机电一体化系统设计复习资料.pptx
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1、物质、能量和信息(即工业三大要素)机电一体化系统须具有以下三大“目的功能”:变换(加工、处理)功能、传递(移动、输送)功能和储存(保持、积累、记录)功能。机电一体化机电一体化的外文名词是 MechatronicsMechatronics,来源于日本(70年代)。取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics(电子学)的后半部拼合而成。我国通常称为机电一体化或机械电子学;第1页/共61页思考题:1.1.机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能?2.2.工业三大要素指的是什么?机电一体化设计的目
2、标是哪些?工业三大要素指的是什么?机电一体化设计的目标是哪些?3.3.机电一体化的接口功能有哪些?根据不同的接口功能试说明机电一体化的接口功能有哪些?根据不同的接口功能试说明接口的种类接口的种类。4.4.说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。5.5.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同?第2页/共61页二、机械系统部件的选择与设计机械系统部件的选择与设计 目的:通过本章的学习,把已学过的一些机械设计的初步知识运用到系统中,并进一步学习一些典型的机械结构设计方法。重点:突出在机电一体化系统中常用的机械传动装
3、置的设计和选用,以及主要机械结构如主轴组件、导轨、支承件在设计时应注意的问题。难点:常用的传动装置如滚珠丝杠副、同步齿轮带等的选择及设计计算。技巧注意事项:因为该部分内容与所学过的机械设计课程联系紧密,学生必要时应该复习以前内容。第3页/共61页2.2 传动部件的选择与设计常用传动部件常用传动部件:螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动,及:螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动,及各种凸轮、连杆其它其它非线性非线性传动元件。传动元件。其主要功能是传递转矩和转速。因此,它实质上是一种转矩、转速变换器。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。第4页/共61页(2)滚珠
4、的循环方式滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环:滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。外循环:滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不同,外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。第5页/共61页五、轴向间隙的调整 轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时,丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外,在施加轴向载荷之后,轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时,间隙会使运动产生空程,从而影响机构的传动精度。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙,提高刚度。常用调整结构形式:垫片
5、调隙式 螺纹调隙式 齿差调隙式 变位螺距调隙式(不常用)当螺旋机构中存在间隙,若螺杆的转动方向改变,螺母不能立即产生反向运动,只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运动,这种现象称为空回。轴向间隙包括两部分第6页/共61页 “齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器器”一、齿轮传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统,主要是研究它的动力学特性。2.2.4 齿轮传动 1.最佳总传动比 由于负载特性和工作条件的不同,最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使负载加速度最大的方法。第7页/共61页二、齿轮传动间隙的调整方
6、法(1)圆柱齿轮传动 (a)偏心套(轴)调整法 如右图所示,将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上,并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上,通过转动偏心套(偏心轴)的转角,就可调节两啮合齿轮的中心距,从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单,但其侧隙不能自动补偿。2.2.4 齿轮传动1偏心套2电动机3减速箱4和5减速齿轮 齿轮啮合间隙会造成传动死区,若死区在闭环系统中,则可能造成系统不稳定,常会使得系统产生以15倍的间隙而进行的低频振荡。为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高的齿轮传动副。但为了降低制造成本,则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除或减小啮合间隙,以提高传动精度和系
7、统的稳定性。第8页/共61页(b)轴向垫片调整法 如右图所示,齿轮1和2相啮合,其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度,这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动,从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小,运转 又 灵 活。特 点 同 偏 心 套(轴)调整法。2.2.4 齿轮传动1 1、2-2-齿轮齿轮 3-3-垫片垫片第9页/共61页(c)双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮,另一个用两片可相对转动的薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧,以消除齿侧间隙,反向时不会出现死区。
