机电装备设计6实用教案

1、 对于闭环系统，由驱动电动机的最高转速或转矩与机电装备要求(yoqi)的最大进给速度或负载转矩决定传动速i。mm/min)r/min)maxmaxmaxmax工作台最大移动速度（电机的最大转速（式中vnvtnisp 设计机电(jdin)装备伺服传动系统时，通过选用最佳传动速比i实现负载特性的更好匹配或降低转动惯量。第1页/共46页第一页，共47页。2、最佳(zu ji)总传动速比 伺服动力驱动要克服的负载力矩有两种典型情况(qngkung)。 峰值力矩：电动机最严重的工作情况(qngkung)； 方均根力矩：电动机长期连续地在变载荷下工况的统计量。2222221212121iJJJJJJJJL

2、gmzLLggmmmz第2页/共46页第二页，共47页。折算到电动机轴上的负载(fzi)峰值力矩是总速比i的函数。LPLgmfPLPmLPLPmLPmLmmLgmfPLPmLPiiJJJiTiTTiiiJJJiTiTT)(,)(221）传动系统负载(fzi)的综合 峰值力矩(l j)特性折算到电动机的负载峰值力矩(l j)第3页/共46页第三页，共47页。度负载轴上的峰值角加速传动装置的效率负载轴上的转动惯量电机轴上的转动惯量传动轴各转动件折算到电机转子转动惯量峰值力矩作用在负载轴上的摩擦力矩作用在负载轴上的峰值电动机到执行件的速比LPLgmfPLPJJJTTi式中第4页/共46页第四页，共4

3、7页。 方均根力矩(l j)特性折算到电动机轴上的方均根力矩(l j)速度负载轴上的方均根角加静摩擦力矩负载轴上的方均根力矩式中LfLTT折算到电动机轴上的负载方均根力矩是总速比(s b)i的函数。 2222)()()(LLgmfLmLr iiJJJ iT iTT第5页/共46页第五页，共47页。包括：负载加速度最大的总速比 等效峰值(fn zh)综合负载转矩最小的总速比 等效方均根综合负载转矩最小的总速比2）最佳(zu ji)总速比定义：使传动系统等效(dn xio)负载力矩最小或负载加速度最大的 总速比。（i1)第6页/共46页第六页，共47页。负载(fzi)加速度最大的总速比TL和Tf

4、换算(hun sun)到电动机轴上分别为TL/i和Tf/i，JL换算(hun sun)到电动机轴上为JL/i。iiJJJiJJJiTTTLLgmmLgmfLm)()()(22动力学方程(fngchng)为LgmfLmLJiJJTTiT2)()(第7页/共46页第七页，共47页。若令齿轮系的传动效率1，忽略(hl)负载转矩TL和摩擦转矩Tf，同时令Jg0，则aLii总速比，得负载加速度最大的令0/mLaJJi 上式说明(shumng)，负载加速度最大的总速比与负载转动惯量有关。第8页/共46页第八页，共47页。 等效峰值(fn zh)综合负载转矩最小的总速比LPpgmmiJJT)(21，经整理得

5、代入等效峰值转矩原式pmLPiiT转矩最小的总速比，得等效峰值综合负载令0/ 上式说明(shumng)，在最佳总速比上，电动机的输出转矩Tm有一半用于克服负载TL，一半用于电动机的转子和传动装置。LPLgmfPLPmLP iiJJJiTiTT)(2第9页/共46页第九页，共47页。等效(dn xio)方均根综合负载转矩最小的总速比iiTmLr速比综合负载转矩最小的总，得等效方均根令0/2222)()()(LLgmfLmLr iiJJJ iT iTT第10页/共46页第十页，共47页。 当伺服电机与负载通过“折算峰值力矩最小”的总速比进行匹配时，电动机克服负载峰值力矩所消耗的能量就最少； 当伺服

6、电机与负载通过“折算方均根力矩最小”的总速比进行匹配时，电动机克服负载方均根力矩所消耗的能量就最少； 当通过“角加速度最大”的总速比进行匹配时，电动机的输出转矩有一半用于加速负载，一半用于加速电机转子。 最佳(zu ji)总速比实现了功率的最佳(zu ji)传递。第11页/共46页第十一页，共47页。3、总速比(s b)的分配 伺服系统的总速比较大时，可采用谐波齿轮实现同轴传动(chundng)；也可采用多级齿轮传动(chundng)。圆柱齿轮机构具有一系列优点，应用普遍，针对这种机构组成的多级传动(chundng)链，介绍各级传动(chundng)速比确定的原则和方法。1）最小等效(dn x

