应用 29 2.4.2 磁浮技术简介及应用 31 第3章 机械运动控制系统中的位置测量 33 3.1 光电编码器 33 3.1.1 增量式光电编码器 33 3.1.2 光电编码器的读数原理 34 3.1.3 绝对式光电编码器 34 3.2 直线光栅尺 36 3.2.1 光栅的概念 36 3.2.2 直线光栅的测量原理 36 3.2.3 直线光栅的信号处理电路 38 3.3 磁栅尺 40 3.3.1 磁栅尺的测量原理 40 3.3.2 磁栅尺的检测电路 43 3.4 激光干涉测量 44 3.5 电容式传感器 46 3.5.1 电容式传感器的工作原理 46 3.5.2 变极距式电容式传感器 47 3.5.3 变面积式电容式传感器 48 3.5.4 电容式传感器的特点 49 3.6 电感式传感器 50 3.6.1 自感式传感器 50 3.6.2 互感式(差动变压器式)传感器 53 3.6.3 涡流式传感器 54 第4章 机械运动控制系统的数学模型 56 4.1 机械运动系统的动力学方程 56 4.2 机械运动控制系统的非线性与线性化 63 4.2.1 典型的非线性系统 64 4.2.2 非线性系统的线性化 67 4.2.3 分析非线性系统的方法 73 4.3 机械运动控制系统中的运动规律设计 75 4.3.1 运动规律的相关概念 75 4.3.2 运动规律的设计 77 4.3.3 运动规律的设计实例——柔性臂残余振动的控制 81 4.4 机械运动系统的惯量等效 84 4.4.1 等效力矩和等效力的计算 85 4.4.2 等效转动惯量和等效质量的计算 85 4.4.3 电机多轴拖动系统等效动力学模型的建立 86 第5章 步进电机运动控制系统 88 5.1 步进电机的工作原理与分类 88 5.2 步进电机的运行特性与控制系统建模 91 5.2.1 静态运行特性 91 5.2.2 单脉冲运行特性 95 5.2.3 连续脉冲运行特性 99 5.3 步进电机的控制电路 105 5.3.1 单电压功率驱动电路 105 5.3.2 高低压功率驱动电路 106 5.3.3 斩波恒流驱动电路 106 5.3.4 双极性驱动电路 107 5.3.5 细分驱动电路 109 5.4 步进电机在自动测量仪器中的应用 109 5.4.1 步进电机的选择 110 5.4.2 步进电机在柴油发动机活塞环梯形角度测量仪中的应用 110 第6章 直流伺服电机运动控制系统 113 6.1 直流伺服电机的工作原理 113 6.1.1 直流伺服电机的基本结构与工作原理 113 6.1.2 直流电机的机械特性 115 6.1.3 空心杯直流伺服电机 115 6.2 直流伺服电机运动控制系统的数学模型 116 6.2.1 电枢控制直流电机的数学模型 116 6.2.2 磁场控制直流电机的数学模型 119 6.3 直流伺服电机的脉宽调制控制 119 6.3.1 脉宽调制的基本原理 120 6.3.2 不可逆脉宽调制调速系统 122 6.3.3 可逆脉宽调制调速系统 124 6.4 无刷直流电机原理 125 6.4.1 无刷直流电机的基本结构 126 6.4.2 无刷直流电机工作原理 126 6.5 直流伺服电机在足球机器人中的应用 129 6.5.1 直流伺服电机控制的一般过程 129 6.5.2 主要部件选择 129 第7章 交流伺服电机运动控制系统 133 7.1 交流伺服电机的工作原理 134 7.1.1 永磁同步电机的结构 134 7.1.2 永磁同步电机的工作原理 137 7.1.3 永磁同步电机的性能 137 7.2 交流伺服电机的运动控制基础 138 7.2.1 电压方程 139 7.2.2 转矩方程 143 7.2.3 状态方程 144 7.3 交流伺服电机的正弦脉宽调制控制 144 7.3.1 正弦脉宽调制波形与等效正弦波 145 7.3.2 产生正弦脉宽调制波形的原理 145 7.3.3 正弦脉宽调制变频器的主电路 146 7.4 交流伺服电机的矢量控制 147 7.4.1 矢量控制的基本原理 147 7.4.2 矢量变换及其实现 148 7.4.3 磁通的检测 150 7.5 交流伺服电机直接转矩控制简介 152 第8章 直线电机运动控制系统 154 8.1 直线电机的结构、工作原理及分类 155 8.1.1 直线电机的基本结构 155 8.1.2 直线电机的工作原理 158 8.1.3 直线电机的分类 162 8.2 直线电机的数学模型 165 8.2.1 直线电机的磁场分析模型 165 8.2.2 永磁式减速直线同步电机的数学模型 168 8.3 直线电机运动控制系统的典型应用 170 8.3.1 直线电机在工业与自动化中的应用 170 8.3.2 直线电机在物料输送与搬运方面的应用 173 8.3.3 直线电机在交通运输业中的应用 175 第9章 微位移运动控制系统 180 9.1 微位移运动控制的原理与应用 181 9.1.1 微位移系统的原理 181 9.1.2 微位移系统的应用 185 9.2 微位移运动系统的结构设计 186 9.2.1 柔性铰链的类型及特点 186 9.2.2 柔性铰链设计 187 9.2.3 精密微动工作台的设计及其特性分析 190 9.3 压电微位移运动控制系统的驱动电路 197 9.3.1 对压电微位移器驱动的要求 197 9.3.2 典型压电陶瓷驱动电路 197 9.4 微位移运动机构的磁滞非线性与补偿控制 201 9.4.1 磁滞非线性系统的建模 202 9.4.2 磁滞非线性系统的控制补偿方法 204 9.5 原子力显微镜的微位移运动控制系统 205 9.5.1 原子力显微镜系统 206 9.5.2 原子力显微镜与其他扫描显微镜的比较 207 第10章 数控机床的运动控制系统 209 10.1 数控机床的构型及其对运动控制的要求 209 10.1.1 数控机床的作用 209 10.1.2 数控机床的基本构成 209 10.1.3 数控机床的类型及其对运动控制的要求 210 10.2 数控机床的运动协调控制 217 10.2.1 控制轴数与联动轴数 217 10.2.2 数控机床轨迹运动控制原理 218 10.2.3 运动速度和加减速的控制 224 10.3 数控车床的运动控制系统 232 10.3.1 概述 232 10.3.2 数控车床的分类 232 10.3.3 主轴传动方式 233 10.3.4 进给运动控制系统 233 10.4 数控铣床的运动控制系统 234 10.4.1 概述 234 10.4.2 数控铣床的分类 235 10.4.3 数控铣床运动部件的布局 235 10.4.4 主传动系统 238 10.4.5 进给运动控制系统 238 第11章 操作机器人的运动控制系统 239 11.1 操作机器人的构成 239 11.1.1 操作机器人的构成 239 11.1.2 机器人机械本体的构成 240 11.1.3 操作机器人的分类 240 11.2 操作机器人运动学基础 242 11.2.1 操作机器人运动方程的表示 242 11.2.2 机械手运动方程的求解 243 11.3 操作机器人的运动控制系统 243 11.3.1 机器人运动控制系统的特点 243 11.3.2 操作机器人运动控制层次 244 11.3.3 机器人的运动控制技术 246 11.4 SCARA机器人的运动控制 249 11.4.1 SCARA机器人的控制结构 250 11.4.2 SCARA机器人的运动分析 252 11.4.3 SCARA机器人的运动方程求解 254 参考文献 257