精密机械控制系统概述剖析
精密控制系统的设计与应用
精密控制系统的设计与应用一、引言精密控制系统是现代化技术的重要组成部分之一，具有广泛的应用。
它采用先进的控制算法和敏感的传感器设计，能够实现对复杂系统的高效控制。
本文将介绍精密控制系统的设计和应用。
二、精密控制系统的概述精密控制系统是一种高性能控制系统，其主要特点是具有较高的精度和灵敏度。
它通常由控制器、执行机构和传感器组成。
控制器采用先进的算法，对执行机构进行高效控制，实现对系统的高精度控制。
而传感器负责检测系统状态，并将状态信息传递给控制器。
三、精密控制系统的设计1. 控制算法设计控制算法是精密控制系统的核心。
常见的控制算法有PID控制算法、自适应控制算法、最优控制算法等。
其中，PID控制算法是应用最为广泛的一种控制算法。
在PID控制算法中，根据系统偏差、变化率和积分误差三个参数对控制器进行调节，以达到对系统的稳定控制。
2. 传感器设计传感器是精密控制系统中的另一个重要部分，一般有光电传感器、压力传感器、温度传感器等。
传感器负责传递系统状态信息，需要具有高精度、高灵敏度和高稳定性等特点。
传感器的选择应根据具体的应用需求，确定其检测参数和性能指标。
3. 执行机构设计执行机构是控制系统中的另一个重要部分，对于不同类型的系统，其执行机构类型不同。
一般来说，精密控制系统中的执行机构要求具有高精度、高灵敏度和高可靠性等特点。
常见的执行机构有电动机、气动元件、液压元件等。
四、精密控制系统的应用精密控制系统在工业自动化、飞行控制、仪器仪表、医疗器械等领域都有广泛的应用。
1. 工业自动化在工业生产设备中，精密控制系统能够确保生产设备的高精度控制，提高生产质量和效率。
比如，精密机床控制系统能够实现对零件的高精度加工；焊接机器人控制系统能够实现对焊接路径的精确控制。
2. 飞行控制在飞行器中，精密控制系统能够实现对飞行器飞行姿态的精确控制和纠正，以确保飞行安全。
比如，飞行器姿态控制系统能够通过控制器和传感器的联动，对飞行器进行高精度控制。
精密机床控制系统的性能分析与优化
精密机床控制系统的性能分析与优化随着数字化、网络化、智能化的发展，精密机床已经成为现代工业中不可或缺的装备。
而精密机床的运行则离不开高性能的控制系统。
控制系统是精密机床的核心部分，它的稳定性和准确性直接影响到加工质量和效率。
因此，对精密机床控制系统进行性能分析与优化，具有极其重要的意义。
一、性能分析1.响应速度响应速度是影响控制系统性能的重要指标之一。
以金属切削加工为例，当精密机床在高速进给切削时，控制系统需要对电子运动学进行精确控制，从而保证加工质量。
在这个过程中，响应速度成为控制系统的核心指标。
如果响应速度太慢，将造成加工质量下降。
进而影响机床的加工效率。
2.稳定性精密机床加工的高精度要求，要求机床控制系统具有很高的稳定性。
稳定性是指控制系统在加工过程中的稳定性能，即能否保持加工质量的稳定性。
如果控制系统本身不具有较好的稳定性，加工质量就很难稳定。
这将影响到机床的使用寿命和加工效率。
3.精度和精确度在加工过程中，控制系统精度和精确度也是需要考虑的因素。
精度是指加工后的结果和设计要求之间的差异度，精确度是指控制系统实际输出与设计要求之间的差异度。
因此，对于控制系统来说，精度和精确度的提高，对于加工的质量和效率的提升都具有积极的作用。
二、优化措施1.选用适当的芯片和处理器选择适当的芯片和处理器是提高控制系统性能的必要条件。
硬件级别的优化，能够提供更好的性能支持。
在当前智能化的技术环境中，选择适当的芯片和处理器可以实现控制系统的快速响应和高速稳定性。
同时，还可以提高控制系统的精度和精确度。
2.优化控制器算法控制器算法是精密机床控制系统的核心部分。
高效的控制器算法能够提高机床的响应速度和控制能力。
最新的控制器算法可以在最短的时间内计算出最优的控制策略。
