1、第二章 機(jī)電一體化機(jī)械、執(zhí)行、檢測裝置第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)之機(jī)械裝置1. 1. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的組成機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的組成n(1)傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器,而且已成為伺服系統(tǒng)的一部分,它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì),以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。 n(2)導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是支承和導(dǎo)向,它為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動提供保障,一般指導(dǎo)軌、軸承等。n(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來完成操作任務(wù)的直接裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下完成預(yù)定的操作。 1.1 概述2. 2. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的特點(diǎn)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)

2、的特點(diǎn) 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)除了應(yīng)具備普通機(jī)械系統(tǒng)的要求外,還有其特殊要求。 （1）高精度：影響因素包括間隙、剛度、導(dǎo)向精度等。 （2）快速響應(yīng)：影響因素包括摩擦、慣量、剛度、阻尼等。(伺服系統(tǒng)的頻帶/帶寬！) （3）穩(wěn)定性：影響因素包括溫度、環(huán)境等。3. 3. 解決措施解決措施(1) 采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件 如：滾珠絲桿、滾動導(dǎo)向支承、動靜壓導(dǎo)向支承等。(2) 縮短傳動鏈，提高傳動和支承剛度縮短傳動鏈，提高傳動和支承剛度 如：大扭矩、寬頻調(diào)整電機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲桿；絲桿兩端加預(yù)緊。(3) 選用最佳傳動比，提高系統(tǒng)分辨率，減少等效到執(zhí)行元件輸出

3、軸上選用最佳傳動比，提高系統(tǒng)分辨率，減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量的等效轉(zhuǎn)動慣量(4) 縮小反向死區(qū)誤差縮小反向死區(qū)誤差 如：采取消除傳動間隙，減少支承變形等。(5)改進(jìn)支承和架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性，減少振動，降低噪聲改進(jìn)支承和架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性，減少振動，降低噪聲 如：選用復(fù)合材料，提高剛度和強(qiáng)度，降低重量，縮小結(jié)構(gòu)， 確保系統(tǒng)小型化、輕量化、高速化、高可靠性。2.2.1 2.2.1 同步帶傳動同步帶傳動 2.2.2 2.2.2 齒輪傳動齒輪傳動2.2.3 2.2.3 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動2.2.4 2.2.4 滾珠絲杠傳動滾珠絲杠傳動1.2 典型機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)1.2.1

4、 同步帶傳動n同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動零件。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動零件，于1940年由美國尤尼羅爾橡膠公司首先加以開發(fā)。1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機(jī)針和纏線管的同步傳動上，取得顯著效益，并被逐漸引用到其他機(jī)械傳動上。1. 1. 類型類型 (1) 按用途n一般工業(yè)用同步帶傳動 即梯形齒同步帶傳動。它主要用于中、小功率的同步帶傳動，如各種儀器、計(jì)算機(jī)、輕工機(jī)械中均采用這種同步帶傳動。n高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動 又稱HTD帶(High Torque Drive)，在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動。它主要用于重型機(jī)械的傳動中，如運(yùn)輸機(jī)械、石油機(jī)械和機(jī)床、發(fā)電機(jī)

5、等的傳動。(2) 按規(guī)格n模數(shù)制 同步帶主要參數(shù)是模數(shù)m(與齒輪相同)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定帶的型號及結(jié)構(gòu)參數(shù)。n節(jié)距制 即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國際標(biāo)準(zhǔn)。nDIN(德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會)米制節(jié)距 德國同步帶傳動國家標(biāo)準(zhǔn)制定的規(guī)格制度。其主要參數(shù)為齒節(jié)距，但標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距數(shù)值不同于ISO節(jié)距制。我國由于德國進(jìn)口設(shè)備較多，故DIN米制節(jié)距同步帶在我國也有應(yīng)用。2. 2. 同步帶結(jié)構(gòu)同步帶結(jié)構(gòu)n同步帶一般由強(qiáng)力層、帶齒、帶背和包布層組成。帶背強(qiáng)力層包布層3. 3. 同步帶特點(diǎn)同步帶特點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn) (1) 工作時(shí)無滑動(50m/s)，有準(zhǔn)確

6、的傳動比 (2) 傳動效率高(98%)，節(jié)能效果好 (3) 傳動比范圍大(10)，結(jié)構(gòu)緊湊 (4) 維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作n缺點(diǎn) (1) 安裝要求高，中心距要求嚴(yán)格 (2) 帶與帶輪制造工藝復(fù)雜，成本高同步帶傳動主要用于中小功率、傳動比要求精確的場合，如打印機(jī)、繪圖儀、小型機(jī)電設(shè)備等精密機(jī)械中。4. 4. 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算n在正常的工作條件下，同步帶傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強(qiáng)度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，則應(yīng)保證帶齒的一定耐磨性。n設(shè)計(jì)同步帶傳動的已知條件 (1) 需要傳遞的名義功率； (2) 主、從動輪的轉(zhuǎn)速或傳動比; (

7、3) 傳動中心距; (4) 使用條件。n設(shè)計(jì)步驟 (1) 確定帶的設(shè)計(jì)功率；(2) 選擇帶型和節(jié)距；(3) 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑；(4) 確定同步帶的節(jié)線長度、齒數(shù)及傳動中心距； (5) 校驗(yàn)同步帶和小帶輪的嚙合齒數(shù)；(6) 確定實(shí)際所需同步帶寬度； (7) 帶的工作能力驗(yàn)算。1.2.2 齒輪傳動電機(jī)、傳動裝置和負(fù)載的傳動模型JmiJLMGLmLTLF1. 1. 齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動比齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動比n出發(fā)點(diǎn)：出發(fā)點(diǎn)：機(jī)電一體化齒輪傳動系統(tǒng)主要是研究它的動力學(xué)特性。(1) (1) 最佳總傳動比最佳總傳動比 首先把傳動系統(tǒng)中的工作負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載綜合為系統(tǒng)的總負(fù)載，方法有：(a)