7、io)转动惯量原则（小功率传动系统）22213212113243212211)()()()(iiJJiJJJJJZZJJZZJJLLg转动惯量为算到电动机轴上的等效齿轮系中各转动惯量折第12页/共46页第十二页，共47页。 在小功率伺服系统中，一般(ybn)负载较小，特别是总传动速比较大时,负载转化到电动机轴上的转动惯量可忽略不计，则6122121214124141214122121142134112212221321211)2()2(22121, 0/),11 (,iiiiiiiiiiJiiiiJJiJJiJJi iiiiJiJJJJggg时，当得令，代入后得已知，第13页/共46页第十三页

8、，共47页。对于n级齿轮系作同类(tngli)分析可得例：有i80、n=4的小功率(gngl)传动系统，按等效转动惯量最小原则分配传动比。第14页/共46页第十四页，共47页。按最小等效转动惯量原则(yunz)分 配小功率传动系统的总速比时， 可采用列线图确定各级传动比。 按“等效(dn xio)转动惯量最小原则”确定级数和各级传动速比时，由高速级到低速级，各级传动速比是逐级增加的，即传动速比的分配次序是“前小后大”原则。而且级数越多，总等效(dn xio)惯量越小。 第15页/共46页第十五页，共47页。2）重量(zhngling)最轻原则（小功率传动系统）按重量最轻原则，小功率(gngl)

9、传动的各级传动速比相等。 第16页/共46页第十六页，共47页。3）输出轴转角(zhunjio)误差最小原则第17页/共46页第十七页，共47页。 为提高齿轮系的传动精度，由输入端到输出端的各级( j)传动速比应按“前小后大”次序分配； 使最末一级速比尽可能大，同时提高最末一级齿轮副的精度； 即可减小各齿轮副的加工误差、安装误差、回转误差，提高齿轮系统的传动精度。 设计伺服传动系统，确定总传动速比(s b)时，在满足系统的工作条件和功能要求的同时，综合考虑上述三个原则及其经济性，合理分配传动速比(s b)。注意(zh y)！第18页/共46页第十八页，共47页。2.3.5 齿轮(chln)传动

10、间隙的消除 进给系统中的减速齿轮本身有很高的运动精度(jn d)和工作平稳性，但还需尽可能消除传动齿轮副间的传动间隙。问题：齿侧间隙会造成进给系统每次反向运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，对传动精度(jn d)影响很大。 必须采用各种方法去减小或消除齿轮传动间隙。1、直齿圆柱齿轮传动间隙的消除(xioch)1）偏心套调整 通过转动偏心套就能够方便地调整两齿轮的中心距，从而消除(xioch)齿侧间隙。第19页/共46页第十九页，共47页。 2）垫片(din pin)调整 将分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化，装配时只需改变垫片3的厚度，使齿轮2作轴向移动，调

11、整两齿轮在轴向的相对(xingdu)位置即可达到消除齿侧间隙的目的。第20页/共46页第二十页，共47页。3）双齿轮(chln)错齿调整 由于弹簧6的作用使齿轮1、2错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙。正向或反向旋转，分别只有(zhyu)一个齿轮承受转矩，承载能力受到限制，设计时须计算弹簧6的拉力，使它能克服最大转矩。第21页/共46页第二十一页，共47页。2、斜齿圆柱齿轮传动(chundng)间隙的消除1）垫片调整(tiozhng) 斜齿轮1和2间加厚度为t的垫片。用螺母拧紧，使两齿轮1和2的螺旋线产生错位，其后两齿面分别与宽齿轮4的齿面紧贴消除间隙，垫片3的厚度和齿侧间隙的

12、关系可由下式出。第22页/共46页第二十二页，共47页。 斜齿轮1和2用键滑套在轴上，相互间无相对转动。斜齿轮1和2同时与宽齿轮5啮合，螺母3调节蝶形弹簧4，使齿轮1和2的齿侧分别贴紧宽齿轮5的齿槽左右两侧，消除了间隙。 弹簧压力的调整大小应适当，压力过小则起不到消隙的作用，压力过大会使齿轮磨损加快，缩短使用寿命。齿轮内孔有较长的导向长度，轴向尺寸较大，结构不紧凑，优点(yudin)是可以自动补偿间隙。2）轴向压簧调整(tiozhng)第23页/共46页第二十三页，共47页。3、锥齿轮传动(chundng)间隙的消除1）周向压簧调整 将大锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1开有三个圆弧槽8，

