機(jī)電一體化系統(tǒng)的元、部件特性(2)

1、14.1 機(jī)械系統(tǒng)特性機(jī)械系統(tǒng)特性4.2 傳感器的特性分析傳感器的特性分析4.3 執(zhí)行元件的特性分析執(zhí)行元件的特性分析4.4 執(zhí)行元件與機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合中的若干問題執(zhí)行元件與機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合中的若干問題2n特性分析目的特性分析目的機(jī)電一體化系統(tǒng)各子系統(tǒng)的輸入與輸出之間不一定成比例關(guān)系，機(jī)電一體化系統(tǒng)各子系統(tǒng)的輸入與輸出之間不一定成比例關(guān)系，可具有某種頻率特性可具有某種頻率特性(動(dòng)態(tài)特性或傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)特性或傳遞函數(shù))，即輸出可能具有與，即輸出可能具有與輸入完全不同的性質(zhì)。輸入完全不同的性質(zhì)。機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)一般都具有非線性環(huán)節(jié)一般都具有非線性環(huán)節(jié)，在非線性不能忽略時(shí)，只能用，在非線性不能忽略時(shí)，只能用微

2、分方程來研究其特性。微分方程來研究其特性。n考慮各子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和非線性進(jìn)行電子信息處理系考慮各子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和非線性進(jìn)行電子信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。3n機(jī)械系統(tǒng)的功能是將一種機(jī)械量變換成與目的要求對(duì)應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)的功能是將一種機(jī)械量變換成與目的要求對(duì)應(yīng)的另一種機(jī)械量。另一種機(jī)械量。 n機(jī)械系統(tǒng)傳遞的物理量機(jī)械系統(tǒng)傳遞的物理量運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)：位移、速度和加速度：位移、速度和加速度動(dòng)力動(dòng)力：力和力矩：力和力矩n動(dòng)力傳遞中的主要問題動(dòng)力傳遞中的主要問題機(jī)械系統(tǒng)的各構(gòu)成零部件必須具有承受其所受力機(jī)械系統(tǒng)的各構(gòu)成零部件必須具有承受其所受力(或力

3、矩或力矩)的足夠的足夠強(qiáng)度和剛度的尺寸。強(qiáng)度和剛度的尺寸。但尺寸一大，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就大，系統(tǒng)的響應(yīng)就慢。但尺寸一大，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就大，系統(tǒng)的響應(yīng)就慢。n系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量和慣量不同，其響應(yīng)快慢也不同。這就是所系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量和慣量不同，其響應(yīng)快慢也不同。這就是所謂的謂的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性。 4n機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一般表示機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一般表示 5n含有機(jī)械負(fù)載的機(jī)械系統(tǒng)含有機(jī)械負(fù)載的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一般表示動(dòng)態(tài)特性的一般表示 n包括負(fù)載在內(nèi)的機(jī)械總體的動(dòng)態(tài)特性以傳遞函數(shù)形式表包括負(fù)載在內(nèi)的機(jī)械總體的動(dòng)態(tài)特性以傳遞函數(shù)形式表示為示為 （只適合線性系統(tǒng)，例如齒輪傳動(dòng)只適合線性系統(tǒng)，例如齒輪傳動(dòng)）6n

4、如果是非線性系統(tǒng)只能用微分方程表示如果是非線性系統(tǒng)只能用微分方程表示 n機(jī)構(gòu)通過這樣的線性或非線性交換就可以產(chǎn)生各種各樣的機(jī)構(gòu)通過這樣的線性或非線性交換就可以產(chǎn)生各種各樣的運(yùn)動(dòng)。在選擇執(zhí)行元件和給定運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，運(yùn)動(dòng)。在選擇執(zhí)行元件和給定運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，一定要考慮伴一定要考慮伴隨這些運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。隨這些運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。 7n目的是解決目的是解決f（x）（）（有些機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系在機(jī)械原理中已經(jīng)講述）有些機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系在機(jī)械原理中已經(jīng)講述）n變換機(jī)構(gòu)有線性變換機(jī)構(gòu)和非線性變換機(jī)構(gòu)。變換機(jī)構(gòu)有線性變換機(jī)構(gòu)和非線性變換機(jī)構(gòu)。n線性變換機(jī)構(gòu)中有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、撓帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)線性變換機(jī)構(gòu)中有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

