第5章节元-部件特性剖析.ppt

机电一体化系统设计 第五章 机电一体化系统元、部件的特性分析 高等教育出版社 机 电 工 程 系 第五章 机电一体化系统元部件的特性分析 机电一体化系统中的机械系统、传感检测系统、执行元件系统、电子信息处理控制系统等，由于各子系统的输入/输出之间不一定成比例关系，但总存在某种频率特性关系（动态特性或传递函数），如线性或非线性特性。正确分析掌握这些频率特性，对有效地设计机电一体化系统或产品是非常重要的。 本章节重点掌握和了解机械系统、传感系统和执行元件系统等的基本特性，从机电一体化系统构成要素的角度出发掌握其分析方法。 第5.1节 机械系统特性 机械系统主功能：将一机械物理量变换成与目的相对应的另一机械物理量（运动参量、力/力矩参量）。 机械系统的基本特性要求：在具有承担外载荷足够的强度（бb, бs, бp）和刚度（结构刚度、接触刚度和局部刚度）的前提下，质量和惯量要小，系统响应要快，带负载的能力要强。 （1）一般线性机械系统的动态特性（传递函数）： X(s)/Fx(s) = 1/[(Jm+JL/i2)s2] 典型机械系统的动态特性（传递函数）： · 齿轮减速：Y = f(x) = (1/i)x · 只有机构转动惯量：X(s)/Fx(s) = 1/Jms2 · 只有负载转动惯量：X(s)/Fx(s) = 1/(JL/i2)s2 （2）非线性机械系统的动态特性（传递函数）： 5.1.1 变换机构及其运动变换分析 机电一体化系统中所用的机械变换机构有：齿轮传动机构（线性）、柔性带/链传动机构（线性）、回转/直线机构（线性）、间歇机构（非线性）、连杆机构（非线性）、凸轮机构（非线性）等。 （1）齿轮变换机构特性 1）定轴轮系 指圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。 传动变换特性：i=θ1/θ2 2）行星齿轮传动 一般由中心轮、行星轮、内齿轮、行星架等组成。依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性也有所不同。 如图所示的行星齿轮传动，传动变换特性为： 3）谐波齿轮传动 由谐波发生器（轮）、柔性轮、刚性轮等组成。依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性同样有所不同。 如图所示的谐波齿轮传动，传动变换特性为： （2）柔性带/链传动机构 主要指同带传动（平带、三角形带、步齿型带），纲带传动，链轮传动，绳轮传动等。具有传动距离较远，可略改变传动轴的方向，但采用摩擦传动，由于滑动将影响传递精度，同时需要张紧机构。 传动变换特性为：i=Z2/Z1 或 I=d2/d1 （3）回转/直线线性变换机构 主要有齿轮齿条机构、滑动丝杠螺母传动机构和滚动丝杠螺母传动机构。 传动变换特性为：V= pz1n1 或 V = pk1n1 （L=pk1） （4）间歇传动机构 通常为非线性变换机构，变换关系比较复杂如图所示。 传动变换特性为： （5）多自由度非线性变换机构 多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。 1）连杆机构 连杆机构的特点：具有刚性大，运动速度高，改变连杆尺寸参数可实现需要的运动，对力/力矩和运动轨迹/速度具有放大或缩小的功能。但连杆机构一般只能实现一定范围内的运动，在某些点上近似地满足输入与输出之间函数关系、运动关系一旦确定就不能改变。 连杆机构主要有：平面/空间连杆机构、多自由度串联机构和并联机构、直线平移机构等。 2）凸轮机构 凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复合运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓形状保证。但凸轮机构的传动效率较低，凸轮轮廓形状生产制造困难。 5.1.2 机构静力学特性 机构静力学所研究的主要问题： * 机构输出端所受负载（力或力矩）向输入端的换算。 —— 机电有机结合研究的主要问题。 * 机构内部的摩擦力（或转矩）对输入端的影响。 —— 机电有机结合研究的主要问题。 * 求外载荷、内部作用力、重力/惯性加速度引起机构内部各元件的受力。 —— 机构学强度、刚度、振动研究的主要问题。 （1）负载力（或转矩）向输入端的转算 在机构内部摩擦损失小时，应用虚功原理便可得到输出负载向输入端的换算。 1）单输入—单输出机械系统 （2）机构内部摩擦力的影响 机构内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出变换关系难于确定。但对于线性系统而言，变换关系的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关。 1）机械线性变换机构 主要有丝杠螺母传动机构和齿轮齿条传动机构。