13、内圈2的端面带有三个凸爪4，套装在圆弧槽内。弹簧6的两瑞分别(fnbi)顶在凸爪4和镶块7上，使内外齿圈1、2的锥齿错位与小锥齿轮啮合达到消除间隙的作用。螺钉5将内外齿圈相对固定是为了安装方便，安装完毕后即刻卸去。第24页/共46页第二十四页，共47页。 如图所示，锥齿轮1、2相 互啮合。在锥齿轮1的轴5上装有压簧3，用螺母4调整压簧3的弹力。锥齿轮1在弹力作用下沿轴向移动(ydng)，可消除锥齿轮1和2的间隙。2）轴向压簧调整(tiozhng)第25页/共46页第二十五页，共47页。4、齿轮齿条传动间隙(jin x)的消除 进给运动由轴1输入，通过两对斜齿轮将运动传给轴2和轴5，由两个直齿轮

14、3和4去传动齿条，带动工作台移动。轴1上两个斜齿轮的螺旋线的方向相反。在轴1上作用一个轴向力F，弹簧(tnhung)力使斜齿轮产生微量的轴向移动。轴2和轴5以相反的方向转过一个角度，使直齿轮3和4分别与齿条两齿面贴紧，消除了间隙。 工作(gngzu)行程大的大型数控机床，采用齿轮齿条传动来实现进给运动。当载荷较小，齿轮齿条可采用双片薄齿轮错齿调整，分别与齿条的齿槽左、右二侧贴紧来消除间隙。当载荷较大时，采用双厚齿轮的传动结构。第26页/共46页第二十六页，共47页。2.4 微量进给装置(zhungzh)设计 2.4.1 设计要求 高精度微量进给装置是超精密机床的一个关键装置。目前高精度微量进给

15、装置达到0.001 0.010 m分辨率，对实现超薄切削、实现高精度加工和实现在线误差补偿十分有用。 精密和超精密微位移机构(jgu)应满足下列设计要求： 1）精微(jngwi)进给和粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨和稳定性；2）运动部分必须是低摩擦，以实现高的重复精度；3）刀具处必须足够高的刚度；4）微量进给机构应具有好的动特性，即具有高的频响；5）微量进给机构应能实现微进给的自动控制。第27页/共46页第二十七页，共47页。最小进给量大于1m的装置：有蜗杆传动、丝杆螺母、齿轮齿条传动、液压传动等，适用于大行程，进给量、进给速度变化范围宽的机床；最小进给量小于1m的进给装置： 弹性变形式

16、； 热变形式； 流体膜变形式； 磁致伸缩式； 电致伸缩式。 上述都是利用材料的物理性能实现微进给。 五种类型中，仅有弹性变形式和电致伸缩式微量进给机构较适用和成熟。尤其是电致伸缩微量进给装置，可进行(jnxng)自动控制，有较好的动态特性，可用于误差在线补偿。 微量进给装置(zhungzh)分类：第28页/共46页第二十八页，共47页。2.4.2 机械结构(jigu)弹性变形微量进给装置 机械结构弹性变形微量进给装置(zhungzh)，工作稳定可靠，精度重复性好，在手动操作时很适用。 图中为双T形弹性(tnxng)变形微进给装置。当驱动螺钉前进时，T形弹簧1变直伸长，因B端固定，C端压向T形弹

17、簧2。T形弹簧2的D端固定，推动E端可位移刀夹作微位移前进。第29页/共46页第二十九页，共47页。特点(tdin)： 微量进给装置分辨率为0.01m； 重复(chngf)精度0.02m； 最大输出位移是20m； 输出位移方向的静刚度为70 N/m。 实际切削刚度足够。 实现自动微量进给和进给装置有较好动特性时，目前(mqin)都采用压电或电致伸缩微量进给装置。电致伸缩传感器、微量进给装置的机械结构和驱动电源是电致伸缩微量进给装置的三大关键技术。2.4.3 压电和电致伸缩传感器微量进给装置第30页/共46页第三十页，共47页。电致伸缩陶瓷有逆压电效应和电致伸缩效应，是电介质在电场作用下产生变形

18、的基本电耦合效应。 电致伸缩效应的变形量与电场强度的平方成正比。 电致伸缩传感器微量进给机构的优点： 能够实现(shxin)高刚度无间隙位移； 能实现(shxin)极精细的微量位移，分辨率可达1.02.5nm； 变形系数较大； 有很高的响应频率，其响应时间达100S； 无空耗电流发热问题。电致伸缩陶瓷微量进给机构是国内外研究(ynji)的热点。 1、材料(cilio)第31页/共46页第三十一页，共47页。常用(chn yn)压电材料：第32页/共46页第三十二页，共47页。第33页/共46页第三十三页，共47页。压电原件(yun jin)的串并联第34页/共46页第三十四页，共47页。压电陶

