《机械系统》PPT课件.ppt

第二章 机械系统,概述 传动机构 导向机构 执行机构 等效转动惯量与等效力矩,对机械系统的基本要求：,高精度,快速响应,良好的稳定性,较大刚度,良好的可靠性,重量轻,寿命长,体积小,机械系统的组成,传动机构： 传递转矩和转速 导向机构： 支承和限制 执行机构： 用来完成操作任务,对传动机构的性能要求,1、转动惯量及质量都要小。 2、刚度大 3、阻尼合适 4、摩擦小 5、抗振性好、稳定性高 6、间隙小,传动机构的种类,传动机构种类：齿轮传动副、滚珠丝杠副传动系统、同步齿形带、谐波齿轮减速器、软轴传动、联轴器、滚珠花键等机构。 学习要点:各类传动工作原理、特点（优点及缺点）、典型结构、设计选用方法。,图a 偏心套式间隙消除机构 1偏心套 2电动机 3减速箱 4 5减速齿轮,图b 圆柱齿轮轴向垫片 间隙消除机构 1、2齿轮 3垫片,图c 锥齿轮轴向压簧调隙机构 1、4锥齿轮 2、3键 5压簧 6螺母 7轴,图2-16 滚珠丝杠副 1螺母 2滚珠 3回程引导装置 4丝杠,工作过程动态演示,滚动丝杠副,按螺纹滚道的截面形状分单圆弧型和双圆弧型 按滚珠的循环方式分内循环和外循环 按消除轴向间隙的调整方法 分双螺母螺纹预紧调隙式、双螺母齿差预紧调隙式 、双螺母垫片预紧调隙式 、弹簧式自动调整预紧式,结构类型,外循环式滚珠丝杠（插管式）,外循环式滚珠丝杠（插管式）,内循环式滚珠丝杠,内循环式滚珠丝杠,端盖循环方式的滚珠丝杠,端盖循环方式的滚珠丝杠,不同螺纹滚道的截面形状,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副 1.反向器 2.弹簧套 3.丝杠 4.拱形片簧,插管式外循环滚珠丝杠副 1.销钉 2.压板 3.螺纹滚道 4.滚珠,端盖式外循环滚珠丝杠副 1.螺母 2.套筒（有滚珠的回程道口）,双螺母螺纹预紧调隙式,双螺母齿差预紧调隙式,双螺母垫片预紧调隙式,弹簧式自动调整预紧式,滚动丝杠副 特点,传动效率高。90%-95%,运动具有可逆性。正逆 效率基本一样,系统刚度好。 因能预紧 故无爬行,传动精度高。 制造精度高,工艺复杂。 成本高,不能自锁。 因重力而下滑,使用寿命长。 比滑动高5-6倍,双推自由式 （P17） 单端拉伸，轴向刚度低，适合中小载荷，低速，短行程场合。,双推简支式 单端拉伸，轴向刚度不高，适合中速精度较高场合,双推双推式 两端预拉紧，轴向刚度高，适合高速、高刚度、高精度。,超越离合器 1外圈 2星轮 3滚柱 4活销 5弹簧 特点：单方向传递运动,电磁摩擦制动装置示意图 特点：便于实现自动控制 （图示滚珠丝杠用于垂直轴时的自锁方式。）,滚珠丝杠副的主要尺寸参数,同步带传动,特点,能方便地实现较远中心距的传动；,工作平稳，能吸收振动；,不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；,强度高，厚度小，重量轻；,中心距要求严格，安装精度要求高；,制造工艺复杂，成本高。,同步带传动,梯形齿同步带结构 1-带背 2-承载绳 3-包布层 4-带齿,同步带主要参数,谐波齿轮传动,谐波齿轮传动,优点,传动比大。 单级50-5000,最高可达30000以上,承载能力大。 同时啮合齿数有30%-40%,传动精度高。 啮合齿数多，误差均化,可以向密封空间传递运动或动力。,传动平稳 。 无冲击振动,传动效率高 。 单级在69%-96%,结构简单、体积小、重量轻。,谐波齿轮传动,用于机器人、雷达、射电望远镜、电子仪器、仪表等的大传动比传动机构中,缺点,柔轮和波发生器制造复杂。,传动比下限值较高。,不能做成交叉轴和相交轴的结构。,软轴传动,滚珠花键机构,2、机械系统 导向机构,导轨的组成和分类 导轨按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。 