机电一体化绪论及系统设计

机械工程学院 目 录 绪论 机械系统设计 传感检测及其接口电路 控制电动机及其选择计算 工业控制计算机及接口设计 应用举例 绪 论第一节 机电一体化的定义 Mechatronics=Mechanics+Electronics机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品）。机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、 信息技术、控制技术等在系统工程 基础上有机地加以综合，以实现整 个系统最佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械与电子简单的 叠加，而是在信息论、控制论和系 统论的基础上建立起来的应用技术。机 电一 体化信 息 科 学机械学 电 子学 数控铣床 汽 车 防 抱 死 系 统 (ABS（ Anti-locked Braking System ） ) “ABS”（ Anti-locked Braking System）中 文 译 为 “ 防 抱 死 刹 车 系 统 ” .它 是 一 种具 有 防 滑 、 防 锁 死 等 优 点 的 汽 车 安 全 控制 系 统 。 ABS是 常 规 刹 车 装 置 基 础 上 的改 进 型 技 术 ， 可 分 机 械 式 和 电 子 式 两 种 。 ABS防 抱 制 动 系 统 由 汽 车 微 电 脑 控制 ， 当 车 辆 制 动 时 ， 它 能 使 车 轮 保 持 转动 ， 从 而 帮 助 驾 驶 员 控 制 车 辆 达 到 安 全的 停 车 。 这 种 防 抱 制 动 系 统 是 用 速 度 传感 器 检 测 车 轮 速 度 ， 然 后 把 车 轮 速 度 信号 传 送 到 微 电 脑 里 ， 微 电 脑 根 据 输 入 车轮 速 度 ， 通 过 重 复 地 减 少 或 增 加 在 轮 子上 的 制 动 压 力 来 控 制 车 轮 的 打 滑 率 ， 保持 车 轮 转 动 。 在 制 动 过 程 中 保 持 车 轮 转动 ， 不 但 可 保 证 控 制 行 驶 方 向 的 能 力 ， 而 且 ， 在 大 部 分 路 面 情 况 下 ， 与 抱 死 锁 死 车 轮 相 比 ， 能 提 供 更 高 的 制 动力 量 。 经 济 效 益 领 域 专 家 意 见 直 方 图采 用 机 电 一 体 化 技 术 与 产 品 有 着 明 显 的 经 济 效 益 和 社 会 效益 。 据 “ 机 电 一 体 化 发 展 预 测 与 综 合 分 析 总 体 研 究 报 告 ”中 采 用 Delphi法 进 行 专 家 调 查 ， 对 数 控 机 床 、 电 子 仪 器 仪表 、 电 子 化 量 具 量 仪 等 十 二 种 产 品 ， 机 电 一 体 化 前 后 经 济效 益 的 变 化 （ 增 加 百 分 比 做 出 预 测 ， 结 果 如 图 1-5所 示 。 第二节 机电一体化系统的基本功能要素 组 成 机 电 一 体 化 系 统 与 人 体 的 对 应 部 分 及 相 应 功 能 的关 系 机 电 一 体 化 系 统 的 组 成 及 工 作 原 理 一 、 机 械 本 体 包 括 机 械 传 动 装 置 和 机 械 结 构 装 置 。 其 主要 功 能 是 使 构 造 系 统 的 各 子 系 统 、 零 部 件 按 照一 定 的 空 间 和 时 间 关 系 安 置 在 一 定 位 置 上 ， 并保 持 特 定 的 关 系 。二 、 动 力 单 元 功 能 是 按 照 机 电 一 体 化 系 统 的 控 制 要 求 ，为 系 统 提 供 能 量 和 动 力 以 保 证 系 统 正 常 运 行 。三 、 传 感 检 测 单 元 功 能 是 对 系 统 运 行 过 程 中 所 需 要 的 本 身 和外 界 环 境 的 各 种 参 数 及 状 态 进 行 检 测 ， 并 转 换成 可 识 别 信 号 ， 传 输 到 控 制 信 息 处 理 单 元 ， 经过 分 析 、 处 理 产 生 相 应 的 控 制 信 息 。四 、 执 行 单 元 功 能 是 根 据 控 制 信 息 和 指 令 完 成 所 要 求 的动 作 。 执 行 单 元 是 运 动 部 件 ， 一 半 采 用 机 械 、 电 磁 、 电 液 等 方 式 将 输 入 的 各 种 形 式 的 能 量 转换 为 机 械 能 。 五 、 驱 动 单 元 功 能 是 在 控 制 信 息 作 用 下 ， 驱 动 各 种 执 行机 构 完 成 各 种 动 作 和 功 能 。 如 步 进 电 机 、 交 直流 伺 服 电 机 等 。