1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本课程的考核 闭卷 平时（点名+作业）20%+期末考试80%； 参考教材： 1.机电一体化系统设计 姜培刚，盖玉先，机工出版 社 v2.机电一体化技术基础及应用 黄筱调，机工出版 社 v3.机电一体化机械系统设计 赵松年，机工出版社 v4.机电一体化设计基础 郑堤，唐可宏，机工出版社 先修课程 机械原理、机械设计 电工学 机械工程控制基础、机械工程测试技术 PLC、微机原理与接口、单片机原理与接单片机原理与接 口口 电机拖动控制、机电传动控制电机拖动控制、机电传动控制 数控技术、计算机控制技术计算机控制技术 涉及的技术面广：涉及机械技术、微电子技 术、信息
2、处理技术、自动控制技术、检测技 术、电力电子技术,接口技术及系统集成技 术等群体技术。 机电结合，综合应用：部分内容与其它课程 有交叉 应用广泛，实用性强：广泛应用于机械、家 电、办公等领域。 机机电电一体化一体化系统系统设计设计 特点如下： 9轴5联动车铣复合加工中心 （1)打印头驱动机构 该机构利用步进电机及齿轮减速装置，由 同步齿形带来带动打印头横向运动； (2)打印头 打印头即印字 机构，它是成字部件，由若干根打印针和相应数量的电磁铁组 成，其中电磁铁可驱动打印针完成击打动作； 机电液一体化、光机电一体化机电液一体化、光机电一体化 电液伺服电液伺服 生生机电一体化机电一体化 示教机械手
3、 内容简介内容简介 第一章 绪论 第二章 机电一体化机械系统设计 第三章 传感器检测与接口电路 第四章 控制电机及其选择 第五章 工业控制计算机与接口技术 第六章 机电一体化系统设计及应用举例 第一章 绪论 第一节 机电一体化的定义 第二节 机电一体化系统的基本功能要素 第三节 机电一体化的相关技术 第四节 现代机械的机电一体化方法 第五节 本课程的目的和要求 第一章 绪 论 第一节第一节 机电一体化的定义机电一体化的定义 “机电一体化机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”, Mechatronics =Mechanics（机械学）+Electronics（电子 学） 在我国
4、通常称为机电一体化或机械电子学 。 机电一体化技术机电一体化技术 机械技术（机械机械技术（机械 学、机构学）学、机构学） 微电子技术（半微电子技术（半 导体、导体、IC、LSI） 机电一体化一词最早起源于日本从字面上表 示为机械学和电子学两个学科的综合。 机电一体化并不是机械技术和电子技术的简 单叠加，而是有着自身体系的新型学科。 定义定义：机电一体化技术是从：机电一体化技术是从系统工程系统工程观点出观点出 发，应用机械、电子、信息等有关技术，发，应用机械、电子、信息等有关技术， 对它们进行有机的组织和综合，实现系统对它们进行有机的组织和综合，实现系统 整体的最佳化。整体的最佳化。 它不是机械
5、与电子的简单的叠加，而是它不是机械与电子的简单的叠加，而是 在信息论（利用传感技术）、控制论（利在信息论（利用传感技术）、控制论（利 用控制理论）和系统论（用控制理论）和系统论（“系统系统”整体筹整体筹 划、融合，机械和电子只是划、融合，机械和电子只是“环节环节”）的）的 基础上建立起来的基础上建立起来的应用技术应用技术。 机电一体化定义 机电一体化定义 机电一体化是机械技术、微电子技术、信息技术以及其机电一体化是机械技术、微电子技术、信息技术以及其 它新技术的有机的结合或融合。它新技术的有机的结合或融合。 机电一体化的主要目的机电一体化的主要目的 主要目的：给传统机械加上主要目的：给传统机械
6、加上大脑和神经大脑和神经，增加机械增加机械 系统或装置的精度、自动化程度等附加值。系统或装置的精度、自动化程度等附加值。 与传统机械工业相比，机电一体化机械产品的加与传统机械工业相比，机电一体化机械产品的加 工精度、效率、稳定性、自动化程度都得到了很大提工精度、效率、稳定性、自动化程度都得到了很大提 高。高。 现在对机械电子系统的看法是：除了“块与块”之间 的动力（肌肉）联系之外，还有信息（神经）之间的 相互联系，并由具有数值运算和逻辑推理能力的计算 机来对机械电子系统的所有信息进行智能处理。 机电一体化技术在制造业的应 用从一般的数控机床、加工中心和机 械手发展到智能机器人、柔性制造系智能机
7、器人、柔性制造系 统（统（FMS）、无人生产车间）、无人生产车间和将设计、 制造、销售、管理集于一体的计算机计算机 集成制造系统集成制造系统（CIMS）。 第二节 基本功能要素 机电一体化系统的形式多种多样，其功 能也各不相同。一个典型的机电一体化系统， 应包括以下几个基本的功能要素：应包括以下几个基本的功能要素： 机械本体、动力单元、传感检测单元、机械本体、动力单元、传感检测单元、 执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元 各要素和环节之间通过接口相联系，这些 基本要素的关系及功能如图1-1所示。 工作指令工作指令 机械本体机械本体 控制单元控制单元 驱动
