第5章-机电一体化元部件特性分析-01ppt课件

1、第第5 5章章 机电一体化系统的元、部件的特性分析机电一体化系统的元、部件的特性分析 机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元件系统和机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元件系统和电子信息处置电子信息处置( (控制控制) )系统等子系统构成。各子系统的输入与输出之系统等子系统构成。各子系统的输入与输出之间不一定成比例关系，可具有某种频率特性间不一定成比例关系，可具有某种频率特性( (动态特性或传送函数动态特性或传送函数) )，即输出能够具有与输入完全不同的性质。机械系统普通都具有非线即输出能够具有与输入完全不同的性质。机械系统普通都具有非线性环节，在非线性不能忽略时，只能用微分方

2、程来研讨其特性。性环节，在非线性不能忽略时，只能用微分方程来研讨其特性。 思索各子系统的动态特性和非线性进展电子信息处置系统设计思索各子系统的动态特性和非线性进展电子信息处置系统设计是机电一体化系统设计的一个特点。本章主要引见机电一体化系统是机电一体化系统设计的一个特点。本章主要引见机电一体化系统中的机械系统、传感系统和执行元件系统等几个子系统的根本特性，中的机械系统、传感系统和执行元件系统等几个子系统的根本特性，并从机电一体化系统构成要素的角度阐明其分析方法。并从机电一体化系统构成要素的角度阐明其分析方法。 本章主要内容n机械系统特性机械系统特性n传感器的特性分析传感器的特性分析n执行元件的

3、特性分析执行元件的特性分析n执行元件与机械构造结合中的假设干问题执行元件与机械构造结合中的假设干问题 5.1 机械系统特性 机械系统是由轴、轴承、丝杠及机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械零件构成的，其功能是连杆等机械零件构成的，其功能是将一种机械量变换成与目的要求对将一种机械量变换成与目的要求对应的另一种机械量。例如，有的连应的另一种机械量。例如，有的连杆机构就是将回转运动变换为直线杆机构就是将回转运动变换为直线运动。运动。 机械系统在传送运动的同时还将进机械系统在传送运动的同时还将进展力展力(或转矩或转矩)的传送。因此，机械系的传送。因此，机械系统的各构成零部件必需具有接受其统的各构成零

4、部件必需具有接受其所受力所受力(或转矩或转矩)的足够强度和刚度的的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的呼应就慢。量就大，系统的呼应就慢。 机械总体的动态特性，以传送函数方式可表示为 假设运动变换是非线性变换，就不能用上述传送函数表示，只能用微分方程表示： 机构经过这样的线性或非线性变换就可以产生各种各样的运动。在选择执行元件和给定运动指令时，一定要思索伴随这些运动的动态特性。 511 变换机构及其运动变换分析变换机构变换机构线性变换机构线性变换机构非线性变换机构非线性变换机构谐波齿轮传动 当刚性轮固定时，其传动比为 优点：单级传动比大且范围

5、宽；同时啮合优点：单级传动比大且范围宽；同时啮合的齿数多，承载才干高；传动平稳，传动的齿数多，承载才干高；传动平稳，传动精度高，磨损小；在大传动比下，仍有较精度高，磨损小；在大传动比下，仍有较高的传动效率；零件数少，分量轻，构造高的传动效率；零件数少，分量轻，构造紧凑；具有经过密封壁传送运动的才干等紧凑；具有经过密封壁传送运动的才干等。缺陷：起动力矩较大，且速比越小越严重；缺陷：起动力矩较大，且速比越小越严重；柔轮易发生疲劳破坏；安装发热较大等。柔轮易发生疲劳破坏；安装发热较大等。 差动齿轮传动差动齿轮传动运动变换关系：挠带传动机构挠带传动机构挠带传动机构挠带传动机构同步带传动同步带传动优点：

