第2章 机械系统幻灯片.ppt

2机械系统 机电控制系统的机械系统除了和一般的机械系统要求具有较高的定位精度外 还应具有良好的动态响应特性 即响应要快 稳定性要好 一个典型的机电控制系统通常包括 控制部件 接口电器 功率放大器 执行元件 机械传动部件 导向支承部件和检测传感部件等 而机械系统一般包括减速装置 丝杆螺母副 蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件 连杆机构 凸轮机构等非线性传动部件 导向支承部件 旋转支承部件 轴系部件等 2 1机械传动部件 常用的机械传动部件有螺旋传动机构 齿轮传动机构 挠性传动机构和间歇传动机构等 其主要功能是传递转矩和转速 2 1 1螺旋传动机构螺旋传动机构是用螺纹副将主动件的转动变为从动件的移动的传动 是常用的一种传动形式 螺旋传动机构主要由螺杆 螺母和机架组成 常用于把转动变为直线运动以传递运动和动力 也可用来调整并固定零件或部件之间的相对位置 应用十分广泛 1 按功能不同 螺旋传动可分为传力螺旋 传导螺旋和调整螺旋三种 2 按相对运动方式分螺旋机构主动件 螺杆或螺母 回转一周 螺杆与螺母间的相对位移为一个导程 根据相对运动原理 回转与移动两种运动形式可由一个构件来完成或分别由两个构件来实现 位移情况可分为三类 其中 利用差动位移原理的螺旋传动是普通螺旋传动中较重要的应用 1 差动螺旋是指同一螺杆上制出两段旋向相同 螺距不等的螺纹 利用其螺距之差 可产生微小的位移量 2 反向螺旋是指同一螺杆 或螺母 上制出两段旋向相反 螺距不等或相等的螺纹 利用其螺距之和 可得到快速移位的螺旋传动 2 1 2齿轮传动机构齿轮传动是机械传动中最重要的 也是现代机械中应用最广泛的一种传动形式 其传动准确 可靠 效率高 传递功率和速度的范围大 可以用来传递空间任意两轴间的运动和力 1 齿轮传动的类型 2 轮系的类型根据轮系在运动过程中各轮几何轴线在空间的相对位置关系是否变动 轮系可分为定轴轮系和周转轮系 1 定轴轮系 2 周转轮系 3 混合轮系 3 轮系的传动比轮系的传动比是指轮系中输入轴的转速与输出轴的转速之比 即 要确定轮系的传动比 不但要计算其大小 还要确定其输入轴和输出轴之间的运动关系 表示出它们的转动方向 1 定轴轮系中各轮几何轴线均互相平行的传动比计算 2 定轴轮系中所有齿轮的几何轴线不都平行 但首 尾两轮的轴线互相平行如图 a 所示 齿轮3和齿轮4轴线不平行 齿轮5和齿轮6轴线不平行 它们的转向无所谓相同或相反 在这种情况下 可在图上用箭头来表示各轮的转向 由于首尾两轮的轴线互相平行 所以仍可在传动比的计算结果中加正负号来表示主 从动轮的转向关系 3 定轴轮系中首 尾两轮的轴线不平行如图 b 所示 主动轮1 蜗杆 和从动轮6 锥齿轮 的几何轴线不平行 它们分别在两个平面内转动 转向无所谓相同或相反 因此不能在传动比的计算结果中加正负号来表示主 从动轮转向间的关系 其转向关系只能用箭头在图中表示 4 周转轮系的传动比由于含有行星轮 周转轮系的传动比不能直接用定轴轮系传动比的计算方法来解决 而是利用相对运动原理引入转化轮系 即把周转轮系转化成一个假想的定轴轮系 具体方法是利用转化轮系的传动比计算公式 导出周转轮系各构件绝对转速之间的关系式 从而计算它们之间的传动比 如图2 8所示 假设给整个周转轮系一个运动 