8、单元驱动单元动力单元动力单元传感单元传感单元 执行单元执行单元 外界信息外界信息 如干扰如干扰 所需的机械运动所需的机械运动 图图1-1 1-1 机电一体化系统的组成及工作原理机电一体化系统的组成及工作原理 目标目标 当前状态当前状态 机电一体化系统 要素 功能人体要素 控制器（计算机） 控制（信息存储、处理、传送）头脑 网络信息传递神经 检测、传感器计测（信息收集与变换）感官 执行元件驱动（操作）肌肉手足 动力源提供动力（能量）消化 一、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。 其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按使构造系统的各子系统、零部件按 照一定的空间和时间关系安置（装
9、配连接）在一照一定的空间和时间关系安置（装配连接）在一 定位置上，并保持特定的关系定位置上，并保持特定的关系。 由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的 提高，机械本体需在机械结构、材料、加工工艺 性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、 可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。 三、执行单元 执行单元的功能是根据控制信息和指令在驱 动单元的驱动下完成所要求的动作。执行单元是 运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机 械能，一般采用机械、电液、电磁等机构。 根据 机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善执 行机构的工作性能，提高系统整体可靠性等。 四、驱动单元四、驱动单元 驱动单元的功能是在控
10、制信息作用下， 在动力单元的支持下，驱动各种执行机构 （执行单元）完成各种动作和功能。 机电一体化系统一方面要求驱动的高效 率和快速响应特性，同时要求对水、油、温 度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由 于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需 考虑维修方便和实行标准化。由于电力电子 技术的高度发展，高性能的步进电机、直流 和交流伺服电机大量用于机电一体化产品， 相应的驱动器也不断的发展。 H型型直流直流电机电机PWM驱动器驱动器 动力源动力源 控制端控制端 控制端控制端 接直流电机接直流电机 输入为：控制输入为：控制+动力动力 五、传感检测单元 传感检测单元的功能是对系统运行过程中所需 要的本
11、身和外界环境的各种参数及状态进行检测， 并转换成可识别信号，传输到信息处理单元，经 过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能通 常由专门的传感器和仪器仪表完成。 传感检测单元的精度和稳定性直 接影响机电一体化系统的精度和稳 定性。 传感检测单元的精度和稳定性直接影响机电一传感检测单元的精度和稳定性直接影响机电一 体化系统的精度和稳定性。体化系统的精度和稳定性。 六、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核核 心单元心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和 外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根 据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控 制信号，通过输出接口送往驱动单元
12、和执行机构， 控制整个系统有目的地运行。 控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控 制器、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换器、 I/O接口、各种控制算法等组成。 动力单元、控制单元、驱动单元、执行单元、动力单元、控制单元、驱动单元、执行单元、 传感检测单元间关系传感检测单元间关系 七、接口 n定义： 将机电一体化产品各组成部分连接起来的元件就是接口。 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整 体，使各个功能环节有目的地协调一致运动或工作，从 而形成机电一体化的系统工程。各要素或各子系统相接 处必须具备一定的连接部件，即接口。 信息通信协议：RS232、USB2.0、TCP/IP
