第2章 机械系统设计课件.ppt

第2章 机械系统设计 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，它包括执行机构、传动机构和支撑机构等，用于完成指定的动作、传递功率、运动或者信息 2.1 机械系统数学模型建立 2.2 机械传动系统的特性 2.3 机械传动装置 2.4 支撑部件 2.1 机械系统数学模型的建立 在机械系统设计时，除了考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素和整个伺服系统的性能参数、电气参数匹配，才能获得良好的机电产品性能。 性能参数设计与模型分析有直接关系 例子：机械移动系统数学模型建立 基本元件：质量m，阻尼c，弹簧k 建立模型的数学原型：牛顿第二定律 根据简化后的力学模型 由牛顿第二定律，可以 获得系统的运动方程： 经过Laplace变换，得到 传递函数： 系统数学模型的简化 模型简化的基本思路是将复杂的、分布的参数折算到某一部件（一般为中心部件）上，然后按照单一部件对系统进行建模。 建模的核心问题在于各个分散参数的统计和这些物理量的折算。 根据数学模型的准确程度，一般会对各个参数进行取舍，从而获得一个既能基本反映系统基本特性，又便于数学处理的模型。 2.2 机械传动系统的特性 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出以下要求： (1)高精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。 2.2 机械传动系统的特性 (2)快速响应性 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。 (3)良好的稳定性 要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。 2.2 机械传动系统的特性 对于具体的机电一体化系统的传动设计，就要综合考虑各个设计目标的协调： 要考虑设计尽可能短的传动链，同时要考虑负载对传动系统的耦合作用 要考虑传动精度，同时要考虑稳定性、快速性 要考虑功率，同时要小型、重量轻、低振动、低噪声 数学模型相当关键 2.2 机械传动系统的特性 单纯对传动系统而言，其关注的性能包括：传动类型、传动方式、传动精度、动态特性、可靠性 影响传动系统性能的因素包括： 负载变化：包括工作负载、摩擦负载，要合理选择驱动电机与传动链，与负载相匹配 传动链惯性：影响启停特性、快速性、定位精度 传动链固有频率 间隙、摩擦、润滑和温升：影响传动精度和运动平稳性 2.2 机械传动系统的特性 机械传动系统的特性 为了满足机电一体化机械系统良好的伺服性能，不仅要求机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振动性能好、空隙小的要求，还要求机械部分的动态特性与电机速度环节的动态特性相匹配。 2.2 机械传动系统的特性 1、转动惯量 在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量与转动惯量越小越好。 转动惯量大会使 机械负载增大、系统相应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降、容易产生谐振 电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大 2.2 机械传动系统的特性 2、摩擦 机电产品对传动部件的摩擦特性要求是：静摩擦尽可能小；动摩擦力应为尽可能小的正斜率。 若动摩擦为负斜率，易产生爬行、降低精度、减少寿命 摩擦在应用上可以简化为：粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦三种 2.2 机械传动系统的特性 粘性摩擦：大小与相对运动速度成正比； 库仑摩擦：接触面对运动物体的阻力，大小为一常数； 静摩擦：具有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面之间存在的摩擦力，运动开始之后静摩擦力消失。 2.2 机械传动系统的特性 摩擦力对运动状态的影响 机械系统的摩擦特性随着材料和表面状态的不同有很大差异。 典型情况包括： 爬行，低速运动稳定性差，如气动系统 有回程误差，精度低 对摩擦特性的要求： 静摩擦要小 动摩擦因为小的正斜率 2.2 机械传动系统的特性 3、阻尼 机械部件振动的振幅取决于系统阻尼和固有频率：阻尼大，振幅小，衰减快 阻尼对弹性系统振动特性的主要影响： 静摩擦阻尼大：系统失动量（运动反向间隙 ）和反转误差大，定位精度低，易爬行 粘性阻尼摩擦大：系统稳态误差大，精度低 2.2 机械传动系统的特性 失动量： 数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件(如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等)的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量 2.2 机械传动系统的特性 对于质量大刚度低的机械系统，为减小振幅、加速度衰减，可增加粘性摩擦阻尼 实际应用中可以