《机电一体化》第2章

1、第二章 机械系统,一、概述,二、传动机构设计,三、导向机构设计,四、执行机构设计,一、机械系统的组成和功用,1、传动机构2、导向机构3、执行机构,机电一体化产品对机械系统的基本要求,1、高精度2、快速响应性好3、良好的稳定性 。,稳定是前提，精度和快速响应性是关键,机械系统的组成,1、传动机构 功能：不仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的一部分，要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。,2、导向机构 作用：是支撑和导向。,3、执行机构 作用：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定操作，要有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。,二、传动机构设计,传动机构性能要求：,转动惯量小 摩擦小 阻尼合适 刚度大 抗振性能好 间隙小 1.转动惯量大会使机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。2.刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。 3.阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。 。,二、传动机构设计,常用传动结构：,1、无侧

2、隙齿轮传动机构2、滚珠丝杠副传动机构 3、软轴传动机构4、同步带传动机构 5、谐波齿轮减速器6、间歇机构 。,1 无侧隙齿轮传动机构,由于机电一体化产品中的传动机构具有自动换向功能，例如数控机床中的进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以保证机构的双向传动精度。,电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。,（一）圆柱齿轮传动 (1)偏心轴套调整法,(2) 双片薄齿轮错齿法,薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少t，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙。,（二）斜齿轮传动 (1)垫片调整法,其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,(2)轴向压簧错齿调整法,（三）锥齿轮传动机构 (1)轴向压簧调整法,(2)周向压簧调整法,（四）齿

3、轮齿条传动机构,1 滚珠丝杠副传动机构,结构,1 滚珠丝杠副工作原理与结构,丝杠和螺母的螺纹滚道间有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，相对运动时产生滚动摩擦。在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，与螺纹滚动形成循环回路。,滚珠丝杠副特点：,传动效率高。达到 90%95%。,运动具有可逆性。 回转运动 直线运动,效率相同,系统刚度好。传动精度高。使用寿命长。不能自锁 。需要设置制动装置工艺复杂,滚珠丝杠副的结构类型,可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。,滚珠丝杠的视频,A. 滚珠丝杠副的螺纹滚道型面(法向)的形状有单圆弧型和双圆弧型，如图所示。滚道型面与滚珠接触点的法线与丝杠轴向的垂线间 的夹角称作接触角，一般为45。,滚道法向截形示意图,B 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有 内循环 和外循环两种。,(a)内循环。 内循环方式 的滚珠在循环过程中与丝杠表面保持接触。,优点：回路短，流畅性好，效率高，径向尺寸小,缺点：反向器加工困难，装配调整不方便。,内循环,(b)外循环。 外循环方式中的滚珠在循环返回时, 离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循

4、环运动。从结构上看，外循环有三种形式。端盖式、螺旋槽式、插管式。,螺母,套筒,端盖式示意图,在螺母上钻出纵向孔，作为滚珠回程滚道，两端有套筒盖板。,滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作，而影响其性能。一般用作升降传动机构。,端盖式外循环,套筒,螺母,滚珠,挡珠器,螺旋槽式示意图,在螺母的外圆表面洗出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，两个挡珠器。,工艺简单，径向尺寸小，易于制造；挡珠器刚性差，易磨损。,螺旋槽式外循环,弯管,压板,螺纹滚道,滚珠,插管 式示意图,用弯管代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道相切两个内孔，用弯管的端部引导滚珠进入弯管。,结构简单，容易制造，但径向尺寸较大，弯管端部比较容易磨损。,图 3-23 插管式外循环,滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法,滚珠丝杠副的轴向间隙： 是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙 的总和。,轴向间隙消除方法双螺母预紧法,常用的消除轴向间隙的方法,旋转圆螺母消除轴向间隙并产生一定的预紧力，再用锁紧螺母锁紧。,双螺母螺纹预紧调隙式,凸缘,螺纹,图 3-25 双螺母预紧,特点：结构紧凑刚度

5、高预紧可靠应用广，但使用中调整不方便，也不很准确，适用于一般精度的传动机构。,双螺母垫片预紧 调隙式,垫片,双螺母齿差预紧调隙式,调整时，先卸下两端的内齿轮；当二个螺母相对于套筒同方向各转到一个齿后；再将两内齿轮固定。可以实现定量调整，精密微调。,圆柱齿轮,当两个螺母按同方向转过一个齿时,其相对轴向位移为 式中,Ph为导程。如果z1=99,z2=100,Ph=8 mm,则L=0.8 m。特点：调整精度很高，工作可靠，但结构复杂，加工工艺和装配性能较差。,注意：(a) 预紧力大小必须合适，应不超过最大轴向负载的三分之一。,(b) 要特别注意减小丝杠安装部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响。,滚珠丝杠副的安装,(a) 支撑副的选择 为了提高轴向刚度，常采用止推轴承组合来支撑丝杠。目前常用的轴承组合有以下三种：,双推自由式（一端固定，一端自由）双推简支式（一端固定，一端游动）双推双推式（两端固定）,圆锥滚子轴承,双推-自由式,适用于短丝杠或垂直安装的丝杠。,双推简支式,适用于较长的卧式安装丝杠,调节轴承的间隙，并根据预计温升产生的热膨胀量对丝杠进行预拉伸。适