5、、撓帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)- -直線變換機(jī)直線變換機(jī)構(gòu)等構(gòu)等 89（固定）（固定）101112131415n機(jī)構(gòu)靜力學(xué)所研究的問題是：機(jī)構(gòu)靜力學(xué)所研究的問題是：機(jī)構(gòu)輸出端所受負(fù)載機(jī)構(gòu)輸出端所受負(fù)載( (力或力矩力或力矩) )向輸入端的換算；向輸入端的換算；機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力( (或力矩或力矩) )對(duì)輸入端的影響；對(duì)輸入端的影響；求由上述各種力或重力加速度引起的機(jī)構(gòu)內(nèi)部各連桿、軸承等的求由上述各種力或重力加速度引起的機(jī)構(gòu)內(nèi)部各連桿、軸承等的受力。受力。補(bǔ)充：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力分析的四種分析方法補(bǔ)充：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力分析的四種分析方法161 1負(fù)載力負(fù)載力( (或力矩或力矩) )向輸入端的換算向輸入

6、端的換算 n換算方法換算方法虛功原理虛功原理n若機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變換函數(shù)關(guān)系為若機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變換函數(shù)關(guān)系為 ：y=f(x)，則則n在機(jī)構(gòu)學(xué)中，將在機(jī)構(gòu)學(xué)中，將dy/dx=0的狀態(tài)稱為的狀態(tài)稱為變點(diǎn)變點(diǎn)( (方案點(diǎn)方案點(diǎn)) )。n在在dy/dx=0附近用很小的附近用很小的FxFx就可得到很大的就可得到很大的FyFy。n將將dy/dx=時(shí)的狀態(tài)稱為時(shí)的狀態(tài)稱為死點(diǎn)死點(diǎn)，這種狀態(tài)不論輸入多大力，這種狀態(tài)不論輸入多大力( (或力矩或力矩) )也不會(huì)產(chǎn)也不會(huì)產(chǎn)生輸出力生輸出力( (或力矩或力矩) )。 17n多輸入多輸入/ /多輸出系統(tǒng)負(fù)載力多輸出系統(tǒng)負(fù)載力( (或力矩或力矩) )向輸入端的換算向輸入端的換算

7、忽略機(jī)構(gòu)內(nèi)部損失時(shí)，兩式相等。忽略機(jī)構(gòu)內(nèi)部損失時(shí)，兩式相等。 18192 2機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響(1)(1)線性變換機(jī)構(gòu)線性變換機(jī)構(gòu)滑動(dòng)絲杠副滑動(dòng)絲杠副 該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系為該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系為 在在x向和向和y向的分力分別為向的分力分別為Px和和Py，則則 202 2機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響 非線性變換機(jī)構(gòu)非線性變換機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系為：運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系為：考慮摩擦的靜力學(xué)分析考慮摩擦的靜力學(xué)分析211 1、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩 221 1、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩、平面運(yùn)

8、動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩 232 2空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩 242 2空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力及動(dòng)態(tài)力矩 空間運(yùn)動(dòng)可用重心的位置空間運(yùn)動(dòng)可用重心的位置r r( (x x，y y，z z）與剛體的姿態(tài)即繞與剛體的姿態(tài)即繞X Xs s，Y Ys s，和和Z Zs s轉(zhuǎn)動(dòng)的姿態(tài)角表示，其動(dòng)態(tài)力與動(dòng)態(tài)力矩分別為：轉(zhuǎn)動(dòng)的姿態(tài)角表示，其動(dòng)態(tài)力與動(dòng)態(tài)力矩分別為： 通過順序連接的連桿最終可將所受負(fù)載轉(zhuǎn)換成輸入端所需的力通過順序連接的連桿最終可將所受負(fù)載轉(zhuǎn)換成輸入端所需的力(或或轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩)。 動(dòng)態(tài)力動(dòng)態(tài)力(或轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩)向輸入端