使其绕OH轴以系杆的相同转速但方向相反 nH 的公共转速运动后 使得系杆相对静止了 既然系杆不动 即没有系杆 也就不可能有行星轮 轮系就发生了变化 周转轮系就转化为定轴轮系了 此时 我们称此定轴轮系为该周转轮系的转化轮系 特别强调 转化轮系为一定轴轮系 周转轮系转化前后的转速见表2 2 在转化轮系中各构件的转速都在右上角标上 H 表示各构件是附加一个 nH 后的转速 5 混合轮系的传动比混合轮系由定轴轮系和周转轮系或由多个单一周转轮系组合而成 它的传动比计算要复杂一些 大致可归纳为以下几个步骤 进行轮系的结构分析 以行星轮为出发点 依次从混合轮系中划分出单一的周转轮系 余下的是定轴轮系 对每个单一周转轮系都列出转化轮系传动比的计算式 定轴轮系也按其计算规则列出相应的关系式 构成联立方程组 解方程 得到最后结果 在解方程时 可以进行约分 但运算过程中不宜化为小数 尤其不可取近似值 否则可能造成较大误差 甚至产生错误结果 因此 只有求出最后结果之后 才能化为近似小数 2 1 3挠性传动机构1 同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮 链条传动优点的一种传动 它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿 通过带齿与轮齿作啮合运动 2 钢带传动钢带传动的特点是钢带和带轮间接触面积大 无间隙 摩擦阻力大 无滑动 结构简单紧凑 运行可靠 噪音低 驱动力大 寿命长 钢带无蠕变 3 绳轮传动绳轮传动具有结构简单 传动刚度大 结构柔软 成本较低 噪音低等优点 其缺点是带轮较大 安装面积大 加速度不易太高 2 1 4间歇传动机构当机构的主动件连续运动时 从动件能产生 动作 停止 动作 的运动 常用的间歇运动部件有棘轮机构 槽轮机构和蜗形凸轮传动机构 1 棘轮传动机构图2 13所示的为常见的外啮合齿式棘轮机构 它主要由棘轮1 主动棘爪2 止回棘爪5和机架6组成 在棘轮机构中 一般情况下棘爪为原动件 当主动摇杆逆时针摆动时 摇杆上铰接的主动棘爪插入棘轮的齿内 推动棘轮同向转动一定角度 当主动摇杆顺时针摆动时 止回棘爪阻止棘轮反向转动 此时主动棘爪在棘轮的齿背上轻轻滑回原位 棘轮静止不动 从而实现将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间歇运动 为保证棘爪工作可靠 常利用弹簧使棘爪紧压齿面 2 槽轮传动机构槽轮传动机构是能实现从动件较长时间停留的机构 如图2 16所示 槽轮机构是由带圆销A的拨盘 曲柄 1 具有径向槽的槽轮2及机架等组成的间歇运动机构 拨盘上有一段外凸的锁止圆弧 槽轮上制有若干段内凹的锁止圆弧 拨盘为主动件 当它以等角速度 1作连续转动时 曲柄随之转动 其上的圆销进入槽轮的径向槽内时 槽轮即按 2的方向转动 当圆销从径向槽内脱出时 槽轮上的内凹锁止圆弧被拨盘上的外凸锁止圆弧 卡住 故槽轮停止不动 直至圆销进入下一个径向槽内时 才又重复上述的运动循环 使槽轮实现间歇的单向转动 3 蜗形凸轮传动机构 2 2导向支承部件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 这样的部件通常被称为导轨副 简称导轨 主要由承导件1和运动件2部分组成 如图2 18所示 2 2 