机电一体化课件

3
2
5
H
4
1 图4-11 行星轮系传动
中心轮1固定， 双联齿轮2—3为行星轮， H为运动输入构件， 中心轮4为运动输出构件。 机构的自由度为1，基本构件为两 个中心轮2K 和一个系杆H ，故称 为 2K-H型行星轮系
传动比
iH 4

1
1 z1 z3
z2 z4
谐波齿轮传动 工作原理—齿差与变形
谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG略大于柔轮的齿
n = 60 f
脉冲频率为 f → 每秒转 ( f / zN ) 圈
zN
脉冲当量、减速比与步距角的关系
i= θ ·S/（360·Δ）
1 三相单三拍
工作原理
通电顺序： U 相→V 相→W 相→U 相。
U1
一步
U1
两步
U1
V2
4
1
W2 V2
1
W2 V2
W2
3
4
1
2
4
2
W1
3
2
V1 W1
3
V1 W1
线性传动部件 非线性传动部件 特殊传动部件 支撑部件
机械传动设计
负载的变化 传动链惯性 传动链固有频率 间隙、摩擦、润滑和温升
传感与检测系统设计 接口设计 微控制器的设计
3 结构设计的基本原理
1 任务分配原理
相同功能的任务分配 不同功能任务分配
数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时
与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u，错
ZG
齿是运动产生的原因
波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当
ZR
波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变
形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的
轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮
轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开
2 自补偿原理:自增强，自平衡，自保护
3 结构实际变元： 数量变元；形状变元；材料变元；顺序变元 4 力传递原理：力流路线直接、最短；力流转向平缓
5 力平衡原理 6 等强度原理 7 稳定性原理 8 降低噪声原理
第三章
数学模型的建立
机械传动系统 控制电机
传递函数 方框图
转矩平衡方程： (Js2 Bs)(s) KIa (s)
三式联立求得传递函数：
(s)
K
Ua (s) s[(Las Ra )( Js B) KKb ]
由于电枢回路中的电感La很小，忽略不计，即La
≈0，传递函数简化为：
(s)
K
Km
Ua (s) s[Ra Js BRa KKb ] s(Tms 1)
护保养方便 中心距要求严格，安装精度要求高； 制造工艺复杂，成本高
3 步进电机
一拍 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍 步距角 每一拍转子转过的角度。
3 步进电机
概念
一拍
控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍
步距角
每一拍转子转过的角度。 θ=
360° zN
转速
z ：转子齿数 N ：拍数
一个θ → 转 (1 / zN ) 圈
的过程之间则处于啮出或啮入状态。
波发生器的旋转方向与柔
当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形 轮的转动方向相反。
，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的
过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的
错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运
动传递。
谐波齿轮传动的特点
谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、 刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为 主动，另一个为从动。
1轮系传动
行星传动
主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。
原理：它有一个轴线位置固定的齿轮叫中心轮或太阳轮，在太 阳轮边上有轴线变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮叫行 星轮，行星轮的支持构件叫行星架，通过行星架将动力传到轴 上，再传给其它齿轮。它们由一组若干个齿轮组成一个轮系， 只有一个原动件，这种周转轮系称为行星轮系。
例1：齿轮传动的动力学分析
如图所示齿轮传动链，有电机M输入扭矩为Tm, L为输出端 负载， TL为负载扭矩。图示Z1、Z2 、Z3 、 Z4 为各齿轮齿 数； J1 、 J2 、 J3 及θ1 、θ 2 、θ 3分别为各轴及相应齿轮
的阻转尼动系惯数量。和设转各角轴。均为B1绝、对B刚2 、性B，3为即传扭动转中弹各簧轴常及数k齿J 轮 的
2 滚珠丝杠传动
主要尺寸参数
滚珠螺母
钢球
DW
Dpw d0 d1 D
α
Ph
φ
滚珠丝杠
l1
主要参数：公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径 公称直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直
径。 行程l：丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 螺距t：丝杠相对螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。
螺距根据精度确定.精度高时选小螺距。
（2）基本传动形式
因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴 承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单， 可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不 宜太长，刚性较差。因此只适用于行程较
小的场合。
该传动形式需要限制螺母的转动。故 需导向装置。其特点是结构紧凑、丝 杠刚性较好。适用于工作行程较大的 场合。
该传动方式结构简单、紧凑， 但在多数情况下，使用极不 方便，故很少应用。
该方式的丝杠上有基本导程(或螺距)不同的两段 螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母 1的移动距离为 ，如果两基本导程的大小相差 较少，则可获得较小的位移 。这种传动方式多
用于各种微动机构中。
2 同步带传动的特点
传动比准确、传动效率高 工作平稳，能吸收振动 不需要润滑、耐油水、耐高温、耐腐蚀、维
建立系统微分方程模型。
Tm J11 B11 T1 T2 J22 B22 T3 T4 J33 B33 TL
M
TmJ1Z1
1 T
T2
1
J2 θ2
Z3
T3
J3
14
齿轮传动Z2系统 T4
3 Z4
L
TL
可得动力学方程式：
Tm J11 B11 T1 ①
1
T 4
Z4 Z3
T3
3
Z3 Z4
2

