ZY2000 14 26掩护式液压支架的设计

资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】 徐州工程学院毕业设计(外文翻译) Int J Adv Manuf Technol (2003) 21:604–611 《 国际日报》 所有权和版权 《先进的制造技术》 2003 伦敦斯普林格出版社有限公司 二级齿轮减速器的球手万向节的间隙计算 J. H. Baek, Y. K. Kwak 和 S. H. Kim 机械工程系，韩国先进的科学技术协会，373-1 Gusung-dong Yusung-gu Daejon，韩国 一种用于计算有二级齿轮减速器的级数或边际贡献率的新技术被提出。这个概念是基于频率响应的变化特性,尤其是谐振频率和共振频率的变化,由于每个阶段的强烈变化不同，尽管二级齿轮减速系统总的强烈变化不变。技术的有效性在验证万向节得到了满意的结果。人们认为所提出的技术将使具有二级齿轮减速器的生产设备和系统的诊断和维修变得更高效经济合理。 关键词：谐振频率；间隙计算；边际贡献率；频率响应特性；共振频率；球手万向节 1. 摘要 自动化生产设备和机器人的频繁使用极大的提高了对伺服系统和伺服电机的需求。随着电机制造技术的进步，伺服系统已经发展出不需要齿轮减速机的直接驱动类型电机。然而，迄今为止，齿轮减速机伺服系统被广泛国内外很多领域的生产设备，因为伺服系统的体积重量比齿轮减速机的大，而转矩相对比起来显得较小。有齿轮减速机的伺服系统从开始使用就对齿轮有间隙。因此，为处理这些问题做了很多研究。为了诊断和保持机器人和伺服系统的性能，研究开发了一种监测和检测强烈变化大小的方法。Dagalakis和Myers以相关函数和频率响应共振峰之间的大小和电机电压和机器人加速度为手段。Stein和Wang为了检测和计算有齿轮减速器的伺服系统的间隙，基于动量转移分析开发了一种技术。他们发现和第二齿轮相撞的主要齿轮的速度改变和间隙大小有关。Saker等人发展了一种技术补充Stein和Wang由于使用脉冲力矩的影响，而不是主要齿轮的速度变化。Pan等人发展了一种技术用于检测和分类使用Wigner–Ville分派结合一个正弦联合运动和机器人加速度关联的二维相关函数。但是，还没有技术用于估计级数或控制通常用于生产设备和机器人的有多级齿轮减速器的伺服系统间隙每个阶段的速度。为了获得大小不同的间隙并使这种级数保持在正确的范围，知道系统每个阶段的间隙大小显得非常重要。因此，本文的目的是提出一种技术用于计算级数或控制有二级齿轮减速器的伺服系统的边际贡献率。边际贡献率被定义为第一阶段的间隙和总的间隙的大小比例。根据每个阶段的间隙和级数的变化，计算每个阶段的间隙的观念建立在频率响应特性伺服系统的谐振频率（ARE）和共振频率（RF）的改变，尽管总的间隙在伺服系统中是不变的。为了验证该方法的有效性，二个具有球手万向节的为了稳定方向的驾驶伺服系统用于实验。一个是方位驾驶伺服系统（ADSS），另一个是海拔驾驶伺服系统（EDSS），二个伺服系统都具有二级齿轮减速器。 2. 球手万向节模型 2.1 球手万向节里的ADSS模型 本文中提到的，如图1（a）所示就是具有二级齿轮减速器的球手万向节的照片。ADSS和EDSS相当于球手万向节的二个驱动部分。 图1 （a）球手万向节 （b）ADSS结构 （c）ADSS模型 （d）EDSS结构 （e）EDSS模型 在图1（b）中所示，ADSS部分中，除了从动齿轮2固定在固定轴上，阴影部分如主动齿轮2，传动轴1，从动齿轮1，主动齿轮1，电动机和关于轴线AA`对称的轴都在转动轴承上。这是假设由于负载，每一个支撑轴承都没有任何间隙。同时，忽视阻尼特性的影响。在这些假设的基础上提出了如图1（c）所示的ADSS模型。