機電一體化論文.doc

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機械傳動技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展 摘要：在當今社會，機電一體化設備越來越多的進入了我們的生活之中，極大的豐富了我們的生活，給我們的日常生活帶來的極大的便利。現(xiàn)如今，純機械設備已經(jīng)難覓蹤跡，各種機電一體化設備一家獨大，但是這并不代表著傳統(tǒng)機械傳動從此退出歷史舞臺，各種機械傳動機構(gòu)仍然在機械設備中有著極大的應用。成為機電一體化設備設計中的中流砥柱。 關(guān)鍵詞：機械傳動，機電一體化，應用。 正文：科學技術(shù)的發(fā)展總是沒有盡頭，各個學科的發(fā)展都方興未艾，不僅僅是新興的計算機技術(shù)，就連古老的機械技術(shù)也越來越多的添加了新鮮的元素。如今電力技術(shù)的迅速發(fā)展，在一定程度上促進了機械學科的進步，越來越多的機電一體化設備橫空出世，有可上九天攬月的月球車，還有下五洋捉鱉的水下機器人，還有如今正值研究熱門的智能機器人。這些成果的發(fā)展固然離不開電子和信息工業(yè)的迅速發(fā)展，同樣機械傳動技術(shù)也在其中扮演了十分重要的角色，而其中最基本的機械傳動仍然發(fā)揮著重要作用。 首先機電一體化系統(tǒng)中的機械傳動機構(gòu)必須要有以下幾點性質(zhì)。 一，高精度：精度直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能，工藝水平和功能比普通的機械產(chǎn)品都有很大的提高，因此，機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要要求。 二，快速響應：即要求機械系統(tǒng)從指令到開始執(zhí)行指令指定的任務之間的時間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時根據(jù)機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，下達指令，使其準確的完成任務。 三，良好的穩(wěn)定性：即要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界影響，抗干擾能力強。 其次，機電一體化設備中的機械傳動機構(gòu)主要有以下幾類。 機電一體化系統(tǒng)中，用于傳遞執(zhí)行裝置的能量，改變運動方向，速度和轉(zhuǎn)矩的機構(gòu)，主要有帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動，和滾珠絲杠等。 同步帶傳動：同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈條傳動的優(yōu)點的一種新型傳動。在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒和輪齒嚙合傳動來傳遞運動和動力。為保證帶和帶輪做無滑差的同步傳動，其齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，以保證節(jié)距不變。與一般傳送帶相比較，同步帶傳動具有以下優(yōu)點：1，傳動比準確，傳動效率高。2，工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，無噪聲，能吸收振動。3，能高速運動，線速度可以達40-80m/s。4，不需要潤滑，耐油，耐高溫，耐蝕，維護保養(yǎng)方便。5，制造工藝復雜，成本高于一般帶傳動，中心距要求嚴格，安裝精度要求較高。同步帶傳動帶輪齒形主要有梯形齒輪和圓弧齒輪。我國有關(guān)同步帶傳動部件的國家標準已經(jīng)頒布實施，并非專門生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，可供選用。一般重工業(yè)用同步帶傳動，主要應用在中、小、功率的同步傳動中，如精密儀器、計算機外設、輕工機械等各類產(chǎn)品；而大轉(zhuǎn)矩同步帶傳動，主要用于重型機械的傳動中，如運輸機械，石油機械，發(fā)電機等。綜合來看同步帶傳動具有普通帶傳動所不可比擬的優(yōu)點，它能實現(xiàn)定比傳動，不會發(fā)生彈性滑動的現(xiàn)象。相比于普通帶傳動，其壽命和穩(wěn)定性都更勝一籌。所以不失為為機電一體化設備量身定做的機械傳動類型。 齒輪傳動：齒輪傳動是機電一體化系統(tǒng)中使用最多的一種傳動，具有工作可靠，傳動比恒定，結(jié)構(gòu)緊湊，強度大，能承受重載，摩擦力小，效率高等特點。 1，齒輪的種類和應用：作為機械行業(yè)的象征性標志，按照齒輪軸線的相對位置關(guān)系，有平行軸的直齒輪和斜齒輪，相交軸圓錐齒輪，交錯軸的蝸輪蝸桿和螺旋齒輪，同心軸的行星齒輪及人字齒條，齒輪齒條等。選擇傳動形式時，根據(jù)傳動軸的不同特點，可選用不同的齒輪系組成傳動機構(gòu)。用于平行軸之間的傳遞運動的正齒輪易于設計制造，成本低，使用最為廣泛。