第6章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计.ppt

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1、1机电一体化系统设计第六章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计6.1机电一体化系统的稳态与动态设计6.2稳态设计考虑方法6.3动态设计考虑方法6.4可靠性、安全性设计第6章机电一体化系统机电有机结合分析与设计机电伺服系统位置伺服控制速度伺服控制执行元件被控对象(负载）研究机械运动的规律运动的参数3机电一体化系统设计典型机电一体化系统—工业机器人的组成与运动特征工作空间自由度位姿关节变量连杆移动关节转动关节稳态设计方法研究的主要内容或步骤：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

2、组成①使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。②执行元件的参数选择。③功率(力/力矩)匹配以及过载能力的验算。④各主要元件的选择与控制电路的设计。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稳态设计方法学习的主要内容：(1)负载分析。(2)执行元件匹配选择。(3)机械传动比选择与各级减速比确定原则。(4)检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。(5)机电系统数学模型的建立。(6)分析研究系统的稳态特性。单位阶跃响应系统稳态特性伺服系

3、统设计的流程：提出对系统的要求制定系统设计方案定量的分析与计算完成设计方案稳态设计计算动态设计计算输出运动参数执行元件参数的选择功率的匹配、过载能力的验算主要元部件的选择控制电路的设计信号的有效传递各级增益的分配各级阻抗的匹配抗干扰的措施设计校正补偿装置，满足动态技术指标的要求。通过计算机仿真或辅助设计被控对象的特点6.2机电一体化系统的稳态设计方法6.2.1负载分析1、典型负载：直线运动、回转运动、间歇运动惯性负载外力负载弹性负载摩擦负载2、负载的等效换算被控对象的运动直线运动旋转运动被控对象执行元件直

4、接连接间接连接额定转矩、加减速控制、制动参数匹配联系：?惯量转矩质量力例如：某系统由m个移动部件和n个转动部件组成。移动部件的参数:质量mi（Kg）;运动速度vi（m/s）、负载力Fi（N）转动部件的参数:转动惯量Jj（Kg.m2）;转速或角速度nj-wj（m/s–rad/s）、负载转矩Tj（N.m）。1、求等效转动惯量Jkeq2、求等效负载转矩Tkeq转化的原则：转化前后系统的瞬时动能保持不变。转化前系统的动能总合：假设转化到执行元件的输出轴上，则转化后系统的动能总合：又因为则有1、求等效转动惯量2、求

5、等效负载转矩假设：系统运行时间为t，则系统在此时间内克服负载所做的功为：执行元件所做的功为：由已知：移动部件（工作台、夹具、工件等）的总质量mA=400kg；沿运动方向的负载FL=800N(包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量Jm=4×10-5kg·m2，转速为nm；齿轮轴部件I(含齿轮）的转动惯量JI=5×10-4kg·m2；齿轮轴部件II(含齿轮）的转动惯量JII=7×10-4kg·m2；轴II的负载转矩TL=4N·m；齿轮z1与z2的齿数分别为20和40，模数为1mm。求：等效到电机轴上的等

6、效转动惯量等效到电机轴上的等效转矩参考课本P219解1）求2）求6.2.2执行元件的匹配选择(课本P220）执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验算四部分。直流电机步进电机及驱动步进电机基本结构(1)执行元件的转矩匹配考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩：注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。测算执行元件输出轴上的等效转矩(摩擦负载和工作负载)和等效惯性转矩T惯的总和。例如：机床工作台某轴的伺服电动机输出轴上所受等效负载转矩＝2．5N

7、·m，等效转动惯量为Jmeq=3X10-2kg.m2，由工作台某轴的极限速度换算为电动机输出轴角速度为50rad/s,等加速和等减速时间△t＝0.5s，机械传动系统的总传动效率0.85，求电机轴上的总的等效负载转矩？为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩Tq必须满足等效惯性负载转矩考虑传动效率时等效总负载转矩现在假设选用110B003反应式步进电动机，最大静转矩Tjmax=7.84N·m。当采用三相六拍通电方式，（P97）则其起动转矩为(2)执行元件的功率匹配电机功率的合理确定是执行元

8、件选择的重要参数之一。主要依据电机的等效负载和最高转速确定。常用下式进行预选。再通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。(3)电机的过热验算电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法(励磁磁通近似不变)计算电机的等效转矩(平均转矩)。电机不产生过热的条件为：，(4)过载验算条件6.2.3减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比的确定要考虑三个因素：负载的性质脉冲当量系统的综合要求要求：在某种条件下，减速比达到最佳