第二章：机械系统.ppt

第二章机械系统,概述传动机构导向机构执行机构等效转动惯量与等效力矩,对机械系统的基本要求：,高精度,快速响应,良好的稳定性,较大刚度,良好的可靠性,重量轻,寿命长,体积小,机械系统的组成,传动机构：传递转矩和转速导向机构：支承和限制执行机构：用来完成操作任务,对传动机构的性能要求,1、转动惯量及质量都要小。2、刚度大3、阻尼合适4、摩擦小5、抗振性好、稳定性高6、间隙小,传动机构的种类,传动机构种类：齿轮传动副、滚珠丝杠副传动系统、同步齿形带、谐波齿轮减速器、软轴传动、联轴器、滚珠花键等机构。学习要点:各类传动工作原理、特点（优点及缺点）、典型结构、设计选用方法。,图a偏心套式间隙消除机构1偏心套2电动机3减速箱45减速齿轮,图b圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构1、2齿轮3垫片,图c锥齿轮轴向压簧调隙机构1、4锥齿轮2、3键5压簧6螺母7轴,图2-16滚珠丝杠副1螺母2滚珠3回程引导装置4丝杠,工作过程动态演示,滚动丝杠副,按螺纹滚道的截面形状分单圆弧型和双圆弧型按滚珠的循环方式分内循环和外循环按消除轴向间隙的调整方法分双螺母螺纹预紧调隙式、双螺母齿差预紧调隙式、双螺母垫片预紧调隙式、弹簧式自动调整预紧式,结构类型,外循环式滚珠丝杠（插管式）,外循环式滚珠丝杠（插管式）,内循环式滚珠丝杠,内循环式滚珠丝杠,端盖循环方式的滚珠丝杠,端盖循环方式的滚珠丝杠,不同螺纹滚道的截面形状,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副1.反向器2.弹簧套3.丝杠4.拱形片簧,插管式外循环滚珠丝杠副1.销钉2.压板3.螺纹滚道4.滚珠,端盖式外循环滚珠丝杠副1.螺母2.套筒（有滚珠的回程道口）,双螺母螺纹预紧调隙式,双螺母齿差预紧调隙式,双螺母垫片预紧调隙式,弹簧式自动调整预紧式,滚动丝杠副特点,传动效率高。90%-95%,运动具有可逆性。正逆效率基本一样,系统刚度好。因能预紧故无爬行,传动精度高。制造精度高,工艺复杂。成本高,不能自锁。因重力而下滑,使用寿命长。比滑动高5-6倍,双推自由式（P17）单端拉伸，轴向刚度低，适合中小载荷，低速，短行程场合。,双推简支式单端拉伸，轴向刚度不高，适合中速精度较高场合,双推双推式两端预拉紧，轴向刚度高，适合高速、高刚度、高精度。,超越离合器1外圈2星轮3滚柱4活销5弹簧特点：单方向传递运动,电磁摩擦制动装置示意图特点：便于实现自动控制（图示滚珠丝杠用于垂直轴时的自锁方式。）,滚珠丝杠副的主要尺寸参数,同步带传动,特点,能方便地实现较远中心距的传动；,工作平稳，能吸收振动；,不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；,强度高，厚度小，重量轻；,中心距要求严格，安装精度要求高；,制造工艺复杂，成本高。,同步带传动,梯形齿同步带结构1-带背2-承载绳3-包布层4-带齿,同步带主要参数,谐波齿轮传动,谐波齿轮传动,优点,传动比大。单级50-5000,最高可达30000以上,承载能力大。同时啮合齿数有30%-40%,传动精度高。啮合齿数多，误差均化,可以向密封空间传递运动或动力。,传动平稳。无冲击振动,传动效率高。单级在69%-96%,结构简单、体积小、重量轻。,谐波齿轮传动,用于机器人、雷达、射电望远镜、电子仪器、仪表等的大传动比传动机构中,缺点,柔轮和波发生器制造复杂。,传动比下限值较高。,不能做成交叉轴和相交轴的结构。,软轴传动,滚珠花键机构,2、机械系统导向机构,导轨的组成和分类导轨按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。根据导轨之间的摩擦情况，常用导轨有滑动导轨和滚动导轨。,对导轨的基本要求,（1）导向精度,（2）刚度,（3）耐磨性,（4）运动的灵活性和低速运动的平稳性,直线运动导轨的几何精度,塑料导轨,塑料导轨软带(贴塑导轨）金属塑料复合导轨板塑料涂层,软带粘贴形式,金属塑料复合导轨,滚动导轨,摩擦系数小（0.003-0.005），运动灵活,动、静摩擦系数基本相同，启动阻力小，不易产生爬行现象,可以预紧，刚度高,寿命长,精度高,润滑方便一次装填润滑脂，长期使用。