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1、,四、開環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算,確定脈沖當(dāng)量,初選步進(jìn)電機(jī),根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定,對(duì)于開環(huán)伺服系統(tǒng),一般取 =0.005-0.01mm/pulse,初選步進(jìn)電機(jī)指:選擇步進(jìn)電機(jī)的類型和步矩角,混合式:兼以上二者優(yōu)點(diǎn),但價(jià)格高,反應(yīng)式: 小、f 高、價(jià)格低,功耗大,,永磁式: 大、f 低,功耗小,斷電后仍有制動(dòng)力矩,確定減速傳動(dòng)比,按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù)參數(shù)選用,傳動(dòng)比公式:,計(jì)算出的傳動(dòng)比較小時(shí),采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng),傳動(dòng)比較大時(shí),采用多級(jí)齒輪傳動(dòng),齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)增加時(shí),使齒隙和靜摩擦增加,傳動(dòng)效率降低,故傳動(dòng) 級(jí)數(shù)一般不超過3級(jí)。,傳動(dòng)級(jí)數(shù)的分配原則: 傳動(dòng)比逐級(jí)增加(或前小
2、后大原則),使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。,(1) 最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 利用該原則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最小。,如右圖,若不計(jì)軸和軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,則根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)能不變的原則,等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:,,,,因?yàn)椋?所以:,,,即:,,令,可得,(2) 重量最輕原則 對(duì)于小功率傳動(dòng)系統(tǒng),使各級(jí)傳動(dòng)比滿足, 即可使傳動(dòng)裝置的重量最輕。 上述結(jié)論對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)是不適用的,因其傳遞扭矩大,故要考慮齒輪模數(shù)、齒輪齒寬等參數(shù)要逐級(jí)增加的情況,此時(shí)應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、類比方法以及結(jié)構(gòu)緊湊之要求進(jìn)行綜合考慮。各級(jí)傳動(dòng)比一般應(yīng)以“先大后小”原則處理。,,(3) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原
3、則 為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度,各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”原則分配,以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 ,則 式中: 第個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差; 第個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至第級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。,,,,,計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,目的:為選擇步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析做基礎(chǔ),圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式:,折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd計(jì)算公式為:,確定步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù),步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算:,步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定:,驗(yàn)算慣量匹配,步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)頻率確定:,步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行頻率確定
4、:,根據(jù)啟動(dòng)頻率特性曲線: Tq 對(duì)應(yīng)的 fqmax ,實(shí)際運(yùn)行的fq < fqmax,根據(jù)運(yùn)行頻率特性曲線: TL 對(duì)應(yīng)的 fmax ,實(shí)際運(yùn)行的f < fmax,電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)控制在:,小慣量電機(jī)(Jm=0.00005kgm2),大慣量電機(jī)(Jm=0.1--0.6kgm2),,,,比值太大,系統(tǒng)動(dòng)特性受負(fù)載變化干擾;比值太小,不經(jīng)濟(jì),大馬拉小車。,計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度,通過減速傳動(dòng)比i和絲杠導(dǎo)程p的合理搭配,使慣量匹配趨于合理。,傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng),圖示 絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型,傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度為:,此公式計(jì)算的主要是拉壓