六 、 控 制 与 信 息 处 理 单 元 是 机 电 一 体 化 系 统 的 核 心 单 元 ， 功 能 是 将来 自 各 传 感 器 的 检 测 信 息 和 外 部 输 入 命 令 进 行集 中 、 存 储 、 分 析 、 加 工 ， 根 据 信 息 处 理 结 果 ，按 照 一 定 的 程 序 发 出 相 应 的 控 制 信 号 ， 通 过 输出 接 口 送 往 执 行 机 构 ， 控 制 整 个 系 统 有 目 的 地运 行 ， 并 达 到 预 期 的 目 的 。七 、 接 口 其 作 用 是 将 各 要 素 或 子 系 统 连 接 成 为 一 个有 机 整 体 ， 使 各 个 功 能 环 节 有 目 的 地 协 调 一 致运 动 ， 从 而 形 成 机 电 一 体 化 的 系 统 工 程 。 其 基本 功 能 有 三 ： 变 换 、 放 大 、 传 递 。 机 电 一 体 化 产 品 归 类 图 第三节 机电一体化的相关技术1 机 械 技 术 机 电 一 体 化 的 机 械 产 品 与 传 统 的 机 械产 品 的 区 别 在 于 ： 机 械 结 构 更 简 单 、 机 械功 能 更 强 、 性 能 更 优 越 。 现 代 机 械 要 求 具有 更 新 颖 的 结 构 、 更 小 的 体 积 、 更 轻 的 重量 ， 还 要 求 精 度 更 高 、 刚 度 更 大 、 动 态 性能 更 好 。 在 设 计 和 制 造 机 械 系 统 时 除 了 考 虑 静态 、 动 态 刚 度 及 热 变 形 等 问 题 外 ， 还 应 考虑 采 用 新 型 复 合 材 料 和 新 型 结 构 以 及 新 型 的 制 造 工 艺 和 工 艺 装 置 。 2 .传 感 检 测 技 术 传 感 检 测 技 术 的 研 究 内 容 ， 一 是 研 究 如 何将 各 种 被 测 量 (包 括 物 理 量 、 化 学 量 和 生 物 量 等 )转 换 为 与 之 成 比 例 的 电 量 ； 二 是 研 究 对 转 换 的电 信 号 的 加 工 处 理 ， 如 放 大 、 补 偿 、 标 度 变 换等 。 机 电 一 体 化 系 统 要 求 传 感 检 测 装 置 能 快 速 、准 确 、 可 靠 的 获 取 信 息 。 压力变送器加 速度 计力 传感 器 3 信 息 处 理 技 术 实 现 信 息 处 理 的 主 要 工 具 是 计 算 机 ，计 算 机 技 术 包 括 计 算 机 的 软 件 技 术 、 硬件 技 术 、 网 络 与 通 讯 技 术 和 数 据 技 术 。机 电 一 体 化 系 统 中 主 要 采 用 工 业 控 制 机（ 包 括 可 编 程 控 制 器 ， 单 、 多 回 路 调 节器 ， 单 片 微 控 制 器 ， 总 线 式 工 业 控 制 机 ，分 布 式 计 算 机 测 控 系 统 ） 进 行 信 息 处 理 。信 息 处 理 的 发 展 方 向 是 提 高 信 息 处 理 的速 度 、 可 靠 性 和 智 能 化 程 度 。 人 工 智 能技 术 、 专 家 系 统 技 术 、 神 经 网 络 技 术 等都 属 于 计 算 机 信 息 处 理 技 术 的 范 畴 。 4 自 动 控 制 技 术 自 动 控 制 所 依 据 的 理 论 是 自 动 控 制原 理 （ 包 括 经 典 控 制 理 论 和 现 代 控 制 理论 ） ， 自 动 控 制 技 术 就 是 在 此 理 论 的 指导 下 对 具 体 控 制 装 置 或 控 制 系 统 进 行 设计 ， 之 后 进 行 系 统 仿 真 ， 现 场 调 试 ， 最后 使 研 制 的 系 统 可 靠 地 投 入 运 行 。 机 电一 体 化 系 统 中 的 自 动 控 制 技 术 主 要 包 括位 置 控 制 、 速 度 控 制 、 最 优 控 制 、 自 适应 控 制 以 及 模 糊 控 制 、 神 经 网 络 控 制 等 。 5 伺 服 驱 动 技 术 伺 服 驱 动 包 括 电 动 、 气动 、 液 压 等 各 种 类 型 的 传 动装 置 。 常 见 的 伺 服 驱 动 系 统主 要 有 电 气 伺 服 （ 如 步 进 电机 、 直 流 伺 服 电 机 、 交 流 伺服 电 机 等 ） 和 液 压 伺 服 （ 如液 压 马 达 、 脉 冲 油 缸 等 ） 两类 。6 系 统 总 体 技 术 机 电 一 体 化 系 统 是 一 个技 术 综 合 体 ， 它 利 用 系 统 总 体 技 术 将 各 有 关 技 术 协 调 配合 、 综 合 运 用 而 达 到 整 体 系统 的 最 佳 化 。 