材料加工设备与自动化第三章 机械系统设计技术1（15版）.ppt

材料加工设备与自动化研究室Tel/Fax:01082316482/82338598,材料加工设备与自动化第二章机械系统设计技术,第一章概论,1.2机电一体化关键技术,第一章概论,1.2机电一体化关键技术,第一章概论,1.2机电一体化关键技术,机械设计技术机械技术就是关于机械的机构以及利用这些机构传递运动的技术。多关节机器人的手臂就是要实现人类手衡的同样功能。机器人就是将实现人类的腰、肩、大臂、小臂、手腕、手以及手指的运动的机械组合起来，构造成能够传递像人类一样运动的机械。机械技术就是实现这种运动机构的技术。,第二章机械系统设计技术,机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动。每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统需要由计算机协调和控制，以完成其功能要求。因此机电一体化机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型的合理化和最优化。本章将介绍机械设计概述传动部件设计轴系设计支撑件设计执行机构设计,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述,各种机械从构思到实现要经过设计和制造两个不同的阶段。机械设计是机械生产的第一道工序。在机电产品的设计制造中，设计人员根据市场对产品的需求和公司对产品的定位，提出机械设计的任务，并运用各种先进的设计方法，获得一个既满足使用要求，并且又保证技术先进、经济合理、综合性最优的产品设计方案，绘制出全部生产用图。机械生产人员则按照图纸实现产品的制造。统计结果表明，机械设计的消耗占机械生产总成本的3%左右，而机械生产成本的80%左右在设计阶段就己经决定了，如果在设计中有不合理的地方，制造者即使想尽办法也难把损失全部挽回。凡是应用某种原理或新概念，或采用新技术、新工艺、新材料，研制开发新的机械产品；或在原机器的基础上，创新设计或做局部改进，或提高机器工作能力，增加或减少机器功能；或提高机器工作效率，降低机器能耗，合并或简化机器结构；或改进机械零件，采用新材料等，都属于机械设计。,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述机械系统的组成,机械就是将具有一定强度的物体组合起来，接受外界提供的能量，实现确定的相对运动，从而完成某些有效工作的装置。机械由以下四个部分组成：输入部分（原动机）：接受能量、物质、信息的部分。转换、传动部分（传动机）：将接受的能量、物质、信息等传递给其它机械或者转换成其它形式的部分。输出部分（工作机）：直接完成指定工作的部分。安装固定部分（机架）：使机械上的各个部分保持确定位置的部分。容易与“机械”混淆的“工具”和“仪器”工具（tool）：虽然各部分都是由具有一定强度的物体组成，但各部分之间没有必要的相对运动（如锤子、锉刀等）。仪器（instrument）：虽然各部分之间有相对运动，但对外部不输出有用功（如侧试仪器等）。,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述机械系统的组成,相对运动与运动副：机械、仪器等都是由许多构件组成，各构件互相接触并相对运动。这种构件的组合称为运动副。如图2.1所示，运动副可分为相对直线运动的移动副、相对转动的转动副和相对螺旋运动（在旋转运动的同时作直线运动）的螺旋副。,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述机械系统的组成,机构：机械由各种运动副组成，由此来依次传递运动。以运动传递或运动变换为目的，由若干个运动副组成的具有确定运动的系统称为机构（mechanism）。,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述机械系统的组成,通用机械零件机械由许多零件组成，在这些零件中，螺栓、螺母、轴、齿轮、弹簧等零件在各种机械中几乎都会用到，这种零件统称为通用机械件（machineelement）。通用机械零件的标准化在各种机械上都要使用通用零件，所以实现标准化对于应用十分方便。在日本有日本工业标准（JIS)，在国际上有国际标准化组织（ISO）制定的国际标准。通用机械零件已经实现了标准化，在设计中积极采用标准件对于提高效率降低成本是非常重要的。对于没有实现标准化的零件，要按照强度和刚度来确定尺寸。在确定尺寸值时，也应该尽量采用标准尺寸系列。,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述机电一体化对机械系统的要求,机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支撑部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、涡轮涡杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施。,第二章机械系统设计技术,2.1机电设计概述机电一体化对机械系统的要求,机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、涡轮涡杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度等要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施。（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支撑、动（静）压导向支撑等。（2）缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接并减少中间传动机构：丝杠的支撑设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。（5）改进支撑及架体的结构设计以提高刚性，减小振动，降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度，减小质量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计,机电一体化系统中所用的传动机构及其传动功能如表2-1所示。从表中可以看出，一种传动机构可满足一项或同时满足几项功能要求。如齿轮齿条传动既可将直线运动或回转运动转换为回转运动或直线运动，又可将直线驱动力或转矩转换为转矩或直线驱动力；带传动、涡轮涡杆及各类齿轮减速器（如谐波齿轮减速器）既可以进行升速或降速，也可进行转矩大小的变换。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计带传动,带传动是通过环状挠性件，在两个或多个传动轮之间传递运动和动力的机械传动装置，又称为挠性件传动。它具有结构简单、维护方便和成本低廉等特点，适用于两轴中心距较大的传动。1、带传动的类型、结构和特点,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计带传动,1、带传动的类型、结构和特点带传动的主要优点：带具有良好的弹性，可以缓和冲击，吸收振动，传动平稳，噪声小；过载时，带在带轮上打滑，可防止其他零件损坏，起安全保护作用；适用于两轴中心距较大的场合；结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。