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时间:2020-10-04
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1、第2章机电一体化中机械系统部件的选择与设计2.1概述2.2传动机构2.3导向及支撑结构2.4机械执行机构与一般机械系统比较,机电一体化机械系统的要求:①定位精度要高②响应速度要快③稳定性高常常提出:无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比机电一体化机械系统的三大结构①传动机构:考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性②导向机构:考虑低速爬行现象③执行机构:考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性2.2传动机构1、传动机构的种类:齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构2、传动机构的特点:传动精度要高、响应速度要快、
2、稳定性高3、传动机构的基本要求:①在不影响系统刚度的条件下,传动机构的质量和转动惯量要小;转动惯量大会对系统造成机械负载增大(T电=T负+Jε);系统响应速度变慢,灵敏度降低;系统固有频率下降,产生谐振;使电气部分的谐振频率变低P20。②刚度越大,伺服系统动力损失越小;刚度越大,机器的固有频率越高,不易振动();刚度越大,闭环系统的稳定性越高。③机械系统产生共振时,系统中阻尼越大,最大振幅就越小,且衰减越快;但阻尼大会使系统损失动量,增大稳态误差,降低精度,故应选合适阻尼。④静摩擦力要小,动摩擦力要小的正斜率;或者会出现爬行。4、摩擦摩擦力可分为三种:静摩擦力、库仑摩擦力和粘
3、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<0.3TK在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值,并使
4、动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化。5、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。1)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。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。由上述分析可知,低速进给爬行现象的产生主要取决于下
5、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。(适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f)2)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);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。3)消除爬行现象的途径(实
6、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
7、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。6、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。7.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
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