机电一体化1-1

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计扬州大学广陵学院张 帆2008.8教学内容教学内容第第0章章 总总 论论第第1章章 机械系统设计机械系统设计第第2章章 检测系统设计检测系统设计第第3章章 控制系统设计控制系统设计 第第4章章 伺服系统设计伺服系统设计第第5章章 计算机控制机电系统设计计算机控制机电系统设计第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计1.3 1.3 机械系统载荷的类型及确定机械系统载荷的类型及确定1.4 1.4 机械系统的参数设计机械系统的参数设计1.1 1.1 概述概述一、机械系统的定义一、机械系统

2、的定义传统机械系统组成：传统机械系统组成： 动力件、传动件、执行件、动力件、传动件、执行件、电气、机械控制电气、机械控制现代机械：现代机械：由计算机信息网络协调与控制的、用由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和的机械和( (或或) )机电部件一体化的机械系统机电部件一体化的机械系统 ，是机，是机电一体化机械系统。核心是由计算机控制的、包电一体化机械系统。核心是由计算机控制的、包括机、电、液、光等技术的伺服系统。括机、电、液、光等技术的伺服系统。1.1 1.1 概述概述二、机电一体化对机械系统的基本要求二、机电

3、一体化对机械系统的基本要求1.1.高精度高精度 ：精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。2.2.快速响应快速响应 ：要求机械系统从接到指令到开始执行指令指要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。定的任务之间的时间间隔短。3.3.良好的稳定性：良好的稳定性：要求机械系统的工作性能不受外界环境的要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，

4、抗干扰能力强。影响，抗干扰能力强。此外，还要求机械系统具有此外，还要求机械系统具有较大的刚度较大的刚度、良好的可靠性良好的可靠性和和重重量轻量轻、体积小体积小、寿命长寿命长。 1.1 1.1 概述概述三、机械系统的组成三、机械系统的组成 1.1.传动机构传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机构、链传动、带传动等。杠传动机构、链传动、带传动等。要求：要求：满足整个机械系统良好的满足整个机械系统良好的伺服性能伺服性能；要满足；要满足传动精度传动精度要求；满足要求；满足小型小型、轻量轻量、高速高速、低噪声低噪声和和高可靠性高可靠性要求。要求。

5、 2.2.导向机构导向机构 ：作用是支承和导向，为机械系统中各运动装作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，滚动导轨、滑动导轨等。滚动导轨、滑动导轨等。3.3.执行机构执行机构 ：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、成预定的操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、或机械手等等。以及各种电磁铁、或机械手等等。 要求：要求：有较高的有较高的灵敏度灵敏度、精确度精确度，良好的，良好的重复性重复性和

6、和可靠性可靠性。1.1 1.1 概述概述 进给系统的机械传动结构进给系统的机械传动结构1 1、进给系统的功用、进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。2 2、进给系统机械部分的组成、进给系统机械部分的组成传动机构传动机构+ +运动变换机构运动变换机构+ +导向机构导向机构+ +执行件（工作台）执行件（工作台）传动机构传动机构: : 齿轮传动、同步带传动齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）导向机构：导轨

7、（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）工作台导轨副1.1 1.1 概述概述3 3、主要要求、主要要求(1) (1) 减小摩擦力减小摩擦力采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨. . (2) (2) 提高传动精度和刚度提高传动精度和刚度消除传动间隙消除传动间隙, ,增加传动系统刚度增加传动系统刚度. .(3) (3) 减小运动惯量减小运动惯量快速响应快速响应. .减小运动部件质量减小运动部件质量. .1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计对传动机构要求对传动机构要求1.转动惯量小

8、转动惯量小1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；负载增大； 2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；降； 3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。谐振。 1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计2.刚度大刚度大 伺服系统动力损失随之减小；伺服系统动力损失随之减小； 机构固有频率高，超出机构的频带宽度，机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振；使之不易产生共振； 增加闭环伺服系统的稳定性。增加闭环伺服系统的稳定性。3.阻尼合适阻尼合适 1.

9、2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计 一、无侧隙齿轮传动机构一、无侧隙齿轮传动机构齿轮传动机构的特点：齿轮传动机构的特点：1)瞬时传动比为常数；瞬时传动比为常数；2)传动精确度高；传动精确度高；3)可可做到零侧隙无回差；做到零侧隙无回差；4)强度大能承受重载；强度大能承受重载；5)结构紧凑；结构紧凑；6)摩擦力小和效率高摩擦力小和效率高 功用：功用：转矩匹配；转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速惯量匹配；脉冲当量匹配；降速1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计消除传动间隙消除传动间隙作用：消除反向间隙，提高传动精度作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮

10、合状态轮齿的两侧均处于接触状方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状实现：偏心轴调整、轴向垫片调整实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）（刚性） 轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙切向）调隙1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计1.2 1.2 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计一、无侧隙齿轮传动机构一、无侧隙齿轮传动机构消除传动间隙消除传动间隙作用：消除反向间隙，提高传动精度作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状方法：

11、使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状实现：偏心轴调整、轴向垫片调整实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）（刚性） 轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法切向）调隙法 图图2.9 滚珠丝杠副的结构原理示意图滚珠丝杠副的结构原理示意图 特点：特点： (1)(1)传动效率高：传动效率高： 0.900.90到到0.960.96 ；(2)(2)传动精度高、刚度好：可消除间隙；传动精度高、刚度好：可消除间隙；(3)(3)定位精度和重复定位精度高定位精度和重复定位精度高；(4)(4)运动平稳