8、 峰值綜合：若各種負(fù)載為非隨機(jī)性負(fù)載，將各負(fù)載的峰值取代數(shù)和。(b) 均方根綜合：若各種負(fù)載為隨機(jī)性負(fù)載，取各負(fù)載的均方根。 負(fù)載綜合時(shí)，要轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上，成為等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。使等效負(fù)載轉(zhuǎn)使等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小或負(fù)載加速度最大的總傳動比，即為最佳總傳動比。矩最小或負(fù)載加速度最大的總傳動比，即為最佳總傳動比。JmiJLMGLmLTLF 通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動比,以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 Jm電動機(jī)M的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；m電動機(jī)M的角位移； JL負(fù)載L的轉(zhuǎn)動慣量； L負(fù)載L的角位移； TLF 摩擦阻抗轉(zhuǎn)矩； i齒輪系G的總傳動比。電機(jī)、傳動裝置和負(fù)載的傳動模型JmiJLMGLmLTLF電

9、機(jī)、傳動裝置和負(fù)載的傳動模型JmiJLMGLmLTLFLmLmLmi nTLF換算到電動機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為TLF / i ； nJL換算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為JL/i2。 n設(shè)Tm為電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,在忽略傳動裝置慣量的前提下,根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程,電動機(jī)軸上的合轉(zhuǎn)矩Ta為LLmmLmLFmaiiJJiJJiTTT )()(22LmLFmLJiJTiT2 則電機(jī)、傳動裝置和負(fù)載的傳動模型JmiJLMGLmLTLF0/didL mLmLFmLFJJTTTTi2mLJJi 令若不計(jì)摩擦, 即TLF0, 則解得n注：實(shí)際中為提高抗干擾能力常選用較大的傳動比。LmLFmLJiJTiT2 2.2. 齒輪傳

10、動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配 (1) 等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則n小功率傳動裝置 ，電動機(jī)驅(qū)動的二級齒輪傳動系統(tǒng)如圖所示。由于功率小,假定各主動輪具有相同的轉(zhuǎn)動慣量,軸與軸承轉(zhuǎn)動慣量不計(jì),各齒輪均為實(shí)心圓柱齒輪,且齒寬和材料均相同,效率不計(jì), 則有可得令, 0)11 (14122121142144112312221421321iJiiiiJJiJJiJJJJiiJiJJJJmememe2/)2(2123/11iiiin同理，對于n級齒輪系,則有122222)1(21)12(212112nknkniiiinnnn例1 設(shè)有i =80,傳動級數(shù)n=

11、4的小功率傳動,試按等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則分配傳動比。 解: 驗(yàn)算i = i 1 i 2 i 3 i 480。 9887. 6)280(21438. 3)280(21085. 2)280(27268. 1802158241542/4322)12(22/42121)12(214214444iiii分析可知，各級傳動比分配的結(jié)果應(yīng)遵循“前小后大”的原則。(2) (2) 質(zhì)量最小原則質(zhì)量最小原則n對于小功率傳動裝置,按質(zhì)量最小原則來確定傳動比時(shí),通常選擇相等的各級傳動比。n在假設(shè)各主動小齒輪的模數(shù)、齒數(shù)均相等的特殊條件下,各大齒輪的分度圓直徑均相等,因而每級齒輪副的中心距也相等。這樣便可設(shè)計(jì)成如圖所示

12、的回曲式齒輪傳動鏈； 其總傳動比可以非常大。顯然,這種結(jié)構(gòu)十分緊湊。 伺 服電 動 機(jī)181715 161413111210978654213圖 回曲式齒輪傳動鏈(3) (3) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則n以四級齒輪減速傳動鏈為例。四級傳動比分別為 i1、i2、 i3、i4,齒輪18的轉(zhuǎn)角誤差依次為18。 3i2412i15i36i478輸 出該傳動鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)動角誤差max為847643544323243211maxiiiiiiiii in可以看出,如果從輸入端到輸出端的各級傳動比按“前小后大”原則排列,則總轉(zhuǎn)角誤差較小, 而且低速級的誤差在總誤差中占的比重很大。因此,要

13、提高傳動精度,就應(yīng)減少傳動級數(shù), 并使末級齒輪的傳動比盡可能大,制造精度盡可能高。 (4)(4)三種原則的選擇三種原則的選擇 在設(shè)計(jì)齒輪傳動時(shí),上述三條原則應(yīng)根據(jù)具體工作條件綜合考慮。n對于傳動精度要求高的降速齒輪傳動鏈,可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。 n對于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟停頻繁和動態(tài)性能好的降速傳動鏈,可按等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。 n對于要求質(zhì)量盡可能小的降速傳動鏈,可按質(zhì)量最小原則設(shè)計(jì)。 3.3.齒輪傳動間隙的調(diào)整方法齒輪傳動間隙的調(diào)整方法n核心問題：采取措施，消除齒核心問題：采取措施，消除齒側(cè)間隙，保證雙向傳動精度。側(cè)間隙，保證雙向傳動精度。(1) 圓柱齒輪

14、傳動n偏心套(軸)調(diào)整法 如右圖所示，將相互嚙合的一對齒輪中的一個(gè)齒輪4裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過轉(zhuǎn)動偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補(bǔ)償。n軸向墊片調(diào)整法 齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法。n雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施