8、具体措施有:(1)周向弹簧式 (2)可调拉簧式 2.2.4 齿轮传动第10页/共61页小结:齿轮传动传动链的级数和级比的选择 总原则:尽量采用较大传动比的单级传动配置传动比的目的:满足驱动元件与负载之间的位移位移、速度速度、加速度加速度、传动精度传动精度(误差)(误差)相互匹配的基本要求。多级传动时,遵循如下的原则:1、最小等效转动惯量原则 传动比 i 的分配先小后大,级数越多等效转动惯量越小,但级数太多时,结构复杂化,并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大,并且提高末一级齿轮副的精度,使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时,i 的分配各级
9、相等;大功率传动时,i 的分配先大后小。对数减少传动精度提高第11页/共61页三、三、谐波齿轮传动谐波齿轮传动1、谐波齿轮传动原理 利用行星轮系传动原理,波发生器转动,迫使柔性齿轮产生可控制的变形波(近似谐波),并和刚轮作用引起齿间相对位移,传递运动和动力。由三个基本构件组成:波发生器、柔轮、刚轮,其实质是一种新型减速器。波发生器是行星轮系的转臂刚轮是中心轮柔轮是行星轮第12页/共61页2.2.6 间歇传动部件间歇传动部件 在机械和仪表中,常常需要原在机械和仪表中,常常需要原动件作连续运动,而从动件则产生周动件作连续运动,而从动件则产生周期性时动时停的间歇运动,实现这种期性时动时停的间歇运动,
10、实现这种间歇运动的机构称为间歇运动的机构称为间歇运动机构间歇运动机构。常见的间歇传动部件有:棘轮传棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件第13页/共61页2.4.1导向支承部件导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副,简称导轨。导轨副主要由承导件1和运动件2两部分组成,如图2-20所示。运动方向为直线的被称为直线导轨副,为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多,按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。图2-20 导轨副的组成1承导件 2运动件第14页/共61页 机电一体化
11、系统和计算机外围设备等的精度和运动速度都比较高,因此,其导轨应具有较好的灵活性和平稳性,工作时应轻便省力,速度均匀,低速运动或微量位移时不出现爬行现象;高速运动时应无振动。在低速运行时(如0.05mmmin),往往不是作连续的匀速运动而是时走时停(即爬行)。其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。运动的灵活性和低速运动的平稳性第15页/共61页导轨的爬行现象机理(弹簧-阻尼系统)传动系统2带动运动件3在静导轨4上运动时,作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时,静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段,动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低,直到相对速度增大到某一临界值,
12、动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。由此来分析下图所示的运动系统是:匀速运动的主动件1,通过压缩弹簧推动静止的运动件3,当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时,3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时,3才开始运动,动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小,3的速度相应增大,同时弹簧相应伸长,作用在3上的弹簧力逐渐减小,3产生负加速度,速度降低,动摩擦力相应增大,速度逐渐下降,直到3停止运动,主动件l 这时再重新压缩弹簧,爬行现象进入下一个周期。弹簧弹簧-阻尼系统图阻尼系统图1-1-主动件;2-2-弹簧-阻尼;3-3-运动件;4-4-静导轨第16页/共61页 为防止爬行现象的出现,可同时采取
13、以下几项措施:采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等;在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油;用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。防止爬行现象采取以防止爬行现象采取以下几项措施下几项措施第17页/共61页习题与思考题习题与思考题 2-1设计机械传动部件时,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性,常提出哪些要求?2-2机电一体化系统传动机构的作用是什么?2-3机电一体化系统(产品)对传动机构基本要求是什么?2-4简述丝杠螺母机构的分类及其特点。2-5丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么?2-6丝杠螺母副的组成要素有哪些?2-7滚珠丝杠副的传
14、动特点有哪些?2-8珠丝杠副的典型结构类型有哪些?各有何特点?2-9滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些?2-10现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠,其基本导程为6mm、一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98,当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时,试问:两个螺母之间相对移动了多大距离。=(1/z1-1/z2)*ph*n2-11简述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义。第18页/共61页2-13 简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。2-15 齿轮传动部件的作用有哪些?2-16 各级传动比的分配原则是什么?输出轴转角误差最小原则是什么?2-17 已知:4级齿轮传动系统,各齿轮的转