1滑动导轨副1 导轨副的截面形状滑动导轨副常见的导轨截面形状有三角形 矩形 燕尾形和圆形等四种 每种又分为凸形和凹形两类 如图2 19所示 凸形导轨不易积存切屑等脏物 也不易储存润滑油 宜在低速下工作 凹形导轨则相反 可用于高速 但必须有良好的防护装置 以防切屑等脏物落入导轨 2 导轨副的组合形式 1 双三角形导轨两条三角形导轨同时起支承和导向作用 如图2 20所示 2 双矩形导轨如图2 21所示 承载面1和导向面2分开 因而制造与调整简单 导向面的间隙用镶条调节 接触刚度低 闭式结构有辅助导轨面3 其间隙用压板调节 3 三角形与矩形导轨如图2 22所示 这种组合形式兼有三角形导轨的导向性好 矩形导轨的制造方便 刚性好等优点 并避免了由于热变形所引起的配合变化 但导轨磨损不均匀 一般是三角形导轨比矩形导轨磨损快 磨损后又不能通过调节来补偿 故对位置精度有影响 闭合导轨有压板面 能承受颠覆力矩 4 三角形与平面导轨组合如图2 23所示 这种组合形式具有三角形和矩形导轨的基本特点 但由于没有闭合导轨装置 因此 只能用于受力向下的场合 5 燕尾形导轨及其组合如图2 24所示 图 a 为整体式燕尾形导轨 图 b 为装配式燕尾形导轨 其特点是制造 调试方便 图 c 为燕尾形与矩形组合 它兼有调整方便和承受较大力矩的优点 多用于横梁 立柱和摇臂等导轨 2 2 2滚动导轨副1 滚动导轨副的组成如图2 25所示 滚动导轨副由带沟槽的定导轨和动导轨 滚动体和滚动体隔离元件等组成 2 滚动导轨副的分类滚动导轨副可分为直线运动和圆运动两种结构形式 1 按滚动体的形状分类按滚动体的形状可分为球形和圆柱形两类 即滚珠 钢球 滚针或滚柱 如图2 26所示 2 按导轨截面形状分类按导轨截面形状可分为矩形截面和梯形截面 3 按滚道沟槽形状分类按滚道沟槽形状有单圆弧和双圆弧两种 单圆弧沟槽为两点接触 如图2 27 a 所示 双圆弧沟槽为四点接触 如图2 27 b 所示 4 按滚动体循环分类直线运动滚动导轨副可分为滚动体有循环的和不循环的两种 3 常见滚动导轨副 1 滚动体不循环的滚动导轨副如图2 28所示 这种导轨的共同特点是滚动体不循环 因而行程不能太长 这种导轨结构简单 制造容易 成本较低 但有时难以施加预紧力 刚度较低 抗振性能差 不能承受冲击载荷 图2 29所示为无预加载荷的三角 平面滚珠导轨 结构简单 制造方便 用于轻载 小颠覆力矩条件下 图2 30所示为有预加载荷的双三角形滚珠导轨副 结构简单 制造方便 用于中载和中等颠覆力矩条件下 导轨若做成双圆弧 可提高承载能力 图2 31所示为有预加载荷的双三角形交叉滚子导轨副 结构复杂 刚度高 若不用保持架以增加滚子数量则刚度更高 适用于较大颠覆力矩条件下 2 滚动体循环的滚动导轨副图2 32所示为行程无限的标准滚动导轨副 这种导轨用于重载条件下 但结构复杂 装卸调整不方便 图2 33与图2 34所示为标准的滚动导轨块 其特点是行程长 装卸调整方便 图2 33为滚珠导轨块 它的结构紧凑 高度小 容易安装 滚珠不会像圆柱滚子那样发生歪斜 但它的承载能力差 抗振性能也略低 图2 34为滚柱导轨块 可按额定动负荷选用 其基本参数为高度H 图2 35所示为标准化的滚动导轨副 它具有不同的间隙预紧结构 图2 35 a 所示的定导轨1用螺钉固定在机身2上 动导轨4固定在运动件3上 其间隙可用调节螺钉5调节 