主动齿轮1的惯性转矩包括电动机在内。扭转弹簧代表从动齿轮1右边由于主动齿轮1和从动齿轮1的牙刚度造成的扭转刚度。轴1中，惯性转矩集中在从动齿轮1和主动齿轮2中间和扭转弹簧上，连接从动齿轮1和主动齿轮2的轴1相当于受到2倍扭转力。由于从动齿轮2和固定轴是固定的，所以他们只受到扭转力矩而没有受到惯性转矩。当主动齿轮固定时，每个间隙被描述成齿轮旋转角度。在图1（c）中由（双点）阴影线封闭的组件表明ADSS的负载。ADSS被认为由一个转数表过滤器一个电机放大器和上述结构组成。电机放大器用于放大电机的输入电压。一个具有转速表的永磁型直流电机作为一个执行机构。使用一个二阶低通滤波器是为了过滤转速表的输入电压。这些部件的电学量等式如下所示： 式(1) 式(2a) 式(2b) 式(3) 式(4) 电动机的运动公式如下所示： 式(5) 由于主动齿轮1和从动齿轮1之间的间隙，从动齿轮1的传递扭矩被描述成公式6。模型的不工作区域被用作间隙的模型。 式(6) 其中 式(7) 从动轮1的运动等式如下： 式(8) 轴1的运动等式如下： 式(9) 此外，主动轮2的运动等式如下： 式(10) 图2 根据边际贡献率画出的ADSS的图表（） （a）实例1 （b）实例2 （c）实例3 （d）实例4 （e）实例5 （Sim：模拟数据；Exp：实际数据） 像式6一样，扭转负载的为式11所示： 式(11) 其中 式(12) 这里，从动轮和轴2之间的等效扭转刚度如下： 式(13) 最后， 负载等式如下： 式(14) 从这些等式中可以得出，经过过滤的转速表输出电压和经过电机放大器的输入电压相关。此外，总间隙和每个阶段的间隙的关系如下： 式(15) 其中 （i=1,2） 式(16) 2.2 球手万向节中的EDSS模型 在这个部分，EDSS模型和运动等式是推导出来的。EDSS结构如图1（d）所示。由于从动轮2是直接连接到负载，这个时候从动轮2的转动惯量包括负载而从动轮2只有一个扭转弹簧模型，如图1（e）所示。EDSS的电机放大器和转速表过滤器这之间的运动等式和ADSS的一样，除了把运动等式（10）—（13）和运动等式（15）更换成运动等式（17）—（20），如下所示： 式(17) 式(18) 其中 式(19) 式(20) 从运动等式（1）—（9），运动等式（14）到运动等式（17）—（20），是反映转速过滤器的输出电压和电机放大器的输入电压的关系。 3. 仿真 众所周知，总间隙的增加会导致系统的频率响应特性，这会导致系统的有效扭转惯量减少，转速表过滤器的输出电压和电机放大器的输入电压的关系会发生改变。尽管总间隙大小是不变的，但是，这也没被报道，因为一个拥有每个阶段都不同的间隙的伺服系统会有不同的频率反映特性。在这个试验中，伺服系统中的每个阶段的间隙是通过这种现象和假设检验的。为了验证这个假设，ADSS的频率响应特性是根据边际贡献率研究的。如图2所示，ADSS的波特图是由模拟获得的。表1给出了用于模拟的规格。根据边际贡献率变化得出的每个阶段的间隙大小的组合在表2列出。他们是从运动公式（15）和运动公式（20）获得。为了得到图2的模拟结果，对上一节中的运动方程的描述被转换成一个图表。模拟结果就需要使用MATLAB Simulink V.6.1软件。由电机放大器提供的正弦电压的振幅峰值是2.5V，取样时间为10秒。图2中，由频率分析得到的波特图为了提取转速过滤器的输出电压和供给电机放大器的正弦电压组成的激振频率。由图3（a）得到的ARF和RF汇总在表2中。ARF和RF的不同如图3（b）所示。从图3（a）和图3（b）可以发现伺服系统的频率反映特性是根据每个阶段的间隙的大小的改变而改变，尽管总间隙大小不变。为了更深入的调查这种现象，球手万向节的EDSS和ADSS以相同的方式模拟。