2.2 动力和操纵控制系统的方案设计

1 机械设计的基本程序 2 机械系统的组成 运动循环图运动方程 传动比 人 机 环境关系 3 3动力和操纵控制系统的方案设计 3 1机械动力系统的方案设计3 2操纵控制系统的方案设计2 3机械系统的精度设计 4 3 1机械动力系统的方案设计 3 1 1动力系统设计的基本思想3 1 2机械系统的载荷特性3 1 3载荷谱及其编制3 1 4动力机械的类型及其特性3 1 5动力机械的选用原则 5 3 1 1动力系统设计的基本思想 机械系统设计 安全 可靠 零部件 强度 刚度 稳定性 动力系统 动力机 满足执行系统的功率要求 6 动力系统设计 系统所受载荷 动力机功率 功能原理设计 如何选择动力机 7 3 1 2机械系统的载荷特性 1 机械系统的载荷及其分类机械系统的载荷所有机械在工作中几乎都要承受各种外力的作用 工程上把这些外力称为载荷 载荷的分类按载荷的作用形式分类按零件发生变形的不同分类按载荷产生的来源分类按载荷是否随时间变化分类 8 载荷的分类1 以变形的形式作用 9 载荷的分类2 10 载荷的分类3 11 12 1940年美国西海岸华盛顿州世界第三的Tacoma大桥 中央跨距853m 悬索桥结构 建成四个月在19ms 1的风载下塌毁 13 载荷的分类4 注意 载荷与应力不同 14 各种不同的载荷 时间历程 15 3 1 2机械系统的载荷特性2 工作载荷的确定方法 需求方提供 设计者自定 国标 规定 类比法参考同类或相近的机械 根据经验或简单的计算确定所设计机械的载荷 主要应用在载荷难定或初步设计阶段 包括 几何尺寸类比 动力类比计算法根据机械的功率要求和结构特点 运用各种力学原理 经验公式或图表等计算确定载荷 理论力学实测法用实验分析的方法测定机械及其零件的载荷 直接 准确 16 现设计机械 原有机械 17 18 19 3 1 3载荷谱及其编制 载荷谱的基本概念原始记录的载荷 时间历程称为机械的工作谱或使用谱 经过概率统计分析的方法处理后 能反映载荷随时间变化的 并具有统计特征的载荷 时间历程称为载荷谱 编谱 由实测载荷谱经统计处理简化为典型载荷谱的过程 编谱目的 把随机载荷化为有规律的载荷的累加 或叠加 便于疲劳分析计算或试验 编谱过程 实测载荷谱 统计处理 典型载荷谱 20 3 1 3载荷谱及其编制 随机载荷的统计处理方法 借助傅立叶变换 将随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简谐载荷 得到功率谱密度函数 把载荷 时间历程离散成一系列的峰值和谷值 然后计算载荷峰值或幅值发生的频次 频率 概率密度和概率分布函数等 21 循环数与反向数 22 判读 计数编谱 计数法处理随机载荷 23 循环计数法 峰谷值计数法 24 25 26 循环计数法 幅程计数法 27 28 循环计数法中的雨流法 计数规则雨流的起点依次从每个峰 谷 值的内侧开始 雨流在下一个峰 谷 值处落下 直到对面有一个比开始时的峰 谷 值更大 更小 的值时停止 当雨流遇到来自上面一层流下的雨流时就停止 取出所有的全循环 并记下各自的振程 按正 负斜率取出所有的半循环 并记下各自的振程 将取出的半循环 按雨流法第二阶段计数法则处理并计数 29 雨流法 全循环 半循环 30 雨流法 标准发散 收敛谱 标准收敛 发散谱 31 32 三点雨流法 必须以绝对值最大的峰或谷开始计数 33 雨流法提取有效循环载荷 34 35 36 37 四点雨流计数法 38 39 循环计数法的结果 频率直方图 累积频次曲线 40 41 42 43 3 1 4动力机械的类型及其机械特性 1 动力机 机械设备中驱动执行机构的机械 也称原动机 2 动力机的类型 44 3 1 4动力机械的类型及其机械特性 1 动力机 机械设备中驱动执行机构的机械 也称原动机 2 动力机的选用 1 分析工作机械的负载特性和要求 包括工作机械的载荷特性 工作制度 结构布局和工作环境等 2 