機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

1、機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件目 錄緒論機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感檢測(cè)及其接口電路控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例目 錄緒論緒 論第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義 Mechatronics=Mechanics+Electronics機(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置（產(chǎn)品）。機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù) 、微電子技術(shù)、 信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程 基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整 個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門(mén)新科學(xué)技術(shù)。機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡(jiǎn)單的 疊加，而是在信息論、控制論和系 統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的應(yīng)用技術(shù)。機(jī)電一體化信息

2、科學(xué)機(jī)械學(xué)電子學(xué)緒 論第一節(jié) 機(jī)電一體化的定義機(jī)電一體化信息科數(shù)控銑床數(shù)數(shù)控車(chē)床數(shù)控車(chē)床焊接機(jī)器人焊接機(jī)器人汽車(chē)防抱死系統(tǒng)(ABS（Anti-locked Braking System ）)汽車(chē)防抱死系統(tǒng)(ABS（Anti-locked Brakin “ABS”（Anti-locked Braking System）中文譯為“防抱死剎車(chē)系統(tǒng)”.它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的汽車(chē)安全控制系統(tǒng)。ABS是常規(guī)剎車(chē)裝置基礎(chǔ)上的改進(jìn)型技術(shù)，可分機(jī)械式和電子式兩種。 ABS防抱制動(dòng)系統(tǒng)由汽車(chē)微電腦控制，當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，它能使車(chē)輪保持轉(zhuǎn)動(dòng)，從而幫助駕駛員控制車(chē)輛達(dá)到安全的停車(chē)。這種防抱制動(dòng)系統(tǒng)是用速度傳感器

3、檢測(cè)車(chē)輪速度，然后把車(chē)輪速度信號(hào)傳送到微電腦里，微電腦根據(jù)輸入車(chē)輪速度，通過(guò)重復(fù)地減少或增加在輪子上的制動(dòng)壓力來(lái)控制車(chē)輪的打滑率，保持車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在制動(dòng)過(guò)程中保持車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，不但可保證控制行駛方向的能力，而且，在大部分路面情況下，與抱死鎖死車(chē)輪相比，能提供更高的制動(dòng)力量。 “ABS”（Anti-locked Brak經(jīng)濟(jì)效益領(lǐng)域?qū)＜乙庖?jiàn)直方圖采用機(jī)電一體化技術(shù)與產(chǎn)品有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)“機(jī)電一體化發(fā)展預(yù)測(cè)與綜合分析總體研究報(bào)告”中采用Delphi法進(jìn)行專(zhuān)家調(diào)查，對(duì)數(shù)控機(jī)床、電子儀器儀表、電子化量具量?jī)x等十二種產(chǎn)品，機(jī)電一體化前后經(jīng)濟(jì)效益的變化（增加百分比做出預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖1-5所示。經(jīng)

4、濟(jì)效益領(lǐng)域?qū)＜乙庖?jiàn)直方圖采用機(jī)電一體化技術(shù)與產(chǎn)品有著明顯的第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素組成機(jī)電一體化系統(tǒng)與人體的對(duì)應(yīng)部分及相應(yīng)功能的關(guān)系第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能要素組成機(jī)電一體化系機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理一、機(jī)械本體 包括機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置。其主要功能是使構(gòu)造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時(shí)間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定的關(guān)系。二、動(dòng)力單元 功能是按照機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。三、傳感檢測(cè)單元 功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)，

5、傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?jīng)過(guò)分析、處理產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。四、執(zhí)行單元 功能是根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動(dòng)作。執(zhí)行單元是運(yùn)動(dòng)部件，一半采用機(jī)械、電磁、電液等方式將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。一、機(jī)械本體五、驅(qū)動(dòng)單元 功能是在控制信息作用下，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。如步進(jìn)電機(jī)、交直流伺服電機(jī)等。六、控制與信息處理單元 是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元，功能是將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)輸出接口送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期的目的。七、接口 其作用是將各要素或子系統(tǒng)連接

