機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一-機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

1、機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一-機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法一、負(fù)載分析機(jī)電伺服務(wù)系統(tǒng)的被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)， 該被控對(duì)象就是系統(tǒng)的負(fù) 載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多種形式。負(fù)載的運(yùn)動(dòng)形式有直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等，具體的負(fù)載往往比較復(fù)雜，為 便于分析，常將它分解為幾種典型負(fù)載，結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律再將它 們組合起來(lái)，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行。.典型負(fù)載：包括慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載 （滑動(dòng)摩 擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載）等。具體系統(tǒng)的負(fù)載可能是以上一種或幾種典型負(fù)載的組合。.負(fù)載的等效換算在第二章/第三節(jié)齒輪傳動(dòng)比分配的 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則”中 曾提高過(guò)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

2、的計(jì)算方法，本節(jié)將更詳細(xì)地討論。為使執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩（或力、功率）、加減速控制等，與被控 對(duì)象的固有參數(shù)（如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）相互匹配，需要將被控對(duì)象相 關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受的負(fù)載（力或轉(zhuǎn)矩等）等效換算到執(zhí)行元 件的輸出軸上，即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力（直線運(yùn)動(dòng)）。4、丁 n）%（林）QT一。1DF面以圖示的機(jī)床工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例加以說(shuō)明。 所示系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)部件和n個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。 M、v和F分別為移動(dòng)部件的質(zhì) 量（kg）、運(yùn)動(dòng)速度（m/s）和所受的負(fù)載力（N）; Jj、nj （ j）和Tj分別 為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2

3、）、轉(zhuǎn)速（r/min或rad/s）和所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （N m）。（1）求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq,根據(jù)能量守恒定律有:-J -J 用）乙 J J工/網(wǎng)所以，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:用工程上常用單住時(shí)，可將上式故寫(xiě)為1單位：m/s?單位：所以，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:用工程上常用單住時(shí)，可將上式故寫(xiě)為1單位：m/s?單位：rd/s住: s/n in/羊位：r/mi n移動(dòng)部分為絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)時(shí)：跟絲杠連接的齒輪是第n個(gè)齒輪:（2）求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq（2）求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq4為先杠導(dǎo)程為第CH）級(jí)傳動(dòng)比上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)載所作功的總和等于執(zhí)行元件所做功，即:所以，等效負(fù)載轉(zhuǎn)任為:6.單位:m/秒，叫單位:raU秒

4、）用工程上常用單位時(shí)，可將上式改寫(xiě)為01功，即:所以，等效負(fù)載轉(zhuǎn)任為:6.單位:m/秒，叫單位:raU秒）用工程上常用單位時(shí)，可將上式改寫(xiě)為01分,為單位工轉(zhuǎn)/分）速比之間的關(guān)系參見(jiàn)前面等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量部分。、執(zhí)行元件的匹配選擇 擬定系統(tǒng)方案時(shí)，要根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行綜合分析， 以選擇與被 控對(duì)象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡(jiǎn) 要說(shuō)明執(zhí)行元件的選擇方法。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應(yīng)和被控對(duì)象的需要相匹配， 如冗余量大、易使執(zhí)行元件價(jià)格貴，使機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本升高， 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降，在使用時(shí)，冗余部分用戶(hù)用不上，易造成浪費(fèi)。如 果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)數(shù)值偏低，將達(dá)不到

5、使用要求。所以，應(yīng)選 擇與被控對(duì)象的需要相適應(yīng)的執(zhí)行元件，如轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩。.步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇(1)轉(zhuǎn)矩與慣量匹配條件電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩T包括：等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq但括摩擦負(fù) 載和工作負(fù)載)、等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩T慣等，即 考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率時(shí)，則為保證電機(jī)帶負(fù)載能正常起動(dòng)和定位停止，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq應(yīng)滿(mǎn)足：與益”此外，推薦Jeq/Jm r; ,卻電 造用.根據(jù)計(jì)算的T 和Jm可初步選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，并對(duì)電機(jī)其他的 性能指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，如最快工作進(jìn)給速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核；最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核；最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核；啟動(dòng)頻率的校核。(2)步距角的匹配條件步

6、距角的選擇受脈沖當(dāng)量等因素影響，應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式i = JQ6S)當(dāng)然，步距角越小，誤差越小，則精度越高.直流、交流伺服電機(jī)的匹配選擇直流、交流伺服電機(jī)可根據(jù)估算功率進(jìn)行預(yù)選。功率的估算公式 如下:電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速(r/min):電動(dòng)機(jī)的最高角加速度（rad/s）:功率系數(shù)，一般取 =1.2-2,對(duì)于小功率伺服系統(tǒng)可取2.5。在預(yù)選電動(dòng)機(jī)功率后，應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算。（1）過(guò)熱驗(yàn)算當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，應(yīng)用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩和等效功率，在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通近似不變時(shí)：S+t1,t2:時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為T(mén)1,T2。則所選電動(dòng)機(jī)的不過(guò)熱條件為：與當(dāng)。-電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（Nm）;與一電動(dòng)機(jī)的額定功

7、率（W）；-電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（r/min）。（2）過(guò)載驗(yàn)算使電機(jī)瞬時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的比值不大于某一系數(shù)，即km:電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄中給出 三、減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來(lái)選擇確定，既要使減速比達(dá)到一定條件下最佳， 同時(shí)又要滿(mǎn)足脈沖當(dāng) 量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿(mǎn)足最大轉(zhuǎn)速要求等。當(dāng)然要 全部滿(mǎn)足上述要求是非常困難的。選擇了總減速比之后，還要合理確定減速級(jí)數(shù)及分配各級(jí)的速比，其分配原則可參看第2章第三節(jié)的內(nèi)容。四、微機(jī)與檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

