机电系统设计串讲(1).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,机 电 系 统 设 计,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,机电系统设计,机 电 系 统 设 计,绪 论,1,考试题型：,简答题：,60,分，,6,分,/,题,分析题：,30,分，,10,分,/,题,计算题：,10,分，一道题,考试时间和地点：,答疑时间和地点：,12,月,14,、,21,和,28,日上午,10:00-11:50,，,9-422,其他时间,Tel,2,主要内容,绪论,机电系统的,机械系统部件,的选择与设计,机电系统,执行元件,的选择与设计,机电系统的,微机控制系统,的选择与设计,机电系统的,机电有机结合,分析与设计,3,教学参考书,（,1,）,机电系统设计,，徐元昌主编，化学工业出版社出版。,（,2,）,机电一体化系统设计,，张建民编著，高等教育出版社出版；,4,第一章 绪论,1.1,机电一体化的基本概念,1.2,机电系统的发展概况,1.3,机电系统的组成,1.4,机电系统的关键技术,1.5,机电系统设计方法,5,1.1,机电一体化的基本概念,Mecha,nics,Elec,tronics,Mechatronics,机电一体化,信息科学,机械学,微电子学,图,1,机电一体化的含义,机械学,电子学,机电一体化,机电一体化,是以,机械学,、,微电子学,和,信息科学,为主的多门学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。,6,1.1,机电一体化的基本概念,机电一体化技术,：,综合应用,机械技术,、,微电子技术,、,信息技术,、,自动控制技术,、,传感测试技术,等，,从,系统,的观点出发，,合理配置布局,机械本体,、,执行机构,、,动力驱动单元,、,传感测试元件,、,控制和信息处理元件,，,形成,信息流,、,物质流,和,能量流,的有序规则运动，,高功能,、,高质量,、,高可靠性,、,高精度,、,低能耗,，实现特定功能价值。,7,1.1,机电一体化的基本概念,机电一体化产品,：产品的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互置换或有机结合而构成的新系统，且赋予其新的功能和性能的新一代产品,。,图,2,机电产品,8,1.3,机电系统的组成,图,3,机电系统的组成,9,1.3,机电系统的组成,（,1,）,机械本体,作用：支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力。,要求：材料、加工工艺性以及几何尺寸，高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观。,（,2,）,动力源,作用：向机电系统供应能量,电能、气能和液压能，,以电能为主。,要求：可靠性、效率高。,10,1.3,机电系统的组成,（,3,）,传感检测部分,作用：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。,要求：体积小、精度高、抗干扰。,（,4,）,控制和信息处理部分,作用：处理、运算、决策，实现控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化。,11,1.3,机电系统的组成,（,5,）,执行部分,作用：根据控制和信息处理部分的指令驱动机械部,件的运动。,要求：效率高、响应速度快、可靠性高、同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好。,执行部分是运动部件，通常采用电力驱动、气,压驱动和液压驱动几种方式。步进驱动、直流和交,流伺服电机。,12,1.5,机电系统设计方法,组合法,：此法是将用结合法制成的功能部件（子系统）、功能模块，像堆积木那样组合成各种机电系统。,机电互补法,：该方法的特点是用通用或专用电子部件，取代传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。,结合（融合）法,：,此法是将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的功能部件（子系统）。比如设计一个执行元件、运动机构、检测传感器，控制与机械本体合为一体的一个部件。