数控技术第6章机电有机结合分析与设计

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1、机电系统工程学第六章机电一体化系统机电有机结合分析与设计讲授：郑海明机械工程系第六章机电系统有机结合分析与设计重点学习：机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的动态设计考虑方法在机电位置/速度控制系统，一般可直接或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠螺母机构）来驱动被控制对象。主要任务：是围绕被控制对象的具体要求，采用合理的设计方法，寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。学习方法：结合典型的机电控制系统设计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。第一节机电有机结合设计概述机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配、即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典

2、型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1．系统闭环与否的确定当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环

3、或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。2．执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。6.1机电有机结合设计概述3．传动机构方案的选择传动机构是执行元件

4、与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。4．控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制

5、中得到了广泛的应用。6.1机电有机结合设计概述6.1机电有机结合设计概述此外还包括各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法，及信号转换的方式等。该方案通常只是一个初步的轮廓，有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括:稳态设计初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。动态设计通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的设计方案，这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实

6、践的基础。系统的实际电路及实际参数，往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的，因经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定，对工程实践是必需的。此外，随着机电一体化技术的发展，机电一体化系统（产品）的自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠性、安全性设计要求。6.1机电有机结合设计概述6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法在机电伺服系统主要元件选择或设计、各

7、部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系统总体方案的稳定性设计——静态设计，为机电系统的动态设计创造条件。重点研究：系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）系统稳定设计的目的：使控制被控对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学、动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。稳态设计方法研究的主要内容或步骤：⑤信号的有效传递。⑥各级增益的分配。⑦各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。⑧系统总体方案的确定。位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成①使系统的输

8、出运动参数