斜齒輪可用于高速，重載，要求噪聲低的場合，但斜齒輪存在較大的軸向推力。人字齒輪則由于左右齒推力平衡而不產(chǎn)生軸向推力，其中一個齒輪的安裝應有一定軸向間隙，以便安裝。相交軸傳動中直齒圓錐齒輪為線接觸，傳動效率較高。交錯軸斜齒輪有滑動作用，傳動效率低，同時為點接觸只能承受輕載。行星齒輪尺寸小，重量輕，效率高。能傳遞較大的功率，但是結(jié)構(gòu)復雜。蝸桿副也可以看做一種特殊的齒輪，用于傳遞空間垂直交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動，蝸桿為傳動副的主動構(gòu)件，蝸桿為從動構(gòu)件。蝸桿副為線接觸，可以傳遞大功率，傳動比大。蝸桿有1-8個頭，優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，噪聲少，可自鎖，但是傳動效率低，且功率損失大，齒輪齒條用在將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線往復運動場合，如多關(guān)節(jié)機器人的手爪張開和抓緊機構(gòu)。機械手由汽缸驅(qū)動，汽缸直線運動直接驅(qū)動機械手的一個爪向前或者向后運動，由齒條與齒帶帶動另一個爪向前或者向后運動。 為了提高機電一體化系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性，設計師們設計開發(fā)出了諧波齒輪傳動。諧波齒輪傳動是隨著空間科學，宇航尖端科學的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型傳動機構(gòu)。諧波傳動的原理建立在薄殼彈性變形理論基礎上，依靠柔性齒輪所產(chǎn)生的可控制彈性變形波。引起齒間的相對位移傳遞運動和動力。柔輪的變形是一個基本對稱的和諧波，故稱為諧波傳動。通過對齒輪的研究我們發(fā)現(xiàn)出，人們總是會根據(jù)時代的發(fā)展，改變已有的機械機構(gòu)以適應新技術(shù)的發(fā)展。創(chuàng)新不一定要創(chuàng)造新的東西，也可以根據(jù)已有的東西，做出突出的改變，這樣何嘗不是一種創(chuàng)新。 滾珠絲杠機構(gòu)：螺旋傳動最常見的是滑動螺旋傳動，用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。但是滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的摩擦阻力，因此傳動效率低。磨損大，精度不高，使用壽命短，已經(jīng)不能滿足機電一體化系統(tǒng)高精度，高效率，高速度的要求。滾珠絲杠傳動則是一種為了克服普通螺旋傳動的缺點，而發(fā)展起來的新型螺旋傳動。它用滾動摩擦螺旋代替滑動摩擦螺旋，具有摩擦阻力小，傳動效率高，傳動平穩(wěn)，壽命長，精度高的優(yōu)點，廣泛應用于機器人，數(shù)控機床，精密機械，自動搬運車等機電一體化產(chǎn)品。 工作原理：螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動機構(gòu)稱為滾珠絲杠副，當絲杠或者螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠沿螺旋槽滾動，滾珠在絲杠上滾過數(shù)圈后，通過回程引導裝置，逐個地滾回到絲杠和螺母之間，構(gòu)成了一個閉合的循環(huán)回路。這種機構(gòu)把絲杠和螺母之間的滑動摩擦變成滾動摩擦。 ．滾珠絲杠副的特點 滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比，具有其明顯的特點。 (1) 傳動效率高、摩擦損失小 絲杠螺母副的傳動效率η為 式中 λ——中徑處的螺旋線升角； ——當量摩擦角（對于滾珠絲杠約為8ˊ~ 12ˊ）。 滾動摩擦阻力很小，實驗測得的摩擦系數(shù)—般為0.0025~0.0035，因而傳動效率很高，可達0.92~0.96（滑動絲杠為0.2~0.4），相當于普通滑動絲杠螺母副的3 ~ 4倍。這樣滾珠絲杠副相對于滑動絲杠副來說，僅用較小的扭矩就能獲得較大的軸向推力，功率損耗只有滑動絲杠副的1/4 ~ 1/3，這對于機械傳動系統(tǒng)小型化、快速響應能力及節(jié)省能源等方面，都具有重要意義。 (2) 傳動的可逆性、不可自鎖性 一般的螺旋傳動是指其正傳動，即把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動。而滾珠絲杠副不僅能實現(xiàn)正傳動，還能實現(xiàn)逆?zhèn)鲃印獙⒅本€運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。這種運動上的可逆性是滾珠絲杠螺母副所獨有的。而且逆?zhèn)鲃有释瑯痈哌_90％以上。滾珠絲杠副傳動的特點，可使其開拓新的機械傳動系統(tǒng)，但另一方面其應用范圍也受到限制，在一些不允許產(chǎn)生逆運動的地方，如橫梁的升降系統(tǒng)等，必須增設制動或自鎖機構(gòu)才可使用。 (3) 傳動精度高 傳動精度主要是指進給精度和軸向定位精度。滾珠絲杠螺母副屬于精密機械傳動機構(gòu)，絲杠與螺母經(jīng)過淬硬和精磨后，本身就具有較高的定位精度和進給精度。高精度滾珠絲杠副，任意300mm的導程累積誤差為4urn/300mm。 滾珠絲杠螺母副采用專門的設計，可以調(diào)整到完全消除軸向間隙，而且還可以施加適當?shù)念A緊力，在不增加驅(qū)動力矩和基本不降低傳動效率的前提下，提高軸向剛度，進一步提高正向、反向傳動精度。 滾珠絲杠副的摩擦損失小，因而工作時本身溫度變化很小，絲杠尺寸穩(wěn)定，有利于提高傳動精度。 由于滾動摩擦的啟動摩擦阻力很小，所以滾珠絲杠螺母副的動作靈敏，且滾動摩擦阻力幾乎與運動速度無關(guān)，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性，即使在低速下，仍可獲得均勻的運動，保證了較高的傳動精度。 正是由于這些特點使得滾珠絲杠螺母副在機電一體化設備與產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。 (4) 磨損小、使用壽命長 滾動磨損要比滑動磨損小得多，而且滾珠、絲杠和螺母都經(jīng)過淬硬，所以滾珠絲杠副長期使用仍能保持其精度，工作壽命比滑動絲杠副高5 ~ 6倍。 伺服傳動機構(gòu)：伺服系統(tǒng)是指以機械運動量作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)中所采用的機械傳動裝置，簡稱為伺服機械傳動系統(tǒng)。它是伺服系統(tǒng)的一個組成環(huán)節(jié)。它廣泛應用于數(shù)控機床、計算機外部設備、工業(yè)機器人等機電一體化系統(tǒng)中。 伺服機械傳動系統(tǒng)是整個伺服系統(tǒng)的一個組成環(huán)節(jié)。其作用是傳遞扭矩、轉(zhuǎn)速和進行運動變換，使伺服電機和負載之間轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速得到匹配。往往是將伺服電動機輸出軸的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成為負載軸所要求的低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動變換成直線運動。伺服機械傳動系統(tǒng)大功率傳動裝置，既要考慮強度、剛度，也要考慮精度、慣量、摩擦、阻尼等因素。小功率傳動裝置，則主要是考慮精度、慣量、摩擦、剛度、阻尼等因素。 伺服系統(tǒng)的基本指標是，高精度，高響應速度，穩(wěn)定性好及足夠的功率。 1.傳動精度 傳動精度主要是由傳動件的制造誤差、裝配誤差、傳動間隙和彈性變形所引起。 2.響應速度 對于伺服系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的運算和處理速度遠比機械裝置的運動速度快。而機械傳動系統(tǒng)的響應主要取決于加速度。從傳動系統(tǒng)的角度看，在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，主要從減小摩擦力矩，減小機械部件的質(zhì)量、減小電動機的負載和轉(zhuǎn)動慣量，來提高系統(tǒng)的傳動效率。 3. 穩(wěn)定性  伺服系統(tǒng)不但要求穩(wěn)態(tài)誤差小，并且要求能夠穩(wěn)定工作、動態(tài)品質(zhì)好，這與振動、熱以及其他許多環(huán)境因素有關(guān)。要提高傳動系統(tǒng)的抗振性，就必須提高傳動系統(tǒng)的固有頻率，一般不應低于50~100Hz，并須提高系統(tǒng)的阻尼能力。在實際設計與使用中，還應根據(jù)不同的實際情況有所側(cè)重和增加必要的指標。 聯(lián)軸器：在數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)中，滾珠絲杠與驅(qū)動電機的連接是數(shù)控機床穩(wěn)定工作的重要環(huán)節(jié)之一。目前，在直線進給傳動系統(tǒng)中，滾珠絲杠與驅(qū)動電機的連接方式主要有聯(lián)軸器、齒輪和同步帶，本節(jié)主要介紹的是聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器是用來連接進給機構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)，以傳遞扭矩和運動的一種裝置。機器運轉(zhuǎn)時，被連接的兩軸不能分離，只有停車后，將聯(lián)軸器拆開，兩軸才能脫開。 目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液壓式、電磁式和機械式；而機械式聯(lián)軸器是應用最廣泛的一種，它借助于機械構(gòu)件相互間的機械作用力來傳遞扭矩，大致可作如下劃分：剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器包括固定式聯(lián)軸器（套筒聯(lián)軸器、凸緣聯(lián)軸器和夾殼聯(lián)軸器等）和可移式聯(lián)軸器(齒輪聯(lián)軸器、十字滑塊聯(lián)軸器和萬向聯(lián)軸器等)。