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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
7、5mm，工作台移动部件的总重量W为2000N，最大进给速度为4.8m/min，导轨的摩擦系数为0.05.经测量，齿轮的齿侧间隙为0.12mm。 试计算由于轴向刚度和齿轮间隙引起的失动量。,丝杠两端采用止推轴承支撑，轴向弹性模量E为2.1*1011Pa，止推轴承的刚度系数KB为1.07*109N/m螺母的刚度为2.14*109N/m。 所以丝杠的轴向刚度（Kc） 两端均有止推轴承支撑，其丝杠长度应取为 则 又单个轴承的刚度与 丝杠是串联，则其串联后的刚度为：,而轴承与二分之一丝杠是两组并联，所以 此刚度由于螺母串联，则其刚度为 工作台启动时的摩擦阻力F=2000*0.05=100N 则其压缩量（
8、变形量x1）,则其失动量为2 x1=0.37（ um） 齿轮间隙引起的失动量为x2 总的失动量为,5.1.2执行元件的匹配选择,机床工作台的伺服进给运动轴所采用的执行元件(电动机)的额定转速n(rmin)基本上应是所需最大转速，其额定转矩T(Nm或Ncm)应大于所需要的最大转矩，即T应大于等效到电动机输出轴上的负载转矩 与克服惯性负载所需要的转矩 之和。,1、系统执行元件的转矩匹配,设：执行元件输出轴等效负载转矩为,，等效惯性负载转矩为,则执行元件输出轴上的总的负载转矩为：,考虑机械传动的总的传动效率：,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 25Nm，等效转动惯量为Jme
9、q=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t0.5s，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=7.84Nm。当采用三相六拍通电方式，,则其起动转矩为,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P,(1)过热验算,(2)过载验算,5.1.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配,减速比的确定要
10、考虑三个因素：,负载的性质,脉冲当量,系统的综合要求,要求：在某种条件下，减速比达到最佳，又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系和最大转速的要求。,1、使加速度最大（复习）,2、使输出速度为最大,3、满足传动系统基本要求,4、输出轴转角误差最小,5、对加速度和速度同时有要求,按第一种方法确定减速比，然后按下式验算,负载的最大角速度,电机输出的角速度,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,伺服系统的稳态设计就是要从两头人手. 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；
11、 最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其它辅助电路，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。,信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入输出通道，不仅考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合匹配要求。,伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题,1)功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要
12、满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高、时间常数要小。 2)放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件。例如，为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施。 3)放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。 4)输入级应能与检测传感装置相匹配。即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。 5)放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。,课后习题,1.伺服系统的设计流程是什么？ 2.机电一体化系统的设计包括稳态设计和动态设计。 3.伺服控制系统中，其负载往往比较复杂，为了便于分析，常将它分解为几种典型负载，这些典型负载是指： ， ，弹性负载，摩擦负载。 4.如图所示三级齿轮传动链，I为输入轴，O为输出轴，各级传动比为i1、i2、i3，各齿轮的齿数分别为Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6。 1）设各级齿轮的齿侧间隙分别为1、2、3，求将所有齿侧间隙都折算到输出轴O上的总间隙。 2）设各齿轮轴的转动惯量分别为JI、J1、J2、JO，求将所有转动惯量都归算到输出轴O上的总转动惯量J。,