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機(jī)電一體化系統(tǒng)元部件的特性分析第1頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五第五章機(jī)電一體化系統(tǒng)元部件的特性分析
機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測(cè)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(guān)系,但總存在某種頻率特性關(guān)系(動(dòng)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(duì)有效地設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品是非常重要的。
本章節(jié)重點(diǎn)掌握和了解機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的角度出發(fā)掌握其分析方法。
第2頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五第5.1節(jié)機(jī)械系統(tǒng)特性
機(jī)械系統(tǒng)主功能:將一機(jī)械物理量變換成與目的相對(duì)應(yīng)的另一機(jī)械物理量(運(yùn)動(dòng)參量、力/力矩參量)。機(jī)械系統(tǒng)的基本特性要求:在具有承擔(dān)外載荷足夠的強(qiáng)度(бb,бs,бp)和剛度(結(jié)構(gòu)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(yīng)要快,帶負(fù)載的能力要強(qiáng)。(1)一般線性機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(傳遞函數(shù)):
X(s)/Fx(s)=1/[(Jm+JL/i2)s2]
典型機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(傳遞函數(shù)):
·齒輪減速:Y=f(x)=(1/i)x
·
只有機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:X(s)/Fx(s)=1/Jms2
·
只有負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:X(s)/Fx(s)=1/(JL/i2)s2(2)非線性機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(傳遞函數(shù)):第3頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五5.1.1變換機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變換分析
機(jī)電一體化系統(tǒng)中所用的機(jī)械變換機(jī)構(gòu)有:齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(線性)、柔性帶/鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(線性)、回轉(zhuǎn)/直線機(jī)構(gòu)(線性)、間歇機(jī)構(gòu)(非線性)、連桿機(jī)構(gòu)(非線性)、凸輪機(jī)構(gòu)(非線性)等。(1)齒輪變換機(jī)構(gòu)特性
1)定軸輪系指圓柱齒輪傳動(dòng)、圓錐齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)。傳動(dòng)變換特性:i=θ1/θ22)行星齒輪傳動(dòng)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(jī)架不同,其傳動(dòng)變換特性也有所不同。第4頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五如圖所示的行星齒輪傳動(dòng),傳動(dòng)變換特性為:第5頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五3)諧波齒輪傳動(dòng)
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(jī)架不同,其傳動(dòng)變換特性同樣有所不同。如圖所示的諧波齒輪傳動(dòng),傳動(dòng)變換特性為:4)差動(dòng)齒輪傳動(dòng)如圖所示差動(dòng)齒輪傳動(dòng),傳動(dòng)變換特性為:第6頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五(2)柔性帶/鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
主要指同帶傳動(dòng)(平帶、三角形帶、步齒型帶),綱帶傳動(dòng),鏈輪傳動(dòng),繩輪傳動(dòng)等。具有傳動(dòng)距離較遠(yuǎn),可略改變傳動(dòng)軸的方向,但采用摩擦傳動(dòng),由于滑動(dòng)將影響傳遞精度,同時(shí)需要張緊機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)變換特性為:i=Z2/Z1
或I=d2/d1
(3)回轉(zhuǎn)/直線線性變換機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)變換特性為:V=pz1n1
或V=pk1n1
(L=pk1)第7頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五(4)間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
通常為非線性變換機(jī)構(gòu),變換關(guān)系比較復(fù)雜如圖所示。
傳動(dòng)變換特性為:第8頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五(5)多自由度非線性變換機(jī)構(gòu)多自由度非線性變換機(jī)構(gòu)主要指連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)。
1)連桿機(jī)構(gòu)
連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn):具有剛性大,運(yùn)動(dòng)速度高,改變連桿尺寸參數(shù)可實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng),對(duì)力/力矩和運(yùn)動(dòng)軌跡/速度具有放大或縮小的功能。但連桿機(jī)構(gòu)一般只能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng),在某些點(diǎn)上近似地滿足輸入與輸出之間函數(shù)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系一旦確定就不能改變。
連桿機(jī)構(gòu)主要有:平面/空間連桿機(jī)構(gòu)、多自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)、直線平移機(jī)構(gòu)等。第9頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五2)凸輪機(jī)構(gòu)
凸輪機(jī)構(gòu)通常作為執(zhí)行元件輸出要求的復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡和驅(qū)動(dòng)力,運(yùn)動(dòng)軌跡由凸輪輪廓形狀保證。但凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率較低,凸輪輪廓形狀生產(chǎn)制造困難。第10頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五5.1.2機(jī)構(gòu)靜力學(xué)特性機(jī)構(gòu)靜力學(xué)所研究的主要問(wèn)題:*機(jī)構(gòu)輸出端所受負(fù)載(力或力矩)向輸入端的換算。
——機(jī)電有機(jī)結(jié)合研究的主要問(wèn)題。*機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力(或轉(zhuǎn)矩)對(duì)輸入端的影響。
——機(jī)電有機(jī)結(jié)合研究的主要問(wèn)題。*求外載荷、內(nèi)部作用力、重力/慣性加速度引起機(jī)構(gòu)內(nèi)部各元件的受力。