因此，优化控制器算法成为提高机床控制系统性能的关键。
3.强化系统诊断与故障排除强化系统诊断与故障排除，是控制系统优化的重要环节。
对于精密机床控制系统来说，一个故障可能导致整个加工流程中断，影响加工质量和效率。
精密机械系统的控制与优化设计
精密机械系统的控制与优化设计引言：精密机械系统是当今工业领域的重要组成部分，广泛应用于制造、航空、医疗等领域。
这些系统的控制与优化设计对提高生产效率、降低成本、提供更高精度至关重要。
本文将探讨精密机械系统的控制与优化设计，介绍常用的控制方法和优化技术，以及在实际应用中的挑战和前景。
一、精密机械系统的控制方法1.1 反馈控制反馈控制是精密机械系统控制中最常用的方法之一。
它通过测量系统输出，并与期望输出进行比较，根据差异调整系统输入，使系统输出接近期望值。
反馈控制能够稳定系统，提高系统的鲁棒性和韧性。
1.2 前馈控制前馈控制通过测量系统输入，根据已知的系统数学模型进行预测，从而在输出出现差异之前就进行调整。
前馈控制能够快速响应外部干扰和变化，提高系统的动态响应速度。
1.3 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理系统模型复杂、非线性的情况。
它通过建立逻辑规则集，将输入变量和输出变量进行模糊化处理，从而实现控制目标。
二、精密机械系统的优化设计2.1 多目标优化精密机械系统通常有多个性能指标需要优化，如精度、速度、稳定性等。
多目标优化是一种综合考虑各指标权重的优化方法，通过建立数学模型，寻找一组最优解来满足不同的性能要求。
2.2 感知优化感知优化是一种基于系统感知的优化方法。
它通过传感器实时获取系统状态和环境信息，将其纳入优化模型，进行实时调整。
感知优化能够适应不同工作条件下的优化需求，提高系统的适应性和智能性。
2.3 遗传算法优化遗传算法优化是一种模拟自然进化过程的优化方法。
它通过模拟遗传、交叉和选择等基因操作，对解空间进行搜索，找到最优解。
遗传算法优化能够克服传统优化方法的局限性，寻找更优的解决方案。
三、精密机械系统控制与优化设计的挑战与前景3.1 系统建模精密机械系统具有复杂的结构和行为特性，建立准确有效的数学模型是控制与优化设计的关键。
然而，由于系统的非线性和耦合效应，系统建模仍然存在挑战。
4 精密机械系统-轴系解析
主轴系统一般由主轴、轴承、支承座构成，而 主轴的工作端是露出的长度为a的一部分轴。
4.3 主轴系统 ——设计的基本要求
回转精度
回转轴线：指主轴在某个瞬间绕其转动、 且与主轴固定在 一起的一根直线。
理想回转轴线：是假定的一条没有回转误差的回转轴线，或是在轴 上空间位置固定不变的一条轴线。 实际回转轴线：主轴实际转动时某个瞬间的回转轴线，由于误差的 存在，实际回转轴线一般是不断变化的。
4.3 主轴系统 ——设计的基本要求
主轴系统的热变形的产生及影响
热变形
主轴系统的热变形主要是由传动件在运转过回转中心和其它
部件相对位置的变化； 主轴系统中的轴承中的间隙（滑动轴承的油膜厚 度、滚动轴承的游隙等等）也会发生变化。
4.3 主轴系统 ——设计的基本要求
4.3 主轴系统 ——设计的基本要求 与主轴该点的位移之比。
刚度
主轴系统的刚度是指主轴某一测量点处所受外力
主轴的刚度可以分为轴向刚度和径向刚度。 主轴系统的刚度直接决定系统的精度，设计时需 要对轴系的各个部分的刚度进行验证。
4.3 主轴系统 ——设计的基本要求
刚度
主轴系统的刚度受到轴的刚度、轴承的刚度和支承 座刚度的影响，应是几者的综合。
装配不便。
4.3 主轴系统 ——设计的基本要求
轴系前段的轴承内环精度对主轴端部精度影响大，后轴 承内环的精度对主轴端部精度影响相对较小，因此在滚动轴 承轴系设计时可以采用不同精度的轴承，后端的轴承精度可 以比前段轴承精度选低一级。
杠杆原理
4.3 主轴系统 ——滚动轴承
