機電一體化第7章機電有機結(jié)合分析與設(shè)計

1、第第7章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 本章要求：本章要求：了解：機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計、動態(tài)設(shè)計及了解：機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計、動態(tài)設(shè)計及 可靠性、安全性設(shè)計。可靠性、安全性設(shè)計。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化以以機電伺服系統(tǒng)為例機電伺服系統(tǒng)為例說明機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般考慮方法。說明機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般考慮方法。 位置位置伺服系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)和速度速度伺服系統(tǒng)的共同點伺服系統(tǒng)的共同點是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動裝置驅(qū)動被控對象，完

2、成所需的機械運動。或經(jīng)過傳動裝置驅(qū)動被控對象，完成所需的機械運動。因此，工程上是因此，工程上是圍繞機械運動的圍繞機械運動的規(guī)律規(guī)律和和運動參數(shù)運動參數(shù)對它們提出技術(shù)要求的。對它們提出技術(shù)要求的。 設(shè)計過程：設(shè)計過程：1.了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，調(diào)查研究，制定出系了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，調(diào)查研究，制定出系 統(tǒng)的設(shè)計方案（統(tǒng)的設(shè)計方案（初步設(shè)計方案初步設(shè)計方案）2.進行定量的分析計算，先穩(wěn)態(tài)設(shè)計計算，后動態(tài)設(shè)計計算（進行定量的分析計算，先穩(wěn)態(tài)設(shè)計計算，后動態(tài)設(shè)計計算（詳詳 細(xì)的設(shè)計方案細(xì)的設(shè)計方案）3.樣機試驗與調(diào)試，確定系統(tǒng)的樣機試驗與調(diào)試，確定系統(tǒng)的實際電路與實際參

3、數(shù)實際電路與實際參數(shù)。機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設(shè)計設(shè)計過程中還應(yīng)充分考慮設(shè)計過程中還應(yīng)充分考慮系統(tǒng)安全性和可靠性系統(tǒng)安全性和可靠性要求。要求。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化穩(wěn)態(tài)設(shè)計穩(wěn)態(tài)設(shè)計 確定滿足系統(tǒng)技術(shù)要求的運動參數(shù)、執(zhí)行元件的參數(shù)、功率（轉(zhuǎn)確定滿足系統(tǒng)技術(shù)要求的運動參數(shù)、執(zhí)行元件的參數(shù)、功率（轉(zhuǎn)矩）的匹配及過載能力的驗算、各主要元部件的選擇、控制電路設(shè)計、矩）的匹配及過載能力的驗算、各主要元部件的選擇、控制電路設(shè)計、信號的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措信號

4、的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動態(tài)設(shè)計中的校正補償裝置的引入留有余地。施等，為后面動態(tài)設(shè)計中的校正補償裝置的引入留有余地。動態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計 主要是設(shè)計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求主要是設(shè)計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求;通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設(shè)計通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設(shè)計作用作用：考慮了機電參數(shù)的有機結(jié)合與匹配，有利于減少盲目性、考慮了機電參數(shù)的有機結(jié)合與匹配，有利于減少盲目性、加快樣機的調(diào)試和電路參數(shù)的確定。加快樣機的調(diào)試和電路參數(shù)的確定。伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)基本概念 校正環(huán)節(jié)(控制算法)

5、執(zhí)行元件被控對象測量(反饋元件)輸入指令輸出量伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖1計算機控制裝置計算機控制裝置機械執(zhí)行機械執(zhí)行裝置裝置執(zhí)行元件執(zhí)行元件傳傳感感器器伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成 眾多機電一體化產(chǎn)品需對輸出量進行跟蹤，因而眾多機電一體化產(chǎn)品需對輸出量進行跟蹤，因而伺服系統(tǒng)是機伺服系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品的重要組成部分電一體化產(chǎn)品的重要組成部分，且往往是，且往往是某些產(chǎn)品實現(xiàn)目的功能的某些產(chǎn)品實現(xiàn)目的功能的主體主體。伺服系統(tǒng)是機械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運用，通過機電結(jié)合。伺服系統(tǒng)是機械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運用，通過機電結(jié)合才能實現(xiàn)其功能，因此，它本身是典型的機電一體化系統(tǒng)。才能實現(xiàn)其

6、功能，因此，它本身是典型的機電一體化系統(tǒng)。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.1 6.1 機電有機結(jié)合之一機電有機結(jié)合之一機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計考慮方法機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計考慮方法 6.1.1 典型負(fù)載分析典型負(fù)載分析(1)典型負(fù)載典型負(fù)載 慣性負(fù)載慣性負(fù)載 外力負(fù)載外力負(fù)載 具體負(fù)載可分解為具體負(fù)載可分解為一些典型負(fù)載一些典型負(fù)載，使定量設(shè)計計算得以順利進行，使定量設(shè)計計算得以順利進行 彈性負(fù)載彈性負(fù)載 摩擦負(fù)載摩擦負(fù)載負(fù)載分析的目的：負(fù)載分析的目的：獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)值，以便確定與之匹配獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)

7、值，以便確定與之匹配的執(zhí)行元件及進行動態(tài)設(shè)計分析。的執(zhí)行元件及進行動態(tài)設(shè)計分析。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化(2)負(fù)載的等效換算負(fù)載的等效換算被控對象的被控對象的運動運動有直線運動和回轉(zhuǎn)運動，與執(zhí)行元件的聯(lián)系有直接有直線運動和回轉(zhuǎn)運動，與執(zhí)行元件的聯(lián)系有直接的，也有通過傳動裝置的。的，也有通過傳動裝置的。執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩（或力、功率）、加減速控制及制動方案的選執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩（或力、功率）、加減速控制及制動方案的選擇，應(yīng)與被控對象的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及其他負(fù)載擇，應(yīng)與被控對象的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及其他負(fù)載相互匹配相互匹