第四节 机电一体化系统设计的目标与方法一 、 机 电 一 体 化 产 品 和 系 统 的 分 类 生 产 用 机 电 一 体 化 产 品 数 控 机 床 、 机 器 人 、 自 动 生 产 设 备 柔 性 生 产 单 元 、 自 动 组 合 生 产 单 元 FMS、 无 人 化 工 厂 、 CIMS运 输 、 包 装 及 工 程 用 机 电 一 体 化 产 品 微 机 控 制 汽 车 、 机 车 等 交 通 运 输 工 具 数 控 包 装 机 械 及 系 统 数 控 运 输 机 械 及 工 程 机 械 设 备储 存 、 销 售 用 机 电 一 体 化 产 品自 动 仓 库自 动 空 调 与 制 冷 系 统 及 设 备 自 动 称 量 、 分 选 、 销 售 及 现 金 处 理 系 统 社 会 服 务 性 机 电 一 体 化 产 品自 动 化 办 公 设 备动 力 、 医 疗 、 环 保 及 公 共 服 务 自 动 化 设 备文 教 、 体 育 、 娱 乐 用 机 电 一 体 化 产 品家 庭 用 机 电 一 体 化 产 品微 机 或 数 控 型 耐 用 消 费 品炊 事 自 动 化 机 械家 庭 用 信 息 、 服 务 设 备科 研 及 过 程 控 制 用 机 电 一 体 化 产 品测 试 设 备 、 控 制 设 备 、 信 息 处 理 系 统农 、 林 、 牧 、 渔 及 其 它 民 用 机 电 一 体 化 产 品航 空 、 航 天 、 国 防 用 武 器 装 备 等 机 电 一 体 化 产 品 二 、 现 代 机 械 的 机 电 一 体 化 目 标 1、 提 高 精 度2、 增 强 功 能3、 提 高 生 产 效 率4、 节 约 能 源 ， 降 低 能 耗5、 提 高 安 全 性 、 可 靠 性6、 改 善 操 作 性 和 实 用 性7、 降 低 劳 动 强 度 ， 改 善 劳 动 条 件8、 简 化 结 构 ， 减 轻 重 量9、 降 低 价 格10、 增 强 柔 性 应 有 功 能 1.机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、 结构简单、尺寸减小等优点。 三、机电一体化技术方向 三、机电一体化产品的表现形式（ 3） 用 电 子 装 置 完 全 替 代 原 来 执 行 信 息 处理 功 能 的 机 构 ， 既 减 化 了 结 构 ， 又 极 大 地 丰富 了 信 息 传 输 的 内 容 ， 提 高 了 速 度 。 例 如 ，石 英 电 子 钟 表 、 电 子 秤 、 按 键 式 电 话 等 。（ 4） 用 电 子 装 置 替 代 机 械 的 主 功 能 ， 形 成特 殊 的 加 工 能 力 。 例 如 ， 电 火 花 加 工 机 床 、线 切 割 加 工 机 床 、 激 光 加 工 机 床 等 。2.机 电 技 术 完 全 融 合 形 成 新 型 机 电 一体 化 产 品 生 产 机 械 中 的 激 光 快 速 成 形 机 ； 信 息 机械 中 的 传 真 机 、 打 印 机 、 复 印 机 ； 检 测 机 械中 的 CT（ 计 算 机 断 层 扫 描 诊 断 装 置 ） 扫 描诊 断 仪 、 扫 描 隧 道 显 微 镜 等 。 总 之 ， 机 电 一 体 化 发 展 方 向 性 能 上 : 向 高 精 度 、 高效 率 、 高 性 能 、 智 能 化 方 向发 展 ； 功 能 上 ： 向 小 型 化 、 轻型 化 、 多 功 能 方 向 发 展 ; 层 次 上 ： 向 系 统 化 、 复合 集 成 化 方 向 发 展 。 四、机电一体化系统开发的设计思想 机 电 一 体 化 系 统 开发 要 特 别 强 调 技 术 融 合 ，学 科 交 叉 ， 一 方 面 要 求设 计 机 械 系 统 时 ， 应 选择 与 控 制 系 统 的 电 气 参数 相 匹 配 的 机 械 系 统 参数 ； 同 时 也 要 求 设 计 控制 系 统 时 ， 应 根 据 机 械系 统 的 固 有 结 构 参 数 来选 择 和 确 定 电 气 参 数 。综 合 应 用 机 械 技 术 和 微 电 子 技 术 ， 使 二 者 密 切结 合 、 相 互 协 调 、 相 互补 充 ， 从 分 体 现 机 电 一体 化 的 优 越 性 。 五、机电一体化系统设计方法1. 取 代 法 取 代 法 就 是 用 电 气 控 制 取 代 原 系统 中 的 机 械 控 制 机 构 。 该 方 法 是 改 造旧 产 品 、 开 发 新 产 品 或 对 原 系 统 进 行技 术 改 造 常 用 的 方 法 ,也 是 改 造 传 统 机械 产 品 的 常 用 方 法 。 2. 整 体 设 计 法 整 体 设 计 法 主 要 用 于 新 产 品 的 开发 设 计 。 在 设 计 时 完 全 从 系 统 的 整 体目 标 出 发 ,考 虑 各 子 系 统 的 设 计 。 3.组 合 法 组 合 法 就 是 选 用 各 种 标 准 功 能 模块 组 合 设 计 成 机 电 一 体 化 系 统 。 