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机电一体化中机械系统部件的选择与设计
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机电一体化中机械系统部件的选择与设计
2.1概述 2.2传动机构 2.3导向及支撑结构 2.4机械执行机构
与一般机械系统比较，机电一体化机械系统的要求：
① 定位精度要高
② 响应速度要快
③ 稳定性高
常常提出：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比
机电一体化机械系统的三大结构
① 传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性
② 导向机构：考虑低速爬行现象
③ 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性
2.2传动机构
1、传动机构的种类：
齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构
2、传动机构的特点：
传动精度要高、 响应速度要快、稳定性高
3、传动机构的基本要求：
① 在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（T电=T负+Jε）；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低P20。
② 刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机器的固有频率越高，不易振动( )；刚度越大，闭环系统的稳定性越高。
③ 机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，增大稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。
④ 静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现爬行。
4、摩擦
摩擦力可分为三种：
静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力+粘性摩擦力）。
负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数F=μmg，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。
摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。
根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为0.2TK＜Tf＜0.3 TK
爬行就产生在这非线形区。
在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值；并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 。
5、爬行
当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会出现—快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行。
1）产生爬行的原因和过程
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1这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。
由上述分析可知，低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：
① 静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。
② 进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。
③ 运动速度太低。
2）不发生爬行的临界速度
临界速度可按下式进行估算
（m/s）
式中 ΔF-----静、动摩擦力之差（N）；
K------传动系统的刚度（N／m）；
ξ------阻尼比；
m------从动件的质量（kg）。
以下两种观点有利于降低临界速度：
适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。
3）消除爬行现象的途径（实际做法）
① 提高传动系统的刚度
a．在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。如适当的加粗传动丝杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。
b．尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。
c．合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。
d．对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。
② 减少摩擦力的变化
a．用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。
b．选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。
c．降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。
d．提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化。
6、阻尼
在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5 ~ 0.8之间。
7．刚度
采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度。
对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：
（1）可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度；
（2）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性；
（3）可以增加闭环控制系统的稳定性。
8．谐振频率
对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部件的固有频率。
对于机械传动系统，它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。
一般要求机械传动系统最低固有频率WOI≥300rad／s，其他机械系统WOI≥600rad／s。
9．间隙
对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定性无影响，但影响到伺服精度。
对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。
转动惯量的计算： （单位：kg·m2） (1) 圆柱体转动惯量 (2) 直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量
2.2.4齿轮传动副 齿轮总传动比的设计原则: 工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均方根力矩最小；电机驱动负载加速度最大三种方法计算。 重点介绍负载加速度最大原则: 上式表明：齿轮系传动比的最佳值就是，JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。
总传动比分配 (1)最小等效转动惯量原则 (2)重量最轻原则 (3)输出轴转角误差最小原则
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