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减速电机驱动的绿色夹具系统研究中文摘要 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 中文摘要 目前在机械制造领域广泛采用的机动夹具，主要是液压传动或气压传动夹具。这 两类夹具的能量传递路线，中间环节多，能量损失较大。此外，液压传动还会因油液 挥发及泄漏而造成环境污染。因此，流体传动夹具不能适应制造技术绿色化的发展要求。 本论文重点研究减速电机在夹具夹紧装置中应用的问题，具体成果如下： ( 1 ) 对减速电机技术和夹具中的自锁机构进行了系统分析，为其在不同夹具中 的选择应用提供必要资料； ( 2 ) 提出了以串联组合自锁增力机构与减速电机进行组合，已解决步进电机输 出力不足及不运动时维以保持持续作用力的技术难题，破解了减速电机在夹具中应用 的关键问题； ( 3 ) 对增力机构和串联组合增力自锁机构做了较系统研究及创新设计，并给出 了不同机构的力学计算公式，以供工程技术领域的人员参考； ( 4 ) 设计了多种以减速电机为驱动的基于增力自锁机构的夹紧装置，说明了它 们的工作原理与技术特点，以利于该技术在机械制造领域推广应用。 本文研究的减速电机驱动的夹紧装置，是一种绿色化的夹紧技术，具有以下突出 优点： ( 1 ) 不存在环境污染； ( 2 ) 直接使用电能驱动，能量传递路线短，能量转换装置少，能源利用率高， 且总体成本大大降低； ( 3 ) 夹紧装置在加工过程中，减速电机停止工作，不再消耗能源； ( 4 ) 与液压或气压的夹紧装置相比，结构紧凑，制造成本低。 关键词：绿色制造；夹紧装置；减速电机：增力机构；自锁 作者：刘丽莉 指导老师：钟康民 a b s t r a c t s t u d y o ng r e e l lc l a m p i n gs y s t e md r i v e nb yg e a rm o t o r s t u d yo ng r e e nc l a m p i n gs y s t e m d r i v e nb yg e a rm o t o r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ev a s tm a j o r i t yo ft h em o b i l ef i x t u r e su s i n gi nt h ef i e l do fm a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n ga r et h eh y d r a u l i co rp n e u m a t i ct r a n s m i s s i o nf i x t u r e t h ee n e r g yt r a n s f e rl i n e o ft h et w ot y p e so ft h ef i x t u r e sw i l lr e s u l ti ng r e a t e re n e r g yl o s sb e c a u s et h e yg ot l u o u g ha n u m b e ro fl i n k sf r o mt h ee n e r g yi n p u tt o a d d i t i o n ，t h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n w i l l m e c h a n i c a lo u t p u tc l a m p i n gc o m p o n e n t i n c a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nd u et o t h e e v a p o r a t i o na n dl e a k a g eo ft h eo i l t h e r e f o r e ，t h ef l u i dt r a n s m i s s i o nf i x t u r ec a n n o tm e e t t h er e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n to fg r e e nm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nh o wt ou s et h eg e a rs t e pm o t o ri nt h ec l a m p i n gf i x t u r e ，a n dt h e c o n c r e t er e s u l t sa c h i e y e da l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p r o v i d et h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o rc h o o s i n gt h eg e a rs t e pm o t o r ；p r o v i d et h e n e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o rs e l f - l o c ks t r u c t u r e ( 2 ) p u tf o r w a r das e r i e sc o m b i n a t i o no fs e l f - l o c k i n gf o r c ea g e n c i