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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计第六章第六章机电一体化系统机电一体化系统机电有机结合机电有机结合分析与设计分析与设计 张建民张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社讲授：何庆中讲授：何庆中机机 电电 工工 程程 系系厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工第六章第六章第六章第六章 机电系统有机结合分析与设计机电系统有机结合分析与设计机电系统有机结合分析与设计机电系统有机结合分析与设计 重点学习：重点学习： 机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法 机电有机结合的动态设计考虑方法机电有机结合的动态设计考虑方法 在机电位置在机电位置/速度控制系统，一般可直接速度控制系统，一般
2、可直接或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠螺母机构）来驱动被控制对象。螺母机构）来驱动被控制对象。 主要任务主要任务：是围绕被控制对象的具体要是围绕被控制对象的具体要求，采用合理的设计方法，寻求最终获取求，采用合理的设计方法，寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。机械运动规律和运动性能指标参数。 学习方法学习方法：结合典型的机电控制系统设结合典型的机电控制系统设计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工6.1 机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电一体化系统的稳态设计考虑方法 机电有机结
3、合的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连接方式、系统控制方式、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系统总体方案的稳定性设计机电系统总体方案的稳定性设计静静态设计，为机电系统的动态设计创造条态设计，为机电系统的动态设计创造条件。件。 重点研究：重点研究：系统自身的稳态特性（假系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）设无外界干扰） 厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工典型机电一
4、体化系统典型机电一体化系统工业机器人的组成与运动特征工业机器人的组成与运动特征l工作空间工作空间l自由度自由度l位姿位姿l关节变量关节变量连杆连杆移动关节移动关节转动关节转动关节厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工稳态设计方法研究的主要内容或步骤：稳态设计方法研究的主要内容或步骤： 信号的有效传递。信号的有效传递。 各级增益的分配。各级增益的分配。 各级之间阻抗的匹配和各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。所采取的抗干扰的措施。 系统总体方案的确定。系统总体方案的确定。位置位置位置位置, ,速速速速度检测度检测度检测度检测单元单元单元单元电电电电机机机机机械机械机械机械部件部件部件部件位置位
5、置位置位置, ,速度反速度反速度反速度反馈馈馈馈CNCCNC 数控机床数控机床数控机床数控机床伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。 执行元件的参数选择。执行元件的参数选择。 功率（力功率（力/ /力矩）匹配以及过载能力的验算。力矩）匹配以及过载能力的验算。 各主要元件的选择与控制电路的设计。各主要元件的选择与控制电路的设计。稳态设计方法学习的主要内容：稳态设计方法学习的主要内容：（1）负载分析。）负载分析。（2）执行元件匹配选择。）执行元件匹配选择。（3）机械传动比选
6、择与各）机械传动比选择与各级减速比确定原则。级减速比确定原则。（4）检测传感装置、信号）检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。电源匹配与设计。（5）机电系统数学模型的）机电系统数学模型的建立。建立。（6）分析研究系统的稳态）分析研究系统的稳态特性。特性。 单位阶跃响应系统的稳态特性单位阶跃响应系统的稳态特性厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工6.1.1 负载分析负载分析 （1）典型负载形式）典型负载形式 无论被控制对象的无论被控制对象的运动形式如何，负载运动形式如何，负载形式及其特点千差万形式及其特点千差万别，归纳起来具有一别，归纳起来具有一些共性负载
7、些共性负载典型典型负载。负载。 包括：包括：惯性负载惯性负载、外力负载外力负载、内力负载内力负载、弹性负载弹性负载、摩擦负载摩擦负载 。 三维扫描仪或装置三维扫描仪或装置厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工 目的：获取负载特征参量。目的：获取负载特征参量。 方法：综合负载特性，进行有效组合，方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特征参量。为系统执行元获取必要负载特征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设计，系件，机械变换机构等的选用或设计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。统进行稳定性设计和动态设计创造条件。43615X2Y厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工（2）惯量和负载的
8、等效换算）惯量和负载的等效换算 惯量和负载转换的作用惯量和负载转换的作用： 为使所选择执行元件（功率、力为使所选择执行元件（功率、力/ /力力矩、运动参量）与被控对象的固有参矩、运动参量）与被控对象的固有参数（质量、转动惯量、运动参数）等数（质量、转动惯量、运动参数）等相匹配，将输出轴各部分的惯量和负相匹配，将输出轴各部分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便载转换到执行元件的输出端，以便确确定执行元件定执行元件。厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工1）等效转动惯量的计算等效转动惯量的计算 无论机械传动或变换元件是直线运动还是无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动，应用总动能不变的原理，
