[工学]机电一体化系统设计.ppt

机电一体化系统设计 机械工程及自动化专业 1概述 机电一体化技术机电一体化促进制造业的现代化机械化机械力 人力机械自动化 电气自动化 机电一体化 机械 微电子 软件 电脑 人脑 繁琐 重复性 无创造性的 药厂自动生产线柔性自动装配线 数控铣床加工中心柔性制造系统 一 机电一体化技术 1 机电一体化技术涵义2 机电一体化相关技术3 机电一体化系统构成 1 机电一体化技术涵义 机电一体化Mechatronics mechanislectronics 机电一体化三要素 机械系统 机构 是基础微电子 微处理器CPU 是核心软件是系统控制中心机电一体化的特征 有机械机构 有CPU 有软件 有微机 单片机 PLC等 系统的五个子系统及其功能 1计算机 微机 控制功能2执行元件操作功能3机构构造功能4传感器检测功能5动力源动力功能 2 机电一体化相关技术 机械技术 微电子技术 信息技术 控制技术 传感器技术 驱动技术 计算机技术 软件技术等多种学科的技术融合在一起 紧密结合在一起 3 机电一体化系统构成 机械系统微电子处理系统传感检测系统执行元件系统动力源 二 机电一体化促进制造业的现代化 柔性制造系统计算机集成制造系统 SIMS 平行工程虚拟设计 制造敏捷制造网络合作设计制造 在制造业向全球化 网络化 集成化和智能化 加工中心刀具库 夹具库机器人自动小车立体仓库 原料库 成品库 软性制造系统 又称计算机综合制造系统 在这个系统中 集成化的全局效应更为明显 在产品生命周期中 各项作业都已有了其相应的计算机辅助系统 如 1 计算机辅助设计 CAD 2 计算机辅助制造 CAM 3 计算机辅助工艺规划 CAPP 4 计算机辅助测试 CAT 5 计算机辅助质量控制 CAQ 计算机集成制造系统就是将技术上的各个单项信息处理和制造企业管理信息系统 如MRP 等 集成在一起 将产品生命周期中所有的有关功能 包括设计 制造 管理 市场等的信息处理全部予以集成 其关键是建立统一的全局产品数据模型和数据管理及共享的机制 以保证正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到所需的地方 计算机集成制造系统 ComputerIntegratedMakingSystem 简称CIMS 1 先进制造技术先进制造技术 AMT AdvancedManufacturingTechnology 先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械 电子 信息 材料 能源和现代管理等方面的成果 并将其综合应用于产品设计 制造 检测 管理 销售 使用 服务的制造全过程 以实现优质 高效 低耗 清洁 灵活的生产 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称 2 敏捷制造 AM AgileManufacturing 敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础 选择合作者组成虚拟公司 分工合作 为同一目标共同努力来增强整体竞争能力 对用户需求作出快速反应 以满足用户的需要 3 虚拟制造 VM VirtualManufacturing 虚拟制造利用信息技术 仿真技术 计算机技术对现实制造活动中的人 物 信息及制造过程进行全面的仿真 以发现制造中可能出现的问题 在产品实际生产前就采取预防措施 从而达到产品一次性制造成功 来达到降低成本 缩短产品开发周期 增强产品竞争力的目的 4 并行工程 CE ConcurrentEngineering 并行工程是集成地 并行地设计产品及其相关过程 包括制造过程和支持过程 的系统方法 它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素 包括质量 成本 进度计划和用户要求 并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件 虚拟制造技术将是以并行工程为基础的 并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术 平行工程 计划开发设计制造包装销售 设计 工艺 制造 销售 服务 开发产品指令 产品 计算机集成制造系统的进一步发展方向是支持 并行工程 即力图使那些为产品生命周期各阶段服务的专家尽早地并行工作 从而使全局优化并缩短产品开发周期 1 以 数字化 为发展核心信息精确 信息安全 信息容量大 包含了三大部分 以设计为中心的数字制造 以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造 2 以 精密化 将成为发展的关键所谓 精密化 一方面是指对产品 零件的精度要求越来越高 精密加工 细微加工 纳米加工等等 3 突出 