机电一体化2.

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1、机电一体化控制系统,21机械结构因素对系统性能的影响 22机械传动机构 23导向与支撑机构 24机械执行机构,第二章 机 械 系 统,机 械 技 术 是 一 门 历 史 最 久 的 应 用 技术，是 各 个 技 术 领 域 的 基 础，有 一 整 套 完整 的 理 论 和 实 践 规范。,然而，机电一体化产品在机械方面的要求： （1）为了充分发挥机电一体化产品的优点。必须使其机械本体部分具有合理的结构、强度、刚度、精度和可靠性； （2）良好的动态特性，即响应快， 稳定性好 （3）内部结构和外部造型部局合 理、操作方便、美观协调 即低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比,为达到

2、机电一体化产品的要求，可以采取以下措施： （1）减低摩擦阻力，采用低摩擦阻力的传动件和导向件 滚珠丝杆、滚动导轨、 静（动）压导轨 （2）消除传动间隙，以减小反向死区误差 （3）减少等效转动惯量，选用最佳传动比，提高系统分辨率， （4）提高传动和支撑的刚度，缩短传动链，,2.1机械结构因素对系统性能的影响,摩擦 传动间隙 结构弹性变形 质量与转动惯量,1.摩 擦,摩擦力在什么时候出现（？）,相互接触的两物体间只要有相对运动或有相对运动的趋势，就存在摩擦力。,前者，动摩擦； 后者，静摩擦,（1）非线性特性,从以上几条曲线可见： 1） 对于滑动导轨，静摩擦系数大于动摩擦系数；当相对运动速度较低时，

3、导轨处于边界和混合摩擦状态，动摩擦系数随导轨的滑动速度的增加而降低；,2） 当滑动速度加大到动压效应使导轨处于液体摩擦状态 时，摩擦力用于克服油层间的剪切时，动摩擦系数随导轨的滑 动速度的增加而增加；,3） 对于滑动导轨，两导轨面的材料对摩擦特性也有较大影响，如氟塑料铸铁导轨的摩擦系数小，且动、静摩擦系数的差值小，,4） 滚动导轨和静压导轨的摩擦系数都很小，且动、静摩擦系数的实际没什么差别； 可见，这个摩擦的非线性，对系统的工作特性有很大 影响。,（2） 系统误差 看一个半闭环伺服进给系统及力学模型,图中， 电机1为主动件，以匀速经进给传动机构2驱动被动件（工作台）3。 传动机构2简化为一个刚

4、度为k的等效弹簧和阻尼系数为c的等效粘性阻尼 被动件（工作台）3的质量为m，在支撑导轨4上沿x方向移动，摩擦力F。,由于机 械系统有静 摩擦力，如 果系统开始 处于静止状 态，当电机 给机械系统施加驱动力矩后，在移动部件3所受的驱动力小于静摩擦力Fs之前，移动部件3并不移动；,即机械系统有输入位移而无 输出位移，从而产生了由静摩擦 而引起的系统误差死区误差, f =Fs/k Fs静摩擦力 k折算到移动部件的综合拉压刚度。,减少由静摩擦而引起的死区误差的方法： 1）减小静摩擦力，滚动，静压导轨 2）提高机械系统的刚度；,（3） 低速爬行 对于力学模型 速度很低时， 当主动件1作匀速 运动时，被动

5、件3 往往会出现明显的 速度不均匀，或时 走时停或时快时慢 这种低速时运动不平 稳的现象称为爬行。,爬行原因： 1） 摩擦副处于边界摩擦， 存在动、静摩擦系数之差， 而且动静摩擦系数又随滑 动的速度的增加而降低， 这就可能使系统出现负阻 尼或零阻尼。 2） 运动件的质量较大，具有较大的惯性。 3） 传动机构的刚性不足。 4） 上面三者一定时，移动速度低到一定值，即临界值爬行的 临界速度时。 其中：动、静摩擦系数之差是内因； 运动件的质量较大，传动机构的刚性不足是条件；,消除爬行的主要措施： 1）减少动、静摩擦系数 之差。如良好润滑，用 减摩材料，滚动导轨和 静压导轨等。 2)提高传动机构的刚度

6、 3）动力润滑。在控制信号中附加高频分量，使伺服电机时刻处于适度的微振状态，从而有利用克服静摩 擦，以有效减小低速爬行。称为“动力润滑”。 用脉宽调制（PWM）功率放大器来驱动伺服电机。,2. 传 动 间 隙,（1）间隙型滞环非线性特性 齿轮传动的齿侧间隙； 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,见输入与输出的物理模型。 当不考虑输入、输出构件的惯性和摩擦时，其输入、输出具有间隙型滞环非线性特性。 1）x(t) b/2时 y(t) 随 x(t) 线性变化 3）当x(t)反向时 y(t)开始保持不动，造成回程误差直到，x(t)减小b后，y(t) 随 x(t) 线性变化,（

