機(jī)電一體化中機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì).ppt

第2章 機(jī)電一體化中機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì) 2.1概述 2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.3導(dǎo)向及支撐結(jié)構(gòu) 2.4機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu),與一般機(jī)械系統(tǒng)比較，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的要求： 定位精度要高 響應(yīng)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(dāng)?shù)淖枘岜?機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的三大結(jié)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：考慮與伺服系統(tǒng)相關(guān)的精度、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)等伺服特性 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：考慮低速爬行現(xiàn)象 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：考慮靈敏度、精確度、重復(fù)性、可靠性,2.2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)精度要高、 響應(yīng)速度要快、穩(wěn)定性高,3、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求： 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?。晦D(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成機(jī)械負(fù)載增大（T電=T負(fù)+J）；系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產(chǎn)生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低P20。 剛度越大，伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失越?。粍偠仍酱?，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。 機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時(shí)，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，故應(yīng)選合適阻尼。 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。,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?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(yùn)動(dòng)前的瞬間。運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度的增加，摩擦力成線性的增加，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(duì)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的主要影響是：降低系統(tǒng)的響應(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)經(jīng)驗(yàn)，克服摩擦力所需的電機(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,在使用中應(yīng)盡可能減小靜摩擦力與動(dòng)摩擦力的差值，并使動(dòng)摩擦力盡可能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)，工作臺(tái)2可能會(huì)出現(xiàn)快一慢或跳躍式的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為爬行。,1）產(chǎn)生爬行的原因和過程 勻速運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)件1，通過壓縮彈簧推動(dòng)靜止的運(yùn)動(dòng)件3，當(dāng)運(yùn)動(dòng)件3受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才開始運(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停止運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)件1這時(shí)再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進(jìn)入下一個(gè)周期。,由上述分析可知，低速進(jìn)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(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)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(jìn)行估算 （m/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）。 以下兩種觀點(diǎn)有利于降低臨界速度： 適當(dāng)?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(huì)引起伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能降低；增加粘性摩擦系數(shù)也會(huì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化處理。,3）消除爬行現(xiàn)象的途徑（實(shí)際做法） 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)件受力較小，變形也小。 d對(duì)于絲杠螺母機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用整體螺母結(jié)構(gòu)，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動(dòng)剛度。 減少摩擦力的變化 a用滾動(dòng)摩擦、流體摩擦代替滑動(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。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質(zhì)，基本上可以消除爬行。 b選擇適當(dāng)?shù)哪Σ粮辈牧?，降低摩擦系?shù)。 c降低作用在導(dǎo)軌面的正壓力，如減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量，采用各種卸荷裝置，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)軌油等都可以減少摩擦力的變化。,6、阻尼 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮綜合性能指標(biāo)，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(duì)齒輪、絲杠、軸承施加預(yù)緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。 對(duì)于伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度有以下好處： （1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動(dòng)量），有利于提高傳動(dòng)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(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅(qū)動(dòng)部件的固有頻率。 對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量降低慣量，提高剛度，達(dá)到提高傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的目的。 一般要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)最低固有頻率WOI300rads，其他機(jī)械系統(tǒng)WOI600rads。,9間隙 對(duì)于系統(tǒng)閉環(huán)以外的間隙，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響到伺服精度。 對(duì)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(duì)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(duì)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) 直線移動(dòng)工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,(3) 齒輪齒條傳動(dòng)時(shí)工作臺(tái)折算到小齒輪軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (4) 工作臺(tái)折算到鋼帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,(5) 絲杠折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,例1：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,例2：求系統(tǒng)折算到電機(jī)上的總傳動(dòng)比,例題2-2,2.2.4齒輪傳動(dòng)副 齒輪總傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)原則: 工作時(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?。