机电一体化机械系统设计理论（OK）课件.ppt

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1、华北电力大学Tuesday,August31,2021机电系统工程学第2章机电一体化机械系统设计理论2.1概述2.2机械传动设计的原则2.3机械系统性能分析2.4机械系统的运动控制思考题2.1概述机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要

2、由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。2.1.1机电一体化对机械系统的基本要求1.高精度2.快速响应3.良好的稳定性2.1.2机械系统的组成1.传动机构机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。2.导向机构导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。3.执

3、行机构执行机构是用来完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。2.1.3机械系统的设计思想1.静态设计静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源方式等。2.动态设计动态设计是指研究系统在频率域的特性,借助静态设计的系统结构,通过建立系统各组成环节的数学模型,推导出系统整体的

4、传递函数,并利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。附加：2.1机械传动系统数学模型在机电一体化系统的分析中，质量，弹簧，及阻尼这三个理想的机械元件代表了机械系统各组成部分的本质。另外，机械系统中的负载，驱动力，间隙，死区等因素也直接影响机械系统的性能。2.1机械系统建模中基本物理量的描述一、质量和惯量的转化质量m：指储有直线运动动能的部件属性。力—质量系统mxF(t)转动惯量J：表示具有转动动能

5、的部件属性。转动惯量取决于部件相对转动轴的几何位置和部件的密度。质量和惯量转化的原则：转化前后系统瞬时动能保持不变。即：转动元件的瞬时动能为：移动元件的瞬时动能为：式中m化——转化质量(等效质量)；J化——转化惯量(等效转动惯量)。机床传动机构示意图1、2、3、4—齿轮5—丝杠6—工作台等效质量已知齿轮1、2、3、4及丝杠5和工作台6，其转动惯量J1，J2，J3，J4，J5，工作台6的质量为m6，各齿轮的齿数为Z1，Z2，Z3，Z4，丝杠5螺距为12mm，求工作台6的转化质量。机床传动机构示意图1、2、3、4—齿

6、轮5—丝杠6—工作台二、弹性系数的转化轴向弹性系数k表示位移弹簧的位能。力—弹簧系统F(t)kX(t)扭力弹簧系数或扭转刚度系数k表示旋转弹簧的位能。转矩—扭力弹簧系统T(t)θ(t)k弹性系数的转化旋转传动系统弹性系数的转化：式中k化——转化弹性系数；kj——各构件的弹性系数；ij——各构件到被研究元件间的传动比。此式是对旋转传动系统而言的，如果是移动系统则需要变换。移动系统弹性系数的转化：串联弹簧的等效数学表达式为：并联弹簧的等效其数学表达式为：三、阻尼系数的转化机械系统在工作过程中，相互运动的元件间存在着阻

7、力，并以不同的形式表现出来。如摩擦阻力、流体的阻力以及负载阻力。这些在建立物理模型时都需要进行转化，转化为与速度有关的粘滞阻尼力。(一)直线运动的摩擦FFFF1．静摩擦2．动摩擦3．粘滞摩擦(二)旋转运动的摩擦直线运动的三种摩擦均适用于转动。(三)阻力系统转化为当量粘滞阻尼系数上边讲的系统中存在的阻力性质是不相同的，但系统在运行过程中都要消耗能量是共同的。在数学模型的建立中，只有与构件运动速度成正比的阻力才是可行的。所以，利用摩擦阻力与粘滞阻力所消耗的功相等这一基本原则来求取转化粘滞阻尼系数。2.2机械传动设计的

8、原则2.2.1机电一体化系统对机械传动的要求机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置,是一种扭矩和转速的变换器,其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。在机电一体化系统中,伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构,只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时,才通过传动装置变速