机械系统考试08.ppt

第六章操纵系统设计 2 操纵系统的主要参数 ic Fr Fcp Fr执行件的工作阻力Fcp许用操纵力 执行件从初始位置移动到指定操纵位置时操纵件的相应位移sc icsex sex执行件行程 传动效率 0 7 0 8 操纵者施加给操纵件的最大作用力Fc Fr ic 传动比操纵力操纵行程 3 操纵系统的主要参数 传动比ic Fr Fcp操纵力Fc Fr ic 操纵行程sc icsex Fr执行件的工作阻力Fcp许用操纵力传动效率 0 7 0 8sex执行件行程 当执行件的工作阻力Fr一定时 ic大则Fc小 操纵省力 当执行件的行程sex一定时 ic大则sc大 操纵行程大容易使操纵者疲劳 4 操纵系统的主要参数 操纵力Fc操纵行程sc传动比ic 变速箱手操纵力应不大于150N 脚操纵力应不大于180N 车辆方向盘的操纵力可达400N 5 操纵系统的主要参数 操纵力Fc操纵行程sc传动比ic 离合器的踏板行程不得大于200mm 变速箱操纵手柄行程不得大于80 120mm 6 操纵系统的主要参数 操纵力Fc操纵行程sc传动比ic 变速箱操纵杆球形铰接支承以上部分 主动臂 和以下部分 从动臂 的长度比为2 5 3 5 车辆方向盘的旋转总圈数应为1 5 2 0圈 机床手柄的转角不宜大于90 7 单面安全间隙 s 摩擦面数Z附加变形 Z s附加力 Fn k 操纵力计算 离合器彻底分离时分离拉杆上的工作阻力Fr Fn Fn 操纵力Fc Fn Fn ic 8 带液压助力器的操纵系统 接操纵件 环槽阀芯 螺纹球头座 接执行件 回位弹簧 活塞阀套 9 助力器推力活塞移动速度压力油流量 Fp pad Dad2 dad2 4vad sex tqvad vad Dad2 dad2 4 左推时高压油进入活塞右端面推动活塞左移 推动阀芯时只需要克服弹簧力 环槽左窄右宽根据窄缝原理形成压差 活塞两端压差同外力平衡 带液压助力器的操纵系统 工作原理 参数计算 压力小 压力大 10 原理方案设计的任务 根据设计任务要求 选择操纵件 执行件和传动方案 确定主要设计参数和有关几何尺寸 这些任务要求包括执行件的运动轨迹 速度和被操纵件的数目以及各执行件之间的关系等 11 凸轮传动的操纵系统 操纵件 手轮 利用圆柱凸轮上的两条沟槽 通过直角杠杆移动两个执行件 拨叉 分别操纵两个被操纵件 滑移变速齿轮 两个执行件的移动有的顺序关系 是一种顺序变速的集中操纵系统 执行件的移动取决于凸轮沟槽的形状 操纵件 圆柱凸轮 直角杠杆 拨叉 滑移齿轮 12 凸轮的设计步骤 1 分析执行件的运动规律 绘制凸轮的行程曲线 2 绘制凸轮理论曲线 包括确定凸轮机构尺寸 凸轮基圆半径和滚子直径 和绘制凸轮轮廓曲线 3 验算凸轮曲线不同曲率半径处的压力角 4 绘制凸轮的工作图 5 确定从动件的杠杆尺寸 杠杆比由凸轮升程和直线件移动距离确定 13 圆柱凸轮廓线展开图 右图中执行件的运动规律就是两个滑移齿轮的移动变速规律 凸轮的行程曲线就是凸轮槽曲线 常用的凸轮曲线有圆弧 直线和阿基米德螺线 为保证操纵省力和不发生自锁 许用压力角 p 30 45 直线运动的推杆 p 45 60 摆动的推杆 为减小压力角可增大凸轮直径 14 操纵系统的结构设计 任务 在原理方案的基础上确定各个组成部分的形状和尺寸 操纵件执行件传动件其他结构元件 常用杠杆系统 常用拨叉 传动方式简单 占用的结构空间小 容易布置 保证操纵安全可靠 通常有一些起保护作用的元件和装置 杆头 手柄头采用塑料标准件 改善手感 15 东方红 75拖拉机 变速操纵机构 变速杆 采用球型支座结构或十字销轴结构 球铰直径一般为30 50mm 为使球头紧贴支座 杆8上装有压紧弹簧7 弹簧压紧力一般是变速杆重力的2 4倍 但不应小于60 100N 如变速杆是弯杆 应在球头上切槽 用止动销10防止变速杆绕自身轴线转动 球头 球头座 弹簧 切槽和止动销 变速操纵件 16 东方红 75拖拉机 变速执行件 为提高刚度 并缩小结构尺寸和减轻重量 缩短悬臂长度 采用加强筋 拨叉 用螺钉固定在滑杆上 紧定螺钉 17 东方红 75拖拉机 变速传动件 用三根滑杆 拨叉杆 将变速杆的摆动转变成拨叉的移动 每根拨叉杆上装一个拨叉 可变换两个位置 包括空挡是三个位置 