浑姍C(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載加速度最大三種方法計(jì)算。 重點(diǎn)介紹負(fù)載加速度最大原則: 結(jié)論:,上式表明，齒輪系傳動(dòng)比的最佳值就是，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，達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。,總傳動(dòng)比分配 (1)最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 (2)重量最輕原則 (3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,一、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 小功率傳動(dòng) 以兩級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為例。假設(shè)傳動(dòng)效率為100；各主動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同為J1；軸與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)；各齒輪均為同寬度同材料的實(shí)心圓柱體。 結(jié)論：,對(duì)于n級(jí)齒輪系分析可得： 各級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)比的分配按“前小后大”次序,傳動(dòng)級(jí)數(shù)n 確定：,大功率傳動(dòng) 確定n,第一級(jí)傳動(dòng)比確定,各級(jí)傳動(dòng)比的確定,二、重量最輕原則 小功率傳動(dòng) 各主動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同為J1；軸與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)；各齒輪均為同寬度同材料的實(shí)心圓柱體。 結(jié)論：對(duì)于n級(jí)傳動(dòng) i1i2i3ini1/n,大功率傳動(dòng) 設(shè) 設(shè)b1b2 ，b3b4 結(jié)論： 對(duì)于三級(jí)齒輪傳動(dòng),查表求法： 各級(jí)傳動(dòng)比是逐漸遞減的 即滿足”前大后小”原則.,三、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 四級(jí)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(jí)傳動(dòng)比滿足”前小后大”原則.,三種原則的選擇： 對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)具體的工作條件綜合考慮。 1.傳動(dòng)精度要求較高時(shí)采用輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)； 2.對(duì)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)裝置，常用最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)； 3.對(duì)于有質(zhì)量要求的其它傳動(dòng)裝置用重量最輕原則。,齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 1直齒圓柱齒輪傳動(dòng)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,3齒輪齒條傳動(dòng),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，使用壽命短，已不能適應(yīng)機(jī)電一體化設(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)則是為了適應(yīng)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的要求而發(fā)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、不可自鎖性 (3) 傳動(dòng)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(yù)緊力的方法三個(gè)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(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滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對(duì)調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式。例如，當(dāng)允許有間隙存在時(shí)(如垂直運(yùn)動(dòng))可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必須有預(yù)緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時(shí)，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；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)，可采用結(jié)構(gòu)簡單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。,2滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù) 公稱直徑d0、基本導(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滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)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，一般取LSd0小于30為宜；基本導(dǎo)程L0 （或螺距t）的大小應(yīng)根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的承載能力、傳動(dòng)精度要求確定。L0大承載能力也大，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。滾珠的工作圈（或列）數(shù)和工作滾珠的數(shù)量N由試驗(yàn)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(gè)。,4滾珠絲杠副的精度等級(jí) JB3162.291（ ISO34083：1992 ）滾珠絲杠副的驗(yàn)收技術(shù)條件，將滾珠絲杠副的精度分為7個(gè)精度等級(jí)，即1，2，3，4，5，7，10級(jí)。1級(jí)精度最高，依次遞減。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各級(jí)精度的滾珠絲杠副的行程偏差有多個(gè)項(xiàng)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(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(duì)滑動(dòng)，因而可以保持恒定的傳動(dòng)比，傳動(dòng)精度較高。 2、同步帶傳動(dòng)工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)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(dòng)效率較高。 4、同步帶傳動(dòng)的缺點(diǎn)是制造工藝較復(fù)雜，傳遞功率較小，壽命較低。,（二）同步齒形帶的結(jié)構(gòu) 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(duì)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)中很少使用，一般僅在轉(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)中使用。 2、圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步帶的缺點(diǎn)，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)需要用帶傳動(dòng)時(shí)，總是優(yōu)先考慮采用圓弧齒同步齒形帶。,齒形帶的結(jié)構(gòu) 1-帶背，2-強(qiáng)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(qiáng)力層材料：鋼絲，玻璃纖維，芳香族聚酰胺纖維（芳綸）,對(duì)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能力；,（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(biāo)記 例：800 DI H 300 800：長度代號(hào)，節(jié)線長度查表2032mm; DI:雙面齒的對(duì)稱齒形； H：查表2-8,型號(hào),