第2章 机电一体化机械系统设计理论(OK)
合集下载
第二章机械系统部件选择与设计 机电一体化系统设计课件
1-
12
2020/10/31
1-
13
2.滚珠丝杠副的典型结构类型
滚珠丝杠副的结构类型可以
从螺纹滚道的截面形状、滚珠的
循环方式和消除轴向间隙的调整
方法进行区别。
螺纹滚道型面(法向)的形状及 主要尺寸
2020/10/31
1-
14
螺纹滚道法向截面形状
2020/10/31
1-
15
滚珠的循环方式有：
注意经常通过注油孔注油。
2020/10/31
1-
45
防护套的形式
有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板 防护套示例:1为折叠式密封套，2为螺旋弹簧钢
带伸缩套管。
2020/10/31
1-
46
滚珠丝杠副的选择方法
根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，
可选择适当的结构型式。例如，当允许有间隙存在
时(如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单
6.28弧度时，螺母上基准点的轴向位移。
行程：它指丝杆相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上 基准点的轴向位移。
此外还有丝杆螺纹大径d1、丝杆螺纹底径d2、滚珠直 径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杆螺纹全长
等。
2020/10/31
1-
22
4.滚珠丝杠副的精度等级
及标注方法
1) 精 度 等 级 ， 根 据 GB/T17587.3-1998 （ 与 ISO 3408-3：1992同）标准，对滚珠丝杠副的精度分成为 1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级， 最低级为10级。按实际使用要求，在每一精度等级内 指定了导程精度的验收检验项目，未指定的检验项目 其导程误差不得低于下一级精度的规定值。
机电一体化系统设计第2章机电一体化系统设计和分析方法
能及结构进行重新设计）; 变参数设计（仅改变部分结构尺寸而
形成系列产品）
精选ppt
6
机电一体化系统设计原则
机电一体化设计要遵循产品的一般设计原则 （在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前 提下，尽量降低成本），以计算机为辅助手段， 充分利用现代设计方法，以多功能化，节能化， 高效化满足市场要求。
2.1.1系统设计的描述（什么是设计？）
从现代设计方法的观念看，“设计”就是 一个信息系统，输入的是需求，输出是设 计的结果。
从系统工程的观点分析，设计是一个由时 间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过 程中的每一个行为可以反映为此三维空间 中的一个点。
精选ppt
4
详细设计
概念设计
产品规划
形态学矩阵 模糊理论 知识方法维
精选ppt
19
性能指标分配
精选ppt
20
精选ppt
21
根据表2-1列出部分可行性方案的总成本表。
精选ppt
22
2.3 机电一体化系统的建模和仿真
系统模型
系统模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是 人们用以认识事物的一种手段或工具，系统模型一般包括物理 模型、数学模型和描述模型三种类型。
度计划 。
精选ppt
13
详细设计
根据详细设计任务书，对各零部件进行详 细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材 料等参数，设计控制软件、设计电子、电 气系统的电路，选用合适的元件，绘制详 细的零件图、装配图等工程图，编写详细 的设计技术资料。详细设计还包括制定产 品制造工艺和质量检验等内容。
详细设计必须按照总体的要求进行，在设
方法维，是设计过程 的各种思维方法、工 作方法和涉及的相关 领域知识
形成系列产品）
精选ppt
6
机电一体化系统设计原则
机电一体化设计要遵循产品的一般设计原则 （在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前 提下，尽量降低成本），以计算机为辅助手段， 充分利用现代设计方法，以多功能化，节能化， 高效化满足市场要求。
2.1.1系统设计的描述（什么是设计？）
从现代设计方法的观念看，“设计”就是 一个信息系统，输入的是需求，输出是设 计的结果。
从系统工程的观点分析，设计是一个由时 间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过 程中的每一个行为可以反映为此三维空间 中的一个点。
精选ppt
4
详细设计
概念设计
产品规划
形态学矩阵 模糊理论 知识方法维
精选ppt
19
性能指标分配
精选ppt
20
精选ppt
21
根据表2-1列出部分可行性方案的总成本表。
精选ppt
22
2.3 机电一体化系统的建模和仿真
系统模型
系统模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是 人们用以认识事物的一种手段或工具，系统模型一般包括物理 模型、数学模型和描述模型三种类型。
度计划 。
精选ppt
13
详细设计
根据详细设计任务书，对各零部件进行详 细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材 料等参数，设计控制软件、设计电子、电 气系统的电路，选用合适的元件，绘制详 细的零件图、装配图等工程图，编写详细 的设计技术资料。详细设计还包括制定产 品制造工艺和质量检验等内容。
详细设计必须按照总体的要求进行，在设
方法维，是设计过程 的各种思维方法、工 作方法和涉及的相关 领域知识
第二章 机电一体化系统总体方案设计.