6、成為一個(gè)有機(jī)整體，使各個(gè)功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，從而形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程。其基本功能有三：變換、放大、傳遞。五、驅(qū)動(dòng)單元機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化產(chǎn)品歸類(lèi)圖機(jī)電一體化產(chǎn)品歸類(lèi)圖第三節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)1 機(jī)械技術(shù) 機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。現(xiàn)代機(jī)械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更好。 在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械系統(tǒng)時(shí)除了考慮靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度及熱變形等問(wèn)題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工

7、藝裝置。第三節(jié) 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)1 機(jī)械技術(shù)2 .傳感檢測(cè)技術(shù) 傳感檢測(cè)技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，一是研究如何將各種被測(cè)量(包括物理量、化學(xué)量和生物量等)轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測(cè)裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠的獲取信息。2 .傳感檢測(cè)技術(shù) 壓力變送器加速度計(jì)力傳感器 壓力變送器加速度計(jì)力傳感器 3 信息處理技術(shù) 實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機(jī)（包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)

8、算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。3 信息處理技術(shù) 實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)4 自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制所依據(jù)的理論是自動(dòng)控制原理（包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動(dòng)控制技術(shù)就是在此理論的指導(dǎo)下對(duì)具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動(dòng)控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。4 自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制所依據(jù)的理論是自動(dòng)5 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)包

9、括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類(lèi)型的傳動(dòng)裝置。常見(jiàn)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等）和液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸等）兩類(lèi)。6 系統(tǒng)總體技術(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運(yùn)用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。5 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法一、機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的分類(lèi) 生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品 數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備 柔性生產(chǎn)單元、自動(dòng)組合生產(chǎn)單元 FMS、無(wú)人化工廠、CIMS運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品 微機(jī)控制汽車(chē)、機(jī)車(chē)等交通運(yùn)輸工具 數(shù)控包裝機(jī)械及系統(tǒng) 數(shù)

10、控運(yùn)輸機(jī)械及工程機(jī)械設(shè)備儲(chǔ)存、銷(xiāo)售用機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備自動(dòng)稱(chēng)量、分選、銷(xiāo)售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與方法一、機(jī)電一體化產(chǎn)品和社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化辦公設(shè)備動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)備文教、體育、娛樂(lè)用機(jī)電一體化產(chǎn)品家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品炊事自動(dòng)化機(jī)械家庭用信息、服務(wù)設(shè)備科研及過(guò)程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品測(cè)試設(shè)備、控制設(shè)備、信息處理系統(tǒng)農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品航空、航天、國(guó)防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品科研及過(guò)程控制用二、現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo) 1、提高精度

11、2、增強(qiáng)功能3、提高生產(chǎn)效率4、節(jié)約能源，降低能耗5、提高安全性、可靠性6、改善操作性和實(shí)用性7、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件8、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量9、降低價(jià)格10、增強(qiáng)柔性應(yīng)有功能二、現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo) 1、提高精度1.機(jī)械的電子化 （1）在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)。例如，模糊控制洗衣機(jī)能根據(jù)衣物的潔凈度自動(dòng)控制洗滌過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時(shí)、節(jié)洗衣粉的功能；機(jī)床的數(shù)控化是另一個(gè)典型的例子。 （2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)

12、態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無(wú)刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。 三、機(jī)電一體化技術(shù)方向1.機(jī)械的電子化三、機(jī)電一體化技術(shù)方向三、機(jī)電一體化產(chǎn)品的表現(xiàn)形式（3）用電子裝置完全替代原來(lái)執(zhí)行信息處理功能的機(jī)構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。（4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床等。2.機(jī)電技術(shù)完全融合形成新型機(jī)電一體化產(chǎn)品 生產(chǎn)機(jī)械中的激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中的傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測(cè)機(jī)械中的CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診斷裝置）掃描診斷

13、儀、掃描隧道顯微鏡等。三、機(jī)電一體化產(chǎn)品的表現(xiàn)形式（3）用電子裝置完全替代原來(lái)執(zhí)行總之，機(jī)電一體化發(fā)展方向 性能上: 向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展; 層次上：向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。總之，機(jī)電一體化發(fā)展方向四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想 機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合，學(xué)科交叉，一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)；同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)，使二者密切結(jié)合、相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，從分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。四、機(jī)

