机电一体化系统设计--第二章 机械系统设计.pptVIP

第二章 机械系统设计 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。 机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。 本章主要内容： 机械系统数学模型的建立 机械传动系统的特性 机械传动装置 第一节 机械系统数学模型的建立 一、数学模型 ： 1、定义：系统在运动过程中各变量之间关系的数学表达式。 微分方程 数学模型形式： 传递函数 方框图 2、微分方程的建立： 列写系统或元件微分方程的一般步骤为： 　　 （1）确定系统或元件的输入量和输出量； 　　 （2）按照信号的传递顺序，从系统的输入端出发，根据有关定律，列写出各个环节的动态微分方程； （3）消去中间变量，最后得到只包含输入量与输出量的方程式； （4）将与输入有关的项写在微分方程的右边，与输出有关的项写在微分方程的左边，并且各阶导数项按降幂排列。 3、传递函数的定义： 在零初始条件下，系统（或元件）输出量的拉氏变换与其输入量的拉氏变换之比，即为系统（或元件）的传递函数。 设线性定常系统的微分方程式为 在零初始条件下，对上式进行拉式变换得 二、机械移动系统 机械平移系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。 建立机械平移系统数学模型的基本原理是 牛顿第二定律。 由牛顿第二定律知，系统的运动方程为 对上式取拉氏变换，得到系统的传递函数 三、机械转动系统 机械转动系统的基本元件是转动惯量、阻尼器和弹簧。 建立机械转动系统数学模型的基本原理仍是牛顿第二定律。 则系统的运动方程为： 对上式取拉氏变换，得系统的传递函数为 可以看出，转动系统与移动系统具有相同的形式。 第二节 机械传动系统的特性 一、机电一体化对机械传动的要求 1、高精度 2、快速响应 3、良好的稳定性 此外，还要求较大的刚度，良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。 影响传动链动力学性能的因素： (1)负载的变化 负载包括工作负载、摩擦负载等。要合理选择驱动电机和传动链，使之与负载变化相匹配。 (2)传动链惯性 惯性不但影响传动链的启停特性，也影响控制的快速性，位移偏差和速度偏差的大小。 （3）传动链固有频率 固有频率影响系统谐振和传动精度。 （4）间隙、摩擦、润滑和温升 影响传动精度和运动平稳性。 二、机械传动系统的特性 转动惯量小 摩擦小 阻尼合适 刚度大 抗振性能好 间隙小 1、转动惯量大会使机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。 2、摩 擦 两物体或有相对运动趋势或已产生相对运动，其接触面间产生摩擦力。摩擦力简化为粘性摩擦力、库仑摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向相反。 3、阻尼 机械传动系统，总可以用二阶线性常微分方程来描述，这样的环节称为二阶系统，从力学意义上讲，二阶系统是一个振荡环节。当机械传动系统产生振动时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小且衰减的越快。系统的阻尼比为： 所以一般取ζ ＝0.4一0.8之间。 4、刚度 刚度是使弹性物体产生单位变形所需要的作用力，对于机械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变形的刚度和两个零件接触面的接触刚度。 对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处： (1)可以减少系统的死区误差(失动量)，有利于提高传动精度； (2)可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性； (3)可以增加闭环控制系统的稳定性。 5、谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量—弹簧系统。对于质量为m、拉压刚度系数为k的单自由度直线运动弹性系统，其固有频率f为: 对于转动惯量为J，扭转刚度系数为k的单自由度旋转运动弹性系统，其固有频率为： 6、间隙对于圆柱齿轮传动，常用的消除间隙的方法：(1) 双片薄齿轮错齿法 (2) 偏心轴套调整法 电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