机电一体化中机械系统部件的选择与设计

第2章机电一体化中机械系统部件的选择与设计2.1概述2.2传动机构2.3导向及支撑结构2.4机械执行机构与一般机械系统比较，机电一体化机械系统的要求：①定位精度要高②响应速度要快③稳定性高常常提出：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比机电一体化机械系统的三大结构①传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性②导向机构：考虑低速爬行现象③执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性2.2传动机构1、传动机构的种类：齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构2、传动机构的特点：传动精度要高、响应速度要快、稳定性高3、传动机构的基本要求：①在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（T电=T负+Jε）；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低P20。②刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机器的固有频率越高，不易振动()；刚度越大，闭环系统的稳定性越高。③机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，增大稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。④静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现爬行。JKn4、摩擦摩擦力可分为三种：静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力+粘性摩擦力）。负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数F=μmg，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为0.2TK＜Tf＜0.3TK在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值，并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化。5、爬行当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会出现—快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行。1）产生爬行的原因和过程匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件1这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。由上述分析可知，低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：①静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。②进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。③运动速度太低。（适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f）2）不发生爬行的临界速度临界速度可按下式进行估算（m/s）式中ΔF-----静、动摩擦力之差（N）；K------传动系统的刚度（N／m）；ξ------阻尼比；m------从动件的质量（kg）。以下两种观点有利于降低临界速度：适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。KmFVK43）消除爬行现象的途径（实际做法）①提高传动系统的刚度a．在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。如适当的加粗传动丝杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。b．尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。c．合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。d．对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。②减少摩擦力的变化a．用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。b．选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。c．降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。d．提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化。6、阻尼在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5~0.8之间。7．刚度采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度。对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：（1）可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度；（2）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性；（3）可以增加闭环控制系统的稳定性。8．谐振频率对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部件的固有频率。对于机械传动系统，它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。一般要求机械传动系统最低固有频率WOI≥300rad／s，其他机械系统WOI≥600rad／s。9．间隙对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定性无影响，但影响到伺服精度。对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。