15、使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會出現(xiàn)死區(qū)。12341233 4 5 6 7(2) 斜齒輪傳動n消除斜齒輪傳動齒輪側(cè)隙的方法與上述錯齒調(diào)整法基本相同，也是用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合，只是在兩個(gè)薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便錯開了。(3) 錐齒輪傳動n軸向壓簧調(diào)整法 在錐齒輪4的傳動軸7上裝有壓簧5，其軸向力大小由螺母6調(diào)節(jié)。錐齒輪4在壓簧5的作用下可軸向移動，從而消除了其與嚙合的錐齒輪l之間的齒側(cè)間隙。(4) 齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)n當(dāng)傳動負(fù)載大時(shí)，可采用雙齒輪調(diào)整法。通過預(yù)載裝置4向齒輪3上預(yù)加負(fù)載，使大齒

16、輪2、5同時(shí)向兩個(gè)相反方何轉(zhuǎn)動，從而帶動小齒輪1、6轉(zhuǎn)動，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側(cè)，消除了齒側(cè)間隙。 1.2.3 諧波傳動n諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大(幾十到幾百)、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)機(jī)器人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應(yīng)用。n1 1 諧波齒輪傳動的結(jié)構(gòu)諧波齒輪傳動的結(jié)構(gòu) n2. 2. 諧波齒輪傳動的原理諧波齒輪傳動的原理 通常波發(fā)生器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個(gè)為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)，由于前者的總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸兩端產(chǎn)生了柔輪與

17、剛輪輪齒的兩個(gè)局部嚙合區(qū)；同時(shí)在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對位移，從而傳遞運(yùn)動。 在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動一周期間，柔輪上一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱為波數(shù)。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)等于波發(fā)生器波數(shù)(即波發(fā)生器上的滾輪數(shù))的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù)。n2. 2. 諧波齒輪傳動的原理諧波齒輪傳動的原理 n柔輪和剛輪齒距P相等，

18、齒數(shù)不同。Zg剛輪齒數(shù)，Zr柔輪齒數(shù)， ZgZr， ZgZr=n，n為諧波發(fā)生器的波數(shù)。n若n=2，當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)180時(shí)，將迫使柔輪和剛輪相對移動一個(gè)齒距。若柔輪固定，則剛輪轉(zhuǎn)一個(gè)角度。n柔輪固定時(shí)傳動比：ir = Zg /（ Zg Zr） ; (波發(fā)生器輸入, 剛輪輸出)n剛輪固定時(shí)傳動比：ig = Zr /（ Zg Zr） ; (波發(fā)生器輸入, 柔輪輸出)1.2.4 滾珠絲杠傳動n又稱螺旋傳動機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動。又稱螺旋傳動機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動。n1. 工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)n滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)組成：絲杠、螺母、滾珠、反向器（回珠管）。n絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承

19、載滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動，則絲杠與螺母之間相對運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生滾動摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。n為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。 2. 特點(diǎn)特點(diǎn)n效率高：90-98%，而滑動絲杠為3040 %n剛度好：通過預(yù)緊實(shí)現(xiàn)。n壽命長：滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，壽命約為滑動絲桿副的4-10倍以上。n運(yùn)動平穩(wěn)：滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時(shí)無沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精

20、度。n精度高：由于摩擦升溫小，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，容易獲得高精度。n傳動可逆，不能自鎖。用于垂直傳動時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。n造價(jià)高。滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。3. 3. 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法 滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。n通常采用雙螺母預(yù)緊或單螺母（大滾珠、大導(dǎo)程）的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以

21、減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。n(1) 雙螺母螺紋預(yù)緊原理 左右螺母齒輪同向旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒，因兩齒輪齒數(shù)不同，故旋轉(zhuǎn)角度不同，相當(dāng)于一端固定，另一端旋轉(zhuǎn)了一個(gè)微小的角度。 實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：兩螺母之間存在相對移動兩螺母之間存在相對移動。n(2) 雙螺母齒差預(yù)緊原理(齒差調(diào)隙)n(3) 單螺母預(yù)緊原理（增大滾珠直徑法）n為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。絲杠側(cè)螺母側(cè)絲杠側(cè)螺母側(cè)承載滾珠間隔鋼球n(4) 單螺母預(yù)緊原理（偏置導(dǎo)程法） n偏置導(dǎo)程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中部將其導(dǎo)程增加一個(gè)預(yù)壓量，

22、以達(dá)到預(yù)緊的目的。導(dǎo)程導(dǎo)程+導(dǎo)程絲杠側(cè)螺母側(cè)預(yù)拉方向預(yù)拉方向n目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)0.05mm，而雙螺母式的經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向間隙時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：n（1）預(yù)緊力大小必須合適，過小不能保證無隙傳動；過大將使驅(qū)動力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力應(yīng)不超過最大軸向負(fù)載的1/3。n（2）要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的，而它對傳動精度有直接影響。小結(jié)：小結(jié)：n4. 4. 滾珠絲杠副的安裝滾珠絲杠副的安裝 絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零件的連接剛性，對滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的剛度和精度都有很大

23、影響，需在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，以下列出了四種典型支承方式及其特點(diǎn)。1軸向剛度較高；2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較大，軸承壽命較低；3適宜中速、精度高，并可用雙推單推組合。 n方案一：單推單推 n方案二：雙推雙推 1軸向剛度最高。2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較小，軸承壽命較高。3適宜高速、高剛度、高精度。n方案三：雙推簡支 1軸向剛度不高，與螺母位置有關(guān)。2雙推端可預(yù)拉伸安裝。3適宜中速、精度較高的長絲杠。n方案四：雙推自由 1軸向剛度低，與螺母位置有關(guān)；2雙推端可預(yù)拉伸安裝；3適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短絲杠。 第二節(jié) 機(jī)電一體化執(zhí)行裝