实现两种速度变换 拨叉移动的距离等于两档齿轮之间的距离 拨叉轴端部的深槽供变速杆移动 槽深应保证杆端不会从槽中脱出 滑杆 深槽 18 东方红 75拖拉机 变速安全保护部件 互锁机构 操纵杆上部在王字型槽内移动 避免同时切入两个档位 连锁机构 同离合器连锁 避免机构之间发生不应有的运动干涉 自锁机构 拨叉杆上的三个切槽对应三个位置 用锁销压紧防止脱档 王字槽 锁销 联锁轴 19 操纵系统的安全设计 操纵系统的安全保护操纵环境的安全保护 常用装置有自锁机构和互锁机构 为保证机械系统正常运行和人身安全 操纵机构必须有可靠的定位 互锁等各种安全保护机构 20 操纵系统的安全保护 未施加操纵力而操纵件自行动作 比如自动脱档 制动器松开 或操纵某一执行件时另一执行件也同时动作 避免操作失误 防止因系统自身的原因 如振动 过载等 破坏了正常的操作状态 比如未松离合器先制动 制动时踩油门 21 自锁机构 原理 以一定的预压力把操纵件 执行件或中间的某传动件固定在规定的位置上 只有所施加的操纵力大于这个预压力时 操纵件或执行件才会动作 22 自锁机构滑杆上的切槽形状 槽口夹角a影响移动滑杆的操纵力大小 半圆形槽在槽口磨损后a角减小 导致操纵力减小 因而自锁性不如V形槽 V形槽 半圆形槽 23 自锁机构 组成 锁销及其上弹簧和滑杆上的切槽 东方红 75拖拉机变速操纵机构 原理 只有作用在滑杆上的作用力大于锁销在切槽中的压紧力的水平分力和有关运动件的摩擦力之和以后 滑杆才能移动 功能 保证了换档齿轮不会自行移动造成自动挂档和脱档 并且保证滑移齿轮移动到位实现全齿长啮合 24 解放CA1092汽车驻车制动器 工作过程 压板 压杆 操纵杆 压杆 制动盘 制动蹄 弹簧 支架 复位弹簧 棘爪同齿板脱离 操纵杆 拉杆 操纵臂 前蹄臂 左制动蹄 后蹄臂 右制动蹄 压板 压杆 棘爪齿板锁紧 制动臂拉杆 25 互锁机构 原理 使操纵系统在进行一个操纵动作时把另一个操纵动作锁住 从而避免机械发生不应有的运动干涉 保证在前一执行件动作完成后才可使另一执行件动作 例如车辆和机床等机械的变速箱不可同时挂两档 在离合器和制动器配合动作的操纵系统中 应保证离合器先脱开制动器后制动 制动器先松开离合器后接合 26 机械式两销互锁机构 结构特点 两滑杆相对的侧面切槽并装入互锁销 原理 互锁销的长度为一端卡住一个切槽时另一端正好退出另一滑杆的切槽 从而保证只能有一个滑杆可以移动 互锁销长 轴距 轴径 槽深 27 机械式三销互锁机构 中间销长 轴径 槽深 28 互锁机构 组成一 王字槽和操纵杆组成二 转销和相关机构 东方红 75拖拉机变速操纵机构 29 操纵环境的安全保护 操纵环境指操作者进行操作的工作环境 操纵环境的安全性是正确操纵的重要保证 分析操纵环境的不安全因素 采取必要的安全防护措施 30 操纵环境中的不安全因素 零件损坏或工件失控 机械磨损和发热造成的操作失灵 机械振动 噪声 粉尘 油污 高温以及操作位置不适宜给操作者带来的不适宜感觉等 温度 湿度 粉尘等会使操纵系统提前失效 并且会刺激和影响操作者的生理机能和心理状态 构成操纵不安全的潜在因素 人体健康 心情 情绪以及由此造成的生理和心理的不良变化 如烦躁疲劳 困倦 不舒适 从而失去操作耐心 分散操作注意力 31 操纵环境的安全保护措施 机械系统加装保护装置提高作业环境的舒适性设置指示和警报装置 危险操作区 安全隔离或加装防护罩 室外行走机械 驾驶室 噪声 隔声装置或操作室 座椅 改善舒适性保持操作环境安静 清洁 明亮 色彩柔和与协调 改善操作视野 采用宽大的前窗环境温度 湿度 良好的通风 或加装采暖 空调 如指示标牌 指示灯和音响信号装置等 当有误操作或机械系统发生故障时 能指示故障部位 发出警报并采取停机措施 32 课程回顾 操纵系统的功能和要求操纵系统的组成 分类和典型结构操纵系统的设计要点操纵系统的人机工程学设计方法操纵系统的安全保护措施 第七章机械系统控制 34 本章提要 控制的作用控制系统的分类 组成和基本要求控制电机和位置检测装置典型伺服机构的组成和控制原理伺服系统设计计算 35 控制的作用 36 机械系统控制的主要任务 使各执行机构按一定的顺序和规律运动 改变各运动构件的运动方向和速度大小 使各运动构件间有协调的动作 