极端条件 是发展的焦点 极 就是极端条件在高温 高压 高湿 强磁场 强腐蚀等等条件下工作的 或有高硬度 大弹性等等要求的 或形体上极大 极小 极厚 极薄 奇形怪状的 4 以 自动化 技术为发展前提 自动化 从自动控制 自动调节 自动补偿 自动辨识等发展到自学习 自组织 自维护 自修复等更高的自动化水平 5 以 成化集 为发展的方法 集成化 一是技术的集成 二是管理的集成 三是技术与管理的集成 6 以 网络化 为发展道路利用网络 进行产品设计 制造与生产管理等活动 7 智能化 是CIMS未来发展的美好前景一种高度柔性与集成的方式 借助计算机模拟的人类专家的智能活动 进行分析 判断 推理 构思和决策 取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动 8 绿色 是CIMS未来发展的必然趋势 绿色 是从环境保护领域中引用来的 制造业的产品从构思开始 到设计 制造 销售 使用与维修 直到回收 再制造等各阶段 都必须符合环境保护要求 9 CIMS的标准化在制造业向全球化 网络化 集成化和智能化发展过程中 标准化技术已迫在眉睫 数控技术 1数控机床要解决的问题2数控机床NC CNC专用数控箱的数控机床微机平台的数控机床六轴数控加工中心 铣削中心 车削中心 1 两轴联动 加工平面曲线2 三轴联动 加工空间曲线3 六轴以上联动 加工任意曲面 数控设备 除了制造业的数控设备外 1焊接设备2激光切割机 刻字机 3数控雕刻机4数控绕线机5数控鞋楦机 焊接机器人 焊接机器人 焊接机器人 机电一体化系统设计方法 计算机辅助设计并行工程虚拟设计快速响应绿色设计反求设计网络合作设计 机电一体化系统设计步骤 1明确任务2调研3方案拟定 设计 4机械部件设计5电气控制硬件设计6控制软件设计7组织生产 调试8改进设计9整理资料 机电一体化机械系统 特点 要求 1低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件 2缩短传动链 提高传动与支承刚度 3最佳传动比 减少系统等效转动惯量 提高加速性能 4缩小反向死区 5高刚度的支承和架体 系统小型化 高速 高可靠性 2第二章机械系统部件设计 传动部件及其功能要求丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件齿轮传动部件柔性传动部件 2 1传动部件选择与设计 传动机构的作用传递动力 扭矩 传递运动 动作 传递速度 转速 1按摩擦类型分滑动摩擦机构和滚动摩擦机构 滑动丝杠螺母机构结构简单 加工方便 制造成本低 具有自锁功能 但其摩擦阻力矩大 传动效率低 30 40 滚珠丝杠螺母机构结构复杂 制造成本高 但其最大优点是摩擦阻力矩小 传动效率高 92 98 因此在机电一体化系统中得到广泛应用 2 1 2丝杠螺母机构传动机构形式作用 主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动 2 1 2丝杠螺母机构基本传动形式 1 螺母固定 丝杆转动并移动该传动形式因螺母本身起着支承作用 消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动 结构较简单 可获得较高的传动精度 但其轴向尺寸不易太长 刚性较差 因此只适用于行程较小的场2 丝杆转动 螺母移动该传动形式需要限制螺母的转动 故需导向装置 其特点是结构紧凑 丝杆刚性较好 适用于工作行程较大的场合 3 螺母转动 丝杆移动该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动 由于结构较复杂且占用轴向空间较大 故应用较少 4 丝杆固定 螺母转动并移动该传动方式结构简单 紧凑 但在多数情况下 使用极不方便 故很少应用 差动传动方式 2 1 3滚珠丝杠传动部件 1滚珠丝杠副的结构丝杆 螺母 滚珠和反向器 滚珠循环反向装置 特点 摩擦阻力小 传动效率高 轴向刚度高 运动平稳 传动精度高 不易磨损 使用寿命长等优点 不能自锁 具有传动的可逆性 在用作升降传动机构时 需要采取制动措施 2滚珠丝杠副的典型结构类型 1 螺纹滚道截面 法向 的形状 2 滚珠的循环方式内循环和外循环内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触 内循环方式的优点是滚珠循环的回路短 流畅性好 效率高 螺母的径向尺寸也较小 其不足是反向器加工困难 装配调整也不方便 外循环有以下三种形式 1 螺旋槽式2 插管式3 端盖式 螺旋槽插管式端盖式 1 螺旋槽式 这种结构的特点是工艺简单 径向尺寸小 易于制造 但是挡珠器刚性差 易磨损 2 插管式 插管式结构简单 容易制造 但是径向尺寸较大 弯管端部用作挡珠器比较容易磨损 3 端盖式 这种方式结构简单 工艺性好 