一種快速低振運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

唐振華　付志健　劉超　周憶

摘 要：針對(duì)某些特殊場(chǎng)合需要的快速低振的工作需求，設(shè)計(jì)出一種利用蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的快速運(yùn)動(dòng)裝置，進(jìn)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算。利用Solidworks軟件建立三維模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在100ms內(nèi)打開(kāi)120埃椅蕹寤鰨閔杓埔?。?/p>

關(guān)鍵詞：快速低振 蝸輪蝸桿 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）007-101-03

1 引言

目前越來(lái)越多的工廠采用了自動(dòng)化控制，人工操作被機(jī)械或自動(dòng)化設(shè)備所替代，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有增強(qiáng)工作安全性能和環(huán)境保護(hù)性能?？焖龠\(yùn)動(dòng)裝置是應(yīng)用于某些場(chǎng)合要求在特殊情況下快速平穩(wěn)地打開(kāi)或關(guān)閉并能夠精準(zhǔn)定位，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求。本文根據(jù)快速低振機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出一種新型的快速低振運(yùn)動(dòng)裝置，制造了樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2 快速運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 裝置的運(yùn)動(dòng)方案比較

針對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)要求，有兩種傳動(dòng)方案，即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1和圖2。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就是利用驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。由于連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩不易平衡很容易使機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)，使動(dòng)力性能惡化，嚴(yán)重影響機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以連桿機(jī)構(gòu)不適合于高速工作的場(chǎng)合，而且連桿機(jī)構(gòu)有動(dòng)作延遲和傳動(dòng)累積誤差，機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副數(shù)目多，傳動(dòng)效率越低，這對(duì)于這樣一個(gè)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和精度要求極高的裝置來(lái)說(shuō)是致命的缺點(diǎn)。

1-滑塊；2-連桿；3-曲柄（執(zhí)行構(gòu)件）

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

1-電機(jī)；2-蝸桿；3-蝸輪；4-夾子（執(zhí)行構(gòu)件）

圖2 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)示意圖

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)就是利用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)蝸桿，從而蝸輪帶動(dòng)夾子打開(kāi)。相比連桿機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、具較大承載能力更能滿足快速運(yùn)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)比范圍大，可以利用這一特點(diǎn)降低對(duì)驅(qū)動(dòng)器的輸出要求。綜合兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)作為裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

由于機(jī)構(gòu)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，執(zhí)行構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)要求在100ms內(nèi)完成所需動(dòng)作，并要求機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)振幅不超過(guò)5 m。整體考慮裝置及其結(jié)構(gòu)，提出如圖2所示的運(yùn)動(dòng)方案：采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)蝸桿，蝸桿兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)蝸輪（兩個(gè)蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向相反），從而用蝸輪帶動(dòng)夾子運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾子的打開(kāi)與閉合。

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算：構(gòu)件數(shù)：n=3，低副數(shù)：PL=3，高副數(shù)：PH=2

所以自由度F=3？-3？-2=1。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的選擇，由于步進(jìn)電機(jī)輸出力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而下降，從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，且啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，所以步進(jìn)電機(jī)不適合本設(shè)計(jì)方案的基本要求。

對(duì)考慮到裝置運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有沖擊，運(yùn)動(dòng)時(shí)間極短，控制的精度要求高，因此選用伺服電機(jī)。伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的過(guò)載能力且不會(huì)出現(xiàn)丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，滿足裝置的需求。

根據(jù)夾子打開(kāi)的角度（120埃┘八枰氖奔洌？00ms）設(shè)計(jì)執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖3所示。

圖3 速度、加速度時(shí)間曲線

角速度-時(shí)間曲線：

（1）

角加速度-時(shí)間曲線：

（2）

2.3裝置主要零件設(shè)計(jì)

裝置主要零件是蝸輪蝸桿，首先選擇蝸輪類型，由于本實(shí)驗(yàn)裝置要求精度高、功率大、速度快，采用漸開(kāi)線蝸桿。

選擇材料及熱處理方式：蝸桿選用45鋼，表面淬火處理，表面硬度大于45HRC。蝸輪材料選用鋁青銅。蝸輪蝸桿主要參數(shù)：齒數(shù)z1=4，z2=29；模數(shù)m=2mm；蝸桿導(dǎo)程角 =19.65埃淥問(wèn)浴？