按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。 根据导轨之间的摩擦情况，常用导轨有滑动导轨和滚动导轨。,对导轨的基本要求,（1）导向精度,（2）刚度,（3）耐磨性,（4）运动的灵活性和低速运动的平稳性,直线运动导轨的几何精度,塑料导轨,塑料导轨软带(贴塑导轨） 金属塑料复合导轨板 塑料涂层,软带粘贴形式,金属塑料复合导轨,滚动导轨,摩擦系数小（0.003-0.005），运动灵活,动、静摩擦系数基本相同，启动阻力小，不易产生爬行现象,可以预紧，刚度高,寿命长,精度高,润滑方便 一次装填润滑脂，长期使用。,工作过程动态演示,优点,滚动导轨结构形式,滚动体循环式导轨副,滚动导轨副,导轨用滚动轴承,2、机械系统 执行机构,执行机构的分类 热变形式 磁致伸缩式 工业机器人末端执行器,图2-42 热变形式微动机构原理,2、机械系统 执行机构热变形式,传动杆受热伸长，伸长量L(mm)为： L=L(t1-t0)=Lt 式中：传动杆1材料的线性膨涨系数（um/.m）； L传动杆长度（m）； t1加热后的温度（）； t0加热前的温度（）； t加热前后的温度差（）,图2-44 磁致伸缩式原理,2、机械系统 执行机构磁致伸缩式,伸缩棒的变形量L(m)为： L=L 式中，材料磁致伸缩系数（m/m）； L伸缩棒被磁化部分的长度（m） 100mm长的铁钴矾棒，磁致伸缩只能伸长7m。,磁致伸缩式精密坐标工作台,工业机器人末端执行器,1、机械夹持器 圆弧开合型 、圆弧平行开合型 、直线平行开合型 2、特种末端执行器 真空吸附手 、电磁吸附手 3、万能手（或灵巧手）,圆弧开合型夹持器,运动过程演示,圆弧平行开合型夹持器,运动过程演示,运动过程演示,直线平行开合型夹持器,特种末端执行器 (a)真空吸附手 （b)喷枪 （c)空气袋膨胀手(d)弧焊焊枪(e)电磁吸附手(f)点焊枪,负压真空吸附手,具有磁粉袋的吸附手,灵巧手,模仿人手的多指多关节机器人末端执行器,等效转动惯量,转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量，它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关 。,折算到某特定轴（电机轴）上的全部负载转动惯量Jd(Kg.m2),转动惯量：,等效转动惯量：,惯量匹配原则,电机轴上的总等效转动惯量Jd与电机轴自身的转动惯量Jm应控制在适当范围内： 比值太大，系统动特性受负载变化干扰； 比值太小，不经济，大马拉小车.,通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理,等效转动惯量的计算,系统由有m个转动件和n个移动件组成，则系统运动部件的总能量为：,等效计算原则: 等效前后系统总能量保持不变,设等效轴的转动惯量为Jk,等效转动惯量的计算（教材P35）,系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效转动惯量为： 式中：Ji为第i个转动件的转动惯量（Kg.m2 ）；ni为其转速；nk为电机轴的转速（r/min）； vj为第j个移动件的移动速度（m/min）；mj为其质量（Kg）,等效力矩计算,系统在t时间内，克服所受力矩和力所作的功为： 设等效到第k轴的等效力矩为 则有:,等效力矩计算,系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效力矩Tk为： Ti为第i个转动件的负载转矩（N.m）；Fj为第j个移动件所受的负载力（N）,启动时加速转矩,式中，Tamax为等效到电机轴上的加速转矩，单位N.m; Jk为等效到电机轴上的总转动惯量,单位kg.m2; nmax为电机轴启动后达到的最高转速,单位r/min; t为启动过程需要时间,单位s 