機電裝備設計6實用教案

1、 對于閉環(huán)系統(tǒng)，由驅動電動機的最高轉速或轉矩與機電裝備要求(yoqi)的最大進給速度或負載轉矩決定傳動速i。mm/min)r/min)maxmaxmaxmax工作臺最大移動速度（電機的最大轉速（式中vnvtnisp 設計機電(jdin)裝備伺服傳動系統(tǒng)時，通過選用最佳傳動速比i實現(xiàn)負載特性的更好匹配或降低轉動慣量。第1頁/共46頁第一頁，共47頁。2、最佳(zu ji)總傳動速比 伺服動力驅動要克服的負載力矩有兩種典型情況(qngkung)。 峰值力矩：電動機最嚴重的工作情況(qngkung)； 方均根力矩：電動機長期連續(xù)地在變載荷下工況的統(tǒng)計量。2222221212121iJJJJJJJJL

2、gmzLLggmmmz第2頁/共46頁第二頁，共47頁。折算到電動機軸上的負載(fzi)峰值力矩是總速比i的函數(shù)。LPLgmfPLPmLPLPmLPmLmmLgmfPLPmLPiiJJJiTiTTiiiJJJiTiTT)(,)(221）傳動系統(tǒng)負載(fzi)的綜合 峰值力矩(l j)特性折算到電動機的負載峰值力矩(l j)第3頁/共46頁第三頁，共47頁。度負載軸上的峰值角加速傳動裝置的效率負載軸上的轉動慣量電機軸上的轉動慣量傳動軸各轉動件折算到電機轉子轉動慣量峰值力矩作用在負載軸上的摩擦力矩作用在負載軸上的峰值電動機到執(zhí)行件的速比LPLgmfPLPJJJTTi式中第4頁/共46頁第四頁，共4

3、7頁。 方均根力矩(l j)特性折算到電動機軸上的方均根力矩(l j)速度負載軸上的方均根角加靜摩擦力矩負載軸上的方均根力矩式中LfLTT折算到電動機軸上的負載方均根力矩是總速比(s b)i的函數(shù)。 2222)()()(LLgmfLmLr iiJJJ iT iTT第5頁/共46頁第五頁，共47頁。包括：負載加速度最大的總速比 等效峰值(fn zh)綜合負載轉矩最小的總速比 等效方均根綜合負載轉矩最小的總速比2）最佳(zu ji)總速比定義：使傳動系統(tǒng)等效(dn xio)負載力矩最小或負載加速度最大的 總速比。（i1)第6頁/共46頁第六頁，共47頁。負載(fzi)加速度最大的總速比TL和Tf

4、換算(hun sun)到電動機軸上分別為TL/i和Tf/i，JL換算(hun sun)到電動機軸上為JL/i。iiJJJiJJJiTTTLLgmmLgmfLm)()()(22動力學方程(fngchng)為LgmfLmLJiJJTTiT2)()(第7頁/共46頁第七頁，共47頁。若令齒輪系的傳動效率1，忽略(hl)負載轉矩TL和摩擦轉矩Tf，同時令Jg0，則aLii總速比，得負載加速度最大的令0/mLaJJi 上式說明(shumng)，負載加速度最大的總速比與負載轉動慣量有關。第8頁/共46頁第八頁，共47頁。 等效峰值(fn zh)綜合負載轉矩最小的總速比LPpgmmiJJT)(21，經整理得

5、代入等效峰值轉矩原式pmLPiiT轉矩最小的總速比，得等效峰值綜合負載令0/ 上式說明(shumng)，在最佳總速比上，電動機的輸出轉矩Tm有一半用于克服負載TL，一半用于電動機的轉子和傳動裝置。LPLgmfPLPmLP iiJJJiTiTT)(2第9頁/共46頁第九頁，共47頁。等效(dn xio)方均根綜合負載轉矩最小的總速比iiTmLr速比綜合負載轉矩最小的總，得等效方均根令0/2222)()()(LLgmfLmLr iiJJJ iT iTT第10頁/共46頁第十頁，共47頁。 當伺服電機與負載通過“折算峰值力矩最小”的總速比進行匹配時，電動機克服負載峰值力矩所消耗的能量就最少； 當伺服