8、配。因此，。因此，要要將被控對象相關(guān)部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及其所受的負(fù)載（力或轉(zhuǎn)將被控對象相關(guān)部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及其所受的負(fù)載（力或轉(zhuǎn)矩等）等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上矩等）等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，即計算執(zhí)行元件輸出軸承，即計算執(zhí)行元件輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（受的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（回轉(zhuǎn)運動回轉(zhuǎn)運動）或計算等效質(zhì)量和）或計算等效質(zhì)量和等效力（等效力（直線運動直線運動）。）。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化圖圖6.1 伺服進給系統(tǒng)示意伺服進給系統(tǒng)示意下面以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例加以說明

9、下面以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例加以說明1) 求等效轉(zhuǎn)動慣量求等效轉(zhuǎn)動慣量Jkeq。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為該系統(tǒng)運動部件的動能總和為21212121jnjjimiiJvmE設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為221kkeqkJE由于由于E=Ek故故2121kjnjjkimiikeqJvmJ用工程上常用的單位，可將上式改寫為用工程上常用的單位，可將上式改寫為21212900kjnjjkimiikeqnnJnvmJ(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：式中：nk_執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(r/min)第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)

10、計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化2) 求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時間設(shè)上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負(fù)載所作功內(nèi)克服負(fù)載所作功的總和為的總和為tTtvFWjnjjmiii11同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t內(nèi)的轉(zhuǎn)角為內(nèi)的轉(zhuǎn)角為tkk由于由于W=Wk故故kjnjjkimiikeqTvFT/11用工程上常用的單位，可將上式改寫為用工程上常用的單位，可將上式改寫為kjnjjkimiikeqnnTnvFT1130(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為則執(zhí)行元件所作的功為tTWkkeqk3) 計算舉例計算舉例。求等效

11、到電動機軸上的求等效到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量等效轉(zhuǎn)動慣量Jmeq和等效轉(zhuǎn)矩和等效轉(zhuǎn)矩Tmeq解：解：1)求求Jmeq ，根據(jù)，根據(jù)式式(6.4)可得可得222)(900mmmAAmeqnnJJJnvmJ60000601000260212212mznmzzzndnvmmA因為因為21/zznnm1000/22mzd 所以所以)(040715. 04020107105104600002014009002244522mkgnnJmmmeq)(104600008003030211mNzznmznnnTnvFTmmmLmALmeq第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有

12、機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.1.2 執(zhí)行元件的匹配選擇執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成，盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件。伺服系統(tǒng)由若干元部件組成，盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件。系統(tǒng)方案的擬定系統(tǒng)方案的擬定 首先確定首先確定執(zhí)行元件的類型，執(zhí)行元件的類型，然后然后根據(jù)技術(shù)條件的要求進行綜合根據(jù)技術(shù)條件的要求進行綜合分析，分析，選擇選擇與被控對象及其負(fù)載相匹配的與被控對象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。執(zhí)行元件。以以電動機的匹配選擇電動機的匹配選擇為例為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法匹配總原則：匹配總原則：與被控對象的需要相適應(yīng)。與被控對象的需要相適應(yīng)。電動機的額定轉(zhuǎn)速電

13、動機的額定轉(zhuǎn)速n基本上是所需最大轉(zhuǎn)速基本上是所需最大轉(zhuǎn)速電動機的額定轉(zhuǎn)矩電動機的額定轉(zhuǎn)矩T應(yīng)大于所需最大轉(zhuǎn)矩，即應(yīng)大于所需最大轉(zhuǎn)矩，即慣TTTTmeq)(加速度為電動機升降速時的角慣mmmeqJT其中：其中：Tmeq等效到電動機輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩等效到電動機輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩考慮機械的總傳動效率考慮機械的總傳動效率 時，則時，則/ )(慣TTTmeq電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tq應(yīng)滿足應(yīng)滿足TTq第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化例：例：機床工作臺某軸伺服電動機輸出軸所受等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩機床工作臺某軸伺服電動機輸出軸所

14、受等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmeq=2.5N m，等，等效轉(zhuǎn)動慣量效轉(zhuǎn)動慣量Jmeq=310-2kg m2，由工作臺某軸的最高速度換算為電動機輸，由工作臺某軸的最高速度換算為電動機輸出軸角速度出軸角速度 m為為50rad/s，等加速和等減速時間為，等加速和等減速時間為 t=0.5s，機械傳動系統(tǒng)的，機械傳動系統(tǒng)的總效率為總效率為0.85，試選取與所需轉(zhuǎn)矩相匹配的電動機型號。，試選取與所需轉(zhuǎn)矩相匹配的電動機型號。解：等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為解：等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為)(471. 685. 0/ )35 . 2(/ )(mNTTTmeq慣)(35 . 0/50103/2mNtJJTmmeqmmeq慣根據(jù)式根據(jù)式(6.1

15、0) ，可知，可知若選用若選用110BF003反應(yīng)式電動機，其最大靜轉(zhuǎn)矩反應(yīng)式電動機，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=7.84N m，當(dāng)采用三相六拍通電方式，查表當(dāng)采用三相六拍通電方式，查表3.7可知，可知，Tq/Tjmax=0.87,則則mNTTjq82. 687. 0max因為因為TTq，滿足式滿足式(6.11)，故可選用，故可選用110BF003反應(yīng)式電動機反應(yīng)式電動機第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.1.2 執(zhí)行元件的匹配選擇執(zhí)行元件的匹配選擇5 . 2, 22 . 1/min/55. 9)(maxmaxmaxmax