14、電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想 機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)五、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1. 取代法 取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法,也是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方法。 2. 整體設(shè)計(jì)法 整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。五、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1. 取代法3.組合法 組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如,設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床,可以依據(jù)機(jī)床的性能要求,通過(guò)對(duì)不同廠家的計(jì)算機(jī)控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位移和速度測(cè)試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)品的評(píng)估分析

15、,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對(duì)整機(jī)性能的影響,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成。3.組合法第五節(jié) 本課程的目的和要求目的：是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素組成各種性能優(yōu)良的可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。要求：1、掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、基本原理和基本知識(shí)。2、掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械量檢測(cè)傳感器、控制電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。3、掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)控制、接口設(shè)計(jì)的基本方法。4、初步掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，進(jìn)行總體方案的分析與設(shè)

16、計(jì)。第五節(jié) 本課程的目的和要求目的：是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和支承部件，以完成規(guī)定的動(dòng)作，傳遞功率、運(yùn)動(dòng)和信息，支撐連接相關(guān)部件等。一部機(jī)器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機(jī)械運(yùn)動(dòng)。每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可由單獨(dú)的控制電機(jī)、傳動(dòng)件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的若干個(gè)子系統(tǒng)來(lái)完成，若干個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)與控制。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要第一節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立一、機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)的基本單元是質(zhì)量(M)、阻尼(C)和彈簧(K)，建立機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本原理是牛頓第二定律。牛頓第二定律：物體的加速度跟物

17、體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。 F=ma 通過(guò)拉氏變換，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第一節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立一、機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件二、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的基本單元是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J)、阻尼(C)和彈簧(K)，建立機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本原理仍是牛頓第二定律。這里，(t)為轉(zhuǎn)角，T(t）為扭矩。通過(guò)拉氏變換，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)二、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)電一體化緒論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件三、基本物理量的折算 1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算根據(jù)動(dòng)平衡原理其中Ti為i軸的輸入轉(zhuǎn)矩，Ti為i軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩i為i軸的角速度。對(duì)于一對(duì)嚙

18、合齒輪的軸來(lái)說(shuō)，由于軸II的輸入轉(zhuǎn)矩是從軸I上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩獲得的，且與他們的轉(zhuǎn)速(齒輪的半徑或齒數(shù)，傳動(dòng)比)成反比，所以有三、基本物理量的折算 2、粘性阻尼系數(shù)的折算 機(jī)械系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)元件之間存在著粘性阻尼，并以一定的形式表現(xiàn)出來(lái)。在機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模過(guò)程中，粘性阻尼同樣需要折算到某一部件上，求出系統(tǒng)的當(dāng)量阻尼系數(shù)。其基本方法是將摩擦阻力、流體阻力及負(fù)載阻力折算成與速度有關(guān)的粘性阻尼力，再利用摩擦阻力與粘性阻尼力所消耗的功相等這一原則，求出粘性阻尼系數(shù)，最后進(jìn)行相應(yīng)的當(dāng)量阻尼系數(shù)折算。2、粘性阻尼系數(shù)的折算3、剛度系數(shù)的折算 機(jī)械系統(tǒng)中各元件在工作時(shí)受到力和力矩的作用，將產(chǎn)生伸長(zhǎng)(或壓縮)和扭轉(zhuǎn)

19、等彈性變形，這些變形將影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能。在機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模中，需要將其折算成相應(yīng)的當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和線性剛度系數(shù)。4、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 將基本物理量折算到某一部件后，即可按單一部件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模。3、剛度系數(shù)的折算數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 將軸I、III上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)的質(zhì)量都折算到軸I上，作為系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(1)軸I、III轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 (2)工作臺(tái)質(zhì)量的折算 根據(jù)動(dòng)力平衡關(guān)系，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一周所做的功等于工作臺(tái)前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程時(shí)其慣性力所做的功，對(duì)于工作臺(tái)和絲杠有 (3)折算到軸I上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (2)工作臺(tái)質(zhì)量的折算 根據(jù)動(dòng)力平衡關(guān)系

