机电一体化系统的机械系统部件选择与设计.ppt

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,2,2.0 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=mg，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0.2TKTf0.3 TK,3,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。,4,(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。,5,1）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。,6,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。,7,2）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 F-静、动摩擦力之差（N）；K-传动系统的刚度（Nm）；-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。,8,3）消除爬行现象的途径（实际做法）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。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。,9,（三）、阻尼 在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取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。,10,（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WOI300rads，其他机械系统WOI600rads。,11,（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：kgm2）(1)圆柱体转动惯量,12,(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,13,(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,14,例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量,例2：求系统折算到电机轴上的总转动惯量,15,例题2-3,16,第2章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计,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。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 机械系统部件的设计要求,17,为确保机械系统的传动精度和响应要快、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，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 机械系统部件的设计要求,18,机电一体化机械系统的三大结构 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 导向机构：考虑低速爬行现象 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性,19,常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动副、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。,2.2 机械传动部件的选择与设计,20,传动机构的基本要求：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+J）；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。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。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。静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现爬行。,21,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,22,2.2.1 齿轮传动部件,外齿轮啮合,目的：齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器1 降速:将伺服电机的高速，小转矩输出变成克服负载所需的低速、大转矩。2 使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在传动系统中所占比重减少，以保证传动精度。,内齿轮啮合,23,齿轮传动间隙的调整 1直齿圆柱齿轮传动副（1）偏心套调整法,24,（2）锥度齿轮调整法,25,（3）双片齿轮错齿调整法,26,2斜齿圆柱齿轮传动副（1）轴向垫片调整法（2）轴向压簧调整法,27,主要用来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,基本传动形式,2.2.2 丝杠螺母机构基本传动形式,螺母真正位移为S=n(P h1P h2)n为螺杆转速,28,滚珠螺旋传动 滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力，传动效率低，磨损快、精度不高，使用寿命短，已不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滚珠螺旋传动则是为了适应机电一体化机械系统的要求而发展起来的一种新型传动机构。,29,滚珠丝杠副的特点:(1)传动效率高、摩擦损失小，传动效率很高，可达0.920.96（滑动丝杠为0.20.4）(2)传动的可逆性、不可自锁性(3)传动精度高(4)磨损小、使用寿命长,30,滚珠丝杠传动部件1.滚珠丝杠副的组成,31,32,33,滚珠丝杠表,34,1).滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。,内循环-滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杆1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有2-4个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。,2.滚珠丝杠副的典型结构类型从滚珠的循环方式、螺纹滚道的截面形状和消除轴向间隙的调整方法进行区别。,35,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副,结构特点是反向器l上的安装孔有0.010.015mm的配合间隙，反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装拱形片簧4，外有弹簧套2，藉助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杆3表面保持一定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用。,优点：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。,36,外循环-外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。,滚珠的外循环方式。,37,2）预紧方式,38,单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个 的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于导程突变量和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。,39,双螺母螺纹预紧式螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过二个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。,结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,40,双螺母齿差预紧式,二个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3，二者齿数相差一个齿，通过二端的二个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销固定在套简1上。,调整时先取下二端的内齿轮2，当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使二个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整即可进行精密微调。,41,双螺母垫片调整预紧式,调整垫片l的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。其特点是结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,42,弹簧式自动调整预紧式,双螺母中一个活动另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。其特点是能消除使用过程中 因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，施合用于轻载场合。,43,3.滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径d0:指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径,是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。,基本导程Ph(或螺距t)：它指滚珠螺母相对于滚珠丝杆旋转2弧度时的行程（螺母上基准点的轴向位移）。,行程：转动滚珠丝杆或螺母时，滚珠丝杆或滚珠螺母的轴向位移量。,还有滚珠丝杆螺纹外径d1、滚珠丝杆螺纹底径d2、滚珠直径Dw、滚珠螺母体螺纹底径D2、螺母螺纹大径D3、滚珠丝杆螺纹全长等。,44,4.滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,1)精度等级，根据JB3162.2-1982标准，对滚珠丝杠副的精度分成C、D、E、F、G、H六个等级，最高精度为C级，最低精度为H级；而JB316-2.2-1991为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。2)标注方法，GB/T17587.1-1998规定进行标注。3)尺寸系列，公称导程的优先 选用系列/mm:2.5,5,10,20,404)精度等级选用：数控机床、精密仪器等用于闭环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级，一般动力传动可选4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。,45,1）、两端固定 2)、一端固定一端简支3)、两端支承 4)、一端固定一端自由,5.滚珠丝杠支撑形式,46,止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。特点：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。,5.滚珠丝杠副的支承方式,(1)单推-单推式：,47,(2)双推-双推式：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。,48,(3)双推-简支式：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,49,(4)双推-自由式：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,50,轴承的组合安装支承示例,51,简易单推-单推式支承,52,双推-自由式支承,53,54,6.滚珠丝杠副的密封与润滑,用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式二种，将其装在滚珠螺母的两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。,55,防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板防护套1为折叠式密封套，2为螺旋弹簧钢带伸缩套管。,56,7.滚珠丝杠副的选择1）滚珠丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如：当允许有间隙存在时(如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。,57,2）滚珠丝杠副结构尺寸的选择滚珠丝杠副的主要尺寸参数：公称直径d0、基本导程L0（或螺距t）、行程L；此外还有丝杆螺纹大径d、丝杆螺纹小径d1、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、丝杆螺纹全长LS等。公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选样；螺纹长度LS在允许的情况下要尽量短，一般取LSd0小于30为宜；基本导程L0（或螺距t）的大小应根据机电一体化系统的承载能力、传动精度要求确定。L0大承载能力也大，L0小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝扛副。,58,滚珠的工作圈（或列）数和工作滚珠的数量N由试验可知：第一、第二和第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50、30和20左右。因此，工作圈（或列）数一般取2.53.5。滚珠总数N一般不超过150个。3）滚珠丝杠副的精度等级选择 JB3162.291（ISO34083：1992）滚珠丝杠副的验收技术条件，将滚珠丝杠副的精度分为7个精度等级，即1，2，3，4，5，7，10级。1级精度最高，依次递减。标准中对各级精度的滚珠丝杠副的行程偏差有多个项目的规定。,59,4）.滚珠丝杠副的选择步骤,实际的工作条件：最大的工作载荷Fmax(或平均工作载荷Fcp)作用下的使用寿命T(h)、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)(mm)、丝杠的转速n(或平均转速ncp)(rmin)、滚道的硬度HRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。,60,61,承载能力计算也可用下式表达：,62,压杆稳定性核算,63,刚度的验算 滚珠丝杠在轴向力的作用下，特产生伸长或缩短，在扭矩的作用下,将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。,F,64,65,66,67,68,69,