机电一体化系统设计第二章优秀PPT.ppt

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1、机电一体化系统设计第二章你现在浏览的是第一页，共36页第一节第一节 机械系统数学模型的建立机械系统数学模型的建立一、机械移动系统一、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你现在浏览的是第二页，共36页你现在浏览的是第三页，共36页你现在浏览的是第四页，共36页二、机械转动系统二、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

2、移动系统数学模型的基本原理仍是牛顿第二定律。这里，(t)为转角，T(t）为扭矩。通过拉氏变换，得到系统的传递函数你现在浏览的是第五页，共36页你现在浏览的是第六页，共36页三、基本物理量的折算三、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，Ti为i轴的负载转矩i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(齿轮的半径或齿数，传动比)成反比，所以有你现在浏览的是第七页，共36页2、粘性阻尼系数的折算 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

3、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。你现在浏览的是第八页，共36页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。你现在浏览的是第九页，共36页数控机床进给系统你现在浏览

4、的是第十页，共36页1转动惯量的折算 将轴I、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、III转动惯量的折算 你现在浏览的是第十一页，共36页(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 你现在浏览的是第十二页，共36页 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一个导程时其阻尼力所做的功，有 你现在浏览的是第十三页，共36页 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

5、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 你现在浏览的是第十四页，共36页(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3，所以轴III上的实际扭转角III为 将各轴的扭转角折算到轴I上，得到系统的当量扭转角 你现在浏览的是第十五页，共36页4系统的数学模型 设输入量为轴I的转角i，输出量为工作台的线位移xo，而o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 你现在浏览的是第十六页

6、，共36页第二节第二节 机械传动系统的特性机械传动系统的特性一、机电一体化对机械传动的要求一、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 它们影响传动精度和运动平稳性。你现在浏览的是第十七页，共36页二、机械传动系统的特性二、机械传动系统

7、的特性转动惯量小转动惯量小 摩擦小摩擦小 阻尼合理阻尼合理 刚度大刚度大 抗振动性能好抗振动性能好 间隙小间隙小 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。

8、你现在浏览的是第十八页，共36页 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0.40.8的欠阻尼，既能保证振荡在 一定的范围内过渡过程较平稳、过渡过程时间较短，又具有较高的灵敏度。4.刚度 刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。所谓失刚度指由零部件变形引起的误差。你现在浏览的是第十九页，共36页5谐振频率 设计时使外界的激振

9、频率避开系统的固有频率时，以免系统产生谐振而不能正常工作。为减少机械传动部件的转矩反馈对电动机动态性能的影响，机械部件的谐振频率必须大于电气驱动部件的谐振频率。6间隙 间隙将使机械传动系统中间隙产生回程误差，影响伺服系统中位置环的稳定性。间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、联轴器的扭转间隙等。在机电一体化系统中，为了保证系统良好的动态性能，要尽可能避免间隙的出现。当间隙出现时，要采取消隙措施。你现在浏览的是第二十页，共36页(1)齿轮传动齿侧间隙的消除 1)刚性消隙法 刚性消隙法是在严格控制轮齿齿厚和齿距误差的条件下进行的，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但

10、能提高传动刚度。偏心轴套式消隙机构如图2-18所示。电动机1通过偏心轴套2装在箱体上。转动偏心轴套可调整两齿轮中心距，消除齿侧间隙。图2-18 偏心轴套式消隙机构1-电动机 2-偏心轴套 你现在浏览的是第二十一页，共36页 锥齿轮消除间隙的结构如图2-19所示。将齿轮1、2的分度圆柱改为带锥度的圆锥面，使齿轮的齿厚在轴向产生变化。装配时通过改变垫片3的厚度，来改变两齿轮的轴向相对位置，以消除侧隙。图2-19 锥度齿轮消隙机构1、2-齿轮 3-垫片 图2-20 斜齿圆柱齿轮消隙机构1、2-窄斜齿圆柱齿轮 3-垫片 4-宽齿轮 你现在浏览的是第二十二页，共36页2)柔性消隙法 指调整后齿侧间隙可以

11、自动补偿。采用这种消隙方法时，对齿轮齿厚和齿距的精度要求可适当降低，但对影响传动平稳性有负面影响，且传动刚度低，结构也较复杂。图2-21 双齿轮错齿式消隙机构 1、2-薄片齿轮 3、4-凸耳 5-调节螺钉 6、7-螺母 8-弹簧 你现在浏览的是第二十三页，共36页图2-22 碟形弹簧消隙机构1、2-薄片斜齿圆柱齿轮 3-碟形弹簧 4-垫片 5-螺母 6-宽齿轮 你现在浏览的是第二十四页，共36页图2-23 压力弹簧消隙机构 1-锥齿轮外圈 2-锥齿轮内圈 3-锥齿轮 4-凸爪 5-螺钉 6-弹簧 7-镶块 8-圆弧槽 你现在浏览的是第二十五页，共36页图2-24 双斜齿圆柱齿轮消隙机构1、3-

