091125第4章机电一体化机械系统设计详解.ppt

第4章 机电一体化机械系统设计 4.1 机械系统设计概述 4.1.1 机电一体化的机械系统主要内容 在构成机电一体化系统的要素中，几个部分并不是并列的，机械部分是主体，而且系统的主功能必须由机械装置来完成 构成：传动机构、 支承与导向机构、 执行机构、 轴系、 机座机架 （l） 传动机构（精密） 功能——是传递动力和运动 作用——机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。 （3） 执行机构 作用——执行机构根据操作指令的要求在动力源的驱动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等。 （4） 轴系 作用——传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩） （5） 机座机架 作用——承重、支撑、保证各零部件相对位置的基准作用。 4.1.2 机电一体化机械系统设计特点 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成 机电一体化机械系统是由计算机协调控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统组成，其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。 机电一体化中的机械系统需使伺服电机和负载之间的转速、转矩及惯量得到匹配，即在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。 机械系统设计特点 （1） 机械传动设计的特点 传动链短、转动惯量小、线性传递、无间隙传递等 （2） 机械结构设计的特点 满足伺服系统对其稳、准、快的要求 精密化、高速化、小型化和轻量化 应综合考虑各个零部件的制造安装精度、结构刚度、稳定性以及动作的灵敏性和易控性，对具体零部件的设计提出了更高、更严的要求 4.2 机械传动机构 （1） 无（小）传动间隙 开环或闭环之外的传动间隙不影响系统稳定性，但影响伺服精度（逆运行时的回程误差）； 闭环之内的传动间隙不影响系统静态精度，但影响稳定性；若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡。 对间隙要进行处理！ （2） 惯量小 大惯量会使系统的机械常数增大，固有频率降低，从而使系统负载大，响应慢，灵敏度低，易产生谐振。 惯量要合理 （3） 摩擦小 大摩擦会造成动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。 （4） 刚度大 大刚度利于：①减小机构弹性变形，从而减小伺服系统动力损失； ②提高机构固有频率，避开机构的伺服带宽，不易产生共振； ③增加闭环伺服系统的稳定性。 （5） 阻尼适中 大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也会使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼要适中 （6） 缩短传动链 采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。 4.2.2 常用的齿轮传动间隙的调整方法 圆柱齿轮传动 中心距调节消隙法 轴向垫片调整法 特点： 结构简单，但其侧隙不能自动补偿。 双片薄齿轮错齿调整法 周向弹簧式 可调拉簧式 周向弹簧式 可调拉簧式 斜齿轮传动 ① 垫片错齿调整法 4.2.3 丝杠螺母传动机构 丝杠螺母机构，可实现旋转运动直线运动运动方式的转换：传递能量为主（如螺旋压力机、千斤顶等）、传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠）、调整零件之间相对位置为主。 根据摩擦副不同：滑动摩擦丝杠、滚动摩擦丝杠； 根据丝杠和螺母相对运动方式不同： ①螺母固定、丝杠转动并移动 ；②丝杠转动、螺母移动 ；③螺母转动、丝杠移动 ；④丝杠固定、螺母转动并移动 ；⑤差动传动方式 丝杠和螺母相对运动方式 ⑤差动传动方式 微动机构、快进机构 4.2.3.1 滚珠丝杠副的组成及特点 滚珠丝杠副结构 滚珠丝杠副特点： ① 传动效率高：92％～96％ ，耗费的能量仅为滑动丝打的l/4～1/3 ② 运动具有可逆性：需设置制动装置 ③ 轴向刚度好 ④ 传动精度高，使用寿命长：低速时无爬行现象，能始终保持运动的平稳性和灵敏性；摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，可获得较高的传动精度；寿命长 4.2.3.2 滚珠丝杠副的典型结构类型 滚珠丝杠副结构 常用的循环方式有两种:外循环和内循环。 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。 一端固定一端自由式支承 一端固定一端游动式支承 两端固定式支承 丝杠螺母密封 4.2.3.3 滚珠丝杠副传动系统设计 （1） 滚珠丝杠副的精度 GB/T17587.3-1998标准:定位滚珠丝杠幅（P）、传动滚珠