机电一体化机械系统设计理论第二章

机电一体化机械系统设计理论第一节概述机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。一、机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。1、高精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电—体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电—体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。2、快速响应机电一体化系统的快速响应即是要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。这样系统才能精确地完成预定的任务要求，且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。3、良好的稳定性机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强。为确保机械系统的上述特性，在设计中通常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率和适当的阻尼比等要求。此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和寿命长等特点。二、机械系统的组成概括地讲，机电一体化机械系统应主要包括如下三大部分机构。1、传动机构欺机电凭一体超化机律械系仙统中幕的传睛动机召构不鞠仅仅芝是转灰速和燃转矩捕的变茫换器般，而捕是已疗成为形伺服篇系统擦的一捞部分独，它赌要根撇据伺台服控坦制的始要求丑进行粪选择劣设计叨，以蚀满足糕整个亩机械阀系统巧良好唐的伺家服性尚能。今因此拥传动盛机构贫除了兰要满估足传百动精讨度的壳要求昂，而库且还门要满延足小惨型、蔬轻量盒、高灵速、城低噪沿声和向高可拾靠性殿的要迅求。输2布、辰导向懂机构拼庸导向姓机构尖的敌作用芳是支捕承和江导向符，为休机械蝴系统质中各霸运动蛇装置本能安城全、丙准确金地完曲成其史特定杰方向厌的运盟动提灵供保顷障，也一般厨指导晴轨、层轴承某等。泡3存、悉执行弓机构扣竭执行程机构灾是用奥以完混成操岂作任豪务衬的扶直接燕装置薄。执蝴行机株构根绑据操扭作指终令的扰要求肥在动梯力源刃的带赖动下父，完受成预匹定的科操作挤。一钩般要判求它辉具有浩较高庸的灵分敏度权、精逗确度冈，良箩好的泼重复发性和樱可靠颠性。丸由于昂计算抵机的凡强大轨功能督，使约传统浅的作垒为动报力源加的电凑动机铜发展孕为具蓬有动额力、旋变速眼与执辣行等梳多重巩功能缩的伺联服电测动机燃，从民而大阔大地雁简化德了传棋动和悄执行拦机构寺。粱除以绞上三饮部分翻外，香机电亩一体爹化系讯统的依机械隆部分榜通常卵还包终括机树座、躁支架扇、壳霜体等龟。灭三、肌机械丈系统畏的设常计思磨想三机电惯一体忽化的屯机械切系统殊设计司主要埋包括竟两个娱环节辅：静构态设虎计和侧动态挺设计琴。真1、猴静态剖设计蕉涝静态砍设计隶是指随依据疮系统厘的功性能要革求，狮通过该研究坏制定配出机交械系湿统的窑初步雕设计回方案朵。呆该方黎案只源是一全个初斗步的供轮廓辆，包尺括系耽统主颗要零丑、部也件的村种类辱，各筒部件余之间柱的联训接方环式，榜系统闭的控暗制方滴式，锹所需豪能源厕方式想等。播有了疯初步茄设计苍方案垄后，幻开始蹦着手连按技支术要记求设叹计系鞭统的胞各组焰成部奏件的弦结构渔、运西动关停系及蛇参数沸；零喜件的欲材料水、结宗构、亡制造帽精度清确定埋；执将行元唇件（蕉如电骡机）恒的参对数、胞功率铃及过食载能筐力的欣验算报；相生关元舱、部具件的柜选择搭；系久统的胶阻尼衡配置木等。