分析动力机本身的机械特性 包括动力机的功率 转矩 转速等特性 以及动力机所能适应的工作环境 使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配 3 进行经济性的比较 当同时可用多种类型的动力机进行驱动时 经济性的分析是必不可少的 包括能量的供应和消耗 动力机的制造 运行和维修成本的对比等 45 在选择动力机时 可根据各类动力机的特点进行各种方案的比较 首先确定动力机的类型 然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量 有时也可预选动力机 在产品设计出来后再进行校核 动力机的容量通常是指其功率的大小 动力机的功率P 单位 kW 与转矩T 单位 N m 和转速n 单位 rpm 之间的关系为或动力机的容量一般是由负载所需的功率或转矩确定 动力机的转速则与工作机械之间的传动方案有关 若具有变速装置时 动力机转速可高于或低于工作机械的转速 46 3 1 4动力机械的类型及其机械特性 动力机的机械特性 动力机输出的转矩与转速的关系 也称输出特性 是选择动力机的基础 内燃机 负荷特性 速度特性 通用特性燃油消耗 功率 调速特性 推进特性等 电动机 功率 电压 电流 频率 转速启动 调速 翻转 制动等 液压马达气动马达 压力 体积流量和排量 效率功率 转矩 转速等 电动机 液压马达气动马达 内燃机 电动机 液压马达气动马达 47 调速性能好 调整范围宽 启动转矩大 额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定转速nN励磁电压Nf励磁电流If励磁方式 价廉 耐用 启动调速性能差 额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定频率f额定转速nN定子相数绕组接法绝缘等级 价贵 启动负载较大 可小范围调速 复杂 价高 转速不可调节 功率因素大 48 三相异步电动机的固有机械特性 电动机的机械特性输出转矩T与其相应转速间的关系 启动点 额定工作点 同步转速点 最大转矩点 最大转矩点 49 50 小转矩 液压马达是指输出旋转运动的 将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置 51 1液压系统具有能量密度大的特点 同样功率的马达 液压马达比电动机要小的多 轻得多 便于应用在移动设备上 2液压马达便于调速 依靠液压阀的调节 可以在0 最大转速之间无极调节 马达本身不需要特殊设计 成本低 这比电机 减速机 或者变频电机 伺服电机便宜的多 3液压马达是全封闭的 在粉尘 潮湿 甚至水下 可燃环境中可以放心使用 比防爆 隔爆 电机可靠的多 4液压系统的抗过载能力很强 依靠溢流阀的保护 允许较长时间 相对 频繁过载 并且在过载状态下很容易恢复 不会破坏设备 也不需要重启设备 52 53 气动马达是把压缩空气的压力能转换成旋转的机械能的装置 54 1 可以无级调速 只要控制进气阀或排气阀的开度 即控制压缩空气的流量 就能调节马达的输出功率和转速 2 能够正转也能反转 大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进 排气方向 即能实现气马达输出轴的正转和反转 并且可以瞬时换向 在正反向转换时 冲击很小 3 工作安全 不受振动 高温 电磁 辐射等影响 适用于恶劣的工作环境 4 有过载保护作用 不会因过载而发生故障 5 具有较高的起动力矩 可以直接带载荷起动 起动 停止均迅速 可以带负荷启动 启动 停止迅速 6 功率范围及转速范围较宽 功率小至几百瓦 大至几万瓦 转速可从零一直到每分钟万转 7 操纵方便 维护检修较容易气马达具有结构简单 体积小 重量轻 马力大 操纵容易 维修方便 8 使用空气作为介质 无供应上的困难 用过的空气不需处理 放到大气中无污染压缩空气可以集中供应 远距离输送 55 