20、，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一周所 2粘性阻尼系數(shù)的折算 當(dāng)只考慮阻尼力時(shí)，根據(jù)工作臺(tái)和絲杠之間動(dòng)力關(guān)系，絲杠旋轉(zhuǎn)一周所做的功等于工作臺(tái)前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程時(shí)其阻尼力所做的功，有 2粘性阻尼系數(shù)的折算 3剛度系數(shù)的折算 首先將各軸的扭轉(zhuǎn)角折算到軸I上，絲杠與工作臺(tái)之間的軸向彈性變形會(huì)使軸III產(chǎn)生一個(gè)附加扭轉(zhuǎn)角，所以也要折算到軸I上，然后求出折算到軸I上的系統(tǒng)的當(dāng)量剛度系數(shù)。(1)軸向剛度系數(shù)的折算 3剛度系數(shù)的折算 (2)扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)的折算 根據(jù)動(dòng)力平衡和傳動(dòng)關(guān)系有 因?yàn)榻z杠和工作臺(tái)之間的軸向彈性變形，使得軸III產(chǎn)生了一個(gè)附加扭轉(zhuǎn)角3，所以軸III上的實(shí)際扭轉(zhuǎn)角III為 將各軸的扭轉(zhuǎn)角折算到軸I上，得到系統(tǒng)的當(dāng)量扭

21、轉(zhuǎn)角 (2)扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)的折算 根據(jù)動(dòng)力平衡和傳動(dòng)關(guān)系有 因?yàn)?系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 設(shè)輸入量為軸I的轉(zhuǎn)角i，輸出量為工作臺(tái)的線位移xo，而o為工作臺(tái)位移折算到I軸上的等效當(dāng)量轉(zhuǎn)角，負(fù)載為零，則可以得到數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 4系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第二節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性一、機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的要求 1、高精度2、快速響應(yīng)3、良好的穩(wěn)定性 影響機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)性能的因素一般有以下幾個(gè)：(1)負(fù)載的變化 負(fù)載包括工作負(fù)載、摩擦負(fù)載等。要合理選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)鏈，使之與負(fù)載變化相匹配。(2)傳動(dòng)鏈慣性 慣性既影響傳動(dòng)鏈的啟停特性，又影響控制系統(tǒng)的快速性、定位精度和速度偏差的大小。(3)傳

22、動(dòng)鏈固有頻率 固有頻率影響系統(tǒng)諧振和傳動(dòng)精度。(4)間隙、摩擦、潤(rùn)滑和溫升 它們影響傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。第二節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性一、機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的二、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 摩擦小 阻尼合理 剛度大 抗振動(dòng)性能好 間隙小 1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)使機(jī)械負(fù)載增大、系統(tǒng)響應(yīng)性能變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振。同時(shí)，使電氣驅(qū)動(dòng)部件諧振頻率降低，阻尼增大。2摩擦 兩物體接觸面間的摩擦力在應(yīng)用上可簡(jiǎn)化為粘性摩擦力、庫(kù)侖摩擦力與靜摩擦力三類(lèi)，方向均與運(yùn)動(dòng)方向(或由運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向)相反。粘性摩擦力大小與兩物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比；庫(kù)侖摩擦力是接觸面對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的阻力，大小為一常數(shù)

23、；靜摩擦力是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)但仍處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)摩擦面間的摩擦力，其最大值發(fā)生在相對(duì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前的一瞬間，運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后靜摩擦力即消失。二、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件的摩擦特性的要求為：靜摩擦力盡可能小。動(dòng)摩擦力應(yīng)為盡可能小的正斜率，反之若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行、降低精度、減少壽命。3阻尼 在實(shí)際應(yīng)用中一般將摩擦阻尼簡(jiǎn)化為粘性摩擦的線性阻尼。 阻尼越大，最大振幅越小，衰減越快。但定位精度降低，易產(chǎn)生爬行；穩(wěn)態(tài)誤差大，精度降低。 實(shí)際應(yīng)用中一般取0.40.8的欠阻尼，既能保證振蕩在 一定的范圍內(nèi)過(guò)渡過(guò)程較平穩(wěn)、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較短，又具有較高的靈敏度。 4. 剛度 剛度大，失動(dòng)量小。提高剛

