机电一体化系统设计ppt课件.ppt

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1、机械系统设计机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作，传递功率、运动和信息，支撑连接相关部件等。一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。第一节机械系统数学模型的建立一、机械移动系统机械移动系统的基本单元是质量(M)、阻尼(C)和弹簧(K)，建立机械移动系统数学模型的基本原理是牛顿第二定律。牛顿第二定律：物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质

2、量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。F=ma通过拉氏变换，得到系统的传递函数二、机械转动系统机械转动系统的基本单元是转动惯量(J)、阻尼(C)和弹簧(K)，建立机械移动系统数学模型的基本原理仍是牛顿第二定律。这里，θ(t)为转角，T(t）为扭矩。通过拉氏变换，得到系统的传递函数三、基本物理量的折算1、转动惯量的折算根据动平衡原理其中Ti为i轴的输入转矩，T’i为i轴的负载转矩ωi为i轴的角速度。对于一对啮合齿轮的轴来说，由于轴II的输入转矩是从轴I上的负载转矩获得的，且与他们的转速成反比，所以有2、粘性阻

3、尼系数的折算机械系统的相对运动元件之间存在着粘性阻尼，并以一定的形式表现出来。在机械系统数学建模过程中，粘性阻尼同样需要折算到某一部件上，求出系统的当量阻尼系数。其基本方法是将摩擦阻力、流体阻力及负载阻力折算成与速度有关的粘性阻尼力，再利用摩擦阻力与粘性阻尼力所消耗的功相等这一原则，求出粘性阻尼系数，最后进行相应的当量阻尼系数折算。3、刚度系数的折算机械系统中各元件在工作时受到力和力矩的作用，将产生伸长(或压缩)和扭转等弹性变形，这些变形将影响整个系统的精度和动态性能。在机械系统的数学建模中，需要将其折算成相应

4、的当量扭转刚度系数和线性刚度系数。4、系统的数学模型将基本物理量折算到某一部件后，即可按单一部件对系统进行建模。数控机床进给系统1．转动惯量的折算将轴I、Ⅱ、III上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴I上，作为系统总转动惯量。(1)轴I、Ⅱ、III转动惯量的折算(2)工作台质量的折算根据动力平衡关系，丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功，对于工作台和丝杠有(3)折算到轴I上的总转动惯量2．粘性阻尼系数的折算当只考虑阻尼力时，根据工作台和丝杠之间动力关系，丝杠旋转一周所做的功等于工作台前进

5、一个导程时其阻尼力所做的功，有3．刚度系数的折算首先将各轴的扭转角折算到轴I上，丝杠与工作台之间的轴向弹性变形会使轴III产生一个附加扭转角，所以也要折算到轴I上，然后求出折算到轴I上的系统的当量刚度系数。(1)轴向刚度系数的折算(2)扭转刚度系数的折算根据动力平衡和传动关系有因为丝杠和工作台之间的轴向弹性变形，使得轴III产生了一个附加扭转角Δθ3，所以轴III上的实际扭转角θIII为将各轴的扭转角折算到轴I上，得到系统的当量扭转角4．系统的数学模型设输入量为轴I的转角θi，输出量为工作台的线位移xo，而θo

6、为工作台位移折算到I轴上的等效当量转角，负载为零，则可以得到数控机床进给系统的数学模型第二节机械传动系统的特性一、机电一体化对机械传动的要求1、高精度2、快速响应3、良好的稳定性影响机电一体化系统中传动链动力学性能的因素一般有以下几个：(1)负载的变化负载包括工作负载、摩擦负载等。要合理选择驱动电动机和传动链，使之与负载变化相匹配。(2)传动链惯性惯性既影响传动链的启停特性，又影响控制系统的快速性、定位精度和速度偏差的大小。(3)传动链固有频率固有频率影响系统谐振和传动精度。(4)间隙、摩擦、润滑和温升它们影响

7、传动精度和运动平稳性。二、机械传动系统的特性转动惯量小摩擦小阻尼合理刚度大抗振动性能好间隙小1．转动惯量转动惯量大会使机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易产生谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。2．摩擦两物体接触面间的摩擦力在应用上可简化为粘性摩擦力、库仑摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向(或由运动趋势方向)相反。粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比；库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力，其

8、最大值发生在相对开始运动前的一瞬间，运动开始后静摩擦力即消失。机电一体化系统对机械传动部件的摩擦特性的要求为：静摩擦力尽可能小。动摩擦力应为尽可能小的正斜率，反之若为负斜率则易产生爬行、降低精度、减少寿命。3．阻尼在实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼。阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。实际应用中一般取0.4≤ξ≤0.8的欠