滚动轴承一般由内圈 1 、外圈 2 、滚动体 3 和保持架4 组成。 内圈装在轴径上，与轴一起转动。 外圈装在机座的轴承孔内，一般不转动。 内外圈上设置有滚道，当内外圈之间相对旋转时，滚动体 沿着滚道滚动。 。 保持架使滚动体均匀分布在滚道上，减少滚动体之间的碰 撞和磨损
精密机械设计基础详解
用当量荷载评价——F′（ M′）
即产生单位变形所承受的外力(外力矩)
例：悬臂梁刚度评价
L
F
b
h
F'
F
3 EI a L3
Ebh3 4 L3
(N/mm)
20/04
2. 振动稳定性 精密机械系统中运动引起的振动对传
动精度有直接影响，结构固有频率计算：
固有频率： n
F' K m
式中：F′——相当荷载 m —— 系统质量 K —— 弹性系数
20/08
2. 特性误差 零件实际特性与理想特性之间的差异。
影响互换性的因素除尺寸、形状外，还 包括机械性能、物理化学性能。
例：机械零件可能出现的特性误差
●片簧承载时有挠度误差（材质影响） ●导轨表面硬度不足（热处理） ●发动机汽缸连杆之间质量超差（工艺） ●陀螺仪质心位置误差（工艺）
20/09
四. 机构的误差 机构误差是零件误差、装配误差之和，属于
上次课主要内容：
1.精密机械系统的基本组成 2.精密机械设计的基本要求 3.常规工作机分类及用途 4.设备生产效率分析
●单机生产 ●多工位周期位移生产线 ●连续位移生产线
普通机械设计 精密机械设计
相关思考：成本、性价比、生产规模
20/01
§1.4 精密机械设计基础知识
一. 总体方案设计 方案设计的优劣直接影响产品开发的结果。
主动件曲柄转动角度达到理想时，从动件
滑块的始点、终点都相对理想点有误差。
曲
柄
终点位置误差 始点位置误差
滑
块
机
构
20/11
位置误差评价：
主动转角：Δα=α1-α0源自从动件初始位置误差：Δ0=OB0′-OB0
数控机床机电系统概述
高度柔性
数控机床机电系统可以通过更 换加工程序实现不同零件的加 工，具有高度的柔性。
高可靠性
数控机床机电系统采用先进的 电子和机械技术，具有较高的
可靠性和稳定性。
02
CATALOGUE
数控机床的机械系统
主轴系统
主轴系统是数控机床中的重要组成部分，主要负责驱动工件或刀具进行旋转运动。
智能化技术如人工智能、大 数据、物联网等将与数控机 床融合，实现自适应加工、 智能故障诊断等功能。
复合化
为了满足多品种、小批量生 产的需求，数控机床将向复 合化方向发展，具备多轴联 动、多工位加工等能力。
绿色化
随着环保意识的提高，数控 机床将更加注重节能减排和 资源循环利用，降低能耗和 减少废弃物排放。
主轴系统的性能直接影响着加工质量和效率，因此需要具备高精度、高转速、大扭 矩等特点。
主轴系统的关键部件包括主轴、轴承、主轴电机等，这些部件需要经过精密设计和 制造，以确保主轴系统的稳定性和精度。
进给系统
进给系统是数控机床中的另一个重要组成部分，主要负责驱动刀具或工件 进行直线运动。
进给系统的性能同样影响着加工质量和效率，需要具备高精度、高速度、 大进给等特点。
进给系统的关键部件包括伺服电机、丝杠、导轨等，这些部件也需要经过 精密设计和制造，以确保进给系统的稳定性和精度。
传动系统
1
传动系统是数控机床机械系统中连接主轴系统和 进给系统的重要部分，主要负责将动力传递给各 个运动部分。
2
传动系统的设计需要充分考虑传动效率、精度、 稳定性等因素，以确保整个机械系统的性能。
五金加工
数控机床能够高效地完成各种复杂形 状的五金零件加工，提高生产效率和 产品质量。
机械工程中的精密定位和控制技术研究
机械工程中的精密定位和控制技术研究引言机械工程是一门与物质世界相互作用的学科，而精密定位和控制技术在机械工程中扮演着至关重要的角色。
无论是在制造业还是工业自动化中，精密定位和控制技术都是必不可少的。
本文将探讨机械工程中的精密定位和控制技术研究的重要性、应用领域以及相关的挑战和发展趋势。