56 57 有效性能指标有效功率平均有效压力升功率有效燃油消耗率指示性能指标标定功率机械效率 58 每小时的耗油量 有效燃油消耗率 排气温度 经济性 59 动力性 转矩 有效功率 60 综合特性 61 3 1 4动力机械的类型及其特性 3 动力机械的比较电动机优 缺点 驱动效率较高 种类多 调速性能好 可进行远距离调控 缺点是需电源 野外工作不便 内燃机优 缺点 功率范围宽 操作启动方便 便于移动 用于野外作业 缺点是需燃油 排气污染和噪声等 液压马达优 缺点 传动比较大 低转速性能好 易实现无级变速 操作和控制都比较方便 缺点是制造和装配精度要求高 容易漏油 影响工作机械的运动精度 气动马达优 缺点 无污染 集中供给和远距离输送 对易燃 易爆 多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好 缺点是空气可压缩 工作稳定性差 噪声较大 输出转矩比较小 适用于小型和轻型工作机械 62 3 1 5动力机械的选用原则 动力机选择步骤 根据动力机选择的一般原则 确定动力机的形式 确定动力机形式后 必须根据工作载荷的特性和动力机的负荷特性来确定最终选用的动力机械类型 确定动力机类型后 根据工作机械的负荷特性计算动力机的容量 预选动力机型号 63 3 1 5动力机的选用原则 动力机形式的选用原则 分析工作机械的负载特性和要求 包括工作机械的载荷特性 工作制度 结构布置和工作环境 分析动力机本身的机械特性 包括动力机的功率 转矩 转速等特性 以及动力机所能适应的工作环境 应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配 进行经济性的比较 当同时可用多种类型的动力机进行驱动时 经济性的分析是必不可少的 包括能源的供应和消耗 动力机的制造 运行和维护成本的对比等 64 3 1 5动力机械的选用原则 动力机类型的选用原则 考虑不同类型动力机的机械特性 使之与工作机相匹配 动力机型号的选用原则 计算所要求的具体性能数据 如 功率 速度 排量等 选择具体型号 65 3 2操纵控制系统的方案设计 3 2 1操纵系统的组成 功能和分类3 2 2操纵系统设计3 2 3操纵系统设计的人机工程学3 2 4机械系统控制复习思考题 66 3 2 1操纵系统的组成 功能和分类 一 操纵系统的组成二 操纵系统的功能三 操纵系统的分类 67 一 操纵系统的组成 操纵系统是指把人和机械联系起来 使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体 操纵件 产生操纵动力或发出操纵信号 执行件 执行操纵运动 传动件 将操纵运动及其上的作用力传递给执行件 辅助元件 保证操纵系统安全的元件 操纵系统是人与机械直接联系的闭环调节系统 68 二 操纵系统的功能 功能 实现信号的转换 即把操作者施加于机械的信号 经过转换传递到执行系统 以实现机械的启动 停止 制动 换向 变速和变力等目的 基本要求 操纵灵活 轻便省力操纵件定位可靠系统反馈准确迅速且具有可调性操纵方便舒适操纵安全可靠 69 三 操纵系统的分类 按操纵系统的驱动方式分类按操纵系统的传动方式分类按一个操纵件控制的执行件数目分类 此外 手动 脚动 遥控操作系统 70 3 2 2操纵系统设计 原理设计结构设计操纵件的造型设计 根据系统总体设计要求 选择操纵件 执行件和传动机构的方案 确定主要设计参数及有关几何尺寸 在原理方案的基础上 形成各个组成部分的形状和尺寸 在不同造型 不同功能的机器上 采用独特的造型和风格 并与机械整体相协调 71 操纵系统的主要参数 操纵力Fc 操作者施加给机器操纵件的最大作用力 取决于执行件的工作阻力Fz和操纵系统的传动比 c 0 7 0 8 操纵行程Sc 执行件从初始位置移动到完成操纵任务时的位置 操纵件所具有的相应位移量 Sz执行件行程 传动比uc 传动件主动力臂与从动力臂之比 72 操纵件的结构设计 