合理設(shè)計(jì)其它輔助零件，通過(guò)Solidworks軟件三維建模，得出模型如圖4所示。執(zhí)行構(gòu)件固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，蝸輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸在底座內(nèi)采用角接觸球軸承支撐。蝸桿兩端安裝端蓋，避免軸向串動(dòng)。電機(jī)與蝸桿采用彈性聯(lián)軸器連接。其它零件根據(jù)各自的工作環(huán)境互不干涉進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試及結(jié)果

快速低振運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)物如圖5所示，圖a為裝置初始狀態(tài)，圖b為裝置快速打開(kāi)后狀態(tài)，執(zhí)行構(gòu)件打開(kāi)120?。?/p>

a 執(zhí)行構(gòu)件關(guān)閉 b 執(zhí)行構(gòu)件打開(kāi)120？

圖5 快速低振運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)物圖

利用伺服裝置PTP模式，通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)試軟件設(shè)定伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線的一系列參數(shù)，如圖6所示，根據(jù)夾子打開(kāi)的角度為120埃萯=7.25，則電機(jī)的角位移為435啊K歐緇牟問(wèn)柚眉？。

圖6 伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置結(jié)果

表1 伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置表

待電機(jī)參數(shù)設(shè)置完畢，進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)過(guò)5次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得兩執(zhí)行構(gòu)件打開(kāi)的時(shí)間如表2所示。五次實(shí)驗(yàn)中，執(zhí)行構(gòu)件打開(kāi)120八璧氖奔渚滴？9.6ms，與設(shè)計(jì)要求的100ms誤差僅為0.4%，證明該裝置能夠滿足快速要求。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

①-角速度時(shí)間曲線，②-角加速度時(shí)間曲線

圖7 伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)曲線

通過(guò)伺服系統(tǒng)軟件對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤反饋，得到如圖7所示的運(yùn)動(dòng)曲線，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，單位ms，與設(shè)定的余弦加速度運(yùn)動(dòng)曲線相符，速度平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩也無(wú)異常突變，沖擊小，滿足低振動(dòng)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種利用蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的快速低振運(yùn)動(dòng)裝置，建立了三維立體模型并制作出了試驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析表明該裝置能夠在100ms的時(shí)間內(nèi)快速打開(kāi)120埃也捎媒樸嘞壹鈾俁仍碩媛桑揮興俁瘸寤骱圖鈾俁瘸寤鰨懔松杓埔蟆U攵鑰燜僭碩爸玫腦碩螅疚納杓瞥雋艘桓瞿芄喚蝦梅咸跫目燜俚駝褡爸茫岢雋艘桓鱟艿腦碩刂品槳福院蟮南喙匱芯康於ㄒ歡ǖ幕 ？

（基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：1110611056））

參考文獻(xiàn)：

[1] LLE.Target Detection and Shroud Pull Sequencingfor Cryogenic-Target Operations on the OMEGA System[R].USA：LLE Review，2000.

[2] 羅繼曼，孫志禮.對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度可靠性模型的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002（06）.

[3] 楊芬，周春國(guó)，劉凱，等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模與仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008（6）.

[4] 周憶，左東，廖云飛，等.一種快速開(kāi)合的低溫靶防護(hù)罩設(shè)計(jì)分析[J].中國(guó)科技論文在線，2012（11）.

[5] 吳文宇，孫長(zhǎng)青. 送經(jīng)機(jī)構(gòu)中蝸桿傳動(dòng)承載能力的計(jì)算分析[J].紡織機(jī)械，2003.

[6] Yang.Ge，Gaines，James A，Nelson，Bradley J.Open-structure reconfigurable experimental workstation for fast and reliable microassembly[J].Proc SPIE Int Soc Opt Eng，2000.

[7] 黃志瑛，李威.步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)性能比較[J].廣西輕工業(yè)，2010（3）.

[8] 黃茂林.機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[9] 徐聲云.提高圓柱蝸桿減速器傳動(dòng)質(zhì)量的方法[A].第五屆江蘇電機(jī)工程青年科技論壇暨江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2011.

[10] 曾文忠.基于SolidWorks對(duì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（4）.

[11] Springfeld，P.Handling. know-how in hot shaping[J].Springer-VDI Verlag GmbH und Co.KG，June，2010.

[12] Craig R.Wuest，Edward I.Moses.The National Ignition Facility：Laser Performance and First Experiments[R].Madison，WI，United States：Lawrence Livermore National Laboratory，2004.