e sc o m b i n e dw i t h g e a rm o t o r , i no r d e rt or e s o l v et h et e c h n i c a li s s u e so fl a c k i n go fo u t p u tf o r c eo ft h eg e a r m o t o ra n dm a i n t a i nas t a b l ef o r c ew h e nt h eg e a rm o t o ri sn o tm o v i n ga n db r e a kt h ek e y i s s u ei nt h ea p p l i c a t i o no ft h eg e a rm o t o ri nt h ef i x t u r e ( 3 ) a n a l y s i sf o r c ea g e n c ym o r es y s t e m a t i c a l l y , r e s e a r c ha n dd e v e l o pm o l ei n n o v a t i v e s e r i e sc o m b i n e dw i t hi n s t i t u t i o n a ls e l f - l o c k i n gs y s t e m , a n dg i v et h ef o r m u l ao ft h ed i f f e r e n t m e c h a n i c sf o rr e f e r e n c eo ft h ee n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g y ( 4 ) d e s i g nav a r i e t yo fc l a m p i n gd e v i c e sd r i v e nb yg e a rs t e pm o t o ra n db a s e do n s e l f - l o c k i n ga g e n c i e sf o r c e ，a n di l l u s t r a t ei t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fm a c h i n e r y t h ec l a m p i n gd e v i c ed r i v e nb yt h eg e a rm o t o ri nt h i sp a p e ri sac l a m p i n go fg r e e n t e c h n o l o g y , w h i c hh a st h ef o l l o w i n gp r o m i n e n ta d v a n t a g e s ： ( 1 ) t h e r ei sn oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ( 2 ) d r i v e nb yt h ep o w e rd i r e c t l yc a l lh a v es h o r te n e r g yt r a n s f e rl i n e ，l e s se n e r g y s t u d yo ng r e e nc l a m p i n gs y s t e md r i v e nb yg e a rm o t o r a b s t r a c t c o n v e r s i o nd e v i c e s ，h i g h e re n e r g ye f f i c i e n c ya n dt h eo v e r a l lc o s t sc a nb er e d u c e dv a s t l y ( 3 ) t h el i n e a rm o t o rs t o p sw o r k i n gd u r i n gt h ep r o c e s s i n g ，s ot h ec l a m p i n gd e v i c ew i l l n o tc o n s u m ee n e r g y ( 4 ) t h ec l a m p i n gd e v i c ew i l ln e e d n tah u g er e d u c e r ；s oi th a sc o m p a c ts t r u c t u r ea n d l o wm a n u f a c t u r i n gc o s t s k e yw o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ；c l a m p i n gd e v i c e ；l i n e a rm o t o r ；a m p l i f y i n g m e c h a n i s m ；f r i c t i o n - - l o c k i i i w r i t t e n b y l i ul i l i s u p e r v i s e db yz h o n gk a n g m i n 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第一章绪论 1 1 现代制造业的绿色化 第一章绪论 制造业是国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识； 另一方面，为国民经济各部门，包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和 装备。