操纵件 8执行件 13 16传动件 1 3其它结构元件 73 操纵件的造型设计 1 旋纽旋纽的造型应具有线条简洁大方的形体 要与机械造型的风格一致 颜色以素雅为宜 除特殊规定外 多用黑色 金属灰色或乳白色 需要突出标记的旋钮宜涂饱和度高 明亮度大的颜色 如白 浅黄 浅蓝 朱红 黑色等 2 手柄和手轮手柄和手轮的断面形状和线条应简单大方 有特殊操纵要求或起点缀作用的手轮内壁涂鲜明醒目的颜色 手柄端部装上有颜色的塑料球头或把手 以引人注目 手柄和手轮应手感舒适 色质柔和 不宜过多地镀亮铬 74 经常操纵的操纵件中间位置和移动范围应布置在最有利工作范围内 3 2 3操纵系统设计的人机工程学 由于在 人 机 系统中起决定性作用的是人 而人又常常存在着体力不足 反应迟缓 准确性差 记忆力有限和容易疲劳等弱点 所以 在设计操纵系统时 就必须依据人体功能特点和心理 生理规律来进行设计 使 人 机 系统达到最佳配合状态 设置安全保护装置以保证系统的正常运行和人身安全 结构件的结构造型应舒适并适应不同的操作情况 75 立势操纵的工作范围及操纵力设计 站立时手臂的活动范围阴影区 最有利的活动范围小圆弧 手臂的正常活动范围大圆弧 手臂的最大可及范围 76 坐势操纵的工作范围及操纵力设计 一般坐势操纵的工作范围和视力范围 77 坐势操纵的工作范围及操纵力设计 坐势下肢的活动范围a 垂直面内下肢活动范围b 水平面内下肢活动c 不同身材的下肢活动范围 78 手动操纵件的结构造型 机械操纵件以手动操纵为多 目前常用的手动操纵件有手柄 手轮 旋纽和按键等 设计手动操纵件时 应注意以下几点 1 设计手柄式操纵件时 要重视柄部的结构形状和尺寸 由于手掌心肌肉最少 为防止掌心用力过大而产生痉挛 柄部结构应壁免手掌与柄部完全贴合 2 为了便于识别和记忆 各操纵件最好采用不同形状的柄部或者不同颜色的按钮 采用旋转式操纵件时 最好将旋纽上的手捏部分设计成一头尖的形状 或标上醒目的标记 用它来指明旋转的刻度位置 由于电子技术的发展 键盘式按键开关应用越来越多 在按键上可注上文字或图形 便于识别和记忆 3 键盘式按键开关占用空间小 操作时视野范围集中 手的活动范围小 操作省力 反应快且准确性高 4 采用复合多功能操纵件 可以在操作时手不离开操纵件而完成多种操纵任务 且可节约操作空间 79 脚动操纵件的结构造型 脚动操纵件的结构型式a 踏板绕较远的支点旋转b 踏板平移c 踏板绕较近的指点旋转 支点在前d 踏板绕较远的指点旋转 支点在后 80 操纵环境的安全保护 1 操纵环境的不安全因素造成操纵失误的环境因素有机械系统的干扰 操作者的干扰和自然环境的影响 机械系统的干扰来自被操作的机械或周围的其他机械 如振动 噪声 粉尘 油污等 自然环境的干扰如温度 湿度 粉尘对操作安全性影响很大 尤其是室外作业的机械 来自操纵者的不安全因素包括人体健康 心情 情绪以及由此而造成的生理和心理的不良变化 2 操纵环境的安全保护操纵环境的安全保护主要是指对操纵环境的不安全因素采用必要的安全防护措施 如有以下一些 1 在机械系统中加装保护装置 如在汽车拖拉机等室外行走机械上安装驾驶室等 2 提高操作者作业环境的舒适性 3 设置指示和警报装置 81 操纵系统中的安全保护装置 1 自锁机构自锁机构是以一定的预压力把操纵件 执行件和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 2 互锁机构互锁机构使操纵系统在进行一个操作动作时把另一个操作动作锁住 从而避免机械发生不应有干涉 保证在前一执行件的动作完成后才可使另一执行件动作 如车辆和机床等各类机械的变速箱中不会同时挂两个档 在离合器和制动器配合动作操纵系统中 应保证离合器先脱开而制动器后制动 以及制动器先松开而离合器后接合 82 3 2 4机械系统控制 一 控制的作用二 控制系统的组成三 机械系统控制基本原理 83 一 控制的作用 现代机械系统都是由物料流 信息流和能量流所构成的集成系统 