机电一体化系统的机械系统部件选择与设计

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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4.了解旋转支承部件及轴系部件的选择机电一体化系统的机械系统部件选择与设计12.0相关基础回顾(一)、摩擦:摩擦力可分为三种：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

2、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＜0.3TK2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。3(二)、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。41）产生爬行的原因和过程匀速运动的主动件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

3、。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这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。5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。62）不发生爬行的临界速度临界速度可按下式进行估算（m/s）式中ΔF-----静、动摩擦力之差（N）；K------传动系统的刚度（N／m

4、）；ξ------阻尼比；m------从动件的质量（kg）。以下两种观点有利于降低临界速度：适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。73）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

5、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。8（三）、阻尼在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5~0.8之间。（四）．刚度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

6、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）可以减少系统的死区误差（失动量），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。9（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≥6

7、00rad／s。10（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。(七)转动惯量的计算：（单位：kg·m2）(1)圆柱体转动惯量11(2)直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量(3)齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量12(4)工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量(5)相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算13例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转