款以上沉称为矩稳态罩设计超。稳刊态设犬计保谱证了康系统伏的静挠态特扮性要坡求。戚2、宣动态歉设计劳拒动态彻设计困是研胃究系淋统在重频率切域的届特性致，是仰借助若静态生设计峡的系寺统结婶构，抓通过绣建立缴系统妇组成请各环挤节的屿数学残模型扇和推法导出畏系统耕整体创的传品递函厨数，资利用狡自动大控制妇理论薯的方段法求终得该衣系统裁的频充率特释性（驰幅频堂特性忙和相被频特粘性）惧。系范统的拜频率咽特性槐体现飘了系友统对闷不同右频率关信号骑的反描应，烫决定奖了系难统的携稳定脂性、即最大叔工作嚼频率就和抗束干扰茫能力员。贵静态陕设计弊是忽渐略了顷系统谅自身涝运动伯因素卵和干符扰因慨素的奇影响开状态学下进哲行的恳产品贪设计瞒，对葛于伺娇服精近度和变响应因速度见要求摄不高伪的机盾电一侮体化补系统籍，静滔态设台计就即能够斯满足污设计借要求姿。对桥于精浅密和室高速袭智能衣化机熊电一筹体化渣系统松，环帖境干伍扰和岸系统炮自身切的结蹄构及题运动急因素愚对系案统产仍生的政影响抬会很宿大，坛因此些必须挠通过折调节蚊各个屑环节捷的相贪关参捆数，歉改变好系统房的动膜态特减性以甘保证夹系统尺的功讲能要虾求。决动态榜分析移与设缘计过盗程往抄往会侵改变雁前期燃的部优分设婶计方娃案，偏有时亏甚至茅会推卵翻整堤个方担案，于要求东重新纸进行迹静态疗设计鄙。想第二杨节中机龙械传惰动设扯计的处原则绿一、早机电暮一体既化系商统对晶机械峡传动阴的要浴求斧惩弓机械如传动纵是一腰种把绘动力但机产奋生的野运动受和动可力传冠递给煎执行殿机构食的中奋间装鸽置，凝是一仅种扭蓬矩和禽转速绪的变崇换器珍，其到目的罩是慢在刺动力行机与榴负载假之间对使礼扭矩傲得到温合理隙的匹日配，盒并可并通过状机构瞒变换宿实现揪对输币出的缓速度妇调节草。嫌在机狐电一员体化缩系统雷中，凶伺服手电动衬机的炊伺服拼变速标功能院在很舞大程般度上视代替哈了传锦统机渠械传病动中激的变冤速机谈构，沟只有脱当伺调服电膨机的月转速开范围领满足脱不了陆系统勾要求榴时，河才通饼过传弟动装肢置变雾速。顾由于屡机电座一体他化系嫁统对来快速龄响应秤指标缸要求节很高恋，因色此机稀电一晋体化拾系统偏中的僚机械录传动预装置衰不仅筛仅是砖解决腿伺服娱电机狮与负纷载间接的力招矩匹向配问怪题。梅而更六重要悄的是营为了拦提高田系统匙的伺柴服性白能。德为了罗提高响机械城系统寨的伺梳服性医能，气要求糟机械爬传动电部件艇转动抚惯量杰小、介摩擦统小、磁阻尼魄合理卧、刚基度大霸、抗纤振性杨好、令间隙鲜小，久并满若足小治型、缘轻量盐、高腊速、帽低噪情声和留高可弓靠性捧等要迫求。史二、亩总传狗动比铺的确亲定券根据马上面脆所述此，机隐电一建体化量系统政的传仁动装也置在养满足欧伺服踪电机刃与负愉载的受力矩蹲匹配向的同复时，驴应具氧有较怕高的啊响应锁速度止，跌即殃启动呀和制庄动速因度。维因此煎，在虾伺服斜系统永中，士通常缴采用驱负载抱角加塘速度柴最大帜原则骂选择愈总传碎动比滩，以蹈提高编伺服麦系统浮的响刷应速励度。橡传动劣模型熊如图狡2-井1所租示革。允图中雹兴J受m稼——界电动饮机M星转子忆的转诸动惯抛量呢——闷电动密机M扒的角弟位移在J搭L仪——仿负载晃L的奉转动伐惯量图2-1电机、传动装置和负载的传动模型庆腿长父T巷LF鹿——训摩擦渔阻转使矩图2-1电机、传动装置和负载的传动模型偿i勒——垮齿轮烤系G鱼的总么传动桥比颠馆砌根据畏传动堤关系衰有跟群痛（眠2队-狡1据）岭忆辅式中锯衡吗、构、独一一剪电动会机的猎角位掉移、洒角速荡度、驳角加搞速度犬；门、缠、涨——嚼负载标的角弟位移梢、角轿速度临、角颗加速席度。斜扮壁T拨LF伏换算迫到电伍动机酿轴上洁的阻仅抗转勉矩为血T疫L限F贤/醒i；痒J摔L蛇换算虎到电捏动机营轴上比的转笛动惯握量为暗J枯L摆/盐i直2杏。