《部件特性分析》PPT课件.ppt

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1、机电系统工程学第五章第五章机电一体化系统元、部件的特性分析机电一体化系统元、部件的特性分析 讲授：郑海明讲授：郑海明机机 械械 工工 程程 系系前言前言 自动控制理论与机电一体化系统自动控制理论与机电一体化系统 自动控制理论是机电一体化系统的控制基础，随着机电一体化技术的发展，控制理论在机电一体化系统中的应用越来越广泛。机电一体化系统的操作过程控制目的有两个，其一是根据操作条件的变化，制定最佳操其一是根据操作条件的变化，制定最佳操作方案；其二是对操作过程进行自动检测和自作方案；其二是对操作过程进行自动检测和自动控制，提高控制性能，实现规定的目的功能。动控制，提高控制性能，实现规定的目的功能。在

2、机电一体化系统中，伺服控制的首要目伺服控制的首要目标是系统的输出，要尽可能使输出量跟踪随时标是系统的输出，要尽可能使输出量跟踪随时刻变化的输入量，因此，对抗外部干扰的能力刻变化的输入量，因此，对抗外部干扰的能力要求更高要求更高。对被控对象来说，系统的各构成要素的特性参数比较容易掌握，而随操作条件和环境条件变化的过程控制较难掌握，为此，以反馈控制理论反馈控制理论为基础的控制理论是机电一体化系统不可缺少的理论基础。|“反馈”是通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是反馈控制的目标是使该偏差为零使该偏差为零。在设计机电一

3、体化系统的控制系统时，首先首先必须明确其静态和动态特性要求，研究其外部干扰的形式、强弱、持续时间及其作用点，其其次次，必须选择具有适合该系统特性的调节器、检测传感器及执行元件。|在经典控制理论中，研究机电体化系统的动态特性是以传递函数传递函数为基础的，而传递函数是通过数学中的拉普拉斯变换拉普拉斯变换定义的。|当系统(或执行元件)的运动能够用相关定律(如电学、热学、力学等的某些定律)描述时，该系统(或执行元件)的传递函数就可用理论推导理论推导的方法求出。对那些无法用相关定律推导其传递函数的系统(或执行元件)，可用实验法实验法建立其传递函数。一、“反馈”的涵义二、系统的过渡过程特性二、系统的过渡过

4、程特性三、伺服系统及其动态特性三、伺服系统及其动态特性四、采样控制简介四、采样控制简介|1.采样控制概念流经系统信号流经系统信号的性质：|流经系统的信号随时间连续变化时，则称系统为连续时间系统，其信号为连续时间信号连续时间信号；在系统中，只要有一个地方的信号是脉冲信号或数字信号时，就称系统为离散系统或称采样离散系统或称采样系统系统，其脉冲信号或数字信号称为离散信号或采样信号离散信号或采样信号。|所谓采样采样是指将连续时间信号将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一般的采样系统和数字控制系统。|下面通过一个一般采样控制系统实例，介绍采样控制的有关概念

5、。左图是炉温控制系统原理图。2.数字控制系统 由于采样系统中存在脉冲(或数码)信号，所以不能利用拉氏变换的方法建立各元件的传递函数。通常用z变换变换方法来研究采样系统。关于z变换，需要时请同学们阅读其他有关参考书。3.采样系统的研究方法 第五章第五章 机电一体化系统元部件的特性分析机电一体化系统元部件的特性分析 机电一体化系统中的机械系统、传感检测机电一体化系统中的机械系统、传感检测系统、执行元件系统、电子信息处理控制系系统、执行元件系统、电子信息处理控制系统等，由于各子系统的输入统等，由于各子系统的输入/输出之间不一定输出之间不一定成比例关系，但总存在某种频率特性关系成比例关系，但总存在某种