完成给定的作业循环要求 对产品进行检测 分类以及防止事故 对工作中出现的不正常现象及时报警并消除 37 控制系统的类型 按控制信号的变化规律分类按控制系统中所包含的元件特性 信号作用特点分类按系统结构特点分类按控制系统的功能分类按自动化技术工具特点分类按元器件及装置的能源分类 38 恒值控制系统程序控制系统伺服控制系统 给定信号的值恒定 如电源自动稳压系统给定信号是已知的时间函数或按预定规律变化 如高炉程序加料系统给定信号是未知变化规律的任意函数 如数控机床的进给驱动系统 炮瞄雷达天线控制系统 按控制信号的变化规律分类 控制系统的类型 39 连续控制系统断续控制系统 系统中不含有断续元件 各组成元件的输入量和输出量都是连续函数 系统中含有断续元件 按控制系统中所包含的元件特性 信号作用特点分类 三种 控制系统的类型 40 线性控制系统非线性控制系统 系统中不含有非线性元件 线性系统用线性方程描述 符合叠加原理 系统中含有非线性元件或环节 系统输入输出量之间的关系是非线性关系 非线性系统用非线性方程描述 不符合叠加原理 连续控制系统和断续控制系统 控制系统的类型 按控制系统中所包含的元件特性 信号作用特点分类 三种 41 定常控制系统时变控制系统 系统中各元件或环节的参数不随时间而变化 系统中含有变系数的元件 环节或对象 参数随时间发生变化 如化学反应器控制系统 连续控制系统和断续控制系统 线性控制系统和非线性控制系统 控制系统的类型 按控制系统中所包含的元件特性 信号作用特点分类 三种 42 单回路控制系统和多回路控制系统 单级控制系统和多级控制系统固定结构控制系统和变结构控制系统 按系统结构特点分类 四种 控制系统的类型 43 按控制系统的功能分类 控制系统的类型 44 按自动化技术工具特点分类 控制系统的类型 45 数控机床的进给系统可看作线性 定常 多闭环 连续 或离散 的伺服系统 按元器件及装置的能源分类 控制系统的类型 46 只根据给定的控制量进行控制 输出量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响 没有根据实际输出对输入进行相应的修正 不能使输出更准确 对干扰的适应性不佳 输出量在控制过程中对控制量有直接影响具有抑制内部和外部各种干扰的能力存在稳定性问题 按系统结构特点分类 47 电源电压变化和负载变化将引起电机转速发生变化 开环控制系统没有根据实际输出对输入进行相应的修正 不能使输出更准确 48 数控线切割机进给系统 工作台的位移完全取决于开环系统各环节的工作精度 各种干扰显著影响系统性能 49 电机转速人工闭环控制系统 50 控制过程为 如给定电压Ui不变 负载TZ 转速n 测量电压UTG 偏差电压UE 电枢电压UZ 转速n 51 闭环控制系统框图 52 开环和闭环控制系统比较 开环系统 闭环系统 53 开环和闭环控制系统应用 当被控量的变化规律能预知 并能对可能出现的干扰有效抑制时可采用开环系统 尤其当被控量难以测量时 如自动售货机 自动车床 模具线切割等 只有当被控量和扰动量均无法事先预知时 采用闭环系统才有明显优越性 如所有随动系统 多数程序控制系统 温度控制系统等 54 数控机床进给控制系统 控制器 用动力机实现驱动 用控制器控制机械系统进给参数 有速度和位置两路反馈信号 55 典型闭环控制系统框图 校正及放大环节 执行环节 56 控制系统的基本组成 给出与反馈信号同样形式和因次的控制信号 确定被控对象 目标值 的环节 可以是电量 非电量 也可以是模拟量 数字量 57 控制系统的基本组成 测量被控变量 通常是非电量 并转换为易传送物理量 通常是电量 的环节 通常是非电量的电测量环节 电位计 转角测速发电机 转速光栅测量装置 直线位移 58 控制系统的基本组成 将输入信号X s 同测量环节发出的反馈信号B s 进行比较的环节 经比较后得到一个小功率的偏差信号E s X s B s 59 控制系统的基本组成 将比较环节发出的偏差信号作必要校正并进行功率放大的环节 常用的放大器类型有电流放大 电压放大等 60 控制系统的基本组成 根据放大校正环节的控制信号驱动被控对象按预期规律运行的环节 一般是能将外部能量传送给被控对象的有源功率放大器 