,13,机械系统部件的选择与设计,机械系统部件的选择与 设 计,滚珠丝杠,滚珠丝杠,第二章,14,1.,机电系统对机械系统的要求,机械本体,支撑,作用,传动,作用,导轨,轴,丝杠,齿轮,带轮,凸轮,连杆,轴承,15,1.,机电系统对机械系统的要求,精密,化,高速,化,小型,化、,轻量,化,随着机电系统的发展，,要求,机械系统部件：,实现精密传动，,定位精度,高；,运动速度,快,；响应,快，,稳定性,好；,微型化、高,刚度,。,16,1.,机电系统对机械系统的要求,为达到上述要求，主要采取以下,措施,：,（,1,）采用,低摩擦阻力,的传动部件和导向支撑部件，如滚珠丝杠、滚动导轨；,（,2,）,缩短传动链,，如电机直接和丝杠联接；,（,3,）,提高,传动与支撑,刚度,，如滚珠丝杠和,滚动导轨的预紧；,17,1.,机电系统对机械系统的要求,（,6,）,改进,支承及架体的,结构,材料和设计，如选用复合材料。,（,5,）,缩小反向传动误差,，如消除传动间隙、减少支承变形；,（,4,）选用最佳,传动比,，尽量提高加速性能；,18,2.,丝杠螺母机构的基本传动形式,丝杠螺母机构主要用来将,旋转,运动变化为,直线,运动。,图,1.,以能量传递为主的,千斤顶,19,2.,丝杠螺母机构的基本传动形式,图,2.,以传递运动为主的工作台,进给丝杠,图,3.,以调整零件之间相,对位置为主的,虎钳,20,2.,丝杠螺母机构的基本传动形式,图,4-1.,螺母固定、丝杠转动并移动,图,4-2.,丝杠转动、螺母移动,刚性较好，但结构比前者复杂，适用于,行程较大的场合,。,结构简单，但轴向尺寸不易太长，刚性差，适用于,行程较小的场合,。,21,2.,丝杠螺母机构的基本传动形式,图,4-3.,螺母转动、丝杠移动,图,4-4.,丝杠固定、螺母转动并移动,结构复杂，占用的空间较大，应用较少。,应用较少。,22,2.,丝杠螺母机构的基本传动形式,图,4-5.,差动传动形式,应用场合：多应用于各种,微动机构,中。,螺母移动的距离为,工作原理：两段螺纹，导程不同，旋向相同，,23,3.,滚珠丝杠的基本结构和特点,基本构成：主要由丝杠、螺母、滚珠和,反向器,四部分组成。,工作原理。,图,5.,滚珠丝杠副的构成,丝杠,滑动丝杠,滚珠丝杠,螺母平移方向,24,3.,滚珠丝杠的组成和特点,滚珠丝杠和滑动丝杠的,比较,：,滑动丝杠,：结构简单、加工方便、制造成本低、可以自锁、摩擦阻力矩大、传动效率低（,3040%,）。,滚珠丝杠,：摩擦阻力矩小、传动效率高（,9298%,），轴向刚度高、运行平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长，但结构复杂、制造成本高、不能自锁。,25,6.,滚珠丝杠副的预紧,预紧的,原因,：轴向间隙会引起空回，影响传动精度，和加工质量。五种方法：,（,1,）,双螺母螺纹预紧调整式,工作原理,优缺点,：结构简单、刚性好、预紧可靠、使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,图,10-1.,双螺母螺纹预紧调整式,26,6.,滚珠丝杠副的预紧,（,2,）,双螺母齿差预紧调整式,工作原理,优缺点,：可实现定量调整，即可进行精密微调（如,0.002mm,），使用中调整较方便。,图,10-2.,双螺母齿差预紧调整式,27,6.,滚珠丝杠副的预紧,（,3,）,双螺母垫片预紧式,工作原理,优缺点,：结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便，防尘条件要求高。,图,10-3.,双螺母垫片预紧式,28,6.,滚珠丝杠副的预紧,（,4,）,弹簧式自动调整预紧式,工作原理,优缺点,：能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂。轴向刚度低，适合用于轻载场合。,图,10-4.,弹簧式自动调整预紧式,29,6.,滚珠丝杠副的预紧,（,5,）,单螺母变位导程自顶预紧式,工作原理,优缺点,：结构简单紧凑、但使用中不能调整，且制造困难。,图,10-5.,单螺母变位导程自顶预紧式,30,作业,滚珠丝杠副消除轴向间隙的预紧方式有哪些？请其简述工作原理和应用场合。,31,2,导向支承部件的选择与设计,导轨副的组成,导轨（副）是金属或其他材料,(,主要是铸铁，钢，,非铁金属和塑料,),制成的槽或者脊，可支承机械装置、,置、固定机械装置、引导机械装置沿一定的方向,运动的部件。