但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能 故应用较少 3 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 公称直径d0基本导程l0行程l丝杆螺纹全长ls滚珠的工作圈 或列 数和工作滚珠的数量N 4 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 精度等级根据JB T3162 2 1982标准 对滚珠丝杠副的精度分成C D E F G H六个等级 最高精度为C级 最低精度为H级JB T3162 2 1991为1 2 3 4 5 7 10共七个等级 最高级为1级 最低级为10级 滚珠丝杠副精度等级的导程误差 JB T3162 2 1982 导程精度选择检验项目 2 标注方法 5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 1 双螺母螺纹预紧调整式 2 双螺母齿差预紧调整式 3 双螺母垫片调整预紧式 4 弹簧式自动调整预紧式 5 单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式 6 滚珠丝杠副支承方式 1 单推一单推式2 双推一双推式3 双推一简支式4 双推一自由式 1 单推一单推式 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力 其特点是轴向刚度较高 预拉伸安装时 预紧力较大 但轴承寿命比双推一双推式低 2 双推一双推式 两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合 并施加预紧力 其轴向刚度最高 该方式适合于高刚度 高转速 高精度的精密丝杠传动系统 但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大 易造成两端支承的预紧力不对称 3 双推一简支式 一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合 另一端仅安装深沟球轴承 其轴向刚度较低 使用时应注意减少丝杠热变形的影响 双推端可预拉伸安装 预紧力小 轴承寿命较高 适用于中速 传动精度较高的长丝杠传动系统 4 双推一自由式 一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合 另一端悬空呈自由状态 故轴向刚度和承载能力低 多用于轻载 低速的垂直安装的丝杠传动系统 各支承方式特性比较 轴承的组合安装支承制动装置 超越离合器 7 滚珠丝杠副的密封与润滑 防尘密封圈或防护套密封作用 防止灰尘及杂物进入丝杠形式 接触式非接触式润滑作用 提高耐磨性 传动效率 维持传动精度 延长使用 方式 脂润滑油润滑 8 滚珠丝杠副的选择方法 1 结构选择润滑防尘间隙预紧 2 结构尺寸公称直径与强度刚度有关基本导程大承载能力强 移动速度大 小传动精度高螺纹长度长 径比 30 3 选择的步骤1 承载能力2 压杆稳定性 3 刚度验算4 速度计算n丝杠转速v移动速度 2 1 2齿轮减速器 作用 扭矩 转速和转向的变换1齿轮传动形式2最佳传动比的确定 令 得i最大值 1 重量最轻原则 等齿宽等模数 其他 2 输出轴转角误差最小原则四级为例 最末级i4取大些 最后一个齿轮的精度取高些 3 转动惯量最小原则等效惯量 因为 所以得 因此 得 同样方法得 等齿宽等模数 其他 实际 先小后大 原则的运用 1 对于要求体积小重量轻的齿轮传动系统 可用重量最轻原则 2 要求运动平稳 起停频繁和动态特性好的齿轮传动系统 可用最小等效转动惯量和总转角误差最小原则 3 对于要求传动精度高的齿轮传动系统 可用输出轴转角误差最小原则 4 要求降低振动和噪音的齿轮传动系统的各级传动比采用不可约的比数 5 大传动比系统可采用行星轮系或谐波齿轮传动 3谐波齿轮传动1 工作原理 谐波齿轮结构 谐波齿轮减速器 2 传动比得 1 2 3 谐波齿轮的选型标注 实例1 i 80 电机n 1500 P 450w选XB100选n 3000rpm的电机选XB80必须通过用转矩计算 传递的功率与转速有关 扭矩计算实例 4 轮系传动 4 齿轮间隙调整 圆柱齿轮 偏心套法 轴向垫片法 双片薄齿轮错齿法 斜齿轮 同步带传动 钢带传动 钢丝传动 小结 传动部件 丝杠螺母传动部件1滑动摩擦 滚动摩擦 2四种传动结构形式3滚珠丝杠传动设计 1 滚珠丝杠副的结构 2 滚珠丝杠副的典型结构类型 3 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 4 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 6 滚珠丝杠副支承方式 7 滚珠丝杠副的密封与润滑 8 