2.2 动力和操纵控制系统的方案设计

1机械设计的基本程序2机械系统的组成运动循环图运动方程传动比人—机—环境关系310动力和操纵控制系统的方案设计10.1机械动力系统的方案设计10.2操纵控制系统的方案设计10.3机械系统的精度设计410.1机械动力系统的方案设计10.1.1动力系统设计的基本思想10.1.2机械系统的载荷特性10.1.3载荷谱及其编制10.1.4动力机械的类型及其特性10.1.5动力机械的选用原则510.1.1动力系统设计的基本思想机械系统设计安全可靠零部件：强度、刚度、稳定性；动力系统（动力机）：满足执行系统的功率要求；6动力系统设计系统所受载荷动力机功率功能原理设计如何选择动力机？710.1.2机械系统的载荷特性1.机械系统的载荷及其分类–机械系统的载荷所有机械在工作中几乎都要承受各种外力的作用，工程上把这些外力称为载荷。–载荷的分类•按载荷的作用形式分类•按零件发生变形的不同分类•按载荷产生的来源分类•按载荷是否随时间变化分类8载荷的分类1按载荷作用形式直接作用载荷间接作用载荷力、力矩温度、地震以变形的形式作用9载荷的分类2按零件变形不同拉伸（压缩）载荷弯曲载荷扭转载荷10载荷的分类3按载荷产生的来源工作载荷动力载荷自重载荷风、雪载荷温度载荷水力载荷机器工作阻力运动变化自身重量风压、雪压温度变化水压力、流动阻力11121940年美国西海岸华盛顿州世界第三的Tacoma大桥，中央跨距853m，悬索桥结构，建成四个月在19ms-1的风载下塌毁。13载荷的分类4随机载荷按载荷大小和方向是否随时间变化静载荷动载荷周期性变化冲击载荷周期载荷载荷作用时间短随时间无规律变化注意：载荷与应力不同14各种不同的载荷—时间历程1510.1.2机械系统的载荷特性2.工作载荷的确定方法需求方提供设计者自定国标、规定类比法–参考同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确定所设计机械的载荷。主要应用在载荷难定或初步设计阶段。–包括：几何尺寸类比、动力类比计算法–根据机械的功率要求和结构特点，运用各种力学原理、经验公式或图表等计算确定载荷。理论力学实测法–用实验分析的方法测定机械及其零件的载荷。直接、准确。162121lflfFF现设计机械原有机械17183.1.3载荷谱及其编制载荷谱的基本概念–原始记录的载荷-时间历程称为机械的工作谱或使用谱。–经过概率统计分析的方法处理后，能反映载荷随时间变化的，并具有统计特征的载荷—时间历程称为载荷谱。编谱：由实测载荷谱经统计处理简化为典型载荷谱的过程。编谱目的：–把随机载荷化为有规律的载荷的累加（或叠加），便于疲劳分析计算或试验。编谱过程：实测载荷谱统计处理典型载荷谱1910.1.3载荷谱及其编制随机载荷的统计处理方法借助傅立叶变换，将随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简谐载荷，得到功率谱密度函数。把载荷-时间历程离散成一系列的峰值和谷值，然后计算载荷峰值或幅值发生的频次、频率、概率密度和概率分布函数等。20循环数与反向数21判读计数编谱计数法处理随机载荷22循环计数法峰谷值计数法2324循环计数法幅程计数法2526循环计数法中的雨流法计数规则–雨流的起点依次从每个峰（谷）值的内侧开始；–雨流在下一个峰（谷）值处落下，直到对面有一个比开始时的峰（谷）值更大（更小）的值时停止；–当雨流遇到来自上面一层流下的雨流时就停止；–取出所有的全循环，并记下各自的振程；–按正、负斜率取出所有的半循环，并记下各自的振程；–将取出的半循环，按雨流法第二阶段计数法则处理并计数。27雨流法全循环：半循环：dedghgcaaOfddciggfaba28雨流法标准发散—收敛谱标准收敛—发散谱2930三点雨流法extractedcycle21232121oneSSIFSSSSSS必须以绝对值最大的峰或谷开始计数31雨流法提取有效循环载荷32333435四点雨流计数法36循环计数法的结果频率直方图累积频次曲线37383910.1.4动力机械的类型及其机械特性1.