,滑块,导轨,32,2.1,导轨的分类,导轨,直线,运动导轨,回转运动导轨,滑动导轨,滚动,导轨,塑料导轨,33,2.1,导轨的分类,常见的导轨,（,a,）直线滑轨,（,b,）直线滚珠式滚轨,（,c,）直线滚柱式滚轨,（,d,）直线滚珠式滚轨,34,2.2,导轨副应满足的基本要求,机电系统对导轨副的基本,要求,：,（,1,）,导向精度,直线运动导轨的几何精度,导向精度,是指导轨按给定方向作直线运动的准确程度。导向精度的高低主要取决于导轨的结构类型，导轨的几何精度和接触精度，导轨的配合间隙，油膜厚度和油膜刚度，导轨和基础件的刚度和热变形等。,垂直平面内的直线度,水平平面内的直线度,两导轨平面间的平行度,35,2.2,导轨副应满足的基本要求,（,2,）,刚度,在恒定载荷作用下，导轨的变形一般有自身,变形、局部变形和接触变形三种。,自身变形：导轨面上的零部件重量引起的，,增大尺寸，布置加强筋。,局部变形：载荷集中，局部刚度。,36,2.2,导轨副应满足的基本要求,导轨实际接触面,接触变形：实际接触面积仅是名义接触面积很小,的一部分，预加载荷。,由于接触面积是随机的，故接触变形不是定值，亦即接触刚度也不是定值，但在实际应用时，接触刚度必须是定值。为此需对接触面施加预载荷，以增加接触面积，提高接触刚度。,37,2.2,导轨副应满足的基本要求,（,3,）,耐磨性,指导轨在长期使用后，应能保持其导向精度。,耐磨性主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等。,（,4,）,对温度敏感性及结构工艺性,温度敏感性指导轨在环境温度变化的情况下，,应能正常工作，且保持运动精度。,结构工艺性指便于装配、调整、测量、防尘、,润滑和维修保养。,38,2.6,直线滚动导轨副特点和要求,直线滚动导轨副的,优缺点,：,优点：摩擦系数小，运动灵活；启动阻力小，不易产生爬行；运动精度高；润滑方便。,缺点：导轨面与滚动体是点接触或者线接触，抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动；结构复杂，成本高。,滚动导轨广泛地用于精密机床、数控机床、测量机。,39,机械系统部件的选择与设计,机械系统部件的选择与设 计,齿轮,齿轮,40,1.,齿轮传动部件,齿轮传动部件的作用是传递动力，改变运动的速度和方向。,机电系统设计中常遇到的问题是齿轮,最佳传动比,的选择和,各级传动比的最佳分配原则,。,齿轮传动的形式,:,（,a,）,图,1,常用,减速装置,的传动形式,（,b,）,（,c,）,（,d,）,41,1.1,齿轮最佳传动比,机电系统对齿轮传动比的,要求,：位移、转矩和转速匹配，以及,负载加速度最大,。,图,2,负载,惯量,模型,42,1.2,各级传动比的最佳分配原则,机电系统对各级传动比的,要求,：结构紧凑，传动精度高和动态性能好。,（,1,）,重量最轻原则,对于小功率传动系统，使各级传动比为：,对于大功率传动系统，根据经验、类比方法确定各级传动比，一般先大后小。,43,1.2,各级传动比的最佳分配原则,（,2,）,输出轴转角误差最小原则,各级传动比应按先小后大的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。同时，提高最末一级齿轮副的加工精度。,四级齿轮的总转角误差：,第,k,个齿轮所具有的转角误差；,第,k,个齿轮的转轴至,n,级输出轴的传动比。,44,1.2,各级传动比的最佳分配原则,（,3,）,等效转动惯量最小原则,齿轮系统的转动惯量换算到电动机轴上的等效转动惯量最小。,n,级齿轮传动系统的各级传动比：,45,1.2,各级传动比的最佳分配原则,要求体积小，重量轻的齿轮传动系统可用,重量最轻原则,。,要求传动精度高，回程误差小的齿轮传动系统可按,总转角误差最小原则,。,要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的齿轮传统系统可按,最小等效转动惯量,和,总转角误差最小的原则,。,46,1.3,谐波齿轮传动,要求有较大传动比、传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小，而且重量轻时，可选用,谐波齿轮,传动。,图,3,谐波齿轮的工作原理,谐波齿轮的,工作原理,：,波发生器、刚轮和柔轮,齿数差,回转方向,47,1.4,齿轮传动间隙的调整方法（圆柱齿轮）,（,1,）,偏心套（轴）调整法,图,4-1,偏心套调整法,转角,齿轮中心距,消除间隙,齿轮间隙不能自动补偿。