6、频率特性关系（动态特性或传递函数），如线性或非线性（动态特性或传递函数），如线性或非线性特性。正确分析掌握这些频率特性，对有效特性。正确分析掌握这些频率特性，对有效地设计机电一体化系统或产品是非常重要的。地设计机电一体化系统或产品是非常重要的。本章节重点掌握和了解机械系统、传感系本章节重点掌握和了解机械系统、传感系统和执行元件系统等的基本特性，从机电一统和执行元件系统等的基本特性，从机电一体化系统构成要素的角度出发掌握其分析方体化系统构成要素的角度出发掌握其分析方法。法。第第5.1节节 机械系统特性机械系统特性 机机械械系系统统主主功功能能：将将一一机机械械物物理理量量变变换换成成与与目目的的

7、相相对应的另一机械物理量（运动参量、力对应的另一机械物理量（运动参量、力/力矩参量）。力矩参量）。机机械械系系统统的的基基本本特特性性要要求求：在在具具有有承承担担外外载载荷荷足足够够的的强强度度（b b,s s,p p）和和刚刚度度（结结构构刚刚度度、接接触触刚刚度度和和局局部部刚刚度度）的的前前提提下下，质质量量和和惯惯量量要要小小，系系统统响响应要快，带负载的能力要强应要快，带负载的能力要强。（1）一般线性机械系统的动态特性（传递函数）：）一般线性机械系统的动态特性（传递函数）：X(s)/FX(s)/Fx x(s)=1/(J(s)=1/(Jm m+J+JL L/i/i2 2)s)s2 2

8、 典型机械系统的动态特性（传递函数）：典型机械系统的动态特性（传递函数）：齿轮减速齿轮减速：Y=f(x)=(1/i)xY=f(x)=(1/i)x 只有机构转动惯量：只有机构转动惯量：X(s)/FX(s)/Fx x(s)=1/J(s)=1/Jm ms s2 2 只有负载转动惯量：只有负载转动惯量：X(s)/FX(s)/Fx x(s)=1/(J(s)=1/(JL L/i/i2 2)s)s2 2（2）非线性机械系统的动态特性（传递函数）：非线性机械系统的动态特性（传递函数）：5.1.1 变换机构及其运动变换分析变换机构及其运动变换分析 机电一体化系统中所用的机械变换机构有：齿轮机电一体化系统中所用的

9、机械变换机构有：齿轮传动机构（线性）、柔性带传动机构（线性）、柔性带/链传动机构（线性）、链传动机构（线性）、回转回转/直线机构（线性）、间歇机构（非线性）、连直线机构（线性）、间歇机构（非线性）、连杆机构（非线性）、凸轮机构（非线性）等。杆机构（非线性）、凸轮机构（非线性）等。（1 1）齿轮变换机构特性齿轮变换机构特性 1 1）定轴轮系定轴轮系 指圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。指圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。传动变换特性：传动变换特性：i=i=1 1/2 2 2）行星齿轮传动行星齿轮传动 一般由中心轮、行星轮、内齿轮、行星架等组成。一般由中心轮、行星轮、内齿轮、行星架

10、等组成。依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性也有所不同。也有所不同。如图所示的行星齿轮传动，传动变换特性为：3）谐波齿轮传动谐波齿轮传动 由谐波发生器（轮）、柔性轮、刚性轮等组由谐波发生器（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。变换特性同样有所不同。如图所示的谐波齿轮传动，传动变换特性为：如图所示的谐波齿轮传动，传动变换特性为：4）差动齿轮传动差动齿轮传动 如图所示差动齿轮传动，如图所示差动齿轮传动，传动变换特性为：传动变换特性为：（2 2）柔性带）柔性带

11、/链传动机构链传动机构 主要指同带传动（平带、三角形带、步齿型主要指同带传动（平带、三角形带、步齿型带），钢带传动，链轮传动，绳轮传动等。具带），钢带传动，链轮传动，绳轮传动等。具有传动距离较远，可略改变传动轴的方向，但有传动距离较远，可略改变传动轴的方向，但采用摩擦传动，由于滑动将影响传递精度，同采用摩擦传动，由于滑动将影响传递精度，同时需要张紧机构。时需要张紧机构。传动变换特性为：传动变换特性为：i=Z2/Z1 或或 I=d2/d1（3 3）回转）回转/直线线性变换机构直线线性变换机构 主要有齿轮齿条机构、滑动丝杠螺母传动机主要有齿轮齿条机构、滑动丝杠螺母传动机构和滚动丝杠螺母传动机构。构