15、角误差为0.005rad,各级减速比相同,即1.5,求:(1)该传动系统的最大转角误差;(2)为缩小其最大转角误差,应采取何种措施?2-18 谐波齿轮传动有何特点?传动比的计算方法是什么?2-19 设有一谐波齿轮减速器,其减速比为100,柔轮齿数为100。当刚轮固定时,试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向(与输入轴的转向相比较)。2-20 齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些?2-21 简述导轨的主要作用,导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。2-22 导轨的截面形状及其特点是什么?2-23 简述旋转支承的种类及其基本要求。2-25 轴系部件设计的基本要求有哪些?第19页/共61页三、传
16、感检测系统的选择与设计 目的:了解并会选用在机电一体化系统中常用的一些传感元件。重点:掌握传感器的各种类型、测量精度、范围、基本的结构以及连接方式等。难点:各类传感器的输入输出信号处理技术和测试技术基本知识的运用。第20页/共61页3.1传感器的组成和分类3.1.1传感器的组成通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。图3-1传感器的组成(1)敏感元件:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系(最好为线性)。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。(2)转换元件:将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号(如电阻、电感
17、、电容等)形式。(3)基本转换电路:将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。第21页/共61页表表3.2传感器的技术指标传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标量程指标:量程范围、过载能力等量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗程输出、输入输出阻抗等等精度有关指标精度有关指标:精度、误差、线性、滞精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误后、重复性、灵敏度误差、稳定性等差、稳定性等动态性能指标动态性能指标:固有频率、阻尼比、时固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、间常数、频率响应范围、频率
18、特性、临界频率、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等过冲量、稳态误差等温度指标温度指标:工作温度范围、工作温度范围、温度误差、温度温度误差、温度漂移、温度系数、漂移、温度系数、热滞后等热滞后等抗冲振指标抗冲振指标:允许各向抗冲振允许各向抗冲振的频率、振幅及的频率、振幅及加速度、冲振所加速度、冲振所引入的误差等引入的误差等其它环境参数其它环境参数:抗潮湿、抗介质抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电腐蚀能力、抗电磁干扰能力等磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标使用有关指标:供电方式供电方式(直流、直流、交流、
19、频率及波形交流、频率及波形等等)、功率、各项、功率、各项分布参数值、电压分布参数值、电压范围与稳定度等范围与稳定度等结构方面指标结构方面指标:外形尺寸、重量、外形尺寸、重量、壳体材质、结构特壳体材质、结构特点等点等安装连接方面指安装连接方面指标标:安装方式、馈线安装方式、馈线电缆等电缆等第22页/共61页 传感器标定是指利用较高等级的标准器具(或仪器、仪表)对传感器的特性进行刻度,或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时,也确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定分静态标定和动态标定:1.感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标,如线性度、灵敏度、精度、迟滞
20、性和重复性等。2.传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数,如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。3.1.5传感器的标定第23页/共61页3.2 线位移检测传感器3.2.1 光栅位移传感器3.2.2 感应同步器3.2.3 磁栅位移传感器第24页/共61页一、光栅的构造光栅传感器由光源、透镜、光栅副(主光栅,也称标尺光栅和指示光栅)和光电接收元件组成。第25页/共61页莫尔条纹(莫尔条纹(MoireMoire)条纹宽度:W-栅距,a-线宽,b-缝宽W=a+b,a=b=W/2均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第26页/共61页3 莫尔条纹技术的特点方向性:
21、垂直于角平分线,当夹角很小时 与光栅移动方向垂直同步性:光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距方向对应放大性:夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度可调性:夹角 条纹间距B 灵活准确性:大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度 第27页/共61页莫尔条纹与标尺光栅移动方向的关系标尺光栅相对标尺光栅相对指示光栅的转指示光栅的转角方向角方向标尺光栅移动标尺光栅移动方向方向莫尔条纹移动莫尔条纹移动方向方向顺时针方向顺时针方向向左向左向上向上向右向右向下向下逆时针方向逆时针方向向左向左向下向下向右向右向上向上第28页/共61页细分技术提高分辨力方法:在选择合适的光栅栅距的前提下,用内插法把莫
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