24、置2.1 執(zhí)行裝置概述1. 執(zhí)行裝置概念及其分類n執(zhí)行裝置就是“按照電信號的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動等方式的機(jī)械能的裝置”。n按利用的能源分類，可將執(zhí)行裝置分為電動、液壓和氣動執(zhí)行裝置。2. 執(zhí)行裝置的特點(diǎn)(1)電動執(zhí)行裝置n優(yōu)點(diǎn) 以電源為能源，在大多數(shù)情況下容易得到；容易控制；可靠性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性好；與計(jì)算機(jī)等控制裝置的接口簡單。n缺點(diǎn) 在多數(shù)情況下，為了實(shí)現(xiàn)一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或者直線運(yùn)動，必須使用齒輪等運(yùn)動傳遞和變換機(jī)構(gòu)；容易受載荷的影響；獲得大功率比較困難。國內(nèi)外第一臺陸地用12000米交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)，也是目前全球技術(shù)最先進(jìn)的特深井陸地石油

25、鉆機(jī)(2)液壓執(zhí)行裝置n優(yōu)點(diǎn) 容易獲得大功率； 功率重量比大，可以減小執(zhí)行裝置的體積； 剛度高，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制； 通過流量控制可以實(shí)現(xiàn)無級變速。n缺點(diǎn) 必須對油的溫度污染進(jìn)行控制，穩(wěn)定性較差； 有因漏油而發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)； 液壓油源和進(jìn)油、回油管路等附屬設(shè)備占空間較大。工程機(jī)械半潛式鉆井平臺自升式鉆井平臺 (3)氣動執(zhí)行裝置n 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 利用汽缸可以實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動； 利用空氣的可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力控制和緩沖控制； 無火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境污染； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低。n 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 由于空氣的可壓縮性，高精度的位置控制和速度控制都比較困難； 雖然撞停等簡單動作速度較高，但在任意位置上停止的

26、動作速度很慢，能量效率較低。 n在開發(fā)和改進(jìn)執(zhí)行裝置時(shí)要考慮的問題有：在開發(fā)和改進(jìn)執(zhí)行裝置時(shí)要考慮的問題有：功率重量比；功率重量比；體積體積和重量；和重量；響應(yīng)速度和操作力；響應(yīng)速度和操作力；能源及自身檢測功能；能源及自身檢測功能；成本及壽成本及壽命；命；能量的效率等。能量的效率等。 2.2 電動執(zhí)行裝置1. 1. 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)n(1)(1)特特 點(diǎn)點(diǎn) 直流伺服電機(jī)，只要接上直流電源就可以運(yùn)轉(zhuǎn)，這是直流電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)。而且，直流伺服電機(jī)作為控制電機(jī)，具有起動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制、效率高等許多突出的優(yōu)點(diǎn)。 它的缺點(diǎn)是，由于轉(zhuǎn)子上安裝了具有機(jī)械運(yùn)動的電刷和換向器，

27、需要定時(shí)維護(hù)、更換電刷，因此存在使用壽命短和噪聲大等問題。此外，直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)不同，在位置控制和速度控制時(shí)，必須使用角度傳感器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 (2)(2)構(gòu)造與工作原理構(gòu)造與工作原理n直流伺服電機(jī)由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子(電樞)、電刷和換向器構(gòu)成。n為了得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，就必須隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度不斷改變電流方向，因此，必須有電刷和換向器。 利用晶體管放大器的線性驅(qū)動方式利用晶體管放大器的線性驅(qū)動方式利用晶體管放大器的開關(guān)驅(qū)動方式（脈寬調(diào)制利用晶體管放大器的開關(guān)驅(qū)動方式（脈寬調(diào)制PWM）占空比是高電平所占周期時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值。脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制PWMPWM速度控制型伺服放大器速度控制

28、型伺服放大器 2. 交流伺服電機(jī)(1)(1)特特 性性n交流伺服電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是因沒有電刷和換向器而不需要維護(hù)，也沒有產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)；缺點(diǎn)是與直流電機(jī)相比驅(qū)動電路復(fù)雜、價(jià)格高。n隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，逐漸攻克了許多技術(shù)難題。交流伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人和NC機(jī)床等許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。n特別是用電子轉(zhuǎn)換向器代替機(jī)械換向器的無刷電機(jī)，由于繼承了有刷電機(jī)的良好控制性能，因此，在機(jī)電一體化領(lǐng)域已成為非常有用的電動執(zhí)行裝置。(2) (2) 種類與工作原理種類與工作原理n交流伺服電機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成的為同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子是由繞組形成的電磁鐵構(gòu)成的為異步

29、電機(jī)。成的為同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子是由繞組形成的電磁鐵構(gòu)成的為異步電機(jī)。此外還有無刷電機(jī)無刷電機(jī)。 n同步電機(jī)將永磁體裝在轉(zhuǎn)子上，定子上裝有繞組。單相或者三相交流電流通過定子繞組，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場相旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。n這種電機(jī)體積小，主要應(yīng)用在要求響應(yīng)速度快的中等功率以下的工業(yè)機(jī)器人和機(jī)床領(lǐng)域。n異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子都裝有繞組，定子繞組叫做一次繞組，轉(zhuǎn)子繞組叫做二次繞組。n定子繞組通入交流電定子繞組通入交流電旋轉(zhuǎn)磁旋轉(zhuǎn)磁場場切割轉(zhuǎn)子繞組切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流電磁轉(zhuǎn)矩（與旋轉(zhuǎn)磁場同向）。

30、電磁轉(zhuǎn)矩（與旋轉(zhuǎn)磁場同向）。n異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性矩可以做得很小，所以響應(yīng)速度很快，主要應(yīng)用于中等功率以上的伺服系統(tǒng)。n無刷直流電機(jī)的構(gòu)造與同步電機(jī)相同。無刷伺服電機(jī)用磁極檢測傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和晶體管換向器組成電子式換向裝置。電子式換向裝置。n無刷電機(jī)的工作原理與同步電機(jī)相同，其特性與直流電機(jī)相同無刷電機(jī)的工作原理與同步電機(jī)相同，其特性與直流電機(jī)相同。n由于沒有電刷上的電壓降和摩擦損耗，而且轉(zhuǎn)子慣量小，所以具有穩(wěn)定、可靠、效率高、響應(yīng)速度快等直流電機(jī)和交流電機(jī)共同的優(yōu)點(diǎn)，在各種伺服系統(tǒng)中應(yīng)用范圍很廣。 圖4-53 交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1交流伺服驅(qū)動器，2交流伺服電動機(jī)，3位置和速度檢測裝置圖4-