6、電機與負載通過“折算方均根力矩最小”的總速比進行匹配時，電動機克服負載方均根力矩所消耗的能量就最少； 當通過“角加速度最大”的總速比進行匹配時，電動機的輸出轉矩有一半用于加速負載，一半用于加速電機轉子。 最佳(zu ji)總速比實現(xiàn)了功率的最佳(zu ji)傳遞。第11頁/共46頁第十一頁，共47頁。3、總速比(s b)的分配 伺服系統(tǒng)的總速比較大時，可采用諧波齒輪實現(xiàn)同軸傳動(chundng)；也可采用多級齒輪傳動(chundng)。圓柱齒輪機構具有一系列優(yōu)點，應用普遍，針對這種機構組成的多級傳動(chundng)鏈，介紹各級傳動(chundng)速比確定的原則和方法。1）最小等效(dn x

7、io)轉動慣量原則（小功率傳動系統(tǒng)）22213212113243212211)()()()(iiJJiJJJJJZZJJZZJJLLg轉動慣量為算到電動機軸上的等效齒輪系中各轉動慣量折第12頁/共46頁第十二頁，共47頁。 在小功率伺服系統(tǒng)中，一般(ybn)負載較小，特別是總傳動速比較大時,負載轉化到電動機軸上的轉動慣量可忽略不計，則6122121214124141214122121142134112212221321211)2()2(22121, 0/),11 (,iiiiiiiiiiJiiiiJJiJJiJJi iiiiJiJJJJggg時，當?shù)昧睿牒蟮靡阎?，?3頁/共46頁第十三頁

8、，共47頁。對于n級齒輪系作同類(tngli)分析可得例：有i80、n=4的小功率(gngl)傳動系統(tǒng)，按等效轉動慣量最小原則分配傳動比。第14頁/共46頁第十四頁，共47頁。按最小等效轉動慣量原則(yunz)分 配小功率傳動系統(tǒng)的總速比時， 可采用列線圖確定各級傳動比。 按“等效(dn xio)轉動慣量最小原則”確定級數(shù)和各級傳動速比時，由高速級到低速級，各級傳動速比是逐級增加的，即傳動速比的分配次序是“前小后大”原則。而且級數(shù)越多，總等效(dn xio)慣量越小。 第15頁/共46頁第十五頁，共47頁。2）重量(zhngling)最輕原則（小功率傳動系統(tǒng)）按重量最輕原則，小功率(gngl)

9、傳動的各級傳動速比相等。 第16頁/共46頁第十六頁，共47頁。3）輸出軸轉角(zhunjio)誤差最小原則第17頁/共46頁第十七頁，共47頁。 為提高齒輪系的傳動精度，由輸入端到輸出端的各級( j)傳動速比應按“前小后大”次序分配； 使最末一級速比盡可能大，同時提高最末一級齒輪副的精度； 即可減小各齒輪副的加工誤差、安裝誤差、回轉誤差，提高齒輪系統(tǒng)的傳動精度。 設計伺服傳動系統(tǒng)，確定總傳動速比(s b)時，在滿足系統(tǒng)的工作條件和功能要求的同時，綜合考慮上述三個原則及其經濟性，合理分配傳動速比(s b)。注意(zh y)！第18頁/共46頁第十八頁，共47頁。2.3.5 齒輪(chln)傳動

10、間隙的消除 進給系統(tǒng)中的減速齒輪本身有很高的運動精度(jn d)和工作平穩(wěn)性，但還需盡可能消除傳動齒輪副間的傳動間隙。問題：齒側間隙會造成進給系統(tǒng)每次反向運動滯后于指令信號，丟失指令脈沖并產生反向死區(qū)，對傳動精度(jn d)影響很大。 必須采用各種方法去減小或消除齒輪傳動間隙。1、直齒圓柱齒輪傳動間隙的消除(xioch)1）偏心套調整 通過轉動偏心套就能夠方便地調整兩齒輪的中心距，從而消除(xioch)齒側間隙。第19頁/共46頁第十九頁，共47頁。 2）墊片(din pin)調整 將分度圓柱面制成帶有小錐度的圓錐面，使齒輪齒厚在軸向稍有變化，裝配時只需改變墊片3的厚度，使齒輪2作軸向移動，調

