06有机结合的分析与设计.ppt
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1、1,第六章 机电一体化系统的机电有机结合 分析与设计,第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计 第二节 机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法 第三节 机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法 第四节 机电一体化系统的可靠性、安全性设计 习题与思考题,2,机电一体化系统(产品)的设计过程是机电参数相互匹配,即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例,说明机电一体化系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,从而完成所需要的机械运动。因此,工程上是围绕机
2、械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。,第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计,3,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对系统的具体要求,通过调查研究制订出系统的设计方案。该方案通常只是一个初步的轮廓,包括系统主要元部件的种类、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。有了初步设计方案就要进行定量的分析计算,分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算。稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件(如电动机)的参数选择、功率(或转矩)的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、
3、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置的引入留有余地。,4,图1.4 机电一体化系统(产品)基本组成,5,初步确定系统的主回路各部分特性、参数,便可着手建立系统的数学模型,为系统的动态设计做好准备。 主要是设计校正补偿装置,使系统满足动态技 术指标要求,通常要进行计算机仿真,或 借助计算机进行辅助设计。 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。这并不等于以上设计计算是多余的,因经过设计计算后确定的方案,考虑了机电参数的有机结合
4、与匹配,这对工程实践是必需的,这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定。随着机电一体化技术的发展,机电一体化系统的自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求,在机电一体化有机结合分析与设计过程中,必须充分注意其可靠性、安全性设计要求。,稳态设计,动态设计,6,第二节 机电有机结合之一 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部分,它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。 被控对象(简称负载)的运动形式有直线运
5、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。,一、典型负载,7,1. 典型负载分析,所谓典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。对具体系统而言,其负载可能是以上几种典型负载的组合,不一定均包含上述所有负载项目。在设计系统时,应对被控对象及其运动作具体分析,从而获得负载的综合定量数值,为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。,8,2.负载的等效换算 被控对象的运动,有的是直线运动,如机床的工作台X、Y 及Z 轴,机器人臂
6、部的升降、伸缩运动,绘图机的X、Y方向运动;也有的是旋转运动,如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的,也有通过传动装置连接的。 执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择,应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。 因此,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(k)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)。,9,10,以机床工作台的伺服进给系统为例。下图所示的系统由 个移动部件和 个转动部件组成。 、 和 分别为移动
7、部分的质量(kg)、运动速度(m/s)和所受的负载力(N); 、 和 分别为转动部件的转动惯量( )、转速( 或 )和所受负载转矩( )。,11,12,等效负载转矩 :,等效负载惯量 :,等效阻尼系数 :,等效弹簧刚度 :,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。,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。,13,14,15,二、 执行元件的匹配选择 伺服系统是由若干元部件组成的,其中有些元部件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的成本,缩短设计与
8、研制周期,应尽可能选用标准化零部件。拟定系统方案时,首先确定执行元件的类型,然后根据技术条件的要求进行综合分析,选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。被控对象由电动机驱动,因此,电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配,如冗余量大,易使执行元件价格高,使机电一体化系统的成本升高,市场竞争力下降,在使用时,冗余部分用户用不上,易造成浪费。如果选用的执行元件的参数数值偏低,将达不到使用要求。所以,应选择与被控对象的需要相适应的执行元件。,16,以机床工作台的伺服进给系统为例,运动轴所采用的执行元件(电动机)的额定转速基本上应该是
9、系统所需最大转速;额定转矩应大于(考虑机械损失)所需的最大转矩,即大于等效负载转矩与等效惯性负载转矩之和。,17,18,2)系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电动机) 预选电动机的估算功率可由下式确定,式中, 电动机的最高转速(r/min); 电动机的最高角速度(rad/s); 考虑电动机、减速器等的功率系数,一般1.22。 在功率预选后,需要进行过热、过载验算。,19,20,21,三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配,减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定,既要使减速比达到一定条件下最佳,同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系,还要同时满足最大转速要求
10、等。当然要全部满足上述要求是非常困难的。,22,(a)使加速度最大的选择方法,当输入信号变化快、加速度又很大时,应使得:,(c)满足送进系统传动基本要求的选择方法。即满足脉冲当量 、步距角 和丝杆基本导程 之间的匹配关系: 。,(d)减速器输出轴角误差最小原则,即 最小 。,(e)对速度和加速度均有一定要求的时,按照(a)选择减速比i,然后验算是否满足 ,式中的 为负载的最大角速度; 为电动机输出的角速度。,23,执行元件与机械传动系统确定之后,需要根据所拟系统的初步方案,选择和设计系统的其余部分,把初步方案逐步具体化。各部分的设计计算,必须从系统总体要求出发,考虑相邻部分的广义接口、信号的有
11、效传递(防干扰措施)、输入输出的阻抗匹配。总之,要使整个系统在各种运行条件下,达到各项设计要求。伺服系统的稳态设计就是要从两头入手,即首先从系统应具有的输出能力及要求出发,选定执行元件和传动装置;其次是从系统的精度要求出发,选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道;最后通过动态设计计算,设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其他辅助电路,从而达到机电一体化系统的设计要求。 检测传感装置的精度(即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求,在系统的工作范围内,其输入输出应具有固定的线性特性,信号的转换要迅速及时,信噪比要大,装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小,性能要稳定可靠等。 信号转换接口
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