机电一体化机械技术

第二章机电一体化机械技术•§2-1机电一体化中的机械系统•§2-2机电一体化中常用的传动机构•§2-3机电一体化中常用的执行机构•§2-4机电一体化中的虚拟样机技术（自学）机械系统包括系统的框架和支承结构、机械连接和传动系统，本章重点介绍传动系统的特点和设计方法。一．传动系统的构成及作用图2.1传动系统在机电系统中的作用§2-1机电一体化机械系统对传动系统的要求静特性：传动精度动特性：稳定性、快速性可靠性图2.2机电系统的控制模型2.2.1机械传动系统的特性一、转动惯量它是系统的机械负载，要产生功耗，影响系统的响应速度、灵敏度、固有频率和阻尼特性。它取决于质量的大小和质量分布。1、转动惯量大的影响（1）机械负载增加，功率消耗大；（2）响应速度变慢，灵敏度降低；（3）固有频率下降，容易产生谐振；（4）电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增大等。§2-2机电一体化系统中常用的传动机构2、转动惯量的计算（1）圆柱体的转动惯量（齿轮、丝杠等）计算公式为：218Jmdm——圆柱体的质量（kg）；d——圆柱体的直径（m）。0Lrm202errLJmrm0r20errJmr（2）直线运动物体的转动惯量①丝杠驱动导程为的丝杠驱动总质量为的工作台和工件，②齿轮驱动齿轮齿条驱动总质量为的工作台和工件，其折算到节圆半径为的小齿轮上的等效转动惯量为：其折算到丝杠轴上的等效转动惯量为：例2.1计算折算到电机轴上的等效转动惯量。解：传动系统有三根轴，每根轴上的总惯量分别为其中：，，，分别是4个齿轮的转动惯量是丝杠的惯量是工作台折算到丝杠上的等效转动惯量emJSJ总的等效惯量为二、阻尼阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的，机械传动系统可视为带有阻尼的质量—弹簧系统。系统的阻尼可划分为3类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和粘性摩擦阻尼（粘滞摩擦阻尼）。1、阻尼对机械系统的动态特性的影响系统的静摩擦阻尼越大，系统的回程误差增大，定位精度降低；系统的黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差就越大，精度就降低；系统的黏性阻尼摩擦会对系统的减慢系统的响应速度；如果机械系统刚度低而质量大，则系统的固有频率低，于是应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和衰减振动。2、阻尼比计算在带有阻尼的弹簧—质量系统中（机械传动部件若简化为二阶振动系统），阻尼比与粘滞摩擦阻尼之间的关系如下：式中：——粘性阻尼系数，——系统等效质量，——系统的拉压刚度，0.40.7不同阻尼比对二阶系统的影响如下图：图2.2不同阻尼比时系统的响应（ξξξ一般取三、刚度刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度。1、刚度对系统动态特性的主要影响（1）矢动量。刚度越低，传动部件的变形越大，系统的矢动量就越大；（2）固有频率。系统的刚度越大，固有频率越高；（3）稳定性。系统的刚度越大，对系统的稳定性有利。LKNKBK2=4LdEKldmE2Nmlm2、刚度的计算（1）拉压刚度计算丝杠螺母机构的拉压刚度是由丝杠机构的拉压刚度丝杠螺母见的接触刚度及丝杠轴承的支承三部分组成。①一端轴向支承的丝杠，其拉压刚度为：式中：——丝杠的中径，——材料的拉压弹性模量，——受力点到支撑端的距离，、当工作台位于距离支撑端最远位置时（受力点到支撑端的距离最大），丝杠的全部工作长度L都受力，则刚度最小：2min=4LdEKLL——丝杠的全部工作长度②两端轴向支承的丝杠，其拉力刚度为：211=4LdEKlLl当工作台位于两支承点的中点位置时，即2lL丝杠的拉压刚度为最小值：时，2min=LdEKLNKBK和均可从产品样本中查得。则丝杠螺母机构的总拉压刚度0K为：01111LBNKKKK一端轴向支承的丝杠BBKK,两端轴向支承的丝杠2BBKK（2）丝杠扭转刚度计算丝杠扭转刚度可用下式计算：232TdGKl式中：dm2Nmlm——丝杠的中径，——材料的剪切弹性模量，——受力点到支撑端的距离，G下面是不同刚度对系统性能的影响：图2.3不同刚度时系统的频率特性（K＜K＜K）例2.2在例2.1的数控机床进给系统中，若预紧后丝杠支承轴向刚度92.1410BKNm，丝杠螺母间的接触刚度91.7210NKNm（取丝杠的最大工作长度max1.2Lm，拉压弹性模量1122.110ENm，剪切弹性模量1028.110GNm，试求：0minKminTK1.丝杠螺母系统的最小拉压刚度和最小扭转刚度2.丝杠工作台系统纵向振动和扭转振动的最小固有频率。（1）计算丝杠螺母系统的刚度22118minmax0.0482.1103.1710441.2LdEKNmNml由于丝杠为一端轴向支承，故92.1410BBKKNm则最小拉压刚度为：8990minmin11111113.17102.14101.7210LBNNmKKKK得80min2.3810KNm22104minmax0.0488.1103.521032321.2TdGKNmradNmradl80min2.3810/630/600nKradsradsm324.3710Jkgm232224.37104.80.1esJJikgmkgm4min3.5210/953/0.1TnesKradsradsJ最小扭转刚度为：（2）系统固有频率的计算忽略丝杠本身的质量，则工作台纵向振动的最小固有频率为：由例2.1知，电动机轴上的系统总转动惯量则折算到丝杠轴上的系统总转动惯量为：忽略电动机轴和齿轮轴的扭转变形，系统扭转振动的最小固有频率为：四、传动精度由于传动件之间的间隙和传动件的安装及制造误差而引起两种误差，称为传动误差和回程误差。