彈性聯(lián)軸器包括金屬彈性件聯(lián)軸器(簧片聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器和波形管聯(lián)軸器等)和非金屬彈性聯(lián)軸器（輪胎式聯(lián)軸器、整圈橡膠聯(lián)軸器和橡膠塊聯(lián)軸器）。 下面，介紹典型機電一體化產(chǎn)品數(shù)控機床常用的幾種聯(lián)軸器。 一般聯(lián)軸器：1，套筒聯(lián)軸器由連接兩軸端的套筒和聯(lián)接套筒與軸的聯(lián)接件鍵或銷子所組成，一般當軸端直徑d≤80mm時，套筒用35或45鋼制造；當軸端直徑d＞80mm時，可用強度較高的鑄鐵制造。 套筒聯(lián)軸器各部分尺寸間的關(guān)系如下： 套筒長 L≈3d； 套筒外徑 D≈1.5d； 銷子直徑=（0.3～0.25）d（對小聯(lián)軸器，取0.3；對大聯(lián)軸器取0.25）； 銷子中心到套筒端部的距離e≈0.75d。 此種聯(lián)軸器構(gòu)造簡單，徑向尺寸小，但其裝拆困難（軸需作軸向移動），且要求兩軸嚴格對中，不允許有徑向及角度偏差，因此使用上受到一定限制。 2．凸緣聯(lián)軸器 凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器分別與兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器連成一體，以傳遞動力和扭矩，凸緣聯(lián)軸器還有兩種對中方法：一種是用一個半聯(lián)軸器上的凸肩與另一個半聯(lián)軸器上的凹槽相配合而對中，另一種則是共同與另一部分環(huán)相配合而對中，前者在裝拆時軸必須作軸向移動，后者則無此缺點。聯(lián)接螺栓可以采用半精制的普通螺栓，此時螺栓桿與釘孔壁間存有間隙，扭矩靠半聯(lián)軸器結(jié)合面間的摩擦力來傳遞（也可采用鉸制孔用螺栓，此時螺栓桿于釘孔為過渡配合，靠螺栓桿承受擠壓與剪切來傳遞扭矩。凸緣聯(lián)軸器可作成帶防護邊的或不帶防護邊的。 凸緣聯(lián)軸器的材料可用HT250或碳鋼，重載時或圓周速度大于30m/s時應用鑄鋼或鍛鋼。凸緣聯(lián)軸器對于所聯(lián)接的兩軸的對中性要求很高，當兩軸間有位移與傾斜存在時，就在機件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低以及可傳遞較大扭矩，故當轉(zhuǎn)速低、無沖擊、軸的鋼性大以及對中性較好時亦常采用。 2.5.2錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器 1．工作原理及特點 該聯(lián)軸器是利用錐環(huán)之間的摩擦實現(xiàn)軸與轂之間的無間隙聯(lián)結(jié)而傳遞扭矩。且可以任意調(diào)節(jié)兩聯(lián)結(jié)件之間的角度位置。通過選擇所用錐環(huán)的對數(shù)，可以傳遞不同大小的扭矩。為采用錐環(huán)無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。 該聯(lián)軸器的工作原理是：當擰緊螺釘5時，發(fā)蘭盤3對內(nèi)外錐環(huán)2施加軸向力，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外錐環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形（內(nèi)錐環(huán)的外徑漲大，外錐環(huán)的內(nèi)徑收縮），消除軸4與套筒1之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過摩擦傳遞扭矩，而且套筒1與軸4之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。 這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力強，傳遞功率大、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長，具有過載保護能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣條件下連續(xù)工作，安裝、使用和維護方便，作用于系統(tǒng)中的載荷小，噪聲低。 參考文獻：[1]李建勇．機電一體化技術(shù)[M]北京：科學出版社，2004： [2]李運華．機電控制[M]．北京航空航天大學出版社，2003： [3]芮延年．機電一體化系統(tǒng)設計[M]．北京機械工業(yè)出版社，2004： [4] 王中杰，余章雄，柴天佑．智能控制綜述[J]．基礎自動化，2006； [5] 章浩，張西良，周士沖．機電一體化技術(shù)的發(fā)展與應用．農(nóng)機化研究，2006；