——機(jī)構(gòu)學(xué)強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)研究的主要問(wèn)題。第11頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五(1)負(fù)載力(或轉(zhuǎn)矩)向輸入端的轉(zhuǎn)算在機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦損失小時(shí),應(yīng)用虛功原理便可得到輸出負(fù)載向輸入端的換算。1)單輸入—單輸出機(jī)械系統(tǒng)2)多輸入—多輸出機(jī)械系統(tǒng)輸入功的總和與輸出功的總和:輸入力與輸出負(fù)載的關(guān)系:第12頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五(2)機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響機(jī)構(gòu)內(nèi)部由于摩擦阻力的存在,機(jī)構(gòu)的輸入與輸出變換關(guān)系難于確定。但對(duì)于線性系統(tǒng)而言,變換關(guān)系的變化可認(rèn)為僅與摩擦角相關(guān),與輸入轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)。
1)機(jī)械線性變換機(jī)構(gòu)主要有絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu),在x向和y向的傳動(dòng)分力Fx,Fy:可推導(dǎo)出:Fy向Tx
轉(zhuǎn)換的變換系數(shù)為:——該值有所變化第13頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五2)非線性變換機(jī)構(gòu)
由于機(jī)械變換中固然存在摩擦阻力,一般情況下,非線性變換機(jī)構(gòu)的變換關(guān)系具有不確定性,將會(huì)影響機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體特性,因此,在機(jī)械變換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能地減少機(jī)械傳動(dòng)的摩擦阻力。
第14頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五例如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)其輸入動(dòng)力T與輸出外載荷Fy的關(guān)系可寫(xiě)為:其中:第15頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五5.1.3機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征
機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)構(gòu)要素的慣性、機(jī)構(gòu)中各元部件的剛性所產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容:(1)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。
——?jiǎng)傮w動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。(2)空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。
——?jiǎng)傮w動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。(3)Lagrange公式與動(dòng)態(tài)力或轉(zhuǎn)矩向輸入端的換算。
——?jiǎng)傮w動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。(4)機(jī)構(gòu)輸出端的彈性與動(dòng)態(tài)特性。
——彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。
由于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究較為復(fù)雜,在此不做講解。第16頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五5.2傳感器的特性分析機(jī)電一體化中傳感器輸入量多機(jī)械物理量,最終輸出應(yīng)為與控制系統(tǒng)香匹配的電信號(hào)物理量。在此過(guò)程中要經(jīng)過(guò)一定的參量變換,即需傳遞函數(shù)(動(dòng)態(tài)特性)轉(zhuǎn)換。
傳感器檢測(cè)信號(hào)的一般變換過(guò)程:輸入量與電信號(hào)輸出量之間的變換關(guān)系(傳遞函數(shù))
Gs=GmGmeGe
除此之外,有時(shí)還需整形濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理變換等信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程。第17頁(yè),共26頁(yè),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(guò)程,依據(jù)所選用傳感器的類型和所轉(zhuǎn)換物理量的處理過(guò)程及要求不同,通常分為以下幾種形式。
1)機(jī)械物理量變換加速度、速度、位移等機(jī)械物理參量之間的變換。
2)電/磁變換機(jī)械—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。
3)應(yīng)變/電阻轉(zhuǎn)換機(jī)械位移—阻抗轉(zhuǎn)換。應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片等。
4)光電變換光信號(hào)—電信號(hào)轉(zhuǎn)換。光電二極管、光敏晶體管。第18頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五5.2.1動(dòng)電式變換器(傳感器)的特性
動(dòng)電式變換器:將回轉(zhuǎn)或平移機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種變換器。動(dòng)電式變換器的變換式為:或傳遞函數(shù):第19頁(yè),共26頁(yè),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(zhuǎn)換成電信號(hào)的變換元件。變換關(guān)系(特性):傳遞函數(shù):式中:電容量:—感應(yīng)系數(shù)。第20頁(yè),共26頁(yè),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(cè)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(dòng)變壓器。(2)靜電式變換器。(3)應(yīng)變應(yīng)力變化變換器。(4)光電編碼器。第21頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五5.2.4傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性將被檢測(cè)量x變換成機(jī)械變量y的過(guò)程中,在力或位移的變化速度較快時(shí),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(yīng)為使用最高頻率的10倍以上)。這一特性是傳感檢測(cè)系統(tǒng)的重要特性。(1)對(duì)于典型的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)(檢測(cè)對(duì)象為位移x)
運(yùn)動(dòng)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(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五(2)對(duì)于典型的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)
(檢測(cè)對(duì)象為加速度
)
運(yùn)動(dòng)方程:振幅頻率特性曲線傳遞函數(shù):第23頁(yè),共26頁(yè),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(hào)盡管有所不同,但輸出均為機(jī)械量(位移、力等),由此所具有的工作特性也有所不同。下面簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)信號(hào)輸入——驅(qū)動(dòng)電路(整形/濾波放大電路和功率放大電路)——電/機(jī)變換器(伺服電動(dòng)機(jī))——機(jī)械量變換器(減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等)。第24頁(yè),共26頁(yè),2023年,2月20日,星期五電氣式執(zhí)行元件的工作特點(diǎn)分析
由于執(zhí)行元件系統(tǒng)各轉(zhuǎn)換器之間存在信號(hào)或狀態(tài)反饋,其傳遞函數(shù)確定不是簡(jiǎn)單的乘積組合,它不僅與本身的靜態(tài)特性相關(guān),還與整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性相關(guān),因而在分析確定執(zhí)行元件系統(tǒng)的工作特性時(shí),應(yīng)將兩者的特性有機(jī)結(jié)合才能得出合理的結(jié)論。具體方法應(yīng)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(yè),共26頁(yè),2023年
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