章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计.pptVIP

1 机电一体化系统设计 第六章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计 6.1 机电一体化系统的稳态与动态设计 6.2 稳态设计考虑方法 6.3 动态设计考虑方法 6.4 可靠性、安全性设计 第6章 机电一体化系统 机电有机结合分析与设计 机电伺服系统 位置伺服控制 速度伺服控制 执行元件 被控对象(负载） 3 机电一体化系统设计 典型机电一体化系统—工业机器人的组成与运动特征 工作空间 自由度 位姿 关节变量 连杆 移动关节 转动关节 稳态设计方法研究的主要内容或步骤： 位置,速度检测单元 机械 部件 位置,速度反馈 CNC 数控机床 伺服系统组成 ① 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。  ② 执行元件的参数选择。  ③ 功率(力/力矩)匹配以及过载能力的验算。  ④ 各主要元件的选择与控制电路的设计。  ⑤ 信号的有效传递。  ⑥ 各级增益的分配。  ⑦ 各级之间阻抗的匹配和所  采取的抗干扰的措施。  ⑧ 系统总体方案的确定 稳态设计方法学习的主要内容： (1)负载分析。 (2)执行元件匹配选择。 (3)机械传动比选择与各级减速比确定原则。 (4)检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。 (5)机电系统数学模型的建立。 (6)分析研究系统的稳态特性。 单位阶跃响应系统 稳态特性 伺服系统设计的流程： 提出对系统的要求 制定系统设计方案 定量的分析与计算 完成设计方案 稳态设计计算 动态设计计算 输出运动参数 执行元件参数的选择 功率的匹配、过载能力的验算 主要元部件的选择 控制电路的设计 信号的有效传递 各级增益的分配 各级阻抗的匹配 抗干扰的措施 设计校正补偿装置，满足动态技术指标的要求。 通过计算机仿真或辅助设计 被控对象 的特点 6.2 机电一体化系统的稳态设计方法 6.2.1 负载分析 1、典型负载：直线运动、回转运动、间歇运动 惯性负载 外力负载 弹性负载 摩擦负载 2、负载的等效换算 被控对象的运动 直线运动 旋转运动 被控对象 执行元件 直接连接 间接连接 额定转矩、加减速控制、制动 参数匹配 联系： ? 惯量 转矩 质量 力 例如：某系统由m个移动部件和n个转动部件组成。 移动部件的参数:质量mi （Kg）;运动速度vi （m/s ） 、负载力Fi（N） 转动部件的参数:转动惯量Jj （Kg.m2）;转速或角速度nj-wj （m/s –rad/s） 、负载转矩Tj（N.m）。 1、求等效转动惯量Jkeq 2、求等效负载转矩Tkeq 转化的原则： 转化前后系统的瞬时动能保持不变。 转化前系统的动能总合： 假设转化到执行元件的输出轴上，则转化后系统的动能总合： 又因为 则有 1、求等效转动惯量 2、求等效负载转矩 假设：系统运行时间为t，则系统在此时间内克服负载所做的功为： 执行元件所做的功为： 由 已知：移动部件（工作台、夹具、工件等）的总质量mA=400kg；沿运动方向的负载FL=800N(包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量Jm=4×10-5 kg·m2，转速为nm；齿轮轴部件I(含齿轮）的转动惯量JI=5×10-4kg·m2；齿轮轴部件II(含齿轮）的转动惯量JII=7×10-4kg·m2；轴II的负载转矩TL=4N·m；齿轮z1与z2的齿数分别为20和40，模数为1mm。 求：等效到电机轴上的等效转动惯量 等效到电机轴上的等效转矩 参考课本P219 解1）求 2）求 6.2.2 执行元件的匹配选择(课本P220） 执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验算四部分。 直流电机 步进电机及驱动 步进电机基本结构 (1)执行元件的转矩匹配 考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩： 注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。 测算执行元件输出轴上的等效转矩(摩擦负载和工作负载)和等效惯性转矩T惯的总和。 例如： 机床工作台某轴的伺服电动机输出轴上所受等效负载转矩 ＝2．5N·m，等效转动惯量为Jmeq=3X10-2kg.m2，由工作台某轴的极限速度换算为电动机输出轴角速度为50rad/s,等加速和等减速时间△t＝0.5s，机械传动系统的总传动效率0.85，求电机轴上的总的等效负载转矩？ 为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩Tq必须满足 等效惯性负载转矩 考虑传动效率时等效总负载转矩 现在假设选用110B003反应式步进电动机，最大静转矩Tjmax=7.84N·m。当采用三相六拍通电方式，（P97） 则其起动转矩为 (2)执行元件的功