动力机：机械设备中驱动执行机构的机械，也称原动机。2.动力机的类型：动力机一次动力机二次动力机内燃机（柴油机、汽油机）电动机、液压马达、气动马达4010.1.4动力机械的类型及其机械特性1.动力机：机械设备中驱动执行机构的机械，也称原动机。2.动力机的选用（1）分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布局和工作环境等。（2）分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。（3）进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能量的供应和消耗，动力机的制造、运行和维修成本的对比等。41在选择动力机时，可根据各类动力机的特点进行各种方案的比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量。有时也可预选动力机，在产品设计出来后再进行校核。动力机的容量通常是指其功率的大小。动力机的功率P（单位：kW）与转矩T（单位：N·m）和转速n（单位：rpm）之间的关系为或动力机的容量一般是由负载所需的功率或转矩确定，动力机的转速则与工作机械之间的传动方案有关。若具有变速装置时，动力机转速可高于或低于工作机械的转速。9550nTPnPT95504210.1.4动力机械的类型及其机械特性动力机的机械特性：动力机输出的转矩与转速的关系，也称输出特性。是选择动力机的基础。内燃机负荷特性、速度特性、通用特性燃油消耗、功率、调速特性、推进特性等电动机功率、电压、电流、频率、转速启动、调速、翻转、制动等液压马达气动马达压力、体积流量和排量、效率功率、转矩、转速等43调速性能好，调整范围宽，启动转矩大额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定转速nN励磁电压Nf励磁电流If励磁方式价廉、耐用，启动调速性能差额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定频率f额定转速nN定子相数绕组接法绝缘等级价贵，启动负载较大，可小范围调速复杂，价高，转速不可调节，功率因素大44三相异步电动机的固有机械特性电动机的机械特性输出转矩T与其相应转速间的关系启动点额定工作点同步转速点最大转矩点最大转矩点4546小转矩4748495051有效性能指标有效功率平均有效压力升功率有效燃油消耗率指示性能指标标定功率机械效率52每小时的耗油量有效燃油消耗率排气温度经济性53动力性转矩有效功率54综合特性5510.1.4动力机械的类型及其特性3.动力机械的比较–电动机优/缺点：驱动效率较高，种类多，调速性能好，可进行远距离调控。缺点是需电源，野外工作不便。–内燃机优/缺点：功率范围宽，操作启动方便，便于移动，用于野外作业。缺点是需燃油，排气污染和噪声等。–液压马达优/缺点：传动比较大，低转速性能好，易实现无级变速，操作和控制都比较方便。缺点是制造和装配精度要求高，容易漏油，影响工作机械的运动精度。–气动马达优/缺点：无污染，集中供给和远距离输送，对易燃、易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好。缺点是空气可压缩，工作稳定性差，噪声较大，输出转矩比较小，适用于小型和轻型工作机械。5610.1.5动力机械的选用原则动力机选择步骤：–根据动力机选择的一般原则，确定动力机的形式；–确定动力机形式后，必须根据工作载荷的特性和动力机的负荷特性来确定最终选用的动力机械类型；–确定动力机类型后，根据工作机械的负荷特性计算动力机的容量，预选动力机型号。5710.1.5动力机的选用原则动力机形式的选用原则：–分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布置和工作环境。–分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。