例 如 ,设 计 一 台 数 控 机 床 ,可 以 依 据 机 床 的 性能 要 求 ,通 过 对 不 同 厂 家 的 计 算 机 控 制单 元 、 伺 服 驱 动 单 元 、 位 移 和 速 度 测试 单 元 及 主 轴 、 导 轨 、 刀 架 、 传 动 系统 等 产 品 的 评 估 分 析 ,研 究 各 单 元 间 接口 关 系 和 各 单 元 对 整 机 性 能 的 影 响 ,通过 优 化 设 计 确 定 机 床 的 结 构 组 成 。 第五节 本课程的目的和要求目 的 ： 是 研 究 怎 样 利 用 系 统 设 计 原 理 和 综 合集 成 技 巧 ， 将 控 制 电 动 机 、 传 感 器 、 机 械 系统 、 微 机 控 制 系 统 、 接 口 及 控 制 软 件 等 机 电一 体 化 要 素 组 成 各 种 性 能 优 良 的 可 靠 的 机 电一 体 化 产 品 或 系 统 。要 求 ：1、 掌 握 机 电 一 体 化 系 统 设 计 的 基 本 概 念 、基 本 原 理 和 基 本 知 识 。2、 掌 握 机 电 一 体 化 系 统 设 计 中 常 用 的 机 械量 检 测 传 感 器 、 控 制 电 动 机 的 原 理 、 结 构 、性 能 和 应 用 。3、 掌 握 机 电 一 体 化 系 统 设 计 中 常 用 的 机 械 系 统 设 计 、 工 业 控 制 、 计 算 机 控 制 、 接 口 设计 的 基 本 方 法 。4、 初 步 掌 握 机 电 一 体 化 系 统 设 计 原 理 和 综合 集 成 技 巧 ， 进 行 总 体 方 案 的 分 析 与 设 计 。 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 ， 以 完 成 规 定 的 动 作 ，传 递 功 率 、 运 动 和 信 息 ， 支 撑 连 接 相关 部 件 等 。 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 。 第一节 机械系统数学模型的建立一 、 机 械 移 动 系 统 机 械 移 动 系 统 的 基 本 单 元 是 质 量 (M)、 阻尼 (C)和 弹 簧 (K)， 建 立 机 械 移 动 系 统 数 学 模型 的 基 本 原 理 是 牛 顿 第 二 定 律 。牛 顿 第 二 定 律 ： 物 体 的 加 速 度 跟 物 体 所 受 的合 外 力 F成 正 比 ， 跟 物 体 的 质 量 成 反 比 ， 加 速度 的 方 向 跟 合 外 力 的 方 向 相 同 。 F=ma 通 过 拉 氏 变 换 ， 得 到 系 统 的 传 递 函 数)(tfkxxcxm kcsmssF sX 2 1)( )( 0)()( 2112111 xxkxxcxm )()()( 221211222 tfxkxxkxxcxm 0)()()()()( 21121121 sXsXksXsXcssXsm )()()()()()()( 2212112222 sFsXksXsXksXsXcssXsm 2122122111321421 11 )()()( )( kksckskmkmkmcsmmsmm kcssF sX 2122122111321421 1212 )()()( )( kksckskmkmkmcsmmsmm kcssmsF sX 二 、 机 械 转 动 系 统 机 械 转 动 系 统 的 基 本 单 元 是 转 动 惯 量 (J)、阻 尼 (C)和 弹 簧 (K)， 建 立 机 械 移 动 系 统 数 学模 型 的 基 本 原 理 仍 是 牛 顿 第 二 定 律 。这 里 ， (t)为 转 角 ， T(t） 为 扭 矩 。通 过 拉 氏 变 换 ， 得 到 系 统 的 传 递 函 数)(tTkcJ kcsJssT s 2 1)()( )()()( tTkcJ oioiim 0)()( ioiooL kcJ kcssJJ JJsJJ kcskcssJsJ kcssJ kcssJsJ kcssT s mL mLmLmL mmLo 2222 222 )()(1 )()( )( 三 、 基 本 物 理 量 的 折 算 1、 转 动 惯 量 的 折 算根 据 动 平 衡 原 理其 中 Ti为 i轴 的 输 入 转 矩 ， Ti为 i轴 的 负 载 转 矩i为 i轴 的 角 速 度 。对 于 一 对 啮 合 齿 轮 的 轴 来 说 ， 由 于 轴 II的 输入 转 矩 是 从 轴 I上 的 负 载 转 矩 获 得 的 ， 且 与 他们 的 转 速 (齿 轮 的 半 径 或 齿 数 ， 传 动 比 )成 反比 ， 所 以 有 iiii TJT iiiii TiTzzT 11 2、 粘 性 阻 尼 系 数 的 折 算 机 械 系 统 的 相 对 运 动 元 件 之 间 存 在 着 粘性 阻 尼 ， 并 以 一 定 的 形 式 表 现 出 来 。 