機電一體化中機械系統(tǒng)部件的選擇與設計.ppt

第2章 機電一體化中機械系統(tǒng)部件的選擇與設計 2.1概述 2.2傳動機構 2.3導向及支撐結構 2.4機械執(zhí)行機構,與一般機械系統(tǒng)比較，機電一體化機械系統(tǒng)的要求： 定位精度要高 響應速度要快 穩(wěn)定性高 常常提出：無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜?機電一體化機械系統(tǒng)的三大結構 傳動機構：考慮與伺服系統(tǒng)相關的精度、穩(wěn)定性、快速響應等伺服特性 導向機構：考慮低速爬行現(xiàn)象 執(zhí)行機構：考慮靈敏度、精確度、重復性、可靠性,2.2傳動機構 1、傳動機構的種類： 齒輪傳動機構、滾珠絲杠副、滑動絲杠副、同步帶傳動副、間歇機構、繞性傳動機構 2、傳動機構的特點： 傳動精度要高、 響應速度要快、穩(wěn)定性高,3、傳動機構的基本要求： 在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動機構的質量和轉動慣量要?。晦D動慣量大會對系統(tǒng)造成機械負載增大（T電=T負+J）；系統(tǒng)響應速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產(chǎn)生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低P20。 剛度越大，伺服系統(tǒng)動力損失越??；剛度越大，機器的固有頻率越高，不易振動( )；剛度越大，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。 機械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但阻尼大會使系統(tǒng)損失動量，增大穩(wěn)態(tài)誤差，降低精度，故應選合適阻尼。 靜摩擦力要小，動摩擦力要小的正斜率；或者會出現(xiàn)爬行。,4、摩擦 摩擦力可分為三種： 靜摩擦力、庫侖摩擦力和粘性摩擦力（動摩擦力=庫侖摩擦力+粘性摩擦力）。 負載處于靜止狀態(tài)時，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的增加而增加，最大值發(fā)生在運動前的瞬間。運動一開始，靜摩擦力消失，靜摩擦力立即下降為庫侖摩擦力，大小為一常數(shù)F=mg，隨著運動速度的增加，摩擦力成線性的增加，此時的摩擦力為粘性摩擦力（與速度成正比的阻尼稱為粘性阻尼）。 摩擦對機電一體化伺服系統(tǒng)的主要影響是：降低系統(tǒng)的響應速度；引起系統(tǒng)的動態(tài)滯后和產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；在接近非線性區(qū)，即低速時產(chǎn)生爬行。 根據(jù)經(jīng)驗，克服摩擦力所需的電機轉矩Tf與電動機額定轉矩TK的關系為0.2TKTf0.3 TK,在使用中應盡可能減小靜摩擦力與動摩擦力的差值，并使動摩擦力盡可能小且為正斜率較小的變化 。,5、爬行 當絲杠1作極低的勻速運動時，工作臺2可能會出現(xiàn)快一慢或跳躍式的運動，這種現(xiàn)象稱為爬行。,1）產(chǎn)生爬行的原因和過程 勻速運動的主動件1，通過壓縮彈簧推動靜止的運動件3，當運動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動。直到彈簧力剛剛大于F時，3才開始運動，動摩擦力隨著動摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應增大，同時彈簧相應伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負加速度，速度降低，動摩擦力相應增大，速度逐漸下降，直到3停止運動，主動件1這時再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進入下一個周期。,由上述分析可知，低速進給爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于下列因素： 靜摩擦力與動摩擦力之差，這個差值越大，越容易產(chǎn)生爬行。 進給傳動系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產(chǎn)生爬行。 運動速度太低。 （適當?shù)脑黾酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f）,2）不發(fā)生爬行的臨界速度 臨界速度可按下式進行估算 （m/s） 式中 F-靜、動摩擦力之差（N）； K-傳動系統(tǒng)的剛度（Nm）； -阻尼比； m-從動件的質量（kg）。 以下兩種觀點有利于降低臨界速度： 適當?shù)脑黾酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f，有利于改善低速爬行現(xiàn)象，但慣性增加會引起伺服系統(tǒng)響應性能降低；增加粘性摩擦系數(shù)也會增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設計時應優(yōu)化處理。,3）消除爬行現(xiàn)象的途徑（實際做法） 提高傳動系統(tǒng)的剛度 a在條件允許的情況下，適當提高各傳動件或組件的剛度，減小各傳動軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當?shù)募哟謧鲃咏z杠的直徑，縮短傳動絲杠的長度，減少和消除各傳動副之間的間隙。 