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微特電機論文:光機電一體化機械系統(tǒng)
 
 

  l機械結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的骨架,是系統(tǒng)重要的組成部分。在光機電一體化設備中.機械結(jié)構(gòu)的形式和功能等都與以往的傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)有所不同.它在傳統(tǒng)的機構(gòu)原理的基礎上融人了現(xiàn)代機械的設計理念.而且有些地方還采用的是新材料和新工藝,達到并體現(xiàn)出如高精度、小型化、輕量化、外形人性化和部件模塊化等特點。機構(gòu)的設計與系統(tǒng)的控制是緊密關聯(lián)的,應盡量避免或減小非線性因素的影響,在符合動力學原理的前提下,保證系統(tǒng)高速狀態(tài)的穩(wěn)定性、剛性和實時性。
  機械系統(tǒng)主要包括支撐、傳動機構(gòu)和作業(yè)保障裝置,而在開發(fā)光機電一體化產(chǎn)品時,考慮機構(gòu)的傳動是設計工作的重點。
  傳動機構(gòu)有減速裝置、力(力矩)和速度傳遞轉(zhuǎn)換裝置。常用的有螺旋傳動、帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、桿機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)和諧波傳動等,此外還有一種新型的減速機構(gòu)RV傳動裝置,以及作為傳動的重要保障裝置的導向部件。
  1.螺旋傳動

       螺旋傳動是基本的傳動形式,主要是以螺母和絲杠之間的嚙合形成相對運動來完成動力和速度的傳遞,這種傳動大體分為兩類.一是滑動摩擦傳動形式,另一個是滾動摩擦傳動形式。滑動摩擦是指螺母和絲杠之間的關系處于相互接觸的滑動狀態(tài)。圖1一l是絲杠與螺母滑動摩擦形式的螺旋傳動結(jié)構(gòu)形式。


  這種形式的螺旋傳動機構(gòu)的特點是加工方便、成本較低、具有一定的自鎖性,但是其傳動效率不高,一般在30%~40%,由于其磨損較嚴重,因此有高精度要求時需要具  有間隙檢測和調(diào)節(jié)裝置。在實際應用過程中,根據(jù)所構(gòu)成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作業(yè)任務的要求,有四種基本傳動方式。第一種是螺母固定,絲杠轉(zhuǎn)動并移動。這種結(jié)構(gòu)由于絲杠為桿件,在穩(wěn)定性方面受到限制.因此絲杠的長度不宜過長。第二種是螺母轉(zhuǎn)動,絲杠移動。對于小型的裝置來說,由于這種結(jié)構(gòu)需要較大的空間來布置傳動機構(gòu),因此實用性受到一定的限制。第三種是絲杠轉(zhuǎn)動,螺母移動。這種方式是將螺母與運動部件固連在一起,因此需要有導向機構(gòu)來保證傳動的精度和平穩(wěn)性。第四種是螺母轉(zhuǎn)動并移動,絲杠固定。該結(jié)構(gòu)由于在使用上不是很方便,因此很少被設計采納。
  螺旋傳動的另外一種是采用滾珠絲杠的滾動摩擦的形式.滾珠絲杠如圖1- 2所示。


  這種方式傳動乎穩(wěn)、精度較高、螺母和絲杠之間的間隙容易調(diào)整,但是沒有自鎖性,對于自鎖的場合需要設計并安裝自鎖機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)基本是由絲杠、滾珠、螺母和返向器(主要實現(xiàn)的循環(huán))組成.在某些精度較高的傳動系統(tǒng)中可采用滾珠絲桿的傳動形式,但是相對于滑動螺旋傳動來說其成本較高·同時對絲杠的密封和防塵有一定的要求。滾珠絲杠傳動有內(nèi)、外循環(huán)兩種方式,內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)上比較緊湊,外循環(huán)結(jié)構(gòu)比較粗大,此外.這兩種方式在加工和調(diào)整方面的難易程度不同。
  2.帶傳動

      帶傳動也是一種普遍應用的傳動形式,可以應用于較大距離的傳動,在傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)中,通常依靠帶與帶輪間產(chǎn)生的摩擦力來傳遞動力,由于帶與帶輪之間容易產(chǎn)生滑動,造成丟轉(zhuǎn),因此對于位置和速度要求精確的傳動不宜采用這種方式。不過打滑現(xiàn)象可以避免傳動機構(gòu)由于卡死而導致機械結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或者電機等毀壞。在光機電一體化系統(tǒng)中常常采用同步帶來實現(xiàn)較大距離的傳動。圖l-3即為同步帶以及帶與帶輪的嚙合。