7、2）间隙对伺服系统性能的影响,G1闭环前数据输入通道上的传动装置 G2闭环内前向通道上动力传动装置 G3闭环内反馈数据通道中的传动装置 G4闭环后位置输出通道上传动装置,1） G2中的间隙对伺服稳定性的影响 如果没有间隙 静止时：i =o =0,如：i =1，依然 o =0，则误差e =i -o =1 伺服系统把误差放大并去控制电机，,朝减少e的方向转动 i =o =1，由于惯性，冲过o =1，o 1， e 0， 伺服系统控制电机反向，无阻尼， 则震荡 有阻尼， 则稳定,如果有间隙,则e存在，当电机转动，但输出轴不转动，直到间隙消除后才转动，电机空程空载转动时有很大的动能，会以大得多的速度冲过

8、o =1，冲过o =1后，则e变号，控制反向，又有空程，来回，空程（即间隙足够大）则形成一定频率、一定振幅的振荡极限环振荡,如间隙足够小，系统阻尼大 振荡不存在,2) G1和G4中的间隙对伺服稳定性无影响，但影响伺服精度,3) G3中的间隙，既影响伺服稳定性，又影响伺服精度 A)由于G3中的间隙的存在，反馈到输入端的信号并不是输出轴的位置 ，而是包括了G3中的间隙，位置误差检测装置产生的误差信号中也包括了这个间隙量。当误差控制电压驱动伺服电机使输出轴跟随输入信号时，这部分间隙就造成伺服误差。 B)与G2闭环内前向通道上动力传动装置的间隙的情况类似，导致极限环振荡。,3. 结 构 弹 性 变 形

9、,通常，我们为了简化问题，常假定系统中的机械装置是绝对的刚体，没有任何变形。 实际上，机械装置不是绝对的刚体，有弹性变形，其物理模型质量弹簧系统。 在高速高精度的伺服系统，结构弹性变形大，结构刚度小，结构固有频率低，落在系统带宽内，会发生结构谐振。 1） 提高结构刚度 2） 增加阻尼,4. 质 量 与 转 动 惯 量,在机电一体化系统中，机械运动部件的质量和转动惯量大会产生： 1）使机械负载增大，需增大驱动电机功率; 2）使系统的响应速度变慢，降低灵敏度； 3）使系统的固有频率下降， 容易产生谐振。,在机电一体化系统设计中，在不影响系统刚度和强度的条件下，机械运动部件的惯性应尽量小，怎么办？

10、1）选择转矩惯量比 大的控制电机。因为在伺服系统中高速电机的转动惯量，在总惯量中占主要地位，往往比负载的折算惯量大的多，特别是减速比大的系统，所以应尽量选用低惯量的控制电机。（小惯量） 2）适当选用强度高、刚度好、质量轻的材料，减轻各部件的质量，合理布置结构； 转动部分的质量应尽量靠近轴线 3）合理选取总传动比和 分配各级传动比。 但是,2.2 机 械 传 动 机 构,传动机构的性能要求 滚珠丝杠副传动机构 无侧隙齿轮传动机构 其他传动机构,1. 传 动 机 构 的 性 能 要 求,（1）惯性小 （2）刚度大 （3）阻尼合适,2. 滚 珠 丝 杠 副 传 动 机 构,滚珠丝杠副要从普通丝杠副谈

11、起，如同螺杆和螺母 滚珠丝杠副传动是在丝杠和螺母之间放入一定量的钢球，使丝杠和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动副的滑动摩擦变为滚动摩擦。 滚珠丝杠副的结构由什么组成 丝杠、螺母、钢球、还有回珠器，为什么？,滚珠丝杠副传动是在丝杠和螺母之间放 入一定量的钢球，使丝杠和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动副的滑动摩擦变为滚动摩擦。 滚珠丝杠副的结构 丝杠、螺母、钢球、还有回珠器，为什么？,（1）滚珠丝杠副的特点： 1）传动效率高，效率高达90%95%，耗费的动力仅为滑动丝杠的1/3，为什么？ 2）传动精度高，为什么？ 淬火磨削；摩擦小，无非线性，无爬行；摩擦小， 温升小、变形小。 3）磨损小，寿命长，工作寿命