9、的換算可以利用虛功原理或向輸入端的換算可以利用虛功原理或Lagrange公公式實(shí)現(xiàn)。式實(shí)現(xiàn)。25 3 3Lagrangeange公式與動(dòng)態(tài)力公式與動(dòng)態(tài)力( (或力矩或力矩) )向輸向輸入端的換算。入端的換算。 26 3 3Lagrangeange公式與動(dòng)態(tài)力公式與動(dòng)態(tài)力( (或力矩或力矩) )向輸向輸入端的換算。入端的換算。 27 3 3Lagrangeange公式與動(dòng)態(tài)力公式與動(dòng)態(tài)力( (或力矩或力矩) )向輸向輸入端的換算。入端的換算。 設(shè)機(jī)構(gòu)要素重心位置矢量為設(shè)機(jī)構(gòu)要素重心位置矢量為r r，繞重心的回轉(zhuǎn)角速度為繞重心的回轉(zhuǎn)角速度為，則該要素所則該要素所具有的動(dòng)能為具有的動(dòng)能為 該要素所具

10、有的重力勢(shì)能為該要素所具有的重力勢(shì)能為 設(shè)單輸入系統(tǒng)輸入的角位移為設(shè)單輸入系統(tǒng)輸入的角位移為11，保持其運(yùn)動(dòng)所需要的力保持其運(yùn)動(dòng)所需要的力( (或力矩或力矩) )TdiTdi，則用則用LagrargeLagrarge方程可求得：方程可求得：28 3 3Lagrangeange公式與動(dòng)態(tài)力公式與動(dòng)態(tài)力( (或力矩或力矩) )向輸向輸入端的換算入端的換算 經(jīng)推導(dǎo)整理有：經(jīng)推導(dǎo)整理有： 可以認(rèn)為式中的第一項(xiàng)為慣性力項(xiàng)，第二項(xiàng)為離心力和哥氏力項(xiàng)可以認(rèn)為式中的第一項(xiàng)為慣性力項(xiàng)，第二項(xiàng)為離心力和哥氏力項(xiàng)，第三項(xiàng)可認(rèn)為是重力項(xiàng)。如果從輸入端來看，動(dòng)態(tài)力，第三項(xiàng)可認(rèn)為是重力項(xiàng)。如果從輸入端來看，動(dòng)態(tài)力( (力

11、矩力矩) )是變是變化的慣性力矩、與速度平方成比例的力和變化的重力共同的作用，化的慣性力矩、與速度平方成比例的力和變化的重力共同的作用，系統(tǒng)具有非線性特性。系統(tǒng)具有非線性特性。29 機(jī)械零件不管是連桿還是軸承受力后都有一定的變形，設(shè)該機(jī)械零件不管是連桿還是軸承受力后都有一定的變形，設(shè)該變形量為變形量為，其彈簧剛度為，其彈簧剛度為F/k，則，則/Fc被稱為被稱為柔度柔度。 柔度是降低運(yùn)動(dòng)精度的原因之一，但更大的影響是在高速運(yùn)柔度是降低運(yùn)動(dòng)精度的原因之一，但更大的影響是在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。 能夠?qū)崿F(xiàn)多大程度的高速度取決于系統(tǒng)內(nèi)部的固有振動(dòng)頻率能夠?qū)崿F(xiàn)多大程度的高速度取決于系統(tǒng)內(nèi)部的

12、固有振動(dòng)頻率0 (或固有振動(dòng)周期或固有振動(dòng)周期T0)。當(dāng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期。當(dāng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期(或頻率或頻率)與與T0 或或0 一致時(shí)，將會(huì)引起共振，共振會(huì)導(dǎo)致機(jī)械破壞，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一致時(shí)，將會(huì)引起共振，共振會(huì)導(dǎo)致機(jī)械破壞，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免的。應(yīng)避免的。周期運(yùn)動(dòng)的速度界限就是周期運(yùn)動(dòng)的速度界限就是T0 (或或0)。 在閉環(huán)系統(tǒng)中，其界限在閉環(huán)系統(tǒng)中，其界限應(yīng)大致取為應(yīng)大致取為02(或或2T0 )。4機(jī)構(gòu)輸出端的彈性與動(dòng)態(tài)特性機(jī)構(gòu)輸出端的彈性與動(dòng)態(tài)特性304 4機(jī)構(gòu)輸出端的彈性與動(dòng)態(tài)特性機(jī)構(gòu)輸出端的彈性與動(dòng)態(tài)特性31n這種機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈性有的能夠換算到輸出端，有的不能換這種機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈性有的能夠換算到

