机电一体化系统设计第5章ppt课件.ppt

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1、1机电一体化系统设计第五章机电一体化系统的元、部件的特性分析5.1系统元、部件动态特性5.2传感器的特性分析5.3执行元件的特性分析5.4执行元件与机械结构结合中的若干问题2机电一体化系统设计5.1系统元、部件动态特性机械系统：机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械零件构成的，将一种机械量变换成与目的要求对应的另一种机械量。3机电一体化系统设计包括负载在内的机械总体的动态特性，以传递函数表示为：如果运动变换是非线性变换，用微分方程表示为：4机电一体化系统设计5.1.1变换机构及其运动变换分析线性变换机构：齿轮传动机构挠带传动机构

2、回转—直线变换机构非线性变换机构间歇机构多自由度机器人机构连杆机构凸轮机构5机电一体化系统设计齿轮传动机构传动比：1)定轴轮系指圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动6机电一体化系统设计2)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。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。4)差动齿轮传动7机电一体化系统设计8机电一体化系统设计挠带传动机构a)同步带传动b)链轮链条传动c)绳轮传动9机

3、电一体化系统设计回转－直线线性变换机构a)齿轮齿条机构b)滚珠丝杠机构10机电一体化系统设计间歇机构11机电一体化系统设计多自由度机器人机构12机电一体化系统设计连杆机构13机电一体化系统设计凸轮机构14机电一体化系统设计5.1.2机构静力学特性静力学所研究的问题：机构输出端所受负载(力或转矩)向输入端的换算。机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响。求由上述各种力或重力加速度引起的机构内部各连杆、轴承等的受力。15机电一体化系统设计负载力(或转矩)向输入端的换算16机电一体化系统设计（Fx,δx）＝（Fy,δy）＝Fx=Fy1

4、7机电一体化系统设计机构内部摩擦力的影响线性变换机构：变换关系：18机电一体化系统设计变换关系：非线性变换机构19机电一体化系统设计5.1.3机构动力学特性机构动力学：研究构成机构要素的惯性和机构中各元、部件的刚性引起振动的一门学问。平面运动机构要素的动态力及动态转矩空间运动机构要素的动态力及动态转矩Lagrange公式与动态力（或转矩）向输入端的换算机构输出端的弹性与动态特性20机电一体化系统设计平面运动机构要素的动态力及动态转矩G——刚体重心r——重心的位置矢量θ——刚体回转角ri——重心到受力点的位置矢量m——刚体质量J—

5、—刚体绕其重心的转动惯量21机电一体化系统设计空间运动机构要素的动态力及动态转矩G——刚体重心r——重心的位置矢量Gxsyszs——刚体的固定坐标系(Σs)J——Σs表示的惯性矩阵（3×3）ω(S)——Σs表示的刚体角速度矢量Fi——刚体所受作用力Fi(S)——刚体所受作用力的Σs表示ri(S)——受力点从重心开始的位置矢量的Σs表示22机电一体化系统设计Lagrange公式与动态力(或转矩)向输入端的换算r——重心位置矢量ω——绕重心的回转角速度K——所具有的动能m——要素质量J——绕其重心的转动惯量矩阵该要素所具有的重力势能

6、：23机电一体化系统设计用Lagrange方程可求得其中：—单输入系统输入的角位移—保持运动所需的力或力矩从机构的运动知：可得：24机电一体化系统设计机构输出端的弹性与动态特性降低机构运动精度的因素:柔度：机械零件受力后会有一定的变形，设变形量为δ，其弹簧刚度为F/δ=k，则δ/F称为柔度。高速运动时产生的振动：取决于系统内的固有振动频率ω0,当机构的运动周期一致时，会产生共振。周期运动的速度界限是ω0，闭环系统中的界限为ω0/2。25机电一体化系统设计26机电一体化系统设计运动方程为:27机电一体化系统设计5.2传感器的特性分

7、析机电一体化中传感器输入量多为机械物理量，最终输出应为与控制系统相匹配的电信号物理量。在此过程中要经过一定的参量变换，即需传递函数(动态特性)转换。将力F(y)变换成电荷Q(vs)的是变换器，将电荷Q(vs)变换成电压的是运算电子电路。28机电一体化系统设计传感器检测信号的一般变换过程：输入量与电信号输出量之间的变换关系(传递函数)Gs=GmGmeGe除此之外，有时还需整形滤波、模数转换等信号转换过程。29机电一体化系统设计变换器的变换类型依据变换的物理过程及要求不同，通常分为以下几种形式。1)机械物理量变换加速度、速度、位移等

8、机械物理参量之间的变换。2)电/磁变换机械—电/磁变换、电—磁变换。动电式、静电式、磁阻式、霍尔效应式等。3)压电变换。压电元件4)应变/电阻转换机械位移—阻抗转换。应变片、半导体应变片等。5)光电变换光信号—电信号转换。光电二极管、光敏晶体管。30机电一体化系