,消隙的原因：反向误差、冲击和噪声。,48,1.4,齿轮传动间隙的调整方法（圆柱齿轮）,（,2,）,轴向垫片调整法,图,4-2,圆柱齿轮轴向垫片调整,锥度,轴向垫片,消除间隙,间隙不能自动补偿。,49,1.4,齿轮传动间隙的调整方法（圆柱齿轮）,（,3,）,双片薄齿轮错齿调整法,图,4-4,可调拉簧式,承载力较大,承载力较小,图,4-3,轴向拉簧错齿调整,50,1.4,齿轮传动间隙的调整方法（斜齿轮）,图,5-2,轴向压簧错齿调整,间隙可以自动补偿；尺寸较大,间隙不能自动补偿，调整费时。,图,5-1,垫片错齿调整,51,机械系统部件的选择与设计,机架,52,1.,机架,机架是支承其他零部件的基础部件，包括底座、,床身和箱体。它承受其他零部件的重量和工作载荷；,保证各零部件相对位置的基准作用。,作用：承受其他零部件的重量和工作载荷；,保证各零部件相对位置的基准作用。,53,机械系统部件的选择与设计,轴系,54,2,轴系部件的选择与设计,轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。包括主轴轴系和中间传动轴轴系。,轴系的主要作用是传递转矩、及传动精确的回转运动，它直接承受外力,(,力矩,),。对于中间传动轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的性能要求较高。,55,2.1,轴系设计的基本要求,（,1,）旋转精度,指装配后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动量和轴向窜动量，其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度。,径向跳动是指被测回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离的最大变动量。,轴向窜动是指主轴在运转的过程中，主轴沿轴向的来回窜动幅度。,旋转精度大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度（如轴承游隙、装配误差）。,56,2.1,轴系设计的基本要求,（,2,）刚度,刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。即轴系设计除强度计算外，还要进行刚度验算。,57,2.1,轴系设计的基本要求,（,3,）抗振性,轴系的振动有强迫振动和自激振动两种形式。振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。,（,4,）热变形,轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。温度的上升还会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。,58,2.1,轴系设计的基本要求,（,5,）,轴上零件的布置,传动齿轮应尽可能安置在靠近支承处，以减少轴的弯曲和扭转变形。,机床主轴传动齿轮空间布置比较,59,机械系统部件的选择与设计,机械系统部件的选择与设 计,旋转支承部件和联轴器,60,1.1,旋转支承部件的种类和基本要求,旋转支承中的运动件相对于承导件转动或摆动时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、流体和弹性摩擦支承。,各种支承结构简图,61,1.7,滑动和滚动摩擦支承的比较,滑动摩擦支承：工作平稳、可靠，噪声较滚动摩擦支承低。液体摩擦润滑可以大大减小摩擦损失和表面磨损，且油膜具有一定的吸振能力。,在工作转速特高、特大冲击与振动、径向空间尺寸受到限制,等条件下，滑动摩擦支承占有重要地位,。,滚动摩擦支承：摩擦系数小，起动阻力小，已标准化，选用、润滑、维护方便，在一般机器中应用较广。,62,2,联轴器,联轴器用来联接两根轴，使它们共同旋转并,传递转矩。,除此之外，由于制造和安装误差、运转时零件,的受力变形、轴承的磨损、温度变化、基础下沉和,转动零件的不衡等原因，都可使被联接的两轴相对,位置发生变化，两轴轴线不能精确对中。联轴器还,应具有补偿两轴轴线的相对位移或偏斜、减振与缓,冲及保护机器等性能。,联轴器主要分为固定式刚性联轴器、可移式,刚性联轴器、弹性联轴器三种。