1、第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 1 第六章第六章 机电一体化系统的机电有机结合机电一体化系统的机电有机结合 分析与设计分析与设计 第一节第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计 第二节第二节 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法机电一体化系统稳态设计的考虑方法 第三节第三节 机电有机结合之二机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法机电一体化系统动态设计的考虑方法 第四节第四节 机电一体化系统的可靠性、平安性设计机电一体化系统的可靠性、平安性设计 习题与思考题习题与思考题 第第6章章 有机结合的分析与设计有
2、机结合的分析与设计 2 机电一体化系统机电一体化系统产品产品的设计过程是机电参数相互匹的设计过程是机电参数相互匹配配，即机电有机结合的过程即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一机电伺服系统是典型的机电一体化系统体化系统。本章将以机电伺服系统为例本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系说明机电一体化系统设计的一般考虑方法统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动从而完成所需要的
3、机械运动。因此因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的求的。第一节第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计 第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 3 在进行机电伺服系统设计时在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案通过调查研究制订出系统的设计方案。该方该方案通常只是一个初步的轮廓案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元部件的种类包括系统主要元部件的种类、各局各局部之间的连接方
4、式部之间的连接方式、系统的控制方式系统的控制方式、所需能源形式所需能源形式、校正补偿校正补偿方法方法，以及信号转换的方式等以及信号转换的方式等。有了初步设计方案就要进行定量有了初步设计方案就要进行定量的分析计算的分析计算，分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算。稳态稳态设计包括使系统的输出运动参数到达技术要求设计包括使系统的输出运动参数到达技术要求、执行元件执行元件(如电动如电动机机)的参数选择的参数选择、功率功率或转矩或转矩的匹配及过载能力的验算的匹配及过载能力的验算、各主各主要元部件的选择与控制电路设计要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递信号的
5、有效传递、各级增益的各级增益的分配分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并为后面动态设计并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地中的校正补偿装置的引入留有余地。第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 4 图1.4 机电一体化系统产品根本组成 工作台传感器丝杆电动机驱动器信息处理系统（计算机）动力源第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 5 初步确定系统的主回路各局部特性初步确定系统的主回路各局部特性、参数参数，便可着手建立便可着手建立系统的数学模型系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备为系统的动态设计做好准备。主要是设计校正
6、补偿装置主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技使系统满足动态技 术指标要求术指标要求，通常要进行计算机仿真通常要进行计算机仿真，或或 借助计算机进行辅助设计借助计算机进行辅助设计。通过上述理论设计计算通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的设计方完成的还仅是一个较详细的设计方案案，这种工程设计计算一般是近似的这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的根底只能作为工程实践的根底。系统的实际电路及实际参数系统的实际电路及实际参数，往往要通过样机的试验与调试往往要通过样机的试验与调试，才才能最后确定下来能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的这并不等于以上设计计算是多余的，因经过
7、设因经过设计计算后确定的方案计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对这对工程实践是必需的工程实践是必需的，这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数确实定路参数确实定。随着机电一体化技术的开展随着机电一体化技术的开展，机电一体化系统的机电一体化系统的自动化程度越来越高自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产平安为满足人们生活和生产平安、可靠地使用可靠地使用要求要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意必须充分注意其可靠性其可靠性、平安性设计要求平安性设计要求。
8、稳态设计稳态设计 动态设计动态设计 第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 6 第二节第二节 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电一体化系统的稳态设计考虑方法 位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成局部，它多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成局部，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。们的运动学、动力