Z1 Z2
Z3 Z4
1
例2：求电枢控制式直流电动机系统的传递函数
令加到电枢两端的电压ua为输入信号，电机有一个固定磁场， if为磁场电流，电枢回路中的电阻、电感分别为Ra， La，电枢
电流为ia ，M为电动机轴上产生的转矩，J、B分别为换算到电
合起来构成的新词，意思是机
械技术和电子技术的有机结合
信息科学
2 机电一体化的特点
本质：将电子技术引入机械控制中，也就是 “利用传感器检测机械运动，将检测信息输入 到计算机，经计算得到能够实现预期运动的控 制信号，由此来控制执行装置”。
综合性与系统性：电子技术、信息技术、自动控制 与机械技术结合
T2 J22 B22 T3 ②
T4 J33 B33 TL ③
M
Tm Jeq
L
Beθq 1
Te
q
将各轴转动惯量、阻尼及负载转换到电机轴，列出 Tm与θ1间的微分方程，由齿轮传动的基本关系可知：
T 2
Z2 Z1
T1
3
Z3 Z4
2
2
Z1 Z2
机械本体： 执行装置：
动力： 检测与传感：
控制：
手臂的连接部分和安装支架等 气缸 气压系统的气压源 接近传感器、磁性传感器、手爪传感器
4 机电一体化关键技术
机械技术 计算机与信息处理技术 传感器与检测技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术
系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的 结合起来，以实现整体最优。
机轴上的等效转动惯量和等效圆周粘性阻尼系数， eb为反电 动势。当系统输出信号为电动机的转角θ，求系统传递函数。
+
Ra
La
ia
eb
ua if
JB
Mθ
-
当激磁磁场不变时，转矩M正比于电枢电流，即
M=Kia，式中K为转矩常数。
当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动的角速度，
即
eb Kb
传动比大，外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效 率高达92％~96％，单级传动比可达50~4000。
承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且 滑动速度小，齿面摩损均匀。
柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高 时，可实现无侧隙的高精度啮合。
谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封 空间传递运动。
机电一体化
课程总结
2012年5月
考试题型
简答题：64分（6题）
基本概念和原理
应用题：36分（3题）
计算、分析及应用
考试时间：120分钟 考试形式：闭卷
第一章 绪 论
1 机电一体化的定义 2 机电一体化的特点 3 机电一体化的构成 4 机电一体化的关键技术
1 机电一体化的定义
其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接 口、人机接口
第二章 机电一体化设计基本原理及方法
1 机电一体化设计的一般步骤 2 详细设计的主要内容 3 结构设计的基本原理
1 设计步骤
市场调研 概念设计 详细设计 功能原理方案设计 结构设计 控制系统设计