13、接口的功能：连接-变换！ 运动变换、能量变换、信息变换 其基本功能主要有三个： 一是交换一是交换，需要进行信息交换和传输的环节 之间，因信号的模式不同，无法直接实现信息或 能量的交流，通过接口完成； 二是放大二是放大，在两个信号强度相差悬殊的环节 间，经接口放大，达到能量匹配。 三是传递三是传递，运动传递: 是指运动各组成环节 之间的不同类型运动的变换与传输,如位移变换、 速度变换、加速度变换及直线运动和旋转运动变 换等。 接口技术的作用：接口技术的作用： 为实现机械、电子、信息等各异技术在机为实现机械、电子、信息等各异技术在机 电一体化系统中的物质、能源、信息的传递电一体化系统中的物质、能源
14、、信息的传递 与转换，达到系统所需的目的功能。与转换，达到系统所需的目的功能。 实际上，机电一体化设计是一个系实际上，机电一体化设计是一个系 统统集成设计集成设计，需要解决的根本问题，需要解决的根本问题 就是就是接口技术接口技术问题。问题。 机电一体化技术的机电一体化技术的发展前景或趋势：发展前景或趋势： 性能上：性能上：向高精度、高效率、高性向高精度、高效率、高性 能、智能化方向发展；能、智能化方向发展； 功能上：功能上：向小型化、轻型化、多功向小型化、轻型化、多功 能方向发展；能方向发展； 层次上：层次上：向系统化、复合集成化的向系统化、复合集成化的 方向发展方向发展。 第三节第三节 机电
15、一体化的相关技术机电一体化的相关技术 机电一体化是多学科技术领域综合交 叉的技术密集型系统工程。其主要的 相关技术可以归纳为六个方面： 机械技术、传感检测技术、信息处理 技术、自动控制技术、伺服驱动技术 和系统总体技术。 一、机械技术一、机械技术 机械技术是机电一体化的基础。机械技术是机电一体化的基础。 机电一体化的机械产品与传统的机械产品机电一体化的机械产品与传统的机械产品 的区别在于：结构更简单、功能更强、性的区别在于：结构更简单、功能更强、性 能更优越。现代机械要求具有更新颖的结能更优越。现代机械要求具有更新颖的结 构、更小的体积、更轻的重量，还要求精构、更小的体积、更轻的重量，还要求精
16、 度更高、刚度更大、动态性能更好。度更高、刚度更大、动态性能更好。 机械技术的出发点：机械技术的出发点：如何与机电一体化如何与机电一体化 技术相适应，利用其它高、新技术来更新技术相适应，利用其它高、新技术来更新 概念，实现结构上、材料上、性能上以及概念，实现结构上、材料上、性能上以及 功能上的变更。功能上的变更。 二、传感检测技术二、传感检测技术 传感与检测装置是系统的感受器官,它与 信息系统的输入端相连并将检测到的信息输 送到信息处理部分。传感与检测是实现自动 控制、自动调节的关键环节,它的功能越强, 系统的自动化程度就越高。传感与检测的关 键元件是传感器。 传感检测技术的研究内容，一是研究
17、如何 将各种被测量转换为与之成比例的电量；二 是研究如何对转换的电信号的加工处理。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、快速、 准确准确地获取信息。因此大力开展对传感检测 技术的研究对于机电一体化技术的发展具有 十分重要的意义。 三、信息处理技术三、信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、 运算、判断和决策，因此信息处理技术与 计算机技术密切相关。 计算机技术包括计算机的软、硬件技 术、网络通讯和数据技术。机电一体化系 统中主要采用工控机、单片机、PLC进行信 息处理。 计算机应用及信息处理技术已成为促 进机电一体化技术发展和变革的最重要因 素，信息处理的发展方向是提高信息处理 的速
18、度、可靠性和智能化程度。 四、自动控制技术四、自动控制技术 自动控制技术就是在此理论的指导下对具体自动控制技术就是在此理论的指导下对具体 控制装置或控制系统进行设计；之后进行控制装置或控制系统进行设计；之后进行 系统仿真，现场调试；最后使研制的系统系统仿真，现场调试；最后使研制的系统 可靠地投入运行。机电一体化系统中的自可靠地投入运行。机电一体化系统中的自 动控制技术主要包括位置控制、速度控制、动控制技术主要包括位置控制、速度控制、 最优控制、自适应控制以及模糊控制、神最优控制、自适应控制以及模糊控制、神 经网络控制等。自动控制技术的目的在于经网络控制等。自动控制技术的目的在于 实现机电一体化
19、系统的目标最佳化。自动实现机电一体化系统的目标最佳化。自动 控制所依据的理论是自动控制原理，控制所依据的理论是自动控制原理， 五、伺服驱动技术 “伺服”(Serve)即“伺候服侍”的意思。 伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件，使执行部件部件严格按照指 令要求运动，并具有良好的动态性能。伺服 驱动包括电动、气动、液压等各种类型的传 动装置，这些传动装置通过接口与计算机相 连。 常见的主要有电气伺服（交流伺服）和液 压伺服两类。 六、系统总体技术六、系统总体技术 系统总体技术是以整体的概念组织应用 各种相关技术的应用技术。即从全局的角 度和系统的目标出发，将系统分解为若干 各子系统