6、用于对刚度和位移精度要求较高的场合。,为减小丝杠因自重的下垂和补偿热膨胀，应进行预拉伸。,推力角接触轴承,两端固定式,(b) 制动装置 垂直传动时，由于滚珠丝杠副的传动效率高，又无自锁能力，故需安装制动装置以满足其传动要求。,数控铣床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图,电机,齿轮,压簧,电磁线圈,摩擦离合器,滚珠丝杠,主轴箱,滚珠丝杠的标记方法,南京工艺装备制造厂：CMFZD4083.5C3/14001000江汉机床厂：FCB4053E2左,2 同步带传动副,同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动。利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。,（1）兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便的实现较远距离传动且无相对滑动，平均传动比较准确。（2）传动精度高，且带的强度高、厚度小、重量轻，用于低速及高速传动，传动效率高。（3）在使用中齿形带不需张紧，作用在轴和轴承处的载荷小，传动效率高，在数控机床和工业机器人中得到了广泛应用。,特点：,3 谐波齿轮传动,椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则

7、视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。,谐波齿轮传动的优点, 传动比大； 承载能力高； 传动精度高，基本无冲击振动； 可以向密封空间传递运动或动力； 传动平稳，传动效率高； 结构简单、体积小、质量轻。,谐波齿轮传动的缺点,柔轮和波发生器制造复杂，需要专 门设备，成本较高。传动比下限值较高。不能做成交叉轴和相交轴的结构。,注意：谐波齿轮传动主要应用在大传动比的（如机器人、雷达、电子 仪器仪表等）机电一体化系统中得到了广泛的应用。,4 软轴传动机构,有几层紧密缠绕在一起的弹簧钢丝层组成，相邻层的缠绕方向相反。工作时相邻两层钢丝中一层趋于拧紧，一层趋于拧松，使各层趋于压紧来传递转矩。,应用范围：,（1）主要用于两个传动件的轴线不在同一直线上或工作时彼此要求有相对运动的场合。（2）可以弯曲地绕过各种障碍物，远距离传递回转运动。（3）适合受连续冲击，也适合高速、小扭矩的场合，其转速可达20000r/min ,功率不超过5.5kW。（4）不

8、适合低速大转矩的传动。,三、导向机构,1、导轨的功用： 机电一体化产品的导向结构是导轨，其作用是导向和支撑。,2、导轨的组成,导轨主要由两部分组成:支撑（静）导轨和动导轨。,滑动导轨:,（2）滚动导轨: 磨损少，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可靠，结构复杂，制造困难，成本高。,3、导轨的基本要求,（1）导向精度：指动导轨沿支撑导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。,直线运动导轨的几何精度一般有以下几项规定： 直线度。 纵向直线度导轨在垂直平面内的直线度 横向直线度导轨在水平面内的直线度,两导轨面间的平行度,（2）耐磨性。 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。 （3）疲劳和压溃,（4）刚度。 导轨的刚度就是抵抗因载荷而变形的能力。,（5） 运动的灵活性和低速运动的平稳性，避免爬行现象。 爬行现象运动件在低速运行时，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停。 爬行现象主要有摩擦力的变化和传动刚度不足所致。（6）结构工艺性：注意制造调整维修方便，力求机构简单，工艺性

9、及经济性好。,滚动导轨的特点,1）承载能力大2）刚性强3）寿命长4）传动平稳可靠5）具有机构自调整能力,滚动直线导轨分类 滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨之间加入滚动体，变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支撑。,滚动导轨按滚动体形状，分为滚珠导轨、滚柱导轨二种。,4、滚动直线导轨,（b）按导轨截面形状分：矩形和梯形两种。,5、常用导向机构,塑料导轨。 塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成的。常用的塑料导轨材料有以下三种：,塑料导轨软带。 将其粘贴在金属导轨上所形成的导轨又称为贴塑导轨。,塑料导轨软带特点：1）摩擦系数低且稳定2）动静摩擦系数相近3）吸收振动4）耐磨性好5）化学稳定性好6）维护修理方便7）经济性好,金属塑料复合导轨板,钢带，保证强度和承载力,青铜粉，提高导热性,摩擦面,摩擦特性优良，耐磨损。,塑料涂层 导轨副中，若只有一面磨损严重，则可把磨损部分切除，涂敷配制好的胶状塑料涂层，利用模具或另一摩擦面使涂层成形，固化后的塑料涂层即成为摩擦副中的配对面之一，与另一金属配对面形成新的摩擦副。,四、执行机构,常用执行机构的设计方法,手动机械式,四、执行机构,（2）热变形式 热变形式执行机构 属于微动机构，该类机构利用电热元件作为动力源，电热元件通电后产生的热变形实现微小位移。,

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