31、54 交流伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖3 步進(jìn)電機(jī)(1)(1)特特 點(diǎn)點(diǎn)n步進(jìn)電機(jī)也叫做脈沖電機(jī)，每當(dāng)輸入一個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固步進(jìn)電機(jī)也叫做脈沖電機(jī)，每當(dāng)輸入一個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度定的角度( (這個(gè)固定的角度稱為步距角這個(gè)固定的角度稱為步距角) )。n電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖總數(shù)成正比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖總數(shù)成正比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比。頻率成正比。n這種電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要傳感器，不需要反饋，可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制；由于可以直接用數(shù)字信號控制，所以與計(jì)算機(jī)的接口比較容易；因?yàn)闆]有電刷，所以維護(hù)方便、壽命長；n此外，它還具有啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反

32、轉(zhuǎn)容易控制等許多優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是能量效率較低，失步(輸入脈沖而電機(jī)未轉(zhuǎn)動)等。 (2) (2) 種類與工作原理種類與工作原理n步進(jìn)電機(jī)按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為永磁體式、可變磁阻式(也稱為反應(yīng)式)和混合式。 nPM式步進(jìn)電機(jī)用沿圓周方向磁化的圓柱形永磁體作轉(zhuǎn)子，周圍是定子，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。nVR式步進(jìn)電機(jī)用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，周圍是電磁鐵定子齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，周圍是電磁鐵定子。定子電磁鐵與轉(zhuǎn)子鐵心之間的吸引力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。n在定子磁場中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ雍娃D(zhuǎn)子的齒數(shù)差可以減小步距角，使

33、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。nHD式步進(jìn)電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。n在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與的原理與PMPM式相同，式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與轉(zhuǎn)子和定子的形狀與VRVR式相似，式相似，所以稱為混合式。n為了減小步距角，可以在結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。(3)(3)特性與驅(qū)動方式特性與驅(qū)動方式(3)(3)特性與驅(qū)動方式特性與驅(qū)動方式n啟動轉(zhuǎn)矩啟動轉(zhuǎn)矩是電機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)迅速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，所能驅(qū)動的最大負(fù)載扭矩。n當(dāng)輸入脈沖頻率一定，負(fù)荷扭矩逐漸增大，或者負(fù)荷扭矩一定，脈沖頻率逐漸增加時(shí)步進(jìn)電機(jī)不失步的極限轉(zhuǎn)矩稱為動轉(zhuǎn)矩動轉(zhuǎn)矩(失步轉(zhuǎn)矩失步轉(zhuǎn)矩)。n起動轉(zhuǎn)

34、矩與動轉(zhuǎn)矩之間的區(qū)間稱為過渡區(qū)過渡區(qū)。在這個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動時(shí)的脈沖頻率必須緩慢增加。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜轉(zhuǎn)矩靜轉(zhuǎn)矩，這是步進(jìn)電機(jī)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。在空載靜止?fàn)顟B(tài)下，能夠使電機(jī)瞬時(shí)啟動的最大輸入脈沖頻率稱為最大空載啟動頻率最大空載啟動頻率。輸入脈沖頻率緩慢上升時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能夠不失步運(yùn)行的極限頻率稱為空載運(yùn)行頻率空載運(yùn)行頻率(也稱為最大最大響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率)。 n【四相步進(jìn)電機(jī)【四相步進(jìn)電機(jī)】信號發(fā)生電路輸出旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速脈沖信號，經(jīng)環(huán)形分配電路進(jìn)行判斷分配，再經(jīng)過功率放大電路放大，按勵磁順序?qū)Ω鱾€(gè)線圈進(jìn)行勵磁。n單相勵磁方式單相勵磁方式 按1 12 23 3

35、4 41 1的順序一相一相的勵磁。這種勵磁方式能耗低，每一步的轉(zhuǎn)角精度高，但是由于轉(zhuǎn)子的慣性存在，容易產(chǎn)生失步。 n雙相勵磁方式雙相勵磁方式 按1 12 22 23 33 34 44 41 11 12 2的順序依次對相鄰兩相向時(shí)進(jìn)行勵磁。這種勵磁方式輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子的過沖小，所以是一種常用的勵磁方式。但這種勵磁方式存在電效率低的缺點(diǎn)。n單雙相勵磁方式單雙相勵磁方式 按1 11 12 22 22 23 33 33 34 44 44 41 11 1的順序，單相、雙相交替的方式進(jìn)行勵磁。具有分辨率高和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。n環(huán)形分配器環(huán)形分配器 實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配有三種方法：軟件、小規(guī)模集成電路搭接、專用器件。

36、交流伺服系統(tǒng)與步進(jìn)伺服系統(tǒng)的比較 在目前國內(nèi)的機(jī)電一體化設(shè)備中，步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng)以其高的性價(jià)比獲得了廣泛的應(yīng)用，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)也以其高的伺服性能而倍受青睞。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較，供選用時(shí)參考。 （1）控制精度 由于制造成本低，步進(jìn)電動機(jī)的步距角通常做得比較大。兩相混合式一般為1.8/0.9，五相混合式一般為0.72 /0.36，三相反應(yīng)式多為1.5/0.75。要想減小步距角，方法有兩個(gè)，一是采用減速傳動，二是采用細(xì)分型驅(qū)動電源。 交流伺服電動機(jī)的控制精度由電動機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器來保證。對于帶2500線標(biāo)準(zhǔn)型編碼器的電動機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其轉(zhuǎn)角分辨率為360