滚珠丝杠副的选择方法 结构选择 结构尺寸 设计计算 承载能力杆稳定性刚度验算 齿轮传动部件1齿轮传动部件作用2齿轮传动形式 最佳传动比的确定 3确定各级传动比 重量最轻原则 输出轴转角误差最小原则 转动惯量最小原则 原则的运用方法 五点 4谐波齿轮传动传动比5齿轮间隙调整柔性传递 4 齿轮间隙调整 圆柱齿轮 偏心套法 2 2导向支承部件的选择与设计 导向支承部件的作用 1 支承 2 限制运动部件按给定的运动要求 3 和规定的运动方向运动 1 导轨副的种类直线导轨副运动方向为直线回转运动导轨副运动方向为回转 导轨形式 按摩擦类型分类型 1 滑动导轨 2 滚动导轨 3 流体介质摩擦导轨 按其结构特点可分为 开式 借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触 导轨闭式 只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触 导轨 2 2 1导轨的基本要求 1导向精度 1 导轨垂直面直线度 2 导轨水平面直线度 3 导轨扭曲度2刚度 要满足精度要求 3精度保持性 满足寿命要求 4运动平稳 动态要求 5温度 的影响要满足环境温度变化要求 6结构工艺性 满足六点定位原理及制造装配要求 2 2 2滑动导轨副的结构及其选择 1导轨副的截面形状及其特点2轨道副的组合形式3轨副间隙的调整4导轨副材料的选择5提高导轨副耐磨性的措施 1 导轨副的截面形状及其特点 三角形导向精度高 磨损后自动补偿 导轨的水平与铅垂误差互相影响 用于对水平精度要求高 需要自动补偿的场合 矩形结构简单 承载大 刚度高 水平与铅垂方向误差互相不影响 磨损不能自动补偿 摩擦力和接触变形比三角导轨小 用于载荷大时燕尾形结构紧凑 可承受颠覆力矩 磨损后不能自动补偿 需调整 刚度差 摩擦力大 制造维修不方便 用于运动速度不高 受力不大 高度受限制的场合 圆形制造方便 磨损后 不能补偿 场合 2导轨副的组合形式 1 双三角形导轨 2 矩形和矩形组合导轨 3 三角形和矩形组合导轨 4 三角形和平面导轨组合导轨 5 燕尾形导轨及其组合 1 双三角形导轨 特点 导向性好 精度保持性好 磨损能自动补偿 接触刚度好 缺陷 工艺性差 导轨的四个表面难以完全接触 应用场合 高精度机床 2 矩形和矩形组合导轨 特点 承载面和导向面分开 刚性好 工艺性好 调整和制造简单应用场合 能承受较大的载荷和颠覆力矩 3 三角形和矩形组合导轨 特点 兼有导向性和刚性 制造方便缺陷 磨损不均匀 对位置精度有影响应用场合 能承受颠覆力矩 4 三角形和平面导轨组合导轨 特点 兼有导向性和刚性 结构简单制造方便 缺陷 不能承受颠覆力矩应用场合 只有铅垂方向 向下 力 5 燕尾形导轨及其组合 特点 结构紧凑高度小 摩擦力大 制造不便缺陷 结构复杂 工艺性差应用场合 运动速度不高 受力不大 高度受限制的场合 3 导轨副间隙的调整 导轨不同的截面的调整方法 三角形 上滑面自动修正 下滑面压板或调整垫片 矩形 分别调整水平和铅垂方向的间隙 修刮压板或调整垫片厚度 调整螺钉 燕尾形 同时调整水平和铅垂方向 镶条或垫片厚度 调整螺钉 圆形 不能调整 4 导轨副的材料 不同情况下摩擦系数 有润滑无润滑钢 铸铁0 05 0 150 3 0 3钢 黄铜0 030 19钢 青铜0 1 0 150 15 0 18钢 铝0 020 17铸铁 青铜0 160 28黄铜 黄铜0 020 17铝 钢0 020 3聚四氟乙烯0 04 自润滑 5 提高导轨副耐磨性的措施 影响因素 摩擦系数 材料 润滑 摩擦力 压力 摩擦系数 压比 压力 接触面积 磨损 表面质量 设计 制造中采取的措施 结构 材料 热处理 加工质量 1 选择导轨材料和材料搭配 材料 铸铁 钢 有色金属 塑料铸铁 耐磨 减振 热稳定 易加工和低成本钢 耐磨性好 45 40Cr 20Cr 20CrMoTi 15 HRC52 58HRC56 62有色金属 耐磨性 防锈 黄铜锡青铜锌合金铝青铜铸铝塑料 耐磨性环氧树脂聚四氟乙烯 摩擦系数小 搭配 支承导轨材料动导轨材料铸铁铸铁 有色金属 塑料淬火铸铁铸铁淬火钢30 40 多用于圆柱导轨 20Cr40Cr铸铁 TH200TH300 或青铜 2 合理热处理的措施 动静导轨热处理后的硬度差20 40HB 中碳钢45 40CrHRC52 58 低碳钢20Cr 20CrMoTi 15HRC56 62 淬硬层 磨后 不低于1 5毫米 3 提高加工质量措施 提高导轨加工精度直线度 水平面 铅垂面 平行度 扭曲度 改善导轨表面粗糙度 4 结构措施 镶装导轨镶钢导轨 镶装塑料导轨 镶装有色金属导轨减小比压减轻运动部件的质量 增大导轨支承面积卸荷结构承载和导向作用面分开 镶装导轨1 钢导轨2 机身 机架 卸荷导轨3 5和6导向面2 4 5承载面 2 3旋转支承的选择和设计 1 旋转支承的作用对旋转部件起支承和导向 