9、学特性与整个系统的性能关系极大。被控对象被控对象(简称负载简称负载)的运动形式有直线运动、回转运动、间的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。量设计计算得以顺利进行。一、典型负载一、典型负载 第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 7 1.1.典型负载分析典型负载分析 所谓典型负载是指惯性负载所谓典型负载是指惯性负载、外力负载外力负载、弹性负
10、载弹性负载、摩擦负摩擦负载载(滑动摩擦负载滑动摩擦负载、粘性摩擦负载粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等滚动摩擦负载等)。对具体系对具体系统而言统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含不一定均包含上述所有负载工程上述所有负载工程。在设计系统时在设计系统时，应对被控对象及其运动作具应对被控对象及其运动作具体分析体分析，从而获得负载的综合定量数值从而获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的执行为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下根底元件及进行动态设计分析打下根底。第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 8 2 2.负载的等效换算负载
11、的等效换算 被控对象的运动被控对象的运动，有的是直线运动有的是直线运动，如机床的工作台如机床的工作台X X、Y Y 及及Z Z 轴轴，机器人臂部的升降机器人臂部的升降、伸缩运动伸缩运动，绘图机的绘图机的X X、Y Y方向运动；也有方向运动；也有的是旋转运动的是旋转运动，如机床主轴的回转如机床主轴的回转、工作台的回转工作台的回转、机器人关节的机器人关节的回转运动等回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装也有通过传动装置连接的置连接的。执行元件的额定转矩执行元件的额定转矩(或力或力、功率功率)、加减速控制及制动方案的加减速控制及制动方案的选择选择，应
12、与被控对象的固有参数应与被控对象的固有参数(如质量如质量、转动惯量等转动惯量等)相互匹配相互匹配。因此因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或力或转矩等转矩等)等效换算到执行元件等效换算到执行元件(k k)的输出轴上的输出轴上，即即计算其输出轴承受计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩的等效转动惯量和等效负载转矩(回转运动回转运动)或计算等效质量和等效或计算等效质量和等效力力(直线运动直线运动)。第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 9 第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 10 以机床工作台的伺
13、服进给系统为例。下图所示的系统由以机床工作台的伺服进给系统为例。下图所示的系统由 个移动部件个移动部件和和 个转动部件组成。个转动部件组成。、和和 分别为移动部分的质量（分别为移动部分的质量（kgkg）、运动速）、运动速度（度（m/sm/s）和所受的负载力（）和所受的负载力（N N）；）；、和和 分别为转动部件的转动分别为转动部件的转动惯量（惯量（）、转速（）、转速（或或 ）和所受负载转矩（）和所受负载转矩（）。）。iMmniviFjJjn()jjT2kg m/minrN m/rads22111122mniijjijEMvJke qJ1 1）求等效转动惯量）求等效转动惯量 。该系统运动部件的动
14、能总和为：。该系统运动部件的动能总和为：212kkeqkEJ设等效到执行元件输出轴上的总动能为：设等效到执行元件输出轴上的总动能为：第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 11 2211mnjkie qijijkkvJMJ由于由于 ，故：，故：kEE用工程上常用单位时，可改写上式如下：用工程上常用单位时，可改写上式如下：2221114mnjkie qijijkknvJMJnn 式中，式中，执行元件的转速（执行元件的转速（r/minr/min）.kn11mni ijjijWFvtTtke qT2 2）求等效负载转矩）求等效负载转矩 。设上述系统在时间。设上述系统在时间t t内克服负
15、载所做功的总和为：内克服负载所做功的总和为：同理，执行元件输出轴在时间同理，执行元件输出轴在时间t t内的转角为内的转角为 kkt则，执行元件所作的功为：则，执行元件所作的功为：，又，又 kkeqkWTtkWW故：故：11/mnke qi ikj jkijTF vT采用工程单位又：采用工程单位又：111/2mnke qi ikj jkijTF v nT n n第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 12 me qT等效负载转矩等效负载转矩 ：/me q jjjmTT 22jjmeqjjmjJJJime qJ等效负载惯量等效负载惯量 ：me qB等效阻尼系数等效阻尼系数 ：22jj
16、meqjjmjBBBime qK等效弹簧刚度等效弹簧刚度 ：22jjmeqjjmjKKKi结论：机械传动系统中，转动惯量、质量、阻尼系数、弹性系数由低速端结论：机械传动系统中，转动惯量、质量、阻尼系数、弹性系数由低速端向高速端转换时需要除以传动比的平方。向高速端转换时需要除以传动比的平方。回忆：机械传动系统中，速度、位移、加速度由低速端向高速端转换时需回忆：机械传动系统中，速度、位移、加速度由低速端向高速端转换时需要乘以传动比；力、转矩由低速端向高速端转换时需要除以传动比。要乘以传动比；力、转矩由低速端向高速端转换时需要除以传动比。第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 13 第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 14 第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 15 二二、执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择 伺服系统是由假设干元部件组成的伺服系统是由假设干元部件组成的，其中有些元部其中有些元部件已有系列化商品供选用件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的为降低机电一体化系统的本钱本钱，缩短设计与研制周期缩短设计与研制周期，应尽可能选用标