11、整兩齒輪在軸向的相對(xingdu)位置即可達到消除齒側間隙的目的。第20頁/共46頁第二十頁，共47頁。3）雙齒輪(chln)錯齒調整 由于彈簧6的作用使齒輪1、2錯位，分別與寬齒輪的齒槽左右側貼緊，消除了齒側間隙。正向或反向旋轉，分別只有(zhyu)一個齒輪承受轉矩，承載能力受到限制，設計時須計算彈簧6的拉力，使它能克服最大轉矩。第21頁/共46頁第二十一頁，共47頁。2、斜齒圓柱齒輪傳動(chundng)間隙的消除1）墊片調整(tiozhng) 斜齒輪1和2間加厚度為t的墊片。用螺母擰緊，使兩齒輪1和2的螺旋線產生錯位，其后兩齒面分別與寬齒輪4的齒面緊貼消除間隙，墊片3的厚度和齒側間隙的

12、關系可由下式出。第22頁/共46頁第二十二頁，共47頁。 斜齒輪1和2用鍵滑套在軸上，相互間無相對轉動。斜齒輪1和2同時與寬齒輪5嚙合，螺母3調節(jié)蝶形彈簧4，使齒輪1和2的齒側分別貼緊寬齒輪5的齒槽左右兩側，消除了間隙。 彈簧壓力的調整大小應適當，壓力過小則起不到消隙的作用，壓力過大會使齒輪磨損加快，縮短使用壽命。齒輪內孔有較長的導向長度，軸向尺寸較大，結構不緊湊，優(yōu)點(yudin)是可以自動補償間隙。2）軸向壓簧調整(tiozhng)第23頁/共46頁第二十三頁，共47頁。3、錐齒輪傳動(chundng)間隙的消除1）周向壓簧調整 將大錐齒輪加工成1和2兩部分，齒輪的外圈1開有三個圓弧槽8，

13、內圈2的端面帶有三個凸爪4，套裝在圓弧槽內。彈簧6的兩瑞分別(fnbi)頂在凸爪4和鑲塊7上，使內外齒圈1、2的錐齒錯位與小錐齒輪嚙合達到消除間隙的作用。螺釘5將內外齒圈相對固定是為了安裝方便，安裝完畢后即刻卸去。第24頁/共46頁第二十四頁，共47頁。 如圖所示，錐齒輪1、2相 互嚙合。在錐齒輪1的軸5上裝有壓簧3，用螺母4調整壓簧3的彈力。錐齒輪1在彈力作用下沿軸向移動(ydng)，可消除錐齒輪1和2的間隙。2）軸向壓簧調整(tiozhng)第25頁/共46頁第二十五頁，共47頁。4、齒輪齒條傳動間隙(jin x)的消除 進給運動由軸1輸入，通過兩對斜齒輪將運動傳給軸2和軸5，由兩個直齒輪

14、3和4去傳動齒條，帶動工作臺移動。軸1上兩個斜齒輪的螺旋線的方向相反。在軸1上作用一個軸向力F，彈簧(tnhung)力使斜齒輪產生微量的軸向移動。軸2和軸5以相反的方向轉過一個角度，使直齒輪3和4分別與齒條兩齒面貼緊，消除了間隙。 工作(gngzu)行程大的大型數(shù)控機床，采用齒輪齒條傳動來實現(xiàn)進給運動。當載荷較小，齒輪齒條可采用雙片薄齒輪錯齒調整，分別與齒條的齒槽左、右二側貼緊來消除間隙。當載荷較大時，采用雙厚齒輪的傳動結構。第26頁/共46頁第二十六頁，共47頁。2.4 微量進給裝置(zhungzh)設計 2.4.1 設計要求 高精度微量進給裝置是超精密機床的一個關鍵裝置。目前高精度微量進給

15、裝置達到0.001 0.010 m分辨率，對實現(xiàn)超薄切削、實現(xiàn)高精度加工和實現(xiàn)在線誤差補償十分有用。 精密和超精密微位移機構(jgu)應滿足下列設計要求： 1）精微(jngwi)進給和粗進給分開，以提高微位移的精度、分辨和穩(wěn)定性；2）運動部分必須是低摩擦，以實現(xiàn)高的重復精度；3）刀具處必須足夠高的剛度；4）微量進給機構應具有好的動特性，即具有高的頻響；5）微量進給機構應能實現(xiàn)微進給的自動控制。第27頁/共46頁第二十七頁，共47頁。最小進給量大于1m的裝置：有蝸桿傳動、絲桿螺母、齒輪齒條傳動、液壓傳動等，適用于大行程，進給量、進給速度變化范圍寬的機床；最小進給量小于1m的進給裝置： 彈性變形式