37、/（25004）=0.036；對于帶17位編碼器的電動機(jī)而言，每轉(zhuǎn)一圈，驅(qū)動器接收到217=131072個(gè)脈沖，其轉(zhuǎn)角分辨率為360/1310729.89“，是步距角為1.8的步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)角分辨率的1/655。（2）低頻特性 步進(jìn)電動機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，其振動頻率與負(fù)載的情況和驅(qū)動電源的性能有關(guān)。解決低頻振動有兩種方法，一種是在電動機(jī)軸上加裝阻尼器，另一種是在驅(qū)動電源上采用繞組電流細(xì)分的技術(shù)。 交流伺服電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象，且具有共振抑制功能，系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 （3）矩頻特性 步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨

38、轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般不超過1000r/min。 交流伺服電動機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，其額定轉(zhuǎn)速一般為2000r/min或3000r/min，在額定轉(zhuǎn)速以下都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出，最高轉(zhuǎn)速通常可達(dá)5000r/min。 （4）過載能力 交流伺服電動機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，可用于克服慣性負(fù)載在起動瞬間的慣性轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電動機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服慣性轉(zhuǎn)矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)，而在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 （5）運(yùn)行性能 步進(jìn)伺服系統(tǒng)通常為開環(huán)控制，起動頻率過高或負(fù)載過大時(shí)，容易出現(xiàn)丟步

39、或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)若處理不當(dāng)也易出現(xiàn)過沖。所以為了保證其控制精度，應(yīng)處理好升降速問題。 交流伺服系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電動機(jī)編碼器的反饋信號進(jìn)行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能可靠。 （6）速度響應(yīng)性能 步進(jìn)電動機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速通常需要200400ms的時(shí)間。交流伺服電動機(jī)的加速性能則要好得多，以臺達(dá)ASDA-400W交流伺服電動機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）僅需幾毫秒。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在性能上明顯優(yōu)于步進(jìn)伺服系統(tǒng)，但其價(jià)格卻要高得多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修成本較高。步進(jìn)伺服系統(tǒng)雖然性能差一些，但其價(jià)格低

40、，性/價(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡單，維修成本較低。因此，在設(shè)計(jì)選擇伺服控制系統(tǒng)的方案過程中要綜合考慮各方面的因素，妥善進(jìn)行分析確定。2.3 液壓與氣動執(zhí)行裝置1. 液壓執(zhí)行裝置 液壓系統(tǒng)由液壓泵、溢流閥、管路、控制閥、執(zhí)行裝置等組成。n典型液壓執(zhí)行裝置包括油缸、液壓馬達(dá)、擺動油缸（ 280 deg）。液壓油缸液壓油缸n液壓油缸有僅在活塞的單端受到液壓作用的單作用油缸和活塞兩端都受到液壓作用的雙作用油缸。n單作用油缸的回程運(yùn)動是由載荷、重力或者彈簧力來驅(qū)動。n在液壓伺服系統(tǒng)中，一般都采用控制性能好的往復(fù)雙作用油缸。 液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)n液壓馬達(dá)與液壓泵的輸入、輸出關(guān)系相反，構(gòu)造基本相同。n液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)可以

41、大致分為葉片馬達(dá)、齒輪馬達(dá)和活塞式馬達(dá)等。n葉片馬達(dá)的結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子徑向上插入若干葉片，葉片懸伸部分在液壓作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。葉片馬達(dá)具有輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪音低、轉(zhuǎn)矩重量比高等優(yōu)點(diǎn)。 n齒輪馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與齒輪泵一樣，都是由兩個(gè)齒輪和殼體構(gòu)成，由左右兩個(gè)口的壓力差來決定旋轉(zhuǎn)方向。齒輪馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價(jià)格便宜、抗振動等優(yōu)點(diǎn)。n活塞式馬達(dá)分為徑向活塞式馬達(dá)和軸向活塞式馬達(dá)。圖中所示是徑向活塞式馬達(dá)，各活塞與曲軸之間通過連桿連接，與曲軸連為一體的旋轉(zhuǎn)閥控制各個(gè)油缸按順序供油，使曲軸能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動。活塞式馬達(dá)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但效率較高。2. 驅(qū)動方式與液壓控制閥n為了使液壓執(zhí)行裝置正常工作，必須控制工作油的

42、壓力、流量和流動方向。控制方式有兩種：一種是改變泵轉(zhuǎn)速或者斜板角度來控制出口流量的泵控制方式；另一種是泵出口流量一定，用液壓閥來調(diào)節(jié)油路的面積，從而控制執(zhí)行裝置的流量、壓力等的閥控制方式。n泵控制方式具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能量效率高等優(yōu)點(diǎn)。從響應(yīng)速度、控制精度和價(jià)格等方面來看，閥控制方式更優(yōu)越。常用的控制閥是模擬型的電液伺服閥(簡稱伺服閥)和開關(guān)型的電磁換向閥(簡稱電磁閥)。n電液伺服閥由力矩電機(jī)、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)、四個(gè)進(jìn)油出油口構(gòu)成。n電液伺服閥的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠用小功率的電機(jī)快速、高精度地控制大功率的液壓能。由于伺服閥的精度要求很高，價(jià)格很貴，而且對工作油的清潔程度和濕度都要求很高，這是它的缺點(diǎn)。

