机电装备设计(4).ppt

1、2.3.4 电伺服传动系统设计 2.3.5 齿轮传动间隙的消除 2.4 微量进给装置设计,本节课内容,2.3.4 电伺服传动系统设计,电伺服传动系统中，执行部件运动是靠脉冲信号来控制。 要求：传动系统动作灵敏，低惯量，定位精度好，运动平稳，高可靠性，低噪声，具有适宜的阻尼比及传动机构无反向间隙。 1、传动速比 对于开环系统，脉冲当量与步进电机的步距角s决定机械传动系统的传动速比i。,对于闭环系统，由驱动电动机的最高转速或转矩与机电 装备要求的最大进给速度或负载转矩决定传动速比i。,设计机电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。,2、最佳总传动速比,伺服

2、动力驱动要克服的负载力矩有两种典型情况。 峰值力矩：电动机最严重的工作情况； 方均根力矩：电动机长期连续地在变载荷下工况的统计量。,折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总速比i的函数。,1）传动系统负载的综合, 峰值力矩特性折算到电动机的负载峰值力矩,式中, 方均根力矩特性折算到电动机轴上的方均根力矩,折算到电动机轴上的负载方均根力矩是总速比i的函数。,包括：负载加速度最大的总速比 等效峰值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）最佳总速比,定义：使传动系统等效负载力矩最小或负载加速度最大的 总速比。（i1),负载加速度最大的总速比,TL和Tf 换算到电动机轴上分别为TL

3、/i和Tf/i，JL换算到电动机轴上为JL/i。,动力学方程为,若令齿轮系的传动效率1，忽略负载转矩TL和摩擦转矩Tf，同时令Jg0，则,上式说明，负载加速度最大的总速比与负载转动惯量有关。, 等效峰值综合负载转矩最小的总速比,上式说明，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。,等效方均根综合负载转矩最小的总速比, 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

4、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。 最佳总速比实现了功率的最佳传递。,3、总速比的分配,伺服系统的总速比较大时，可采用谐波齿轮实现同轴传动；也可采用多级齿轮传动。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链，介绍各级传动速比确定的原则和方法。,1）最小等效转动惯量原则（小功率传动系统）,在小功率伺服系统中，一般负载较小，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,对于n级齿轮系作同类分析可得,例：有i80、n=4的小功率传动系统，按等效转动惯量最小原则分配传动比。,按最小等效转动惯量原则分 配小功

5、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，总等效惯量越小。,2）重量最轻原则（小功率传动系统）,按重量最轻原则，小功率传动的各级传动速比相等。,3）输出轴转角误差最小原则, 为提高齿轮系的传动精度，由输入端到输出端的各级传动速比应按“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，确定总传动速比时，在满足系统的工

6、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。,注意！,2.3.5 齿轮传动间隙的消除,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 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，从而消除齿侧间隙。,2）垫片调整,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

7、轴 向移动，调整两齿轮在轴向的 相对位置即可达到消除齿侧间 隙的目的。,3）双齿轮错齿调整,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。,2、斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除,1）垫片调整 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 隙的关系可由下式出。,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，

8、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，优点是可以自动补偿间隙。,2）轴向压簧调整,3、锥齿轮传动间隙的消除,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，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。,如图所示，锥齿轮1

9、、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，可消除锥齿轮1和2的间隙。,2）轴向压簧调整,4、齿轮齿条传动间隙的消除,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

10、除间隙。当载荷较大时，采用双厚齿轮的传动结构。,2.4 微量进给装置设计,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应满足下列设计要求：,1）精微进给和粗进给分开，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。,最小进给量大于1m的装置： 有蜗杆传动、丝杆螺母、齿轮

11、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； 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。,微量进给装置分类：,2.4.2 机械结构弹性变形微量进给装置,机械结构弹性变形微量进给装置，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

12、弹簧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。,特点：, 微量进给装置分辨率为0.01m； 重复精度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,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

13、： 能够实现高刚度无间隙位移； 能实现极精细的微量位移，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的热点。,1、材料,常用压电材料：,压电原件的串并联,压电陶瓷传感器二维微量进给机构的试验研究,切削实验,在数控车床上对研制的二维微量进给机构进行了实验研 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

14、出采用压电陶瓷传感器二维微量进给机构进行误差补偿能有效 的提高工件的加工精度。,物质在磁场中尺寸会发生变化，这一现象称为磁致伸缩。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)。,2.4.4 稀土超磁致伸缩材料,由于超磁致伸

15、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、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、超磁致伸缩材料的应用,电磁波在液体和固体中衰减很快故无法应用

16、。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、超磁致伸缩材料在磁（电） 声换能器中的应用,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

17、、精密机床的进给系统方面， 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、超磁致伸缩材料在磁（电） 机械致动器中的应用,超磁致伸缩智能传感器是利用超

18、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、超磁致伸缩材料在传感器中的应用,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/机转换效率具有其他材料无法比拟的优 势，如在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床