5、剛度,而絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度比拉壓剛度大的 多,一般不予考慮,扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為:,G為切變摸量,計(jì)算死區(qū)誤差,計(jì)算定位誤差,死區(qū)誤差又稱之為失動(dòng)量,指啟動(dòng)或反向時(shí),系統(tǒng)的輸入與輸出 運(yùn)動(dòng)間的差值,產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因,電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動(dòng)死區(qū)(不靈敏區(qū)),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙,,導(dǎo)軌副間的摩擦力,由綜合拉壓剛度而產(chǎn)生的死區(qū)誤差:,F為軸向負(fù)載力,由于傳動(dòng)剛度變化引起定位誤差為:,對(duì)于開環(huán)系統(tǒng),為系統(tǒng)允許的定位精度,驗(yàn)算固有頻率,固有頻率的計(jì)算公式為:,m 是工作臺(tái)質(zhì)量或,工作臺(tái),絲杠,,,五、開環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)誤差分析,誤差來源,誤差校正,步進(jìn)電機(jī):步進(jìn)電機(jī)的步距誤差,一般在 左右,突然啟動(dòng)時(shí)
6、有滯后, 停止時(shí)有超前,從整個(gè)系統(tǒng)的誤差看,這一誤差較小,通常忽略不計(jì);,齒輪傳動(dòng):齒輪副的傳動(dòng)誤差和間隙會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成誤差;,滾珠絲杠副傳動(dòng):滾珠絲杠副的軸向間隙產(chǎn)生誤差,而且由于綜合拉壓 剛度不足,會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)誤差;,其它傳動(dòng)裝置:聯(lián)軸器、齒型帶傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成 傳動(dòng)誤差。,1、機(jī)械校正:提高機(jī)械裝置自身的精度,減少誤差,如消隙、減少等效轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量、提高傳動(dòng)剛度、提高固有頻率等;,2、電子校正:,反向死區(qū)補(bǔ)償: 利用反向死區(qū)補(bǔ)償電路調(diào)整撥碼開關(guān)進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償電路,1. 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法 (1) 圓柱齒輪傳動(dòng) (a) 偏心套(軸)調(diào)整法 如右圖所示,將相互嚙合的一對(duì)齒
7、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(dòng)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(jiǎn)單,但其側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。,(b) 軸向墊片調(diào)整法 如右圖所示,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(dòng),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。,(c) 雙片薄齒輪錯(cuò)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。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一
8、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(huì)出現(xiàn)死區(qū)。,(2) 斜齒輪傳動(dòng) 消除斜齒輪傳動(dòng)齒輪側(cè)隙的方法與上述錯(cuò)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(cuò)開了。,(3) 錐齒輪傳動(dòng) (a) 軸向壓簧調(diào)整法 軸向壓簧調(diào)整法原理如圖6-15,在錐齒輪4的傳動(dòng)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(dòng),從而消除了其與嚙合的錐齒輪l之間的齒側(cè)間隙。,(b) 周向彈簧調(diào)整法 將與錐齒輪3嚙合的齒輪做成大小兩片(1、2),在大片錐齒輪1上制有三個(gè)周向圓弧槽8,小
9、片錐齒輪2的端面制有三個(gè)可伸入槽8的凸爪7。彈簧5裝在槽8中,一端頂在凸爪7上,另一端頂在鑲在槽8中的鑲塊4上。止動(dòng)螺釘6裝配時(shí)用,安裝完畢將其卸下,則大小片錐齒輪1、2在彈簧力作用下錯(cuò)齒,從而達(dá)到消除間隙的目的。,2. 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 當(dāng)傳動(dòng)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上圖6-17 齒輪齒條的雙齒輪調(diào)隙機(jī)構(gòu)。 預(yù)加負(fù)載,使大齒輪2、5同時(shí)向兩個(gè)相反方何轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)小齒輪1、6轉(zhuǎn)動(dòng),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) 雙螺母預(yù)緊原理 根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式,當(dāng)墊片厚度較厚時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)拉應(yīng)力”,而當(dāng)墊片厚度較薄時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)壓