近几十年来，全球工业高速发展，各种产品的种类和数量与日俱增。机械制造 为社会生产机器的同时，它也在消耗着不可再生的自然资源和能源，大量排放工业废 物、废气和固体废气物等，对环境的污染越来越严重。因此，经济的迅速增长给全球 造成了资源短缺和环境污染的严重危机，威胁到人类未来的发展。全球必须开创一种 新的绿色发展模式，走可持续发展的道路。 基于可持续发展战略思想的绿色制造技术，在机械领域与之相对应的，是近几年 来发展起来的绿色制造理念。绿色制造，又称环境意识制造( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u s m a n u f a c t u r i n g ) 、面向环境的制造( m a n u f a c t u r i n gf o re n v i r o n m e n t ) 等。它是一个综合考 虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、 使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响( 负作用) 最小，资源利用率最 高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造涉及的问题包括三部分：一是 制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境保护问题；三是资源优化利用问题。 绿色制造就是这三部分的交叉和集成。 1 2 机动夹具系统的发展和应用 1 2 1 机动夹具系统技术概述 在机械加工过程中，为了保证工件的加工精度，使之相对于机床、刀具占有确定 的位置，并能迅速、可靠地夹紧工件，以接受加工或检测的工艺装备称为机床央具， 简称夹具。 机床夹具的主要功能是使工件定位和央紧。 定位使工件相对于刀具及机床占有正确的加工位置，保证其被加工表面达到 工序所规定的各项技术要求。 第一章绪论减速电机驱动的绿色夹具系统研究 夹紧工件定位后，经夹紧装置施力于工件，将其固定夹牢，使其在加工过程 中保持正确位置不变。 安装工件从定位到夹紧的整个过程。 机床夹具的组成： 1 ) 定位元件：用于确定工件在夹具中的位置； 2 ) 夹紧装置：将工件压紧夹牢，并保证工件在加工过程中位置不变； 3 ) 联接元件：用于确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相对位置； 4 ) 对刀或导向元件：用于保证工件加工表面与刀具之间的位置； 5 ) 其它装置或元件：定向键、操作件、分度装置、靠模装置、上下料装置、平 衡块等，以及标准化了的其它联接元件： 6 ) 夹具体：是夹具的基座和骨架，用来配置、安装各夹具元件及装置。 其中的重要组成部分夹紧装置由以下机构组成 1 ) 动力装置产生夹紧作用的装置。通常指气缸、油缸、活塞、电磁装置等； 2 ) 中间机构介于力源和夹紧元件之间的传递力的机构如斜楔、连接杆、铰 链等。其作用是：改变作用力的方向；改变作用力的大小；具有一定的自锁性能，以 保证夹紧可靠。 3 ) 执行机构( 夹紧元件) 夹紧装置的最终执行元件，直接与工件接触完成 夹紧作用，如压板、螺栓等。 机床可以按通用特性、使用的机床、动力源等分类。 其中按动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。而机动夹具又有：气动 夹具、液压夹具、气液增压夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具、离心力夹具、自 夹紧夹具等多种类型。 其中手动夹具从能源形式上来看，绿色化程度高，但要它的夹紧动作速度、夹紧 力稳定、工人劳动强度、尤其是工作过程的机械自动化等方面仍需要技术研究。所以 本文主要考虑机动夹具，目前机械制造领域在进行大批量生产时所采用的机动夹具， 绝大多数是流体传动夹具，即液压传动或气压传动夹具，另外有少量电动夹具。 1 2 2 流体传动夹具系统发展现状和趋势 流体传动与控制技术发展到今天，已经成为一门与其他学科相互关联、交叉的综 2 减速i 乜机驱动的绿色夹具系统研究第一章绪论 合性学科。由于流体传动便于实现工作过程的机械化和自动化，因此近4 0 年来，正 以最高的速度增长。 流体传动的夹具比较严重的缺点是结构复杂且能源使用效率低。能源使用效率低 是由于能量传递路线长，转换环节多。以下图1 一l 为流体传动夹具的能量传递与转换 装置路线图。 流体 空压机或 压力能 液压泵 图1 - l流体传动夹具能量传递与转换装置路线 ( 1 ) 流体传动夹具类型和优缺点比较 流体传动夹具主要分为气压传动夹具，液压传动夹具和气掖复合传动 a 气压传动夹具系统 气压传动夹具系统是电动机带动空压机产生0 7 , - - - 0 9 m p a 的压缩空气，经冷却器 进入储气罐备用，经水气分离器滤去水分和杂质，再经过调压阀使压力降低到0 4 0 6 m p a 并稳定在调定压力，然后再经油雾器混以雾化油，保持系统中元件的润滑。 再经单向阀、换向阀和节流阀进入活塞式气缸和薄膜式气缸进行夹紧工作。 可见气压传动夹具系统的组成如下： 1 ) 动力装置电机+ 空压机( 压缩空气，0 7 - - - 0 9 m p a ) ； 2 ) 传递机构气缸、活塞： 3 ) 执行机构杠杆、铰链、楔块等； 4 ) 辅助装置水气分离器、调压器、油雾器、配气阀等。 气压传动夹具的介质是清洁的压缩空气，空气可以从大气中获得；同时，用过的 空气可以直接排到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失 外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境，绿色化程度相当高，这是气压 夹具得天独厚的优点。