機電一體化系統(tǒng)元部件的特性分析

機電一體化系統(tǒng)元部件的特性分析第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五第五章機電一體化系統(tǒng)元部件的特性分析

機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、執(zhí)行元件系統(tǒng)、電子信息處理控制系統(tǒng)等，由于各子系統(tǒng)的輸入/輸出之間不一定成比例關系，但總存在某種頻率特性關系（動態(tài)特性或傳遞函數(shù)），如線性或非線性特性。正確分析掌握這些頻率特性，對有效地設計機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品是非常重要的。

本章節(jié)重點掌握和了解機械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和執(zhí)行元件系統(tǒng)等的基本特性，從機電一體化系統(tǒng)構成要素的角度出發(fā)掌握其分析方法。

第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五第5.1節(jié)機械系統(tǒng)特性

機械系統(tǒng)主功能：將一機械物理量變換成與目的相對應的另一機械物理量（運動參量、力/力矩參量）。機械系統(tǒng)的基本特性要求：在具有承擔外載荷足夠的強度（бb,бs,бp）和剛度（結構剛度、接觸剛度和局部剛度）的前提下，質(zhì)量和慣量要小，系統(tǒng)響應要快，帶負載的能力要強。（1）一般線性機械系統(tǒng)的動態(tài)特性（傳遞函數(shù)）：

X(s)/Fx(s)=1/[(Jm+JL/i2)s2]

典型機械系統(tǒng)的動態(tài)特性（傳遞函數(shù)）：

·齒輪減速：Y=f(x)=(1/i)x

·

只有機構轉動慣量：X(s)/Fx(s)=1/Jms2

·

只有負載轉動慣量：X(s)/Fx(s)=1/(JL/i2)s2（2）非線性機械系統(tǒng)的動態(tài)特性（傳遞函數(shù)）：第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.1.1變換機構及其運動變換分析

機電一體化系統(tǒng)中所用的機械變換機構有：齒輪傳動機構（線性）、柔性帶/鏈傳動機構（線性）、回轉/直線機構（線性）、間歇機構（非線性）、連桿機構（非線性）、凸輪機構（非線性）等。（1）齒輪變換機構特性

1）定軸輪系指圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動。傳動變換特性：i=θ1/θ22）行星齒輪傳動一般由中心輪、行星輪、內(nèi)齒輪、行星架等組成。依據(jù)輸入軸、輸出軸、機架不同，其傳動變換特性也有所不同。第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五如圖所示的行星齒輪傳動，傳動變換特性為：第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五3）諧波齒輪傳動

由諧波發(fā)生器（輪）、柔性輪、剛性輪等組成。依據(jù)輸入軸、輸出軸、機架不同，其傳動變換特性同樣有所不同。如圖所示的諧波齒輪傳動，傳動變換特性為：4）差動齒輪傳動如圖所示差動齒輪傳動，傳動變換特性為：第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（2）柔性帶/鏈傳動機構

主要指同帶傳動（平帶、三角形帶、步齒型帶），綱帶傳動，鏈輪傳動，繩輪傳動等。具有傳動距離較遠，可略改變傳動軸的方向，但采用摩擦傳動，由于滑動將影響傳遞精度，同時需要張緊機構。傳動變換特性為：i=Z2/Z1

或I=d2/d1

（3）回轉/直線線性變換機構主要有齒輪齒條機構、滑動絲杠螺母傳動機構和滾動絲杠螺母傳動機構。傳動變換特性為：V=pz1n1

或V=pk1n1

（L=pk1）第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（4）間歇傳動機構

通常為非線性變換機構，變換關系比較復雜如圖所示。

傳動變換特性為：第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（5）多自由度非線性變換機構多自由度非線性變換機構主要指連桿機構和凸輪機構。

1）連桿機構

連桿機構的特點：具有剛性大，運動速度高，改變連桿尺寸參數(shù)可實現(xiàn)需要的運動，對力/力矩和運動軌跡/速度具有放大或縮小的功能。但連桿機構一般只能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的運動，在某些點上近似地滿足輸入與輸出之間函數(shù)關系、運動關系一旦確定就不能改變。

連桿機構主要有：平面/空間連桿機構、多自由度串聯(lián)機構和并聯(lián)機構、直線平移機構等。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五2）凸輪機構

凸輪機構通常作為執(zhí)行元件輸出要求的復合運動軌跡和驅動力，運動軌跡由凸輪輪廓形狀保證。但凸輪機構的傳動效率較低，凸輪輪廓形狀生產(chǎn)制造困難。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.1.2機構靜力學特性機構靜力學所研究的主要問題：*機構輸出端所受負載（力或力矩）向輸入端的換算。

——機電有機結合研究的主要問題。*機構內(nèi)部的摩擦力（或轉矩）對輸入端的影響。

——機電有機結合研究的主要問題。*求外載荷、內(nèi)部作用力、重力/慣性加速度引起機構內(nèi)部各元件的受力。

——機構學強度、剛度、振動研究的主要問題。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（1）負載力（或轉矩）向輸入端的轉算在機構內(nèi)部摩擦損失小時，應用虛功原理便可得到輸出負載向輸入端的換算。1）單輸入—單輸出機械系統(tǒng)2）多輸入—多輸出機械系統(tǒng)輸入功的總和與輸出功的總和：輸入力與輸出負載的關系：第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（2）機構內(nèi)部摩擦力的影響機構內(nèi)部由于摩擦阻力的存在，機構的輸入與輸出變換關系難于確定。但對于線性系統(tǒng)而言，變換關系的變化可認為僅與摩擦角相關，與輸入轉角無關。

