机电一体化系统中的机械传动资料PPT课件

1、 与一般机械系统比较，机电一体化机械系统的要求： 定位精度要高 响应速度要快 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、适当的阻尼比第1页/共64页 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、可靠性第2页/共64页 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、稳定性高第3页/共64页 3、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

2、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P20。 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。JKn第4页/共64页 4、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

3、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第5页/共64页 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

4、变化 。第6页/共64页 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。 第7页/共64页 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。第8页/共64页 由上述分析可知，低速进给爬行现象的产生主

5、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。 第9页/共64页 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。KmFVK4第10页/共64页 3）消除爬行现象的途径（实际做法） 提高传动系统的刚度

6、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

7、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。第11页/共64页 6、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。 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）可以增加闭环控制系统的稳定性。 第12页/共64页 8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

8、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。第13页/共64页 9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。第14页/共64页 转动惯量的计算： （单位：kgm2） (1) 圆柱体转动惯量 (2) 直线移动工作台折算到丝杠上的转

9、动惯量 221mRJ 22LmJ第15页/共64页 (3) 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量(4) 工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量 2RmJ2umJ第16页/共64页(5) 相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算2iJJS第17页/共64页例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 第18页/共64页例2：求系统折算到电机轴上的总转动惯量第19页/共64页例题2-2第20页/共64页齿轮传动副齿轮总传动比的设计原则: 工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均方根力矩最小；电机驱动负载加速度最大三种方法计算。 重点介绍负载加速度最大原则:结论:mLJJi 第21页

10、/共64页 上式表明：齿轮系传动比的最佳值就是，JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。2iJJLm第22页/共64页总传动比分配 (1)最小等效转动惯量原则 (2)重量最轻原则(3)输出轴转角误差最小原则第23页/共64页一、最小等效转动惯量原则小功率传动 以两级齿轮传动系统为例。假设传动效率为100；各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度b同材料的实心圆柱体。结论：3/ 13/ 12121)2()2()2(iiii2/212ii 第24页/共

11、64页对于n级齿轮系分析可得：各级转动比的分配按“前小后大”次序 121)12(21212nnniin)2(221222/)1(nKiinKnK第25页/共64页传动级数n 确定：第26页/共64页 大功率传动 确定n第27页/共64页第一级传动比确定第28页/共64页各级传动比的确定第29页/共64页二、重量最轻原则 小功率传动 各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同材料的实心圆柱体。 结论：对于n级传动i1i2i3ini1/n第30页/共64页大功率传动 设设b1b2 ，b3b4 结论：对于三级齿轮传动 31313131313/iTTbbDDmm1211

12、iii1212ii2/1111) 1122(12iiii1212ii2/1123) 1122(12iii第31页/共64页查表求法：各级传动比是逐渐递减的即满足”前大后小”原则.第32页/共64页三、输出轴转角误差最小原则四级传动比分别为i1 、i2 、i3 、i4；齿轮1 8的转角误差依次为18，该传动链输出轴的总转角误差为：各级传动比满足”前小后大”原则.84764354432321iiiiiii第33页/共64页n三种原则的选择： 对齿轮传动装置的设计，应根据具体的工作条件综合考虑。 1.传动精度要求较高时采用输出轴转角误差最小原则设计； 2.对于要求运转平稳、频繁启动和动态性能好的传动

13、装置，常用最小等效转动惯量原则和输出轴转角误差最小原则设计； 3.对于有质量要求的其它传动装置用重量最轻原则。 第34页/共64页齿轮传动间隙的调整 1直齿圆柱齿轮传动副（1）偏心套调整法第35页/共64页（2）锥度齿轮调整法第36页/共64页（3）双片齿轮错齿调整法第37页/共64页2斜齿圆柱齿轮传动副（1）轴向垫片调整法（2）轴向压簧调整法第38页/共64页3齿轮齿条传动第39页/共64页滚珠螺旋传动 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

14、系统的要求而发展起来的一种新型传动机构。第40页/共64页滚珠丝杠副的特点 :(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、使用寿命长第41页/共64页 螺纹滚道截面的形状、滚珠循环的方式、轴向间隙的调整及施加预紧力的方法三个方面介绍：1滚珠丝杠螺母副螺纹滚道的截面形状 第42页/共64页2滚珠循环的方式（1）内循环（2）外循环第43页/共64页3滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧（1）双螺母螺纹预紧调整式第44页/共64页（2）双螺母齿差预紧调整式第45页/共64页（3）双螺母垫片调整预紧式

15、第46页/共64页（4）弹簧式自动调整预紧式第47页/共64页（5）单螺母变位导程自预紧式第48页/共64页滚珠丝杠副支承方式的选择 第49页/共64页滚珠丝杠副的选择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。第50页/共64页2滚珠丝杠副的主要尺寸参数 公称直径d0、基本导程L

16、0（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。3滚珠丝杠副结构尺寸的选择 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。 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.

17、53.5。滚珠总数N一般不超过150个。第51页/共64页4滚珠丝杠副的精度等级 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。 5滚珠丝杠副的选择步骤（1）承载能力选择（2）压杆稳定性核算（3）刚度的验算第52页/共64页同步齿形带传动同步齿形带，是一种新型的带传动。 （一）同步齿形带的特点：1、传动过程中无相对滑动，因而可以保持恒定的传动比，传动精度较高。2、同步带传动工作平稳，结构紧凑，无噪音，有良好的减振

18、性能，无需润滑。3、同步带无需特别紧张，故作用在轴和轴承上的载荷较小，传动效率较高。4、同步带传动的缺点是制造工艺较复杂，传递功率较小，寿命较低。第53页/共64页（二）同步齿形带的结构根据齿形的不同，同步齿形带可以分成两种。一种是梯形齿同步带，另一种是圆弧齿同步带。 1、梯形齿应力集中在齿根部位，与带轮是圆弧形接触，当小带轮直径较小时，将使梯形齿同步带的齿形变形，影响与带轮齿的啮合，易产生噪声和振动，这对于速度较高的主传动来说是很不利的。因此，梯形齿同步带在数控机床特别是加工中心的主传动中很少使用，一般仅在转速不高的运动传动或小功率传动的动力传动中使用。2、圆弧齿同步齿形带克服了梯形齿同步带的缺点，均化了应力，改善了啮合。因此，在加工中心上，无论是主传动还是伺服进给传动，当需要用带传动时，总是优先考虑采用圆弧齿同步齿形带。第54页/共64页齿形带的结构1-带背，2-强力层，3-包布层，4-带齿。包布层材料（3）：尼龙布带齿材料（4）