然而气压传动的致命缺点是系统压力不可能太高( 一般p - - o 4 - - - 0 7 m p a ) ，因而往往造成气缸直径过大。 当然气压传动还有一些其他不足之处，例如： 第一章绪论减速电机驱动的绿色夹具系统研究 一由于空气具有可压缩特性，因而运动速度的稳定性较差； 一因为工作压力较低，又因结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一 般不可能很大； 目前气压传动的传动效率较低。 b 液压传动夹具系统 液压传动夹具系统是压力油通过管道、液压阀、液压缸等元件夹紧工件。 液压传动夹具系统的组成如下： 1 ) 动力装置电机、油泵( 压力油，5 - - - 6 m p a ) ： 2 ) 传递机构油缸、活塞； 3 ) 执行机构杠杆、铰链、楔块等； 4 ) 辅助装置油箱、过滤网、溢流阀、单向阀、换向阀、储能器、压力表等。 液压传动夹具比较笨重，但输出力量大，运动稳定。目前制造业中应用的流体传 动夹具，在数量上液压夹具要显著多于气压夹具，但要考虑泄露问题。而且液压传动 夹具对密封性能要求高，需要一套压力油供应系统，为单一夹具设置此系统不经济。 近来有人研究以纯水或海水为传动介质代替液压油的液压传动技术。这样做的好 处是，不仅保持了液压传动系统能够连续输出高压液体的优势，而且传动介质也绿色化 了。但是，由于防腐蚀等方面的成本过高，使该类技术的应用场合受到了极大限制，估计 近期内难以在一般制造业中的夹具上推广应用。 以下表l 一1 和1 - 2 是气压传动与液压传动的一般比较和性能比较： 传动方式通用性稳定性操作性高速性经济性 气动差差差优优 液压优优优 兰 差- - - - - - - 工_ 表l - 1 气压传动与液压传动的一般比较 4 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第一章绪论 项目气动液压 输出力小大 操作速度快慢 控制性能( 准确性、稳定性)差好 无次变速差好 远距离操纵好差 动力源故障好差 恶劣环境适应性好差 维修容易难 价格低 高 表l - 2 气压传动与液压传动的性能比较 气一液复合传动是指以压缩空气为动力，将气体压力进行放大后，由高压液体进行 能量输出。以前，人们习惯上将气一液复合传动称之为气一液增压装置。采用气一液复合 传动装置，便于实现液压油的封闭式循环，可以避免采用开式油箱，油液挥发及泄漏 环节少，故能显著降低环境污染。 目前气一液复合传动在机床夹具上的应用，仍然难望液压传动之项背。究其原因， 我们认为是现有的气一液复合传动技术，在性能方面不尽人意。 总之，流体动力技术必须在充分发挥自身优势和借鉴其它传动优点的情况下，对 其进行改进和创新，研制出更为先进的材料和流体介质，使其像高压化、长寿命、微 型化和低泄漏发展，才能在未来的竞争中保存下来并获得不断的发展。 1 2 3 电动夹具系统发展现状和趋势 目前电动夹具在现代制造业运用较少，关键技术因素在于一般电动机不能较好地 适应夹具夹紧过程的要求：例如，一般夹具要求夹紧元件都是直线运动，且在空行程 阶段能快速趋近工件，接触工件后应自动调节为以极低速度运动，同时施加较大的夹 紧力。普通电机转速太高，需要减速器进行减速后，再串接转动一直线运动转换装置 来输出央紧力，造成总体结构庞大而复杂。 图l _ 2 是电动夹具的能量传递与转换装置路线图。 5 第一章绪论 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 电能 普通 电动机 圈 转动一直线运 机械能 动转换机构等 夹紧工件 一 图l - 2电动夹具能量传递与转换装置路线 我们认为，能源的绿色化主要应有两种内涵：一是能源的生产方式应当绿色化， 二是能源的形式应当简约化。后者是指在相对封闭的制造系统内部，能源的形式应当 尽可能少。由于在可以预见的较长时期内，电能仍将在制造业中占据绝对主导的地位， 因此，只要设计出克服以上缺点的且性能价格比合理的电动夹具系统，则发展前景将 出乎意料。 1 3 减速电机的发展现状 1 3 1 减速电机概述 减速电机是指减速机和电机( 马达) 的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达 或齿轮电机。减速电机是一个独立的闭式传动装置，是用来降低转速和增大转矩，以 满足工作需要。 1 3 2 减速电机优点 减速电机与一般常用的电机相比，主要有如下几大优点： ( 1 ) 减速电机结合国际技术要求制造，具有很高的科技含量。 ( 2 ) 节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率可达9 5 k w 以上。 ( 3 ) 能耗低，性能优越，减速机效率高达9 5 以上。 ( 4 ) 振动小，噪音低，节能高，选用优质段钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频 热处理。 ( 5 ) 经过精密加工，确保定位精度，这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配 置了各类电机，形成了机电一体化，完全保证了产品使用质量特征。 1 3 3 减速电机特点 ( 1 ) 减速电机结构紧凑，体积小，造型美观，承受过载能力强。 ( 2 ) 传动比分级精细，选择范围广，转速型谱宽，范围i = 2 - 2 8 8 0 0 。 ( 3 ) 能耗低，性能优越，减速器效率高达百分之九十六，振动小，噪音低。 6 减速电机驱动的绿色央具系统研究第一章绪论 ( 4 ) 通用性强，是用维护方便，维护成本低，特别是生产线，只需备用内部几个传动件 即可保证整线正常生产的维修保养。 ( 5 ) 采用新型密封装置，保护性能好，对环境适应性强，可在有腐蚀、潮湿等恶劣环 境中连续工作。 ( 6 ) 产品可批配普通y 系列、y 2 系列、起重电机、防暴电机、制动电机、变频 电机、直流电机、户外型专用电机等各种电机。 1 4 本课题研究的内容及主要意义 1 4 1 课题研究的背景和提出 现在自然和谐已经渐渐成为全人类的共识，并在此基础上提出了可持续发展的思 想。而表现在工程领域的，是近几年来发展起来的绿色制造理念。目前，人们对绿色 制造理论体系框架的研究逐渐深入，对切削加工及其刀具的绿色化也给予了很多关 注。然而，对于绿色化理论系下的夹具技术，却统较少有涉及。但是，机床夹具作为 制造体系中不可或缺的重要一部分，它的绿色化程度，毫无疑问对整个制造过程的绿 色化水平有着极其重要的影响，在不少场合下甚至具有决定性的影响。因此，我们在 实现制造技术绿色化的长征道路上，机床夹具的绿色化是无可避免的。 通过对夹具进行系统的研究后，发现目前主要机动夹具都有明显的缺憾，主要表 现在结构庞大复杂，能源使用效率低，对环境还有一定的污染性。 新近流行的减速电机是一种将电能直接输出为大扭力直线运动而不需要通过任 何中间转换机构的新颖电机，可以说是一种“绿色 的传动技术。可减速电机目前在 夹具体系中很少应用，究其只要原因是：减速电机发展时间比较短。在国内，减速电 机只是近几年才引起关注的一种新型电机，对减速电机许多人都不了解。所以真正对 于减速电机驱动的夹具系统研究还很少。 减速电机按照传动形式不同，减速器有齿轮减速器、蜗杆蜗轮减速器、摆线针轮 减速器：当前减速器普遍存在着体积相对较大、重量相对较大，或者传动比大而机械 效率过低的问题。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和 制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴 齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。最近报导，日本住友重工研制的f a 型高精度减速器，美国a l a n - n e w t o n 公司研制的x - y 式减速器，在传动原理和结构 7 第一章绪论 减速电机驱动的绿色夹具系统研冗 上与本项目类似或相近，都为目前先进的齿轮减速器。当今的减速器是向着大功率、 大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材 料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新，平动齿轮传 动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生 产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前，超小型的减速器的研究成果尚不明显。 在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期 研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。 国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或 者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特 别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内使用的大型减速器( 5 0 0 k w 以上) ， 多从国外( 如丹麦、德国等) 进口，花去不少的外汇。6 0 年代开始生产的少齿差传 动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点? 。 但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于4 0 k w 。由于在 传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功 率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。9 0 年代初期，国 内出现的三环( 齿轮) 减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传 动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效 率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率体积( 或重量) 比值仍小。且其 输入轴与输出轴不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。北京理工大学研制成功的 ”内平动齿轮减速器”不仅具有三环减速器的优点外，还有着大的功率重量( 或体积) 比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。 