[工学]第6章：机电有机结合的分析与设计

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1、第六章机电有机结合的分析与设计目录6.1概述6.2机电有机结合之一----机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.3机电有机结合之二----机电一体化系统的动态设计考虑方法6.3可靠性、安全性设计6-1概述工作台电机执行元件驱动器信息处理系统（计算机）动力源传感器数控机床的基本构成机电一体化系统设计过程是机电有机结合即机电参数相互匹配的过程。设计步骤：1、了解被控对象的特点和对系统的具体要求，制定出系统的控制方案；方案包括：系统主要元部件的种类各部分之间的联接方式系统的控制方式所需能源形式校正补偿方法信号转换的方式等。2、进行稳态分析计算包括：使输出参数达到技术要求；执行元件

2、的参数选择；功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算；主要元部件的选择与控制电路设计；信号的有效传递；各级增益的分配；各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施。3、确定系统的数学模型主要是设计补偿装置4、进行动态设计计算5、试验与调试6-2机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计的考虑方法数控机床机械进给伺服传动系统模型MjnkniFjvjJi、Ti一、负载分析1、确定系统负载系统负载包括：惯性负载外力负载弹性负载摩擦负载等2、负载的等效换算目的：将系统全部负载折算到电机轴上，以确定所选电机的最大输出。系统由m个移动部件和n个转动部件组成Mj、Vj、Fj分别为第i移动部件的质量（kg）、

3、运动速度（m/min)和所受的负载力（N）MjnkniFjvjJi、TiJi、ni、Ti分别为转动部件的转动惯量（kgm2)转速（r/min)和所受负载力矩（N.m）（1）求等效转动惯量J系统运动部件的动能总和为：等效到电机轴上的总动能为：根据能量守恒定理E=Ek，则工作台速度vj的计算：1）齿轮齿条传动m——齿轮模数Z——齿轮齿数n——齿轮转速2）丝杠传动：vj-------工作台的移动速度（m/min）L0------丝杠的基本导程（m）nj-------丝杠的转速（转/min）（2）等效力矩的计算T的计算系统在时间t内克服负载作的功的总和为：折算到电机轴的功为：等效

4、力矩为：二、执行元件的匹配选择尽量选用标准化商品；执行元件的选择步骤：1、确定执行元件的类型2、选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。（1）系统执行元件的转矩匹配执行元件输出轴上总转矩包括：等效负载力矩[T]等效惯性负载力矩电机轴上的总负载力矩为：T∑=[T]+T惯考虑到机械系统效率时，电机轴上的总负载力矩为：T’∑=T∑/(---机械系统总的传动效率）若选择步进电机，为满足电机在带负载时能正常启动和定位停止，要求：步进电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有下列关系：步进电机相数345拍数36485100.50.8660.7070.7070.8090.951所选步进

5、电机的最大静态转矩应为：例如假设所选电机为三相六拍电机，步距角为0.750,Tmax≥2.5(N.m)查表3-8，选择型号为110BF004的步进电机。进行校验。2、系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电机）P-------预选电机的估算功率Pnmax---电机的最高转速（r/min)max---电机的最高角加速度(rad/s)-------考虑电机、减速器等的功率系数式中：验算（1）过热验算当负载力矩为变量时，应用等效法求其等效转矩Tdx,在电机激磁磁通近似不变时：t1、t2….时间间隔在此时间间隔内的负载力矩分别为T1、T2。。所选电机的不过热条件为：nN--

6、-电机的额定转速（r/min)TN---电机的额定转矩(N.m)PN---电机的额定功率（W）Pdx---由等效转矩Tdx换算的电机功率（2）过载验算T∑max-----瞬时最大负载转矩TN-------电机的额定转矩K---------为电机的过载系数三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比主要根据负载特性、脉冲当量和系统的综合要求来选择确定。在设计中供参考用1、使加速度最大的选择方法TLF---负载转矩Tm---额定转矩JL---负载惯量Jm----电机转动惯量2、最大输出速度选择方法f1---电机的粘性摩擦系数f2---负载的粘性摩擦系数3、满足基本传动系统的选

7、择方法----步进电机步距角L0---丝杠螺距----系统脉冲当量四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置和电源等的匹配选择与设计伺服系统的稳态设计包括：1）从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置2）从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道伺服系统的动态设计包括：设计适当的校正补偿装置；完善电源电路及其它辅助电路。1、检测传感装置的要求满足传感器的基本要求；信号的转换要迅速及时，信噪比大；装置的转动惯量尽量小；性能要稳定可靠等。2、信号转换电路的要求尽量选用商品化的集成电路要有