一、精密定位技术的重要性精密定位技术是指通过各种手段在极小的范围内对物体进行定位。
它在机械工程中具有重要的地位，首先是因为现代工业生产对于产品的精度要求越来越高。
无论是在电子设备制造、汽车工业还是航空航天领域，精密定位技术都是确保产品质量和性能的关键因素。
其次，精密定位技术还能提高工作效率和生产效益，减少生产成本和能源消耗。
二、精密定位技术的应用领域精密定位技术广泛应用于各个领域。
在电子设备制造业中，例如手机、电脑等产品的组装过程中，精密定位技术能够确保零件的准确对位和安装位置的精度。
在医疗领域，精密定位技术被用于医疗设备的操作和手术过程中，确保手术器械的精确位置和运动轨迹。
在航空航天领域，精密定位技术被应用于导航、飞行控制和航天器的发射等多个环节。
此外，精密定位技术还被广泛应用于机器人领域、光学仪器制造以及科学研究等方面。
三、精密控制技术的重要性精密控制技术是指通过控制系统实现对运动、位置和力量等要素的高精度控制。
在机械工程中，精密控制技术是确保机械系统正常运行和精确工作的关键。
通过精密控制技术，可以实现对机械系统的运动轨迹、速度、加速度和位置等参数的高精度控制。
这对于提高机械系统的稳定性、可靠性和精度至关重要。
四、精密控制技术的应用领域精密控制技术在机械工程中的应用非常广泛。
在工业自动化领域，精密控制技术被应用于各种自动化生产线中，以确保生产过程的高精度和高效率。
在航空航天领域，精密控制技术被用于导航、飞行控制和姿态稳定等关键系统中，确保航天器的安全和稳定运行。
在机器人领域，精密控制技术被用于实现机器人的高精度定位和操作。
数控加工技术专业学习中的精密机械加工技术综述
数控加工技术专业学习中的精密机械加工技术综述数控加工技术是现代制造业中不可或缺的一项重要技术，它通过计算机控制机床的运动和加工过程，实现对工件的精密加工。
而在数控加工技术中，精密机械加工技术是其中的核心内容之一。
本文将对精密机械加工技术进行综述，介绍其在数控加工技术中的应用和发展趋势。
一、精密机械加工技术的概述精密机械加工技术是指对工件进行高精度、高质量的加工过程。
它通常包括精密车削、精密铣削、精密磨削等多种加工方法。
在传统的机械加工中，操作工人需要依靠手工调整机床的位置和参数，而精密机械加工技术则通过数控系统实现对机床的自动控制，从而提高了加工的精度和效率。
二、精密机械加工技术在数控加工中的应用1. 精密机械加工技术在数控车床中的应用数控车床是一种常用的数控机床，它通过刀具在工件上进行旋转切削，实现对工件的加工。
在数控车床中，精密机械加工技术可以实现对工件的高精度车削，包括外圆、内圆、螺纹等形状的加工。
通过数控系统的精确控制，可以保证工件的尺寸和形状的精度要求。
2. 精密机械加工技术在数控铣床中的应用数控铣床是一种常用的数控机床，它通过刀具在工件上进行旋转切削，实现对工件的加工。
在数控铣床中，精密机械加工技术可以实现对工件的高精度铣削，包括平面、曲面、槽口等形状的加工。
通过数控系统的精确控制，可以保证工件的表面质量和形状的精度要求。
3. 精密机械加工技术在数控磨床中的应用数控磨床是一种常用的数控机床，它通过磨料在工件上进行磨削，实现对工件的加工。
在数控磨床中，精密机械加工技术可以实现对工件的高精度磨削，包括平面、曲面、内外圆等形状的加工。
通过数控系统的精确控制，可以保证工件的表面光洁度和形状的精度要求。
三、精密机械加工技术的发展趋势1. 加工精度的提高随着科学技术的不断进步，人们对工件加工精度的要求也越来越高。
精密机械加工技术通过数控系统的精确控制，可以实现对工件的高精度加工，满足不同行业对工件精度的要求。
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18/10
（3）转换器 将发令器发出的指令进行必要的的形式