16、可達對于小功率伺服系統(tǒng)功率系數(shù)，一般?。╇妱訖C的最高角速度（）電動機的最高轉(zhuǎn)速（式中：sradrnTnJTPmmeqmeq(2) 系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配（直流、交流伺服電動機）（直流、交流伺服電動機）在選擇電動機時，常先進行預(yù)選在選擇電動機時，常先進行預(yù)選，然后進行必要的驗算然后進行必要的驗算。預(yù)選電動機。預(yù)選電動機的估算功率的估算功率P可由下式確定可由下式確定(6.12)在預(yù)選電動機功率后，應(yīng)進行以下驗算在預(yù)選電動機功率后，應(yīng)進行以下驗算第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化1）過熱驗算）過熱驗算 負(fù)

17、載轉(zhuǎn)矩為變量且勵磁磁通近似不變時，電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量且勵磁磁通近似不變時，電動機等效轉(zhuǎn)矩等效轉(zhuǎn)矩21222121tttTtTTeq式中：式中： T1、T2、 分別為分別為t1、t2 時間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。等效功率等效功率55. 9/NeqeqnTP 式中：式中： nN電動機的額定轉(zhuǎn)速電動機的額定轉(zhuǎn)速（r/min）則所選電動機的不過熱條件為則所選電動機的不過熱條件為eqNeqNPPTT式中：式中：TN 電動機的額定轉(zhuǎn)矩電動機的額定轉(zhuǎn)矩(N.m); PN 電動機的額定功率電動機的額定功率( W)(6.13)(6.14)2）過載驗算）過載驗算mNkTTmax式中：式中：km電動

18、機的過載系數(shù)，一般電動機產(chǎn)品目錄中給出電動機的過載系數(shù)，一般電動機產(chǎn)品目錄中給出(6.15)第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.1.3 減速比的匹配選擇與各級減速比的分配減速比的匹配選擇與各級減速比的分配 1 總減速比總減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機電一體化系統(tǒng)的綜主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇決定，既要使減速比合要求來選擇決定，既要使減速比達到一定條件下最佳達到一定條件下最佳，又要滿足，又要滿足脈脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系、最大轉(zhuǎn)速要求最大轉(zhuǎn)速要求等。

19、其確定方法有：等。其確定方法有：(6.16)1）使加速度最大）使加速度最大。輸入信號變化快，即加速度很大時，應(yīng)使。輸入信號變化快，即加速度很大時，應(yīng)使式中：mLmLFmLF負(fù)載轉(zhuǎn)矩LFT電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；mJ電動機額定轉(zhuǎn)矩；mTJJTTTTi2/122）最大輸出速度）最大輸出速度。當(dāng)輸入信號近似恒速，即加速度很小時，應(yīng)使。當(dāng)輸入信號近似恒速，即加速度很小時，應(yīng)使負(fù)載粘性摩擦系數(shù)。2f；電動機粘性摩擦系數(shù)式中：1f(6.17)2/1122ffTTTTimLFmLF第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化3）滿足送進系統(tǒng)傳動基本

20、要求）滿足送進系統(tǒng)傳動基本要求。即滿足脈沖當(dāng)量。即滿足脈沖當(dāng)量、步距角、步距角和絲杠基和絲杠基本導(dǎo)程本導(dǎo)程l0之間的匹配關(guān)系之間的匹配關(guān)系)360(0li (6.18)4）對速度和加速度均有一定要求的選擇方法）對速度和加速度均有一定要求的選擇方法。先按上述先按上述1）條選擇減速比）條選擇減速比i，然后驗算是否滿足，然后驗算是否滿足i Lmax m，式中，式中的的 Lmax為負(fù)載的最大角速度；為負(fù)載的最大角速度； m為電動機輸出的角速度。為電動機輸出的角速度。根據(jù)設(shè)計要求，通過綜合分析，利用上述方法根據(jù)設(shè)計要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后選擇總減速比之后，就需要，就需要合理確定減

21、速級數(shù)，合理確定減速級數(shù)，最后最后分配各級的傳動比（分配各級的傳動比（其分配原則可參見第其分配原則可參見第2 2章章）選擇減速級數(shù)時考慮的問題：選擇減速級數(shù)時考慮的問題：1 使齒輪總轉(zhuǎn)動慣量使齒輪總轉(zhuǎn)動慣量JG與電動機軸上與電動機軸上主動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量主動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JP的比值較小；的比值較小；2 避免級數(shù)過多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。避免級數(shù)過多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 一般可按圖一般可按圖A來選擇。來選擇。各級傳動比可按圖各級傳動比可按圖B來合理分配，來合理分配，一般應(yīng)使各級傳動比按傳動順序逐一般應(yīng)使各級傳動比按傳動順序逐級增加（級增加（“先小后大先小后大”）圖A 傳動級數(shù)選擇曲線圖B 傳動比分配曲線第第6章

22、章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計從兩頭入手，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計從兩頭入手，一方面一方面從系統(tǒng)應(yīng)從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和要求出發(fā)，具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置選定執(zhí)行元件和傳動裝置；另一方面另一方面是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計檢測裝選擇和設(shè)計檢測裝置及信號的前向和后向通道置及信號的前向和后向通道。 最后通過動態(tài)設(shè)計計算，設(shè)計適當(dāng)?shù)男Ｕa償裝置、最后通過動態(tài)設(shè)計計算，設(shè)計適當(dāng)?shù)男Ｕa償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達到機電一體化系完善電源電路及其它輔助電