传动链的传动误差和回程误差会影响系统的精度和稳定性。它们对系统性能的影响随其在系统中的位置的不同而不同。1、传动系统的误差分析（1）传动误差——是指输入轴单相回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动。从而使输出轴的运动时而超前，时而滞后（图见书上图2-5(b)）。（2）回程误差——是与传动误差既有联系又有区别的另一类误差。其可以是当输入轴有正向回转变为反向回转是，输出轴在转角上的滞后量，也可把它理解成输入轴固定式，输出轴可以任意转动的转角量。其使输出轴不能立即随着输入轴反向回转，即具有之后性（图见书上图2-5(c)）。2、减小传动链误差的措施(1)提高零件本身的制造精度可以减少传动误差和回程误差。(2)合理地设计传动链可以减少传动误差，包括：①合理地选择传动类型。不同的传动形式所能达到的传动精度是不同的。一般说来：圆柱齿轮的传动精度较高，蜗轮蜗杆机构次之，圆锥齿轮的传动精度则较差；谐波齿轮传动的精度较高，渐开线行星齿轮机构、少齿行星齿轮机构次之，摆线针轮行星齿轮机构的传动精度则较差。②合理地确定传动级数、合理地分配传动比。减少传动级数就可以减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。因此，在满足使用要求的前提下尽可能减少传动级数。对减速传动链，各级传动比宜从高速端开始逐级递增，尽量提高末级传动比。③合理地布置传动链。在减速传动中，精度较低的传动机构应尽量布置在高速轴上（如圆锥齿轮传动），这样可以减小低速轴上的误差。(3)采用消除间隙机构可以减少回程误差。螺纹传动间隙的消除机构,齿轮传动侧隙的消除机构,滚珠丝杠螺母间隙的调整机构等。2.2.2常用传动机构1、转动型传动机构（1）齿轮（齿条）传动齿轮传动包括圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动和圆弧齿轮传动等。其工艺性好、适用范围广、可实现大功率或者高精度传动，效率高、传动平稳，不易实现大传动比、体积较大。图2.5齿轮传动机构（2）蜗轮蜗杆传动其特点是传动比大、输出轴与输入轴垂直、结构紧凑、可反向自锁，传动效率低。图2.6蜗轮蜗杆传动机构（3）同步齿型带传动同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步齿型带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步齿型带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度的传动。传动噪声比链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需要润滑油，寿命比摩擦带长。同步齿型带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如家用电器、计算机、仪器及机床、化工、石油等机械。它既可以实现转动型传动又可以实现直线型传动。图2.7同步齿形带传动原理（4）行星轮减速器传动比范围宽、结构紧凑、效率高、传动精度高、适合于各种传动，特别是与电机构成伺服机组。（5）谐波减速器传动比大、结构紧凑、效率高、传动精度高、适合于中小功率传动。2、直线型传动机构（1）齿轮齿条传动它具有齿轮传动的特点，可以实现较大的直线位移，负载能力大，广泛应用于大型机床工作台的移动驱动。图2.8齿轮齿条传动原理（2）丝杠螺母（螺杆）传动传动比大、可反向自锁、结构简单、工艺性好，效率较低。滚珠丝杠可以实现高效率、高精度传动，滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍，可以做到无间隙传动，广泛应用于数控机床工作台，数控平台和机器人的驱动。图2.9丝杠螺母传动原理图2.10软盘驱动器中磁头的螺杆机构（3）同步齿型带实现的移动传动它具有同步齿型带转动传动的特点，可以实现较大的直线位移，广泛应用于移动型工作台、绘图机、打印机、复印机、扫描仪等办公设备和计算机外设的驱动。图2.11打印机字车的同步带驱动机构（4）钢丝（绳）实现的移动传动它具有可以实现较大的直线位移、重量轻、噪声小、驱动力大等特点。其缺点是，可能产生打滑，传递运动不如同步齿型带准确。应用于大型天车、升降机构等的移动驱动。在绘图机、打印机、复印机、扫描仪等办公设备和计算机外设的应用基本上被同步齿型带所取代。图2.12天车的钢丝绳驱动机构（5）钢带实现的移动传动图2.13钢带实现的移动传动原理§2-3机电一体化系统中常用的执行机构2.3.1基本要求2.3.2微动执行机构2.3.3工业机械手末端执行器2.3.1基本要求1惯性小、动力大2体积小，质量轻3便于维修和安装4易于计算机控制此外，一个执行机构还应具有：响应速度快、动态性能好、动静态精度高和动作灵敏度高的特点2.3.2微动执行机构微动执行机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定进给运动的机构。分类：机械式；电气——机械式；弹性变形式；热变形形式；磁致伸缩式；压电式等。2.3.3工业机械手末端执行器工业机械手是一种自动控制、可重复编程、多自由度的操作机，具有搬运功能以及完成其他各种作业的机电一体化设备（直接执行操作功能）。分类：机械夹持器；特种末端执行器；万能手（灵巧手）。机械夹持器机械夹持器是最常见的一种末端执行器。其具有夹持和松开的功能。在夹持时，其具有一定的力约束和形状约束；当松开时，要保证完全松开。根据手指运动方式不同，可分为：圆弧开合型；圆弧平行开合型；直线平行开合型。特种末端执行器特种末端执行器是供工业机器人完成某类特定作业的机电一体化设备。1真空吸附手2电磁吸附手万能手（灵巧手）灵巧手是一种模仿人手制作的多指多关节的机器人末端执行器，它可以适应物体外形的变化，但控制和操作困难。