为了保证系统的工作质量 提高生产率 改善系统的动力特性和工作可靠性 就必须依靠控制系统才能达到要求 机械系统控制的主要作用有以下几点 1 使各执行机构按一定的顺序和规律运动 2 改变各运动构件的运动方向和速度大小 3 使各运动构件间有协调的动作 完成给定的作业循环要求 4 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 84 二 控制系统的组成 就结构而言 控制系统主要由控制部分和被控部分组成 被控部分就是机械系统 控制部分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信号 并对被控部分发出控制信号 被控部分则是接受控制信号 发出反馈信号 并在控制信号的作用下实现被控运动 典型的控制系统方框图 85 三 机械系统控制基本原理 1 开环控制系统如果控制系统只是根据给定的控制量进行控制 而被控量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响 则称这种控制为开环控制系统 这种系统只是单方向地依一定程序或规律实现控制 对应每一个输入值便有一个输出值 而输出值的精度完全取决于组成开环控制系统各环节的工作精度 各种干扰显著影响开环控制系统的工作性能 开环控制系统方框图 86 三 机械系统控制基本原理 开环控制系统实例 如果工作台从A点移动到B点 工件右上角的阴影部分将被切削 控制器从输出端口把数据以脉冲形式输出给步进电动机 因此 控制器可通过步进电动机转动必要的转数来对工作台的移动进行控制 87 三 机械系统控制基本原理 2 闭环控制系统控制系统根据被控量对输入量的偏差来进行控制 而被控量在整个控制过程中对控制量产生反馈 因闭环系统是按照反馈控制原理来工作的 故又称为反馈控制系统 闭环控制系统方框图 88 三 机械系统控制基本原理 闭环控制系统实例 在输入端设置了比较元件 计数器 在输出端设置了检测元件 回转编码器 用它来测定输出量 电脉冲数 再送到比较元件计数器中去 与输入信号 电脉冲数 进行比较 得出偏差信号 再用以控制输出量 89 3 3机械系统的精度设计 3 3 1精度设计中的基本概念3 3 2精度设计的主要原则3 3 3精密机械系统精度设计和误差分配 90 3 3 1精度设计中的基本概念 精密机械系统和大多数机电一体化系统均有较高的精度要求 属精密设备 其基本特点是精度 效率和自动化程度要求高 结构比较复杂 但其共同的基础是精密机械技术 精密机械技术与普通机械技术比较 机械原理 功用和重要性方面并无多大变化 其主要区别在于精度 分辨率和灵敏度等性能指标上 这就需要有充分的科学理论和实验为依据 才能进行有效的精度设计 91 3 3 1精度设计中的基本概念 基础 误差理论误差理论 研究影响测量或者设备精度的误差来源的及特性 误差评定和估计方法 以及误差的传递 相互转化作用规律 误差的合成与分配原则等从而为精密测量和精度设计提供可靠的科学依据 92 1 误差的定义对某个物理量进行测量时 所测得的数值Xi与真值X0之间的差值称为误差 i 93 误差大小反映了测量对真值的偏离程度 它具有下列特点 任何测量手段无论精度多高 总是有误差存在的 即真误差是客观的 当多次重复测量某个物理参数时 各次测量值是不等的 这是误差不确定性的反映 只有测量仪器的分辨率太低时 才会有相等的情况出现 由于真值是未知的 因此真误差也是未知的 94 2 误差的表示方法 绝对误差 绝对误差 是测得值X与被测量的真值X0之差 即绝对误差有量纲 能反映误差的大小和方向 但不能反映测量工作的精细程度 相对误差 绝对误差 与被测量真值X0之比定义为相对误差 即 95 相对误差无量纲 但能反映测量工作的精细程度 用仪器或仪表示值范围的相对误差 百分比值 表示该仪器的精度等级 例如温度 压力 流量和电测仪表的精度等级为0 1级 它表示该仪表的绝对误差为示值范围的土0 1 96 3 