24、度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所謂失剛度指由零部件變形引起的誤差。 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件的摩擦特性的要求為：5諧振頻率 設(shè)計(jì)時(shí)使外界的激振頻率避開(kāi)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，以免系統(tǒng)產(chǎn)生諧振而不能正常工作。為減少機(jī)械傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)矩反饋對(duì)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響，機(jī)械部件的諧振頻率必須大于電氣驅(qū)動(dòng)部件的諧振頻率。6間隙 間隙將使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中間隙產(chǎn)生回程誤差，影響伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性。 間隙的主要形式有齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙、絲杠螺母的傳動(dòng)間隙、絲杠軸承的軸向間隙、聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)性能，要盡可能避免間隙的出現(xiàn)。當(dāng)間隙出現(xiàn)時(shí)，要采取消隙措施。 5諧振頻率 (1)

25、齒輪傳動(dòng)齒側(cè)間隙的消除 1)剛性消隙法 剛性消隙法是在嚴(yán)格控制輪齒齒厚和齒距誤差的條件下進(jìn)行的，調(diào)整后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償，但能提高傳動(dòng)剛度。 偏心軸套式消隙機(jī)構(gòu)如圖2-18所示。電動(dòng)機(jī)1通過(guò)偏心軸套2裝在箱體上。轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸套可調(diào)整兩齒輪中心距，消除齒側(cè)間隙。 圖2-18 偏心軸套式消隙機(jī)構(gòu)1-電動(dòng)機(jī) 2-偏心軸套 (1)齒輪傳動(dòng)齒側(cè)間隙的消除圖2-18 偏心軸套式消隙機(jī)構(gòu) 錐齒輪消除間隙的結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。將齒輪1、2的分度圓柱改為帶錐度的圓錐面，使齒輪的齒厚在軸向產(chǎn)生變化。裝配時(shí)通過(guò)改變墊片3的厚度，來(lái)改變兩齒輪的軸向相對(duì)位置，以消除側(cè)隙。 圖2-19 錐度齒輪消隙機(jī)構(gòu)1、2-齒輪 3

26、-墊片 圖2-20 斜齒圓柱齒輪消隙機(jī)構(gòu)1、2-窄斜齒圓柱齒輪 3-墊片 4-寬齒輪 錐齒輪消除間隙的結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。將齒輪12)柔性消隙法 指調(diào)整后齒側(cè)間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償。采用這種消隙方法時(shí)，對(duì)齒輪齒厚和齒距的精度要求可適當(dāng)降低，但對(duì)影響傳動(dòng)平穩(wěn)性有負(fù)面影響，且傳動(dòng)剛度低，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。 圖2-21 雙齒輪錯(cuò)齒式消隙機(jī)構(gòu) 1、2-薄片齒輪 3、4-凸耳 5-調(diào)節(jié)螺釘 6、7-螺母 8-彈簧 2)柔性消隙法 指調(diào)整后齒側(cè)間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償。采用這種消隙圖2-22 碟形彈簧消隙機(jī)構(gòu)1、2-薄片斜齒圓柱齒輪 3-碟形彈簧 4-墊片 5-螺母 6-寬齒輪 圖2-22 碟形彈簧消隙機(jī)構(gòu)圖2-23 壓