12、从动斜齿圆柱齿轮轴 2-主动斜齿圆柱齿轮轴 4、5-直齿圆柱齿轮 你现在浏览的是第二十六页，共36页(2)丝杠螺母间隙的调整 丝杠螺母传动系统的轴向间隙的调整既要考虑轴向间隙（丝杠静止时螺母沿轴向的位移量）又要考虑滚珠与滚道的接触弹性变形。丝杠螺母传动系统的调隙一般采用双螺母结构。图2-25 垫片式调隙机构 你现在浏览的是第二十七页，共36页图2-26 螺纹式调隙机构 你现在浏览的是第二十八页，共36页图2-27齿差式调隙机构 你现在浏览的是第二十九页，共36页提高传动精度的结构措施有：(1)适当提高零部件本身的精度；(2)合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；(3)采用消

13、隙机构，以减少或消除空程。合理设计传动链方法(1)合理选择传动型式；(2)合理确定级数和分配各级传动比；(3)合理布置传动链。第三节第三节 机械传动装置机械传动装置你现在浏览的是第三十页，共36页 在传动链的设计中，各种不同型式的传动，达到的精度是不同的。一般说来，圆柱直齿轮与斜齿轮机构的精度高，蜗杆、蜗轮机构次之，圆锥齿轮则更次之。在行星齿轮机构中，谐波齿轮精度最高，渐开线行星齿轮机构、少齿差行星齿轮机构次之，摆线针轮行星齿轮机构更次之。减少传动级数，就可减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。对减速传动链，各级传动比宜从高速级开始，逐级递增，且在结构空间允许的前提下，尽量提高末级传动比。一

14、般来说，减速传动采用大的传动比，可使从动轮半径增大，从而提高了角值精度。你现在浏览的是第三十一页，共36页一、齿轮传动 齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置，主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确，且强度大、能承受重载、结构紧凑、摩擦力小、效率高。1齿轮传动总传动比的选择 用于伺服系统的齿轮传动一般是减速系统，其输入是高速、小转矩，输出是低速、大转矩。要求齿轮系统不但有足够的强度，还要有尽可能小的转动惯量，在同样的驱动功率下，其加速度响应为最大。为此，通常采用负载角加速度最大采用负载角加速度最大原则选择总传动比原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。你现在浏览的是第三十

15、二页，共36页2齿轮传动链的级数和各级传动比的分配 减少传动级数，就可减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。因此，传动链级数应尽量减少。虽然周转轮系可以满足总传动比的要求，且结构紧凑，但由于效率等原因，常用多级圆柱齿轮传动副串联组成齿轮系。齿轮副级数的确定和各级传动比的分配，按以下三种不同原则进行。(1)最小等效转动惯量原则分配传动比 数控机床正反方向动作频繁，因此，按最小等效转动惯量的原则确定传动级数和分配各级传动比，有利于实现传动的快速性、平稳性和准确性的要求。最小等效转动惯量是指传动链中各个齿轮折算到输入轴上的等效转动惯量Je，应为最小。根据等效转动惯量的计算公式进行计算。分配结果应为

16、“前小后大”你现在浏览的是第三十三页，共36页(2)质量最小原则分配传动比 重量最轻是指齿轮传动链中所有各齿轮的重量之和最轻。这个指标对于仪器或精密设备很重要，尤其是飞行器中的仪器装置更是如此。对于小功率传动装置各级传动比分配的结果应为i1=i2=in 而对大功率传动装置，各级传动的参数不同，后级数值较大，为使机构重量最轻，各级传动比应按“前大后小”的分配原则。(3)输出轴的转角误差最小原则 在减速齿轮传动链中，从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列，则总转角误差较小，且低速级的转角误差占的比重很大。因此，为了提高齿轮传动精度，应减少传动级数，并使末级齿轮的传动比尽可能大，制造精度

17、尽量高。你现在浏览的是第三十四页，共36页(4)三种原则的选择上述三项原则的选择，应根据具体的工作条件综合考虑。1)对于以提高传动精度和减小回程误差为主的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。若为增速传动链，则应在开始几级就增速。2)对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好的伺服减速传动链，可按最小等效转动惯量和输出轴转角误差最小原则进行设计。对于负载变化的齿轮传动装置，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同时啮合。3)对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则进行设计。4)对于传动比很大的齿轮传动链，可把定轴轮系和行星轮系结合使用。你现在浏览的是第三十五页，共36页四、机械传动系统方案的选择 机电一体化系统或产品对机械系统要求精度高、运行平稳、工作可靠，这不仅是机械传动和结构本身的问题，而且要通过控制装置，使机械传动部分与伺服电机的动态性能相匹配，在设计过程中要综合考虑这几部分的相互影响。对于伺服机械传动系统，一般要求具有高的机械固有频率、高刚度、合适的阻尼、线性的传递性能、小惯量等，这些都是保证伺服系统具有良好的伺服特性(精度、快速响应、稳定性)所必需的。设计过程中应考虑多种设计方案，优化评价决策，反复比较，选出最佳方案。你现在浏览的是第三十六页，共36页