在 机 械系 统 数 学 建 模 过 程 中 ， 粘 性 阻 尼 同 样 需 要 折算 到 某 一 部 件 上 ， 求 出 系 统 的 当 量 阻 尼 系 数 。其 基 本 方 法 是 将 摩 擦 阻 力 、 流 体 阻 力 及 负 载阻 力 折 算 成 与 速 度 有 关 的 粘 性 阻 尼 力 ， 再 利用 摩 擦 阻 力 与 粘 性 阻 尼 力 所 消 耗 的 功 相 等 这一 原 则 ， 求 出 粘 性 阻 尼 系 数 ， 最 后 进 行 相 应的 当 量 阻 尼 系 数 折 算 。 3、 刚 度 系 数 的 折 算 机 械 系 统 中 各 元 件 在 工 作 时 受 到 力 和 力 矩的 作 用 ， 将 产 生 伸 长 (或 压 缩 )和 扭 转 等 弹 性变 形 ， 这 些 变 形 将 影 响 整 个 系 统 的 精 度 和 动态 性 能 。 在 机 械 系 统 的 数 学 建 模 中 ， 需 要 将其 折 算 成 相 应 的 当 量 扭 转 刚 度 系 数 和 线 性 刚度 系 数 。4、 系 统 的 数 学 模 型 将 基 本 物 理 量 折 算 到 某 一 部 件 后 ， 即 可 按单 一 部 件 对 系 统 进 行 建 模 。 数 控 机 床 进 给 系 统 1 转 动 惯 量 的 折 算 将 轴 I、 、 III上 的 转 动 惯 量 和 工 作 台 的质 量 都 折 算 到 轴 I上 ， 作 为 系 统 总 转 动 惯 量 。(1)轴 I、 、 III转 动 惯 量 的 折 算 1111 TJT 2222 TJT 1122 TzzT 1212 zz 3333 TJT 2343 TzzT 142 312433 zz zzzz 221122121 TzzzzJT 34312432132 TzzzzzzJT (2)工 作 台 质 量 的 折 算 根 据 动 力 平 衡 关 系 ，丝 杠 转 动 一 周 所 做 的 功 等 于 工 作 台 前 进 一 个导 程 时 其 惯 性 力 所 做 的 功 ， 对 于 工 作 台 和 丝杠 有 LvmT 23 142 313 22 zzzzLLv 142 3123 2 mzzzzLT (3)折 算 到 轴 I上 的 总 转 动 惯 量 11242 312243213221211 2 JzzzzLmzzzzJzzJJT 242 31224321322121 2 zzzzLmzzzzJzzJJJ 2 粘 性 阻 尼 系 数 的 折 算 当 只 考 虑 阻 尼 力 时 ， 根 据 工 作 台 和 丝 杠之 间 动 力 关 系 ， 丝 杠 旋 转 一 周 所 做 的 功 等 于工 作 台 前 进 一 个 导 程 时 其 阻 尼 力 所 做 的 功 ，有 cvLT 23 131 423 TzzzzT 2142 31 Lzzzzv 112242 311 2 ccLzzzzT cLzzzzc 22 42 31 2 3 刚 度 系 数 的 折 算 首 先 将 各 轴 的 扭 转 角 折 算 到 轴 I上 ， 丝 杠与 工 作 台 之 间 的 轴 向 弹 性 变 形 会 使 轴 III产 生一 个 附 加 扭 转 角 ， 所 以 也 要 折 算 到 轴 I上 ， 然后 求 出 折 算 到 轴 I上 的 系 统 的 当 量 刚 度 系 数 。(1)轴 向 刚 度 系 数 的 折 算 LkT 23 L 2 33323 2 kkLT kLk 22 (2)扭 转 刚 度 系 数 的 折 算 根 据 动 力 平 衡 和 传动 关 系 有 111 kT 2112222 kTzzkT 3131 42333 kTzzzzkT 因 为 丝 杠 和 工 作 台 之 间 的 轴 向 弹 性 变 形 ， 使得 轴 III产 生 了 一 个 附 加 扭 转 角 3， 所 以 轴 III上 的 实 际 扭 转 角 III为 1331 4233333III 11 TkkzzzzkTkT 将 各 轴 的 扭 转 角 折 算 到 轴 I上 ， 得 到 系 统 的 当量 扭 转 角 kTTkkzzzzkzzkzzzzzz 113231 4222121III31 422121 1111 4 系 统 的 数 学 模 型 设 输 入 量 为 轴 I的 转 角 i， 输 出 量 为 工 作 台的 线 位 移 xo， 而 o为 工 作 台 位 移 折 算 到 I轴 上的 等 效 当 量 转 角 ， 负 载 为 零 ， 则 可 以 得 到 数控 机 床 进 给 系 统 的 数 学 模 型 iooo kLzzzzxkxcxJ 242 31 0)( iooo kcJ oo xLzzzz 242 31 22 242 31242 31 222)( )()( nnnio sLzzzzkscsJ kLzzzzssXsG 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 影 响 机 电 一 体 化 系 统 中 传 动 链 动 力 学 性 能的 因 素 一 般 有 以 下 几 个 ：(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 动 机 和 传 动 链 ， 使之 与 负 载 变 化 相 匹 配 。