19、瓷传感器二维微量进给机构(jgu)的试验研究第35页/共46页第三十五页，共47页。切削(qixio)实验 在数控车床上对研制的二维微量进给机构(jgu)进行了实验研究。实验中加工一个长度100mm、大端直径50mm 和锥度10的棒料,工件材料是铝,车床转速为600r/ min。在同样的切削条件下，对采用补偿和不采用补偿的情况进行了试验,并用圆度仪测试了这两种情况下加工出来工件的圆度。从图中可以看出采用压电陶瓷传感器二维微量进给机构(jgu)进行误差补偿能有效的提高工件的加工精度。第36页/共46页第三十六页，共47页。第37页/共46页第三十七页，共47页。 物质在磁场中尺寸会发生变化，这一

20、现象称为磁致伸缩。磁致伸缩效应是1842 年由焦耳发现的，又称为焦耳效应。 传统的磁致伸缩材料有铁、镍等，其磁致伸缩系数均很小，如铁为 ，镍为 。发现 具有(jyu)很好的磁致伸缩性能和低磁晶各向异性。并发现该材料制备成单晶或晶粒取向的多晶后在压应力作用下在低磁场中磁致伸缩系数大大提高，这种材料的磁致伸缩系数为 ，为传统磁致伸缩材料的几十倍到上百倍，称为超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material， 简称GMM)。m/m21 2.4.4 稀土超磁致伸缩(shn su)材料m/m46 21FeDyTbxxmm/20001500第38页/共46页第三十八页，共47

21、页。 由于超磁致伸缩材料应变值高、能量密度大、响应快、精度高、频带宽且具有智能响应，它的应用使得电（磁） 机械（声） 转换产品产生了巨大的突破性进展。 应用于军事和海洋工程的水声声纳显示出目前世界上最好的性能； 用于飞机机翼控制可使反映灵敏度、可靠性大幅度提高； 在高精密度控制方面的应用，如超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门(f mn)、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等； 在民用应用领域有：照相机快门、编织驱动器、助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等。1、超磁致伸缩(shn su)材料的应用第39页/

22、共46页第三十九页，共47页。 电磁波在液体和固体中衰减很快故无法应用。声信号在液体和固体中衰减较小，因而广泛用于液体与固体中的探测、通信、侦察(zhnch)等。在水中发射声信号的器件称为水声换能器，是声纳的核心部分。水声换能器发射的声波频率越低，声信号在水中的衰减就越小，传送的距离越远，同时频率低受潜艇涂层噪音的干扰也较小。为了提高声信号的分辨率，还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性。由于超磁致伸缩材料具有应变大、低频响应好、频带宽等特点，是制作大功率、低频、宽频带水声换能器的理想材料，因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料。2、超磁致伸缩(shn su)材料在磁（电）

23、声换能器中的应用第40页/共46页第四十页，共47页。其电-机转换效率具有其它材料无法比拟的优势，在精密阀门、精密流量控制、数控机床(jchung)、精密机床(jchung)的进给系统方面，用精密致动器，位移精确度可达到纳米级，响应速度快，输出力大，设计简单。 采用超磁致伸缩棒可制成驱动元件的燃料注入阀，它由超磁致伸缩棒、驱动线圈、阀壳、预应力弹簧、燃料管、法兰盘、燃料注入管、喷嘴等组成。燃料注入阀由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针，当驱动线圈中的电流为零时，燃料注入阀中的阀针将燃料流关闭；当驱动线圈中通有电流时，燃料注入阀中的阀针打开允许燃料流通过。这种燃料注入阀可实现对燃料的精密、瞬时

24、控制，使燃料充分燃烧，减少污染它在汽车和飞机等内燃机中已得到应用。3、超磁致伸缩(shn su)材料在磁（电） 机械致动器中的应用第41页/共46页第四十一页，共47页。 超磁致伸缩智能传感器是利用超磁致伸缩材料的压磁特性：当对其施加外力作用时，所形成的磁场将发生相应的变化。由于该材料的高抗压强度、高应变、高反应速度等使得采用该材料研制的冲击、振动、加速度、压力等传感器与同类传感器相比有大载荷、高强度、高灵敏度等特点，适于在各种恶劣环境下工作，信号处理简单方便，体积小、稳定性高。 采用(ciyng)超磁致伸缩材料作为换能元件，制造磁致伸缩泵、磁致伸缩转动马达等新型器件。4、超磁致伸缩材料(cilio)在传感器中的应用第42页/共46页第四十二页，共47页。 传统的电致伸缩致动器，伸缩量小、输出力小、反应慢，须高电压驱动、设计复杂、存在极化失效问题，可靠性差，不能满足高新技术迅速(xn s)发展的需要。 而超磁致伸缩精密致动器不仅能克服上述电磁致伸缩致动器的缺点，而且其电/机