14机电一体化系统的机电有机结合分析与设计

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
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
联系： 被控对象
直接连接 间接连接
执行元件
额定转矩、加减速控制、制动 参数匹配
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 –
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：
F kx
F(t) k
X(t)
• 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：
•
T(t)
T k
θ(t)
k
• 移动系统分串联和并联：
K1
K2 M 串联
k k1k2 k1k2
K1
K2
M
K1 M
K2
并联
并联
k k1 k2
弹性系数如何等效换算？
• 对于旋转系统，其模型为：
K1
K1 i K1
K1 i1 K1 i2 K1
扭转刚度的等效换算
• 图中：k1、k2分别为Ⅰ轴和Ⅱ轴的扭转刚度系数。 当I轴的输入转矩为T1时，Ⅰ轴扭角为Δ θ 1，Ⅱ轴 扭角为Δ θ 2，在Ⅰ轴上有：

1
k2
Z1 Z2
2
即T1 kI I
k 1

1 k1

k2

1 Z1
Z2
2
扭转刚度的等效换算
• 如果从Ⅱ轴输出轴端看，传送输入转矩造

1 j 1
J
j


2 j
nk2
T 2、求等效负载转矩
k eq
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：
m
n
m
n
W FiSi Tj j Fivit Tj jt
i 1
j 1
i 1
j 1
执行元件所做的功为：
Wk Tekq k Tekq k t
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
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
研究
被控对象(负载） 机械运动的规律 运动的参数
伺服系统设计的流程：
提
制
出
定
被控对象 对 系
系 统
的特点
统
设
的
计
要
方
求
案
定 量 的 分 析 与 计 算
完 成 设 计 方 案
稳态设计计算
输执 出行 运元 动件 参参 数数
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：
E

1 2
m i 1
mi
vi2

1 2
1
Jj
j 1


2 j
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：
Ek

1 2

4105 Kg.m2 510-4 Kg.m2
7 10-4 Kg.m2 ( 20)2 40
0.1264Kg.m2
• 2）求 Temq
Temq

1
2
FL
vA nm
TL
nII nm
1 800 N nmmz1 4N.m z1
2
1000 nm
z2
10N.m
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 Jemq 等效到电机轴上的等效转矩 Temq
• 解1）求 Jemq
2
J
m eq

1
4
2
ma
va nm


Jm

JI

J
II
(
nII nm
)2
va

nm
1 i
mz 2
1000
nm
z1 z2
mz 2
1000

nmmz1
1000
nII z1 nm z2
2
J
m eq

1
4
2
400Kg
nm 1 20
1000nm
由 W Wk
Tekq

m i 1
Fi
vi
k

n
Tj
j 1
j k
1
2
m i 1
Fi

vi nk

n j 1
Tj

j
nk
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，
J
k eq

k2
又因为
E Ek
则有
1
2
1
mi vi2
i 1
1 2
1
J
j

2 j
j 1

1 2
J
k eq

k2
1、求等效转动惯量
J
k eq

1 i1
mi

vi2
k2
wk.baidu.com

1 j 1
Jj


2 j
k2
nk
J
k eq

1
4 2
1 i 1
mi

vi2 nk2
T1 k11
1

T1 k1
略去摩擦损失在
Ⅱ轴上有：
T2

Z2 Z1
T1

k2 2
2

T2 k2

z2 z1
T1 k2
扭转刚度的等效换算
• 从Ⅰ轴输入端看，施加Tl转矩后由于Ⅰ、Ⅱ
轴扭转变形造成Ⅰ轴的总扭转角为 I
I
1 2
Z2 Z1

T1

1 k1
的 选 择
功 主控信各 各抗 率 要制号级 级干 的 元电的增 阻扰 匹 部路有益 抗的 配 件的效的 的措 、 的设传分 匹施 过 选计递配 配 载择 能 力 的 验 算
动态设计计算 通
过
计
设计校正补偿装
算 机
置，满足动态技 术指标的要求。
仿 真 或
辅
助
设
计
5.1 机电一体化系统的稳态设计方法
5.1.1 负载分析