20、，从实现整个系统技术协调的观 点来考虑每个子系统的技术方案。 机电一体化系统是一个技术综合机电一体化系统是一个技术综合 体，它利用系统总体技术将各有关技体，它利用系统总体技术将各有关技 术协调配合、综合运用而达到整体系术协调配合、综合运用而达到整体系 统的最佳化。统的最佳化。 1.1.机电一体化技术与传统机电技术的区别机电一体化技术与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种 电器来实现,如继电器、接触器等,在设计中不考虑或很少 考虑彼此间的内在联系； 机械本体和电气驱动界限分明, 整个装置是刚性（物理）的,不涉及软件和计算机控制。 机电一体化技术以计算机为控制中心,
21、在设计过程中强调 机械部件和电器部件间的相互作用和影响,整个装置在计 算机控制下具有一定的智能性。 早期的机电一体化产品主要强调的是物理上和动力上的 联结，当前机电产品越来越强调基于传感器信息的驱动和 控制，这样可以实现更加精准的动作。 机电一体化技术与其他技术的区别机电一体化技术与其他技术的区别 2.2.机电一体化技术与自动控制技术的区机电一体化技术与自动控制技术的区 别别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、 控制规律、分析方法和自动系统的构造等。 机电一体化技术将自动控制原理及方法作为 重要支撑技术,将自控部件作为重要控制部 件应用自控原理和方法,对机电一体化装置进 行系统分析和性能测算
22、 3.机电一体化技术与计算机应用技术的 区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部 件应用,目的是提高和改善机械系统性能。计 算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机 应用技术中的一部分,它还可以在办公、管理 及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化 技术研究的是机电一体化系统,而不是计算机 应用本身。 第四节 现代机械的机电一体化方法 一、机电一体化产品和系统的分类 机电一体化产品和系统种类繁多。按产品和 系统的用途分类，有产业机械，信息机械，民生 机械等；按机械和电子的功能和含量分类，有以 机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为 主体的电子产品；按机电结合的程度分类，有功 能附加型、功
23、能替代型和机电融合型。 机电一体化产品和系统的分类如图1-2所示。 图1-2 机电一体化产品和系统分类 机电一体化产品的归类 现在机械的机电一体化目标是综合利用 机、电、信息、控制等各种相关技术的 优势，扬长避短，以达到系统优化效果， 取得显著的社会效益和技术经济消息。 二、机电一体化目标 现在机械机电一体化目标 提高精度 增强功能 提高效率 节约能源 提高安全性 改善操作性、实用性 增加柔性 降低价格 三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 1.机械的电子化机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计）在原有机械系统的基础上采用微型计 算机控制装置，使系统的性能提高，功能算机控
24、制装置，使系统的性能提高，功能 增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物 的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节 水、节电、节时、节洗衣粉的功能；水、节电、节时、节洗衣粉的功能； 1.机械的电子化机械的电子化 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机）用电子装置局部替代机械传动装置和机 械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例 如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化 了传动链，提高了进给系统的动态性能；了传动链，提高了进给系统的动态性能； 将传统直
25、流电机的电刷用电子装置替代形将传统直流电机的电刷用电子装置替代形 成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺 寸减小等优点。寸减小等优点。 1.机械的电子化机械的电子化 （3）用电子装置完全替代原来执行信息）用电子装置完全替代原来执行信息 处理功能的机构，既减化了结构，又极处理功能的机构，既减化了结构，又极 大地丰富了信息传输的内容，提高了速大地丰富了信息传输的内容，提高了速 度。例如，石英电子钟表、电子秤、按度。例如，石英电子钟表、电子秤、按 键式电话等。键式电话等。 1.机械的电子化机械的电子化 （4）用电子装置替代机械的主功能，）用电子装置替代机械的
