机电一体化系统设计第7章：机电有机结合的分析与设计

第六章

机电有机结合的分析与设计

本章教学目标及要求 重点掌握以下内容： 负载的等效换算； 执行元件的匹配选择； 微机与检测传感装臵、信号接口电路、 放大电路及电源等的匹配选择； 系统数学模型的建立与分析；

6.1 概述

6.2 机电有机结合之一----机电一体化系统的稳态设计考虑方法 6.3 机电有机结合之二----机电一体化系统 的动态设计考虑方法 6.3 可靠性、安全性设计

6-1 概 述 机电一体化系统设计过程是机电有机结 合即机电参数相互匹配的过程。 设计步骤： 1、了解被控对象的特点和对系统的具体要 求，通过调查研究制定出系统的控制方 案； 包括系统主要元部件的种类、各部分之 间的联接方式、系统的控制方式、所需 能源形式、校正补偿方法，以及信号转 换的方式等。

在进行系统方案设计时，需要考虑以下 方面的问题： ⑴.系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时， 可考虑开环控制；反之，当系统精度要 求较高或负载较大时，开环系统往往满 足不了要求，这时要采用闭环或半闭环 控制系统。一般情况下，开环系统的稳 定性不会有问题，设计时仅考虑满足精 度方面的要求即可，并通过合理的结构 参数匹配，使系统具有尽可能好的动态 响应特性。

⑵.执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能 力、调速范围、运行精度、可控性、可 靠性以及体积、成本等多方面的要求。 一般来讲，对于开环系统可考虑采用步 进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制 的液压缸和液压马达等，应优先选用步 进电动机。对于中小型的闭环系统可考 虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动 机，对于负载较大的闭环伺服系统可考 虑选用伺服阀控制的液压马达等。

⑶.传动机构方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之 间的一个连接装置，用来进行运动和力 的变换与传递。在伺服系统中，执行元 件以输出旋转运动和转矩为主，而执行 机构则多为直线运动。用于将旋转运动 转换成直线运动的传动机构主要有齿轮 齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的 传动比和较高的传动效率，所能传递的 力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困 难，且为消除传动间隙而结构复杂；后 者因结构简单、制造容易而应用广泛。

⑷.控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、 电动机控制方式、驱动电路等的选择。 常用的微型机有单片机、单板机、工业 控制微型机等，其中单片机由于在体积、 成本、可靠性和控制指令功能等许多方 面的优越性，在伺服系统的控

制中得到 了广泛的应用。 此外还包括各部分之间的连接方式、系 统的控制方式、所需能源形式、校正补 偿方法，以及信号转换的方式等。该方 案通常只是一个初步的轮廓，有了初步 设计方案就要进行定量的分析计算.

2、进行稳态分析计算 包括使系统的输出运动参数达到技术要 求、执行元件的参数选择、功率及过载 能力的验算，各主要元、部件的选择与 控制线路设计、信号的有效传递、各级 增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗 干扰措施等，并为后面动态设计中的校 正补偿装臵的引入留有余地。

4)确定系统的数学模型 5)进行动态设计计算 主要是设计补偿装臵，使系统满足动态 技术指标要求，通常要进行计算机仿真。

通过上述理论设计计算，完成的仅是一 个较详细的设计方案，这种工程设计计 算一般是近似的，只能作为工程实践的 基础。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，才能最后 确定下来。

6-2 机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法 一、负载分析 1、典型负载 典型负载指惯性负载、外力负载、弹性

负载、摩擦负载等2、负载的等效换算

在第二章/第三节齿轮传动比分配的“等 效转动惯量最小原则”中曾提高过等效 转动惯量的计算方法，本节将更详细地 讨论。 为使执行元件的额定转矩(或力、功率)、 加减速控制等，与被控对象的固有参数 (如质量、转动惯量等)相互匹配，需要将 被控对象相关部件的固有参数及其所受 的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件 的输出轴上，即计算其输出轴承受的等 效转动惯量和等效负载转矩(回转运动)或 计算等效质量和等效力(直线运动)。

Fj

Mj

vj

系统由m个移动部件和n个 转动部件组成 Mj、VJ、FJ分别为第i移动 部件的质量(Kg)、运动 速度(m/min)和所受的负 载力(N)

ni

Ji、Ti

nk

Ji、ni、Ti分别为转动部件的转动惯量(kgm2) 转速(r/min)和所受负载力矩(Nm)

(1)求等效转动惯量[J] 系统运动部件的动能总和为：m 1 n 1 E J i i2 m j v 2 j 2 i 1 2 j 1

等效到电机轴上的总动能为：1 2 E k J k 2 根据能量守恒定理 E=Ek,则 n vj 2 i 2 m J Ji ( ) m j ( ) k k i 1 j 1

ni 2 1 [J ] J i ( ) 2 n 4 i 1 k工作台速度vj的计算 ：

n

mj(j 1

m

vj nk

)2

丝杠传动： v j LO n j (n j 为丝杠的转速)齿轮齿条传动 ：1 1 mZ mZn v R d 2 n 2 2 1000 1000m——齿轮模数 Z——齿轮齿数 n——齿轮转速

(2)等效力矩的计算 [T]的计算 上述系统在时间t内克服负载作的功的总和为：W

Ti i t F j v j ti 1 j 1 n m

折算到电机轴的功 为：

Wk T k t W W k

ni 1 T Ti nk 2 i 1

n

Fj 1

m

vjj

nk

例：设一进给系统如下图所示，电机从静止加速到 1500r/min所需时间为30ms,求转换到电机轴上的 等效转动惯量和等效力矩。 FL=510.5N MA=300kg

2

n2L0=6mm

n1Z2=40

Z4=60

1Z3=30

JmZ1

nkZ1=20

Z2

Z30.2

J(kg.cm2) 0. 1 1.6

Z4 轴1,轴2 丝杠JC 电机Jm 3.2 0.04 12 2.24

1)等效转动惯量的计算

J ( J m J Z 1 ) ( J Z 2 (J Z 4

n1 2 J 1 J Z 3 )( ) nm

n2 2 M A V A 2 J 2 J C )( ) ( ) 2 nm 4 nm

n1 z1 20 1 nm z 2 40 2

n2 z1 z 3 20 20 1 nm z 2 z 4 40 40 4

L0 n2 V A 1000 6 1 0.0015 1000 4 nm nm

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