有机结合的分析与设计

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1、第六章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计第一节机电一体化系统的稳态与动态设计第二节机电有机结合之一——机电一体化系统稳态设计的考虑方法第三节机电有机结合之二——机电一体化系统动态设计的考虑方法第四节机电一体化系统的可靠性、安全性设计习题与思考题1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。

2、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。第一节机电一体化系统的稳态与动态设计2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。该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元部件的种类、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，以及信号转换的方式等。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计算和动态设计计算。稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件(如电动机)的参数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元

3、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等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。3图1.4机电一体化系统（产品）基本组成4初步确定系统的主回路各部分特性、参数，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。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

4、。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，这对工程实践是必需的，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。随着机电一体化技术的发展，机电一体化系统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。稳态设计动态设计5第二节机电有机结合之一——机电一体化系统的稳态设计考虑方法位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。机械运动是组

5、成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。被控对象(简称负载)的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。一、典型负载61.典型负载分析所谓典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目。在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的综合定量

6、数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。72.负载的等效换算被控对象的运动，有的是直线运动，如机床的工作台X、Y及Z轴，机器人臂部的升降、伸缩运动，绘图机的X、Y方向运动；也有的是旋转运动，如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件(k)的输出轴上，即计算其输出轴承受

7、的等效转动惯量和等效负载转矩(回转运动)或计算等效质量和等效力(直线运动)。89以机床工作台的伺服进给系统为例。下图所示的系统由个移动部件和个转动部件组成。、和分别为移动部分的质量（kg）、运动速度（m/s）和所受的负载力（N）；、和分别为转动部件的转动惯量（）、转速（或）和所受负载转矩（）。1）求等效转动惯量。该系统运动部件的动能总和为：设等效到执行元件输出轴上的总动能为：10由于，故：用工程上常用单位时，可改写上式如下：式中，——执行元件的转速（r/min）.2）求等效负载转矩。设上述系统在时间t内克服负载所做功的总和为：同理，执行元件输出轴在

8、时间t内的转角为则，执行元件所作的功为：，又故：采用工程单位又：11等效负载转矩：等效负载惯量：等效阻尼系数：等效弹簧刚度