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1、机电一体化原理与应用 第四章*1机电学院 机电一体化 4.1 典型载荷分析 载荷：执行机构设计计算的一项重要 原始数据。 分类：摩擦载荷、惯性载荷以及各种 环境载荷等Date机电学院 机电一体化 4.1.1 摩擦载荷1、定义当两个物体间有相对运动或有相对运动的 趋势时才产生摩擦载荷。它是两物体接触 面上存在的一种阻止运动的力或力矩。 2、分类静摩擦和动摩擦滚动摩擦和滑动摩擦干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。Date机电学院 机电一体化 3、摩擦力的计算 1）静摩擦力 按库仑摩擦定律得： fs一般在0.10.3以上。2）动摩擦力 f一般在0.10.3以下。Date机电学院 机电一体化 3）干摩擦、半干摩
2、擦 符合库仑定律。 4）湿摩擦 湿摩擦与干摩擦的机理截然不同，但 为了计算方便工程上仍沿用摩擦系 数的概念。一般f=0.0120.10。 5）滚动摩擦Date机电学院 机电一体化 4、摩擦力矩 摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦 力矩。 5、减小摩擦载荷的措施 减小正压力、摩擦系数和作用力臂 。 为了减小摩擦系数，可用滚动摩擦 代替滑动摩擦，用湿摩擦代替干摩擦 。Date机电学院 机电一体化 4.1.2 惯性载荷 1、产生条件惯性载荷由于一定质量的物体具 有加速度或角加速度才产生的。 2、惯性载荷的计算 1）回转运动惯性载荷的计算 计算转动惯量、角速度、角加速 度等参数。Date机电学院 机电一
3、体化 计算等效转动惯量： 图中，L为低速轴，JL为转动惯量 ，h为高速轴，传动比为：令Jlh为JL折算到高速轴 h上的折算转动惯量Date机电学院 机电一体化 若令效率为100%，根据能量守 恒得：则惯性力矩M为 M=JDate机电学院 机电一体化 2）移动物体惯性载荷的计算惯性力：F=maDate机电学院 机电一体化 3、减小惯性力或惯性力矩的措施 减小质量或转动惯量减小质量的方法：采用减轻孔，采用空 心薄壁结构，选比重小、强度高的材料 等可减小质量。Date机电学院 机电一体化 减小转动惯量的方法：合理布 局回转部分的质量，使重心尽 量靠近回转轴； 对于减速传动链，减小折算到 高速轴的转动
4、惯量。Date机电学院 机电一体化 4.1.3 环境载荷 环境载荷指除了摩擦载荷和惯性 载荷以外的载荷 露天作用的系统受到的风载荷， 高温作用下的温度载荷 外载荷的确定，要视具体情况而 定，有的可以从理论上进行推导， 有的需要借助于实验来测定。Date机电学院 机电一体化 4.2 负载的力矩特性 1、分析的目的 为了选择电动机或其它原动机 ，使之满足功率的要求。 2、确定设计载荷的方法 计算法、类比法和实测法。Date机电学院 机电一体化 3、电动机克服负载力矩的两种典 型情况 一种为峰值力矩，它对应于电动 机最严重的工作情况； 一种为均方根力矩，它对应于电 动机长期连续地变载荷工作的情 况。
5、Date机电学院 机电一体化 1）负载的峰值力矩特性 折算到电动机轴上的负载力矩为折算到电动机轴上的负载峰值力 矩是总传动比的函数。Date机电学院 机电一体化 2）负载的均方根力矩特性 折算到电动机轴上的均方根力矩为Mw作用在负载轴上的瞬时风力矩； Mf作用在负载轴上的瞬时摩擦力 L负载轴的瞬时角速度； T载荷变化的周期 it从电动机轴到负载轴的总传动比。Date机电学院 机电一体化 4.3传动链的精度分析4.3.1传动精度的概念 传动链传动精度：传动误差和空程误差 1、传动误差：指输入轴单向转动时， 输出轴转角的实际值相对于理论值的变 动量Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机