26、主功能， 形成特殊的加工能力。例如，电火花加形成特殊的加工能力。例如，电火花加 工机床、线切割加工机床、激光加工机工机床、线切割加工机床、激光加工机 床等。床等。 2.机电技术完全融合形成新型机电一体机电技术完全融合形成新型机电一体 化产品化产品 生产机械中的激光快速成形机；信息生产机械中的激光快速成形机；信息 机械中的传真机、打印机、复印机；检机械中的传真机、打印机、复印机；检 测机械中的测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装（计算机断层扫描诊断装 置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。 三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 机电一体化系统（产品）设计 方
27、案的常用方法 1. 取代法 取代法就是用电气控制取代原系统 中的机械控制机构。该方法是改造旧产 品、开发新产品或对原系统进行技术改 造常用的方法,也是改造传统机械产品的 常用方法。 如用电气调速系统取代机械式变速机构等如用电气调速系统取代机械式变速机构等 数控钻床数控钻床 立式钻床立式钻床 2 2. . 整体设计法整体设计法 整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计 时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计， 所以接口简单，甚至融为一体。 3.3.组合法组合法 组合法就是选用各种标准功能模块,像搭积木搭积木一 样组合设计机电一体化系统。 例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要 求
28、,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单 元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传 动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和 各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的 结构组成。 机电一体化产品是一个系统，存在着许多综合机电一体化产品是一个系统，存在着许多综合 技术问题。例如：技术问题。例如： （1）由机械传动零件间隙造成的精度问题； （2）机械零部件与电子元件相比响应速度慢 的问题； （3）连接电缆与接线柱的可靠性问题； （4）零件标准化、互换性、兼容性以及检测 自动化等问题。 第五节 本课程的目的和要求 本课程的目的是研究怎样利用系统设计原理 和综合集成技巧，将控制电机
29、、检测传感器、机 械系统、工控机等机电一体化要素组成各种性能 优良的、可靠的机电一体化产品或系统。 本课程的具体要求是： (1)掌握机电一体化系统设计的基本概念、基本原 理和基本知识。 (2)掌握机电一体化系统设计中常用的机械量检测 传感器、控制电机的原理、结构、性能和应用。 (3)掌握机电一体化系统设计中常用的机械系统设 计、工业控制计算机控制接口设计的基本方法。 (4)初步掌握机电一体化系统设计原理和综合集成 技巧，进行总体方案的分析和设计。 课后题 1. 机电一体化的定义 2. 通过一个典型机电一体化产品，说明 机电一体化系统的组成部分及各部分功 能。 65 第二章第二章 机械系统设计机
30、械系统设计 机械系统是机电一体化系统的最基本要素。 机电一体化中的机械系统与传统机械系统一样一样： 主要用于传动机构、支承部件和执行机构，以 完成规定的动作；传递功率、运动和信息，支 承连接相关部件等。 不同之处在于不同之处在于：机械系统通常是微型计算机控微型计算机控 制伺服系统制伺服系统的有机组成部分，因此，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，从而获得良好的伺服性伺服性 能能。 66 机电一体化机械系统的组成 1.1.传动机构传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是 转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的