R(t) 1 F(t) N0 N f (t) N0
(1―3)
第1章 机电一体化系统总体方案设计
例1 某种系统(或部件或元件)1000个，工作1000h， 有10个发生故障。我们可以计算出这种系统(或部件或 元件)千小时的可靠度为：
R N0 N f (t) 100 10 0.99
1、机械一体化系统中伺服机构的作用是什么？ 2、如何保证机电一体化系统具有良好的伺服特性？
个系统(或部件或元器件)的可靠性。对一台微型机来 说，当它出现故障时是可以进行维修的。
为了表征系统的可维修性，引入平均修复时间 MTTR。
第1章 机电一体化系统总体方案设计 它也是一个统计值，用下式表示：
MTTR 1 N N i1
ti
(5―11)
系统的可用性通常用利用率来表示。利用率就是
第1章 机电一体化系统总体方案设计
例如，1000台微型计算机，运行1000h，累计出现
10次故障，则这种微型机的MTBF计算如下：
10
105
/h
1000 1000
MTBF 1 105h
第1章 机电一体化系统总体方案设计
4.平均修复时间和利用率 平均维修时间和利用率则又从另一角度来描述一
在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程 度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范 围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。由于机电一体化系 统对快速响应指标要求很高，因此机电一体化系统中的机械传动装 置不仅仅是解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题。而更重要的是 为了提高系统的伺服性能。为了提高机械系统的伺服性能，要求机 械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、 间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。
第二章机电一体化机械技术术(二)
开始 前页 后页 结束
1、基本要求及其目的
基本要求：无间隙、低摩擦、低惯量、高 刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。 目的：确保机械系统的传动精度和工作稳定 性常提出 2.达到基本要求所采用的措施 1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部 件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承等。
开始 前页 后页 结束
开始 前页 后页 结束
二、机电一体化机械系统的组成
（1）传动机构 机电一体化机械系统中的传
动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是 已成为伺服系统的一部分。 （2）导向机构 其作用是支承和导向，为机 械系统中各运动装置能安全、准确地完成其 特定方向的运动提供保障。 （3）执行机构 执行机构根据操作指令的要 求在动力源的带动下，完成预定的操作。
四、机械系统的特性 1、转动惯量 （1）影响 机械负荷增加，功率消耗大； 系统的响应速度变慢，灵敏度降低； 系统的固有频率下降，容易产生谐振； 电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增大。 （2）计算
开始 前页 后页 结束
2、阻尼 注意：机械系统可以视为带有阻尼的质量弹 簧系统。 （1）影响 阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快，但 大阻尼会使系统的矢动量增大，稳态误差增 大，精度降低，适当的阻尼可以提高系统的 稳定性。
开始 前页 后页 结束
4、传动精度 （1）误差分析 传动误差 指输入轴单向回转时，输出轴转角 的实际值相对于理论值的变动量 回程误差：指输入轴正向回转变为反向回转 时，输出轴在转角上的滞后量，也可以把它 理解成输入轴固定时，输出轴可以任意转动 的转角量。
开始 前页 后页 结束
（2）减小传动误差的措施 提高零件本身的精度 合理的设计传动链,减少零部件制造、装配误 差对传动精度的影响 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 采用消隙结构
机电一体化系统设计(第2版)第二章机械系统部件及其建模
以进给驱动系统为例,系统中各谐振频率的相互关系
位置调节环的谐振频率ω0p 电气驱动部件(速度环)的谐振频率ω0A 机械传动部件第一个谐振频率ω0mech1
机械传动部件第n个谐振频率ω0mechn
40~120rad/s (2~3)ω0p (2~3)ω0A
(2~3)ω0mech(n-1)
6.间隙
间隙将使机械传动系统产生回程误差,影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时,应减小位置环增益。间隙的主 要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠副的传动间隙、轴承的轴向间隙、联轴器的扭转间隙等。
机械传动部件一般可简化为的二阶振动系统,其阻尼比ζ为：
实际应用中一般取0.4≤ζ≤0.8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
刚度为使弹性体产生单位变形量所需的作用力。对于伺服系统的失动量来说,系统刚度越大,失动量越小。对于 伺服系统的稳定性来说,刚度对开环系统的稳定性没有影响,而对闭环系统的稳定性有很大影响,提高刚度可增 加闭环系统的稳定性。 刚度的提高往往伴随着转动惯量、摩擦和成本的增加,在方案设计中要综合考虑。
二、机械传动系统的特性
1.转动惯量 转动惯量大会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降,容易产生谐振。同时,转动惯 量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低,而阻尼增大。
在满足系统刚度的条件下,机电一体化系统机械部分的质量和转动惯量越小越好。 2.摩擦
三类摩擦力与速度的关系 a)黏性摩擦 b)静摩擦与库仑摩擦
二阶系统传递函数框图
第一节 常用机械系统部件数学模型的建立
左图中m1为汽车质量;c为减振器阻尼系数;k1为弹簧刚度;m2为汽 车轮子的质量;k2为轮胎弹性刚度;x1(t)和x2(t)分别为m1和m2的 绝对位移。由此可以得到系统的动力学方程为：
机电一体化技术(二)-机械系统设计解析
输入轴1：J1
d
21 (t)
dt 2
c1
d1 (t)
dt
M1 (t)
M
(t)
输出轴2：
J2
d22 (t)
dt 2
c2
d2 (t)
dt
M fz (t)
M 2 (t)
设齿轮传动比为 i 1 t z2 2 t z1
并假设齿轮1、2间无传动功率损耗，于是有：
简化到Ⅱ轴上： J2 i2 J1
M、M1------输入轴及齿轮1上的驱动力矩和负载力矩
M2、Mfz -----输出轴及齿轮2上的驱动力矩和负载力矩
1、2 -----主动轮1、从动轮2的转角
J1 、J2 -----主动轮1、从动轮2的转动惯量 c1、c2 -----主动轮1、从动轮2的粘滞阻尼系数
9
忽略两轴及齿轮的扭转弹性变形，分别对输入轴和 输出轴列写旋转运动方程：
2.2 机械参数对系统性能的影响
X s
1
G(s) F (s) ms2 Bs K
1
T
2s2
K
2Ts
1
二阶系统的传递函数的标准形式为：
f(t ) x(t )
m
K
B
其中:
n
1 T
K m
－自然频率（或无阻尼振荡频率）
B
2 mK
－阻尼比（相对阻尼系数）
2.2 机械参数对系统性能的影响
二阶系统的动态特性就可以用ωn和ζ这两 个参数的形式描述。如果0<ζ<1 ，则闭环极点
m
m
虚 功 ： W Fivit T j jt
i 1
j 1
等
效
虚
功
：