故其精度和刚度均较低 图2 35 b 所示的用塞块6调整间隙 其精度和刚度均较高 图2 35 c 所示结构采用偏心销轴进行间隙调整 3 滚动轴承导轨滚动轴承导轨与滚珠 滚柱导轨的主要区别是 它不仅起着滚动体的作用 而且还代替了导轨 其特点是 摩擦力矩小 运动平稳 灵活 承载能力大 调节方便 导轨面积小 加工工艺性好 能长久地保持较高的精度 但精度直接受到轴承精度的影响 滚动轴承导轨在精密机械设备中均有应用 如精缩机 万能工具显微镜 测长仪等 图2 36所示为单头多步重复照相机中采用的滚动轴承导轨的结构 用作导轨的滚动轴承与轴承厂制造的标准轴承有所不同 标准滚动轴承是外环固定 内环旋转 而用作导轨的轴承则刚好相反 且轴承内外环比标准轴承厚 如图2 37所示 精度更高 如三坐标测量机和万能显微镜用的滚动轴承的径向跳动量要求在0 5 1 m之间 而轴承厂供应的最精密轴承 其径向跳动量要求在2 3 m 故只能在导轨中作压紧作用 用作导向与支承的滚动轴承 须专门制造 图2 38所示是滚动轴承的偏心轴机构 滚动轴承装在偏心轴上 以便于调整与控制导轨的间隙 其偏心量一般为e 0 2 1mm 图2 39所示为行程无限的标准滚动导套副 它装卸调整方便 用于轻载场合 2 3旋转支承部件 旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时 按其相互摩擦的性质可分为滑动 滚动 弹性 气体 或液体 摩擦支承 滑动摩擦支承按其结构特点可分为圆柱 圆锥 球面和顶针支承 滚动摩擦支承按其结构特点可分为填入式滚珠支承和刀口支承 各种支承的结构简图如图2 40所示 图 a 为圆柱支承 图 b 为圆锥支承 图 c 为球面支承 图 d 为顶针支承 图 e 为填入式滚珠支承 图 f 为刀口支承 图 g 为气 液体摩擦支承 图 h 为弹簧支承 设计时 选择支承的要求要具体问题具体分析 通常对支承的要求包括 方向和置中精度 摩擦阻力矩的大小 许用载荷 对温度变化的敏感性 耐磨性以及磨损后补偿的可能性 抗振性 及成本等 2 3 1圆柱支承 如图2 41所示 圆柱支承具有较大的接触面积 承受载荷较大 但其方向精度和置中精度较差 且摩擦阻力矩较大 圆柱支承是滑动摩擦支承中应用最广泛的一种 当需要准确的轴向定位时 常在运动件的中心孔和止推面之间放一滚珠作轴向定位 如图2 42 a 所示 若利用轴套端面的滚珠作轴向定位 如图2 42 b 所示 具有较大的承载能力 且运动件稍有偏心时 不会引起晃动 提高了机构的稳定性 2 3 2圆锥支承圆锥支承的方向精度和置中精度较高 承载能力较强 但摩擦阻力矩也较大 圆锥支承由锥形轴颈和具有圆锥孔的轴承组成 如图2 43所示 其置中精度比圆柱支承好 轴磨损后 可借助轴向位移 自动补偿间隙 其缺点是摩擦阻力矩大 对温度变化比较敏感 制造成本较高 2 3 3填入式滚动支承滚动支承摩擦阻力矩小 耐磨性好 承载能力较大 稳定剧烈变化时影响小 以及能在振动条件下工作 故可在高速度 重载情况下使用 但成本较高 当标准滚珠轴承不能满足结构上的使用要求时 常采用非标准滚珠轴承 即填入式滚珠轴承 这种支承一般没有内圈和外圈 仅在相对运动的零件上加工出滚动面 用标准滚珠散装在滚道内 图2 44所示为填入式滚动支承常用的三种典型形式 2 3 4其他支承1 球面支承如图2 45所示 