由图3（d）和图3（e）得到的结果列在表2。从图3（a），（b），（c）和（d）可以证实尽管总间隙的大小是不变的，但是由于具有二级齿轮减速器的伺服系统的每个阶段的间隙的大小变化，会有一个不同的频率响应特性。 表1：ADSS和EDSS的参数 参数 ADSS EDSS 从动齿轮1的齿数， 5.94 6.41 扭转强度，（mN/rad） 3.40E4 4.74E4 从动齿轮1的转动惯量，（kg） 2.34E-5 3.69E-5 轴1的扭转刚度， 22.8 1.54E2 轴1的惯性矩， 8.30E-8 2.04E-7 主动轮2的惯性矩， 2.21E-7 4.84E-7 齿轮齿数比，， 10.5 7.75 等效扭转刚度，，（） 7.74E4 2.54E5 载荷的惯性矩，（） 2.75E-3 1.44E-2 载荷静摩擦扭矩，（） 7.0E-3 7.1E-3 总间隙，（deg。） 0.066 0.276 电机电感， 8.50E-4 电机电阻， 4.10 Back-EMF常量， 3.44E-2 转矩灵敏度， 3.49E-2 续表1 电机的惯性矩， 8.60E-6 电机的静摩擦力矩， 1.40E-2 电机放大器增益， 4.11 转速灵敏度， 8.60E-2 传递函数的低通滤波器， 电机的阻尼系数， 1.6E-4 表2. 根据边际贡献率得到的ADSS和EDSS的仿真结果和实验结果（Exp：实验结果） 4. 实验 根据实验获得的ADSS和EDSS的波特图如图4（a）和图4（b）所示，是由动态分析仪（HP35670A）所获得的。由实验得到的ADSS和EDSS的ARF和RF如表2所示。为了验证该方法的准确度和有效性，把系统的每个齿轮减速器分解后，每个阶段的ADSS和EDSS的间隙通过光学显微镜测量得到。每个阶段的间隙的实例测量如图4（c）和（d）所示，测量数据列在表2. 图3 根据边际贡献率得出的模拟结果 （a）ADSS的ARF和RF （b）ADSS的ARF和RF的不同之处 （c）ADSS的误差指数 （d）EDSS的ARF和RF （e）EDSS的ARF和RF的不同之处 （f）EDSS的误差指数 5. 结果和讨论 因为仿真的结果是在忽略阻尼效果和轴承速度的假设的情况下得到的，这导致在实验和仿真之间很难获得完全一致的结果。因此，仿真结果和实验结果的误差指数和被发现的最小边际贡献率被定义为等式（21）。 误差率= 式(21) 根据边际贡献率得到的ADSS和EDSS的误差率如图3（c）和（f）所示。研究表明ADSS的边际贡献率的最小误差率为25% ,EDSS的边际贡献率的最小误差率为0%。由每个阶段测量得到的ADSS和EDSS的边际贡献率为别为 23% 和4%。从图4（e）可以发现被提出的技术可以充分准确的估计大小或具有二级齿轮减速器的球手万向节的每个阶段的间隙的边际贡献率。 图4 （a）ADSS的实验结果 （b）EDSS的实验结果 （c）ADSS的间隙测量 （d）EDSS的间隙测量 （e）估计的边际贡献率和实验得到的边际贡献率的比较 比较图3（c）和图3（f），EDSS比ADSS有一个更高的最小误差指数（EDSS：20Hz，ADSS：10Hz）。人们认为最住要的误差来源于忽略阻尼特性的假设。对图1（c）和图1（e）的准确的传递函数的分析是非常复杂和难懂的。因此，为了简化阻尼特性的分析，每个伺服系统被简单的认为是一个具有二个量和一个模型的线性系统。从图4（a）和图4（b）看出，由等式9和10计算得到的近似阻尼因子和ARF和RF的频率减少比例。 式(22) 式(23) (当时) 式(24a) (当时) 式(24b) 阻尼因子和降频比例都是由图5（a）和图5（b）获得的。ADSS的ARF阻尼因子为0.075，ADSS的RF阻尼因子为0.083，而EDSS的ARF阻尼因子为0.135，EDSS的RF阻尼因子为0.246。