23、路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計要求。統(tǒng)的設(shè)計要求。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化2.齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇 多級傳動時，各級傳動比的分配遵循多級傳動時，各級傳動比的分配遵循：1、重量最輕原則重量最輕原則 小功率傳動時， i 的分配各級相等各級相等； 大功率傳動時， i 的分配先小后大先小后大。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 傳動比i 的分配先小后大先小后大，并且提高最末一級齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則最小等效轉(zhuǎn)動慣量原

24、則 傳動比 i 的分配先小后大先小后大，級數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動慣量越小級數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動慣量越小，但級數(shù)太多時，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動慣量降低不明顯。對數(shù)減少傳動精度提高總原則總原則：盡量采用較大傳動比的單級傳動第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.1.4 檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及電檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及電 源等的匹配選擇與設(shè)計源等的匹配選擇與設(shè)計1.檢測傳感器檢測傳感器的精度、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精度要求，的精度、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精度要求， 在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出

25、應(yīng)具有固定的線性特性，信在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出應(yīng)具有固定的線性特性，信 號的轉(zhuǎn)換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力號的轉(zhuǎn)換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力 矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.信號轉(zhuǎn)換接口電路信號轉(zhuǎn)換接口電路應(yīng)盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的應(yīng)盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的 輸入輸入/輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要 考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化

26、系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路放大電路的設(shè)計主要考慮以下問題：的設(shè)計主要考慮以下問題：1）功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配）功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運行狀態(tài)提供適宜條件）放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運行狀態(tài)提供適宜條件3）放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮）放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮4）輸入級應(yīng)能與檢測傳感裝置相匹配）輸入級應(yīng)能與檢測傳感裝置相匹配5）放大器應(yīng)有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整）放大器應(yīng)有足夠

27、的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整放大器電源放大器電源為適應(yīng)各放大級的不同需要而進行適應(yīng)性設(shè)計。為適應(yīng)各放大級的不同需要而進行適應(yīng)性設(shè)計。最關(guān)鍵的是最關(guān)鍵的是動力電源動力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式，它常常制約系統(tǒng)方案的形式設(shè)計時要注意不要讓干擾信號從電源引入，所使用設(shè)計時要注意不要讓干擾信號從電源引入，所使用電源應(yīng)有足夠電源應(yīng)有足夠的保護措施。的保護措施。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化一一 伺服電動機控制方式的基本形式伺服電動機控制方式的基本形式6.1.5 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建

28、立及主諧振頻率的計算第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化1.開環(huán)方式開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)沒有檢測反饋環(huán)節(jié)2.半閉環(huán)方式半閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測位于，通過傳感器檢測位于 目標(biāo)（執(zhí)行機構(gòu)）目標(biāo)（執(zhí)行機構(gòu)）之前的之前的某個中間部位某個中間部位 （如伺服電動機）運動并進行反饋、（如伺服電動機）運動并進行反饋、 間接控制間接控制目標(biāo)目標(biāo)運動運動 3. 閉環(huán)方式閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測，通過傳感器檢測 目標(biāo)目標(biāo)（執(zhí)行機構(gòu)）（執(zhí)行機構(gòu)）運動并進行反饋，運動并進行反饋，

29、直接控制直接控制目標(biāo)運動目標(biāo)運動 閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)系閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：聯(lián)系：從控制原理上講是一樣的，都是對系統(tǒng)輸出進行實時檢測從控制原理上講是一樣的，都是對系統(tǒng)輸出進行實時檢測 和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。區(qū)別：區(qū)別：傳感器檢測信號位置不同傳感器檢測信號位置不同6.1.5 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算二二 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立（1） 半閉環(huán)控制方式半閉環(huán)控制方式6.1.5 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算（2） 全閉環(huán)控制

30、方式全閉環(huán)控制方式機械傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)機械傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立的建立6.1.5 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算三三 主諧振頻率的計算主諧振頻率的計算eqImeqnJJKJ機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率22104222132121)2/(1)/(1/111i ilKiiKiKKK221202213212)/()2()/(/i imli iJiJJeqeqImeqJJJeqImeqnJJKJ式中：式中：K為機械傳動系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（為機械傳動系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（ N.m/rad） Jeqm為機械傳動系統(tǒng)等效到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣

31、量（為機械傳動系統(tǒng)等效到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2） Jeq為軸為軸、轉(zhuǎn)動慣量以及工作臺總質(zhì)量轉(zhuǎn)動慣量以及工作臺總質(zhì)量m等效到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（等效到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2） JI為軸為軸I上運動零部件的轉(zhuǎn)動慣量（上運動零部件的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率求：該機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率求：該機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.2 6.2 機電有機結(jié)合之二機電有機結(jié)合之二機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計考慮方法機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計考慮

32、方法 系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的一般考慮方法和步驟：系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的一般考慮方法和步驟： 選擇選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補償）形式系統(tǒng)的控制方式和校正（或補償）形式-定量計算分析，找定量計算分析，找到所需補償裝置的對數(shù)幅頻特性到所需補償裝置的對數(shù)幅頻特性 -設(shè)計設(shè)計校正裝置校正裝置- 將其有效地將其有效地連連接接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計階段所設(shè)計的系統(tǒng)中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并到穩(wěn)態(tài)設(shè)計階段所設(shè)計的系統(tǒng)中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項動態(tài)指標(biāo)的要求。滿足各項動態(tài)指標(biāo)的要求。1.反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)） 定義：具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)定義：具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 特點：特點：按