16、； 熱變形式； 流體膜變形式； 磁致伸縮式； 電致伸縮式。 上述都是利用材料的物理性能實現(xiàn)微進給。 五種類型中，僅有彈性變形式和電致伸縮式微量進給機構較適用和成熟。尤其是電致伸縮微量進給裝置，可進行(jnxng)自動控制，有較好的動態(tài)特性，可用于誤差在線補償。 微量進給裝置(zhungzh)分類：第28頁/共46頁第二十八頁，共47頁。2.4.2 機械結構(jigu)彈性變形微量進給裝置 機械結構彈性變形微量進給裝置(zhungzh)，工作穩(wěn)定可靠，精度重復性好，在手動操作時很適用。 圖中為雙T形彈性(tnxng)變形微進給裝置。當驅動螺釘前進時，T形彈簧1變直伸長，因B端固定，C端壓向T形彈

17、簧2。T形彈簧2的D端固定，推動E端可位移刀夾作微位移前進。第29頁/共46頁第二十九頁，共47頁。特點(tdin)： 微量進給裝置分辨率為0.01m； 重復(chngf)精度0.02m； 最大輸出位移是20m； 輸出位移方向的靜剛度為70 N/m。 實際切削剛度足夠。 實現(xiàn)自動微量進給和進給裝置有較好動特性時，目前(mqin)都采用壓電或電致伸縮微量進給裝置。電致伸縮傳感器、微量進給裝置的機械結構和驅動電源是電致伸縮微量進給裝置的三大關鍵技術。2.4.3 壓電和電致伸縮傳感器微量進給裝置第30頁/共46頁第三十頁，共47頁。電致伸縮陶瓷有逆壓電效應和電致伸縮效應，是電介質在電場作用下產生變形

18、的基本電耦合效應。 電致伸縮效應的變形量與電場強度的平方成正比。 電致伸縮傳感器微量進給機構的優(yōu)點： 能夠實現(xiàn)(shxin)高剛度無間隙位移； 能實現(xiàn)(shxin)極精細的微量位移，分辨率可達1.02.5nm； 變形系數(shù)較大； 有很高的響應頻率，其響應時間達100S； 無空耗電流發(fā)熱問題。電致伸縮陶瓷微量進給機構是國內外研究(ynji)的熱點。 1、材料(cilio)第31頁/共46頁第三十一頁，共47頁。常用(chn yn)壓電材料：第32頁/共46頁第三十二頁，共47頁。第33頁/共46頁第三十三頁，共47頁。壓電原件(yun jin)的串并聯(lián)第34頁/共46頁第三十四頁，共47頁。壓電陶

19、瓷傳感器二維微量進給機構(jgu)的試驗研究第35頁/共46頁第三十五頁，共47頁。切削(qixio)實驗 在數(shù)控車床上對研制的二維微量進給機構(jgu)進行了實驗研究。實驗中加工一個長度100mm、大端直徑50mm 和錐度10的棒料,工件材料是鋁,車床轉速為600r/ min。在同樣的切削條件下，對采用補償和不采用補償?shù)那闆r進行了試驗,并用圓度儀測試了這兩種情況下加工出來工件的圓度。從圖中可以看出采用壓電陶瓷傳感器二維微量進給機構(jgu)進行誤差補償能有效的提高工件的加工精度。第36頁/共46頁第三十六頁，共47頁。第37頁/共46頁第三十七頁，共47頁。 物質在磁場中尺寸會發(fā)生變化，這一

20、現(xiàn)象稱為磁致伸縮。磁致伸縮效應是1842 年由焦耳發(fā)現(xiàn)的，又稱為焦耳效應。 傳統(tǒng)的磁致伸縮材料有鐵、鎳等，其磁致伸縮系數(shù)均很小，如鐵為 ，鎳為 。發(fā)現(xiàn) 具有(jyu)很好的磁致伸縮性能和低磁晶各向異性。并發(fā)現(xiàn)該材料制備成單晶或晶粒取向的多晶后在壓應力作用下在低磁場中磁致伸縮系數(shù)大大提高，這種材料的磁致伸縮系數(shù)為 ，為傳統(tǒng)磁致伸縮材料的幾十倍到上百倍，稱為超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material， 簡稱GMM)。m/m21 2.4.4 稀土超磁致伸縮(shn su)材料m/m46 21FeDyTbxxmm/20001500第38頁/共46頁第三十八頁，共47