,63,2,联轴器,固定式刚性联轴器,:,用刚性元件将两个轴连接在一起，,轴和联轴器形成一个刚体，可分为凸缘联轴器、套筒,联轴器和夹壳联轴器等。,可移式刚性联轴器,:,用刚性元件将两个轴连接在一起，,这两根轴的相对位置仍然可以发生变化，常用的有滑,块式联轴器、万向联轴器和齿轮联轴器。,弹性联轴器,:,组成联轴器的零件中有弹性元件，在传动,过程中弹性元件发生变形，从而补偿了两轴的相,对位移，而且可以缓冲减振，可以用于经常正反转、,启动频繁的场合。,64,2.3,弹性联轴器,（,4,）锥环无键联轴器,定心性较好，,选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩，具有过载保护能力，,能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，,安装、使用和维护方便，用于载荷小、要求噪声低的系统中。,锥环无键联轴器,65,第三章 执行元件的选择与设计,执 行 元 件 的 选 择 与 设 计,66,主要内容：,1.,执行元件的种类、特点及基本要求,2.,液压式执行元件及驱动,3.,电磁式执行元件及驱动,执 行 元 件 的 选 择 与 设 计,67,1.1,执行元件的种类和特点,图,1,执行元件在机电系统中所处的位置,执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能，并完成要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。,68,1.1,执行元件的种类和特点,图,2,执行元件的种类,电磁式,液压式,气压式,其他,69,1.2,机电系统对执行元件的基本要求,（,1,）惯量小，动力大；,质量，转动惯量，推力,转矩或者功率,（,2,）体积小，重量轻；,功率密度,=,功率,/,重量,（,3,）便于维修和安装；,执行元件最好不需维修，如无刷直流及交流伺服电动机。,（,4,）宜于微机控制。,电磁式,液压式和气压式,70,3,电磁式执行元件及驱动,在普通旋转电机的基础上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同：普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。,常用的控制电机主要包括步进电机和伺服电机。,71,3.1,直流伺服电机及驱动,直流伺服电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。,72,3.1.1,直流伺服电机的工作原理,图,1,直流伺服电机的工作原理,组成：定子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器。,工作原理：磁场中的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转子转动。通过电刷和换向器，电枢中的电流随着转子的转动不断的改变方向，使得电枢能连续的旋转。,直流伺服电机基本结构和工作原理与一般的直流电机相同，所不同的是为了满足快速响应的要求，从结构上做得细长一些。,73,3.1.2,直流伺服电机的特点,（,1,）直流伺服电机的优缺点,有较高的响应速度、精度和频率，以及优良的控制特性。,由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；,在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。,74,3.1.3,直流伺服电机的驱动,直流伺服电机主要控制电动机的转速和方向。因此，需要对电动机直流供电电压的大小和方向进行控制。,目前常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。,75,3.1.3,直流伺服电机的驱动,晶体管脉宽调速（,PWM,，,Pulse Width Modulation,）,工作原理：开关,K,周期性的闭合和断开，周期为,T,。在一个周期内闭合的时间为,。若外加电源电压,U,为常数，,则经过,PWM,元件输出到电动机电枢上的电压波形将是一个方波列，幅值为,U,，宽度为,。,图,3 PWM,直流调速原理,（,a,）,（,b,）,76,3.1.3,直流伺服电机的驱动,在一个周期内电压的平均值为：,（,9,）,式中，,为导通率，又称占空系数。