33、偏差進行調(diào)節(jié)按偏差進行調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量小調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量小 能隨時了解被控變量變化情況能隨時了解被控變量變化情況 輸出影響輸入（閉環(huán)）輸出影響輸入（閉環(huán)）存在問題：）存在問題：必須有偏差才能進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用必須有偏差才能進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用 調(diào)節(jié)不及時，被控變量總是變化的調(diào)節(jié)不及時，被控變量總是變化的2、前饋控制系統(tǒng)：、前饋控制系統(tǒng)：）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點，在干擾作用下，必須形成偏差，才能進）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點，在干擾作用下，必須形成偏差，才能進行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干

34、擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。時，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。）定義：是按干擾進行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未）定義：是按干擾進行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進行調(diào)節(jié)，發(fā)生變化時，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進行調(diào)節(jié)，來補償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。來補償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3)3) 特點特點: : 按干擾進行控制，控制及時，精度高。按干擾進行控制，控制及時，精度高。 僅僅對前饋量有控制作用僅僅對前饋量

35、有控制作用 不能隨時了解被控變量變化情況不能隨時了解被控變量變化情況 輸出影響輸入（開環(huán)）輸出影響輸入（開環(huán)）6.2.1 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸出必將發(fā)生變化，由于當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部干擾相對應(yīng)的值，也就是說需要有一個變化過程，這個變化與外部干擾相對應(yīng)的值，也就是說需要有一個變化過程，這個變化過程即為系統(tǒng)的過程即為系統(tǒng)的過渡過程。過渡過程。 當(dāng)系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束后，其輸出值達到與輸入相對應(yīng)的穩(wěn)定狀當(dāng)

36、系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束后，其輸出值達到與輸入相對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之差被稱為態(tài)，此時系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之差被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差。 具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)是系統(tǒng)具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)是系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)。過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)。在時域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用在時域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線的參數(shù)單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線的參數(shù)表示。表示。 系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程有系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程有三種三種情況：情況：系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)值；值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即

37、沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定不穩(wěn)定的；的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)值。值。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化圖圖6.14 單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線Ts上升時間上升時間Ty 延滯時間延滯時間Tt 調(diào)整時間調(diào)整時間 % 最大超調(diào)量最大超調(diào)量 當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定不穩(wěn)定或雖然或雖然穩(wěn)定但過渡過程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求穩(wěn)定但過渡過程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求時，時，可先可先調(diào)整調(diào)整系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)，如仍不能滿足使

38、用要求就需要系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)，如仍不能滿足使用要求就需要校正校正，最簡單，最簡單的校正網(wǎng)絡(luò)是的校正網(wǎng)絡(luò)是PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器（P比例、比例、I積分、積分、D微分）。微分）。(1) PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖圖 6.15 有源調(diào)節(jié)器有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)類型所對應(yīng)的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)pcKsG)()/(1)(sTsGic)/(11 )(sTKsGipc)/(11 )(sTsTKsGdipc12/ RRKpRCTi;/12RRKpCRTi2)/()(212211RRCRCRKp2211CRCRTi)/(22112211CRCRCRCRTd第第6章章 機電一體化系統(tǒng)

39、的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化各種調(diào)節(jié)類型的特點及應(yīng)用各種調(diào)節(jié)類型的特點及應(yīng)用比例比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益Kp的大小。的大小。 Kp越大越大 ，調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)性能也越好，但調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)性能也越好，但Kp太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。其太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。其主要缺點是存在誤差主要缺點是存在誤差。因此，對于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，。因此，對于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨采用不宜單獨采用比例比例(P)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)。積分積分(I)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)：主要優(yōu)點是能減少或消除誤差主要優(yōu)點是能減少或

40、消除誤差，但由于它響應(yīng)慢，故，但由于它響應(yīng)慢，故很少單獨采用。很少單獨采用。比例比例-積分積分(PI)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)：即克服了單純比例調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點，又即克服了單純比例調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱點，即穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性都得到了改善，避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱點，即穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性都得到了改善，所以應(yīng)用比較廣泛。所以應(yīng)用比較廣泛。比例比例-積分積分-微分微分(PID)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)：無論從穩(wěn)態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，無論從穩(wěn)態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，調(diào)節(jié)品質(zhì)均比調(diào)節(jié)品質(zhì)均比PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)得到了改善，因此其應(yīng)用得到了改善，因此其應(yīng)用最為廣泛最為廣泛，但由于它，但由于它含有微分作用，在噪聲

41、大或要求響應(yīng)快的系統(tǒng)最好不要使用。含有微分作用，在噪聲大或要求響應(yīng)快的系統(tǒng)最好不要使用。(2) PID調(diào)節(jié)器的控制作用調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比例作用、積分作用和微分作用基本控制作用有三種基本形式：比例作用、積分作用和微分作用m為調(diào)節(jié)器的輸出；為調(diào)節(jié)器的輸出；e為偏差信號；為偏差信號；Kp為比例增益；為比例增益；Ti為積分時間常數(shù)；為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)為微分時間常數(shù)第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化積分積分比例比例微分微分被控對象被控對象r(t) +r(t) +u(t)u(t)c(t)c

42、(t)e(t)e(t)PID控制器控制器)11 ()()()(sTsTKsesusGdipPIDPID調(diào)節(jié)原理：調(diào)節(jié)原理： P（Proportional）：控制信號的強弱及響應(yīng)速度 I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度 D（Differential）：減小超調(diào)，提高動態(tài)特性及控制精度PIDPID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：6.2.2 機械結(jié)構(gòu)彈性變形對系統(tǒng)的影響機械結(jié)構(gòu)彈性變形對系統(tǒng)的影響(1) 結(jié)構(gòu)諧振的影響結(jié)構(gòu)諧振的影響結(jié)構(gòu)諧振（結(jié)構(gòu)諧振（或機械諧振機械諧振）由傳動裝置（或傳動系統(tǒng)）的彈性變形由傳動裝置（或傳動系統(tǒng)）的彈性變形 而產(chǎn)生的振動。而產(chǎn)生的振動。機械傳動系統(tǒng)的彈性