臣设T成m照为电势动机榨的驱巨动荷转矩修，在候忽略词传动钓装置伪惯量陡的前靠提下弹，根对据旋熄转运虚动方脱程，帆电动示机轴垮上的藏合转演矩T公a夸为昆则慈耗心隔株嘉撕暑览疯县懒旱咽隔乒傅道纲（2絮-2刊）妄上式床中撒改变剑总传傅动比榜i田，盲则律也随胜之改慰变。策根据毫负载挣角加笛速度归最大梯的原酒则，喘令字，则俯解得融：稳咽哲若不牵计摩拒擦，扩即予T差LF役＝0皇则狠挠沙俗悬狮浑美卷回很之资著歇跃（2装-涂3）幅上式稀表明贴，传昌动装祖置总匙传动捏比i受的最殖佳值袍就是篮J条L赠换算枝到电史动机胶轴上照的转致动惯教量正费好等石于电震动搜机惰转子给的转焦动惯祸量J羞m窑，此客时，昆电动纸机的滨输出政转矩唱一半胸用于蛛加速劣负载伐，锅—艘半用贞于加积速电咳动机首转子粒，达袜到了具惯性辈负载占和转樱矩的引最佳坚匹配鲜。广当然较，上放述分烈析是姐忽略近了传表动装禾置的激惯量晋影响乓而得武到的臣结论瞒，实沃际总丛传动芝比要鹿依据熔传动劲装置皆的惯廉量估谜算适闻当选门择大岂一点靠。在虎传动级装置犹设计凤完以右后，季在动谋态设著计时林，通脆常将残传动凭装置神的转众动惯谷量归统算为托负载怜折算去到电悦机轴铜上，勒并与交实际絮负载晒一同团考虑抵进行泪电机虚响应膊速度犬验算队。胜三、寇传动构链的蹄级数逝和各诱级传石动比醉的分浩配棚尺张机电鹊一体弟化传占动系休统中塑，为尤既亩满足诱总传赖动比告要求雁，又浪使结故构紧没凑，纽常采走用多役级齿伸轮副健或戏蜗轮鞋蜗杆刑等除其它兴传动榆机构具组成筒传动锡链。任下面巩以齿该轮传衔动链梦为例贝，介台绍级忧数和竖各级暮传动计比的徒分配庸原则乏，这派些原述则对疼其它缺形式楚的传蛛动链谅也有钓指导腾意义忆。带渔胜1、藏等效硬转动驰惯量超最小浆原则似瘦气齿轮恶系传痛递的赞功率乱不同烧，其喷传动士比的测分配犯也有学所不惑同。相（1棕）小唤功率积传动体装置茧电动吨机驱刚动的创二级向齿轮服传动带系统丢如图疯2-或2所仁示.丹。由妇于功米率小套，假脉定各点主动魂轮具习有相售同的巨转动纯惯量舒J胖1主；轴不与轴渐承转革动惯荐量不皆计；杰各齿撇轮均趣为实际心圆姜柱亿齿轮修，且舱齿宽溉b和早材料益均相伶同；余效率民不计悬。仿则短有救（顿2芝-高4美）繁式中乔鞠i场1箩、i克2蝶——怀齿轮阵系中国第一隆、第蓝二级意齿轮半副的卧传动定比；参雪煮利i腥——叼齿轮叙系总摊传动逝比，明鲜i禁=昆i蠢1初i增2魔。督络同理风，对裤于n梦级齿政轮系拦图2-2电动机驱动的两级齿轮传动位（2差-蜘5）图2-2电动机驱动的两级齿轮传动粘录尼普仰（2弓-衣6）猜由此更可见窗,各鸽级传主动比梨分配慨的结陕果应数遵循追“伪前小怨后大惜”桌的原私则。彻例忙2-天1悔饿设i奇=8只0，液传动渔级数迅n暮=掩4的斥小功星率传供动，胀试按撤等效犬转动好惯量宴最小弓原则瞧分配沟传动贪比。奸解要析下含袄释岩验算烧I芦=i恨1绩i印2裤i歇3胶i带4区≈排80阅以上滩是已考知传揉动级邻数进径行各限级传州动比垒的确讨定。垂若以忠传动蛋级数茂为参治变量挽，齿分轮系家中折个算到炎电动铺机轴抵上的涛等效滨转动抽惯量判J杆e未与第辉一级旬主动算齿轮敌的转专动惯敲量J对1农之比偏为J包e呢/J本1晌，其俩变化唐与总具传动潜比i阅的关狮系如址图2泳-基3所至示。负图2棚-3落小吓功率方传动辅装置允确定阳传动菜级数拢曲线匙正图抱2-芽4避大功奋率传煎动装遵置确帮定传午动级驰数曲钻线缘症（钱2）称大功街率传呆动装诸置交烫绸大功奥率传舰动装黑置传脾递的挤扭矩洪大，泊各级加齿轮版副的房模数翠、齿胳宽、剖直径型等参铲数逐耍级增蹄加，胃各级禾齿轮蠢的转重动惯疼量差影别很弟大。敬确定坏大功在率传啄动装忧置的尚传动笋级数敞及各宣级传驼动比墓可依执据图赞2偏-捞4、坦图2劳-秋5、坚图2炒-局6来中进行洪。传轰动比扒分配理的基归本原声则仍颠应为阴“阳前小继后大婆”辜。袄尸辩奸骗例嘉2-悲2肃泳设有独i=淡25白6的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