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滚珠丝杠驱动机构线性模型都有哪些缺陷?

滚珠丝杠驱动机构线性模型的缺陷
通过采用理论推导的方法获得了滚珠丝杠驱动机构的数学模型,在建模过程中,系统理想化为了线性时不变系统。这一线性模型可以准确地描述驱动机构的宏观动力学特性,但无法反映其在微小运动条件下的非线性特性。在亚微米的运动范围内,摩擦等非线性因素主导着驱动机构的特性,极大地影响着伺服定位系统的响应。驱动机构在微小运动条件下表现出来的非线性特性称为微动特性。

微动特性和宏动特性之间的巨大差异给闭环控制系统的设计带来很大的困难,特别是在超精密定位系统中,由于定位分辨率和定位精度都被限制在纳米级,驱动机构的微动特性直接影响定位系统在目标位置附近的瞬态和稳态性能,甚至系统的稳定性。

作为对线性动力学模型的补充,有必要对滚珠丝杠驱动机构的微观非线性特性进行研究,以建立其微动特性模型。对于滚珠丝杠驱动机构来说,微动特性的主要影响因素是摩擦和回程间隙。

回程间隙  
回程间隙是指进给机构的传动链中存在的间隙 D。机构的运动方向发生变化时,使机构出现一定的空行程,此时机构处于停滞状态或失控状态。回程间隙包括静态间隙和动态间隙。静态间隙是指在机构处于静止状态时,机构运动副存在的间隙。动态间隙是指机构在运动过程中,由于动态力的作用,机构运动副发生变形而产生的间隙。图 3-2 是静态间隙和动态间隙产生的示意图。

回程间隙是影响伺服定位系统定位精度和稳定性的一个重要因素。由于回程间隙的存在,当系统出现微量超调时,机构的运动副处于间隙状态,机构输出部分的运动是相对自由的或者说是失控的,位移变得不可控制。因此,间隙的存在将极大地影响机构运动的控制精度。并且由于间隙的非线性

具有明显的相位滞后效应,它将给系统带来附加的相角滞后,使系统的相位裕度降低,动态品质变差,严重影响系统的动态稳定性。在滚珠丝杠驱动机构中,可能产生回程间隙的运动副有滚珠丝杠副、滚珠导轨副和轴承。

如果对这些环节不进行预紧,将存在静态间隙,如果预紧不当,将可能存在动态间隙,或导致摩擦力剧增。因此对于超精密进给机构,必须采取措施消除回程间隙。回程间隙的消除通常采用预紧法,即在运动副的接触面上施加预紧力,使得在运动过程中机构的运动副始终保持接触状态。

摩擦  
摩擦(通常指外摩擦)是指两个相互接触的固体在外载荷作用下所形成的真实接触区域内做相对切向移动时所发生的能力散逸过程。根据移动方式的不同,摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。

滚珠丝杠驱动机构中存在的摩擦环节主要有电机中电刷和转子之间的滑动摩擦,电机中轴承的滚动摩擦,丝杠螺母和丝杠之间的滚动摩擦,丝杠两端轴承的滚动摩擦,以及滚珠导轨副的滚珠摩擦。可以认为,该驱动机构具有较大的摩擦力,而且,既存在滑动摩擦,又存在滚动摩擦。

摩擦一般分为静摩擦阶段和动摩擦阶段。当外力不足够大时,两个相对物体之间由于接触摩擦的存在而没有产生相对运动,此时,系统处于静力平衡状态,这个阶段就是静摩擦阶段。但是,此时摩擦接触面产生弹性变形,导致两物体产生微小的相对位移。对于超精密滚珠丝杠副来说,这个微动位移范围一般小于1Lm。

滑动静摩擦产生的机理见。由于运动副的接触面不是理想的光滑表面,导致运动副的实际接触面积是许多对接触点,远小于其理论接触面积。在外压力N的作用下,接触点冷焊在一起,接触面的刚度就是这些冷焊在一起的接触点的刚度总和,远小于物体的刚度。在外力F的作用下,这些接触点局部材料发生变形,起到了类似于弹簧的作用,平衡了外力,同时也使得接触面产生微小位移。

滚动摩擦产生的机理比较复杂,包含弹性变形、塑性变形、界面粘着和界面微滑。对于滚珠丝杠副来说,由于滚珠和滚道都是由钢经过淬火处理的,可以认为几乎不存在塑性变形。采用哥特式滚槽代替圆弧滚槽,且滚珠和滚槽具有相同的弹性模量,也就不会出现界面微滑现象。

界面粘着现象的影响很小。因此在滚珠丝杠副中,摩擦主要是由于滚珠和滚槽的接触面产生的弹性变形引起的滚动阻力造成的。该机理可以简单地描述为一个刚性球体沿粘弹性平面滚动。由于粘弹性平面具有弹性恢复滞后现象,在接触区域,球体滚动方向的压缩区和反方向的松弛区在变形上不对称,所以弹性平面反抗压缩产生的阻碍球体滚动的弹性力,大于平面弹性恢复所产生的推动球体滚动的弹性恢复力,从而形成阻碍球体滚动的阻力矩。

在滚珠丝杠驱动机构中,由于所有运动副都采用了相应的预紧措施,回程间隙对机构执行性能的影响已经消除。因此,在位置控制最终阶段的微小误差范围内,静摩擦是驱动机构微动特性产生的主要原因,也是影响定位系统响应性能和稳态误差的主要原因。而随着对定位精度的要求越来越高,急需对驱动机构的静摩擦现象进行研究,为补偿其影响提供准确可靠的理论基础和实验依据。

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