带传动的主要缺点：带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比：传动效率较低，带的寿命较短；传动的外廓尺寸大：带传动需要张紧，支撑带轮的轴和轴承受力较大：带传动中的摩擦会产生电火花，不宜用于易燃、易爆等场合。根据上述特点，带传动多用于两轴传动比无严格要求、中心距较大的机械传递功率一般为P100kW，带速v=5mm/s25mm/s,传动比i7。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计带传动,2、带传动的张紧装置带传动是依靠带与带轮间的摩擦力工作的，所以安装时，传动带必须以一定的预紧拉力紧套在带轮上，但V带不是完全弹性体，工作一定时间后，其结果必将因带的塑性变形而减小，产生松弛现象，使传动能力下降，甚至失效，故必须适时地补充张紧。常见的张紧装置有以下两类。两轮的中心距可调两轮中心距不可调,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计谐波齿轮传动,谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，因此在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。1、谐波齿轮传动的工作原理谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的，因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计谐波齿轮传动,2、谐波齿轮传动的传动比,谐波齿轮传动的波形发生器相当于行星轮系的转臂，柔轮相当于行星轮，刚轮则相当于中心轮。故谐波齿轮传动装置（谐波减速器）的传动比可以应用行星轮系求传动比的方式来计算，设g、r、和H分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度，则,当柔轮固定时，r=0,则：,设Zr=200，Zg=202时，则iHg=101。结果为正值说明刚轮与波形发生器转向相同。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计谐波齿轮传动,2、谐波齿轮传动的传动比,2、当刚轮固定时，g=0，则：,设Zr=200，Zg=202时，则iHg=-100。结果为负值说明刚轮与波形发生器转向相反。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,滚动螺旋传动的滚动体有球和滚子两大类。本节仅介绍应用最广泛的以球为滚动体的滚珠螺旋传动滚珠丝杠副。随着机电一体化技术的发展，滚珠丝杠副的使用范围越来越广，目前我国有10余家专业工厂按照国家专业标准GBJ51004-89规定的参数及GBJ3162-91所规定的精度标准组织生产，用户不必自行设计制造它，可以根据使用工况选择某种结构类型的滚珠丝杠副，再根据载荷、转速等条件按本节介绍的计算方法选定合适的尺寸型号向有关厂家订货，可获得更佳的技术经济效果。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,1、滚珠丝杠副的组成滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反，其组成如图2-6所示。其中为接触角，是钢球与轨道表面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角，理想接触角为45。Ph为导程，是在同一条螺旋线上相邻两牙对应点间的轴间距离。Dpw为节圆直径，是钢球与轨道在理论接触状态时钢球球心所包络的圆柱直径。滚珠丝杠副可分为定位用(P类）及传动用（T类），前者指通过旋转角度和改变导程能够间接测量轴向行程的滚珠丝杠副。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,2.滚珠丝杠副的结构及精度等级对于丝杠，除螺纹滚道截面的形状有所不同外，各种类型的滚珠丝杠的结构基本相同。滚珠螺母的构造主要与滚珠循环的方式及预紧方式有关，且循环方式对滚珠螺旋传动的设计、制造、精度、寿命、成本及轴隙调整均有重要影响，与滚珠流畅性能更有直接关系。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,(1)螺纹滚道型面的（法向）形状及主要尺寸螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型，滚道型面与滚珠接触点的法线与丝杠轴向垂线间的夹角被称为接触角，一般为45。单圆弧型螺纹轨道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧型滚道加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧型面的滚道圆弧半径R稍大于滚珠半径rb。双圆弧型的螺纹滚道的接触角在工作过程中基本保持不变两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减小摩擦和磨损。由于加工其型面的砂轮修整和加工、检验均较困难，故加工成本较高。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,(2)滚珠的循环方式。滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杠l的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有2至4个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，其不足是反向器加工困难、装配调控也不方便。外循环方式中的滚珠在循环运动时，有时离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,3、滚珠丝杠副的特点（1）传动效率高，效率高达90%95%，耗费能量仅为滑动丝杠副的1/3。（2）运动具有可逆性，既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，逆传动效率几乎与正传动效率相同。（3）系统刚度好，通过给螺母组件内部施加预压来获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。（4）传动精度高，经过淬硬、精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又摩擦小，丝杠副工作时升温和热变形小，容易获得较高的传动精度。（5）使用寿命长，滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动的，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长，且具有很高的可靠性。比滑动丝杠高5到6倍。（6）不能自锁，特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故需设置制动装置。（7）制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，使其己成为数控机床、精密机械、各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。,第二章机械系统设计技术,2.2传动部件设计滚珠螺旋传动,4、滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时，在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以