12、和滚动丝杠螺母传动机构。传动变换特性为：传动变换特性为：V=pz1n1 或或 V=pk1n1（L=pk1）（4 4）间歇传动机构）间歇传动机构 通常为非线性变换机构，变换关系比较复杂如图所示。传动变换特性为：传动变换特性为：（5 5）多自由度非线性变换机构）多自由度非线性变换机构 多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。1）连杆机构）连杆机构 连杆机构的特点：连杆机构的特点：具有刚性大，运动速度高，改变具有刚性大，运动速度高，改变连杆尺寸参数可实现需要的运动，对力连杆尺寸参数可实现需要的运动，对力/力矩和运动轨力矩和运动轨迹迹/速度具有放

13、大或缩小的功能。但速度具有放大或缩小的功能。但连杆机构一般只能连杆机构一般只能实现一定范围内的运动实现一定范围内的运动，在某些点上近似地满足输入，在某些点上近似地满足输入与输出之间函数关系、运动关系一旦确定就不能改变。与输出之间函数关系、运动关系一旦确定就不能改变。连杆机构主要有：连杆机构主要有：平面平面/空间连杆机构、多自由度串空间连杆机构、多自由度串联机构和并联机构、直线平移机构等。联机构和并联机构、直线平移机构等。2）凸轮机构 凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复合凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复合运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓形状运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓形状保证。

14、但凸轮机构的传动效率较低，凸轮轮廓保证。但凸轮机构的传动效率较低，凸轮轮廓形状生产制造困难。形状生产制造困难。5.1.2 机构静力学特性机构静力学特性机构静力学所研究的主要问题：机构静力学所研究的主要问题：*机构输出端所受负载（力或力矩）向输入机构输出端所受负载（力或力矩）向输入端的换算端的换算。机电有机结合研究的主要问题。机电有机结合研究的主要问题。*机构内部的摩擦力（或转矩）对输入端的机构内部的摩擦力（或转矩）对输入端的影响影响。机电有机结合研究的主要问题。机电有机结合研究的主要问题。*求外载荷、内部作用力、重力求外载荷、内部作用力、重力/惯性加速度惯性加速度引起机构内部各元件的受力。引起

15、机构内部各元件的受力。机构学强度、刚度、振动研究的主要机构学强度、刚度、振动研究的主要问题。问题。（1）负载力（或转矩）向输入端的转算）负载力（或转矩）向输入端的转算 在机构内部摩擦损失小时，在机构内部摩擦损失小时，应用应用虚功原理虚功原理便可得到输出便可得到输出负载向输入端的换算。负载向输入端的换算。1）单输入）单输入单输出机械系统单输出机械系统2）多输入）多输入多输出机械系统多输出机械系统 输入功的总和与输出功的总和：输入功的总和与输出功的总和：输入力与输出负载的关系：输入力与输出负载的关系：（2）机构内部摩擦力的影响）机构内部摩擦力的影响 机构内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出机构

16、内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出变换关系难于确定。但变换关系难于确定。但对于线性系统而言，变换关系对于线性系统而言，变换关系的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关。1）机械线性变换机构）机械线性变换机构 主要有丝杠螺母传动机构和齿轮齿条传动机构。主要有丝杠螺母传动机构和齿轮齿条传动机构。如丝杠螺母传动机构，在如丝杠螺母传动机构，在x向和向和y向的传动分力向的传动分力Fx,Fy：可推导出：可推导出：Fy 向向Tx 转换的转换的变换系数为：变换系数为：该值有所变化该值有所变化2）非线性变换机构 由于机械变换中固然存在摩擦阻力，由于机械变换中固然

