机电一体化的机械结构教学课件#PPT格式.ppt

2019/4/8,1,主要内容,第1章 概论 第2章 机械系统的部件选择与设计 第3章 机电一体化中的执行元件 第4章 微机控制系统及接口设计 第5章 机电一体化系统中的检测传感器 第6章 机电一体化系统的控制策略 第7章 典型机电一体化系统实例分析,2019/4/8,2,第2章 机械传动部件与支承技术,2.1 机电一体化系统对机械传动的要求 2.2 机械传动部件的分类 2.3 丝杠螺母机构的传动形式 2.4 齿轮传动部件 2.5 柔性传动机构 2.6 间歇传动部件 2.7 导向支承部件的设计与选择,2019/4/8,3,2.1 机电一体化对机械系统的要求,传统的机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速变换器，其目的是使驱动电动机与负载之间在扭矩和转速上得到合理的匹配。 在机电一体化系统中，普遍采用计算机控制和具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机。伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了机械传动中的变速机构，大大简化了传动链。,2019/4/8,4,机电一体化系统中的机械传动部分已成为伺服系统的组成部分，必需根据伺服控制的要求进行设计和选择。 例如，在数控机床的设计中，把机械传动部分放在电动机调速系统中统一考虑，以提高整个系统的动态特性。,2019/4/8,5,机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小、并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。,2019/4/8,6,机械传动部件的分类,机械传动部件分类,2019/4/8,7,丝杠螺母机构的传动形式,丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。 a、按功能分为： 有传递能量（千斤顶，螺旋压力机）； 有传递运动（工作台的进给丝杠）； 调整位置（螺旋测微器）。 b、按运动副分为： 滑动摩擦机构：结构简单，成本低，具有自锁功能，但摩擦力大，传动效率低； 滚动摩擦机构：结构复杂，成本高，摩擦力小，传动效率高。,2019/4/8,8,2.3.2 滚珠丝杠传动部件,1）滚珠丝杠副的组成 在螺母的内壁和丝杠的外壁分别加工一条螺旋形的滚道，在滚道中装入滚珠，在螺母的滚道两端装一个挡住滚珠的螺母（螺母内壁有滚珠槽，反向器），就构成了滚珠丝杠传动部件。,2019/4/8,9,2）滚珠丝杠副的特点,1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效 率0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/41/3。 2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。,2019/4/8,10,4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 5）磨损小，使用寿命长。 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。,2019/4/8,11,（3）滚珠丝杠副的典型结构类型,2019/4/8,12,单圆弧形与双圆弧形的特点,显然，单圆弧型滚珠丝杠幅存在一定的传动间隙，因此，传动精度稍差，但滚道加工容易。如图所示，左边为单圆弧型，可以看到，螺杆和螺母的螺纹都是半圆弧型，显然它们之间的间隙比较大，因此其传动误差就较大。图右边是1/4圆弧型螺纹，双圆弧型滚珠丝杠幅传动间隙相对较小，传动精度高，但滚道加工困难些。,2019/4/8,13,内循环与外循环方式的特点,滚珠内循环方式的反向器的转动可调整滚珠的循环方向，滚珠循环回路短、流畅性好；而且螺母的径向尺寸也较小（反向器可以做的很小）。但反向器的加工困难，而且装配调整也比较困难。,2019/4/8,14,内循环方式,滚珠丝杠内循环方式,滚珠丝杠内循环的反向器,2019/4/8,15,外循环方式,而外循环方式中滚道循环道路长，在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口自动对接，通道流畅，摩擦小，更适合于高速高灵敏度高刚性的精密进给系统。,滚珠丝杠外循环结构图,2019/4/8,16,（4）调整轴向间隙方式,常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种。 (a)垫片调隙式 通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。 这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。,双螺母垫片调隙式结构,2019/4/8,17,(b)螺纹调隙式 其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。,双螺母螺纹调隙式结构,2019/4/8,18,(c)齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。,双螺母齿差调隙式结构,2019/4/8,19,除了上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧及单螺母钢球过盈预紧方式等方式。,2019/4/8,20,（5）滚珠丝杆副支承方式,丝杠的轴承组合及轴承座的连接刚性不足时将严重影响滚珠丝杠传动副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承丝杠。 单推单推式：在支承座内安装向心推力轴承，外边安装止推轴承,2019/4/8,21,数控机床主轴支承轴承,2019/4/8,22,双推双推式：刚度最好，但容易造成两端支承的预紧力不对称,2019/4/8,23,双推简支式：左端安装双止推轴承，右端只安装双向心轴承，轴向刚度不高。,2019/4/8,24,双推自由式：一端安装双止推轴承，另一端自由状态，轴向刚度和承载能力低，适于轻载，低速的垂直安装。,2019/4/8,25,2019/4/8,26,轴承的类型与选择,标准滚动轴承：,2019/4/8,27,（6）滚珠丝杠副的选择方法,（1）结构型式的选择： 根据防尘防护条件及对调整间隙和预紧的要求来选择。 例如：当允许有间隙时（如垂直运动），可选择具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副； 当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构； 当具有良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构；,2019/4/8,28,滚珠丝杠副的选择方法,（2）结构尺寸的选择 公称直径d0：轴向最大载荷 基本导程l0：设计要求 螺纹长度ls：在满足l0的条件下尽可能短 螺距t：传动精度、传动速度,2019/4/8,29,滚珠丝杠副的精度 滚珠丝杠副的精度等级为1、2、3、4、5、7、10级精度，代号分别为1、2、3、4、5、7、10。其中1级为最高，依次逐级降低。,2019/4/8,30,2.4 齿轮传动部件,齿轮传动部件的功能是改变转矩、转速和转向，最常用的是减速箱。 2.4.1齿轮的分类,2019/4/8,31,齿轮传动在机床中的应用,2019/4/8,32,2.4.2 有关齿轮的几个重要概念,渐开线：将绕在圆柱上的线绳拉直展开时，线端点的轨迹称为渐开线。齿轮的齿面就是渐开线。 模数m：表示齿轮的大小和齿的肥馊。两个直径相同的齿轮，模数m不相同，则不能啮合。模数m为“分度圆上的齿距（周节）除以圆周率”即md/z。 中心距a：两个相互啮合齿轮的节圆（d）的半径之和，也可表示为：在模数和齿数不变时可采用变位齿轮来改变中心距a。 分度圆d：dmz,2019/4/8,33,2.4.3传动比的最佳分配原则,齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，常用的齿轮减速箱有一级、二级和三级等。 用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器，其输入电机为高速低转矩，而输出为低速高转矩。传动转矩时不但要有足够的刚度，还要求转动惯量尽可能小，以便获得同一加速度时所需要的转矩小。,2019/4/8,34,传动比的选择：,使负载加速度最大原则 额定转矩为tm、转子转动惯量为jm的直流伺服电机通过减速比为i的齿轮减速器带动转动惯量为jl、负载转矩为tlf的负载，其最佳传动比计算： 设其加速转矩为ta，则 当时 ，加速度最大，得到：,2019/4/8,35,各级传动比的最佳分配原则,重量最轻原则： 对中小功率传动系统，使各级传动比满足下式，即可使传动装置的重量最轻。对于大型齿轮，要考虑齿轮模数、齿宽等参数，一般应按照“先大后小”的原则。