機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)元

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章機(jī)電一體化系統(tǒng)元、部件的特性分析張建民

編著高等教育出版社講授：何慶中機(jī)

電

工

程

系德達(dá)理勵(lì)志勤工第五章

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。德達(dá)理勵(lì)志勤工第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)。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非線性機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（傳遞函數(shù)）：德達(dá)理勵(lì)志勤工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）、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。德達(dá)理勵(lì)志勤工連桿機(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）定軸輪系如圖所示的行星齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)變換特性為：德達(dá)理勵(lì)志勤工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：德達(dá)理勵(lì)志勤工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：（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）德達(dá)理勵(lì)志勤工（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：德達(dá)理勵(lì)志勤工（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。德達(dá)理勵(lì)志勤工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。德達(dá)理勵(lì)志勤工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?！獧C(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。德達(dá)理勵(lì)志勤工（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)德達(dá)理勵(lì)志勤工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：（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德達(dá)理勵(lì)志勤工可推導(dǎo)出：Fy

向Tx

轉(zhuǎn)換的變換系數(shù)為：——該值有所變化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。德達(dá)理勵(lì)志勤工例如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)其輸入動(dòng)力T與輸出外載荷Fy的關(guān)系可寫為：其中：德達(dá)理勵(lì)志勤工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：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?？臻g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。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。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。德達(dá)理勵(lì)志勤工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

=Gm

Gme

Ge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。德達(dá)理勵(lì)志勤工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、光敏晶體管德達(dá)理勵(lì)志勤工5.2.1動(dòng)電式變換器（傳感器）的特性動(dòng)電式變換器的變換式為：或傳遞函數(shù)：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。德達(dá)理勵(lì)志勤工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)。德達(dá)理勵(lì)志勤工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。差動(dòng)變壓器。靜電式變換器。應(yīng)變應(yīng)力變化變換器。光電編碼器。德達(dá)理勵(lì)志勤工5.2.4

傳感檢測(cè)系統(tǒng)的特性德達(dá)理勵(lì)志勤工將被檢測(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（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)：德達(dá)理勵(lì)志勤工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）。德達(dá)理勵(lì)志勤工電氣式執(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。德達(dá)理勵(lì)志勤工電氣