误差的分类根据误差的性质 来源及特点 可将误差进行分类 根据误差的性质分类 误差可分为随机误差 系统误差和粗大误差 随机误差是由许多独立因素的微量变化综合的结果 其数值大小和方向表面上看来无一定的规律 但随着测量次数的增加 测量值的增多 它将服从一定的统计规律 如正态分布 均匀分布 三角分布等 但大多数随机误差呈正态分布 系统误差的大小和方向在测量过程中是不变的 或者是按一定规律变化的 一般来说 系统误差可用理论计算或实验方法求得 可预测它的出现 也可进行调节和修正 粗大误差是由测量人员的疏忽或错误 在测得值中出现的异常误差 经认真判定后予以剔除 97 按被测参数的时间特性分类 误差可分为静态参数误差和动态参数误差 不随时间变化的被测参数称为静态参数 测定静态参数所得的误差称为静态参数误差 反之 被测参数是时间的函数称为动态参数 测定动态参数所得的误差称为动态参数误差 98 根据误差之间关系分类 误差可分为独立误差和相关误差 各原始误差之间是彼此独立 互不相关的 这种误差称为独立误差 在误差合成时可用误差独立作用原理来计算 反之 各原始误差之间是彼此相关的 这种误差称为相关误差 99 按误差来源分类 误差可分为原理误差 制造误差和运行误差 使用误差 原理误差可分为理论误差 方案误差 技术原理误差 机构原理误差 零件原理误差 电路及控制系统的原理误差等 例如 理论误差是指采用的工作原理在理论上的不完善 或者采用了近似理论所造成的误差 方案误差是指采用了不同技术方案所造成的误差 100 1 精度的含义根据误差的不同性质 可将精度分为 准确度 它用系统误差大小来表示 准确度反映了系统的测量值偏离真值的程度 精密度 它用随机误差大小来表示 精密度反映了测量值与真值的离散程度 精确度 它是系统误差和随机误差大小的综合反映 因此 精确度高表示准确度和精密度均高 而准确度高未必精密度高 反之亦然 这两种情况表示精确度不一定高 101 3 灵敏度和分辨率 灵敏度和分辨率是精度设计时应该考虑的另外两项重要的性能指标 1 灵敏度系统的灵敏度是指当输入的变化值 x趋近于0时 输出变化值 y与输入变化值 x比值的极限 即灵敏度S定义为灵敏度的具体数值与系统的静态特性函数y f x 有关 例如 y Kx 则静态灵敏度K K为常数 102 2 分辨率它是指精密机械设备能感受 识别或检测到输入量的最小值 或者能产生 响应得到输出量的最小值 103 3 3 2精度设计的主要原则 1 变形最小原则精密机械设备的零部件受到自重 外载 温度变化 工艺内应力以及振动等因素的作用 都会产生变形误差 因此 变形最小原则即要求上述各种变形误差最小 提高零部件结构刚度减小温度影响减小内应力产生的变形 104 105 2 基面统一原则零件设计时 应注意遵守下列四个基面统一原则 以减小制造误差和测量误差 1 设计基面零件工作图上标注尺寸的基准面 2 工艺基面加工时的定位基面 以此加工其它面 3 测量基面以它为测量基准 测量与此有关的尺寸 4 装配基面以它为基准 确定零件间的相互位置 106 3 误差缩小和放大原理在传动链中 各级传动副的传动误差都按一定的传动比依次传递 最后集中反映到末端件上 导致两个端件之间产生相对位移误差 即传动误差 传动件的运动位移是在啮合过程中由主动件传给被动件的 并且只沿瞬时啮合点处的公法线方向传递 因此 一对传动副在啮合点处的公法线方向上的瞬时位移相等 传动误差的传递也遵循同样的规律 107 式中u1 第一对啮合齿轮的传动比 若不考虑轴的扭转变形 装在同一根轴上两个传动件的角度位移是相等的 由于z2和z3同轴 因此 z2的误差传到z3时为同理 z1误差传到z4时为式中u2 第二对啮合齿轮的传动比 所以 108 由此得出误差传递的规律 传动链中任意一个环节n产生转角误差时 其后面的某个传动环节k的转角误差应为由于传动链是由若干传动件组成的 因此每一传动件的误差都将传递到末端件 根据概率原理 传动链各传动件误差反映到末端件的总转角误差为式中u