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1、1. 机械传动系统特点,机电一体化机械系统应包括如下三大部分机构: (1)传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转 速和转矩的变换器,而是已成为伺服系统的一部分。 考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等特性 (2)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。 考虑低速爬行现象 (3)执行机构 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。 考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性,2. 摩擦,摩擦力:两物体有相对运动趋势或已产生相对运动时,其接触面间会产生摩擦力。,摩擦力,静摩擦力,库仑摩擦力,粘性摩擦力,动摩擦力
2、,2. 摩擦,摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响: 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。,3. 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。,3. 爬行,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
3、簧,爬行现象进入下一个周期。,3. 爬行,、推力最大静摩擦力 静止 、推力最大静摩擦力 运动 、推力动摩擦力 加速运动 、推力动摩擦力 减速运动 静止,3. 爬行,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: 静摩擦力与动摩擦力之差,这个差值越大, 越容易产生爬行。 进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。 运动速度太低。,3. 爬行, 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
4、。 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。,消除爬行现象的途径(实际做法),3. 爬行, 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。,消除爬行现象的途径(实际做法),4. 阻尼,阻尼是系统的固有特
5、性,而不仅仅可以认为是材料的特性,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为阻尼。,例如: 空气等流体对于速度的衰减; 材料本身内摩擦将机械能转化为热能; 装配体中两个相连的零件的摩擦和相互剪切(例如螺栓链接处我们认为有阻尼)等。,4. 阻尼,阻尼比大小对传动系统的振动特性有不同的影响: =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。 (2) l称为过阻尼系统;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。 (3) 01称为欠阻尼系统。在值为0.5 0.8之间(即在0.707附近)系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快,而且还能更快
6、的达到稳定值。但在0.5时,系统虽然响应更快,但振荡衰减的很慢。 系统设计时,一般取0.50.8,5. 刚度,刚度: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。,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,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。,6. 谐振频率,输入信号的激励频率等于系统的谐振频率,系统会产生共振不能正常工作。,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
7、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OI300rads,其他机械系统OI600rads。,7. 间隙,机械传动装置一般都存在传动间隙,例如“齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母传动间隙、轴承的间隙及联轴器的传动间隙等”,这些间隙是造成死区误差(不灵敏区)的原因之一。,对于伺服机械传动系统,由于传动精度是重要的指标,应尽量减小和消除间隙,保证系统的精度和稳定性。,8. 转动惯量,转动惯量是物体转动时惯性的度量。,(1) 转动惯量是表征刚体转动
8、惯性大小的物理量,它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。 (2) 同一刚体对不同转轴的转动不同,凡是提到转动惯量,必须指明它是对哪个轴的才有意义。,转动惯量越大,物体的转动状态就越不容易改变。,8. 转动惯量,传动系统折算到电动机轴上的转动惯量过大产生的影响有:,电动机的机械负载增大 机械传动系统响应变慢 系统的振荡增强,稳定性下降 系统的固有频率下降,容易产生谐振等。,但转动惯量的适当增大,对改善低速爬行是有利的。,8. 转动惯量,(1) 圆柱体转动惯量(kg m2),式中 m质量,单位kg; R圆柱体半径,单位m。,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
9、动惯量。,8. 转动惯量,(2) 丝杠轴折算到电动机轴的转动惯量(相邻两轴,后轴向前轴转动惯量的折算),式中 i 前轴到后轴的(总)传动比; JS 后轴的转动惯量。,8. 转动惯量,(3) 直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量,式中:L为丝杠导程,单位m; m工作台及工件的质量,单位kg。,8. 转动惯量,(4)丝杠传动时,传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量,J1小齿轴及电动机轴的转动惯量 J2大齿轴的转动惯量 Js丝杠的转动惯量 L丝杠的螺距 m工作台及工件质量,8. 转动惯量,(5) 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量,R齿轮分度圆半径(m) m工作台及工件质量(kg),8.
10、 转动惯量,(6) 齿轮齿条传动时传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量,J2 Z,J1,J1、J2分别为轴和轴及其上面齿轮的转动惯量 i传动比 m工作台及工件的质量 R齿轮Z的分度圆半径,8. 转动惯量,(7) 工作台折算到带传动驱动轴上的转动惯量,m工作台及工件质量 v工作台移动速度 驱动轴的角速度,8. 转动惯量,例1:求系统折算到电机轴上的总转动惯量,8. 转动惯量,惯量匹配原则, 对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统:,1,3,小惯量直流伺服电动机的惯量低达,JL折算到电动机轴上的总等效转动惯量 JM电动机自身转动惯量,JL/JM比值大小对伺服系统的性能有很大的影响,并且与直流伺
11、服电动机的种类和应用场合有关,通常分为两种情况:,8. 转动惯量,惯量匹配原则, 对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统:,大惯量直流伺服电动机的转动惯量,JL折算到电动机轴上的总等效转动惯量 JM电动机自身转动惯量,0.25,1,8. 转动惯量,惯量匹配原则,小惯量直流伺服电动机: 加减速能力强,动态性能好,响应快。但容易发生对电源频率的响应共振,当存在间隙、死区时容易造成振荡和蠕动。,大惯量直流伺服电动机: 惯性大、转矩大,且在低速下提供额定转矩,可与滚珠 丝杠直接相联,受惯性负载影响小,调速范围大,允许长时间的过载,过载能力强。,8. 转动惯量,例2 图示为以进给工作台,直流伺服电动机M,制动器B,工作台A,齿轮G1G4以及轴1、2的数据见表21,工作台质量含工件mA=300kg,试求该装置换算至电动机轴的总等效转动惯量,并判断是否满足惯量匹配原则。,思考题,95页习题2.5 2.6,