(2)传 动 链 惯 性 惯 性 既 影 响 传 动 链 的 启 停 特性 ， 又 影 响 控 制 系 统 的 快 速 性 、 定 位 精 度 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 它 们 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 理 刚 度 大 抗 振 动 性 能 好 间 隙 小 1 转 动 惯 量 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 产 生 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 接 触 面 间 的 摩 擦 力 在 应 用 上 可 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 (或 由 运 动 趋 势 方 向 )相 反 。粘 性 摩 擦 力 大 小 与 两 物 体 相 对 运 动 的 速 度 成正 比 ； 库 仑 摩 擦 力 是 接 触 面 对 运 动 物 体 的 阻 力 ， 大 小 为 一 常 数 ； 静 摩 擦 力 是 有 相 对 运 动趋 势 但 仍 处 于 静 止 状 态 时 摩 擦 面 间 的 摩 擦 力 ，其 最 大 值 发 生 在 相 对 开 始 运 动 前 的 一 瞬 间 ，运 动 开 始 后 静 摩 擦 力 即 消 失 。 机 电 一 体 化 系 统 对 机 械 传 动 部 件 的 摩 擦 特性 的 要 求 为 ： 静 摩 擦 力 尽 可 能 小 。 动 摩 擦 力应 为 尽 可 能 小 的 正 斜 率 ， 反 之 若 为 负 斜 率 则易 产 生 爬 行 、 降 低 精 度 、 减 少 寿 命 。3 阻 尼 在 实 际 应 用 中 一 般 将 摩 擦 阻 尼 简 化 为 粘性 摩 擦 的 线 性 阻 尼 。 阻 尼 越 大 ， 最 大 振 幅 越小 ， 衰 减 越 快 。 但 定 位 精 度 降 低 ， 易 产 生 爬行 ； 稳 态 误 差 大 ， 精 度 降 低 。 实 际 应 用 中 一 般 取 的 欠 阻 尼 ， 既 能 保 证振 荡 在 一 定 的 范 围 内 过 渡 过 程 较 平 稳 、 过 渡过 程 时 间 较 短 ， 又 具 有 较 高 的 灵 敏 度 。 4. 刚 度 刚 度 大 ， 失 动 量 小 。 提 高 刚 度 可 增 加 闭环 系 统 的 稳 定 性 。所 谓 失 刚 度 指 由 零 部 件 变 形 引 起 的 误 差 。 5 谐 振 频 率 设 计 时 使 外 界 的 激 振 频 率 避 开 系 统 的 固 有频 率 时 ， 以 免 系 统 产 生 谐 振 而 不 能 正 常 工 作 。为 减 少 机 械 传 动 部 件 的 转 矩 反 馈 对 电 动 机 动态 性 能 的 影 响 ， 机 械 部 件 的 谐 振 频 率 必 须 大于 电 气 驱 动 部 件 的 谐 振 频 率 。6 间 隙 间 隙 将 使 机 械 传 动 系 统 中 间 隙 产 生 回 程 误差 ， 影 响 伺 服 系 统 中 位 置 环 的 稳 定 性 。 间 隙 的 主 要 形 式 有 齿 轮 传 动 的 齿 侧 间 隙 、丝 杠 螺 母 的 传 动 间 隙 、 丝 杠 轴 承 的 轴 向 间 隙 、联 轴 器 的 扭 转 间 隙 等 。 在 机 电 一 体 化 系 统 中 ，为 了 保 证 系 统 良 好 的 动 态 性 能 ， 要 尽 可 能 避 免 间 隙 的 出 现 。 当 间 隙 出 现 时 ， 要 采 取 消 隙措 施 。 (1)齿 轮 传 动 齿 侧 间 隙 的 消 除 1)刚 性 消 隙 法 刚 性 消 隙 法 是 在 严 格 控 制轮 齿 齿 厚 和 齿 距 误 差 的 条 件 下 进 行 的 ， 调 整后 齿 侧 间 隙 不 能 自 动 补 偿 ， 但 能 提 高 传 动 刚度 。 偏 心 轴 套 式 消 隙 机 构 如 图 2-18所 示 。 电 动机 1通 过 偏 心 轴 套 2装 在 箱 体 上 。 转 动 偏 心 轴套 可 调 整 两 齿 轮 中 心 距 ， 消 除 齿 侧 间 隙 。 图 2-18 偏 心 轴 套 式 消隙 机 构1-电 动 机 2-偏 心 轴 套 锥 齿 轮 消 除 间 隙 的 结 构 如 图 2-19所 示 。 