限制运动的性质与方向 作用 2 旋转支承的基本要求方向精度 置中精度 摩擦力矩 载荷大小 温度影响 耐磨性 抗振性 成本 3 旋转支承的种类按摩擦性质分类 1 滑动摩擦 2 滚动摩擦 3 流体介质支承 4 弹性支承 2 3 1旋转支承的基本要求 1 置中精度 最大中心误差 2 方向精度 轴的最大偏角 3 摩擦力矩 4 载荷大小 5 温度影响 6 耐磨性 7 抗振性 8 成本 2 3 2旋转支承的种类 1 滑动摩擦 2 滚动摩擦 3 流体介质支承 4 弹性支承 2 3 3圆柱支承 1 摩擦力 2 方向精度和置中精度 3 温度影响 圆柱支承结构 运动式圆柱支承结构半运动式圆柱支承结构 特点 较高的运动精度和置中精度 较大的承载能力 1 摩擦力 圆柱颈向载荷轴向载荷球面轴向载荷 2 方向精度和置中精度 置中精度 任何截面上运动件中心与支承件中心产生的最大中心之间的偏差程度方向精度 运动件转动时 其轴线与支承件轴线产生的倾向程度 3 温度影响 线膨胀系数 材料搭配 淬火钢0 000012 铸铁0 0000104 合金钢0 000020 黄铜0 0000192 圆锥支承填入式滚动支承 2 4轴系部件设计 1轴系设计基本要求1 旋转精度2 刚度轴系的刚度3 抗振性 强迫振动和自激振动 4 热变形5 轴上零件的布置2轴系的轴承选择1 标准滚动轴承2 非标滚动轴承3 静压轴承 动压轴承 静动压轴承 3提高轴系抗振性的措施1 提高轴系的旋转精度2 提高轴系组件的抗振性3 采取温度控制 轴系设计基本要求 1 旋转精度2 刚度轴系的刚度3 抗振性 强迫振动和自激振动 4 热变形5 轴上零件的布置 1 旋转精度 旋转精度是指在装配之后 在无负载 低速旋转的条件下 轴前端的径向跳动和轴向窜动量 原因 其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度 危害 影响轴系运动精度 措施 提高零件制造精度和装配精度 在工作转速下 其旋转精度即它的运动精度取决于其转速 轴承性能以及轴系的动平衡状态 2 刚度轴系的刚度 原因 载荷为弯矩 转矩时 相应的变形量为挠度 扭转角 其刚度为抗弯刚度和抗扭刚度 轴系受载荷为径向力 如带轮 齿轮上承受的径向力 时会产生弯曲变形 危害 引起扰度或转角误差 影响传动精度或位精度 措施 必须进行刚度验算 3 抗振性 轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式 原因 有轴系组件质量不匀引起的不平衡 轴的刚度及单向受力等 危害 直接影响旋转精度和轴承寿命 影响传动精度和位置精度 措施 对高速运动的轴系必须以提高其静刚度 动刚度 增大轴系阻尼比等措施来提高轴系的动态性能 特别是抗振性 4 热变形 原因 轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化 危害 影响整个传动系统的传动精度 旋转精度及位置精度 又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化 使滑动或滚动轴承的承载能力降低 措施 因此应采取措施将轴系部件的温升限制在一定范围之内 5 轴上零件的布置 原因 轴上传动件的布置是否合理对轴的受力变形 热变形及振动影响较大 危害 影响主轴前端运动精度和位置精度 措施 作受力分析 合理布置轴上零件位置和采用卸荷结构 2 轴系的轴承选择 1 标准滚动轴承深沟球轴承 双列向心短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 推力轴承 2 非标滚动轴承3 静压轴承 动压轴承 静动压轴承 1 提高轴系的旋转精度 轴承 如主轴 的旋转精度中的径向跳动主要原因 被测表面的几何形状误差 被测表面对旋转轴线的偏心 旋转轴线在旋转过程中的径向漂移等因素引起 轴系轴端的轴向窜动主要原因 被测端面的几何形状误差 被测端面对轴心线的不垂直度 旋转轴线的轴向窜动 提高其旋转精度的主要措施有 提高轴颈与架体 或箱体 支承的加工精度 用选配法提高轴承装配与预紧精度 轴系组件装配后对输出端轴的外径 端面及内孔通过互为基准进行精加工 2 提高轴系组件的抗振性轴系组件有强迫振动和自激振动 前者由轴系组件的不平衡 齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的 后者是由传动系统本身的失稳引起的 提高其抗振性的主要措施有 提高轴系组件的固有振动频率 刚度和阻尼 对轴系的主要零部件均应进行静态和动态平衡 选用传动平稳的传动件 对轴承进行合理预紧等 采用吸振 隔振和消振装置 3 采取温度控制 减少轴系组件热变形的影响 合理选用轴承类型和精度 并提高相关制造和装配的质量 采取适当的润滑方式可降低轴承的温升 采用热隔离 热源冷昂和热平衡方法以降低温度的升高 防止轴系组件的热变形 2 5机架与箱体部件设计 