  同步帶傳動具有帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的優(yōu)點,帶與帶輪靠嚙合傳遞運動和動力,帶與帶輪間無相對滑動,能保證準確的傳動比,此外這種傳動噪聲比帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動小,耐磨性好,不需油潤滑,壽命比摩擦帶長。主要缺點是制造和安裝精度要求較高.中心距要求較嚴格,在某些場合也需要有帶的張緊裝置。針式打印機上的打印頭的運動是由同步帶來帶動的。同步帶有單面有  齒和雙面有齒兩種形式,其齒形有多種,我國有同步帶的國家標準,其品種可由專門的生產(chǎn)廠家提供。
  ’  對于鏈傳動和齒輪齒條機構(gòu),由于這兩種傳動形式是比較傳統(tǒng)和普遍的.在機械設計上的資料很多,也很詳細,因此在這里不做主要介紹。連桿機構(gòu)也是很常見的機構(gòu)形式,資料也很多,實際應用中如果使平面連桿機構(gòu)進行小范圍的空間運動,可采取在該機構(gòu)的鉸鏈處安裝角軸承等措施加以解決。
  3.諧波傳動

       諧波傳動原理最開始是由美國人在20世紀50年代發(fā)明的,此后通過不斷改進和不斷應用,從而形成一種新型的傳動方式.它利用行星輪系少齒差傳動的原理,主要由三個基本構(gòu)件組成——波發(fā)生器、剛輪和作為柔輪的中間撓性體,對于柔輪為杯形的諧波齒輪機構(gòu),波發(fā)生器為動力的輸入端,柔輪為輸出端;對于扁平形的結(jié)構(gòu),一個剛輪是固定的,另一個剛輪則是輸出端。這種傳動方式在傳動過程中,柔輪產(chǎn)生的彈性變形波近似于諧波,故稱之為諧波傳動。
  諧波傳動具有傳動比大、傳動平穩(wěn)、精度高、回程誤差小、噪聲低、能夠傳遞很大的力矩,并且結(jié)構(gòu)緊湊簡單的特點。在同樣傳動比的情況下,如果使用諧波傳動,可以使結(jié)構(gòu)尺寸更小,因此在小結(jié)構(gòu)、大輸出的傳動設計中被經(jīng)常使用。
  諧波傳動與行星輪系的傳動比較類似,波發(fā)生器相當于系桿,柔輪相當于行星輪,剛輪相當于太陽輪。柔輪具有外齒圈,剛輪具有內(nèi)齒圈,一般齒形為漸開線形或者三角形.剛輪的齒數(shù)比柔輪的齒數(shù)要多幾個齒。柔輪為薄圓筒形狀,能夠變形。波發(fā)生器的長軸尺寸比柔輪的內(nèi)徑要大,當波發(fā)生器安裝到柔輪內(nèi)時,迫使柔輪變形為橢圓形,使得柔輪的部分外齒與剛輪的部分發(fā)生嚙合接觸,而其他部分的齒則處于逐漸進入嚙合、逐漸脫開、不嚙合的狀態(tài)。圖1-4是諧波傳動裝置的結(jié)構(gòu)和實物圖。


  在工程應用的諧波傳動裝置一般有兩個觸頭的波發(fā)生器和三個觸頭的波發(fā)生器。對于兩個觸頭的波發(fā)生器來說,剛輪與柔輪相差兩個齒數(shù),當波發(fā)生器轉(zhuǎn)一圈時,剛輪與柔輪相對轉(zhuǎn)過兩個齒距。
  諧波齒輪的傳動比計算與行星輪系的傳動比計算類似,計算過程不復雜。目前有比較多的生產(chǎn)廠家,而且都有產(chǎn)品樣品手冊,設計者可以根據(jù)實際設計任務的技術需要來選擇合理的諧波減速器。但是值得指出的是,微小型的光機電一體化系統(tǒng),在設計上往往受到體積的限制,當選用諧波傳動裝置時,如果直接選用廠家的產(chǎn)品,則可能不滿足要求,因此一般的解決方案是選用諧波傳動裝置中的三大件(波發(fā)生器、柔輪、剛輪),確定相應的結(jié)構(gòu)連接方式。
  4.Rv傳動裝置

       20世紀80年代日本的帝人制機公司將RV(Rotate vector)減速器投放市場,尤其在機器人領域得到了很好的應用。這種傳動方式與擺線針輪傳動機構(gòu)類似,它是基于擺線針輪傳動而發(fā)展起來的一種新型傳動機構(gòu),由漸開線圓柱齒輪行星傳動和擺線針輪傳動組成。圖1 5是該傳動的機構(gòu)原理圖,圖1-6是其實物