将齿 轮 1、 2的 分 度 圆 柱 改 为 带 锥 度 的 圆 锥 面 ，使 齿 轮 的 齿 厚 在 轴 向 产 生 变 化 。 装 配 时 通 过改 变 垫 片 3的 厚 度 ， 来 改 变 两 齿 轮 的 轴 向 相 对位 置 ， 以 消 除 侧 隙 。 图 2-19 锥 度 齿 轮 消 隙 机 构1、 2-齿 轮 3-垫 片 图 2-20 斜 齿 圆 柱 齿 轮 消 隙 机 构1、 2-窄 斜 齿 圆 柱 齿 轮 3-垫 片 4-宽 齿 轮 2)柔 性 消 隙 法 指 调 整 后 齿 侧 间 隙 可 以 自 动 补偿 。 采 用 这 种 消 隙 方 法 时 ， 对 齿 轮 齿 厚 和 齿 距的 精 度 要 求 可 适 当 降 低 ， 但 对 影 响 传 动 平 稳 性有 负 面 影 响 ， 且 传 动 刚 度 低 ， 结 构 也 较 复 杂 。 图 2-21 双 齿 轮 错 齿 式 消 隙 机 构 1、 2-薄 片 齿 轮 3、 4-凸 耳 5-调 节 螺 钉 6、 7-螺 母 8-弹 簧 图 2-22 碟 形 弹 簧 消 隙 机 构1、 2-薄 片 斜 齿 圆 柱 齿 轮 3-碟 形 弹 簧 4-垫 片 5-螺 母 6-宽 齿 轮 图 2-23 压 力 弹 簧 消 隙 机 构 1-锥 齿 轮 外 圈 2-锥 齿 轮 内 圈 3-锥 齿 轮 4-凸 爪 5-螺 钉 6-弹 簧 7-镶 块 8-圆 弧 槽 图 2-24 双 斜 齿 圆 柱 齿 轮 消 隙 机 构1、 3-从 动 斜 齿 圆 柱 齿 轮 轴 2-主 动 斜 齿 圆 柱 齿 轮 轴 4、 5-直 齿 圆 柱 齿 轮 (2)丝 杠 螺 母 间 隙 的 调 整 丝 杠 螺 母 传 动 系 统 的轴 向 间 隙 的 调 整 既 要 考 虑 轴 向 间 隙 （ 丝 杠 静 止时 螺 母 沿 轴 向 的 位 移 量 ） 又 要 考 虑 滚 珠 与 滚 道的 接 触 弹 性 变 形 。 丝 杠 螺 母 传 动 系 统 的 调 隙 一般 采 用 双 螺 母 结 构 。 图 2-25 垫 片 式 调 隙 机 构 图 2-26 螺 纹 式 调 隙 机 构 图 2-27齿 差 式 调 隙 机 构 提 高 传 动 精 度 的 结 构 措 施 有 ：(1)适 当 提 高 零 部 件 本 身 的 精 度 ；(2)合 理 设 计 传 动 链 ， 减 少 零 部 件 制 造 、 装 配误 差 对 传 动 精 度 的 影 响 ；(3)采 用 消 隙 机 构 ， 以 减 少 或 消 除 空 程 。合 理 设 计 传 动 链 方 法(1)合 理 选 择 传 动 型 式 ；(2)合 理 确 定 级 数 和 分 配 各 级 传 动 比 ；(3)合 理 布 置 传 动 链 。 第 三 节 机 械 传 动 装 置 在 传 动 链 的 设 计 中 ， 各 种 不 同 型 式 的 传 动 ，达 到 的 精 度 是 不 同 的 。 一 般 说 来 ， 圆 柱 直 齿轮 与 斜 齿 轮 机 构 的 精 度 高 ， 蜗 杆 、 蜗 轮 机 构次 之 ， 圆 锥 齿 轮 则 更 次 之 。 在 行 星 齿 轮 机 构中 ， 谐 波 齿 轮 精 度 最 高 ， 渐 开 线 行 星 齿 轮 机构 、 少 齿 差 行 星 齿 轮 机 构 次 之 ， 摆 线 针 轮 行星 齿 轮 机 构 更 次 之 。 减 少 传 动 级 数 ， 就 可 减 少 零 件 数 量 ， 也 就减 少 了 产 生 误 差 的 环 节 。 对 减 速 传 动 链 ， 各级 传 动 比 宜 从 高 速 级 开 始 ， 逐 级 递 增 ， 且 在结 构 空 间 允 许 的 前 提 下 ， 尽 量 提 高 末 级 传 动比 。 一 般 来 说 ， 减 速 传 动 采 用 大 的 传 动 比 ，可 使 从 动 轮 半 径 增 大 ， 从 而 提 高 了 角 值 精 度 。 一 、 齿 轮 传 动 齿 轮 传 动 是 机 电 一 体 化 系 统 中 使 用 最 多的 机 械 传 动 装 置 ， 主 要 原 因 是 齿 轮 传 动 的 瞬时 传 动 比 为 常 数 ， 传 动 精 确 ， 且 强 度 大 、 能承 受 重 载 、 结 构 紧 凑 、 摩 擦 力 小 、 效 率 高 。1 齿 轮 传 动 总 传 动 比 的 选 择 用 于 伺 服 系 统 的 齿 轮 传 动 一 般 是 减 速 系统 ， 其 输 入 是 高 速 、 小 转 矩 ， 输 出 是 低 速 、大 转 矩 。 要 求 齿 轮 系 统 不 但 有 足 够 的 强 度 ，还 要 有 尽 可 能 小 的 转 动 惯 量 ， 在 同 样 的 驱 动功 率 下 ， 其 加 速 度 响 应 为 最 大 。 为 此 ， 通 常采 用 负 载 角 加 速 度 最 大 原 则 选 择 总 传 动 比 ，以 提 高 伺 服 系 统 的 响 应 速 度 。