12、运动平稳；(5)(5)摩擦阻力小摩擦阻力小: :静摩擦阻力及动静摩擦静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小阻力差值小；(6)(6)不能自锁、有可逆性不能自锁、有可逆性。图图2.12 2.12 内循环方式原理图内循环方式原理图1. 1.凸键凸键 2 2、3.3.反向器反向器 1. 1.同同F-SF-S的的1 12.2.若轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定若轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的的4 4倍倍3.3.丝杠不会受压，无压杆稳定问题，固有频率丝杠不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定高比一端固定高4.4.可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补

13、偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构垂和热补偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难及工艺都比较困难5.5.要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量公称行程，减少量等于拉伸量两端固定两端固定(F-F)(F-F) 1. 1.需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难工艺较困难2.2.丝杠的轴向刚度和丝杠的轴向刚度和F-OF-O相同相同3.3.压杆稳定性和临界转速比同长度的压杆稳定性和临界转速比同长度的F-OF-O型高型高4.4.丝杠有热膨胀的余地丝杠有热膨胀的余地5.5.适用于较长的

14、卧式安装丝杠适用于较长的卧式安装丝杠 一端固定一端固定一端游动一端游动(F-S)(F-S) 1. 1.结构简单结构简单2.2.丝杠的轴向刚度比两端固定低丝杠的轴向刚度比两端固定低3.3.丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低4.4.设计时尽量使丝杠受拉伸设计时尽量使丝杠受拉伸5.5.适用于较短和竖直的丝杠适用于较短和竖直的丝杠 一端固定一端固定一端自由一端自由(F-O)(F-O) 支承形式支承形式 简简 图图 特特 点点 工作时：在线圈7作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩；当停机或停电时：7失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与

15、电机轴联接的丝杠得到制动。 hL工作台导轨副数控机床常用导轨形式数控机床常用导轨形式塑料导轨：滑动摩擦滚动导轨：滚动摩擦静压导轨：液体摩擦摩擦系数小（较高的灵敏度），动静摩擦系数之差小（低速平稳性好）滚动导轨块滚动导轨块镶钢导轨镶钢导轨滚动导轨块滚动导轨块上导轨上导轨下导轨下导轨 滚动导轨组件滚动导轨组件结构、形式结构、形式直 线直 线 滚滚 动动 导 轨导 轨弧 形 滚 动 导 轨弧 形 滚 动 导 轨两维直线滚动导轨两维直线滚动导轨直 线 滚 动 导 轨 单 元直 线 滚 动 导 轨 单 元组成结构组成结构 安装组合形式 标准组合 倒装组合 侧装组合之一 侧装组合之二 混装组合 导轨防护专

16、用软式防护罩大型软式防护罩叠层式护罩圆 柱 滚 动 导 轨圆 柱 滚 动 导 轨 塑料导轨的特点塑料导轨的特点摩擦系数较小，0.040.06动静摩擦系数之差小，且摩 擦系数曲线具有上扬特性 刚度高，承载能力强加工工艺简单价格低 应用应用 数控化改造机床、重型数控机床（最高速度：vmax=30 m/min）fv塑料-钢滑动摩擦钢-钢滑动摩擦dtdJTTDDeDeDDmDmmDeiTTdtdnGDTTDDeDeD3752DDn260DeDegJgmRRmgGD44)2(22222112211DmmDDDmmDDDeiJiJJJJJJ22212122DmmDDDeiGDiGDGDGDDmi2DGD2

17、1GD2mGD1Di22211DmmDrrDDDevmiJiJJJ222212122364DmmDrrDDDenvGiGDiGDGDGDmvmmmG 上图LL 2.2.满足伺服驱动要求的总传动比确定满足伺服驱动要求的总传动比确定 (1)开环进给系统的传动计算开环进给系统的传动计算 齿轮副的传动比齿轮副的传动比 式中，式中， 为步进电动机的脉冲当量为步进电动机的脉冲当量 ； 为为 步进电动机的步距角步进电动机的步距角 ； 为为 丝杠导程丝杠导程 。hPu0360hP (2)闭环进给系统的传动计算闭环进给系统的传动计算电动机至工作台的关系为电动机至工作台的关系为 式中式中, 工作台的移动速度（工作

18、台的移动速度（mm/min）, ； n为伺服电为伺服电动机的转速动机的转速(r/min), ； 为脉冲频率为脉冲频率(次次s)； 为丝为丝杠导程杠导程(mm)； 为伺服电动机每转所需的脉冲数。为伺服电动机每转所需的脉冲数。hnPvu vmfn/60fhPmf6022414221214122212121iiiJiJiiJJiiJiJiJJJAAAADCBAL4122121212221211111iiiiJiiiiJAA01iJL0222161iii12214121412iiii6122121)2()2(iii以 .JT J.TT.JLMJJJMJLJJLJ141LMJJ131LMJJ41LMJJDEE 2121NjjjiMiiLvmJJNjjjiMiivmJE12212121221LDJEtvFtTWjNjjiMii11tTWLDjNjjiMii