27、力彈簧消隙機(jī)構(gòu) 1-錐齒輪外圈 2-錐齒輪內(nèi)圈 3-錐齒輪 4-凸爪 5-螺釘 6-彈簧 7-鑲塊 8-圓弧槽 圖2-23 壓力彈簧消隙機(jī)構(gòu)圖2-24 雙斜齒圓柱齒輪消隙機(jī)構(gòu)1、3-從動(dòng)斜齒圓柱齒輪軸 2-主動(dòng)斜齒圓柱齒輪軸 4、5-直齒圓柱齒輪 圖2-24 雙斜齒圓柱齒輪消隙機(jī)構(gòu)(2)絲杠螺母間隙的調(diào)整 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)的軸向間隙的調(diào)整既要考慮軸向間隙（絲杠靜止時(shí)螺母沿軸向的位移量）又要考慮滾珠與滾道的接觸彈性變形。絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)的調(diào)隙一般采用雙螺母結(jié)構(gòu)。 圖2-25 墊片式調(diào)隙機(jī)構(gòu) (2)絲杠螺母間隙的調(diào)整 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)的軸向間隙的調(diào)整圖2-26 螺紋式調(diào)隙機(jī)構(gòu) 圖2-26 螺紋式調(diào)

28、隙機(jī)構(gòu) 圖2-27齒差式調(diào)隙機(jī)構(gòu) 圖2-27齒差式調(diào)隙機(jī)構(gòu) 提高傳動(dòng)精度的結(jié)構(gòu)措施有：(1)適當(dāng)提高零部件本身的精度；(2)合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈，減少零部件制造、裝配誤差對(duì)傳動(dòng)精度的影響；(3)采用消隙機(jī)構(gòu)，以減少或消除空程。合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈方法(1)合理選擇傳動(dòng)型式；(2)合理確定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比；(3)合理布置傳動(dòng)鏈。 第三節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)裝置提高傳動(dòng)精度的結(jié)構(gòu)措施有：第三節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)裝置 在傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)中，各種不同型式的傳動(dòng)，達(dá)到的精度是不同的。一般說(shuō)來(lái)，圓柱直齒輪與斜齒輪機(jī)構(gòu)的精度高，蝸桿、蝸輪機(jī)構(gòu)次之，圓錐齒輪則更次之。在行星齒輪機(jī)構(gòu)中，諧波齒輪精度最高，漸開(kāi)線行星齒輪機(jī)構(gòu)、少齒差行星齒輪機(jī)

29、構(gòu)次之，擺線針輪行星齒輪機(jī)構(gòu)更次之。 減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)，就可減少零件數(shù)量，也就減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。對(duì)減速傳動(dòng)鏈，各級(jí)傳動(dòng)比宜從高速級(jí)開(kāi)始，逐級(jí)遞增，且在結(jié)構(gòu)空間允許的前提下，盡量提高末級(jí)傳動(dòng)比。一般來(lái)說(shuō)，減速傳動(dòng)采用大的傳動(dòng)比，可使從動(dòng)輪半徑增大，從而提高了角值精度。 在傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)中，各種不同型式的傳動(dòng)，達(dá)到的精一、齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用最多的機(jī)械傳動(dòng)裝置，主要原因是齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)，傳動(dòng)精確，且強(qiáng)度大、能承受重載、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦力小、效率高。1齒輪傳動(dòng)總傳動(dòng)比的選擇 用于伺服系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)一般是減速系統(tǒng)，其輸入是高速、小轉(zhuǎn)矩，輸出是低速、大轉(zhuǎn)矩。要求齒輪系統(tǒng)不但有足夠的強(qiáng)度，還要有盡可能小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在同樣的驅(qū)動(dòng)功率下，其加速度響應(yīng)為最大。為此，通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動(dòng)比，以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。一、齒輪傳動(dòng)2齒輪傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配 減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)，就可減少零件數(shù)量，也就減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。因此，傳動(dòng)鏈級(jí)數(shù)應(yīng)盡量減少。雖然周轉(zhuǎn)輪系可以滿足總傳動(dòng)比的要求，且結(jié)構(gòu)緊湊，但由于效率等原因，常用多級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)副串聯(lián)組成齒輪系。齒輪副級(jí)數(shù)的確定和各級(jí)傳動(dòng)比的分配，按以下三種不同原則進(jìn)行。(1