球面支承由球形轴颈和内圆锥面或内球面组成 球面支承的接触面是一条狭窄的圆球带 轴除自转外 还可轴向摆动一定角度 由于接触面积很小 适用于低速 轻载场合 球面支承的球形轴颈可与轴作成一体 如图2 46 a 所示 或用滚珠镶到轴上 如图2 46 b 所示 或用标准滚珠放在两个圆锥表面之间 如图2 46 c 所示 当轴承的工作面为内圆锥面时 圆锥角一般取90 2 顶针支承如图2 47所示 顶针支承由圆锥形轴颈 顶针 和带埋头圆柱孔的圆锥轴承组成 顶针支承的轴颈和轴承在半径很小的狭窄环形表面上接触 故摩擦半径很小 摩擦阻力矩较小 但由于接触面积小 其单位压力很大 润滑油从接触处被挤出 因此 用润滑降低摩擦阻力矩的作用不大 故顶针支承适用于低速 轻载的场合 图2 48所示为顶针支承的几种结构形式 图 a 中的顶针旋入开槽螺母 以调整支承的间隙 图 b 为能调整轴线位置的结构 图 c 为置中精度较高的顶针结构 它以间隙很小的圆柱配合部分定中心 螺纹部分则有较大的径向间隙 且圆柱和螺纹之间有较高的同心度 以保证顶针顺利装配 图 d 为定心圆柱和调节螺钉分成为两个零件的一种结构 3 刀口支承刀口支承主要由刀口和支座组成 多用于摆动角度不大的场合 其主要优点是摩擦和磨损很小 图2 49 a c 所示为装有平面 棱形和圆柱面支座的刀口支承 4 弹性支承弹性支承的弹性阻力矩极小 能在振动情况下工作 适用于精度不高的摆动机构 图2 50所示的机械钟摆动结构 弹簧片2与钟摆3相连 另一端固定在固定座1上 钟摆的摆动使弹簧片2左右弯曲 2 4轴系部件 轴系结构是指轴和轴上零件以及轴承和端盖等零件的组合结构 其中 轴既是支承零件 又是回转构件的重要组成部分 因此 轴是轴系当中的关键零件 轴系的结构设计除了要定出轴的合理外形和各部结构尺寸外 为使轴系正常工作 还需要考虑轴系的调整 轴承的配合及润滑与密封等问题 2 4 1轴系的轴向定位和固定为保证各零件的位置不产生轴向窜动 轴系须进行轴向定位 同时 还要预留适当的轴向间隙 保证当工作温度变化时 轴向能自由伸缩 轴向部件是依靠轴承在支座上的支承结构实现轴向与周向支承定位的 1 两端单向固定在这种轴系结构中 位于轴系两支点上的轴承各限制轴系在一个方向的轴向移动 轴系所受某个方向的轴向载荷也通过相应定位点传递给机座 图2 51所示为应用两端单向固定的两种轴系结构 2 一端双向固定 一端游动图2 52所示为一端固定 一端游动的轴系结构 这种轴系结构中的一个支点 固定端 上的轴承相对于机座双向固定 两个方向的轴向载荷均通过这个支点传递给机座 轴系受热伸长时另一支点 游动端 轴承可沿轴向自由移动 不会使轴系卡死 也不改变轴系的轴向间隙 轴系可以有较高的旋转精度 这种轴系结构较复杂 3 两端游动图2 53所示的轴系中 传动件为双斜齿轮 这种齿轮传动具有确定两轴的相对轴向位置的功能 在相互啮合的一对齿轮中 如果其中一轴系通过轴承确定了轴系与机座的轴向位置 另一轴系与机座的轴向位置也就随之确定 轴系两端的轴承都应采用游动端结构 2 4 2轴系零件的润滑与密封轴系零件通常需要润滑的是齿轮与轴承 齿轮的润滑通常采用飞溅或喷淋的方式实现 因而轴系零件的润滑问题 更多的是轴承 尤其是滚动轴承 的润滑问题 也正因为轴承多装在轴系的两端 因此 轴承端盖和密封又通常与轴承在轴上安装的结构和润滑问题相联系 1 