1）機械線性變換機構主要有絲杠螺母傳動機構和齒輪齒條傳動機構。如絲杠螺母傳動機構，在x向和y向的傳動分力Fx,Fy：可推導出：Fy向Tx

轉換的變換系數(shù)為：——該值有所變化第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五2）非線性變換機構

由于機械變換中固然存在摩擦阻力，一般情況下，非線性變換機構的變換關系具有不確定性，將會影響機電一體化系統(tǒng)的整體特性，因此，在機械變換機構設計時，應盡可能地減少機械傳動的摩擦阻力。

第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五例如曲柄滑塊機構其輸入動力T與輸出外載荷Fy的關系可寫為：其中：第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.1.3機構動力學特征

機構動力學是研究機構要素的慣性、機構中各元部件的剛性所產(chǎn)生的振動問題。主要研究內(nèi)容：（1）平面運動機構要素的動態(tài)力和動態(tài)轉矩。

——剛體動力學問題。（2）空間運動機構要素的動態(tài)力和動態(tài)轉矩。

——剛體動力學問題。（3）Lagrange公式與動態(tài)力或轉矩向輸入端的換算。

——剛體動力學問題。（4）機構輸出端的彈性與動態(tài)特性。

——彈性動力學問題。

由于動力學問題的研究較為復雜，在此不做講解。第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.2傳感器的特性分析機電一體化中傳感器輸入量多機械物理量，最終輸出應為與控制系統(tǒng)香匹配的電信號物理量。在此過程中要經(jīng)過一定的參量變換，即需傳遞函數(shù)（動態(tài)特性）轉換。

傳感器檢測信號的一般變換過程：輸入量與電信號輸出量之間的變換關系（傳遞函數(shù)）

Gs=GmGmeGe

除此之外，有時還需整形濾波、模數(shù)轉換的處理變換等信號轉換過程。第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五

傳感器變換器的變換類型

傳感器變換器的變換過程，依據(jù)所選用傳感器的類型和所轉換物理量的處理過程及要求不同，通常分為以下幾種形式。

1）機械物理量變換加速度、速度、位移等機械物理參量之間的變換。

2）電/磁變換機械—電/磁變換、電—磁變換。動電式、靜電式、磁阻式、霍爾效應式等。

3）應變/電阻轉換機械位移—阻抗轉換。應變片、半導體應變片等。

4）光電變換光信號—電信號轉換。光電二極管、光敏晶體管。第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.2.1動電式變換器（傳感器）的特性

動電式變換器：將回轉或平移機械量轉換成電信號的一種變換器。動電式變換器的變換式為：或傳遞函數(shù)：第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.2.2壓電式變換器（傳感器）的特性

是將壓電元件在外力F作用下生產(chǎn)的位移x所形成的電荷Q轉換成電信號的變換元件。變換關系（特性）：傳遞函數(shù)：式中：電容量：—感應系數(shù)。第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.2.3具有其他平滑特性變換器（傳感器）

這類傳感器變換器指在一定檢測范圍內(nèi)輸入與輸出之間近似地成正比。傳遞函數(shù)：Gm=K。（1）差動變壓器。（2）靜電式變換器。（3）應變應力變化變換器。（4）光電編碼器。第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.2.4傳感檢測系統(tǒng)的特性將被檢測量x變換成機械變量y的過程中，在力或位移的變化速度較快時，若要滿足一定的變換精度，變換器的頻率使用范圍將受到一定的限制，即避免變換器產(chǎn)生共振（變換器固有頻率wn應為使用最高頻率的10倍以上）。這一特性是傳感檢測系統(tǒng)的重要特性。（1）對于典型的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)（檢測對象為位移x）

運動方程：固有頻率：阻尼比：傳遞函數(shù)：振幅頻率特性曲線第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（2）對于典型的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)

（檢測對象為加速度

）

運動方程：振幅頻率特性曲線傳遞函數(shù)：第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五5.3電氣執(zhí)行元件的特性分析常用執(zhí)行元件有電氣式、液壓式、氣壓式，輸入信號盡管有所不同，但輸出均為機械量（位移、力等），由此所具有的工作特性也有所不同。下面簡要介紹電氣執(zhí)行元件的工作特性。

電氣執(zhí)行元件系統(tǒng)一般組成：驅動信號輸入——驅動電路（整形/濾波放大電路和功率放大電路）——電/機變換器（伺服電動機）——機械量變換器（減速器、絲杠螺母機構、連桿機構等）。第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五電氣式執(zhí)行元件的工作特點分析

由于執(zhí)行元件系統(tǒng)各轉換器之間存在信號或狀態(tài)反饋，其傳遞函數(shù)確定不是簡單的乘積組合，它不僅與本身的靜態(tài)特性相關，還與整個系統(tǒng)的動態(tài)特性相關，因而在分析確定執(zhí)行元件系統(tǒng)的工作特性時，應將兩者的特性有機結合才能得出合理的結論。具體方法應依據(jù)不同的執(zhí)行元件系統(tǒng)綜合分析而定。電氣式執(zhí)行元件控制圖第25頁，共26頁，2023年