13、輸出端，有的不能換算到輸出端，多連桿機(jī)構(gòu)的連桿彈性屬于后者，這種彈算到輸出端，多連桿機(jī)構(gòu)的連桿彈性屬于后者，這種彈性的處理相當(dāng)復(fù)雜，常采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元方性的處理相當(dāng)復(fù)雜，常采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元方法進(jìn)行計(jì)算。法進(jìn)行計(jì)算。 3233彈性彈性34n機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器輸入的物理量多為機(jī)械量機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器輸入的物理量多為機(jī)械量(位移、速度、加速位移、速度、加速度、力等度、力等)，而輸出的物理量為電量，而輸出的物理量為電量(電壓、電流等電壓、電流等)。n為了進(jìn)行信號(hào)處理，傳感器中不只是單純的傳感元件為了進(jìn)行信號(hào)處理，傳感器中不只是單純的傳感元件(變換器變換器)，多數(shù)傳，多數(shù)傳感

14、器中都配置運(yùn)算放大電路，以便將微弱的電信號(hào)變換成較強(qiáng)的便于感器中都配置運(yùn)算放大電路，以便將微弱的電信號(hào)變換成較強(qiáng)的便于利用的信號(hào)。利用的信號(hào)。n有的傳感器中裝有將一種機(jī)械量變換為另一種機(jī)械量的變換裝置。有的傳感器中裝有將一種機(jī)械量變換為另一種機(jī)械量的變換裝置。3536 設(shè)各種變換的傳遞函數(shù)設(shè)各種變換的傳遞函數(shù)(動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性)為為Gm、Gme、Ge，則輸出信號(hào)，則輸出信號(hào)v與機(jī)械量輸入與機(jī)械量輸入x之比為之比為GsGmGmeGe Gm中包含電氣系統(tǒng)對(duì)變換器的柔度和質(zhì)量等的反作用，一般取中包含電氣系統(tǒng)對(duì)變換器的柔度和質(zhì)量等的反作用，一般取Gm l。 如果傳感器與被測(cè)量物體的安裝為剛性聯(lián)接的話，

15、也可以認(rèn)為機(jī)如果傳感器與被測(cè)量物體的安裝為剛性聯(lián)接的話，也可以認(rèn)為機(jī)械量機(jī)械量的變換為比例變換。械量機(jī)械量的變換為比例變換。 變換器根據(jù)變換的物理過程可分為以下幾種：變換器根據(jù)變換的物理過程可分為以下幾種： 1) 電磁變換電磁變換：動(dòng)電式、靜電式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式等。：動(dòng)電式、靜電式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式等。 2) 壓電變換壓電變換：壓電元件。：壓電元件。 3) 應(yīng)變電阻變換應(yīng)變電阻變換：應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。：應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。 4) 光電變換光電變換：光電二極管、光敏晶體管。：光電二極管、光敏晶體管。 此外，還有其它的利用半導(dǎo)體和陶瓷等產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象的變此外，還有其它的利用半導(dǎo)體和

16、陶瓷等產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象的變換器。換器。37一、動(dòng)電式變換器的特性一、動(dòng)電式變換器的特性 38一、動(dòng)電式變換器的特性一、動(dòng)電式變換器的特性 當(dāng)當(dāng)Ls/Rl，則則G Gmemed d/ /C C 。此時(shí)可得到與力成比例的此時(shí)可得到與力成比例的輸出，但固有振動(dòng)周期比輸出，但固有振動(dòng)周期比RC低的情況不能準(zhǔn)確求出。由低的情況不能準(zhǔn)確求出。由此可知，只有當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率足夠高的情況下，才有可能實(shí)現(xiàn)此可知，只有當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率足夠高的情況下，才有可能實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量。不失真測(cè)量。n在壓電元件上并聯(lián)在壓電元件上并聯(lián)C Cl，雖然可使雖然可使 (C十十C C1 1)增大，但這也增大，但這也不能不能測(cè)量變化緩慢的力