31、一 部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以 满足整个机械系统良好的伺服性能。 2.2.导向机构导向机构 导向机构的作用是支承和导向,它为机械系 统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向 的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。 3.3.执行机构执行机构 执行机构是用来完成操作任务的直接装置。 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下 完成预定的操作 67 机电一体化机械系统的特殊要求机电一体化机械系统的特殊要求 机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有 一定的特殊要求：一定的特殊要求： （1 1）较高的定位精度）较高的定位精度 精度直接影响
32、产品的质量，尤其是机电一体化产品，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，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要 的要求。的要求。 68 （2 2）良好的动态响应特性）良好的动态响应特性 响应快、稳定性好。响应快、稳定性好。 机械系统作为闭环控制控系统的一部分，要求机械系机械系统作为闭环控制控系统的一部分，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，这样控制系
33、统才能及时根据机械系统的运行状态信息，短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息， 下达指令，使其准确地完成任务。要求机械系统的工作性下达指令，使其准确地完成任务。要求机械系统的工作性 能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。 （3 3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 （4 4）高的谐振频率、合理的阻尼比。）高的谐振频率、合理的阻尼比。 如何分析机械系统的伺服性能？如何分析机械系统的伺服性能？ 响应速度要快（快）（快） 定位精度要高（准）（准） 稳定性高（稳）（稳） 机电一体化系统通常是一个闭环伺服机电一体化系统通常是
34、一个闭环伺服系统，系统， 69 本章主要内容本章主要内容 介绍机械系统数学模型的建立； 分析机械传动系统的特性； 介绍机电一体化系统中常用的新型 机械传动装置和支承部件。 70 第一节第一节 机械系统数学模型的建立机械系统数学模型的建立 一、一、机械移动系统机械移动系统 机械移动系统的基本元件是机械移动系统的基本元件是质量、阻尼和质量、阻尼和 弹簧。建立机械移动系统数学模型的基本原理弹簧。建立机械移动系统数学模型的基本原理 是牛顿第二定律。是牛顿第二定律。 1 1定律内容：物体的加速度跟物体所受的合外力定律内容：物体的加速度跟物体所受的合外力F F 成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合
35、成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合 外力的方向相同。外力的方向相同。 2 2公式：公式： 下面举例说明平移系统的建模方法。 ( )mxcxkxf t 71 如下图2-1a所示的是组合机床动力滑台铣平面的情况。 图2-1动力滑台铣平面及其力学模型 a)动力滑台铣平面 b)系统力学模型 设动力滑台的质量 为m，液压缸的刚 度为k，粘性阻尼系 数为c，外力为f （t）。若不计动力 滑台与支承之间的 摩擦力，则系统可 以简化为如图2-1b 所示的力学模型。 72 由牛顿第二定律知，系统的运动方程为： 对上式取拉氏变换， 得到系统的传递函数为： 000 mxcxkxtf t kcsmssF s
36、X 2 0 1 2 000 ( )( )( )( )ms XscsXskXsF s 73 二、机械转动系统 机械转动系统的基本元件是转动惯量(相当 于移动中的的质量)、阻尼器和弹簧。建立机 械转动系统数学模型的基本原理仍是牛顿第二 定律。 下面举例说明机械转动系统的建模方法: ( )JckT t 74 简单扭摆的工作原理如图2-6 所示，图中J为摆锤的转动惯量； c为摆锤与空气间的粘性阻尼系数； k为扭簧的弹性刚度；T（t）为加 在摆锤上的扭矩；（t）为摆锤 转角。 图2-6 扭摆工作原理图 75 则系统的运动方程为： 对上式取拉氏变换， 得系统的传递函数为： (2-10) 可以看出，式（2-
37、10）与式（2-2）具有相同的形式。 JckT t kcsJssT s 2 1 76 小结：小结： 对机械系统的伺服性能的分析可以利用牛顿定 律建立其力学模型，对系统力学模型进行拉氏变换得到 系统函数，进而利用机械工程控制上的知识分析其性能。 数控机床进给系统数控机床进给系统 77 把各种物理量都折算到电 动机轴上后，就可以直 接建立数学模型了。 三、基本物理量的折算三、基本物理量的折算 为什么要折算？为什么要折算？ 78 三、基本物理量的折算三、基本物理量的折算 转动惯量的折算 阻尼系数的折算 刚度系数的折算 在建立机械系统数学模型的过程中，经常 会遇到基本物理量的折算问题，在此结合数控 机