17、存在摩擦阻力，一般情况下，非线性变换机构的变换关一般情况下，非线性变换机构的变换关系具有不确定性，将会影响机电一体化系具有不确定性，将会影响机电一体化系统的整体特性，因此，系统的整体特性，因此，在机械变换机在机械变换机构设计时，应尽可能地减少机械传动的构设计时，应尽可能地减少机械传动的摩擦阻力。摩擦阻力。例如曲柄滑块机构其输入动力其输入动力T与输出外载荷与输出外载荷Fy的关系可写为：的关系可写为：其中：其中：5.1.3 机构动力学特征 机构动力学是机构动力学是研究机构要素的惯性、机构中各元研究机构要素的惯性、机构中各元部件的刚性所产生的振动问题部件的刚性所产生的振动问题。主要研究内容：主要研究

18、内容：（1）平面运动机构要素的动态力和动态转矩。）平面运动机构要素的动态力和动态转矩。刚体动力学问题。刚体动力学问题。（2）空间运动机构要素的动态力和动态转矩。）空间运动机构要素的动态力和动态转矩。刚体动力学问题。刚体动力学问题。（3）Lagrange公式与动态力或转矩向输入端的换算。公式与动态力或转矩向输入端的换算。刚体动力学问题。刚体动力学问题。（4）机构输出端的弹性与动态特性。）机构输出端的弹性与动态特性。弹性动力学问题。弹性动力学问题。由于动力学问题的研究较为复杂，在此不做讲解。由于动力学问题的研究较为复杂，在此不做讲解。5.2 传感器的特性分析 机电一体化中传感器输入量多机械物理量，

19、最终输机电一体化中传感器输入量多机械物理量，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）中要经过一定的参量变换，即需传递函数（动态特性）转换。转换。传感器检测信号的一般变换过程：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）输入量与电信号输出量之间的变换关系（传递函数）Gs=Gm Gme Ge 除此之外，有时还需整形滤波、模数转换的处理变除此之外，有时还需整形滤波、模数转换的处理变换等信号转换过程。换等信号转换过程。传感器变换器的变换类型传感器变换器的变换类型 传

20、感器变换器的变换过程，依据所选用传感器的传感器变换器的变换过程，依据所选用传感器的类型和所转换物理量的处理过程及要求不同，通常类型和所转换物理量的处理过程及要求不同，通常分为以下几种形式。分为以下几种形式。1）机械物理量变换）机械物理量变换 加速度、速度、位移等机械物理参量之间的变换。加速度、速度、位移等机械物理参量之间的变换。2）电）电/磁变换磁变换 机械机械电电/磁变换、电磁变换、电磁变换。动电式、静电式、磁变换。动电式、静电式、磁阻式、霍尔效应式等。磁阻式、霍尔效应式等。3）应变）应变/电阻转换电阻转换 机械位移机械位移阻抗转换。应变片、半导体应变片等。阻抗转换。应变片、半导体应变片等。

21、4）光电变换）光电变换 光信号光信号电信号转换。光电二极管、光敏晶体管。电信号转换。光电二极管、光敏晶体管。5.2.1 动电式变换器（传感器）的特性动电式变换器（传感器）的特性 动电式变换器：将回转或平移机械量转换成动电式变换器：将回转或平移机械量转换成电信号的一种变换器。电信号的一种变换器。动电式变换器的变换式为：动电式变换器的变换式为：或或传递函数：传递函数：5.2.2 压电式变换器（传感器）的特性压电式变换器（传感器）的特性 是将压电元件在外力是将压电元件在外力F作用下生产的位移作用下生产的位移x所所形成的电荷形成的电荷Q转换成电信号的变换元件。转换成电信号的变换元件。变换关系（特性）：

22、变换关系（特性）：传递函数：传递函数：式中：电容量：式中：电容量：感应系数。感应系数。5.2.3 具有其他平滑特性变换器（传感器）具有其他平滑特性变换器（传感器）这类传感器变换器指在一定检测范围内输这类传感器变换器指在一定检测范围内输入与输出之间近似地成正比。入与输出之间近似地成正比。传递函数：传递函数：Gm=K。（1）差动变压器。）差动变压器。（2）静电式变换器。）静电式变换器。（3）应变应力变化变）应变应力变化变换器。换器。（4）光电编码器。）光电编码器。5.2.4 传感检测系统的特性传感检测系统的特性 将被检测量将被检测量x变换成机械变量变换成机械变量y的过程中，在力或位的过程中，在力或