17、測(cè)量變化緩慢的力，這是壓電元件的缺點(diǎn)。，這是壓電元件的缺點(diǎn)。41三、三、具有其它平滑特性的變換器具有其它平滑特性的變換器 以下幾種變換器的動(dòng)態(tài)特性在某種頻率范圍內(nèi)是一定的，且Gmk。42四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性變換器將被測(cè)量變換器將被測(cè)量x變換成機(jī)械量變換成機(jī)械量y的變換是傳感器中的機(jī)械量變換。的變換是傳感器中的機(jī)械量變換。力或位移變化速度快時(shí)，會(huì)引起機(jī)械共振，使力或位移變化速度快時(shí)，會(huì)引起機(jī)械共振，使顯著增大。顯著增大。系統(tǒng)無振蕩時(shí)，在系統(tǒng)無振蕩時(shí)，在1%的誤差范圍內(nèi)，其使用頻率范圍大致為的誤差范圍內(nèi)，其使用頻率范圍大致為0/10，也就，也就是說是說n必須為使用限界頻率的

18、必須為使用限界頻率的10倍以上。倍以上。43四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性 測(cè)量不同量是特性不同。測(cè)量不同量是特性不同。44n測(cè)量振幅測(cè)量振幅x時(shí)時(shí)四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性n只有降低系統(tǒng)的固有頻率只有降低系統(tǒng)的固有頻率n ，才能正確測(cè)量變化緩慢的振動(dòng)信才能正確測(cè)量變化緩慢的振動(dòng)信號(hào)。號(hào)。45n測(cè)量加速度測(cè)量加速度 時(shí)時(shí)x 四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性四、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性n此時(shí)，只有在此時(shí)，只有在/n1時(shí)，才有時(shí)，才有|Gm|1。即不充分提高固有振動(dòng)頻即不充分提高固有振動(dòng)頻率就不能測(cè)量快速變化的加速度信率就不能測(cè)量快速變化的加速度信號(hào)。號(hào)。n當(dāng)用壓電元件代替彈簧阻尼

19、器時(shí)，可極大地提高固有振動(dòng)頻率，雖然在較當(dāng)用壓電元件代替彈簧阻尼器時(shí)，可極大地提高固有振動(dòng)頻率，雖然在較寬的頻率范圍內(nèi)都能得到寬的頻率范圍內(nèi)都能得到|Gm|l。但是如上所述，由于變換器的變換動(dòng)態(tài)但是如上所述，由于變換器的變換動(dòng)態(tài)特性在低頻領(lǐng)域?yàn)樘匦栽诘皖l領(lǐng)域?yàn)閟(1+s)這樣的微分特性，所以不能測(cè)量變化緩慢的加這樣的微分特性，所以不能測(cè)量變化緩慢的加速度信號(hào)。速度信號(hào)。 46n傳感器系統(tǒng)由機(jī)械變換、機(jī)電變換和電氣變換等部分組成，傳感器系統(tǒng)由機(jī)械變換、機(jī)電變換和電氣變換等部分組成，n如果忽略其相互作用的影響，傳感器的整體特性可表示為如果忽略其相互作用的影響，傳感器的整體特性可表示為 Gs=GmG

20、meGe。 Gm 取決于變換器的性質(zhì)，取決于變換器的性質(zhì)， Gme 隨被測(cè)物理量的不同而不同隨被測(cè)物理量的不同而不同 Ge 為電信號(hào)變換的傳遞函數(shù)，電信號(hào)變換的處理方法更具通為電信號(hào)變換的傳遞函數(shù)，電信號(hào)變換的處理方法更具通用性。用性。n Ge可作為校正回路來改善不理想的動(dòng)態(tài)特性?？勺鳛樾Ｕ芈穪砀纳撇焕硐氲膭?dòng)態(tài)特性。47n機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件是電氣執(zhí)行元件，其輸入為電機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件是電氣執(zhí)行元件，其輸入為電信號(hào)，輸出為機(jī)械量信號(hào)，輸出為機(jī)械量(位移、力等位移、力等)。n執(zhí)行元件的特性不單純是它本身的特性，而應(yīng)該將執(zhí)行元件與機(jī)執(zhí)行元件的特性不單純是它本身的特性，而應(yīng)該