可将电能通过电机转换成机械能 驱动被控对象作机械运动 61 控制理论及其发展 一千多年前 我国先后发明了铜壶滴漏计时器 自动定向指南车以及各种天文仪器等自动装置 在蒸汽机工业数十年后 在工业实践的基础上逐步形成了经典控制理论 18世纪欧洲产业革命开始 蒸汽机飞球调速器 液面控制装置 温度控制装置等自动化技术在工业生产中得到了广泛应用 62 计里鼓车 1027年 后复原 自动定向指南车 235年 后复原 63 蒸汽机飞球调速系统 控制过程为 负载TZ 转速n 离心飞球 蒸汽机 阀门 杠杆 飞球 蒸汽阀 蒸汽流量 转速n 64 东方红 75调速系统原理图 离心飞球 传动盘 推力盘 弹簧 供油拉杆 操纵手柄 65 东方红 75调速系统结构图 66 液面控制系统 控制过程为 液面 浮球 阀门 浮球 阀门 杠杆 入口流量 液面 67 经典控制理论 研究自动控制系统的数学描述 稳定性 过渡过程 稳态精度等问题 是对控制系统的输出进行分析和综合的理论 适用于解决单变量 线性定常问题 对于实际中的非线性问题 如控制精度要求不高 可将某些非线性因素线性化 采用经典理论求解 用传递函数对系统进行数学描述 以根轨迹法和频率法为研究方法 68 控制系统的数学模型 控制系统的数学模型 描述控制系统内部各物理量之间关系的数学表达式 经典控制理论采用常系统线性微分方程作为控制系统在时域中的动态模型 利用拉氏变换将微分方程转换成复数域的数学模型 用传递函数表示系统的控制特征 变量的各阶导数为0的数学模型 静态模型 变量的导数不全为0的数学模型 动态模型 69 拉氏变换 则由f t 到F s 的运算叫做对函数f t 作拉普拉斯变换 简称拉氏变换 记作 函数f t 如t 0时存在下列积分 F s L f t L af1 t bf2 t aF1 s bF2 s 线性性质 微分性质 70 定常线性系统的数学模型 输入x t 和输出y t 之间由线性微分方程描述 初始条件为0时等式两边取拉氏变换 得 71 传递函数 初始条件为零的常系数线性系统 系统输出量y t 的拉氏变换Y s 与输入量x t 的拉氏变换X s 之比 传递函数是复变数s的代数多项式 表示系统输入与输出的关系 72 传递函数的性质 传递函数的分子表示输入量的特性 与系统本身的特性无关 分母表示输出量的特性 只取决于系统本身的特性 s的最高阶数表示系统的阶数 可用代数计算取代微积分运算 系统的传递函数由各组成环节和元件的传递函数组成 量纲可有可无 不同物理性质的系统或元件 可具有相同的传递函数 73 传递函数方框图 反馈信号B s H s Y s 偏差信号E s X s B s 前向传递函数G s Y s E s 闭环传递函数 B s H s Y s 74 典型传递函数 比例环节积分环节微分环节惯性环节 经典控制理论常借助传递函数和方框图对控制系统进行研究 75 微分方程法瞬态响应法频率特性法 是分析和描述系统特性的最基本方法 主要适用于二阶以下系统 是一种实验求解法 通常用阶跃响应函数或响应曲线来描述动态特性 进而可计算系统的传递函数 对一个定常线性系统输入正弦交变信号时 系统对信号的传递可用频率传递函数来描述 系统特性的描述方法 76 系统 系统特性的描述方法 三种描述方法具有相互转换的关系 77 系统特性的描述方法 微分方程传递函数频率特性 TsUo s Uo s Ui s RC T 78 系统特性的描述方法 频率特性G j 只取决于系统的结构和参数 通常是复数 G j G j G j 模 幅频特性 增益 是系统的放大倍数 相角 相频特性 常用伯德图表示幅频特性和相频特性 便于作图和分析 79 控制系统的特性 固有特性响应特性 仅与系统结构有关 与输入信号无关 包括稳定性 可控性 可观性 输入信号后的表现 既与系统结构有关 又与输入信号有关 包括动态特性 稳态特性 经典控制理论中的系统特性指系统的稳定性 动态特性 稳态特性 80 控制系统的基本要求 稳定性动态性能稳态性能 系统对输入信号的对应关系系统对输入信号的时间响应系统响应和输入信号的偏差大小 81 控制系统的稳定性 渐近稳定性 在任何足够小的初始偏差作用下 系统的响应过程随着时间的推移逐渐衰减趋于0 收敛 的性质 稳定系统 具有渐近稳定性的系统 呈