伺服系統(tǒng)中機(jī)械部件的選擇與設(shè)計(jì)ppt課件

1、 伺服系統(tǒng)中機(jī)械部件的選擇與設(shè)計(jì) 與普通機(jī)構(gòu)比較，對伺服系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的要求： 定位精度要高 呼應(yīng)速度要快 穩(wěn)定性高 需求：無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜?伺服系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的三大構(gòu)造 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：思索與伺服系統(tǒng)相關(guān)的精度、穩(wěn)定性、快速呼應(yīng)等伺服特性 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：思索低速爬行景象 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：思索靈敏度、準(zhǔn)確度、反復(fù)性、可靠性 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠副、滑動(dòng)絲杠副、同步帶傳動(dòng)副、間歇機(jī)構(gòu)、繞性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：傳動(dòng)精度高、 呼應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高 3、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的根本要求 在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要??；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對系統(tǒng)呵斥機(jī)

2、械負(fù)載增大T電=T負(fù)+J；系統(tǒng)呼應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產(chǎn)生諧振。剛度大；剛度越大，伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失越??；剛度越大，機(jī)器的固有頻率越高，不易振動(dòng)( )；剛度越大，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。選適宜阻尼；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(huì)使系統(tǒng)損失動(dòng)量，增大穩(wěn)態(tài)誤差，降低精度。 靜摩擦力要小；動(dòng)摩擦力要小的正斜率；或者會(huì)出現(xiàn)爬行。JKn 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(dòng)摩擦力=庫侖摩擦力+粘性摩擦力。 負(fù)載處于靜止形狀時(shí)，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的添加而添加，最大值發(fā)生在運(yùn)動(dòng)前的瞬間。運(yùn)動(dòng)一開場，靜摩擦力消逝，靜摩擦力立刻下降為庫侖

3、摩擦力，大小為一常數(shù)F=mg，隨著運(yùn)動(dòng)速度的添加，摩擦力成線性的添加，此時(shí)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。 摩擦對伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的主要影響：降低系統(tǒng)的呼應(yīng)速度；引起系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)產(chǎn)生爬行。 根據(jù)閱歷，抑制摩擦力所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tf與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TK的關(guān)系為0.2TKTf0.3 TK 在運(yùn)用中應(yīng)盡能夠減小靜摩擦力與動(dòng)摩擦力的差值，并使動(dòng)摩擦力盡能夠小且為正斜率較小的變化 。 5、爬行 當(dāng)絲杠1作極低的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，任務(wù)臺(tái)2能夠會(huì)出現(xiàn)快一慢或騰躍式的運(yùn)動(dòng)，這種景象稱為爬行。 1產(chǎn)生爬行的緣由和過程 勻速運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)件1，經(jīng)過緊縮彈簧推進(jìn)靜止

4、的運(yùn)動(dòng)件3，當(dāng)運(yùn)動(dòng)件3遭到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時(shí)，3不動(dòng)。直到彈簧力剛剛大于F時(shí)，3才開場運(yùn)動(dòng)，動(dòng)摩擦力隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應(yīng)增大，同時(shí)彈簧相應(yīng)伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負(fù)加速度，速度降低，動(dòng)摩擦力相應(yīng)增大，速度逐漸下降，直到3停頓運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)件1這時(shí)再重新緊縮彈簧，爬行景象進(jìn)入下一個(gè)周期。 由上述分析可知，低速進(jìn)給爬行景象的產(chǎn)生主要取決于以下要素： 靜摩擦力與動(dòng)摩擦力之差，這個(gè)差值越大，越容易產(chǎn)生爬行。 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產(chǎn)生爬行。 運(yùn)動(dòng)速度太低。適當(dāng)?shù)奶砑酉到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(jìn)展估算m

5、/s式中 F-靜、動(dòng)摩擦力之差N； K-傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度Nm； -阻尼比； m-從動(dòng)件的質(zhì)量kg。 以下兩種觀念有利于降低臨界速度： 適當(dāng)?shù)奶砑酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f，有利于改善低速爬行景象，但慣性添加會(huì)引起伺服系統(tǒng)呼應(yīng)性能降低；添加粘性摩擦系數(shù)也會(huì)添加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化處置。KmFVK4 3消除爬行景象的途徑實(shí)踐做法 提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度a在條件允許的情況下，適當(dāng)提高各傳動(dòng)件或組件的剛度，減小各傳動(dòng)軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當(dāng)?shù)募哟謧鲃?dòng)絲杠的直徑，縮短傳動(dòng)絲杠的長度，減少和消除各傳動(dòng)副之間的間隙。b盡量縮短傳動(dòng)鏈，減小傳動(dòng)件數(shù)和彈性變形量。c合理分配傳動(dòng)比，使多數(shù)傳動(dòng)