38、床进给系统，介绍建模中的基本物理量的折 算问题。 79 数控机床进给系统如图2-9所示。电动机通过两级减速 齿轮z1、z2、z3、z4及丝杠螺母机构驱动工作台作直线 运动。 图2-9 数控机床进给系统 传动机构的功能？传动机构的功能？ 80 1转动惯量的折算 （1）目的： 对单个轴： 转动惯量折算的结果是对轴系中的任意轴轴系中的任意轴可以利用： （2）原则：动力平衡原理 （3）步骤： （一）轴I、II、III转动惯量的折算 （二）工作台质量的折算 （三）折算到轴I上的总转动惯量 过程详解 TJ TJ 81 2 2粘性阻尼系数的折算粘性阻尼系数的折算 机械系统的相对运动元件之间存在着粘 性阻尼，
39、并以一定的形式表现出来。在机 械系统的数学建模过程中，粘性阻尼同样 需要折算到某一部件上。 82 粘性阻尼系数的折算粘性阻尼系数的折算 对单个轴： 粘性组尼系数折算的结果是对一个 轴系中的任意轴可以利用： TC 阻尼 TC 阻尼 粘性阻尼系数折算过程详解 （2）方法、原则：）方法、原则：将摩擦阻力、流体阻力及负载 阻力折算成与速度有关速度有关的粘性阻尼力，再利用摩擦再利用摩擦 阻力与粘性阻尼力所消耗的功相等这一原则阻力与粘性阻尼力所消耗的功相等这一原则，求出 粘性阻尼系数，最后进行相应的当量阻尼系数折算。 （1）目的：）目的： （3）步骤： 83 3刚度刚度系数(K)的折算 机械系统中各元件在
40、工作时受到力和(或)力 矩的作用，将产生伸长（或压缩）和(或)扭转 等弹性变形，这些变形将影响整个系统的精度 和动态性能。在机械系统的数学建模中，需要 将其折算成相应的当量扭转刚度系数和(或)拉 伸刚度系数。 n对单个轴(静态)： K为扭转刚度 n刚度系数折算的结果是对轴系中的某个轴 可以利用： T K T K 84 其折算步骤如下所示： n（1）轴向刚度系数的折算 n（2）扭转刚度系数的折算 刚度系数折算过程详解 在本例中，首先将各 轴的扭转角折算到轴I 上，由于丝杠与工作 台之间的轴向弹性变 形会使轴III产生一个 附加扭转角，所以也 要折算到轴I上，然后 求出折算到轴I上的系 统的当量刚
41、度系数。 如何折算刚度K？T K 85 4. 建立系统的数学模型 将基本物理量折算到某一部件后，即可按单一 部件对系统进行建模。 折算总结折算总结 电机电机 轴1 轴轴1上的上的 负载负载 86 在输出轴上,根据动力平衡原理有: 2 2 i x dd JCKK dtdt T 轴1 轴1上的负载 n对整个工作台：设输入量为轴的输入（电机）转角xi；输出 量为工作台的线位移xo。根据传动原理,可把xo折算成轴的输 出角位移。 24 3 2 1 13 2 ()() oo z z i i i xx z zL 87 又因为 因此, 可以写成下式： 2 2 i x dd JCKK dtdt 24 13 2
42、 ()() o z z x Lz z 4 2 1 2 3 2 ()() 2 oo oi zzL z d xdx z JCKxKx dtdt 88 这就是机床进给系统的数学模型,它是一个二阶 线性微分方程。其中, J、C、K均为常数。通 过对上式进行拉氏变换,可求得该系统的传递函 数为 式中: n 系统的固有频率,其值为 系统的阻尼比,其值为 2 31 2 24 )()() 2 oo oi d xdxzzL JCKxKx dtdtz z （2-44） （2-43） 2 31 2 3241 22 24 ()() ( )2 ( )()() ( )22 on isnn zzL K Xszz zzL G
43、 s X sJsC sKz zss n K J 2CJK 89 1.0 0.7 0.4 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.6 0.8 2.0 123456789101112 nt xo( t ) n K J 2CJK 系统单位阶跃响应曲线系统单位阶跃响应曲线 2 2 , 1 1 arctan r n t 2 1 p Me 3 s n t 2 2 1 N （快速快速 性性）上 升时间： （准确性准确性） 最大超调 量： （稳定性稳定性） 调整时间： 震荡次 数： 90 将s=j代入式（2-44）可求出A（）
44、和 （）,即该机械传动系统的幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性。 由A（）和（）可以分析出系统不同频率的 输入（或干扰）信号对输出幅值和相位的影响,从 而反映了系统在不同精度要求状态下的工作频率 和对不同频率干扰信号的衰减能力。 2 31 2 3241 22 24 ()() ( )2 ( )()() ( )22 on isnn zzL K Xszz zzL G s X sJsC sKz zss 91 第二节第二节 机械传动系统的特性机械传动系统的特性 一、一、 机电一体化对机械传动的机电一体化对机械传动的 要求要求 机械的主功能是完成机械运 动。一部机器必须完成相互协调 的若干机械运动，每个
