机械系统部件的选择与设计要求(PPT53张)

1) 低摩擦 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件， 如采用滚珠丝杠副，滚动导向支承、动（静）压导向支承；
2) 缩短传动链（如电机与丝杠螺母副直接连接，以减少 中间传动机构等），提高传动与支承刚度（预紧的方法）；
3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效 到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能 力；
滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速运动稳定性差；滚 动摩擦导轨和静压摩擦导轨无爬行，但有微小超程；摩擦力与 传动部件的弹性变形产生位置误差，运动反向时，位置误差形 成反转误差（回差）。
（5）阻尼
机械部件振动时，机构材料内摩擦、运动副如导轨的摩 擦阻尼等。实际的摩擦阻尼一般简化为粘性摩擦的线性阻尼， 精确分析系统动力学时可用非线性阻尼特性。
机电一体化系统设计
——郭世伟
第二章 机械系统部件的选择与设计
一、机械系统部件的设计要求
1、机械传动系统的分析与特性
传统机械一般由动力件、传动件和执行件组成。信息控 制等因素的引入，使作为动力源的传统电机转换为具有动力、 变速和执行等多功能的伺服电机，其变速功能可在很大程度上 代替机械传动中的“调速装置”，取代了几个执行件之间的传 动联系，大大减少了传动件的数目，缩短了传动链，简化了机 构，使动力件、传动件与执行件朝着合为一体的最小系统进行。 典型如控制电机对负载的“直接驱动”等。
阻尼对弹性系统的振动特性的影响：黏性阻尼摩擦越大， 系统的稳态误差增加，精度降低；粘性阻尼大，可减小振幅和 衰减振动。
（5）间隙
机械传动系统中，间隙的存在会产生反转回差，增加轮廓误 差，影响伺服系统的稳定性。间隙类型有：
齿轮传动的齿侧间隙，丝杠螺母的传动间隙，
丝杠轴承的轴向间隙，联轴器的扭转间隙等。
（1）转动惯量 大的转动惯量会使机械系统的负载增加，反 应灵敏度降低，系统固有频率下降而容易产生谐振，也使电气 驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。各种传动部件的等效 转动惯量的计算。
（2）刚度 有构件基本变形的刚度和两接触面的接触刚度。 静刚度和动刚度。系统刚度越大：伺服系统的失动量（传动死 区）越小；系统固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产 生共振；增加闭环系统的稳定性等。
对工作机中的传动机构，要求实现运动和动力的变换， 对信息机中的传动机构，主要是运动的变换功能。
常用机械传动部件及其运动、动力变换功能列表如下：
（二）丝杠螺母传动机构
1、基本传动形式 丝杠螺母机构为螺旋传动机构，主要实现旋转运动与直
线运动间的相互变换，应用于能量传递（传力螺旋）、运动传 递（传动螺旋）和零件相对位置的调整（调整螺旋）等。
齿轮传动的齿侧间隙的消除，有：
a. 刚性消隙法，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但可提高传动 刚度。如调整两齿轮的中心距来消除齿侧间隙；锥度齿轮轴 向位移来消隙；斜齿圆柱齿轮消隙等。
b. 柔性消隙法，调整后齿侧间隙可以自动补偿，对齿轮的齿厚、 齿距精度要求可下降，但会影响传动平稳性，且传动刚度低， 结构较复杂。如有双齿轮错齿式消隙机构，碟形弹簧消隙机 构等。
机电一体化系统中的机械传动装置，不仅是转矩和转速 的变换器，而是成为伺服系统的组成部分，要根据伺服控制的 要求进行选择设计。
影响传动链的动力学性能的因素一般有：负载的变化， 传动链惯性，传动链的固有频率，间隙、摩擦、润滑和温度变 化等。
机电一体化机械系统要求机械传动部件满足转动惯量小、 摩擦小、刚度大、振动特性好、阻尼合理、间隙小，还要求机 械系统的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配等。
（3）谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计 阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振 频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系 统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。
还有电气驱动部件的谐振频率。
（4）摩擦 摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。
实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很 大的不同。
4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的 措施； 5) 提高刚度 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振 动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。
这些措施反映了机电一体化系统设计的基本点。
二、机械传动部件的选择与设计
机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上 是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在 转矩与转速方面得到最佳匹配。
（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件
机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传 动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重 要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度 高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
具体讲有三个方面： 1) 精密化—要适应产品的高定位精度等性能的要求，对
机械传动机构的精密度要求也越来越高。 2) 高速化—产品工作效率的高低，直接与机械传动部件
的运动速度相关。因此，机械传动机构应能适应高速运动的要 求。
3) 小型化、轻量化—机电一体化系统(或产品)精密化、高 速化的发展，必然要求其传动机构的小型、轻量化，以提高运 动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为与微电子部 件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短、小、 轻、薄化。
c.
丝杠螺母间隙的调整：
2、机械系统部件的设计要求
与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统 的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要 快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：
根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式 有四种类型：
（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。
分别见图a、b、c、d
丝杠螺母机构的基本传动形式
差动传动方式，多用于微动机构中。
2、滚珠丝杠副
丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。