6、件受力較小，變形也小。d對于絲杠螺母機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用整體螺母構(gòu)造，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動(dòng)剛度。 3消除爬行景象的途徑實(shí)踐做法 減少摩擦力的變化a用滾動(dòng)摩擦、流體摩擦替代滑動(dòng)摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等。從根本上改動(dòng)摩擦面間的摩擦性質(zhì)，根本上可以消除爬行。b選擇適當(dāng)?shù)哪Σ粮辟Y料，降低摩擦系數(shù)。c降低作用在導(dǎo)軌面的正壓力，如減輕運(yùn)動(dòng)部件的分量，采用各種卸荷安裝，以減少摩擦阻力。d提高導(dǎo)軌的制造與裝配質(zhì)量，采用導(dǎo)軌油等減少摩擦力的變化。 6、阻尼 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，思索綜合性能目的，普通取0.5 0.8之間。 7剛度 采用彈性模量高的資料，合理選擇零件的截面外形和尺寸，對齒輪

7、、絲杠、軸承施加預(yù)緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。 對于伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，增大系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度有以下益處： 1可減少系統(tǒng)死區(qū)誤差，有利于提高傳動(dòng)精度； 2可提高系統(tǒng)固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性； 3可添加閉環(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(jī)械機(jī)構(gòu)中的最低固有頻率最低共振頻率必需大于電氣驅(qū)動(dòng)部件的固有頻率。 對于機(jī)械機(jī)構(gòu)，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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量降低慣量，提高剛度，到達(dá)提高傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的目的。 普通要求：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)最低固有頻率300rads 9間隙 對于系統(tǒng)閉環(huán)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

8、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，但反響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(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算： 單位：kgm2 (1) 圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (2) 直線移開任務(wù)臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 221mRJ 22LmJ (3) 齒輪齒條傳動(dòng)時(shí)任務(wù)臺(tái)折算到小齒輪軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(4) 任務(wù)臺(tái)折算到帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2RmJ2umJ(5) 絲杠折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2iJJS例：絲杠傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 求系統(tǒng)折算到電機(jī)上的總傳動(dòng)比齒輪傳動(dòng)副齒輪總傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)原那么: 任務(wù)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的峰值轉(zhuǎn)矩最??；等效均方根力矩最??；電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載加速度最

9、大三種方法計(jì)算。 負(fù)載加速度最大原那么:結(jié)論:mLJJi 上式闡明，齒輪系傳動(dòng)比的最正確值就是，JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載，一半用于加速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，到達(dá)了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最正確匹配。2iJJLm總傳動(dòng)比分配 (1)最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原那么 (2)分量最輕原那么(3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原那么一、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原那么小功率傳動(dòng) 以兩級齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為例。假設(shè)傳動(dòng)效率為100；各自動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一樣為J1；軸與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)；各齒輪均為同寬度同資料的實(shí)心圓柱體。結(jié)論：3/ 13/ 12121)2()2()2(iiii2/21

10、2ii 對于n級齒輪系分析可得：各級轉(zhuǎn)動(dòng)比的分配按“前小后大次序 121)12(21212nnniin)2(221222/)1(nKiinKnK傳動(dòng)級數(shù)n 確定： 大功率傳動(dòng) 確定n第一級傳動(dòng)比確定各級傳動(dòng)比確實(shí)定二、分量最輕原那么 小功率傳動(dòng) 各自動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一樣為J1；軸與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)；各齒輪均為同寬度同資料的實(shí)心圓柱體。 結(jié)論：對于n級傳動(dòng)i1i2i3ini1/n大功率傳動(dòng) 設(shè)設(shè)b1b2 ，b3b4 結(jié)論：對于三級齒輪傳動(dòng) 31313131313/iTTbbDDmm1211iii1212ii2/1111) 1122(12iiii1212ii2/1123) 1122(12iii查

11、表求法：各級傳動(dòng)比是逐漸遞減的即滿足前大后小原那么.三、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原那么四級傳動(dòng)比分別為i1 、i2 、i3 、i4；齒輪1 8的轉(zhuǎn)角誤差依次為18，該傳動(dòng)鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)角誤差為：各級傳動(dòng)比應(yīng)滿足前小后大原那么.84764354432321iiiiiiin三種原那么的選擇： 對齒輪傳動(dòng)安裝的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)的任務(wù)條件綜合思索。 1.傳動(dòng)精度要求較高時(shí)采用輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原那么設(shè)計(jì)； 2.對于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、頻繁啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)性能好的傳動(dòng)安裝，常用最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原那么和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原那么設(shè)計(jì)； 3.對于有質(zhì)量要求的其它傳動(dòng)安裝用分量最輕原那么。 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 1直齒圓柱齒輪傳動(dòng)