b盡量縮短傳動鏈，減小傳動件數(shù)和彈性變形量。 c合理分配傳動比，使多數(shù)傳動件受力較小，變形也小。 d對于絲杠螺母機構，應采用整體螺母結構，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動剛度。 減少摩擦力的變化 a用滾動摩擦、流體摩擦代替滑動摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動導軌和靜壓導軌等。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質，基本上可以消除爬行。 b選擇適當?shù)哪Σ粮辈牧?，降低摩擦系?shù)。 c降低作用在導軌面的正壓力，如減輕運動部件的重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力。 d提高導軌的制造與裝配質量，采用導軌油等都可以減少摩擦力的變化。,6、阻尼 在系統(tǒng)設計時，考慮綜合性能指標，一般取0.5 0.8之間。 7剛度 采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對齒輪、絲杠、軸承施加預緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。 對于伺服機械傳動系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動剛度有以下好處： （1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動量），有利于提高傳動精度； （2）可以提高系統(tǒng)的固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性； （3）可以增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,8諧振頻率 對于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機械傳動系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅動部件的固有頻率。 對于機械傳動系統(tǒng)，它的固有頻率取決于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的剛度及慣量，因此在機械傳動系統(tǒng)的結構設計中，應盡量降低慣量，提高剛度，達到提高傳動系統(tǒng)固有頻率的目的。 一般要求機械傳動系統(tǒng)最低固有頻率WOI300rads，其他機械系統(tǒng)WOI600rads。,9間隙 對于系統(tǒng)閉環(huán)以外的間隙，對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響到伺服精度。 對于系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的間隙，在控制系統(tǒng)有效控制范圍內(nèi)對系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性影響較小，但反饋通道上的間隙要比前向通道上的間隙對系統(tǒng)影響較大。,轉動慣量的計算： （單位：kgm2） (1) 圓柱體轉動慣量 (2) 直線移動工作臺折算到絲杠上的轉動慣量,(3) 齒輪齒條傳動時工作臺折算到小齒輪軸上的轉動慣量 (4) 工作臺折算到鋼帶傳動驅動軸上的轉動慣量,(5) 絲杠折算到電機上的轉動慣量,例1：絲杠傳動時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量,例2：求系統(tǒng)折算到電機上的總傳動比,例題2-2,2.2.4齒輪傳動副 齒輪總傳動比的設計原則: 工作時折算到電動機軸上的峰值轉矩最??；等效均方根力矩最??；電機驅動負載加速度最大三種方法計算。 重點介紹負載加速度最大原則: 結論:,上式表明，齒輪系傳動比的最佳值就是，JL換算到電動機軸上的轉動慣量正好等于電動機轉子的轉動慣量，此時，電動機的輸出轉矩一半用于加速負載，一半用于加速電動機轉子，達到了慣性負載和轉矩的最佳匹配。,總傳動比分配 (1)最小等效轉動慣量原則 (2)重量最輕原則 (3)輸出軸轉角誤差最小原則,一、最小等效轉動慣量原則 小功率傳動 以兩級齒輪傳動系統(tǒng)為例。假設傳動效率為100；各主動小齒輪轉動慣量相同為J1；軸與軸承的轉動慣量不計；各齒輪均為同寬度同材料的實心圓柱體。 結論：,對于n級齒輪系分析可得： 各級轉動比的分配按“前小后大”次序,傳動級數(shù)n 確定：,大功率傳動 確定n,第一級傳動比確定,各級傳動比的確定,二、重量最輕原則 小功率傳動 各主動小齒輪轉動慣量相同為J1；軸與軸承的轉動慣量不計；各齒輪均為同寬度同材料的實心圓柱體。 結論：對于n級傳動 i1i2i3ini1/n,大功率傳動 設 設b1b2 ，b3b4 結論： 對于三級齒輪傳動,查表求法： 各級傳動比是逐漸遞減的 即滿足”前大后小”原則.,三、輸出軸轉角誤差最小原則 四級傳動比分別為i1 、i2 、i3 、i4；齒輪1 8的轉角誤差依次為18，該傳動鏈輸出軸的總轉角誤差為： 各級傳動比滿足”前小后大”原則.,三種原則的選擇： 對齒輪傳動裝置的設計，應根據(jù)具體的工作條件綜合考慮。 1.傳動精度要求較高時采用輸出軸轉角誤差最小原則設計； 2.對于要求運轉平穩(wěn)、頻繁啟動和動態(tài)性能好的傳動裝置，常用最小等效轉動慣量原則和輸出軸轉角誤差最小原則設計； 3.對于有質量要求的其它傳動裝置用重量最輕原則。