机座或机架的作用及基本要求机座或机架设计要点 2 5 1机座或机架的作用及基本要求 1作用支承其他零件 重力和工作载荷 各零件的安装基准 保证各零件之间的相对位置 2特点尺寸大 结构复杂 加工面多 精度高 3要求 1 静刚度 动刚度 抗震性 要求 提高静刚度 增加阻尼 减少质量 提高固有频率 隔振措施 2 热变形控制环境温度 控制热源 减少发热和加强散热 减少摩擦采用热对称 变形对称 采用热平衡 减少各处的温差 3 稳定性 精度保持性 自然时效 人工时效 4 结构工艺性 5 人机工程 6 对环境的影响 3执行元件的选择 执行元件的要求 可控性 可与计算机接口联接 转角可控 执行元件的种类执行元件的选择执行元件的驱动及其接口 2 5 2机座或机架设计要点 一 铸造机座 1 提高本身的刚度 合理选择截面形状和尺寸 合理布置肋板和加强筋 合理开孔或加盖 肋板和加强肋形式 2 提高接触刚度表面粗糙度 加筋板等 3 机座的模型刚度试验或计算用机座缩小的模型做刚度试验用有限元分析计算机座的刚度及动态特性 4 结构工艺性 结构工艺性 5 材料铸铁钢其他材料 花岗岩 大理石 陶瓷等 二 焊接件钢板 角钢 型钢等焊接而成三 铝合金型材用铝合金型材与连接件组合而成 3执行元件的选择 执行元件的要求执行元件的种类执行元件的特点选择执行元件的驱动及其接口 执行元件的要求 电可控性 角位移 转矩 转速等 应用电压 电流 脉冲控制等 可与计算机接口联接 宜于计算机连接 响应迅速 反应灵敏 惯性小动力大 体积小重量轻便于安装与维修 执行元件的种类 电气式电磁式电动机伺服电机 交流 直流 步进电机变频电机力矩电机电磁铁其他压电元件 双金属片 形状记忆合金液压式液压缸 液压马达气压式气缸 气压马达 执行元件的特点与选择伺服电机 交流 角位移控制 恒转速控制 恒转矩控制 可双目标控制 低速大转矩 高速恒功率 步进电机角位移控制 低速大转矩 变频电机恒转速控 低速恒转矩 高速恒功率 力矩电机恒线速度控制 恒转矩 常用可控电机的特点与选择 执行元件的接口与驱动 弱电与强电的连接 4控制系统的选择与设计 控制系统的种类控制系统的选择检测传感器性能特点 选用及微机接口 4 1控制系统的种类 LPC可编程控制器单片机 有嵌入式 工业微机 工控机 有嵌入式 数控箱 专用控制器 4 2控制系统选择 1 控制器选择PLC可编程控制器简单逻辑控制单片机大批量生产微机复杂控制 复杂计算 智能控制 图形显示 高速 大容量控制 友好界面 2 单片机系统 4 微机控制系统组成 3 微机系统输入输出的可靠性 4 微机 接口 驱动 DI 开关量输入 接按钮 开关等DO 开关量输出 电磁铁 电磁阀线圈 步进电机等AI AD转换 模拟量传感器AO DA转换 模拟量输出控制 伺服 变频电机驱动器等 计数器 定时器计脉冲数 脉冲发生 脉冲宽度 输出接口卡 微机输出接口弱电 强电连接 微机模拟量输出接口 4 3微机模拟量输入接口 检测元件的要求传感器的 检测元件 种类 1 开关量传感器 2 模拟量传感器 3 数字量传感器 输入接口卡 5系统特性分析 一般是高阶系统一阶闭环系统 没有惯性 没有阻尼 刚度无穷大 实际情况可做到 惯性很小 刚度非常大 有阻尼 固有频率很高 1 系统的响应输入 输出特性 系统的响应 2 系统的传递函数 系统的传递函数 3 一阶系统 4 二阶系统 初始条件 y 0 y 0 0 拉氏变换得 得传递函数 标准形式 n系统无阻尼固有频率 系统阻尼比K系统各传递系数 比例系数 放大倍数 之积TM系统时间常数 1 1 过阻尼 系统稳定 2 1 临界阻尼 临界状态 3 1 1 欠阻尼 衰减阻尼 系统稳定 有超调 小响应速度快 但超调量大 系统的稳定性和响应的平稳性差 4 0 无阻尼 系统处于稳定与不稳定的临界状态 单位阶跃函数的响应为等幅振动 共振频率为 n 一般超调量1 5 25 取0 4 0 85 5传递函数的极点与零点传递函数分子多项式的根称为零点 Zi I 1 2 m 传递函数分母多项式的根称为极点 Pi I 1 2 n 则传递函数写为 分母多项式 称为系统的特征方程 其根称为特征根 与上述极点是一致的 反映了系统的共振点 注 为简化系统 一般将高阶系统简化成二阶系统 来近似讨论或估计系统的性能 静态设计与动态设计机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电一体化系统的动态设计考虑方法机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计 6 机电结合分析 稳态设计与动态设计的概念 机电一体化系统 产品 的设计过程是机电参数相互匹配 即机电有机结合的过程 机电伺服系统是典型的机电一体化系统 转速 位移 加速度 功率 转矩 增益 驱动电流 机械机构 电路与控制器 软件 控制机理 动态设计 系统稳定性 响应快速性 震荡等 设计校正补偿装置 