轴系零件的润滑滚动轴承的润滑对轴承的正常运转起着非常重要的作用 只有润滑适当 才有可能减小磨损和摩擦 提高轴承的承载能力和使用寿命 此外 润滑还能起到降低工作温度和防锈的作用 选用润滑剂的主要考虑因素是 轴承的工作温度 载荷 转速 工作环境和尺寸大小 当轴颈直径d与轴承工作转速n的乘积 即速度因数 d n 1 5 3 105mm r min时 一般用润滑脂 填充量不超过轴承空间的1 3 1 2 装脂不足或过多 都会引起摩擦发热而影响轴承的正常工作 当轴承在较高的转速和工作温度下 或者在轴承附近有方便的润滑油来源时 应采用油润滑 油润滑较脂润滑摩擦阻力小 具有冷却和清洗作用 可采用飞溅 浸油 喷油等手段 通常 轴承载荷大 工作温度高时选用粘度大的润滑油 反之 用粘度小的润滑油 在用浸油润滑时 油面高度不应超过最低滚动体的中心 以免产生过大的搅油损耗和发热 2 轴系零件的密封密封的目的是防止灰尘 水分和其他杂质侵入轴承内部和传动件的啮合面中 防止润滑剂流失 按密封的方法不同 分为接触式密封和非接触式密封 接触式密封用于接触处线速度 5m s的情况下 使用图2 54 a b 所示的毡圈式密封 或图2 54 c d 所示的皮碗式密封 图 c 采用单皮碗式密封 密封唇口朝外时防尘性能好 如果密封唇口改成朝内 则封油效果好 图 d 采用双皮碗式密封 兼顾了防尘与封油 唇形油封是标准件 主体采用橡胶材料 用于旋转零件之间的接触式动密封 油封与轴之间通过一圈或几圈较窄的环形区域接触 接触区域可以形成较大的压力 但接触面积小 摩擦功耗小 可用于高速旋转的零件 由于油封内有弹簧箍紧 可以自动补偿磨损 使油封与轴径保持接触 有些油封可以与轴径有多个接触唇 无骨架油封刚度较差 装配时需要用压盖压紧 如图2 55 a 所示 为提高油封自身刚度 可在油封外加装钢套 也可在油封内放置钢制骨架 如图2 55 b 所示 非接触式密封装置在工作过程中不与运动件接触 避免了轴颈与密封件间的摩擦 磨损和发热 适用于高速工作环境 常用的有间隙式和迷宫式两种 如图2 56所示 间隙式密封通过在轴颈与轴承盖之间设计较长的环状间隙 约0 1mm 0 3mm 并填满润滑剂来达到密封的目的 如图2 56 a 所示 这种方式适用于脂润滑和低速油润滑 迷宫式密封是通过在旋转件与固定件之间构成迂回曲折的小缝隙来实现密封的 如图2 56 b 所示 缝隙中填满润滑剂 对油和脂均有良好的密封效果 允许圆周速度可达30m s 密封可靠 但结构复杂 2 4 3轴承间隙及轴上零件位置的调整构成滚动轴承轴向间隙的尺寸要素通常较多 如果通过控制这些尺寸要素的公差实现轴承间隙 将会对这些尺寸提出过高的精度要求 有些要求甚至无法实现 在轴系结构设计中 通常在构成轴承间隙的尺寸链中设置一个可以方便调整的尺寸环节 在装配过程中 通过调整这个尺寸可以得到所需要的轴承间隙 如图2 57 a 所示 靠加减轴承端盖与箱体间垫片厚度进行调整 如图2 57 b 所示 利用调整螺钉1推动压盖3移动滚动轴承外圈进行调整 调整后用螺母2锁紧 轴系工作中的磨损会使轴承间隙发生变化 在设备维修过程中也可以通过调整这些环节的尺寸恢复正确的轴承间隙 有些轴系对轴上零件的轴向位置有较高的精度要求 例如蜗杆传动要求蜗轮的中心平面与蜗杆轴线重合 圆锥齿轮传动要求两轮的节圆锥顶点重合 这些精度要求也可以通过在轴系结构中设置调整环节