,当,T,不变时，只要连续的改变,。就可以连续地使,U,a,由,0,变化到,U,，从而达到连续改变电动机转速的目的。,续流二极管,大功率晶体管,当,K,断开时，电感产生电流，通过续流二极管形成回路，使得电流连续变化。,图,3,（,a,）,PWM,直流调速原理,77,电磁式执行元件是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动机械机构运动的。,电磁式执行元件,由于电能容易获得，使用方便，所以电磁式执行元件获得了广泛的应用。,78,3.2,步进电机及驱动,步进电动机是将电脉冲信号转换成机械角位移（或直线位移）的执行元件。步进电机广泛应用在各种机电系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增。,（,a,）回转式,（,b,）直线式,步进电机,79,3.2.1,步进电机的工作原理,右手螺旋定则,图,a,所示为圆柱形转子，它的位置变化并不影响磁阻的大小及磁力线的分布,因而不产生磁阻转矩。图,b,和,c,所示转子结构的对称轴线与磁场轴线一致，磁力线与转子轴线对称，也不产生磁阻转矩。图,d,所示转子直轴轴线与定子磁场轴线有夹角角度,，于是磁场扭斜,磁力线所经路径被拉长,磁阻,增大。被拉长了的磁力线力图缩短，于是产生了磁阻转矩。,80,3.2.1,步进电机的工作原理,三相三拍步进电机,三相六拍步进电机,81,3.2.2,步进电机的运行特性,步距角越小，分辨力越高，步进电机能达到的位置精度越高。,（,1,）分辨力,步距角,在一个脉冲作用下，转子转过的角度叫步距角。步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：,式中，,z,转子齿数，,m=KN,（,N,为电动机相数，单拍时,K=1,，双拍时,K=2,）。,82,3.2.2,步进电机的运行特性,（,1,）分辨力,步距角,步距角和传动比的关系：,丝杠导程,系统脉冲当量,83,3.2.2,步进电机的运行特性,（,2,）,静转矩（,失调角）,在空载状态下，给步进电动机某相通电时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合。如果在电动机转子轴上加一负载转矩，定子与转子之间将有一角位移，这个角位移称为失调角。此时转子上的电磁转矩与负载转矩相等，这个电磁转矩称为静态转矩。,1,4,2,3,84,3.2.3,步进电机的选型表,85,3.2.5,步进电机的特点,（,1,）工作状态不易受各种干扰因素,(,如电压波动、电流大小与波形变化、温度等,),的影响；,（,2,）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”；,（,3,）由于可以直接用数字信号控制，与微机接口 比较容易；,（,4,）控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”；,（,5,）不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制。,86,3.3.1,交流伺服电机的工作原理,组成：能产生旋转磁场的定子，金属圆筒形转子。,交流伺服电机的原理,工作原理：磁场旋转，转子切割磁力线，产生感应电流，与磁场间产生磁力，转子旋转。,87,3.4,控制电机的选择,（,1,）直流伺服电机：,具有良好的调速特性，在数控机床的进给伺服系统中有着广泛的应用。,但直流电机却存在一些固有的缺点，如它的电刷和换向器易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也是应用环境受到限制；而且直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。,88,3.4,控制电机的选择,（,2,）交流伺服电机：,没有上述缺点；,大惯量，可以大扭矩输出，最高转动速度低。因而适合做低速平稳运行的应用。,（,3,）步进电动机：,转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制；有定位转矩（在不通电时，定子锁住转子的力矩）；可构成廉价的开环控制系统；与伺服电机相比响应慢（前者几百毫秒，后者几个毫秒）。,89,作业：,简述机电系统中的执行元件的种类，以及机电系统对执行元件的基本要求。