《机电一体化第二章》PPT课件.ppt

第二章 机械系统设计,2.1 概 述,一. 机电一体化对机械系统的基本要求,3. 稳定性好、可靠性高、阻尼合适、体积小、重量轻、寿命长等,2. 响应快、摩擦小、惯量小、谐振频率高（高接触刚度， 可避免共振）,1. 精度高、刚度高、无间隙(尽可能小),二. 机械系统的组成,1. 传动机构,2. 导向机构：起导向与支承作用,3. 执行机构,第二章 机械系统设计,2.2 传动机构设计,一. 无侧隙齿轮传动机构,（一） 直齿圆柱齿轮传动机构,1. 偏心轴套调整法,偏心轴套,电动机,2. 双片薄齿轮错齿调整法,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,（二） 斜齿轮传动机构,1. 垫片调整法,2. 轴向压簧调整法,2.2 传动机构设计,宽齿轮应为人字形齿轮,（三）锥齿轮传动机构,2.2 传动机构设计,1. 轴向压簧调整法,2.2 传动机构设计,2. 周向弹簧调整法,2.2 传动机构设计,（四）齿轮齿条传动机构,小齿轮1、6分别与齿条7啮合,与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合,通过预载装置4向齿轮3上预加负载,使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动,从而带动小齿轮1、6转动,其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右两侧,消除了齿侧间隙。,2.2 传动机构设计,三. 滚珠丝杠副传动机构 （一）工作原理及结构,内循环式：滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触,2.2 传动机构设计,外循环式：滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环，可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。上图为螺旋槽式,2.2 传动机构设计,插管式外循环,2.2 传动机构设计,端盖式外循环,2.2 传动机构设计,（二） 滚珠丝杠副的特点 1. 传动效率高，可达90%95%，而滑动丝杠副的传动效率约为30%40%。 2. 运动具有可逆性，直线运动与回转运动可互相转换。 3. 系统刚度好。 4. 传动精度高，滚珠丝杠副可加工出高精度，又由于其摩擦力小,工作时螺杆的热变形小，螺杆尺寸稳定，并且经预紧后，可得到无间隙传动，因而具有较高的传动精度与定位精度。 5. 使用寿命长、可靠性高 6. 不能自锁，用于垂直升降传动时，需附加制动装置。 7. 制造工艺复杂，成本较高。 ,通过预紧获得高传动刚度,2.2 传动机构设计,（三）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和加预紧力的方法 1. 垫片调隙式,2.2 传动机构设计,2. 螺纹调隙式,2.2 传动机构设计,3. 齿差调隙式,2.2 传动机构设计,（四）滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级及标注方法 1. 主要尺寸 标称直径D0：滚珠中心圆直径。 如南京工艺装备厂生产的FFZD40 5-3-D3/1400*900滚珠丝杠副的 标称直径D0为40mm，导程为5mm，承载滚珠为3圈，D级精度，检验13项，右旋，丝杠全长为1400mm，螺纹长900mm。 各相关尺寸可由设计手册或厂家网站查得。 2. 精度等级分为C、D、E、F、G、H级，C级最高，H级最低 3. 标注方法,2.2 传动机构设计,（五）滚珠丝杠副的安装 支承方式的选择,a图为一端固定、一端自由，刚度最低 b图为一端固定、一端游动，刚度较高 c图为两端推力轴承，刚度较高 d图为两端固定，刚度最高,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,（六）滚珠丝杠副的设计计算,2.2 传动机构设计,例：试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副，已知平均工作载荷Fm=3800N，丝杠工作长度L=1.2m，平均转速nm=100r/min，最大转速nmax=10000r/min，使用寿命Lh=15000h，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，传动精度要求=0.03mm,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,四. 