21、將執(zhí)行元件與機(jī)械機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性結(jié)合起來分析。械機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性結(jié)合起來分析。n一般來說，在電氣變換中都將電氣一機(jī)械變換的狀態(tài)一般來說，在電氣變換中都將電氣一機(jī)械變換的狀態(tài)(電流、速電流、速度度)進(jìn)行反饋，由機(jī)械變換器以及與其相聯(lián)結(jié)的機(jī)構(gòu)特性改變電進(jìn)行反饋，由機(jī)械變換器以及與其相聯(lián)結(jié)的機(jī)構(gòu)特性改變電氣一機(jī)械變換裝置的狀態(tài)，從而使輸出轉(zhuǎn)矩得到改變。氣一機(jī)械變換裝置的狀態(tài)，從而使輸出轉(zhuǎn)矩得到改變。 4849直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)+減速器減速器505152執(zhí)行元件的角速度執(zhí)行元件的角速度由機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性由機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性GM確定確定 。因此，由上述關(guān)系可得：因此，由上述關(guān)系可得：RLsKKGGKsUsE

22、TMMT)()(如果只有慣性負(fù)載。則如果只有慣性負(fù)載。則GM=1/（JMs），），于是有于是有ETMTKKsJRLsKsUs)()()( 作為電磁變換執(zhí)行元件，作為電磁變換執(zhí)行元件，ACAC伺服電機(jī)及其他執(zhí)行元件均具有二次伺服電機(jī)及其他執(zhí)行元件均具有二次遲后特性。遲后特性。535455當(dāng)式中的反饋增益當(dāng)式中的反饋增益K1取得充取得充分大時(shí)，可得到與輸入信號(hào)成比例的分大時(shí)，可得到與輸入信號(hào)成比例的力矩力矩5556帶速度反饋時(shí)帶速度反饋時(shí)57帶速度反饋時(shí)帶速度反饋時(shí)5758n執(zhí)行元件的動(dòng)態(tài)特性取決于與機(jī)構(gòu)的結(jié)合，其本身的執(zhí)行元件的動(dòng)態(tài)特性取決于與機(jī)構(gòu)的結(jié)合，其本身的動(dòng)態(tài)特性意義不大。動(dòng)態(tài)特性意義不

23、大。n例如，在機(jī)器人中，電動(dòng)機(jī)本體按照計(jì)算機(jī)的指令運(yùn)例如，在機(jī)器人中，電動(dòng)機(jī)本體按照計(jì)算機(jī)的指令運(yùn)動(dòng)，與電動(dòng)機(jī)和減速器及機(jī)器人臂連接在一起時(shí)得到動(dòng)，與電動(dòng)機(jī)和減速器及機(jī)器人臂連接在一起時(shí)得到的輸出轉(zhuǎn)矩是不同的，因此電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速也未必的輸出轉(zhuǎn)矩是不同的，因此電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速也未必相同。相同。n可以說，在這種機(jī)電一體化系統(tǒng)中，存在著機(jī)械與電可以說，在這種機(jī)電一體化系統(tǒng)中，存在著機(jī)械與電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合的本質(zhì)特征。子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合的本質(zhì)特征。59n執(zhí)行元件與機(jī)械結(jié)構(gòu)是相互影響的，其特性必須根據(jù)執(zhí)行元件與機(jī)械結(jié)構(gòu)是相互影響的，其特性必須根據(jù)二者的結(jié)合形式來研究。二者的結(jié)合形式來研究。n根據(jù)機(jī)構(gòu)的特

24、性實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)要求的控制方法有根據(jù)機(jī)構(gòu)的特性實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)要求的控制方法有多種，但這里不研究控制軟件，只研究與機(jī)構(gòu)有關(guān)的多種，但這里不研究控制軟件，只研究與機(jī)構(gòu)有關(guān)的幾個(gè)問題。幾個(gè)問題。n機(jī)械慣性阻轉(zhuǎn)矩的匹配方法機(jī)械慣性阻轉(zhuǎn)矩的匹配方法n凸輪曲線理論凸輪曲線理論n殘留振動(dòng)分析殘留振動(dòng)分析n無殘留振動(dòng)的定位分析無殘留振動(dòng)的定位分析n兩自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡創(chuàng)成所必需的力矩分析兩自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡創(chuàng)成所必需的力矩分析60n為工作臺(tái)伺服進(jìn)始系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)由恒定電流驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)為工作臺(tái)伺服進(jìn)始系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)由恒定電流驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩受限于電動(dòng)機(jī)電流。矩受限于電動(dòng)機(jī)電流。61n要使工作臺(tái)從靜