6、电一体化 2、空程误差：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。Date机电学院 机电一体化 4.3.2提高传动精度的结构措施提高零部件本身的精度； 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 ； 采用消隙结构，以减少或消除空 程误差。Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机电一体化 4.4 电动机传动（驱动）系统1、伺服电动机分类 交流电动机和直流电动机 2、比较交流电动机结构简单、价格便宜 、维护工作量小，但起、制动及 调速性能不如直流电动机。Date机电学院 机电一体化 3、选择电动机原则 1）不需调速机械 长期工作制、短时工作制和重复 短时工
7、作制的机械，应采用交流 电机。Date机电学院 机电一体化 仅在某些操作特别频繁、交流 电动机在发热和起、制动特性不 能满足要求时，才考虑直流电动 机。 只需几级固定速度的机械，可采 用多极交流电动机。Date机电学院 机电一体化 2、需要调速的机械 1）转速与功率之积。 转速与功率之积受换向器能力限制 目前一般认为直流电动机该值最大 为106kW.r/min，当接近或超过该 值宜采用交流电动机。Date机电学院 机电一体化 2）飞轮力矩。Date机电学院 机电一体化 3）在环境恶劣场合，宜采用无换 向器、无火花、易密闭的交流电动 机Date机电学院 机电一体化 4)交、直流电动机调速性能差
8、不多,但交流电动机的飞轮力矩 小，响应速度要快一些。Date机电学院 机电一体化 4.4.1 直流电动机 一、特点 具有良好的调速特性 较大的起动转矩 相对功率大 快速响应 结构复杂 成本较高Date机电学院 机电一体化 二、分类按激磁方式可分为电磁式和永磁 式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生； 永磁式的磁场由永久磁体产生。Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机电一体化 三、直流伺服电动机的转矩特性电压方程：转矩方程：Date机电学院 机电一体化 将Ic代入转矩方程得：Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机电一体化 1）当m0时， 即电动机
9、为堵转状态或起动状态，称Ms为堵转转矩（起动转矩）Date机电学院 机电一体化 2）Mm0时， 即电动机为空载状态称0为空载转速Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机电一体化 Date机电学院 机电一体化 调节特性：mUeMm1 Mm2Mm3=0调节特性也为一 组平行直线转矩一定，速度 和电压成正比；转矩越大，启动 电压越大;Mm1 Mm2Mm3Date机电学院 机电一体化 四、总结 1、直流伺服电动机的转矩特性是一 组斜率相同的直线。每条转矩特性和 一种电枢电压相对应，与轴的交点 是该电枢电压下的理想空载角速度， 与Mm轴的交点则是该电枢电压下的启 动转矩。Date机电学院 机电
10、一体化 2、直流伺服电动机的调节特性 也是一组斜率相同的直线。每条 调节特性和一种电磁转矩相对应 ，与Uc轴的交点是启动时的电枢电 压。Date机电学院 机电一体化 3、调节特性的斜率为正，说明 在一定的负载下，电动机转速随 电枢电压的增加而增加；而转矩 特性的斜率为负，说明在电枢电 压不变时，电动机转速随负载转 矩增加而降低。Date机电学院 机电一体化 五、选择电机应考虑的几点 1、要满足负载所需要的瞬时转 矩和转速，即能够克服峰值负 载所需要的功率；Date机电学院 机电一体化 2、当电动机的工作周期可以与 其发热时间常数相比较，必须 考虑电机的热定额问题。通常 用负载的均方根功率作为确定 电动机发热功率的基础。Date机电学院 机电一体化 1）若电动机在峰值力矩下，以 峰值转速不断地驱动负载，则 电动机功率按下式估算：Date机电学院 机电一体化 2）若电机长期连续工作在变载 荷之下时，比较合理的是按负 载均方根来估算电动机功率：Date机电学院 机电一体化 六、驱动电路直流电机为直流供电，为了调 节电机的转速和方向，需要对 直流电压的大小和方向进行控 制。Date机电学院 机电一体化 目前广泛采用的直流伺服电机 的晶体管驱动电路有： 线性直流伺服放大器-小功率 脉宽调制放大器（PWM）-