mL JJi 2 齿 轮 传 动 链 的 级 数 和 各 级 传 动 比 的 分 配 减 少 传 动 级 数 ， 就 可 减 少 零 件 数 量 ， 也就 减 少 了 产 生 误 差 的 环 节 。 因 此 ， 传 动 链 级数 应 尽 量 减 少 。 虽 然 周 转 轮 系 可 以 满 足 总 传动 比 的 要 求 ， 且 结 构 紧 凑 ， 但 由 于 效 率 等 原因 ， 常 用 多 级 圆 柱 齿 轮 传 动 副 串 联 组 成 齿 轮系 。 齿 轮 副 级 数 的 确 定 和 各 级 传 动 比 的 分 配 ，按 以 下 三 种 不 同 原 则 进 行 。(1)最 小 等 效 转 动 惯 量 原 则 分 配 传 动 比 数 控 机 床 正 反 方 向 动 作 频 繁 ， 因 此 ， 按最 小 等 效 转 动 惯 量 的 原 则 确 定 传 动 级 数 和 分配 各 级 传 动 比 ， 有 利 于 实 现 传 动 的 快 速 性 、平 稳 性 和 准 确 性 的 要 求 。 最 小 等 效 转 动 惯 量是 指 传 动 链 中 各 个 齿 轮 折 算 到 输 入 轴 上 的 等 效 转 动 惯 量 Je， 应 为 最 小 。 根 据 等 效 转 动 惯量 的 计 算 公 式 进 行 计 算 。 分 配 结 果 应 为 “ 前 小 后 大 ” (2)质 量 最 小 原 则 分 配 传 动 比 重 量 最 轻 是 指 齿 轮 传 动 链 中 所 有 各 齿 轮的 重 量 之 和 最 轻 。 这 个 指 标 对 于 仪 器 或 精 密设 备 很 重 要 ， 尤 其 是 飞 行 器 中 的 仪 器 装 置 更是 如 此 。 对 于 小 功 率 传 动 装 置 各 级 传 动 比 分配 的 结 果 应 为 i1=i2= in 而 对 大 功 率 传 动 装 置 ， 各 级 传 动 的 参 数 不 同 ，后 级 数 值 较 大 ， 为 使 机 构 重 量 最 轻 ， 各 级 传动 比 应 按 “ 前 大 后 小 ” 的 分 配 原 则 。(3)输 出 轴 的 转 角 误 差 最 小 原 则 在 减 速 齿 轮 传 动 链 中 ， 从 输 入 端 到 输 出 端的 各 级 传 动 比 按 “ 前 小 后 大 ” 原 则 排 列 ， 则总 转 角 误 差 较 小 ， 且 低 速 级 的 转 角 误 差 占 的 比 重 很 大 。 因 此 ， 为 了 提 高 齿 轮 传 动 精 度 ，应 减 少 传 动 级 数 ， 并 使 末 级 齿 轮 的 传 动 比 尽可 能 大 ， 制 造 精 度 尽 量 高 。 (4)三 种 原 则 的 选 择上 述 三 项 原 则 的 选 择 ， 应 根 据 具 体 的 工 作 条件 综 合 考 虑 。1)对 于 以 提 高 传 动 精 度 和 减 小 回 程 误 差 为 主的 降 速 齿 轮 传 动 链 ， 可 按 输 出 轴 转 角 误 差 最小 原 则 设 计 。 若 为 增 速 传 动 链 ， 则 应 在 开 始几 级 就 增 速 。2)对 于 要 求 运 动 平 稳 、 启 停 频 繁 和 动 态 性 能好 的 伺 服 减 速 传 动 链 ， 可 按 最 小 等 效 转 动 惯量 和 输 出 轴 转 角 误 差 最 小 原 则 进 行 设 计 。 对于 负 载 变 化 的 齿 轮 传 动 装 置 ， 各 级 传 动 比 最好 采 用 不 可 约 的 比 数 ， 避 免 同 时 啮 合 。3)对 于 要 求 质 量 尽 可 能 小 的 降 速 传 动 链 ， 可 按 质 量 最 小 原 则 进 行 设 计 。4)对 于 传 动 比 很 大 的 齿 轮 传 动 链 ， 可 把 定 轴轮 系 和 行 星 轮 系 结 合 使 用 。 四 、 机 械 传 动 系 统 方 案 的 选 择 机 电 一 体 化 系 统 或 产 品 对 机 械 系 统 要 求精 度 高 、 运 行 平 稳 、 工 作 可 靠 ， 这 不 仅 是 机械 传 动 和 结 构 本 身 的 问 题 ， 而 且 要 通 过 控 制装 置 ， 使 机 械 传 动 部 分 与 伺 服 电 机 的 动 态 性能 相 匹 配 ， 在 设 计 过 程 中 要 综 合 考 虑 这 几 部分 的 相 互 影 响 。 对 于 伺 服 机 械 传 动 系 统 ， 一 般 要 求 具 有高 的 机 械 固 有 频 率 、 高 刚 度 、 合 适 的 阻 尼 、线 性 的 传 递 性 能 、 小 惯 量 等 ， 这 些 都 是 保 证伺 服 系 统 具 有 良 好 的 伺 服 特 性 (精 度 、 快 速 响应 、 稳 定 性 )所 必 需 的 。 设 计 过 程 中 应 考 虑 多种 设 计 方 案 ， 优 化 评 价 决 策 ， 反 复 比 较 ， 选 出 最 佳 方 案 。