43、變形與它的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料性能及受力狀況有關(guān)，機械傳動系統(tǒng)的彈性變形與它的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料性能及受力狀況有關(guān)，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，因此分析起來相當(dāng)復(fù)雜。其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，因此分析起來相當(dāng)復(fù)雜。最簡單的辦法就是將整最簡單的辦法就是將整個系統(tǒng)的彈性變形看成集中在系統(tǒng)輸出軸即負(fù)載軸上，也就是等效到負(fù)個系統(tǒng)的彈性變形看成集中在系統(tǒng)輸出軸即負(fù)載軸上，也就是等效到負(fù)載軸上載軸上?，F(xiàn)以兩級齒輪傳動為例來討論機械諧振對系統(tǒng)的影響。現(xiàn)以兩級齒輪傳動為例來討論機械諧振對系統(tǒng)的影響。機械裝置的物理模型是機械裝置的物理模型是質(zhì)量質(zhì)量彈簧彈簧系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振頻率結(jié)構(gòu)諧振頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的截止頻率，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的截止頻率，

44、對動態(tài)性能對動態(tài)性能沒影響；沒影響；結(jié)構(gòu)諧振頻結(jié)構(gòu)諧振頻接近或接近或小于系統(tǒng)的小于系統(tǒng)的截止頻率截止頻率，出現(xiàn)自激振蕩，出現(xiàn)自激振蕩，影響大；影響大；對要求加速度很大，快速性能好的系統(tǒng)，其通頻帶必然較寬，因而容易出對要求加速度很大，快速性能好的系統(tǒng)，其通頻帶必然較寬，因而容易出現(xiàn)自激振蕩?，F(xiàn)自激振蕩。閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)基本上不會受結(jié)構(gòu)諧振的影響?；旧喜粫芙Y(jié)構(gòu)諧振的影響。圖圖6.20 兩級齒輪兩級齒輪減速器減速器已知：已知：i1,i2,Tm設(shè)設(shè) T1,T2,T3, 1, 2, 3則有則有213121,i iTTiTTTTmmm根據(jù)彈性變形的虎克定律，軸的彈性扭轉(zhuǎn)角根據(jù)彈性變形的虎克定律，軸的彈

45、性扭轉(zhuǎn)角 正比于其所承受的扭轉(zhuǎn)力矩，即正比于其所承受的扭轉(zhuǎn)力矩，即lGTdKTT324軸的直徑。力矩作用點的距離；軸的扭轉(zhuǎn)彈性模量；軸的扭轉(zhuǎn)剛度；式中：dlGKT（6.44）（6.45）得）和時，根據(jù)式（、當(dāng))45. 6(44. 6321321321dddGGGlll2322131/),/(ii i總彈性扭轉(zhuǎn)角為都換算到輸出軸上，則、將21)/(1/11 )/(/2221223211223iiii ii可見，輸出軸可見，輸出軸3的變形對系統(tǒng)的影響最大、軸的變形對系統(tǒng)的影響最大、軸2次之、軸次之、軸1最小最?。?.46）(2) 減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施1）提高傳動剛度）提

46、高傳動剛度?？商岣呓Y(jié)構(gòu)諧振頻率，一般使可提高結(jié)構(gòu)諧振頻率，一般使 提高結(jié)構(gòu)諧振頻率的提高結(jié)構(gòu)諧振頻率的根本方法根本方法是增加傳動系統(tǒng)的剛度、減小負(fù)載的是增加傳動系統(tǒng)的剛度、減小負(fù)載的 轉(zhuǎn)動慣量和采用合理的結(jié)構(gòu)布置轉(zhuǎn)動慣量和采用合理的結(jié)構(gòu)布置cn)108(提高剛度的措施：提高剛度的措施：加大傳動系統(tǒng)最后幾根軸的剛度；加大傳動系統(tǒng)最后幾根軸的剛度； 采用無齒輪傳動裝置；采用無齒輪傳動裝置； 減小慣性元件的距離減小慣性元件的距離2）提高機械阻尼）提高機械阻尼。能有效地降低振蕩環(huán)節(jié)的諧振峰值。能有效地降低振蕩環(huán)節(jié)的諧振峰值。3）采用校正網(wǎng)絡(luò)。）采用校正網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)頻率頻率特性有一凹陷處，將此處對準(zhǔn)系統(tǒng)

47、的該網(wǎng)絡(luò)頻率頻率特性有一凹陷處，將此處對準(zhǔn)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)諧振頻率，就可抵消或削平結(jié)構(gòu)諧振峰值。結(jié)構(gòu)諧振頻率，就可抵消或削平結(jié)構(gòu)諧振峰值。4）應(yīng)用綜合速度反饋減小諧振。）應(yīng)用綜合速度反饋減小諧振。適合低摩擦系統(tǒng)中。適合低摩擦系統(tǒng)中。實際的傳動裝置較復(fù)雜，用校正（或補償）方法只能近似消除結(jié)構(gòu)諧振實際的傳動裝置較復(fù)雜，用校正（或補償）方法只能近似消除結(jié)構(gòu)諧振的影響。的影響。6.2.3 傳動間隙對系統(tǒng)性能的影響傳動間隙對系統(tǒng)性能的影響(1) 機械傳動間隙機械傳動間隙理想理想的齒輪傳動的輸入和輸出轉(zhuǎn)角之間是線性關(guān)系，即的齒輪傳動的輸入和輸出轉(zhuǎn)角之間是線性關(guān)系，即irc/齒輪減速器的傳動比輸入轉(zhuǎn)角；輸出轉(zhuǎn)角

