元部件特性分析ppt培训课件

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1、机电一体化系统设计第五章机电一体化系统元、部件的特性分析高等教育出版社机电工程系第五章机电一体化系统元部件的特性分析机电一体化系统中的机械系统、传感检测系统、执行元件系统、电子信息处理控制系统等，由于各子系统的输入/输出之间不一定成比例关系，但总存在某种频率特性关系（动态特性或传递函数），如线性或非线性特性。正确分析掌握这些频率特性，对有效地设计机电一体化系统或产品是非常重要的。本章节重点掌握和了解机械系统、传感系统和执行元件系统等的基本特性，从机电一体化系统构成要素的角度出发掌握其分析方法。第5.1节机械系统特性机械系统

2、主功能：将一机械物理量变换成与目的相对应的另一机械物理量（运动参量、力/力矩参量）。机械系统的基本特性要求：在具有承担外载荷足够的强度（бb,бs,бp）和刚度（结构刚度、接触刚度和局部刚度）的前提下，质量和惯量要小，系统响应要快，带负载的能力要强。（1）一般线性机械系统的动态特性（传递函数）：X(s)/Fx(s)=1/[(Jm+JL/i2)s2]典型机械系统的动态特性（传递函数）：·齿轮减速：Y=f(x)=(1/i)x·只有机构转动惯量：X(s)/Fx(s)=1/Jms2·只有负载转动惯量：X(s)/Fx(s)=1/(J

3、L/i2)s2（2）非线性机械系统的动态特性（传递函数）：5.1.1变换机构及其运动变换分析机电一体化系统中所用的机械变换机构有：齿轮传动机构（线性）、柔性带/链传动机构（线性）、回转/直线机构（线性）、间歇机构（非线性）、连杆机构（非线性）、凸轮机构（非线性）等。（1）齿轮变换机构特性1）定轴轮系指圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。传动变换特性：i=θ1/θ22）行星齿轮传动一般由中心轮、行星轮、内齿轮、行星架等组成。依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性也有所不同。如图所示的行星齿轮传动，传动变换特性为：

4、3）谐波齿轮传动由谐波发生器（轮）、柔性轮、刚性轮等组成。依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性同样有所不同。如图所示的谐波齿轮传动，传动变换特性为：4）差动齿轮传动如图所示差动齿轮传动，传动变换特性为：（2）柔性带/链传动机构主要指同带传动（平带、三角形带、步齿型带），纲带传动，链轮传动，绳轮传动等。具有传动距离较远，可略改变传动轴的方向，但采用摩擦传动，由于滑动将影响传递精度，同时需要张紧机构。传动变换特性为：i=Z2/Z1或I=d2/d1（3）回转/直线线性变换机构主要有齿轮齿条机构、滑动丝杠螺母传动机构和滚动

5、丝杠螺母传动机构。传动变换特性为：V=pz1n1或V=pk1n1（L=pk1）（4）间歇传动机构通常为非线性变换机构，变换关系比较复杂如图所示。传动变换特性为：（5）多自由度非线性变换机构多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。1）连杆机构连杆机构的特点：具有刚性大，运动速度高，改变连杆尺寸参数可实现需要的运动，对力/力矩和运动轨迹/速度具有放大或缩小的功能。但连杆机构一般只能实现一定范围内的运动，在某些点上近似地满足输入与输出之间函数关系、运动关系一旦确定就不能改变。连杆机构主要有：平面/空间连杆机构、多自由度串

6、联机构和并联机构、直线平移机构等。2）凸轮机构凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复合运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓形状保证。但凸轮机构的传动效率较低，凸轮轮廓形状生产制造困难。5.1.2机构静力学特性机构静力学所研究的主要问题：*机构输出端所受负载（力或力矩）向输入端的换算。——机电有机结合研究的主要问题。*机构内部的摩擦力（或转矩）对输入端的影响。——机电有机结合研究的主要问题。*求外载荷、内部作用力、重力/惯性加速度引起机构内部各元件的受力。——机构学强度、刚度、振动研究的主要问题。（1）负载力（或转矩）向输入端

7、的转算在机构内部摩擦损失小时，应用虚功原理便可得到输出负载向输入端的换算。1）单输入—单输出机械系统2）多输入—多输出机械系统输入功的总和与输出功的总和：输入力与输出负载的关系：（2）机构内部摩擦力的影响机构内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出变换关系难于确定。但对于线性系统而言，变换关系的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关。1）机械线性变换机构主要有丝杠螺母传动机构和齿轮齿条传动机构。如丝杠螺母传动机构，在x向和y向的传动分力Fx,Fy：可推导出：Fy向Tx转换的变换系数为：——该值有所变化2）非线性变换机构由

8、于机械变换中固然存在摩擦阻力，一般情况下，非线性变换机构的变换关系具有不确定性，将会影响机电一体化系统的整体特性，因此，在机械变换机构设计时，应尽可能地减少机械传动的摩擦阻力。例如曲柄滑块机构其输入动力T与输出外载荷Fy的关系可写为：其中：5.1.3机构动力学特征机构动力学是研究机构要素的惯性、机构中各