25、止位置要使工作臺(tái)從靜止位置0到終點(diǎn)位置到終點(diǎn)位置xf以最快速度移動(dòng)，如何取滾以最快速度移動(dòng)，如何取滾珠絲珠絲杠的基本導(dǎo)程杠的基本導(dǎo)程(螺距螺距)是需要研究的問題。是需要研究的問題。62n電動(dòng)機(jī)與工作臺(tái)結(jié)合的系統(tǒng)框圖電動(dòng)機(jī)與工作臺(tái)結(jié)合的系統(tǒng)框圖xAxMlJlT 2002263n用額定轉(zhuǎn)矩用額定轉(zhuǎn)矩T (最大值最大值T m)進(jìn)行快速定位進(jìn)行快速定位n工作臺(tái)行程的前一半用最大加速度，其工作臺(tái)行程的前一半用最大加速度，其后一半用最大減速度。設(shè)移動(dòng)所需時(shí)間后一半用最大減速度。設(shè)移動(dòng)所需時(shí)間為為tf，則，則式中式中64n tf 隨隨 l0 的改變而改變。的改變而改變。n當(dāng)當(dāng) tf 在最小值的螺距在最小值的

26、螺距 l0 也就是使也就是使 A m 為最小的螺距為最小的螺距 l0 時(shí)，上式的解為時(shí)，上式的解為 該解是令該解是令J與工作臺(tái)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與工作臺(tái)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Ml0(2)2相相等得到的，將此稱為機(jī)械慣性阻轉(zhuǎn)矩的匹配。等得到的，將此稱為機(jī)械慣性阻轉(zhuǎn)矩的匹配。 此時(shí)的定位時(shí)間為此時(shí)的定位時(shí)間為輸入驅(qū)動(dòng)電路的指令電壓輸入驅(qū)動(dòng)電路的指令電壓u，在，在 0 tf 之間給予最大值、在之間給予最大值、在tf /2 tf 之之間給予負(fù)的最大值時(shí)，在間給予負(fù)的最大值時(shí)，在 tf 時(shí)刻，時(shí)刻，xxf ， 。一般來說，如果電動(dòng)機(jī)與減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為一般來說，如果電動(dòng)機(jī)與減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

27、為J1，減速器輸出端有，減速器輸出端有慣性負(fù)載為慣性負(fù)載為J2，當(dāng)減速比，當(dāng)減速比 時(shí)，將能實(shí)現(xiàn)最快速定位。時(shí)，將能實(shí)現(xiàn)最快速定位。0 x 12JJi 04ffmJxtl T65n 將慣性負(fù)載從一靜止點(diǎn)移動(dòng)到另一靜止將慣性負(fù)載從一靜止點(diǎn)移動(dòng)到另一靜止點(diǎn)時(shí)，讓其運(yùn)動(dòng)怎樣地隨時(shí)間而變化問點(diǎn)時(shí)，讓其運(yùn)動(dòng)怎樣地隨時(shí)間而變化問題，在機(jī)構(gòu)學(xué)中是采用凸輪曲線理論處題，在機(jī)構(gòu)學(xué)中是采用凸輪曲線理論處理的。該凸輪曲線理論同樣也適用于解理的。該凸輪曲線理論同樣也適用于解決電動(dòng)機(jī)控制中的定位問題。決電動(dòng)機(jī)控制中的定位問題。n希望物體的運(yùn)動(dòng)是平滑的，所謂平滑是希望物體的運(yùn)動(dòng)是平滑的，所謂平滑是指從始點(diǎn)到終點(diǎn)的位移、速度、加速度指從始點(diǎn)到終點(diǎn)的位移、速度、加速度都是連續(xù)的。在始點(diǎn)和終點(diǎn)的連續(xù)條件都是連續(xù)的。在始點(diǎn)和終點(diǎn)的連續(xù)條件為為66將將x(t) 統(tǒng)一為統(tǒng)一為X(T )，再設(shè)，再設(shè) dx/dT = V，d2x/dT2 = A，有，有 在慣性負(fù)載運(yùn)動(dòng)過程中，希望在慣性負(fù)載運(yùn)動(dòng)過程中，希望“加速度加速度慣量力慣量力”中的力的最中的力的最大值，即加速度的最大值要盡可能地小。設(shè)定