10、應(yīng)力”以消除軸向間隙。,3.滾珠螺旋傳動(dòng),(2) 單螺母預(yù)緊原理(增大滾珠直徑法) 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。,(3) 單螺母預(yù)緊原理(偏置導(dǎo)程法) 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,以達(dá)到預(yù)緊的目的。,電路具有自動(dòng)判斷方向的改變,并在反向時(shí)發(fā)出補(bǔ)償命令的功能,補(bǔ)償脈 沖可以達(dá)到幾百個(gè)。 例: 測(cè)量得到的反向死區(qū)誤差為0.016mm,系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm/pulse, 試問撥碼開關(guān)應(yīng)預(yù)置到哪一檔才能實(shí)現(xiàn)死區(qū)的補(bǔ)償?,數(shù)字仿真誤差校正: 預(yù)先將誤差的
11、數(shù)學(xué)模型輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)一邊輸出工作指令,一方面計(jì)算誤差,輸出校正指令,形成附加運(yùn)動(dòng),用以校正位移誤差。,反饋補(bǔ)償誤差校正: 采用反饋補(bǔ)償型的開環(huán)控制系統(tǒng)減小系統(tǒng)的誤差,提高精度。,撥碼開關(guān)應(yīng)預(yù)置到3檔,消除誤差為 3*0.005=0.015mm,,反饋補(bǔ)償型的開環(huán)控制系統(tǒng)原理如下:,e=s機(jī)-s電,,補(bǔ)償脈沖,六、閉環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算,采用步進(jìn)細(xì)分電路校正誤差: 實(shí)質(zhì)上是減小了步進(jìn)電機(jī)的步距角即角脈沖當(dāng)量,使轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能減小,振動(dòng)減小,精度提高,特別是提高了低速時(shí)的平滑性。,選擇伺服電機(jī)類型,交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)各有其有特點(diǎn),根據(jù)系統(tǒng)要求確定,對(duì)于伺服 進(jìn)給系統(tǒng)而言,
12、要求伺服電機(jī)具有: 調(diào)速范圍寬且穩(wěn)定,速比大,低速(0.1r/min)時(shí),速度穩(wěn)定性仍好; 負(fù)載特性硬(受負(fù)載沖擊,速度穩(wěn)定性好),過載能力強(qiáng); 響應(yīng)速度快,從零轉(zhuǎn)速到1500r/min,時(shí)間在0.2s內(nèi),角加速度達(dá)400rad/s2 能夠頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、加減速等。,國(guó)外伺服電機(jī)品牌:,德國(guó):SIEMENS公司、INDRAMAL公司等,美國(guó):AB公司、PARKER公司,法國(guó):ALSTHOM公司,國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)生產(chǎn)廠家較多,集中在華東和華南地區(qū),選擇導(dǎo)軌種類,確定阻尼比,由實(shí)驗(yàn)可得到各種導(dǎo)軌的等價(jià)阻尼比,同時(shí)考慮系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性、 潤(rùn)滑、材料等。,靜壓導(dǎo)軌:0.02,滑動(dòng)導(dǎo)軌:0.02--
13、0.3,,滾動(dòng)導(dǎo)軌:0.02--0.05,確定系統(tǒng)增益 k 和機(jī)械傳動(dòng)鏈的固有頻率,根據(jù)控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求,一般取 k= 815/s,由系統(tǒng)增益和導(dǎo)軌阻尼比,初步確定滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求所需的機(jī)械傳 動(dòng)鏈固有頻率 為:,阻尼比,五、絲杠工作臺(tái)的簡(jiǎn)化模型,設(shè)計(jì)伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)并校驗(yàn),這一環(huán)節(jié)的計(jì)算與開環(huán)系統(tǒng)類似,主要包括:,機(jī)械傳動(dòng)方案選擇; 初選絲杠直徑; 計(jì)算總傳動(dòng)比; 計(jì)算等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,并驗(yàn)算慣量匹配; 計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)綜合拉壓剛度,并計(jì)算固有頻率,校驗(yàn)是否滿足系統(tǒng)對(duì) 固有頻率的要求。 計(jì)算出某項(xiàng)不符合要求時(shí),重新設(shè)計(jì)計(jì)算。,絲杠工作臺(tái)縱振(水平方向)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為下圖所示的動(dòng)力學(xué)模型,即 彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。,圖示 絲杠工作臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,動(dòng)力學(xué)平衡方程為:,式中:,m 是絲杠工作臺(tái)的等效集中質(zhì)量,c 是絲杠工作臺(tái)導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù),k 是絲杠螺母機(jī)構(gòu)的綜合拉壓剛度,y 是工作臺(tái)的實(shí)際位移,x 是電機(jī)轉(zhuǎn)角折算到工作臺(tái)的等效位移,即指令位移,對(duì)上式拉氏變換,得系統(tǒng)傳遞函數(shù):,化簡(jiǎn)成二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式為:,令,,,,為絲杠工作臺(tái)系統(tǒng)的固有頻率,為系統(tǒng)縱向振動(dòng)阻尼比(即粘性阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比),影響系統(tǒng)動(dòng)特性的主要參數(shù)是 和 ,由 k、m、 c 決定。,,