14机电一体化系统的机电有机结合分析与设计.ppt
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1、本次课的任务,第五章 机电一体化系统机电有机结合分析与设计 伺服系统设计的流程 5.1 机电一体化系统的稳态设计方法 5.1.1 负载分析 5.1.2执行元件的匹配选择 5.1.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配 5.1.4检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计,如何设计机电一体化产品,例:某零件的自动化生产线中,其中的某一工位需要钻削五个孔,五个孔的位置如图所示,请设计该工位加工使用的工作台。,1、是否有需求 2、可行性 3、组成,根据使用要求,要设计的是什么,二维运动的工作台,确定行程、受力、精度等,确定设计的方案(自动、手动),主要组成?控制的方式?确定要设
2、计的内容,第五章 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),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,5.1 机电一体化系统的稳态设计方法,5.1.1 负载分析,1、典型负载:直线运动、回转运动、间歇运动,惯性
3、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
4、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=410-5 kgm2,转速为nm;齿轮轴部件I(含齿轮)的转动惯量JI=510-4kgm2;齿轮轴部件II(含齿轮)的转动惯量JII=710-4kgm2;轴II的负载转矩TL=4Nm;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
5、 等效到电机轴上的等效转矩,解1)求,2)求,5.1.2 弹性系数的转化,当弹簧变形很小时可看成线性,表达式为: 当加一转矩至圆棒或轴时,圆棒或轴的弹性可用扭力弹簧系数k表示, 单位角位移的转矩为T,其表达式为:,移动系统分串联和并联:,K1,并联,并联,K2,K1,K2,K2,K1,串联,M,M,M,弹性系数如何等效换算?,对于旋转系统,其模型为:,K1,K1,K1,K1,K1,K1,扭转刚度的等效换算,图中:k1、k2分别为轴和轴的扭转刚度系数。当I轴的输入转矩为T1时,轴扭角为1,轴扭角为2,在轴上有:,略去摩擦损失在轴上有:,扭转刚度的等效换算,从轴输入端看,施加Tl转矩后由于、轴扭转
6、变形造成轴的总扭转角为,扭转刚度的等效换算,如果从轴输出轴端看,传送输入转矩造成轴的总转角为 即:,轴向刚度的归算,当丝杠左端输入的转矩为T时,丝杠和工作台之间的弹性变形为,对应于的丝杠 附加转角为,已知 : k是上述弹性变形的等效轴向刚度系数 ,所以:,实例 由直流伺服电动机驱动的全闭环控制系统如图所示,直流伺服电机的转速n为1200r/min,功率P为1.5KW,转子的转动惯量Jm为2*10-4Kg.m2,滚珠丝杠的直径d为60mm,长度l为2.16m,基本导程l0为12mm,丝杠的转速ns为400r/min,齿轮减速比i为3,齿轮z1、z2的齿数为17、51,模数m为2,齿轮的宽度B为1
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