12、副1偏心套調(diào)整法2錐度齒輪調(diào)整法3雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法2斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)副1軸向墊片調(diào)整法2軸向壓簧調(diào)整法滾珠螺旋傳動(dòng) 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的接觸面間存在著較大的滑動(dòng)摩擦阻力，傳動(dòng)效率低，磨損快、精度不高，運(yùn)用壽命短，已不能順應(yīng)伺服系統(tǒng)設(shè)備在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滾珠螺旋傳動(dòng)那么是為了順應(yīng)伺服系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的要求而開展起來的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副的特點(diǎn) :(1)傳動(dòng)效率高、摩擦損失小，傳動(dòng)效率很高，可達(dá)0.920.96滑動(dòng)絲杠為0.20.4(2)傳動(dòng)的可逆性、無自鎖性(3) 傳動(dòng)精度高(4) 磨損小、運(yùn)用壽命長 螺紋滾道截面的外形、滾珠循環(huán)的方式、軸向間隙的調(diào)整及施加預(yù)緊力的方法：1滾珠絲

13、杠螺母副螺紋滾道的截面外形 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(yù)緊1雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式2雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式3雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式4彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式5單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式滾珠絲杠副支承方式的選擇 滾珠絲杠副的選擇1滾珠絲杠副構(gòu)造的選擇 根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)臉?gòu)外型式。例如，當(dāng)允許有間隙存在時(shí)(如垂直運(yùn)動(dòng))可選器具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必需有預(yù)緊或在運(yùn)用過程中因磨損而需求定期調(diào)整時(shí)，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式構(gòu)造；當(dāng)具備良好的防塵條件，且只需在裝配時(shí)調(diào)整間隙及預(yù)緊力時(shí)，可采用構(gòu)造簡單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式構(gòu)造。

14、 2滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù) 公稱直徑d0、根本導(dǎo)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滾珠絲杠副構(gòu)造尺寸的選擇 公稱直徑d0應(yīng)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，普通取LSd0小于30為宜；根本導(dǎo)程L0 或螺距t的大小應(yīng)根據(jù)伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的承載才干、傳動(dòng)精度要求確定。L0大承載才干也大，L0小傳動(dòng)精度較高。要求傳動(dòng)速度快時(shí)，可選用大導(dǎo)程滾珠絲扛副。滾珠的任務(wù)圈或列數(shù)和任務(wù)滾珠的數(shù)量N由實(shí)驗(yàn)可知：第一、第二和第三圈或列分別接受軸向載荷的50、30和20左右

15、。因此，任務(wù)圈或列數(shù)普通取2.53.5。滾珠總數(shù)N普通不超越150個(gè)。4滾珠絲杠副的精度等級 JB3162.291 ISO34083：1992 ，將滾珠絲杠副的精度分為7個(gè)精度等級，即1，2，3，4，5，7，10級。1級精度最高，依次遞減。規(guī)范中對各級精度的滾珠絲杠副的行程偏向有多個(gè)工程的規(guī)定。 5滾珠絲杠副的選擇步驟1承載才干選擇2壓桿穩(wěn)定性核算3剛度的驗(yàn)算同步齒形帶傳動(dòng)同步齒形帶，是一種新型的帶傳動(dòng)。 一同步齒形帶的特點(diǎn)：1、傳動(dòng)過程中無相對滑動(dòng)，因此可以堅(jiān)持恒定的傳動(dòng)比，傳動(dòng)精度較高。2、同步帶傳開任務(wù)平穩(wěn)，構(gòu)造緊湊，無噪音，有良好的減振性能，無需光滑。3、同步帶無需特別緊張，故作用在軸

16、和軸承上的載荷較小，傳動(dòng)效率較高。4、同步帶傳動(dòng)的缺陷是制造工藝較復(fù)雜，傳送功率較小，壽命較低。二同步齒形帶的構(gòu)造根據(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(yīng)力集中在齒根部位，與帶輪是圓弧形接觸，當(dāng)小帶輪直徑較小時(shí)，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(dòng)，這對于速度較高的主傳動(dòng)來說是很不利的。因此，梯形齒同步帶在數(shù)控機(jī)床特別是加工中心的主傳動(dòng)中很少運(yùn)用，普通僅在轉(zhuǎn)速不高的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)或小功率傳動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)中運(yùn)用。2、圓弧齒同步齒形帶抑制了梯形齒同步帶的缺陷，均化了應(yīng)力，改善了嚙合。因此，在加工中心上，無論是主傳動(dòng)還是伺服進(jìn)給傳動(dòng)，當(dāng)需求用帶傳動(dòng)時(shí)，總是優(yōu)先思索采用圓弧齒同步齒形帶。齒形帶的構(gòu)造1-帶背，2-強(qiáng)力層，3-包布層，4-帶齒。包布層資料：尼龍布帶齒資料：氯丁橡膠為基體強(qiáng)力層資料：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(qiáng)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才干；三主要參數(shù)與規(guī)格1、節(jié)線長：強(qiáng)力層中心線；2、節(jié)距t ：相鄰兩齒在節(jié)線上的間隔； 3、模數(shù)m