转换并传送到执行器。
三种类型：
●简单地传递原始指令 ●放大、缩小原始指令能量；传输时间滞后 ●改变原始指令能量形式
转换器通常是机、液、电子等部分的组 合，如各种机构、电子（液、气）放大器、 （电、液、气）中间继电器等。
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控制器小结： ●控制器是组成控制系统的最小作用单元； ●多个控制器组合应用时，有并联、串联、
交叉等结合形式；（确定的逻辑关系） ●当执行器功率较小且原始指令形式无需变
换时，可省略转换器； ●有多个子系统存在且协调运行时，应设置 中央控制器统一协调。
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3.控制方式 控制系统按控制逻辑产生的依据不同，有
时间控制、行程控制、时间—行程混合控制三 种基本类型。
（1）时间控制 按时间顺序控制，系统中所有执行器严格
按照预定的时间顺序运行。
特点：控制系统严格按时发送指令，不受实际
执行情况影响。
实例：平面磨床、全自动洗衣机
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时间控制应用考虑的问题： ●适合简单机械循环的工作模式 ●设计必要的辅助报警环节，发现执行误差时 及时中断程序，并根据情况恢复运行或复位
机械系统、流体系统、电气系统
实际应用通常是多种控制的组合。 （3）控制实例分析
例1：三相异步电机启停控制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
任务——三相电源开/合 控制方法——按钮 →继电器 →接触器
（机械）（弱电）（强电）
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例2：平面磨床进给运动控制
任务——工作台往返运动
主轴间歇前后运动 主轴间歇上下运动
控制方法：
（1）微动开关→电磁换向阀→液压缸 （2）微动开关→控制器→步进电机（启） →微进给机构→延时继电器→步进电机（停）
（如：微动开关、光电开关）
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控制逻辑关系： 为实现产品功能，控制系统中各个执行器
应遵循的运动关系。 行程控制关键技术：位置识别
运行过程以到达预期位置为后续控制基点， 实现整体自动控制。
●信号采集元件的精度、灵敏度 ●放大系统的效率、失真程度 ●信号转换（数/模）的可靠性
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（3）时间-行程组合控制 工作程序中部分执行元件按时序信号动作，
械、气动、液压等。
●计算机控制指令——数字/模拟 ●光电开关——模拟 ●按钮、挡铁、行程开关、凸轮——机械 ●行程阀——气、液 ●继电器——模拟
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（2）执行器 按要求完成各种工作任务的功能性器件。 转换器 将原始指令转换成执行器 可识别
的控制指令，执行器按控制指令驱动工作机运 动部件按工序要求动作。 常用执行器类型：
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2.控制系统的组成
控制器：控制系统中的基本单元，实现具
体的控制功能。
一个实用的控制系统通常包含多个不同 类型的控制器，控制器之间逻辑关联。
常规控制器的三部分：
发令器、转换器、执行器
原始
发令器 指令
控制
转换器 指令
执行器
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（1）发令器 按预定要求发送控制原始指令。
