第2章机电一体化机械执行检测装置

第二章机电一体化机械、执行、检测装置第一节机电一体化系统之机械装置1.机电一体化机械系统的组成(1)传动机构传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。(2)导向机构导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。(3)执行机构执行机构是用来完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。1.1概述2.机电一体化机械系统的特点机电一体化机械系统除了应具备普通机械系统的要求外,还有其特殊要求。（1）高精度：影响因素包括间隙、刚度、导向精度等。（2）快速响应：影响因素包括摩擦、惯量、刚度、阻尼等。(伺服系统的频带/带宽！)（3）稳定性：影响因素包括温度、环境等。3.解决措施(1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件如：滚珠丝杆、滚动导向支承、动静压导向支承等。(2)缩短传动链，提高传动和支承刚度如：大扭矩、宽频调整电机直接驱动滚珠丝杆；丝杆两端加预紧。(3)选用最佳传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量(4)缩小反向死区误差如：采取消除传动间隙，减少支承变形等。(5)改进支承和架体的结构设计以提高刚性，减少振动，降低噪声如：选用复合材料，提高刚度和强度，降低重量，缩小结构，确保系统小型化、轻量化、高速化、高可靠性。2.2.1同步带传动2.2.2齿轮传动2.2.3谐波齿轮传动2.2.4滚珠丝杠传动1.2典型机械传动机构1.2.1同步带传动同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，于1940年由美国尤尼罗尔橡胶公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，取得显著效益，并被逐渐引用到其他机械传动上。1.类型(1)按用途一般工业用同步带传动即梯形齿同步带传动。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。高转矩同步带传动又称HTD带(HighTorqueDrive)，在我国通称为圆弧齿同步带传动。它主要用于重型机械的传动中，如运输机械、石油机械和机床、发电机等的传动。(2)按规格模数制同步带主要参数是模数m(与齿轮相同)，根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数。节距制即同步带的主要参数是带齿节距，按节距大小不同，相应带、轮有不同的结构尺寸。该种规格制度目前被列为国际标准。DIN(德国标准化学会)米制节距德国同步带传动国家标准制定的规格制度。其主要参数为齿节距，但标准节距数值不同于ISO节距制。我国由于德国进口设备较多，故DIN米制节距同步带在我国也有应用。2.同步带结构同步带一般由强力层、带齿、带背和包布层组成。带背强力层包布层3.同步带特点优点(1)工作时无滑动(50m/s)，有准确的传动比(2)传动效率高(98%)，节能效果好(3)传动比范围大(10)，结构紧凑(4)维护保养方便，运转费用低，恶劣环境条件下仍能正常工作缺点(1)安装要求高，中心距要求严格(2)带与带轮制造工艺复杂，成本高同步带传动主要用于中小功率、传动比要求精确的场合，如打印机、绘图仪、小型机电设备等精密机械中。4.同步带的设计计算在正常的工作条件下，同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。设计同步带传动的已知条件(1)需要传递的名义功率；(2)主、从动轮的转速或传动比;(3)传动中心距;(4)使用条件。设计步骤(1)确定带的设计功率；(2)选择带型和节距；(3)确定带轮齿数和节圆直径；(4)确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距；(5)校验同步带和小带轮的啮合齿数；(6)确定实际所需同步带宽度；(7)带的工作能力验算。1.2.2齿轮传动电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLF1.齿轮传动系统的总传动比出发点：机电一体化齿轮传动系统主要是研究它的动力学特性。(1)最佳总传动比首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综合为系统的总负载，方法有：(a)峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和。(b)均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载的均方根。负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效负载转矩。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。JmiJLMGLmLTLF通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。Jm——电动机M的转子的转动惯量；θm——电动机MJL——负载LθL——负载LTLF——i——齿轮系G的总传动比。电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLF电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLFTLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF/i；JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta电机、传动装置和负载的传动模型JmiJLMGLmLTLF0/didL令若不计摩擦,即TLF＝0,则解得注：实际中为提高抗干扰能力常选用较大的传动比。2.齿轮传动链的级数和各级传动比的分配(1)等效转动惯量最小原则小功率传动装置，电动机驱动的二级齿轮传动系统如图所示。由于功率小,假定各主动轮具有相同的转动惯量,轴与轴承转动惯量不计,各齿轮均为实心圆柱齿轮,且齿宽和材料均相同,效率不计,则有MJ1i1J2J3J4i2同理，对于n级齿轮系,则有MJ1i1J2J3J4i2例1设有i=80,传动级数n=4的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。解:验算i=i1i2i3i4≈80。分析可知，各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。(2)质量最小原则对于小功率传动装置,按质量最小原则来确定传动比时,通常选择相等的各级传动比。在假设各主动小齿轮的模数、齿数均相等的特殊条件下,各大齿轮的分度圆直径均相等,因而每级齿轮副的中心距也相等。这样便可设计成如图所示的回曲式齿轮传动链；其总传动比可以非常大。显然,这种结构十分紧凑。伺服电动机181715161413111210978654213图回曲式齿轮传动链(3)输出轴转角误差最小原则以四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为i1、i2、i3、i4,齿轮1~8ΔΦ1~ΔΦ8。3i2412i15i36i478输出该传动链输出轴的总转动角误差ΔΦmax为847643544323243211maxΔΔΔΔΔiiiiiiiiii可以看出,如果从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列,则总转角误差较小,而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此,要提高传动精度,就应减少传动级数,并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。(4)三种原则的选择在设计齿轮传动时,上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计。对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计。3.齿轮传动间隙的调整方法核心问题：采取措施，消除齿侧间隙，保证双向传动精度。(1)圆柱齿轮传动偏心套(轴)调整法如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。轴向垫片调整法齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。双片薄齿轮错齿调整法这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。123412334567(2)斜齿轮传动消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。(3)锥齿轮传动轴向压簧调整法在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙。(4)齿轮齿条传动机构当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方何转动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。1.2.3谐波传动谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十到几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。1谐波齿轮传动的结构2.谐波齿轮传动的原理通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮数)的整倍数，通常取为等于波数。2.谐波齿轮传动的原理柔轮和刚轮齿距P相等，齿数不同。Zg—刚轮齿数，Zr—柔轮齿数，ZgZr，Zg–Zr=n，n为谐波发生器的波数。若n=2，当波发生器旋转180º时，将迫使柔轮和刚轮相对移动一个齿距。若柔轮固定，则刚轮转一个角度。柔轮固定时传动比：ir=Zg/（Zg–Zr）;(波发生器输入,刚轮输出)刚轮固定时传动比：ig=Zr/（Zg–Zr）;(波发生器输入,柔轮输出)1.2.4滚珠丝杠传动又称螺旋传动机构，将旋转运动变为直线运动。1.工作原理与结构滚珠丝杠螺母机构组成：丝杠、螺母、滚珠、反向器（回珠管）。丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。2.特点效率高：90-98%，而滑动丝杠为30~40%刚度好：通过预紧实现。寿命长：滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，寿命约为滑动丝杆副的4-10倍以上。运动平稳：滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。精度高：由于摩擦升温小，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀，容易获得高精度。传动可逆，不能自锁。用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。造价高。滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。3.滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其