使系统满足动态技术指标要求 通常要进行计算机仿真 或辅助设计 初步方案稳态设计 机械结构 电气原理 监控软件 系统的输出运动参数达到技术指标要求 结构设计 执行元件 如电动机 的匹配选型 各主要元部件的选择与控制电路设计 并为动态设计中的校正补偿装置留有余地 6 1机电一体化系统 产品 的稳态设计考虑方法 负载分析执行元件的匹配选择减速比的匹配与各级减速比的分配传感器 接口电路 放大器等匹配选择和设计系统数学模型和主谐振频率的计算 6 1 1典型载荷分析 1 典型载荷所谓典型负载 惯性负载 与加速度或角加速度成比例 外力负载 变化或恒定的力或转矩 弹性负载 与位移或转角成比例 摩擦负载 滑动摩擦负载 黏性摩擦负载 滚动摩擦负载等 与速度或转速成比例 实际系统负载可能是以上几种典型负载的组合 不一定均包含上述所有负载项目 2 载荷的等效换算 Fj阻力 负载 Tj转矩Mi工作台质量Vi工作台速度Jj转动惯量ni转速 1 求转动惯量系统总动能 2 求等效转矩时间t内系统做的总功 因此 得到 电机输出轴上的总动能 工程上用转速计算 t时间内的转角 执行元件所做的功 所以 得 工程上用转矩计算 计算注意事项 1 理论公式单位kgms制 2 工程上转速n用rmp 转 分 3 模数单位一般采用mm计算 4 单位为rad s 3 计算实例 已知 M 400kgF 800NJm 4x10 5kgm2JI 4x10 5kgm2JII 4x10 5kgm2TL 4NmZ1 20Z2 40m 1 求 等效转动惯量等效转矩 1 求Jmeq 2 求Tmeq 已知 M 400kgF 800N Jm 4x10 5kgm2 JI 4x10 5kgm2 JII 4x10 5kgm2 TL 4Nm Z1 20 Z2 40 m 1 6 1 2执行元件匹配选择 1 转矩匹配 考虑传动效率 2 功率匹配 过热验算 过载验算 一般取 小功率伺服系统 实例 Tmeq 2 5NmJmeq 3X10 2kgm2 m 50ard s t 0 5s 0 85 6 1 3减速比选择与各级减速比的分配 减速比的选择 1 加速度最大 2 速度最大 f1电动机粘性摩擦系数 f2负载粘性摩擦系数 3 转角匹配 位移 4 输出轴转角误差最小 5 对速度 加速度均有要求按 1 求i 再检验 各级转速分配原则 重量最轻原则输出轴转角误差最小原则转动惯量最小原则 等模数 等齿宽 小功率 否则 先大后小 等模数 等齿宽 小功率 大功率 由大到小 末级取大 提高最后一个齿轮的精度 6 1 4传感器 执行元件与接口电路匹配 一 模拟信号传感器 接口卡 AD卡 电压匹配 阻抗匹配 精度 信噪比 仪表放大器 接口卡 执行元件 DA卡 电流及电压匹配 功率放大器或电流放大器 二 脉冲信号传感器输出 接口卡 计数器卡 脉冲整形与放大 整形限幅放大器 接口卡 执行元件 脉宽调制卡 脉冲功率放大器或电流放大器三 数字信号TTL电平 CMOS电平 I O卡 等各种电平与驱动能力匹配 电压放大器或功率放大器 AD转换 DO DI DA转换 机电一体化系统的典型微机控制系统组成 6 1 5主谐振频率的计算 6 2机电一体化系统的动态设计考虑方法 动态设计 1 系统控制方法 2 校正形式 3 设计校正器目标 使系统满足动态指标的要求而成为稳定系统 6 2 1系统调节方法 上升时间延滞时间调整时间超调量 比例调节器积分调节器比例 积分调节器比例 积分 微分调节器 1PID调节器 2典型信号响应 3系统的动态特性 一阶系统特性二阶系统特性N阶系统特性 n系统无阻尼固有频率 系统阻尼比K系统各传递系数 比例系数 放大倍数 之积TM系统时间常数注 1 1 过阻尼 系统稳定 2 1 临界阻尼 临界状态 3 0 1 欠阻尼 衰减阻尼 系统稳定 有超调 小响应速度快 但超调量大 系统的稳定性和响应的平稳性差 4 0 无阻尼 系统处于稳定与不稳定的临界状态 单位阶跃函数的响应为等幅振动 共振频率为 n 一般超调量1 5 25 取0 4 0 85 传递函数分子多项式的根称为零点 Zi I 1 2 m 传递函数分母多项式的根称为极点 Pi I 1 2 n 则传递函数写为 分母多项式 0称为系统的特征方程 其根称为特征根 与上述极点是一致的 反映了系统的共振点 注 为简化系统 一般将高阶系统简化成二阶系统 来近似讨论或估计系统的性能 6 4机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计 1 可靠性设计的基本概念在规定条件下 规定时间内完成规定功能的能力 任何材料 载荷都是随机变量 都有可能失效 用概率理论定量分析产品在工作中的可靠程度 2 常用指标失效率可靠度平均寿命 3提高可靠性措施 1 元 器件严格筛选 2 抗干扰措施 3 自诊断和自纠错技术 4 容错和冗余技术 5 软件可靠性技术 二安全性设计 1 元 器件严格筛选 2 抗干扰措施 3 自诊断和自纠错技术 