21、頁。 由于超磁致伸縮材料應變值高、能量密度大、響應快、精度高、頻帶寬且具有智能響應，它的應用使得電（磁） 機械（聲） 轉換產品產生了巨大的突破性進展。 應用于軍事和海洋工程的水聲聲納顯示出目前世界上最好的性能； 用于飛機機翼控制可使反映靈敏度、可靠性大幅度提高； 在高精密度控制方面的應用，如超精密機床、機器人、主動減振系統(tǒng)、線性馬達、高速閥門(f mn)、伺服閥、汽車燃油電噴閥、超聲清洗、打孔、破碎、超聲醫(yī)療器具、各種精密儀器、計算機光盤驅動器、打印機等； 在民用應用領域有：照相機快門、編織驅動器、助聽器、高保真喇叭、超聲洗衣機、家用機器人等。1、超磁致伸縮(shn su)材料的應用第39頁/

22、共46頁第三十九頁，共47頁。 電磁波在液體和固體中衰減很快故無法應用。聲信號在液體和固體中衰減較小，因而廣泛用于液體與固體中的探測、通信、偵察(zhnch)等。在水中發(fā)射聲信號的器件稱為水聲換能器，是聲納的核心部分。水聲換能器發(fā)射的聲波頻率越低，聲信號在水中的衰減就越小，傳送的距離越遠，同時頻率低受潛艇涂層噪音的干擾也較小。為了提高聲信號的分辨率，還要求換能器具有較寬的頻帶響應和多指向性。由于超磁致伸縮材料具有應變大、低頻響應好、頻帶寬等特點，是制作大功率、低頻、寬頻帶水聲換能器的理想材料，因而超磁致伸縮材料的最早應用是作為水聲換能器的核心材料。2、超磁致伸縮(shn su)材料在磁（電）

23、聲換能器中的應用第40頁/共46頁第四十頁，共47頁。其電-機轉換效率具有其它材料無法比擬的優(yōu)勢，在精密閥門、精密流量控制、數(shù)控機床(jchung)、精密機床(jchung)的進給系統(tǒng)方面，用精密致動器，位移精確度可達到納米級，響應速度快，輸出力大，設計簡單。 采用超磁致伸縮棒可制成驅動元件的燃料注入閥，它由超磁致伸縮棒、驅動線圈、閥殼、預應力彈簧、燃料管、法蘭盤、燃料注入管、噴嘴等組成。燃料注入閥由一根具有負磁致伸縮系數(shù)的棒去打開閥針，當驅動線圈中的電流為零時，燃料注入閥中的閥針將燃料流關閉；當驅動線圈中通有電流時，燃料注入閥中的閥針打開允許燃料流通過。這種燃料注入閥可實現(xiàn)對燃料的精密、瞬時

24、控制，使燃料充分燃燒，減少污染它在汽車和飛機等內燃機中已得到應用。3、超磁致伸縮(shn su)材料在磁（電） 機械致動器中的應用第41頁/共46頁第四十一頁，共47頁。 超磁致伸縮智能傳感器是利用超磁致伸縮材料的壓磁特性：當對其施加外力作用時，所形成的磁場將發(fā)生相應的變化。由于該材料的高抗壓強度、高應變、高反應速度等使得采用該材料研制的沖擊、振動、加速度、壓力等傳感器與同類傳感器相比有大載荷、高強度、高靈敏度等特點，適于在各種惡劣環(huán)境下工作，信號處理簡單方便，體積小、穩(wěn)定性高。 采用(ciyng)超磁致伸縮材料作為換能元件，制造磁致伸縮泵、磁致伸縮轉動馬達等新型器件。4、超磁致伸縮材料(cilio)在傳感器中的應用第42頁/共46頁第四十二頁，共47頁。 傳統(tǒng)的電致伸縮致動器，伸縮量小、輸出力小、反應慢，須高電壓驅動、設計復雜、存在極化失效問題，可靠性差，不能滿足高新技術迅速(xn s)發(fā)展的需要。 而超磁致伸縮精密致動器不僅能克服上述電磁致伸縮致動器的缺點，而且其電/機