,简述步进电机的工作原理和特点。,90,第五章 微机控制系统的选择及接口设计,微机控制系统的选择及接口设计,91,5,微机控制系统的选择及接口设计,5.1,微机控制系统概述,5.2,专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡,5.3,微机控制系统的设计思路,5.4,微机控制系统的应用领域及其选用要点,5.5,单片机的结构特点和最小应用系统,5.6,数字显示器的接口电路,5.7,微机控制系统对输入,/,输出通道的要求,5.8,信号转换电路设计,92,5.1,微机控制系统概述,图,1,微机控制系统在机电系统中所处的位置,控制和信息处理系统（,微机控制系统,）将来自外部输入命令和各传感器的检测信号进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的顺序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。,检测系统,外部输入命令,93,5.1,微机控制系统概述,不同的机电产品对控制系统要求不同。,控制系统的设计,就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式。,控制系统设计涉及的知识 机电系统设计人员总体设计，各专业人员协作。,94,5.5,单片机的结构特点和最小应用系统,图,3,典型单片机结构原理图,95,5.7,微机控制系统对输入,/,输出通道的要求,（,1,）可靠地传递控制信息，接收有关运动机构的状态信息。,（,2,）信息转换；,（,3,）阻断干扰信号,光电隔离电路,96,5.7.1,光电隔离电路,目的：为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过,I/O,控制电路进入计算机，影响其工作；,方法：通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法；,功能：使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导；,组成：光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成。,97,5.7.1,光电隔离电路,图,11,光电隔离电路,98,5.7.1,光电隔离电路,（,1,）可将输入与输出端两部分电路的底线分开，各自使用一套电源供电；,（,2,）可以进行电平转换；,（,3,）,提高驱动能力。,99,5.7.2,光电隔离电路的应用,图,12,光电隔离电路的应用,100,5.7.2,光电隔离电路的应用,图,13 8031,光电隔离电路,101,作业：,1,、试说明光电耦合器的光电隔离原理。,2,、简述微机控制系统的设计思路。,102,第六章,机电有机结合的分析与设计,103,6.1,概述,6.2,机电有机结合之一,-,机电系统的稳态设计考虑方法,6.3,机电有机结合之二,-,机电系统的动态设计考虑方法,6.4,可靠性设计,104,6-2,机电有机结合之一机电系统稳态设计的考虑方法,一、负载分析,1,、典型负载,负载指的是执行元件以后的所有的元部件、外载荷等。,典型负载指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载等,105,惯性负载：加速度，惯性力，转动惯量；,外力负载：被控对象受外力作用，对外做功时与外界的摩擦；,弹性负载：与弹性变形有关；,摩擦负载：被控对象之间摩擦（机床内部的）形成的消耗负载。,106,系统由,m,个移动部件和,n,个转动部件组成,M,i,、,V,i,、,F,i,分别为第,i,移动部件的质量（,Kg,）、,运动速度（,m/min),和所受的负载力（,N,）,M,i,n,k,n,j,F,i,v,i,J,j,、,T,j,J,j,、,n,j,、,T,j,分别为转动部件的转动惯量（,kgm,2,),转速（,r/min),和所受负载力矩（,Nm,）,2,、负载的等效换算,107,（,1,）求等效转动惯量,J,eq,机械系统运动部件的动能总和为：,假设在执行元件输出端连接一圆柱体，其具有的动能与原机械系统运动部件的动能相等。该圆柱体的动能为：,则：,J,eq,是原机械系统等效到执行元件输出轴上的转动惯量，即等效转动惯量。