8、過(guò)程中，確定了執(zhí)行元件與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)之后， 需要根據(jù)所 擬系統(tǒng)的初步方案，選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其余部分，包括.選擇或設(shè)計(jì)微機(jī)與檢測(cè)傳感裝置；.選擇或設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路；.選擇或設(shè)計(jì)電源。各部分的設(shè)計(jì)計(jì)算，必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的 廣義接口、信號(hào)的有效傳遞（防干擾措施）、輸入/輸出的阻抗匹配。總 之，要使整個(gè)系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下，達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)要從兩頭人手：.從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置 ；.從系統(tǒng)的精度、速度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)微機(jī)與檢測(cè)裝置，并確定信號(hào)的前向和后向通道；關(guān)于微機(jī)、傳感器、執(zhí)行元件的選擇，前面的章節(jié)已有詳細(xì)

9、的敘述，下面著重提出兩點(diǎn)：.伺服放大器的設(shè)計(jì)與選擇：伺服系統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)與選擇主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配，具輸出電壓、電流應(yīng)滿(mǎn) 足執(zhí)行元件的容量要求，不僅要滿(mǎn)足執(zhí)行元件額定值的需要， 而且還 應(yīng)該能夠保證執(zhí)行元件短時(shí)過(guò)載、短時(shí)快速的要求?？傊?，輸出級(jí)的 輸出阻抗要小，效率要高、時(shí)間常數(shù)要小。(2)放大器應(yīng)為執(zhí)行元件(如電動(dòng)機(jī))的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件。例 如：為大功率電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)條件，為力矩電動(dòng)機(jī)或永磁式直流電動(dòng) 機(jī)的電樞電流提供限制保護(hù)措施。(3)放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常 發(fā)揮。(4)輸入級(jí)應(yīng)能與檢測(cè)傳感裝置相匹配，即它的輸入阻

10、抗要大，以 減輕檢測(cè)傳感裝置的負(fù)荷。(5)放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。.電源的設(shè)計(jì)與選擇：在一個(gè)系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，除了有動(dòng)力電源外，還 有各種類(lèi)型的控制電源。系統(tǒng)對(duì)電源及其頻率的穩(wěn)定度都有一定要求(1)所使用電源應(yīng)具有足夠的保護(hù)措施，如過(guò)電壓保護(hù)、掉電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)等；(2)應(yīng)具有抗干擾措施，如濾波、隔離、屏蔽等；(3)要有為系統(tǒng)服務(wù)的自檢電路、顯示與操作裝置。五、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立.半閉環(huán)控制方式，傳遞函數(shù)如下：KKk.一前他大籍帽ii博,一功率“大修堵鹿,黑.一盥麓何*由汕柳也二,心一*度反鼻，總f一就底何取電動(dòng)機(jī)前奇就小行）更比,內(nèi)-佗

11、檢濡部辦博增就（匕匕）人電壓的位氏皆,*的（。法趕由*的短變*當(dāng)系統(tǒng)受到附加外擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tr （如摩擦轉(zhuǎn)矩）時(shí)，框圖變?yōu)槿缦?KT:直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù);KT:直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù);Ra直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的繞組阻抗；Ro:功率放大器的輸出阻抗；VD（S）對(duì)應(yīng)于擾動(dòng)力矩的等效擾動(dòng)電壓的拉氏變換。則擾動(dòng)與輸出之間的傳遞函數(shù)為：尸凡）gO由上可知，在半閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)中，無(wú)論是輸入 /輸出間，還是擾 動(dòng)/輸出間的傳遞函數(shù)都是二階振蕩環(huán)節(jié).全閉環(huán)控制方式榻。）遜二 4KG網(wǎng)其中，榻。）遜二 4KG網(wǎng)其中，k=kakAkm/i1工，.工作臺(tái)X/H& r.3外（工，.工作臺(tái)X/H& r.3外（F）

12、,r（oc)在考慮彈性 變形的前提 下，包含在 閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi) 的機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)本身又 是一個(gè)二階 振蕩環(huán)節(jié)， 這使得系統(tǒng)機(jī)事傳動(dòng)系就的簡(jiǎn)化 完整的傳遞函數(shù)必然是高階的，從而導(dǎo)致系統(tǒng)具有多個(gè)諧振頻率。 但 在控制系統(tǒng)中，往往感興趣的是其主諧振頻率。.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率K1, K2, K3 一軸I、H、m的扭轉(zhuǎn)剛度；J1, J2, J3 -軸I、H、加上運(yùn)動(dòng)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； M一工作臺(tái)的總質(zhì)量；J0一軸n、m及工作臺(tái)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B0一工作臺(tái)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的阻尼系數(shù)；K一機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總扭 轉(zhuǎn)剛度。對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換得(6-26)4s(s) =(s)-K。陽(yáng)(s)-X；(s)(6-26).%( =及。($) 一/間- 8。/(力式中X；(s) = 平占(s) = QT.，其中。=乎 .根據(jù)式(626),可畫(huà)出簡(jiǎn)化系統(tǒng)的框圖如圖6-11所示.通過(guò)系統(tǒng)框圖的簡(jiǎn)化可得系統(tǒng) 的傳遞函數(shù)為K亢荷一/k 心(小+及)