  圖。在圖l一5中,部分I是開式漸開線圓柱齒輪行星傳動機構(gòu),部分Ⅱ是擺線針輪傳動機構(gòu)·也就是說RV傳動裝置是由兩個基本周轉(zhuǎn)輪系所構(gòu)成的混合輪系,可以進行二級減速。其特點是,運動精度高、體積小、傳動比范圍大、回差小、剛度大、壽命長,以及抗沖擊能力較好。RV傳動裝置的傳動效率很高,這是因為RV傳動機構(gòu)是二級減速傳動,擺線針輪與齒輪間可做成滾動摩擦副,而且整個傳動系統(tǒng)中不存在封閉功率,因此能以很高的效率進行傳動。對于諧波傳動和RV傳動機構(gòu),諧波傳動的輸入速度較低.當輸入速度較高時會發(fā)出比較大的響聲.對諧波傳動機構(gòu)的壽命不利。此外其傳動回差較大.因此對于傳動精度要求較高的設計需要進行位置控制。RV傳動機構(gòu)的傳動精度很高,輸入速度較高時也較平穩(wěn)。諧波傳動機構(gòu)可以根據(jù)實際需要改變“三大件”的尺寸等參數(shù),且安裝和拆卸方便,而RV傳動機構(gòu)就比較復雜。
  5.導軌

       導軌在大多數(shù)光機電產(chǎn)品中都會用到,實際上導軌也是一種傳動副.主要起到機構(gòu)傳動定向和支撐作用。導軌的種類很多,一般按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動導軌、滾動導軌和以流體為介質(zhì)的摩擦導軌。
  對于導軌,一般要求具有必要的剛度、導向精度、運動靈活且無爬行現(xiàn)象.對環(huán)境的適應性好以及工藝上制造簡單等。
  滑動導軌的截面形狀很多,如有三角形、矩形、燕尾形、圓形等。其結(jié)構(gòu)如圖1—7所示,一般由滑塊、導軌以及其他輔助部件組成,如螺釘、密封裝置、潤滑裝置和間隙調(diào)節(jié)裝置等。


  滾動導軌副的滑塊和導軌之間是滾動體(如滾珠、滾柱或滾針),滑塊在運動過程中,滾珠或滾柱是轉(zhuǎn)動的,即滑塊與滾動體之間、導軌與滾動體之間處于滾動摩擦狀態(tài)。
  如果導軌與滑塊之間的介質(zhì)為流體,則為非接觸式的摩擦導軌,如靜壓導軌、動壓導軌等,這種類型的導軌需有壓力提供裝置,以便使流體能夠以一定的壓力進入滑塊和導軌之間,從而保持所需要的壓力。
  導軌是光機電一體化產(chǎn)品的重要部件,其設計的合理性直接與系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度有關,同時對系統(tǒng)控制也有一定的影響,在實際設計或選擇導軌類型時,一般都采用組合式的,即導軌截面方向上的兩處參與配合的導軌副的截面并不是一樣的。因此導軌副的選擇應注意以下問題:
  1)應根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、載荷大小、運動精度等選擇導軌的類型。
  2)應考慮導軌副的間隙調(diào)節(jié)。
  3)應考慮導軌副的潤滑。
  4)應考慮導軌副的密封。
  5)導軌要有足夠的剛度。
  6)導軌和滑塊的材料應盡量不同。
  7)應考慮制造上的工藝性等。
  此外值得指出的是,對于比較精密且傳動精度要求較高的微小型光機電產(chǎn)品,建議應該優(yōu)先選擇滾動導軌或者具有自潤滑功能的滑動導軌。一般來講.滾動導軌磨損比較小.移動靈活,用較小的功率就能驅(qū)動.在精密儀器中被廣泛采用.但是在滾動體之間或者滾動體與接觸面之間具有較高的密封要求,因此在防塵方面要有合理的措施,并且這種導軌的成本也比一般的滑動導軌要高,結(jié)構(gòu)也較復雜。滾動導軌的一般結(jié)構(gòu)類型有:滾珠導軌、滾柱或者滾針導軌、滾動軸承導軌等。
  滾珠導軌的結(jié)構(gòu)形式之一如圖1—8所示。

滾珠導軌的截面形式及組合方式也有多種,如雙v形滾道、四圓柱滾道、雙圓弧滾道、V平面滾道(見圖1 8)等。滾珠導軌被廣泛應用到顯微鏡、投影儀、精密儀器、機器人等光機電一體化設備中。

 

 

 

 

 
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