注:系统制动时所需要制动力矩计算方法同上.,系统带负载启动时需要的转矩,系统带负载启动时,电机需要转矩TM为等效负载转矩Tk和加速转矩Tamax之和,即:,例：如图数控机床的进给伺服系统中，已知齿轮1的齿数Z1=25，转动惯量J1=0.0003Kg.m2 ，齿轮2的齿数Z2=50，转动惯量J2=0.0048Kg.m2 ，滚珠丝杠的转动惯量J3=0.003Kg.m2 ，丝杠螺距P=10mm，电机的转动惯量JM=0.0016 Kg.m2,工作台质量m=100Kg,驱动系统总效率0.8,工作台与导轨面的摩擦系数为 。已知切削进给时沿进给方向阻力为100Kg,启动时电机达到最高转速500 r/min的启动加速时间为50ms。试求： （1）系统转换到电机轴上的等效转动惯量是多少？ （2）系统空载启动和切削进给时转换到电机轴上的等效力矩分别是多少？, 工作台的最高移动速度: v=n1Z1P/Z2=500250.01/50=2.5 m/min 齿轮2的转速 n2=n1Z1/Z2=50025/50=250 r/min 等效转动惯量: J1=JM+J1+（J2+J3）（n2/n1）2+m(v/n1)2/42 =0.0016+0.0003+(0.0048+0.003)(250/500)2+100(2.5/500)2/42 =0.0016+0.0003+0.00195+0.000063=0.0039 Kg-m2,(2)加速力矩Ta,阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5 (N),空载启动等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M),切削阻力F=100*9.8/0.8=1225（N）,切削进给等效力矩T=TF+Tf=1+0.02=1.02(N.M),例2-1 设一进给系统，如图2-44所示。已知：工作台及工件质量mA=300kg；工作台沿运动方向的负载F500N；电动机转子的转动惯量Jm0.04 kgm2；齿轮z1和轴I的转动惯量Jl0.003 kgm2，齿轮z2和轴的转动惯量J20.032 kgm2，轴上的负载转矩Tp=2 Nm。 求 计算转化到电动机铀上的等效转动惯量和等效转矩，(忽赂摩擦阻力)。,解 (1)计算等效转动惯量,此时，m=2，n=1,故转化到电机轴上总的等效转动惯量Jr为0.075 kgm2，而且,（2）计算等效转矩,此时 m=1，n=1。,故转化到电机轴上的等效转矩Tk为5.5 Nm。,例2-3 图2-46为某一数控车床床鞍驱动系统，最快进给速度vmax=1.5m/min，工作台和刀架等总重量mA=300kg，驱动系统总效率=0.8，滚珠丝杠导程Pz0=6mm，步进电动机的步距角=1.5，工作台与导轨摩擦系数f=0.02，步进电动机起动加速时间为25mm，丝杠预紧力不考虑。 已知系统参数及步进电动机特性见表2-2和表2-3，求计算转化到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩，并结合步进电动机的起动矩频特性，分析在此条件下，步紧电动机能否起动。,解: （1） 求nmax,（2） 求JP,（3） 求Tmax,（4） 求Tf,此时 m=0 n= 1 Fj=3009.80.02/0.8N=73.5N Vj/nk=1.5/250=0.006,由已知条件知，步进电动机在1500Hz时，启动转矩为5Nm，而步进电动机在1250Hz时，实际的负载转矩为3.57Nm，因为步进电动机的启动转矩大于实际负载转矩，故步进电动机在快速启动进给系统时，能顺利启动而不失步。,作业题,1.什么是机电一体化？机电一体化系统的基本组成要素有哪些？ 2.简要叙述机电一体化系统的共性关键技术 3.常用的机械传动机构有哪些？各有何特点 4.滑动导轨和滚动导轨各有何特点