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1、第5章 机电一体化系统的元、部件的特性分析,机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元件系统和电子信息处理(控制)系统等子系统构成。各子系统的输入与输出之间不一定成比例关系，可具有某种频率特性(动态特性或传递函数)，即输出可能具有与输入完全不同的性质。机械系统一般都具有非线性环节，在非线性不能忽略时，只能用微分方程来研究其特性。考虑各子系统的动态特性和非线性进行电子信息处理系统设计是机电一体化系统设计的一个特点。本章主要介绍机电一体化系统中的机械系统、传感系统和执行元件系统等几个子系统的基本特性，并从机电一体化系统构成要素的角度说明其分析方法。,本章主要内容,机械系统特性传感器的特性分析执
2、行元件的特性分析执行元件与机械结构结合中的若干问题,5.1 机械系统特性,机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械零件构成的，其功能是将一种机械量变换成与目的要求对应的另一种机械量。例如，有的连杆机构就是将回转运动变换为直线运动。机械系统在传递运动的同时还将进行力(或转矩)的传递。因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力(或转矩)的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。,机械总体的动态特性，以传递函数形式可表示为,如果运动变换是非线性变换，就不能用上述传递函数表示，只能用微分方程表示：,机构通过这样的线性或非线性变换就可以产生各种各样的运动。在选择执行元件
3、和给定运动指令时，一定要考虑伴随这些运动的动态特性。,511 变换机构及其运动变换分析,变换机构,线性变换机构,挠带传动机构,齿轮传动机构,非线性变换机构,间歇机构,机器人机构,回转-直线变换机构,连杆机构,凸轮机构,谐波齿轮传动,当刚性轮固定时，其传动比为,优点：单级传动比大且范围宽；同时啮合的齿数多，承载能力高；传动平稳，传动精度高，磨损小；在大传动比下，仍有较高的传动效率；零件数少，重量轻，结构紧凑；具有通过密封壁传递运动的能力等。缺点：起动力矩较大，且速比越小越严重；柔轮易发生疲劳破坏；装置发热较大等。,差动齿轮传动,运动变换关系：,挠带传动机构,同步带传动,链轮链条传动,绳轮传动,挠
4、带传动机构,同步带传动,优点：能缓和载荷冲击运行平稳、低噪音制造和安装精度不像啮合传动严格过载保护中心距大缺点：有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能保持准确的传动比传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上压力比啮合传动大带的寿命低,链条传动,优点：没有滑动相同工况，结构紧凑轴上载荷较小效率高能在温度较高、湿度较大的环境下使用缺点：瞬时速度不均匀，高速运转时不如皮带传动平稳不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用,绳轮传动,绳轮传动的回转轴方向可自由改变，绳与轮之间是摩擦传动，如果有滑动，就会影响传动精度，为避免打滑，可将绳的一端固定在轮子上，但这会限制轮子的回转角度。绳子可在任意方自上弯曲，具有很大
5、的柔性，故常在机器中作为回转运动机构应用。,间歇机构,槽轮机构,空间槽轮,内槽轮,间歇机构是非线性机构，常用作机电一体化系统的辅助机构，其变换关系比较复杂，一般表示为,机器人机构,机器人机构的腕部和手部大都采用结构较为紧凑而集中的机构，腕部机构多采用不同轴线的转动关节、或用球关节（球面运动副）或用锥齿轮组成的周转轮系等。一般自由度为1 3，具体值则根据需要而定。为了便于手爪在空间能得到任意要求的姿态，在通用的空间机器人机构中，其腕部至少应有三个自由度。,连杆机构,凸轮机构,圆柱凸轮式间歇运动机构,蜗秆凸轮式间歇运动机构,连杆机构与凸轮机构的特点是刚性好，运动速度高，但其运动关系不能改变，适用于
6、不需要经常改变运动关系的场合。如果运动变换关系需要经常改变时，可采用能够控制其变换关系的多自由度系统，但多自由度系统的机构构成要素多，刚性差，易产生振动。考虑上述问题的软件设计问题是机电一体化设计中的一个重要课题。,512机构静力学特性,机构静力学所研究的问题是：机构输出端所受负载(力或转矩)向输入端的换算；机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响；求由上述各种力或重力加速度引起的机构内部各连杆、轴承等的受力。,(1)负载力(或转矩)向输入端的换算（采用虚功原理）,在机构学中，将dy=dx=0状态称为变点(方案点)。在dydx=附近，用很小的输入力就可得到很大的输出力，图57c所示的倍力机构就
7、是其中一例。将dydx=0时的状态称为死点这种状态不论输入多大力(或转矩)也不会产生输出力(或转矩)。,多输入输出系统,(2)机构内部摩擦力的影响,1)线性变换机构,2)非线性变换机构,一般来讲，由于摩擦的存在，非线性变换机构的变换关系不是一定的。固体摩擦的力学计算不但麻烦，而且会使机电一体化系统的整体特性变差，因此要尽可能减少摩擦阻力。,513机构动力学特性,(1)平面运动机构要素的动态力及动态转矩,2)空间运动机构要素的动态力及动态转矩,（3）Lagrange公式与动态力（或转矩）向输入端的换算,有势力,对于保守系统,设机构要素重心位置矢量为r，绕重心的回转角速度为，J为绕其重心的转动惯量矩阵，则该要素所具有的动能为：,则重力势能为：,则单输入单输出系统，输入角位移：,驱动力：,由运动关系：,行星齿轮机构为线性变换机构,(4)两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩分析,虚功原理,J.伯努利提出了受有理想约束的力学体系处于平衡状态的充分和必要条件是：作用在体系上的所有主动力,在满足约束条件下它们在任意的无限小虚位移中所作的元功之和等于零的原理,称为虚位移原理、又称虚功原理。,