–进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力机的制造、运行和维护成本的对比等。5810.1.5动力机械的选用原则动力机类型的选用原则：–考虑不同类型动力机的机械特性，使之与工作机相匹配。动力机型号的选用原则：–计算所要求的具体性能数据，如：功率、速度、排量等，选择具体型号。5910.2操纵控制系统的方案设计10.2.1操纵系统的组成、功能和分类10.2.2操纵系统设计10.2.3操纵系统设计的人机工程学10.2.4机械系统控制复习思考题6010.2.1操纵系统的组成、功能和分类一、操纵系统的组成二、操纵系统的功能三、操纵系统的分类61一、操纵系统的组成操纵系统是指把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体。1.操纵件：产生操纵动力或发出操纵信号；2.执行件：执行操纵运动；3.传动件：将操纵运动及其上的作用力传递给执行件；4.辅助元件：保证操纵系统安全的元件。操纵系统是人与机械直接联系的闭环调节系统62二、操纵系统的功能功能：实现信号的转换，即把操作者施加于机械的信号，经过转换传递到执行系统，以实现机械的启动、停止、制动、换向、变速和变力等目的。基本要求：1.操纵灵活、轻便省力2.操纵件定位可靠3.系统反馈准确迅速且具有可调性4.操纵方便舒适5.操纵安全可靠63三、操纵系统的分类1.按操纵系统的驱动方式分类2.按操纵系统的传动方式分类3.按一个操纵件控制的执行件数目分类人力操纵系统：所需的作用力和能量全部由操作者提供助力操纵系统：利用机械系统中储备的能量帮助人力操纵液压操纵系统：所需的作用力和能量由液压系统提供气压操纵系统：所需的作用力和能量由气压系统提供机械式操纵系统：传动件全部是机械的混合式操纵系统：加入液压或气压助力器单独操纵系统：一个操纵件只操纵一个执行件集中操纵系统：一个操纵件可操纵多个执行件此外：手动、脚动、遥控操作系统6410.2.2操纵系统设计1.原理设计2.结构设计3.操纵件的造型设计根据系统总体设计要求，选择操纵件、执行件和传动机构的方案，确定主要设计参数及有关几何尺寸。在原理方案的基础上，形成各个组成部分的形状和尺寸。在不同造型、不同功能的机器上，采用独特的造型和风格，并与机械整体相协调。65操纵系统的主要参数1.操纵力Fc：操作者施加给机器操纵件的最大作用力，取决于执行件的工作阻力和操纵系统的传动比。2.操纵行程sc：执行件从初始位置移动到完成操纵任务时的位置，操纵件所具有的相应位移量。3.传动比uc：传动件主动力臂与从动力臂之比。czcuFFzccsuscpzcFFu66操纵件的结构设计1.操纵件：82.执行件：13-163.传动件：1-34.其它结构元件67操纵件的造型设计(1)旋纽旋纽的造型应具有线条简洁大方的形体，要与机械造型的风格一致，颜色以素雅为宜(除特殊规定外)，多用黑色、金属灰色或乳白色。需要突出标记的旋钮宜涂饱和度高、明亮度大的颜色，如白、浅黄、浅蓝、朱红、黑色等。(2)手柄和手轮手柄和手轮的断面形状和线条应简单大方，有特殊操纵要求或起点缀作用的手轮内壁涂鲜明醒目的颜色。手柄端部装上有颜色的塑料球头或把手，以引人注目。手柄和手轮应手感舒适，色质柔和，不宜过多地镀亮铬。681.经常操纵的操纵件中间位置和移动范围应布置在最有利工作范围内10.2.3操纵系统设计的人机工程学由于在“人—机”系统中起决定性作用的是人，而人又常常存在着体力不足、反应迟缓、准确性差、记忆力有限和容易疲劳等弱点。所以，在设计操纵系统时，就必须依据人体功能特点和心理、生理规律来进行设计，使“人—机”系统达到最佳配合状态。3.设置安全保护装置以保证系统的正常运行和人身安全2.结构件的结构造型应舒适并适应不同的操作情况69立势操纵的工作范围及操纵力设计站立时手臂的活动范围阴影区：最有利的活动范围小圆弧：手臂的正常活动范围大圆弧：手臂的最大可及范围70坐势操纵的工作范围及操纵力设计一般坐势操纵的工作范围和视力范围71坐势