23、位移的变化速度较快时，若要满足一定的变换精度，变移的变化速度较快时，若要满足一定的变换精度，变换器的频率使用范围将受到一定的限制，即避免变换换器的频率使用范围将受到一定的限制，即避免变换器产生共振（变换器固有频率器产生共振（变换器固有频率wn应为使用最高频率的应为使用最高频率的10倍以上）。倍以上）。这一特性是传感检测系统的重要特性这一特性是传感检测系统的重要特性。（1）对于典型的质量、弹簧、阻尼系统（检）对于典型的质量、弹簧、阻尼系统（检测对象为位移测对象为位移x）运动方程：运动方程：固有频率：固有频率：阻阻 尼尼 比：比：传递函数：传递函数：振幅频率特性曲线振幅频率特性曲线（2）对于典型的

24、质量、弹簧、阻尼系统 （检测对象为加速度 ）运动方程运动方程：振幅频率振幅频率特性曲线特性曲线传递函数：传递函数：5.3 电气执行元件的特性分析 常用执行元件有电气式、液压式、气压式，输入信常用执行元件有电气式、液压式、气压式，输入信号尽管有所不同，但输出均为机械量（位移、力等），号尽管有所不同，但输出均为机械量（位移、力等），由此所具有的工作特性也有所不同。由此所具有的工作特性也有所不同。下面简要介绍电气执行元件的工作特性。下面简要介绍电气执行元件的工作特性。电气执行元件系统一般组成：电气执行元件系统一般组成：驱动信号输入驱动信号输入驱动电路（整形驱动电路（整形/滤波放大电路和滤波放大电路和

25、功率放大电路）功率放大电路）电电/机变换器（伺服电动机）机变换器（伺服电动机）机械量变换器（减速器、丝杠螺母机构、连杆机构等）。机械量变换器（减速器、丝杠螺母机构、连杆机构等）。电气式执行元件的工作特点分析电气式执行元件的工作特点分析 由于执行元件系统各转换器之间存在信号或由于执行元件系统各转换器之间存在信号或状态反馈，其传递函数确定不是简单的乘积组状态反馈，其传递函数确定不是简单的乘积组合，它不仅与本身的静态特性相关，还与整个合，它不仅与本身的静态特性相关，还与整个系统的动态特性相关，系统的动态特性相关，因而在分析确定执行元因而在分析确定执行元件系统的工作特性时，应将两者的特性有机结件系统的

26、工作特性时，应将两者的特性有机结合才能得出合理的结论合才能得出合理的结论。具体方法应依据不同的执行元件系统综合分具体方法应依据不同的执行元件系统综合分析而定。析而定。电气式执行元件控制图电气式执行元件控制图电气式执行元件控制图电气式执行元件控制图5.3.1 电磁变换执行元件的特性（开环特性）电磁变换执行元件的特性（开环特性）5.3.2 闭环控制电磁变换执行元件的动态特性闭环控制电磁变换执行元件的动态特性5.3.3 步进电机工作特性步进电机工作特性5.4 执行元件与机械结构结合中的若干问题执行元件与机械结构结合中的若干问题 以上章节在控制工程基础机电传动控以上章节在控制工程基础机电传动控制自动控制理论测试技术等课程中制自动控制理论测试技术等课程中已有较详细的论述，在此不作进一步的讲解。已有较详细的论述，在此不作进一步的讲解。小结：小结：重点掌握机械系统特性分析和传感器系统特重点掌握机械系统特性分析和传感器系统特性分析，进一步复习掌握典型电气式执行元件性分析，进一步复习掌握典型电气式执行元件的静态和动态特性分析。的静态和动态特性分析。