9、可进回转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量的计算。行等效转动惯量的计算。 能量守恒：能量守恒：E = Ek厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工2）等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算 无论外部或内部负载是力还是力矩，应用无论外部或内部负载是力还是力矩，应用虚功原理，可进行等效负载转矩的计算。虚功原理，可进行等效负载转矩的计算。厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工6.1.2 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择 执行元件的匹配选择主要包括执行元件的匹配选择主要包括转矩匹转矩匹配配、功率匹配功率匹配、过热保护系数过热保护系数和和过载保过载保护系数验算护系数验算四部分。四部分。直流电机直流电
10、机步进电机及驱动步进电机及驱动步进电机基本结构步进电机基本结构厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工（1 1）执行元件的转矩匹配）执行元件的转矩匹配）执行元件的转矩匹配）执行元件的转矩匹配 考虑机械传动效率，则执行元件的等效考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩：输出转矩： 注意：执行元件为伺服电动机时，电动注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。机工作区域应在恒转矩输出调速区内。厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工 测算执行元件输出轴上的等效转矩测算执行元件输出轴上的等效转矩 （摩（摩擦负载和工作负载）和等效惯性转矩擦负载和工作负载）和等效惯性转矩T惯的总的总和。和
11、。（2）执行元件的功率匹配）执行元件的功率匹配 电机功率的合理确定是执行元件选择电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。的重要参数之一。 主要依据电机的等效负载和最高转速主要依据电机的等效负载和最高转速确定。确定。 常用下式进行预选。常用下式进行预选。 厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工 再通过过热验算和过载验算，最终确再通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。定电机的功率。（3）电机的过热验算）电机的过热验算 电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法（励磁磁通近似不变）计算电时，应用等效法（励磁磁通近似不变）计算电机的等效转矩（平
12、均转矩）。机的等效转矩（平均转矩）。电机不产生过热的条件为：电机不产生过热的条件为： ，（4）过载验算条件）过载验算条件厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工6.1.3 机械传动机械传动减速比的匹配选择减速比的匹配选择与各级减速比的分配与各级减速比的分配 减速比匹配的减速比匹配的目的目的是可最终获得被控制对象是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。的运动规律和运动速度要求。（1）减速比匹配选择的一般原则要求减速比匹配选择的一般原则要求 在第在第2章中，提到了机械传动减速比的分配章中，提到了机械传动减速比的分配原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传
13、动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。的减速比。 厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工 本节提到的减速比匹配本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性象的运动特性、加速特性和动力特性为准则。和动力特性为准则。 即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足定条件下综合指标参数达到最佳，也要满
14、足脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相应关脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求最大等要求。（2）各级减速比的分配原则）各级减速比的分配原则与方法与方法 1）按加速度最大原则选择减速比按加速度最大原则选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下式决定减速比时，应按下式决定减速比 i：厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工2 2）按输入速度恒定原则选择减速比按输入速度恒定原则选择减速比按输入速度恒定原则选择减速比按输入速度恒定原则选择减速比 在输入速度信号近似恒速时
15、，有加速度最小，在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按下式确定减速比可按下式确定减速比 i ：3 3）满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹）满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹）满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹）满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹配关系选择减速比配关系选择减速比配关系选择减速比配关系选择减速比4 4）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比即即 最小原则：最小原则：厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工5 5）按速度和加速度规定要求选择减速比按速度和加速
16、度规定要求选择减速比按速度和加速度规定要求选择减速比按速度和加速度规定要求选择减速比 在速度和加速度有要求时，除按加速度最大在速度和加速度有要求时，除按加速度最大原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速比。比。 注意：应用上述方法确定机械传动部分的注意：应用上述方法确定机械传动部分的减速比，不能单一应用某一种方法，应用多减速比，不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控制对象的具体种方法，综合分析，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配原则（情况，在依据减速比的分配原则（2章），最章），最终确定机械传动总减速比和各级减速比。终确定机械传动总减速比和各级减速比。厚厚德德达达理理 立立志志勤勤工工6.1.4 6.1.4 检测传感装置、信号转换接口电路、检测传感装置、信号转换接口电路、检测传感装置、信号转换接口电路、检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路、电源的匹配与设计放大电路、电源的匹配与设计放大电路、电源的匹配与设计放大电路、电源的匹配与设计