,108,工作台速度,v,i,的计算：,齿轮齿条传动：,整理后得：,丝杠传动：,式中，,n,s,为丝杠的转速，,P,h,为丝杠导程,式中，,m,为齿轮模数，,Z,为齿轮齿数，,n,为齿轮转速。,109,圆柱体转动惯量计算公式：,式中，,d,为圆柱体直径,，,为圆柱体密度，,B,为圆柱体轴向尺寸。,110,（,2,）等效负载转矩的计算,T,eq,的计算,稳态时，在时间,t,内克服外力负载作的功的总和为：,执行元件输出轴在时间,t,内输出的功为：,由,可得：,111,（,2,）等效负载转矩的计算,T,eq,的计算,非稳态时,执行元件还需要提供克服机械系统惯性负载的转矩：,负载转矩折算到执行元件输出轴为：,112,例：设一进给系统如下图所示，电机从静止加速到,1500r/min,所需时间为,30ms,，,求负载转换到电机轴上的等效转动惯量、电机轴上总的转动惯量，以及和等效力矩。,J,m,Z,1,=20,Z,2,=40,Z,3,=30,Z,4,=60,M,A,=300kg,P,h,=6,mm,1,2,F,L,=510.5N,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,轴,1,轴,2,丝杠,J,s,电机,J,m,J(kg.cm,2,),0.1,1.6,0.2,3.2,0.04,12,2.24,n,k,n,1,n,2,113,1,）等效转动惯量的计算,负载换算到电机轴上的等效转动惯量为：,114,电机轴上的总的等效转动惯量负载等效转动惯量和电机转转动惯量之和，即：,2,）等效负载转矩的计算,115,二、执行元件的匹配选择,执行元件的选择步骤：,1,、尽量选用标准化商品；,2,、设计系统方案时，首先确定执行元件的类型，根据技术条件要求进行综合分析；,3,、选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。,116,1,、系统执行元件的转矩匹配,已知：,伺服进给系统执行元件输出轴所承受的等效负载力矩,T,eq,等效惯性负载力矩为,则：,电机轴上的总负载力矩为：,考虑到机械系统效率时，电机轴上的总负载转矩为：,式中为机械系统总的传动效率。,117,若选择步进电机，则为满足电机在带负载时能正常启动、停止和定位，要求：,启动停止转矩与最大静态转矩之间具有下列关系：,步进电机,相数,3,4,5,拍数,3,6,4,8,5,10,0.5,0.866,0.707,0.707,0.809,0.951,步进电机能正常启动和停止，则启动和停止转矩,步进电机能正常定位：,118,例如假设所选电机为三相六拍电机，步距角为,0.75,0,，,=2.5(N.m),若选用型号为,110BF004,的步进电机。最大静转矩,4.9Nm,。,启动转矩为,因此可以选用。,119,已知：直流伺服电机：转速,n=1200(r/min),，,转子转动惯量,J,m,=210,-4,(kgm,2,);,齿轮箱减速比,i=3,z,1,=17,z,2,=51,模数,m=2,，,齿轮宽度,B=15(mm),滚珠丝杠直径,d=60mm,长度,l=2.16m,基本导程,P,h,=12mm,，,丝杠转速,n,s,=400r/min,，,工作台移动部件总质量,W=2000N,最大进给速度为,4.8m/min,，求电机输出轴上的等效转动惯量。,120,转动惯量的计算式：,式中：,d-,转动体的直径,(m)B,转动体的宽度,(m),121,6-3,机电有机结合之二,-,机电一体化系统动态设计的考虑方法,一、概述,稳态设计只是初步确定了系统的主回路；在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品质要求，甚至是不稳定的，必须进一步进行系统的动态设计。,122,二、系统的校正方法,当系统的动态特性不满足要求时，最简单的调节方法是加入,PID,校正装置。,PID,控制是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。,123,二、系统的校正方法,C,A,B,微分勺,积分勺,比例勺,进水阀,出水阀,Q,Q,PID,控制原理,124,（,1,）比例调节（,P,）系统一旦出现误差，比例调节即产生作用以减少偏差。但是比例调节容易引起系统不稳定，而且无法消除偏差，控制结果会产生余差。,（,2,）积分调节（,I,）积分调节使系统动态响应变慢，但却能使系统最终消除余差，提高控制精度。,（,3,）微分调节（,D,）对比例控制起到补偿作用，能够抑制超调，但易引入高频震荡。,125,