43、2.4 2.4 執(zhí)行裝置的應(yīng)用實(shí)例執(zhí)行裝置的應(yīng)用實(shí)例n【飛行模擬器【飛行模擬器】n【工件輸送系統(tǒng)【工件輸送系統(tǒng)】n6-DOF擺動裝置n6-DOF座椅【6 6自由度擺動裝置自由度擺動裝置】n油缸由伺服閥控制，在5-10t載荷的條件下，前后、左右、上下運(yùn)動速度60 cms以上，加速度0.6g以上；轉(zhuǎn)動、螺旋、擺動運(yùn)動角速度200s以上，角加速度600s2以上。這種機(jī)構(gòu)叫做并行桿機(jī)構(gòu)（也稱作并聯(lián)機(jī)器人）。【坐席振動發(fā)生裝置【坐席振動發(fā)生裝置】 利用油缸和伺服閥控制，能夠產(chǎn)生擺動裝置無法產(chǎn)生的、極限達(dá)到40Hz的高頻率振動。在G坐椅裝置中，通過坐席底板和靠背底板上的液壓油缸以及坐席墊和靠背墊內(nèi)的氣功氣

44、囊，控制接觸面積和受壓的感覺來實(shí)現(xiàn)體感和振動模擬。 【工件輸送系統(tǒng)【工件輸送系統(tǒng)】n氣動執(zhí)行裝置常用于加工、檢查和裝配等生產(chǎn)線上的輸送或夾緊操作中。圖示是快速上、下料輸送單元。n上料端和下料端的兩個(gè)可升降送料裝置由一個(gè)汽缸驅(qū)動，采用同步齒形帶連接，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了上料下料同步和高效率。n工件由上料端的升降氣缸提起，在同一個(gè)電磁閥控制下，下料端的升降氣缸將加工后的工件提起。在將待加工工件送上加工工位的同時(shí)，將加工后的工件送到下料的滾動輸送線上。n這套系統(tǒng)中采用了三個(gè)氣缸，兩個(gè)電磁閥，結(jié)構(gòu)簡單，能夠進(jìn)行質(zhì)量小于1kg(30030030mm)的上下料操作，動作節(jié)拍可以達(dá)到7s。 第三節(jié) 機(jī)電一體化檢測

45、裝置 n要使機(jī)電一體化系統(tǒng)有效地發(fā)揮功能，必須首先獲得各種各樣的信息。其中檢測起著重要的作用。n本章將學(xué)習(xí)檢測的概念，特別要學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)中涉及到的諸如位移、角度、距離、速度、加速度、力和扭矩等重要機(jī)械量的基本檢測原理，還要了解利用視覺信息的高級檢測技術(shù)以及檢測數(shù)據(jù)的處理方法。3.1 檢測的概念n在像機(jī)器人的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，動作控制是先通過傳感器接受外界信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對這些信息進(jìn)行處理，再通過執(zhí)行裝置使機(jī)器人手臂有目的地移動并實(shí)現(xiàn)操作。n從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。 3.2 位移、角度、距離的測量1.電位器n分為直

46、線型和旋轉(zhuǎn)型。通過電刷的滑動，可以得到與電刷所在角度(位置)相對應(yīng)的電壓。 轉(zhuǎn)過角時(shí)，通過電刷的滑動部分阻值為 輸出電壓 輸出電壓與阻值無關(guān)，所以溫度變化對輸出電壓沒有影響。 Rr360)(EERrV360)(2. 旋轉(zhuǎn)編碼器n將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的傳感器稱為旋轉(zhuǎn)編碼器。將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的傳感器稱為旋轉(zhuǎn)編碼器。n旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量型和絕對型兩種。n增量編碼器有A相、B相、Z相三條光柵，A相與B相的相位差為90度。利用B相的上升沿觸發(fā)檢測A相的狀態(tài)，以此判斷旋轉(zhuǎn)方向。絕對式碼盤不透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志零位標(biāo)志透光區(qū)透光區(qū)n絕對編碼器光柵盤如圖所示，與位數(shù)(4，8，12，16)相對位置有柵

47、格，光敏二極管的個(gè)數(shù)也與位數(shù)對應(yīng)。用光敏二極管輸出的二進(jìn)制碼可以檢測轉(zhuǎn)動的絕對角度。 n2360分辨力角度3、直線光柵(1)結(jié)構(gòu)及工作原理直線光柵主要用來測量直線位移，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、信號處理方便等優(yōu)點(diǎn)。直線光柵分為透射式和反射式兩類，如圖4-45所示。透射式光柵是在透明的光學(xué)玻璃上刻制平行且等間隔的密集線紋，利用光的透射現(xiàn)象形成光柵；反射式光柵是在不透明的金屬材料上刻制平行等距的密集線紋，利用光的全反射或漫反射形成光柵。圖 直線光柵的結(jié)構(gòu)a）透射式光柵 b）反射式光柵1-光電元件 2、6-透鏡 3-狹縫 4-指示光柵 5-標(biāo)尺光柵 7-光源圖 直線光柵的外形1-標(biāo)尺光柵 2-光柵

48、讀數(shù)頭 3-電纜線 直線光柵的外形如圖所示。其中長的一根稱為主光柵或標(biāo)尺光柵，短的一根稱為讀數(shù)頭，讀數(shù)頭由指示光柵、光源、透鏡和光電元件等封裝組成。 下面以莫爾條紋式透射光柵為例介紹其工作原理。如圖所示，光柵尺上相鄰兩條線紋間的距離稱為柵距或節(jié)距。安裝時(shí)，應(yīng)保證標(biāo)尺光柵與指示光柵相距0.050.1mm間隙，并使兩者的線紋相互傾斜一個(gè)很小的角度。當(dāng)光源照射時(shí)，在線紋的相交處出現(xiàn)莫爾條紋，兩條莫爾條紋間的距離稱為紋距。已知柵距為，則有近似公式：/。通常很小，這樣就較大。當(dāng)標(biāo)尺光柵向右或向左移動一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋就向上或向下移動一個(gè)紋距W。 標(biāo)尺光柵右移時(shí)，莫爾條紋上移；標(biāo)尺光柵左移時(shí)，莫爾條紋下

