机电一体化系统的机电有机结合分析与设计

第六章机电系统有机结合分析与设计,初步设计方案包括：（1）系统主要元部件的种类（2）各部件之间的连接方式（3）系统控制方式（4）所需能源形式（5）校正补偿方法（6）信号转换方式,第一节机电一体化系统的稳态与动态设计,稳态设计包括：（1）系统的输出运动参数达到技术要求;（2）执行元件的参数选择;（3）功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算;（4）各主要元部件的选择;（5）电路控制设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等;并为后面动态设计的校正补偿装置的引入留有余地。,动态设计：动态设计主要是设计校正装置，使系统满足动态性能指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。,第二节机电一体化系统的稳态设计考虑方法,一、负载分析,（一）典型负载,惯性负载外力负载弹性负载摩擦负载,1、求等效转动惯量:,2、求等效负载转矩:,（二）负载的等效转换,3、计算举例,图进给系统示意图,二、执行元件的匹配选择（一）系统执行元件的转矩匹配,2、转矩匹配计算实例,1、转矩计算,总负载转矩:,考虑到机械的总传动效率:,判定条件:,（二）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机）1、功率估算,2、验算（1）过热验算,（2）过载验算,三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配,1、使加速度最大的选择方法；,2、最大输出速度选择方法；,3、满足送进系统传动基本要求的选择方法；,4、减速器输出轴转角误差最小原则；,5、对速度和加速度均有一定要求的选择方法。,四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计,1、检测传感装置2、信号转换接口电路3、放大电路4、电源,五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算,在稳态设计的基础上，利用所选元部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自动控制理论基础课程所学知识建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。此处以工作台闭环伺服进给系统为例，分析在不同控制方式下的传递函数的建立方法。,图系统框图,（一）半闭环控制方式,图用滚珠丝杠传动工作台的伺服进给系统,传递函数,1、半闭环控制方式（系统不受干扰）,2、半闭环控制方式（如系统受到外扰动转矩Tr）,图附加扰动力矩（以电压VD表示）的系统框图,图附加扰动力矩的等效电压后的框图,传递函数,（二）全闭环控制方式,图全闭环直流伺服控制系统组成,图系统框图,传递函数,（三）机械传动系统传递函数Gj（s）的建立方法,图伺服进给机械传动系统示意图,设K为等效到电动机轴上的总的扭转刚度，则有,（，K为K3、K4换算到轴上的扭转刚度）,又有：等效到电动机轴I上的转角为；等效到轴上的转角为；等效到轴上的转角为；m等效到轴上的转动惯量为；B等效到轴上的速度阻尼系统为。,设作用在轴上的转矩为，作用在轴上的转矩为，则有,利用每一级轴上力矩平衡建立平衡方程。,消去、，并进行拉氏变换，得到系统的传递函数为：,式中：,传递函数：,图机械传动系统的简化,1、系统组成与描述,（四）工作台进给系统的主谐振频率,2、等效刚度、等效转动惯量、等效阻尼系数计算,3、根据转矩平衡写出动态方程并求出传递函数,系统框图,4、主谐振频率的计算,阻尼比：,主谐振频率：,（5）实例（自主学习）,例：由直流伺服电动机驱动的全闭环系统，如图所示，检测传感器安装在移动工作台导轨上。这种方式常用于不能采用大变速比的直流伺服电动机或CNC机床的连续切削控制等的驱动系统中。已知：直流伺服电动机的转速n1200r/min，功率P1.5kW，转子转动惯量Jm110-4Kgm；齿轮箱的减速比i3，z117，z251，模数m2mm，齿轮宽度B15mm；滚珠丝杠的直径ds60mm，长度l2.16mm，基本导程l012mm，丝杠转速ns400r/min；工作台的移动部件总重W2000N，最大进给速度为4.8m/min，导轨摩擦系数0.05。,解：（1）求主谐振频率,（2）求由丝杠系统的轴向刚度和齿轮传动间隙引起的失动量,图滚珠丝杠两端用止推轴承支承,第二节机电一体化系统的动态设计考虑方法,系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。,一、机电伺服系统的动态设计,二、系统的调节方法,图单位阶跃响应过渡过程曲线,以单位阶跃函数为例：,1、PID调节器及其传递函数,（1）比例（P）调节,它的调节作用的大小主要取决于增益KP（比例系数）的大小。KP越大，调节作用越强，但是存在调节误差。而且KP太大会引起系统不稳定。,（2）积分（I）调节,系统中采用积分环节可以减少或消除误差，但由于积分调节器响应慢，故很少单独使用。,（3）比例-积分（PI）调节,这种环节既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱点，既能改善系统的稳定性能，又能改善其动态性能。,（4）比例-积分-微分（PID）调节,这种校正环节不但能改善系统的稳定性能也能改善其动态性能。但是，由于它含有微分作用，在噪声比较大或要求响应快的系统中不宜采用；PID调节器能使闭环系统更加稳定，其动态性能也比用PI调节器时更好。,2、调节作用（在闭环电机伺服系统中应用）,图闭环伺服系统结构图（四种调节器的作用分析）,3、速度反馈校正,在机电伺服系统中，电动机在低速运转时，工作台往往会出现爬行与跳动等不平衡现象。当功率放大级采用晶闸管时，由于它的增益的线性相当差，可以说是一个很显著的非线性环节，这种非线性的存在是影响系统稳定的一个重要因素。为改善这种状况，常采用电流负反馈或速度负反馈。,三、机械结构弹性变形对系统的影响,1、结构谐振的影响（1）半闭环系统中，结构谐振将引起系统不稳定，谐振频率附近产生自激振荡（2）闭环系统基本不受结构谐振影响，但结构谐振影响被控对象的实际运动2、减小或消除结构谐振的措施工程上常采取以下几项措施来减小或消除结构谐振。（1）提高传动刚度（2）提高机械阻尼（3）采用校正网格（4）应用综合速度反馈减小谐振。,四、传动间隙对系统性能的影响分析,1、闭环之内的动力传动链间隙影响系统的稳定性2、反馈回路上的传动链间隙既影响系统的稳定性又影响系统精度,图传动间隙在闭环内的结构图（G3）,五、机械系统实验振动模态参数识别分析,第三节可靠性、安全性设计,一、可靠性设计,1、可靠性（dependability）的基本概念,2、保证产品（或系统）可靠性的方法,（1）提高产品的设计和制造质量（裕度法、自动控制）；（2）冗余技术（工作冗余、后备冗余）；（3）诊断技术（测试、症兆、诊断）；,3、干扰和抗干扰措施（1）干扰源,强电干扰,接地干扰,供电干扰,A、传导型,供电干扰强电干扰接地干扰,B、辐射型,（2）抗干扰措施A、供电系统的抗干扰措施（稳压/滤波/隔离）；B、接口电路的抗干扰措施（吸收/隔离）；C、接地系统的抗干扰措施（单点接地/并联接地/光电隔离）；D、辐射干扰的抗干扰措施（屏蔽/接地）；E、软件抗干扰措施。利用软件来提高系统的可靠性提高软件的可靠性,二、安全性（Security）设计,随着生产机械、搬运机械、装配机械等的机电一体化的发展、自动化程度的提高，安全性设计越来越重要。从工业安全角度来看，要减少生产事故的发生，在很大程度上寄希望于发展机电一体化技术。最后，从最近的发展趋势来看，机电一体化机械设备的自动化还存在