下图( 1 - 3 ) ，为目前市场上应用比较普遍的各类减速器的比较 型号 功率( k w )减速比 质量( k g ) q i - 4 5 0 9 33 1 5 1 8 2 0 z s y 2 5 0 9 53 1 55 4 0 n g w - 9 2 8 8 1 3 1 5 5 7 7 s e w ( 德国) 9 02 8 6l1 3 0 0 图1 - 3目前市场上应用比较普遍的各类减速器的比较 8 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 第一章绪论 1 4 2 课题研究的内容 本课题研究的主要内容如下： 本文的研究体系主要从以下几方面展开： ( 1 ) 减速电机的研究 对减速电机的结构原理、分类标准、特性分析和应用特点等进行研究，以提供给 在各种夹具系统上不同情况下的选择运用 ( 2 ) 自锁机构的研究和创新 针对通常减速电机无长时间的保持力，在力放大机构中保证自锁机构解决此问 题。并在对常见自锁机构进行分类的基础上，进一步组合创新，设计出一系列结构紧 凑的力自锁机构；。 ( 3 ) 减速电机驱动的绿色夹具系统方案。 结合创新的自锁机构，给出一系列减速电机驱动的绿色夹具方案，并进行了特性 分析。 减速电机驱动的绿色夹具，能避免前面章节所述的流体传动夹具和电动夹具的缺 点，直接电能驱动，串联增力自锁机构夹紧工件，这将是夹具系统的技术革命，我们 相信这种概念的夹具技术，在绿色制造浪潮的推动下，使得夹具系统获得新的发展契 机。以下图1 - 3 为直线电机驱动的绿色夹具系统能量传递与转换装置路线。 圈 图1 - 4 减速电机驱动的绿色夹具系统能量传递与转换装置路线 记入损耗的情况下，总能量( 及功率p ) 保持不变。根据转矩计算公式：t - - 9 5 4 9 x p n 原动机的转速1 1 高，减速机的输入转矩t 小。经减速机减速后，减速机的输出 转速1 1 被减了下来，输出转矩t 就变大了。因此，减速器的功能就是降低转速，提高 扭矩。 9 第二章减速电机技术和分析 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 第二章减速电机技术和分析 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转 矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速步进电机与一般常 用的步进电机相比，主要有如下几大优点：扭力大；定位准确；设备总体结构简单，体 积小，成本低。 2 1 减速电机的基本结构与工作原理以及特点 减速电机按照传动形式不同，减速器有齿轮减速器、蜗杆蜗轮减速器、摆线针轮 减速器，行星摆线针轮减速机。 2 1 1 齿轮减速电机的工作原理及其应用特点 原动机一连接减速机一连接一工作机 原动机，即提供整个系统动力的机械，常用的原动机有：电动机、蒸气机、燃气 轮机、液压马达、内燃机等。对于对于减速传动来讲，原动机提供的是高转速、低转 矩的动力；对于增速传动来讲，原动机提供的是低转速、大转矩的动力。工作机就 是减速机的工作对象，带动工作机实现预定目的。 其应用特点为：一 ( 1 ) 节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率高。 ( 2 ) 能耗低，性能优越，减速机效率高达9 5 以上。 ( 3 ) 无污染、噪声低、结构简单、维护方便、成本低。 下图2 一l 为目前市场上的一种齿轮减速电机： l o 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第二章减速电机技术和分析 图2 - 1 齿轮减速电机图片 2 1 2 摆线针轮减速机原理及特点 摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。 在输入轴上装有一个错位1 8 0 。的双偏心套，在偏心套上装有两个称为转臂的滚柱轴 承，形成h 机构、两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与 针齿轮上一组环形排列的针齿相啮合，以组成齿差为一齿的内啮合减速机构，( 为了 减小摩擦，在速比小的减速机中，针齿上带有针齿套) 。当输入轴带着偏心套转动一 周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成 为既有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转周时，偏心套亦转动一周，摆线轮子 相反方向转过一个齿从而得到减速，再借助w 输出机构，将摆线轮的低速自转运动通 过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。 其特点为：行星减速机因为结构原因，单级减速最小为3 ，最大一般不超过1 0 ，常见 减速比为：3 4 5 6 8 1 0 ，减速机级数一般不超过3 ，但有部分大减速比定制减速机有4 级 减速。故而，相对其他减速机，行星减速机具有高刚性，高精度( 单级可做到1 分以内) ， 高传动效率( 单级在9 7 - 9 8 ) ，高的扭矩体积比，终身免维护等 因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速。 提升扭矩，匹配惯量( 级数：行星齿轮的套数由于一套星星齿轮无法满足较大的传动 比，有时需要2 套或者3 套来满足拥护较大的传动比的要求由于增加了星星齿轮的数 第二章减速电机技术和分析 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 量，所以2 级或3 级减速机的长度会有所增加，效率会有所下降 下图2 2 为目前市场上的一种摆线针轮减速电机 2 - 2 摆线针轮减速电机图片 2 1 3 蜗杆蜗轮减速机 其原理是通过蜗轮以及蜗杆9 0 度的交叉配合实现传动，蜗杆蜗轮最大的特点是 自锁功能。但是其蜗杆蜗轮允许输入的转速范围很低。 其应用特点为： ( 1 ) 蜗杆蜗轮最大的特点是自锁功能，其具有反向自锁功能。 ( 2 ) 而蜗杆蜗轮的传动相对比较简单，通过蜗轮以及蜗杆9 0 度的交叉配合实现传动。 ( 3 ) 效率低，扭矩输出大，蜗杆蜗轮通常都是以轴输出。很难控制空回，特别是 当蜗轮与蜗杆磨合时间比较长后，其空回都比较大。故而效率比较低。 1 2 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第二章减速电机技术和分析 2 - 3 蜗杆蜗轮减速电机图片 2 2 减速电机的分类及标准 2 2 1 减速电机的分类 减速电机在不同场合下有不同的分类形式。当按齿面硬度，可分为软齿面齿轮减 速机和硬齿面齿轮减速机；如果按齿轮形状，可分为圆柱齿轮减速机和圆锥齿轮减速 机；如果按齿轮的齿面曲线形状，分为渐开线齿轮和双圆弧齿轮；在考虑传动形式时， 以传动形式进行分类； ( 1 ) 按齿面硬度分类： a ) 软齿面、 3 5 0 h b s ，表面淬火或渗碳，大齿轮 3 5 0 h b s ，一般调质处理。 c ) 硬齿面 3 5 0 h b s ，大、小齿轮表面淬火或渗碳淬火处理。因为齿面硬度不同， 所以载能力不同，在减速机重量相同的条件下，硬齿面减速机的承载能力可提高2 5 倍。 ( 2 ) 按齿轮形状分类 按齿轮形状分类，分为圆柱齿轮减速机和圆锥齿轮减速机。 圆柱齿轮传动就是我们平时所说的平行轴齿轮传动，输入轴与输出轴相互平行。 圆锥齿轮传动就是我们平时所说的垂直轴齿轮传动，输入轴与输出轴相互垂直。 第二章减速电机技术和分析 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 ( 3 ) 按齿轮形状分类 按齿轮的齿面曲线形状，分为渐开线齿轮和双圆弧齿轮 ( 4 ) 传动形式分 a ) 减速器有齿轮减速器 力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，或单位 体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线 电机。它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作、 推车等等。 ， b ) 蜗杆蜗轮减速器 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机基本 一样，即可用效率、功率等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高速磁悬浮列车用直 线电机，各种高速运行的输送线等等。 c ) 摆线针轮减速器 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短 时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞以及冲 击、碰撞等试验机的驱动等等。 d ) 行星摆线针轮减速机 2 2 2 减速电机的标准 减速电机目前有行业标准j b - t 6 4 4 7 - 9 2y c j r 齿轮减速三相异步电动机和 q z t b 0 4 2 0 0 0s 系列斜齿一蜗杆减速电机，另外还有些企业制定了一些企业标准。 三项直线异步电动机标准规定了单边扁平型结果的低速三相直线异步电动机 的型式、基本参数、技术要求等： ( 1 ) 基本型式：减速电机的型号由名称代号、规格代号和次级结果代号组成，如： 1 4 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第二章减速电机技术和分析 saf6 2 一y 1 5 5 2 一b 3 一sa 兰在左 机) 另外有许多国际大型公司有自己的命名方式，例如：德国s e w kf1 0 7 - r7 7d v - 11 2m4 b m g h f t f tttttt 厂 1 23345 6 7 a ) 减速机类型：斜齿轮一锥齿轮减速机汨尸s 莠列等) b ) 结构形式： f法兰安装 a单键空心轴联接 v 渐开线花键空心轴联接 h锁紧盘空心轴联接 无符号表示实心轴 xr 系列减速机单级传动 c ) 减速机规格号：1 7 - - - 1 8 7 3 7 、4 7 、5 7 、6 7 、7 7 、8 7 、9 7 、1 0 7 、1 2 7 d ) 电动机型号：机座号1 0 0 及以上为d v ， 机座号1 0 0 以下为d t e ) 定子铁心长度代号： d 、k 、n 、s 、m 、m l 、l 0 电动机级数： 1 5 第二章减速电机技术和分析减速电机驱动的绿色夹具系统研究 2 ，4 ，6 ，8 1 刀2 、8 2 、6 2 、4 陀、8 4 、6 4 g ) 制动器手动释放装置 ( 2 ) 基本参数 减速电机的选择标准基本参数主要有以下几点： a ) 减速机的系列及其使用系数。 b ) 驱动方案：直接启动变频控制。 c ) 电机功率或负载扭矩与速度( 传动比，输出转速，外部传动比等) 。 d ) 电机参数：普通变频双速伺服直流等，级数，绝缘等级，防护等级等 e ) 确定安装方式：实心轴空心轴法兰地脚 ( 3 ) 技术要求 该标准对直线电机突出了如下一些技术要求： a ) 环境空气的温度和湿度要求； b ) 电源电压和频率与额定值的偏差规定； c ) 直线电机推力的容许误差； d ) 直线电机在不同次级结构下的功率因数保证值； c ) 直线电机的绝缘等级及应能承受的耐压值； f ) 直线电机三相电流的允许不平衡值； g ) 直线电机的表面要求及接线盒要求等。 