48、；式中：irc實際上實際上，由于減速器的主動輪和從動輪之間間隙的存在和傳動方向的，由于減速器的主動輪和從動輪之間間隙的存在和傳動方向的變化，齒輪傳動的輸入轉(zhuǎn)角和輸出轉(zhuǎn)角之間呈滯環(huán)特性，如圖變化，齒輪傳動的輸入轉(zhuǎn)角和輸出轉(zhuǎn)角之間呈滯環(huán)特性，如圖6.29所所示示圖圖6.29 齒側(cè)間隙齒側(cè)間隙多級齒輪傳動中，各級齒輪間隙的影響是多級齒輪傳動中，各級齒輪間隙的影響是不相同不相同的，現(xiàn)以一的，現(xiàn)以一三級傳動三級傳動為例為例加以說明加以說明.第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化圖圖6.30 多級齒輪傳動多級齒輪傳動已知：已知：i1,i

49、2, i3， 1, 2, 3, R為主動軸，為主動軸，C為從動軸為從動軸將所有的傳動間隙都折算到輸出軸將所有的傳動間隙都折算到輸出軸C上，其總間隙上，其總間隙332321iiiC如果將其折算到輸入軸如果將其折算到輸入軸R上，其總間隙上，其總間隙（6.64）（6.65）可見，最后一級齒輪的傳動間隙可見，最后一級齒輪的傳動間隙 3影響最大影響最大321211i iiR 為了減小間隙的影響，除為了減小間隙的影響，除盡可能地提高齒輪的加工精度盡可能地提高齒輪的加工精度外，裝配時外，裝配時 還應(yīng)還應(yīng)減小最后一級齒輪的傳動間隙減小最后一級齒輪的傳動間隙。(2) 傳動間隙的影響傳動間隙的影響齒輪傳動裝置齒輪

50、傳動裝置在系統(tǒng)中的在系統(tǒng)中的位置不同，位置不同，其間隙對其間隙對伺服系統(tǒng)的影響也不同伺服系統(tǒng)的影響也不同圖圖6.31 傳動間隙在閉環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖傳動間隙在閉環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖1)閉環(huán)之內(nèi)的動力傳動鏈閉環(huán)之內(nèi)的動力傳動鏈(G2)齒輪傳動間隙影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，齒輪傳動間隙影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 不影響不影響系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度2) 反饋回路上的傳動鏈反饋回路上的傳動鏈(G3)齒輪傳動間隙既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性齒輪傳動間隙既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 又影響又影響系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度6.3 6.3 可靠性、安全性設(shè)計可靠性、安全性設(shè)計可靠性可靠性 指產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)指產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定條件下和

51、規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī) 定功能的能力。定功能的能力。6.3.1 可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計總的來說，可靠性包括無故障性和耐久性兩方面的含義?？偟膩碚f，可靠性包括無故障性和耐久性兩方面的含義。（1）可靠性的基本概念）可靠性的基本概念無故障性無故障性 指產(chǎn)品在指產(chǎn)品在某一時期內(nèi)某一時期內(nèi)（某一段工作時間內(nèi)），（某一段工作時間內(nèi)），連續(xù)不連續(xù)不 斷地斷地保持其工作能力的性能。保持其工作能力的性能。耐久性耐久性 指產(chǎn)品在指產(chǎn)品在整個使用期限內(nèi)整個使用期限內(nèi)和規(guī)定的維修條件下，保持其和規(guī)定的維修條件下，保持其 工作能力的性能。工作能力的性能。完成規(guī)定功能完成規(guī)定功能是指能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項技術(shù)指是

52、指能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項技術(shù)指 標(biāo)符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為標(biāo)符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效失效。對于可修。對于可修復(fù)的產(chǎn)品，也可稱為復(fù)的產(chǎn)品，也可稱為故障故障。第第6章章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電一體化機電一體化6.3 6.3 可靠性、安全性設(shè)計可靠性、安全性設(shè)計根本方法：根本方法：提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量，提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量，它的作用是消除故障于發(fā)生它的作用是消除故障于發(fā)生 之前，或者降低故障率。之前，或者降低故障率。具體方法：具體方法：6.3.1 可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計（2）保證

53、產(chǎn)品（系統(tǒng)）可靠性的方法）保證產(chǎn)品（系統(tǒng)）可靠性的方法 裕度法裕度法 自動控制法自動控制法 冗余技術(shù)：掩蔽法冗余技術(shù)：掩蔽法 診斷技術(shù)：暴露法診斷技術(shù)：暴露法主要是一種改進硬件的措施主要是一種改進硬件的措施用硬件、軟件或兩者相結(jié)合來保用硬件、軟件或兩者相結(jié)合來保證產(chǎn)品可靠性的措施證產(chǎn)品可靠性的措施 冗余技術(shù)：又稱冗余技術(shù)：又稱儲備技術(shù)儲備技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng) 可靠性的一種手段。可靠性的一種手段。表現(xiàn)：表現(xiàn)：它可以在故障發(fā)生之后把故障造成的影響掩蔽起來，使產(chǎn)品在一它可以在故障發(fā)生之后把故障造成的影響掩蔽起來，使產(chǎn)品在一 定時間內(nèi)繼續(xù)保持其工作能