45、机械运动 可由单独的控制电机、传动件和 执行机构组成的若干子系统来完 成，若干个机械运动则由计算机 来协调与控制。 92 这就要求设计机械时的总体布 局、机械选型和结构造型更 加合理和多样化。 93 机械传动装置的功能机械传动装置的功能 机械传动是一种机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递把动力机产生的运动和动力传递 给执行机构给执行机构的中间装置的中间装置, ,是一种扭矩和转速的变换器是一种扭矩和转速的变换器, , 其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹 配配, ,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。并可通过机构变换实现对输出的速度调节
46、。 在机电一体化系统中在机电一体化系统中, ,伺服电动机的伺服变速功伺服电动机的伺服变速功 能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构, , 只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时, ,才才 通过传动装置变速通过传动装置变速。 94 1.0 0.7 0.4 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.6 0.8 2.0 123456789101112 nt xo( t ) 2CJK n K J 机械传动链应尽可能缩短机械传动
47、链应尽可能缩短! 传动链对机械系统传动链对机械系统 伺服性能的影响伺服性能的影响 传动链刚度、转传动链刚度、转 动惯量和阻尼比动惯量和阻尼比 对伺服性能的影对伺服性能的影 响响 95 (1)随着直接驱动技术的发展，伺服电动机的伺服变速功能 在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构。只有当伺 服电机的转速范围和控制满足不了系统要求时，才通过传动 装置变速。 (2)直线电机： (3)电主轴： 缩短传动链的三种实例：缩短传动链的三种实例： 传动链还不能完全消失传动链还不能完全消失 96 传动链的传动精度对闭环系统和开环系统控制传动链的传动精度对闭环系统和开环系统控制 精度的影响不同！精度的影响不同
48、！ 传动链的传动精度系统精度的影响传动链的传动精度系统精度的影响 无法缩短传动链时需要分析传动链动伺服性能的影响无法缩短传动链时需要分析传动链动伺服性能的影响 97 1负载的变化负载的变化 负载包括工作负载、摩擦负载等。 要合理选择驱动电机和传动链，使之与负载变化相 匹配。 2传动链惯性（转动惯量）传动链惯性（转动惯量） 惯性即影响传动链 的启停特性，又影响控制的快速性、定位精度和速 度偏差的大小。（惯性大的物体难控） 3传动链固有频率传动链固有频率 固有频率影响系统谐振和传 动精度。 4间隙、摩擦、润滑和温升间隙、摩擦、润滑和温升 它们影响传动精度 和运动平稳性。 影响机电一体化系统中传动链
49、的动力学性能动力学性能的因 素一般有以下几个： 2CJK n K J 98 二、二、机械结构因素对伺服系统性能的影响（机械机械结构因素对伺服系统性能的影响（机械 传动特性）传动特性） 为满足机电一体化机械系统的良好伺服性能，要求 机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚 度大、抗振动性能好、间隙小度大、抗振动性能好、间隙小的要求，同时还要求机械机械 部分的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配部分的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配。 机电一体化系统中的伺服系统伺服系统，主要以机械量为控 制对象的一种自动控制系统。工作时，要求系统的输出 能平稳地、快速地
50、、准确地平稳地、快速地、准确地跟随输入指令动作。机械传 动系统的结构参数对伺服系统性能有很大影响： 99 1 1转动惯量转动惯量 对精度、稳定性和动态响应都有影响。 惯量大： （1）负载增大，响应慢，降低控制灵敏度， 伺服特性变差； （2）会使系统的固有频率下降,容易产生 谐振,因而限制了伺服带宽,影响了伺服精度 和响应速度。 2CJK n K J 100 并且传动链转动惯量的增加，会使电气驱动部件并且传动链转动惯量的增加，会使电气驱动部件 的谐振频率降低。的谐振频率降低。机械传动部件的转动惯量与小惯量 电机驱动系统谐振频率的关系如图图2-112-11所示。 图图2-11 2-11 外载荷对谐