,齒輪傳動間隙的調(diào)整 1直齒圓柱齒輪傳動副 （1）偏心套調(diào)整法,（2）錐度齒輪調(diào)整法,（3）雙片齒輪錯齒調(diào)整法,2斜齒圓柱齒輪傳動副 （1）軸向墊片調(diào)整法 （2）軸向壓簧調(diào)整法,3齒輪齒條傳動,滾珠螺旋傳動 滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的滑動摩擦阻力，傳動效率低，磨損快、精度不高，使用壽命短，已不能適應機電一體化設備在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滾珠螺旋傳動則是為了適應機電一體化機械系統(tǒng)的要求而發(fā)展起來的一種新型傳動機構。,滾珠絲杠副的特點 : (1)傳動效率高、摩擦損失小，傳動效率很高，可達0.920.96（滑動絲杠為0.20.4） (2)傳動的可逆性、不可自鎖性 (3) 傳動精度高 (4) 磨損小、使用壽命長,螺紋滾道截面的形狀、滾珠循環(huán)的方式、軸向間隙的調(diào)整及施加預緊力的方法三個方面介紹： 1滾珠絲杠螺母副螺紋滾道的截面形狀,2滾珠循環(huán)的方式 （1）內(nèi)循環(huán) （2）外循環(huán),3滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整與預緊 （1）雙螺母螺紋預緊調(diào)整式,（2）雙螺母齒差預緊調(diào)整式,（3）雙螺母墊片調(diào)整預緊式,（4）彈簧式自動調(diào)整預緊式,（5）單螺母變位導程自預緊式,滾珠絲杠副支承方式的選擇,滾珠絲杠副的選擇 1滾珠絲杠副結構的選擇 根據(jù)防塵防護條件以及對調(diào)隙及預緊的要求，可選擇適當?shù)慕Y構型式。例如，當允許有間隙存在時(如垂直運動)可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當必須有預緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；當具備良好的防塵條件，且只需在裝配時調(diào)整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調(diào)整預緊式結構。,2滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù) 公稱直徑d0、基本導程L0（或螺距t）、行程L； 此外還有絲桿螺紋大徑d、絲桿螺紋小徑d1、滾珠直徑db、螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、絲桿螺紋全長LS等。 3滾珠絲杠副結構尺寸的選擇 公稱直徑d0應根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選樣；螺紋長度LS在允許的情況下要盡量短，一般取LSd0小于30為宜；基本導程L0 （或螺距t）的大小應根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的承載能力、傳動精度要求確定。L0大承載能力也大，L0小傳動精度較高。要求傳動速度快時，可選用大導程滾珠絲扛副。滾珠的工作圈（或列）數(shù)和工作滾珠的數(shù)量N由試驗可知：第一、第二和第三圈（或列）分別承受軸向載荷的50、30和20左右。因此，工作圈（或列）數(shù)一般取2.53.5。滾珠總數(shù)N一般不超過150個。,4滾珠絲杠副的精度等級 JB3162.291（ ISO34083：1992 ）滾珠絲杠副的驗收技術條件，將滾珠絲杠副的精度分為7個精度等級，即1，2，3，4，5，7，10級。1級精度最高，依次遞減。標準中對各級精度的滾珠絲杠副的行程偏差有多個項目的規(guī)定。 5滾珠絲杠副的選擇步驟 （1）承載能力選擇 （2）壓桿穩(wěn)定性核算 （3）剛度的驗算,同步齒形帶傳動 同步齒形帶，是一種新型的帶傳動。 （一）同步齒形帶的特點： 1、傳動過程中無相對滑動，因而可以保持恒定的傳動比，傳動精度較高。 2、同步帶傳動工作平穩(wěn)，結構緊湊，無噪音，有良好的減振性能，無需潤滑。 3、同步帶無需特別緊張，故作用在軸和軸承上的載荷較小，傳動效率較高。 4、同步帶傳動的缺點是制造工藝較復雜，傳遞功率較小，壽命較低。,（二）同步齒形帶的結構 根據(jù)齒形的不同，同步齒形帶可以分成兩種。一種是梯形齒同步帶，另一種是圓弧齒同步帶。 1、梯形齒應力集中在齒根部位，與帶輪是圓弧形接觸，當小帶輪直徑較小時，將使梯形齒同步帶的齒形變形，影響與帶輪齒的嚙合，易產(chǎn)生噪聲和振動，這對于速度較高的主傳動來說是很不利的。因此，梯形齒同步帶在數(shù)控機床特別是加工中心的主傳動中很少使用，一般僅在轉速不高的運動傳動或小功率傳動的動力傳動中使用。 2、圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步帶的缺點，均化了應力，改善了嚙合。因此，在加工中心上，無論是主傳動還是伺服進給傳動，當需要用帶傳動時，總是優(yōu)先考慮采用圓弧齒同步齒形帶。,齒形帶的結構 1-帶背，2-強力層，3-包布層，4-帶齒。 包布層材料：尼龍布 帶齒材料：氯丁橡膠為基體 強力層材料：鋼絲，玻璃纖維，芳香族聚酰胺纖維（芳綸）,對齒形帶的要求： 1、有高的抗剪強度和耐磨性； 2、有高的耐油性和耐熱性； 3、背帶有良好的韌性和耐彎曲疲勞能力；,（三）主要參數(shù)與規(guī)格 1、節(jié)線長：強力層中心線； 2、節(jié)距t ：相鄰兩齒在節(jié)線上的距離； 3、模數(shù)m：是節(jié)距t與之比，即m=t/； 4、規(guī)格：單面齒、雙面齒（DI型、DII型）；,（四）同步帶標記 例：800 DI H 300 800：長度代號，節(jié)線長度查表2032mm; DI:雙面齒的對稱齒形； H：查表2-8,型號,