第2章机电一体化的单元技术.

返回第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术目录2.1概述2.2精密机械技术2.3传感检测技术2.4伺服驱动技术返回第二章机电一体化的单元技术机电一体化是传统技术与一些新技术相结合而发展起来的多学科领域综合交叉的技术密集型学科。其所涉及的关键技术，除系统总体技术外，其它单元技术已发展成为相对独立的学科领域，具有各自的知识体系。主要从机电一体化系统设计的角度，介绍主要概念、原理、设计原则和选用方法。2.1概述返回第二章机电一体化的单元技术一、机电一体化中的机械系统组成传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列相互协调的机械运动。但由于二者组成不同，导致其各自实现运动的方式不同。2.2精密机械技术返回传统机械系统一般由动力件、传动件和执行件三部分加上电气、液压和机械控制等部分组成。机电一体化系统中的机械系统则是由计算机协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务且机电部件信息流相互联系的系统。返回第二章机电一体化的单元技术1.组成机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大部分：传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，并且要求有良好的伺服性能。导向机构：主要起支承和导向作用，为机械装置中各运动部件安全、准确地完成特定运动作保障。执行机构：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精确度和良好的重复性、可靠性。轴系机座或机架返回第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术2.机械系统设计要求机电一体化中的机械系统应满足以下三方面的要求，以达到伺服系统的设计指标：1．高精度2．动作响应快3．稳定性好简单而言，就是“稳、准、快”，此外，还要求有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等等措施：考虑到以上要求，在设计和制造机械装置时，通常采用精密机械技术。返回机械本体设计无间隙、低惯性、低振动、低噪声和适当阻尼比的要求机械传动设计3.设计内容返回第二章机电一体化的单元技术二、机械传动机构机械传动机构的基本要求由于传动部件直接影响机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性，应设计和选择满足低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。返回措施采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件减小反向死区误差选用最佳传动比缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的弹性变形通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到适当的阻尼比返回第二章机电一体化的单元技术传动机构的发展随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求：精密化高速化小型化和轻量化返回第二章机电一体化的单元技术传动机构的设计内容包括系统设计和结构设计两个方面估算载荷选择总传动比，选择伺服电机选择传动机构的形式确定传动级数，分配各级传动比配置传动链，估算传动链精度传动机构结构设计计算传动装置的刚度和结构固有频率做必要的工艺分析和经济分析返回第二章机电一体化的单元技术机械传动系统的特性机电一体化的机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件应有足够的制造精度，满足快速稳定和高效的要求，还应使机械传动部分动态特性与执行元件的动态特性相匹配。机械传动系统的主要特性有：转动惯量阻尼刚度间隙返回转动惯量转动惯量过大的不利影响：使机械负载增大，需要增大驱动电机的功率系统响应速度变慢，灵敏度降低使系统固有频率下降，易产生谐振，影响伺服稳定性和精度电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大第二章机电一体化的单元技术返回转动惯量圆柱体转动惯量（形心轴与回转轴重合）齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件都可用上式计算（或估算）其转动惯量。第二章机电一体化的单元技术423281dlmdJ返回直线运动物体的转动惯量折算到丝杠轴上的等效转动惯量折算到小齿轮轴上的等转动惯量第二章机电一体化的单元技术20)2(LmJrer20rmJrer返回丝杠轴折算到电机轴的等效转动惯量（引申到后轴折算到前轴）第二章机电一体化的单元技术2iJJseri-电机轴到丝杠轴的总传动比JS-丝杠的转动惯量返回阻尼是系统的固有特性，对于一个振动系统，我们定义所有消耗系统机械能的因素都称为阻尼由于机械部件具有惯性和摩擦特性，机械传动系统可视为带有阻尼的质量-弹簧系统摩擦阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的第二章机电一体化的单元技术阻尼返回机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加的非金属减振材料内摩擦较大）、导轨的摩擦阻尼是主要的摩擦阻尼可分为三类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和黏性摩擦阻尼（黏滞摩擦阻尼）实际应用摩擦阻尼时，一般都简化为黏性摩擦的线性阻尼阻尼返回阻尼影响：机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快。但阻尼过大，系统失动量增大，稳态误差增大，精度降低。适当的阻尼可提高系统的稳定性。系统的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定位精度降低。第二章机电一体化的单元技术阻尼返回系统的黏性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度降低。系统的黏性摩擦阻尼对快速响应性不利。若机械系统刚度低质量大，则系统的固有频率低，此时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和加快衰减进程。阻尼返回机械传动系统若简化为二阶振动系统，其阻尼比第二章机电一体化的单元技术02mkB返回ξ=0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能没有阻尼，任何机电系统都具有一定的阻尼。ξ＞l称为过阻尼系统；ξ＝1称为临界阻尼系统。这两种情况工作中不振荡，但响应速度慢。