机电一体化第二章.

2019/12/251-1学习目标1了解机械系统部件的种类及其各自的类型2掌握常用的机械传动部件的特点及选型设计3掌握常用的导向支承部件的选择与设计第2章机械系统设计2019/12/251-2机电一体化系统的机械系统的主要功能是：完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成整个系统的功能要求。其设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。除了考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数及电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。2.1概述2019/12/251-3第2章机械系统设计典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、轴系及机架或箱体等组成。2.1机械系统部件的设计要求2019/12/251-42.1.1机械系统的组成概括地讲，机电一体化机械系统主要包括传动机构,导向机构,1.不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。因此传动机构除了要满足传动精度的要求外，还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。2019/12/251-52.导向机构其作用是支承和导向，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.执行机构用来完成操作任务的直接装置。其根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度以及良好的重复性和可靠性。由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大简化了传动和执行机构。除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。2019/12/251-6为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。采取措施：1)低摩擦采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；2)短传动链缩短传动链，提高传动与支承刚度；3)最佳传动比选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；4)反向死区误差小缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施；5)高刚性改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。2.1.2对机械系统的要求除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。2019/12/251-7常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。主要功能是传递转矩和转速；实质上是一种转矩、转速变换器。目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。2.1.2机械系统设计的任务2019/12/251-8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。1)精密化—根据其性能的需要提出适当的精密度要求。2)高速化—机械传动机构应能适应高速运动的要求。3)小型化、轻量化——提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。第2章机械系统设计2.1.2对机械系统的要求2019/12/251-9高精度，高响应速度，稳定性好及足够的功率。1)传动精度—由传动部件的制造误差，装配误差，传动间隙和弹性变形引起。2)响应速度—对于伺服系统来说，数据的运算和处理速度远比机械装置的运动速度快，机械系统的响应主要取决于加速度，从传动机构角度看，主要减小摩擦力矩，减小电动机的负载和转动惯量，提高传动效率。3)稳定性——稳态误差小，动态特性好，提高传动系统的的固有频率同时提高系统的阻尼。第2章机械系统设计2.1.2伺服系统的设计要求2019/12/251-10表2-1传动机构及其功能基本功能运动的变换动力的变换传动机构形式行程方向速度大小形式丝杠螺母√√√齿轮√√√齿轮齿条√√链轮链条√带、带轮√√缆绳、绳轮√√√√√杠杆机构√√√连杆机构√√√凸轮机构√√√√摩擦轮√√√万向节√软轴√蜗轮蜗杆√√√间歇机构√2019/12/251-11在机械传动中，从驱动元件，传动部件到执行机构，系统各部分的惯性都是考虑的。惯性不但影响传动系统的启停特性，也影响控制的快速性，位置偏差和速度偏差。第2章机械系统设计2.1.3机械参数对系统性能的影响在不影响刚度的条件下，机械部件的惯性要小，就要减小和合理分配机械的质量，以减小机械部件的惯量和转动惯量。惯量和转动惯量增大，使系统的机械常数增大，固有频率降低，使机械负载增大；使系统响应速度变慢，降低灵敏度，伺服特性变差使系统的固有频率下降，容易产生谐振,使电气驱动部件的谢振频率减低，而阻尼增加。一惯量对系统性能的影响2019/12/251-12（二）．刚度(指抵抗变形的能力)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）减少机构弹性变形，从而减少伺服系统的动力损失即可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度,可达到明显的节能效果；（2）可以提高系统的固有频率，不易产生共振,有利于系统的抗振性；（3）可以增加闭环控制系统的稳定性。第2章机械系统设计2.1.3机械参数对系统性能的影响2019/12/251-13(三)、摩擦: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＜0.3TK2019/12/251-14爬行就产生在这非线形区。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。2019/12/251-15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。2019/12/251-16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。2019/12/251-17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。2019/12/251-18（五）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。（四）阻尼大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼应适中。在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5~0.8之间。2019/12/251-19（六）．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。2019/12/251-20螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。它利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动L=式中:L——螺杆(或螺母)的位移；Ph——导程；φ——螺杆和螺母间的相对转角。2hP2.2传动机构设计2.2.1丝杠螺母机构基本传动形式2019/12/251-212.2传动机构设计2.2.1丝杠螺母机构基本传动形式实现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用于机构之间能量的传递和运动形式的传递2019/12/251-22丝杠螺母的分类特点：低速，间歇工作，传递轴向力大，能自锁2019/12/251-23丝杠螺母的分类2019/12/251-24丝杠螺母的分类2019/12/251-25丝杠螺母的分类2019/12/251-26丝杠螺母的分类2019/12/251-272.2传动机构设计2.2.1丝杠螺母机构基本传动形式实现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用于机构之间能量的传递和运动形式的传递2019/12/251-28螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大(螺杆行程的两倍加上螺母高度)，刚性较差。因此该形式仅适用于行程短的情况。2019/12/251-29适用于工作行程较长的情况。2019/12/251-302019/12/251-312019/12/251-322019/12/251-33设丝杆2左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为Ph1和Ph2。当螺杆转动φ角时，可动螺母1L=(Ph1-Ph2)如果Ph1与Ph2相差很小，则L很小。因此差动螺旋常用于π22019/12/251-34若丝杆2左、右两段螺纹的旋向相反，则当丝杆转动φ角时，可动螺母2L=(Ph1+Ph2)可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母1相对固定螺母快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。π22019/12/251-352019/12/251-362019/12/251-372019/12/251-382019/12/251-392019/12/251-402019/12/251-412019/12/251-422019/12/251-432019/12/251-44滑动螺旋传动的特点滑动螺旋传动具有传动比大、驱动负载能力强1.降速传动比大螺杆(或螺母)转动一转，螺母(或螺杆)移动一个螺距(单头螺纹)。因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。2019/12/251-452.具有增力作用只要给主动件(螺杆)一个较小的输入转矩，从动件即能得到较大的轴向力输出，因此螺旋传动带3.能自锁当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有