6、优点：能缓和载荷冲击能缓和载荷冲击运转平稳、低噪音运转平稳、低噪音制造和安装精度不像啮合传动严厉制造和安装精度不像啮合传动严厉过载维护过载维护中心距大中心距大缺陷：缺陷：有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能坚持准确的传动比有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能坚持准确的传动比传送同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上压力比啮合传动大传送同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上压力比啮合传动大带的寿命低带的寿命低链条传动链条传动优点：优点：没有滑动没有滑动一样工况，构造紧凑一样工况，构造紧凑轴上载荷较小轴上载荷较小效率高效率高能在温度较高、湿度较大的环境下运用能在温度较高、湿度较大的环境下运用缺陷：缺陷：瞬时速度不

7、均匀，高速运转时不如皮带传动平稳瞬时速度不均匀，高速运转时不如皮带传动平稳不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中运用不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中运用绳轮传动绳轮传动 绳轮传动的回转轴方向可自在改动，绳与轮之间是摩擦传动，假设有滑动，就会影响传动精度，为防止打滑，可将绳的一端固定在轮子上，但这会限制轮子的回转角度。 绳子可在恣意方自上弯曲，具有很大的柔性，故常在机器中作为回转运动机构运用。 间歇机构间歇机构间歇机构是非线性机构，常用作机电一体化系统的辅助机构，其变换关系比较复杂，普通表示为 机器人机构机器人机构 机器人机构的腕部和手部大都采用构造较为紧凑而集中的机构，腕部机构多采用不同轴线

8、的转动关节、或用球关节球面运动副或用锥齿轮组成的周转轮系等。普通自在度为1 3，详细值那么根据需求而定。 为了便于手爪在空间能得到恣意要求的姿态，在通用的空间机器人机构中，其腕部至少应有三个自在度。 连连杆杆机机构构凸轮机构凸轮机构 连杆机构与凸轮机构的特点是刚性好，运动速度高，但其运动关系不能改动，适用于不需求经常改动运动关系的场所。 假设运动变换关系需求经常改动时，可采用可以控制其变换关系的多自在度系统，但多自在度系统的机构构成要素多，刚性差，易产生振动。 思索上述问题的软件设计问题是机电一体化设计中的一个重要课题。 512机构静力学特性机构静力学特性 机构静力学所研讨的问题是：机构输出端

9、所受负载(力或转矩)向输入端的换算；机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响；求由上述各种力或重力加速度引起的机构内部各连杆、轴承等的受力。 (1)负载力负载力(或转矩或转矩)向输入端的换算向输入端的换算 采用虚功原理采用虚功原理 在机构学中，将dy=dx=0形状称为变点(方案点)。 在dydx= 附近，用很小的输入力就可得到很大的输出力，图57c所示的倍力机构就是其中一例。 将dydx=0时的形状称为死点这种形状不论输入多大力(或转矩)也不会产生输出力(或转矩)。 多输入输出系统多输入输出系统(2)机构内部摩擦力的影响机构内部摩擦力的影响 1)线性变换机构 2)非线性变换机构非线性变换机构

10、普通来讲，由于摩擦的存在，非线性变换机构的变换关系不是一定的。固体摩擦的力学计算不但费事，而且会使机电一体化系统的整体特性变差，因此要尽能够减少摩擦阻力。 513机构动力学特性机构动力学特性 (1)平面运动机构要素的动态力及动态转矩平面运动机构要素的动态力及动态转矩 2)空间运动机构要素的动态力及动态转矩3Lagrange公式与动态力或转矩向输入端的换算公式与动态力或转矩向输入端的换算)3.3 , 2 , 1( snkQqKqKdtdkkkUKL)3.3 , 2 , 1(0snkqLqLdtdkkkqU-kQ 设机构要素重心位置矢量为r，绕重心的回转角速度为，J为绕其重心的转动惯量矩阵，那么该要素所具有的动能为：TggrmU)8 . 0 , 0 , 0(),( 那么重力势能为：那么单输入单输出系统，输入角位移：驱动力：diT1111UKKdtdTdi 由运动关系：11111)(,)/(),(EddrrrrgJJJTdi)()()(132112111 行星齿轮机构为线性变换机构行星齿轮机构