12、一般比普通滑动丝杠高56倍。为什么？ 滚动摩擦，滑道淬火磨损极小 4）系统刚度好，通过螺母组件内施加予压，来获得足够的刚度，为什么 滑动丝杠不能？ 5）可逆向运动 为什么？ 6）不能自锁，特别是,（2）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副的轴向间隙一般是指承受负载时，滚珠钢球与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量 + 螺母原有间 隙的总和,目前制造的单螺母式的精度,控制轴向间隙在0.06以内,双螺母预紧的方法,双螺母预紧的方法,（3）滚珠丝杠副的精度等级和选用 高 C、D、E、F、G、H 低 6个等级 滚珠丝杠副的精度包括各元件的制造精度和装配精度,如：丝杠公称直径尺寸

13、变动量 丝杠和螺母的表面粗糙度 丝杠大径对螺纹轴线的径向跳动 导程误差等,选用： 设计时，根据传动机构的精度（工作台的定位精度和重复精度）要求选择。,数控机床、精密机床、精密仪器C、D、E 一般动力传动F、G,（4）滚珠丝杠副的安装方式 为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，除应选用高刚度、小摩擦、高运转精度的轴承和轴承座支撑外。 还应选择合适的支承方式。 滚珠丝杠副的支承方式根据其限制丝杠轴的轴向窜动情况，分为三种,1）一端固定一端自由（FO）,2）一端固定一端游动（FS）,3）两端固定（FF）,1）一端固定一端自由（FO）,结构简单 丝杠的轴向刚度低 丝杠的压杆稳定性低 临界转速低,设计时尽

14、量使丝杠受拉伸 适用于 丝杠较短 转速较低 竖直安装,2）一端固定一端游动（FS）,结构较复杂，工艺难 需保持螺母与两端支承同轴 丝杠的轴向刚度与（FO）同 丝杠的压杆稳定性与临界转速比（FO）高 丝杠有热膨胀的余地,适用于 丝杠较长 卧式安装,3）两端固定（FF）,结构较复杂，工艺难，需保持螺母与两端支承同轴 丝杠的轴向刚度是（FO）的4倍 丝杠的不受压，无压杆稳定性问题，临界转速也高 可以通过预拉伸减少丝杠自重下垂和补偿热膨胀,适用于 丝杠较长 转速较高 刚度较高 位移精度较高,3. 无 侧 隙 齿 轮 传 动 机 构,齿轮传动： 1）瞬时传动为常数 2）传动精度高，可以做到零侧隙无回差

15、3）强度大，能承受重载 4）结构紧凑，摩擦力小，效率高用的最多 为了保证双向精度，必须采取措施，消除齿侧间隙,齿轮有那些？,齿轮传动,平行轴齿轮传动机构 （圆柱齿轮传动机构）,相交轴齿轮传动机构 （圆锥齿轮传动机构）,交错轴齿轮传动机构,准双曲面 齿轮,分类?,（1）直齿圆柱齿轮传动机构，怎么消除齿侧间隙？,2）双片薄片齿轮错齿调整法 结构复杂，能自动补偿,1）偏心轴套调整法 结构简单，不能自动补偿,（2）斜齿圆柱齿轮传动机构，怎么消除齿侧间隙？,1）双片薄片齿轮中间垫片调整法 不能自动补偿,2）双片薄片齿轮弹簧压紧调整法 能自动补偿,（3）锥齿轮传动 机构，怎么消除 齿侧间隙？,（4）齿轮齿

16、条传动机构，怎么消除齿侧间隙？,4. 其 他 传 动 机 构,同步齿型带传动机构,联轴器,软轴传动机构,（1）同步齿型带传动机构（用途？） （皮带，齿轮，链） 皮带传动（三角皮带、平皮带）； 齿轮传动（直齿圆柱齿轮）； 链传动（自行车） 同步齿型带传动机构是综合以上三种传动特点的一种新的传动方式 轮子像齿轮； 皮带的工作表面制有带齿，与相应的带轮相啮合,梯形齿工业同步带,1）特点 a(与普通皮带传动、链传动相比) 传动比准确，传动效率高 b.（与齿轮、链传动相比）工作平稳，能吸收振动 c.不需润滑、维护保养方便，且耐油水、耐高温、耐腐蚀 e.中心距要求严格，安装精度要求高（设计成可调，可补偿中心距，即可） f. .制造工艺复杂、且成本高,2）分类,3）同步带的结构、主要参数和尺寸规格 a 同步齿形带一般由带背、承载绳、带齿组成，,承载绳 传递动力，同时保证带