锥环无键联轴器,定心性好、承载能力高、传递功率大、转速高、寿命长、具有过载保护、能承受振动和冲击、使用方便。,2.2 传动机构设计,五. 软轴传动,由几层紧密缠绕在一起的弹簧钢丝层构成，相邻钢丝层的缠绕方向相反。,传动时一层钢丝拧紧，另一层钢丝拧松，从而钢丝层互相压紧在一起，传递转矩。适合灵活在两个轴线不重合的轴间传动，能弯曲绕过障碍物。,2.2 传动机构设计,六. 同步齿形带传动,传动精度高、效率高、能传递较大力,七. 谐波齿轮减速器,由波发生器、刚轮和柔轮构成，传动时柔轮产生的弹性变形波近似于谐波，故称谐波齿轮减速器。,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,2.2 传动机构设计,柔轮和刚轮的齿距相同，但齿数不等，设刚轮齿数为100，柔轮齿数为98，当刚轮固定，波发生器以速度n1转动，则柔轮转速n2满足：,当波发生器转1圈（360）时，柔轮啮合了100个齿，转动,故 ，柔轮转动方向与波发生器相反。,谐波齿轮减速器的工作过程,特点：传动比大，可达50 500 ；同时啮合的齿效多，承载能力大；侧隙小，传动平稳，传动精度高；体积小；传动效率较高。,谐波齿轮减速器广泛应用于雷达、机器人、数控机床、电动自行车中。,2.3 导向机构设计,一. 分类 滑动导轨：结构简单、刚度好、抗振性好 滚动导轨：磨损小、定位精度高、灵敏度高、运动平稳可靠,导轨用于支承与导向，直接决定了设备直线运动的精度。,二. 导轨的基本要求,3. 耐磨性好,5. 抗疲劳和压溃,2. 刚度好,4. 低速运动平稳,6. 结构工艺性好,1. 导向精度高,2.3 导向机构设计,三. 滚动直线导轨,1. 特点： 承载能力大，其圆弧滚道承载能力可达平面滚道的13倍； 刚性好；寿命长(摩擦系数约为滑动导轨的1/50)；传动平稳 可靠；具有结构自调整能力，装配调整容易。,2. 分类 1）按滚动体形状分：滚珠式与滚柱式,2）按导轨截面形状分：矩形和梯形,3）按滚道沟槽形状分：单圆弧和双圆弧,2.3 导向机构设计,3. 滚动直线导轨的设计计算,2.3 导向机构设计,2.3 导向机构设计,2.3 导向机构设计,2.3 导向机构设计,4. 滚动直线导轨的其它形式,1）圆柱形滚动直线导套副,运动轻便、灵活、精度高、维护方便、常用于轻载移动、输送系统。,2.3 导向机构设计,2） 滚珠花键副,12条滚珠列中6条用于承载，6条用于滚珠循环，可自动定心，运动精度与承载能力较大。,2.3 导向机构设计,四. 塑料导轨,塑料导轨既降低成本，又提高了抗振性、耐磨性、低速运动平稳性。,（一）塑料导轨软带 以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨等混合烧结，并做成软带状。,1. 特点 1）摩擦系数低且稳定，比铸铁导轨低1个数量级。 2）动静摩擦系数相近，低速平稳性好。 3）抗振性好 4）耐磨性好，即使无润滑也能工作。 5）耐高温、低温、强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。 6）维修方便 7）结构简单、成本低,2.3 导向机构设计,2. 使用 将软带粘在导轨面上即可,2.3 导向机构设计,（二）金属塑料复合导轨板 内层钢背保证机械强度与承载能力，多孔中间层由铜丝网或球形青铜粉构成，再用真空浸渍使塑料进入孔或网中。,特点：摩擦特性优良、耐磨损 、承载能力,2.3 导向机构设计,应用实例：,2.3 导向机构设计,（三）塑料涂层 若只有一个摩擦面磨损严重，则可把磨损部分切除，涂上配好的胶状塑料涂层，利用模具或另一摩擦面使涂层固化即可。,右图所示为SOLON3-1型镗铣加工中心导轨上调整间隙用的楔铁，调好精度后，注入塑料涂层，免去了大量刮研工作量。,2.4 执行机构设计,一. 对执行机构的要求 响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏、效率高、体积小、质量轻、可靠性好,二. 微动机构 是在一定范围内精确、微量地移动或实现特定的进给运动的机构。,1. 手动机械式,2. 热变形式,2.4 执行机构设计,某机床微动机构,3. 磁致伸缩式,2.4 执行机构设计,特点：重复精度高、无间隙、刚度好、惯量小、稳定性好、结构简单、紧凑；但位移量很小，如100mm长铁钴钒棒仅能伸长7m,三. 定位机构 XH754型卧式加工中心分度工作台,四. 数控机床自动回转刀架,五. 工业机器人末端执行器 1. 机械夹持器 1）圆