,2019/4/8,36,各级传动比的最佳分配原则,输出轴转角误差最小原则： 设有一四级传动系统，各级传动比分别为i1、i2、i3、i4，总传动比为i；各级齿轮的转角误差分别为1、2、8、可以计算，总转角误差为： 总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小，因此，设计时最末两级的传动比应取大些，并尽量提高最末级齿轮的加工精度。,2019/4/8,37,各级传动比的最佳分配原则,等效转动惯量最小原则： 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。可得n级齿轮传动系统各级传动比： 按此原则计算的各级传动比也是按“先小后大”次序分配，可使其结构紧凑。,2019/4/8,38,柔性传动机构,1.柔性传动的分类：,2019/4/8,39,2.柔性传动的特点： 摩擦力传动方式由于存在相对滑动，主从动轮不能同步运动，所以，在同步性要求较高的场合一般不能使用，这种传动方式一般应用于高速电机的出口处，但摩擦力传动结构简单，成本低，噪声小，结构柔软等优点。 在同步性要求高的场合，当传动距离较远时，一般都要使用链传动或同步带传动。例如，打印机中的字车驱动就是用同步带传动。在机器人中一般都使用带传动。,2019/4/8,40,间歇传动部件,间歇传动部件可将原动机构的连续运动转换为间歇运动。,2019/4/8,41,间歇传动部件,1.棘轮传动,2019/4/8,42,棘轮的结构形式,2019/4/8,43,间歇传动部件,2.槽轮传动,为什么在自动切割机中使用槽轮传动？,2019/4/8,44,3.蜗形凸轮传动机构,2019/4/8,45,工业机器人的传动系统,2019/4/8,46,导向支承部件的设计与选择,导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。 1.基本要求 2.导向支承部件分类和特点 3.滑动导轨副的结构及其类型选择 4.导轨副的截面形状及其特点 5.导轨副材料的选择 6.静压导轨副的工作原理,2019/4/8,47,导向支承部件的基本要求,导向精度：动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。 耐磨性：长期使用时是否能一直保持一定的精度。 疲劳和压溃：导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，久之就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面出现凹坑。 刚度：导轨受力变形就会影响导轨的导向精度。 低速运动平稳性：低速时，动导轨会产生爬行现象。 结构工艺性：制造、调整和维修方便。 对温度的敏感性：,2019/4/8,48,导向支承部件分类和特点,2019/4/8,49,滑动导轨： 结构简单，制造方便，刚度好，抗振性好，应用最广泛。 滚动导轨： 两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。 滚动导轨的特点是：磨损小，寿命长，定位精度高，但结构复杂，成本高。适用于工作部件要求移动均匀灵敏，定位精度高的场合，因此，机电一体化产品中广泛应用。,2019/4/8,50,滑动导轨副的结构,圆柱形、三角形、矩形、燕尾形和圆形，每一种又分为凸形和凹形。凸形不易积存切屑，但又不易存储润滑油。一般用于低速工作情况。凹形的情况刚好相反。,市场样品照片,2019/4/8,51,滑动导轨副类型选择,选择导轨主要以以下几点来考虑： 结构工艺性、方向精度、摩擦力大小、对温度的敏感性、承载能力、耐磨性、成本。 三角形导轨：磨损后能自动补偿，不会产生间隙。 矩形导轨：结构简单，制造、检验和维护方便，导轨面宽，承载能力大，刚度高，但导向精度没有三角形高，磨损后不能自动补偿间隙。 燕尾槽导轨：主要优点是结构紧凑，用一根镶条就可同时调整两个方向的间隙。适用于位置受限的场合。 圆形导轨：优点是结构简单，易制造。有两个自由度，适用于同时要求直线运动和转动的场合。,2019/4/8,52,导轨副材料的选择,导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。 铸铁：耐磨性能好，热稳定性能好，易于铸造和加工，成本低； 钢：为了提高耐磨性能，有时采用淬火钢导轨，但一般是镶装或焊接。 有色金属：耐磨，镶装或焊接。 塑料：耐磨，抗振。镶装或焊接。,2019/4/8,53,滚动导轨副的常用型式,2019/4/8,54,静压导轨副的工作原理,静压导轨是将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件于导向支承件之间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触，致使摩擦阻力大大降低。,2019/4/8,55,静压导轨副与