2 3 减速电机的选择 2 3 1 确定合适的电机功率 在选择减速电机中，如何确定电机功率是关键，电机功率分静功率和动功率，另 外，还受环境温度和海拔高度的影响，图2 - 2 和图2 _ 3 分别表示了减速电动机的功率 与环境温度和海拔高度之间的关系： ( 1 ) 电机功率的计算 a ) 静功率的计算： 1 ) 线性运动： 1 6 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 第二章减速电机技术和分析 p = 1 0 0 0 r 式中f 运行阻力( n ) ： 1 ，运行速度( 1 l l s ) 2 ) 旋转运动： p = 旦 9 5 5 0 r 式中m 扭矩( n m ) ： 儿转速( r p m ) b ) 动态功率的计算： 旋转运动： p = ! 三坐： 9 1 2 0 0 l r 式中j t k g m 2 转动惯量 r p m 转动速度。 “s ，启动时间 ( 2 ) 确定合适的电机功率 减速电机受温度的影响曲线如图2 - 2 。 1 7 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 第二章减速电机技术和分析 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 图2 _ 2 减速电机受海拔高度的影响曲线如图2 - 3 图2 - 3 从图中可以看出电机功率在环境温度高于4 0 度时和海拔高度大于1 0 0 0 米时，电 机必须将功率使用。且满足公式： 际- - 彤厶 1 8 ( 2 - 4 ) 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第二章减速i 乜机技术和分析 赫翟兰譬 ， 影响f b 的条件： 1 9 第二章减速电机技术和分析减速电机驱动的绿色夹具系统研究 f 表示环境温度使用系数 工b 1 图2 _ 4 如图2 5 表示在不同的负载持续率的情况下，断续工作使用系数的示意图 图2 - 5 减速电机驱动的绿色夹具系统研究 第三章夹具自锁机构研究 第三章夹具自锁机构研究 自锁机构在实际生产中有着广泛的应用自锁就其概念分析，只要加上足够大的 驱动力，按常理就应该能够沿着有效驱动力作用的方向运动，而实际上由于摩擦的存 在，却会出现无论这个驱动力如何增大，也无法使它运动的现象，这种现象就叫作机 械自锁自锁现象在机械工程中具有十分重要的意义，在设计机械时，为能实现预期 的运动，必须避免该机械在所需的运动方向发生自锁，且自锁可以实现力的放大 3 1 基本自锁机构 一般的自锁是有条件的，也是有方向性的，即机械只是在一定的受力条件和受力 方向下发生自锁，而在另外情况下却是可动的；其次，机械发生自锁的实质是机械中 所含的运动副发生了自锁那么，运动副发生自锁的条件又是什么? ( 1 ) 移动副的自锁条件： 在移动副中，如果作用于滑块上的驱动力作用在其摩擦角之内( 即驱动力的传动 角摩擦角) ，则发生自锁，这就是移动副发生自锁的条件。 ( 2 ) 转动副的自锁条件： 在转动副中，如果作用在轴颈上的驱动力为一单力f ，且作用于摩擦圆之内( 即 驱动力对轴颈中心的力臂长度a 摩擦圆半径p ) ，则发生自锁，这就是转动副发 生自锁的条件 下面就谈谈机械自锁条件的确定： 对于一个机械来说，我们可以通过分析其所含的运动副的自锁情况或从机械效率 的观点分析来判断其是否自锁，也可从生产阻力方面或自锁的现象( 或定义) 方面分析 来判断其是否自锁，故判断机械发生自锁的条件就有如下四种方法： ( 1 ) 根据机械所含运动副的自锁条件来判断其是否自锁。 因为机械的自锁实质上就是其中的运动副发生了自锁。 ( 2 ) 根据机械效率小于等于零( 即r l o ) 的自锁条件来判断其是否自锁。 因为当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大都不能使机械发生运动，这实质上 2 l 第三章夹具自锁机构研究减速电机驱动的绿色夹具系统研究 是驱动力所能作的功w d 总不足以克服其所能引起的最大损失功胛之故，根据叩= l 一册w d 知，这时，r 一 0 。 ( 3 ) 根据机械的生产阻力小于等于零( 即g o ) 的自锁条件来判断其自锁状态。 由于当机械自锁时，机械已不能运动，所以这时它所能克服的生产阻抗力g o 。 g 0 意味着只有当阻抗力反向变为驱动力后，才能使机械运动。故可利用当驱动力任 意增大时，g o 是否成立来判断机械是否自锁，并据以确定机械的自锁条件。 ( 4 ) 根据作用在构件上的驱动力的有效分力小于等由其所引起的同方向上最大摩 擦力( 即f t f f m a x ) 的自锁条件来判断其自锁状态。 有不同的基本自锁机构，由于结构形式的不同，其增力系数、自锁性能以及其它 技术性能都存在着一定的差异。将表象众多的自锁机构，分别从根本上分析其工作原 理实质，可以建立具有逻辑联系的总体分类体系如表3 一l 所示。目前，机械中较为常 用的自锁机构主要有斜面自锁结构；螺旋变形机构，过零界点铰杆机构。 表3 - 1 基本自锁增力机构的总体逻辑分类 减速电机驱动的绿色夹具系统研究第三章夹具自锁机构研究 在自锁机构的力学性能中，我们除了关注其自锁条件和夹紧力外有时还关注其关 注的是系统的增力系数。 3 1 1 斜楔自锁机构 斜楔机构具有制造容易、结构简单、调整方便等优点，在机械化传动中应用较广。 在需要长时间保持作用力的场合，采用具有自锁功能的斜楔机构与液压传动技术结 合，可以让液压泵卸荷或者停止运转，节能效果十分显著。如图3 _ 1 所示 f ， 图3 - 2 斜楔机构基本形式 ( 3 - 1 ) 若考虑其摩擦力则夹紧力为： 昂= 面瓦缸丽c 3 国 第三章夹具自锁机构研究减速电机驱动的绿色夹具系统研究 式中e e 施加在楔上的原始力，在斜楔中就是斜楔的楔角 口压力角，在斜楔中就是斜楔的楔角。 办和丸楔两侧面的摩擦角。分别为a r c t a n 1 1 和肛； 朋和z 为楔两侧面的摩擦系数 斜楔机构的理论增力系数为： 1 k = = ( 3 - 3