54、力。是一種定時間內(nèi)繼續(xù)保持其工作能力。是一種掩蔽法掩蔽法。冗余方法分類：冗余方法分類：工作冗余和后備冗余工作冗余和后備冗余選擇冗余方法的原則：選擇冗余方法的原則：P247-248采用冗余技術(shù)必須在充分進行可靠性分析的基礎(chǔ)上采用，包括分析：采用冗余技術(shù)必須在充分進行可靠性分析的基礎(chǔ)上采用，包括分析： 1. 引起失效的真正原因引起失效的真正原因 2. 經(jīng)濟上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素經(jīng)濟上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素機械系統(tǒng)很少采用冗余技術(shù)，而常采用裕度法來提高可靠性。機械系統(tǒng)很少采用冗余技術(shù)，而常采用裕度法來提高可靠性。作用：作用：推遲產(chǎn)品失效的時間推遲產(chǎn)品失效的時間基本思想：基本思想

55、：通過可靠性分析找出系統(tǒng)失效率高的薄弱環(huán)節(jié)，對此環(huán)節(jié)進通過可靠性分析找出系統(tǒng)失效率高的薄弱環(huán)節(jié)，對此環(huán)節(jié)進 行冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此保證整個系統(tǒng)的可靠性。行冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此保證整個系統(tǒng)的可靠性。 診斷技術(shù)：是一種診斷技術(shù)：是一種檢測技術(shù)檢測技術(shù)。用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效。用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效 （故障）（故障）類型類型和失效的和失效的位置位置信息。信息。表現(xiàn)：表現(xiàn)：它可以把它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的已經(jīng)出現(xiàn)的或或?qū)⒁霈F(xiàn)的將要出現(xiàn)的故障及時暴露出來，以便迅故障及時暴露出來，以便迅 速修復(fù)。是一種速修復(fù)。是一種暴露法暴露法。作用：作用：及時發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時間，提高產(chǎn)品的有效度。及時發(fā)現(xiàn)故

56、障，以便縮短修理時間，提高產(chǎn)品的有效度。任務(wù)：任務(wù)：兩個兩個 見見P248測試分類：測試分類：1. 診斷測試診斷測試故障出現(xiàn)之后故障出現(xiàn)之后 2. 故障監(jiān)測故障監(jiān)測故障發(fā)生之前故障發(fā)生之前 診斷過程：診斷過程：測試，取得診斷信號測試，取得診斷信號分離出癥兆分離出癥兆診斷診斷癥癥兆兆：表征故障種類與位置的表征故障種類與位置的異常性信號異常性信號?？煞譃閮深悾骸？煞譃閮深悾?. 直接癥直接癥兆兆檢測產(chǎn)品整機或元部件的輸出參數(shù)時取得的檢測產(chǎn)品整機或元部件的輸出參數(shù)時取得的2. 間接癥間接癥兆兆檢測與產(chǎn)品工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)時取得的檢測與產(chǎn)品工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)時取得的 診斷：診斷

57、：將測試取得的診斷信號與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，或利用事先確定的癥兆將測試取得的診斷信號與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，或利用事先確定的癥兆 與故障之間的對應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類與部位。與故障之間的對應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類與部位。6.3 6.3 可靠性、安全性設(shè)計可靠性、安全性設(shè)計1) 干擾的定義干擾的定義 干擾是指干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上。從廣義上講，機電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電噪聲干擾、溫度干擾、濕度干擾、講，機電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電噪聲干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等。聲波干擾和振動干擾等等。 電噪聲干擾

58、是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用電噪聲干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。 6.3.1 可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計（3）干擾和抗干擾措施）干擾和抗干擾措施 2）形成干擾的三要素）形成干擾的三要素 干擾源：產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、干擾源：產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、 微波設(shè)備、電機、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空微波設(shè)備、電機、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空 中電磁信號。中電磁信號。 傳播途徑：干擾信號從

59、干擾源到接收載體的渠道。傳播途徑：干擾信號從干擾源到接收載體的渠道。 干擾對象：指受影響的設(shè)備的某個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)吸收了干擾信號，干擾對象：指受影響的設(shè)備的某個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)吸收了干擾信號， 并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電氣參數(shù)。并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電氣參數(shù)。 圖圖6.32 干擾渠道示意圖干擾渠道示意圖 傳導(dǎo)型：通過各種線路傳入控制器，包括供電干擾、強電干擾和傳導(dǎo)型：通過各種線路傳入控制器，包括供電干擾、強電干擾和 接地干擾等。接地干擾等。 輻射型：通過空間感應(yīng)進入控制器，包括電磁干擾和靜電干擾。輻射型：通過空間感應(yīng)進入控制器，包括電磁干擾和靜電干擾。傳播途徑的類型：傳播途徑的類型：圖圖6.33

60、接地環(huán)路接地環(huán)路3）抗干擾措施）抗干擾措施 供電系統(tǒng)的抗干擾措施供電系統(tǒng)的抗干擾措施 穩(wěn)壓、濾波、隔離穩(wěn)壓、濾波、隔離 接口電路的抗干擾措施接口電路的抗干擾措施 首先是采取吸收的方法抑制其產(chǎn)生，然后采用隔離的方法，阻斷其傳導(dǎo)。首先是采取吸收的方法抑制其產(chǎn)生，然后采用隔離的方法，阻斷其傳導(dǎo)。 接地系統(tǒng)的抗干擾措施接地系統(tǒng)的抗干擾措施 出發(fā)點：切斷接地環(huán)路出發(fā)點：切斷接地環(huán)路 采取的措施：單點接地；并聯(lián)接地；光電隔離。采取的措施：單點接地；并聯(lián)接地；光電隔離。6.3 可靠性、安全性設(shè)計可靠性、安全性設(shè)計6.3.1 可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計（3）干擾和抗干擾措施）干擾和抗干擾措施 第第6章章 機電一體化