转动惯量的计算：（单位：kg·m2）(1)圆柱体转动惯量(2)直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量221mRJ22LmJ(3)齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量(4)工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量2RmJ2umJ(5)丝杠折算到电机上的转动惯量2iJJS例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量例2：求系统折算到电机上的总传动比例题2-22.2.4齿轮传动副齿轮总传动比的设计原则:工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均方根力矩最小；电机驱动负载加速度最大三种方法计算。重点介绍负载加速度最大原则:结论:mLJJi上式表明，齿轮系传动比的最佳值就是，JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。2iJJLm总传动比分配(1)最小等效转动惯量原则(2)重量最轻原则(3)输出轴转角误差最小原则一、最小等效转动惯量原则①小功率传动以两级齿轮传动系统为例。假设传动效率为100％；各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同材料的实心圆柱体。结论：3/13/12121)2()2()2(iiii2/212ii对于n级齿轮系分析可得：各级转动比的分配按“前小后大”次序121)12(21212nnniin)~2(221222/)1(nKiinKnK传动级数n确定：②大功率传动确定n第一级传动比确定各级传动比的确定二、重量最轻原则①小功率传动各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同材料的实心圆柱体。结论：对于n级传动i1＝i2＝i3＝…in＝i1/n②大功率传动设设b1＝b2，b3＝b4结论：对于三级齿轮传动31313131313////iTTbbDDmm1211iii1212ii2/1111)1122(12iiii1212ii2/1123)1122(12iii查表求法：各级传动比是逐渐递减的即满足”前大后小”原则.三、输出轴转角误差最小原则四级传动比分别为i1、i2、i3、i4；齿轮1~8的转角误差依次为ф1~ф8，该传动链输出轴的总转角误差ф为：各级传动比满足”前小后大”原则.84764354432321iiiiiii三种原则的选择：对齿轮传动装置的设计，应根据具体的工作条件综合考虑。1.传动精度要求较高时采用输出轴转角误差最小原则设计；2.对于要求运转平稳、频繁启动和动态性能好的传动装置，常用最小等效转动惯量原则和输出轴转角误差最小原则设计；3.对于有质量要求的其它传动装置用重量最轻原则。齿轮传动间隙的调整1．直齿圆柱齿轮传动副（1）偏心套调整法（2）锥度齿轮调整法（3）双片齿轮错齿调整法2．斜齿圆柱齿轮传动副（1）轴向垫片调整法（2）轴向压簧调整法3．齿轮齿条传动滚珠螺旋传动滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力，传动效率低，磨损快、精度不高，使用寿命短，已不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滚珠螺旋传动则是为了适应机电一体化机械系统的要求而发展起来的一种新型传动机构。滚珠丝杠副的特点:(1)传动效率高、摩擦损失小，传动效率很高，可达0.92~0.96（滑动丝杠为0.2~0.4）(2)传动的可逆性、不可自锁性(3)传动精度高(4)磨损小、使用寿命长螺纹滚道截面的形状、滚珠循环的方式、轴向间隙的调整及施加预紧力的方法三个方面介绍：1．滚珠丝杠螺母副螺纹滚道的截面形状2．滚珠循环的方式（1）内循环（2）外循环3．滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧（1）双螺母螺纹预紧调整式（2）双螺母齿差预紧调整式（3）双螺母垫片调整预紧式（4）弹簧式自动调整预紧式（5）单螺母变位导程自预紧式滚珠丝杠副支承方式的选择滚珠丝杠副的选择1．滚珠丝杠副结构的选择根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如，当允许有间隙存在时(如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。2．滚珠丝杠副的主要尺寸参数公称直径d0、基本导程L0（或螺距t）、行程L；此外还有丝杆螺纹大径d、丝杆螺纹小径d1、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、丝杆螺纹全长LS等。3．滚珠丝杠副结构尺寸的选择公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选样；螺纹长度LS在允许的情况下要尽量短，一般取LS／d0小于30为宜；基本导程L0（或螺距t）的大小应根据机电一体化系统的承载能力、传动精度要求确定。L0大承载能力也大，L0小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝扛副。滚珠的工作圈（或列）数和工作滚珠的数量N由试验可知：第一、第二和第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50％、30％和20％左右。因此，工作圈（或列）数一般取2.5—3.5。滚珠总数N一般不超过150个。4．滚珠丝杠副的精度等级JB3162.2—91（ISO3408—3：1992）《滚珠丝杠副的验收技术条件》，将滚珠丝杠副的精度分为7个精度等级，即1，2，3，4，5，7，10级。1级精度最高，依次递减。标准中对各级精度的滚珠丝杠副的行程偏差有多个项目的规定。5．滚珠丝杠副的选择步骤（1）承载能力选择（2）压杆稳定性核算（3）刚度的验算同步齿形带传动同步齿形带，是一种新型的带传动。（一）同步齿形带的特点：1、传动过程中无相对滑动，因而可以保持恒定的传动比，传动精度较高。2、同步带传动工作平稳，结构紧凑，无噪音，有良好的减振性能，无需润滑。3、同步带无需特别紧张，故作用在轴和轴承上的载荷较小，传动效率较高。4、同步带传动的缺点是制造工艺较复杂，传递功率较小，寿命较低。（二）同步齿形带的结构根据齿形的不同，同步齿形带可以分成两种。一种是梯形齿同步带，另一种是圆弧齿同步带。1、梯形齿应力集中在齿根部位，与带轮是圆弧形接触，当小带轮直径较小时，将使梯形齿同步带的齿形变形，影响与带轮齿的啮合，易产生噪声和振动，这对于速度较高的主传动来说是很不利的。因此，梯形齿同步带在数控机床特别是加工中心的主传动中很少使用，