发令器指令原始能量形式： 电（强、弱、模拟、数字）、光电、机
●微机及单片机 ●可编程控制器 5.控制用电机控制原理及技术
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第9章 控制系统 §9.1概述
控制的作用：保证工作机的所有结构能严格按
照预定的顺序，协调、有序地工作。
方案 原理
控制1
机构1
功能1
控制2
机构2
功能2
………
集中 控制
总功能 产 品
机器三大核心：动力、执行、控制
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1.控制系统的种类和特点 控制系统的质量直接影响设备的生产效
时间控制实例：
全自动洗衣机、各型打印机 各类自动机床、加工中心 其他程序控制设备（生产、检测线）
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微动
（2）行程控制
开关
以预定执行器的动作状态的逻辑关系为
控制依据实施的自动控制。
光电开关
行程发生器：
能对执行机构动作状态发出
信号，该信号可输入逻辑线路，
系统中转换器（处理器）以此作出判断并发出与 执行器匹配的驱动信号。
上次课程主要内容
1.总体设计的四个过程 两个核心内容：●方案设计 ●技术设计 2.七点基本要求 ●可靠性 ●精度控制 ●生产率和自动化程度 ●操作方便使用安全 ●提高三化程度 ●造型协调、美观 ●综合成本 3.方案评估
●三项内容 ●加权系数综合评分法
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本章主要内容
1.控制概述 （1）控制的作用、内容及特点 （2）控制系统的组成、方式 3.机械控制系统及典型控制实例 4.电气控制系统 （1）典型控制实例 （2）计算机控制
率及运行的可靠性。
（1）工作机自动化发展过程
●机械：杠杆、凸轮、汽缸、液压缸等机构 ●电气：电磁铁、电磁离合器、继电器、接触
器等（含弱电和强电）
●可编程控制技术：工业用可编程控制器，
即高度模块化的数模转换控制技术
●计算机技术：计算机为核心的控制体系
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（2）控制系统分类
三相电机驱动
常用三大控制系统：
而另一部分按行程信号动作。
采用组合控制方式，运动过程的变化通常 关系到控制方式的变化。
行程反馈信号：通过反馈回路信号提示系统运 行状态，确定运动过程控制方式的转换。
控制方式转换： ●行程—行程 ●行程—时间 ●时间—时间 ●时间—行程
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（4）控制理论和控制算法
控制理论：研究控制系统特性和控制方法
在限定的时间内完成上述步骤。 （3）与上相同或手动
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例3：程控式全自动洗衣机。
目标任务： 一次性完成各类衣物洗涤、清理、风干。
控制实现： ●主电机按时序启动、停止； ●离合器按时序启动、停止（实现正反转）； ●进、排水阀按时序启动、停止； ●辅助电机按时序启动、停止； ●控制面板信号显示 ●可编程控制器（PLC）集中管理
的基础理论。 控制理论分经典理论控制（比例积分、微
分等）和现代控制理论（最优、自适应、模糊 控制等）两大类。 控制算法：运用计算机实施自动控制时实现预 期控制理论的具体应用程序。
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思考题：
P336：1 2.控制系统由哪些部分组成？为什么 需要转换器？ 3.什么是时间控制？什么是行程控制？
思考题