机电一体化机械系统设计理论ppt课件.ppt

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1、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2.1.1机电一体化对机械系统的基本要求1.高精度高精度的机械系统是机电一体化系统完成精确机械操作的基础。如果机械系统的精度的精度不能满足要求，则无论其他子系统工作如何精确，也无法完成电一体化系统预定的机械操作。2.快速响应要求机械系统从接到指令到开始执行之间的时间间隔短，这样控制系统才能根据机械系统的运行情况获取信息，进行决策，下达指令，使其精确地完成任务。3.良好的稳

2、定性机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强。为确保机械系统的上述特性，在设计中通常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率和适当的阻尼比等要求。此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和寿命长等特点。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

3、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。还有轴系、机座或机架一共5大部分。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。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,推导出系统整体的传递函数,并利用

4、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）。2.2机械传动设计的原则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。由于机电一体化系统对快速响应指标要求很高，机械传动

5、装置不仅仅是解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题。而更重要的是为了提高系统的伺服性能。为了提高机械系统的伺服性能，机电一体化系统要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。2.2.2总传动比的确定机电一体化系统的传动装置在满足伺服电机与负载的力矩匹配的同时，应具有较高的响应速度，即启动和制动速度。因此，在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则（同一驱动功率时，其加速度为最大）选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。传动模型如

6、图2-1所示。图2-1电机、传动装置和负载的传动模型Jm——电动机M的转子的转动惯量；θm——电动机M的角位移；JL——负载L的转动惯量；θL——负载L的角位移；TLF——摩擦阻抗转矩；i——齿轮系G的总传动比。根据传动关系有：式中:——电动机的角位移、角速度、角加速度；——负载的角位移、角速度、角加速度。TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF/i；JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为

7、(2-2)式(2-2)中若改变总传动比i,则也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令,则解得若不计摩擦,即TLF＝0,则(2-3)式(2-3)表明,得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。2.2.3传动链的级数和各级传动比的分配多级齿轮传动链的级数和各级传动比的分配，在原则上有三种方法：1.等效转动惯量最小原则；2.质量最轻原则

8、；3.输出轴上转角误差最小原则。图2-2电动机驱动的两级齿轮传动1.等效转动惯量最小原则齿轮系传递的功率不同,其传动比的分配也有所不同。1）小功率传动装置电动机驱动的二级齿轮传动系统如图2-2所示。由于功率小,假定各主动轮具有相同的转动惯量J1,轴与轴承转动惯量不计,各齿轮均为实心圆柱齿轮,且齿宽b和材料均相同,效率不计,则有式中：i1、i2——齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比；i——齿轮系总传动比,；i=i1i2。若d为齿轮分度圆