ADSS的ARF频率降低比例为0.56%，ADSS的RF的频率降低比例为0.69%，而EDSS的ARF频率降低比例为1.8%，EDSS的RF频率降低比例为6.2%。从图5（a）和图5（b）可以看出，人们认为EDSS的误差大于ADSS的误差主要是由于阻尼系数，就像前者有更复杂的结构而后者根据负载。人们还认为剩余的误差来源于EDSS的负载的不确定性。最后，人们认为如果系统的负载有一个小的阻尼系数和小的不确定性，ARF和RF的频率特性可以用来估计具有二级齿轮减速器的球手万向节的每个阶段的间隙的大小和边际贡献率。 图5（a）ADSS和EDSS的阻尼因子（b）由于阻尼因子造成的ADSS和EDSS的频率减少比例 6. 结论 频率响应特性的ARF和RF被认为是为了估计具有二级减速齿轮器的球手万向节的每个阶段的间隙的大小和边际贡献率的措施。该方法的概念是基于由于每个阶段的间隙的大小的变化的引起的ARF和RF的变化，尽管间隙的总大小是保持不变的。仿真结果表明，如果伺服系统，尤其是，伺服系统负载，具有一个小的阻尼系数和一个小的不确定性，该技术能够分别估计具有二级齿轮减速器的ADSS和EDSS的每个阶段的间隙大小。该技术具有以下几个优势： 第一，这是一种用于估计如果系统的间隙的总大小可以获得的系统的每个阶段的间隙的全新的方法。 第二，该技术不需要外加的传感器如加速度计或扭距传感器，因为他可以测量使用转数计的电机的角速度。 第三，由于只有一个松的或过度松的齿轮需要调整或替换而不是取代整个齿轮减速器，所以这种技术是高效和经济的。 第四，这种技术可以应用到nonrobotic伺服系统，比如说NC机械，因为它是机器人链接上或者是一个伺服系统的输出抽上的一个不是必要的传感器。人们都认为采用这种技术，诊断和维护各种生产机械和各种伺服系统将会变得更高效更经济。 致谢 我们要特别感谢LG Innotek有限公司支持这个研究和Sung Min Hong, Ho Young Kim 和Byung HoLee 的赞助。 符号 电机的粘滞阻尼系数（） 衡量从动齿轮i的角侧隙（°）（i=1,2） 输出阶段测量的总间隙(°) ，从试验中得到的在点附近的半功率点宽度频率（Hz） ， 从试验中得到的ARF和RF（Hz） ， 从模拟中得到的ARF和RF（Hz） ，仿真和实验中得到的ARF和RF的不同之处（Hz） 转数表过滤器的传递函数 电机电流（A） ，，，从动齿轮1的惯性矩，负载的惯性矩，电机的惯性矩，传动轴1的惯性矩（） 主动齿轮i的惯性矩（）（i=1,2） 从动齿轮2和主动齿轮2之间的等效扭转刚度（） 电机放大器的获得 E.m.f.常量 主动齿轮i和从动齿轮i之间的扭转刚度（）（i=1,2） 第i根轴的抗扭劲度（）（i=1,2） 电机的转矩灵敏度（） 灵敏度转速（） 电机的电感（H） 由于第i个从动齿轮和第i个主动齿轮之间的侧隙角的弧长（m）（i=1,2） 主动齿轮i和从动齿轮i的齿数比（i=1,2） 主动齿轮2和从动齿轮2之间的回转齿数比（） 阻尼因子的定义因素 ， 由于阻尼影响的ARF和RF的频率降低比例(%) 运动抗阻（） ， 电机负载的静摩擦扭矩（） 从动齿轮1的传递扭矩（） 负载扭矩（） 电机扭矩（） 电机放大器的输入电压（V） 电机的输入电压（V） 转速计的输出电压（V） 转速过滤器的输出电压（V） 在从动齿轮旁边测量得到的角侧隙半值(rad)(i = 1, 2) 第i阶段的角传动误差(rad)(i = 1, 2) ，，，，从动齿轮1的旋转角度，负载的旋转角度，电机的旋转角度，主动齿轮2的旋转角度，和传动轴1的旋转角度(rad) ， 谐振的阻尼因子和共振的阻尼因子 Sign（）括号内的sign值 14