4 容错和冗余技术 5 软件可靠性技术 7 数字控制方法 数字PID模糊控制神经网络控制 7 1 数字PID控制算法 PID控制算法的优越性 c 算法简单 易于掌握 a P I D三个参数的优化配置 兼顾了动态过程的现在 过去与将来的信息 使动态过程快速 平稳和准确 b 适应性好 鲁棒性强 理想PID控制算法 连续形式 离散等效 以求和替代积分 向后差分替代微分 位置算式 理想PID的递推算式 向后差分法离散化 理想PID的增量差分形式 其中 实际微分PID控制算法 实际微分PID的一种连续形式 理想微分PID的不足 1 干扰作用下机构动作频繁 2 微分输出常越限 不能充分发挥作用 增量式PID控制算法 实际微分的离散化 差分形式 理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比 实际微分PID与理想微分PID对比 1 理想微分PID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度的输出 在实际使用这会产生两方面的问题 一是控制输出可能超过执行机构或D A转换的上下限 二是执行机构的响应速度可能跟不上 无法在短时间内跟踪这种较大的微分输出 这样在大的干扰作用情况下 一方面会使算法中的微分不能充分发挥作用 另一方面也会对执行机构产生一个大的冲击作用 相反地 实际微分PID算法由于惯性滤波的存在 使微分作用可持续多个采样周期 有效地避免了上述问题的产生 因而具有更好的控制性能 2 由于微分对高频信号具有放大作用 采用理想微分容易在系统中引入高频的干扰 引起执行机构的频繁动作 降低机构的使用寿命 而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节 具有低通滤波的能力 抗干扰能力较强 其它形式的实际微分PID 手动 自动跟踪与无扰动切换 1 自动到手动 主要由手动操作器的硬件实现 手动操作器 自动状态下 跟随器 切换过程中 保持器 手动状态下 操作器 2 手动到自动 起主要作用的是计算机PID算法的软件 需硬件支持 采样手动器或执行机构输出的所谓阀位值 即获得 手动 自动跟踪与无扰动切换 续 2 手动到自动 目的 使 手动状态下 使算法中 等历史状态清零 切换过程中 目的使 1 SP跟踪PV 完全无扰 缺点SP须重新设定 2 SP不跟踪PV 无须重设SP 切自动时偏差不能过大 以利减小切换扰动 7 1数字PID算法的改进 常用改进算法 积分分离算法抗积分饱和算法微分项改进带死区的算法 积分分离算法 现象 一般PID 当有较大的扰动或大幅度改变设定值时 由于短时间内出现大的偏差 加上系统本身具有的惯性和滞后 在积分的作用下 将引起系统过量的超调和长时间的波动 积分的主要作用 在控制的后期消除稳态偏差 普通分离算法 大偏差时不积分 当时 采用PID控制当时 采用PD控制 积分分离值的确定原则 图9 3不同积分分离值下的系统响应曲线 变速积分 0 B A B B A B e k t PID 变速积分 变速积分 PD PD 抗积分饱和措施 现象 由于控制输出与被控量不是一一对应的 控制输出可能达到限幅值 持续的积分作用可能使输出进一步超限 此时系统处于开环状态 当需要控制量返回正常值时 无法及时 回头 使控制品质变差 抗积分饱和算法 输出限幅 输出超限时不积分 当时 采用PD控制当时 采用PD控制其他情况 正常的PID控制 串级系统抗积分饱和 副调节器输出达到限幅值时 主调节器输出可能处于正常状态 此时仍存在积分饱和现象 串级抗积分饱和 主调节器抗饱和根据副调节器输出是否越限 抗积分饱和与积分分离的对比 相同 某种状态下 切除积分作用 不同 抗积分饱和根据最后的控制输出越限状态 积分分离根据偏差是否超出预设的分离值 微分项的改进 实质 通过低通滤波 克服微分对高频干扰敏感的不足 措施 1 实际微分算法 2 对微分输入项进行低通滤波 如均值滤波 去极值滤波 限幅滤波等3 微分先行算法 只对被控量进行微分不适用于副调节器 带死区的算法 注意 死区是一个非线性环节 不能象线性环节一样随便移到PID控制器的后面 具有回差的控制系统可能出现的过程响应曲线 7 2数字PID参数的整定7 理论整定方法 依赖于被控对象的数学模型 仿真寻优方法工程整定方法 近似的经验方法 不依赖模型 扩充临界比例带法 下表 扩充响应曲线法 扩充临界比例带法 扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法 也称稳定边界法 的扩充 是一种闭环整定的实验经验方法 按该方法整定PID参数的步骤如下 1 选择一个足够短的采样周期 所谓足够短 具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的1 10以下 2 将数字PID控制器设定为纯比例控制 并逐步减