49、移圖 光柵莫爾條紋的形成 莫爾條紋在移動一個(gè)紋距W的過程中，其光強(qiáng)的變化近似正弦波形，通過光電元件可將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)變成電信號。若僅用一個(gè)光電元件，只能產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號用作計(jì)數(shù)，還不能分辨運(yùn)動的方向。為了辨別光柵移動的方向，需沿著莫爾條紋的移動方向間隔1/4紋距布置A、B兩個(gè)光電元件，由于莫爾條紋通過兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，A、B兩個(gè)輸出信號將有90或1/4周期的相位差（如圖4-51所示），它們經(jīng)過放大整形與電子判向后，即可作為直線位移的計(jì)數(shù)脈沖。 與旋轉(zhuǎn)編碼器相同，直線光柵尺也有零位信號，且根據(jù)需要可以設(shè)置多個(gè)零位標(biāo)志。 四倍頻電路 為了提高增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和直線光柵的分辨率，需要增加刻線的密

50、度，但過密的刻線會使制造困難，而且成本也會提高。為此，常采用電子細(xì)分的方法來提高精度，電子細(xì)分又稱倍頻電路。光柵輸出信號的一個(gè)周期代表光柵移過一個(gè)柵距，如能把它的一個(gè)周期分成若干個(gè)等份，就能得到倍頻信號。常用的電子細(xì)分方式有四倍頻、五倍頻、八倍頻、十倍頻和二十倍頻等。 最常用的是四倍頻處理，電路如圖4-50所示。由增量式旋轉(zhuǎn)編碼器或直線光柵輸出的相位差為90的A、B相信號，經(jīng)4049芯片整形后變成A、B方波，通過對A、B方波反相可得C、D方波，然后對A、B、C、D四路方波進(jìn)行微分，在每路方波信號的上升沿處形成微分脈沖，再經(jīng)整形和合并，最后得到正反向的四倍頻脈沖。詳細(xì)的數(shù)字化波形如圖4-51所示

51、。 實(shí)現(xiàn)四倍頻處理也可以選擇專用芯片，如QA740210四倍頻集成電路。該芯片可將兩路正交的方波信號進(jìn)行四倍頻處理，輸出兩路加、減計(jì)數(shù)信號，可送到雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，也可直接送到微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。QA740210的典型接線如圖4-52所示，圖中0和90兩個(gè)引腳為兩路正交方波信號的引入端，+CP和-CP為正反向脈沖的輸出腳。圖4-50 四倍頻電路原理圖圖4-51 四倍頻電路數(shù)字化波形圖 圖4-52 QA740210四倍頻集成芯片的典型接線3. 超聲波傳感器n用超聲波來測量距離，在機(jī)器人上用于檢測障礙物。原理與蝙蝠通過感覺自己所發(fā)出的超聲波來測定距離的道理相同。n發(fā)

52、射器發(fā)出的超聲波碰到檢測物體后反射回來，由接收器接收，同時(shí)測定從發(fā)射到接收的時(shí)間T,設(shè)超聲波的傳播速度為v，則從超聲波傳感器到被測物體的距離可以用下式計(jì)算 超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，所以會產(chǎn)生誤差。此外，還由于定向性不是很好，反射效果受被測對象的表面狀態(tài)和材質(zhì)的影響，所以測量精度不是很高。2vTL 超聲波頻率高于超聲波頻率高于2000020000赫茲，方向性好，穿透力強(qiáng)，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距，測速，赫茲，方向性好，穿透力強(qiáng)，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。因其頻率下限大約等

53、于人的聽覺上限而得名。 3.3 速度和加速度的測量1. 1. 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)n利用發(fā)電機(jī)的原理測量旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，在線圈兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)法拉第定律E與旋轉(zhuǎn)速度成正比，這種原理可以用于角速度傳感器。 如果將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸直接連在一起，那么測速發(fā)電機(jī)就成為伺服電機(jī)的速度反饋傳感器。這種方法應(yīng)用廣泛。 dtdE2.加速度傳感器（地震儀式拾振器）n安裝在被測物體上，多用于機(jī)器人、飛機(jī)、車輛等設(shè)備上。n用彈簧和阻尼器將質(zhì)量塊連接到被測物體殼體內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)稱為地震地震儀系統(tǒng)儀系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)動方程式為 0)()(11xxkxxcxm 用相對位移表示得到

54、變換為標(biāo)準(zhǔn)形式得到傳遞函數(shù)為 1xmkxxcxmrrr 12rnrnrxxx 2221)(nnsssG用sj代入得到頻率傳遞函數(shù) 增益和相位分別為 在在=0.7=0.7附近，附近，1(1(振動頻率遠(yuǎn)振動頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固有頻率遠(yuǎn)小于固有頻率) )，增益為，增益為1 1n n2 2，相位差近似為相位差近似為180180度。度。檢測到的相對位移檢測到的相對位移x xr r的幅值是檢測物的幅值是檢測物體振動加速度幅值的體振動加速度幅值的1 1n n2 2倍，可倍，可以用于測試物體的振動加速度。以用于測試物體的振動加速度。 21)/1 ()(22jjGn22221)2()1 ()/1 ()(nrxjG18012tan21=/n 振動頻率比34 力和扭矩的測量1. 1. 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片n利用導(dǎo)體電阻的變化來測量應(yīng)變的傳感器。發(fā)生應(yīng)變時(shí)，阻值也發(fā)生變化。導(dǎo)體阻值可以用下式來表示，為電阻率。 電阻變化率為 AlRAAllRR【整體輪輻式腕力傳感器【整體輪輻式腕力傳感器】在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片，組成8路全橋輸出 。2. 壓電元件n水晶、鐵酸鋇等晶體，在受到特定方向力的作用時(shí)，就會在表而上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。n夾在兩塊極板間的晶體受力作用時(shí)，表面產(chǎn)生的電荷為 為壓電系數(shù)。極板間的電容為 極板間的電壓為 可以得到與力成正比的電壓，