第二章机电一体化的单元技术二阶系统阶跃响应曲线阻尼返回0＜ξ＜1称为欠阻尼系统。在ξ值为0.4~0.7之间系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快，而且还能更快的达到稳定值。但在ξ＜0.4时，系统虽然响应更快，但振幅增大，振荡衰减的很慢。在系统设计时，为保证良好动态特性，一般取ξ＝0.4~0.7之间。二阶系统阶跃响应曲线返回刚度是使弹性物体产生单位变形所需要的作用力，对于机械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变形的刚度和两个零件接面的接触刚度。静态力与变形之比为静刚度；动态力（交变力、冲击力）与变形之比为动刚度。第二章机电一体化的单元技术刚度返回对于机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：减少系统的失动量（传动死区），有利于提高传动精度。提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性。增加闭环控制系统的稳定性。刚度返回丝杠螺母机构的拉压刚度由三部分组成：丝杠构件的拉压刚度KL丝杠轴承的支承刚度KB丝杠螺母间的接触刚度KN第二章机电一体化的单元技术刚度返回丝杠构件的拉压刚度KL(1)一端轴向支承的丝杠(2)两端轴向支承的丝杠第二章机电一体化的单元技术lEdKL42LEdKL42min)11(42lLlEdKLLEdKL2min返回丝杠轴承的支承刚度KB与所采用的轴承类型、结构有关。当轴承有预紧时，其支承刚度为无预紧的2倍;两端轴向支承取一端轴向支承的2倍。丝杠螺母间的接触刚度KN与丝杠螺母副的尺寸和结构有关，预紧也可以提高轴向接触刚度以上两个刚度数值可以从产品样本查得第二章机电一体化的单元技术返回丝杠螺母机构的总拉压刚度K0：NBLKKKK11110返回扭转刚度计算第二章机电一体化的单元技术lGdKT322返回传动精度（一）传动系统的误差分析机械系统传动中，影响系统传动精度的误差可以分为传动误差和回程误差两种。传动误差输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。假设传动装置的各组成部件的制造和装配绝对准确，并忽略使用中的温度变形和弹性变形，则输出轴转角与输入轴转角符合以下关系：第二章机电一体化的单元技术tioi返回传动精度回程误差当输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量（输入轴固定时，输出轴可以任意转动的转角量）。传动链的传动误差和回程误差对机电系统性能的影响，随其在系统中的位置的不同而不同。误差在闭环系统内，影响稳定性误差在闭环系统外，影响精度第二章机电一体化的单元技术返回传动精度（二）减小传动链误差的措施适当提高零部件本身的精度（制造、装配精度）传动装置的输出轴与负载轴间的联轴器本身精度对传动影响显著第二章机电一体化的单元技术返回（二）减小传动链误差的措施合理设计传动链合理选择传动形式合理确定传动级数和分配各级传动比合理布置传动链返回（二）减小传动链误差的措施采用消隙机构各种间隙（如齿轮的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、联轴器的扭转间隙）返回为满足机械装置有良好的伺服性能，传动系统应具有：转动惯量小：前提是？大的转动惯量会带来：⑴机械负载增大⑵响应速度慢⑶灵敏度下降足够的刚度：刚度？大的刚度会：⑴能量损失小⑵机械装置固有频率高，不易共振⑶能增加闭环伺服系统的稳定性阻尼适中：大的阻尼会：⑴振幅小，衰减快⑵稳态误差增大，精度降低相互矛盾，寻找最优或最佳平衡点，这就是设计的主要任务！返回第二章机电一体化的单元技术三、常用传动机构1、丝杠螺母传动丝杠螺母机构又称螺旋传动机构它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）有以传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠）调整零件之间相对位置的螺旋传动机构丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构返回第二章机电一体化的单元技术根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，基本传动形式有四种类型返回第二章机电一体化的单元技术滚珠丝杠副（1）工作原理及组成将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。1—丝杠2—端盖3—滚珠4—螺母由丝杠、螺母、滚珠、滚珠回程引导装置等四部分组成返回第二章机电一体化的单元技术滚珠丝杠副特点：传动精度高轴向刚度高运动平稳寿命长不能自锁返回滚珠丝杠的结构及工作原理根据滚珠的循环方式：内循环式：反向器外循环式：插管式、端盖式、螺旋槽式返回内循环变位导程预紧螺母式滚珠丝杠副内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副滚珠丝杠的结构及工作原理返回第二章机电一体化的单元技术（2）尺寸参数公称直径d0（mm）基本导程l0（mm）行程l（mm）滚珠直径db（mm）螺旋升角λ（。）此外，还有丝杠螺纹大径（外径）d，丝杠螺纹小径（内径）d1，螺母螺纹大径（外径）D，螺母螺纹小径D1，滚道圆弧偏心距e等参数通过计算可得。选择滚珠丝杠副主要确定公称直径、基本导程、滚珠承载的列数返回第二章机电一体化的单元技术（3）轴向间隙的调整和预紧轴向间隙：承载时滚珠和滚道型面接触点的弹性变形所引起螺母轴向位移量和丝杠螺母副自身轴向间隙的总和。换向时，轴向间隙引起空回现象，这种空回是非连续的，既影响反向传动精度，又影响系统稳定性，应予以消除。消除方法：采用单螺母预紧或双螺母预紧方式。返回第二章机电一体化的单元技术双螺母预紧原理丝杠上装配两个螺母，通过给两个螺母施加预紧力以调整螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承载前以一定的压力分别压向丝杠螺纹滚道相反的侧面返回第二章机电一体化的单元技术双螺母预紧结构－垫片调隙法返回双螺母预紧结构－螺纹调隙法返回第二章机电一体化的单元技术双螺母预紧结构－齿差调隙法114ZZ返回（4）丝杠螺母副的选择1）结构的选择根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构形式。第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术2）尺寸的选择主要确定公称直径d0和基本导程l0d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择l0应按承载能力，传动精度，传动速度选取ls在允许下应尽量短，一般取ls/d0303)滚珠丝杠副选择返回滚珠丝杠副的特点优点：传动效率高：滚动摩擦，传动效率90%～98%，为滑动丝杠的2～4倍；驱动力矩为滑动丝杠的1/3左右，发热率低。传动灵敏平稳：摩擦阻力