,工作过程动态演示,优点,滚动导轨结构形式,滚动体循环式导轨副,滚动导轨副,导轨用滚动轴承,2、机械系统执行机构,执行机构的分类热变形式磁致伸缩式工业机器人末端执行器,图2-42热变形式微动机构原理,2、机械系统执行机构热变形式,传动杆受热伸长，伸长量L(mm)为：L=L(t1-t0)=Lt式中：传动杆1材料的线性膨涨系数（um/.m）；L传动杆长度（m）；t1加热后的温度（）；t0加热前的温度（）；t加热前后的温度差（）,图2-44磁致伸缩式原理,2、机械系统执行机构磁致伸缩式,伸缩棒的变形量L(m)为：L=L式中，材料磁致伸缩系数（m/m）；L伸缩棒被磁化部分的长度（m）100mm长的铁钴矾棒，磁致伸缩只能伸长7m。,磁致伸缩式精密坐标工作台,工业机器人末端执行器,1、机械夹持器圆弧开合型、圆弧平行开合型、直线平行开合型2、特种末端执行器真空吸附手、电磁吸附手3、万能手（或灵巧手）,圆弧开合型夹持器,运动过程演示,圆弧平行开合型夹持器,运动过程演示,运动过程演示,直线平行开合型夹持器,特种末端执行器(a)真空吸附手（b)喷枪（c)空气袋膨胀手(d)弧焊焊枪(e)电磁吸附手(f)点焊枪,负压真空吸附手,具有磁粉袋的吸附手,灵巧手,模仿人手的多指多关节机器人末端执行器,等效转动惯量,转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量，它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。,折算到某特定轴（电机轴）上的全部负载转动惯量Jd(Kg.m2),转动惯量：,等效转动惯量：,惯量匹配原则,电机轴上的总等效转动惯量Jd与电机轴自身的转动惯量Jm应控制在适当范围内：比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车.,通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理,等效转动惯量的计算,系统由有m个转动件和n个移动件组成，则系统运动部件的总能量为：,等效计算原则:等效前后系统总能量保持不变,设等效轴的转动惯量为Jk,等效转动惯量的计算（教材P35）,系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效转动惯量为：式中：Ji为第i个转动件的转动惯量（Kg.m2）；ni为其转速；nk为电机轴的转速（r/min）；vj为第j个移动件的移动速度（m/min）；mj为其质量（Kg）,等效力矩计算,系统在t时间内，克服所受力矩和力所作的功为：设等效到第k轴的等效力矩为则有:,等效力矩计算,系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效力矩Tk为：Ti为第i个转动件的负载转矩（N.m）；Fj为第j个移动件所受的负载力（N）,启动时加速转矩,式中，Tamax为等效到电机轴上的加速转矩，单位N.m;Jk为等效到电机轴上的总转动惯量,单位kg.m2;nmax为电机轴启动后达到的最高转速,单位r/min;t为启动过程需要时间,单位s注:系统制动时所需要制动力矩计算方法同上.,系统带负载启动时需要的转矩,系统带负载启动时,电机需要转矩TM为等效负载转矩Tk和加速转矩Tamax之和,即:,例：如图数控机床的进给伺服系统中，已知齿轮1的齿数Z1=25，转动惯量J1=0.0003Kg.m2，齿轮2的齿数Z2=50，转动惯量J2=0.0048Kg.m2，滚珠丝杠的转动惯量J3=0.003Kg.m2，丝杠螺距P=10mm，电机的转动惯量JM=0.0016Kg.m2,工作台质量m=100Kg,驱动系统总效率0.8,工作台与导轨面的摩擦系数为。已知切削进给时沿进给方向阻力为100Kg,启动时电机达到最高转速500r/min的启动加速时间为50ms。试求：（1）系统转换到电机轴上的等效转动惯量是多少？（2）系统空载启动和切削进给时转换到电机轴上的等效力矩分别是多少？,工作台的最高移动速度:v=n1Z1P/Z2=500250.01/50=2.5m/min齿轮2的转速n2=n1Z1/Z2=50025/50=250r/min等效转动惯量:J1=JM+J1+（J2+J3）（n2/n1）2+m(v/n1)2/42=0.0016+0.0003+(0.0048+0.003)(250/500)2+100(2.5/500)2/42=0.0016+0.0003+0.00195+0.000063=0.0039Kg-m2,(2)加速力矩Ta,阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5(N),空载启动等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M),切削阻力F=100*9.8/0.8=1225（N）,切削进给等效力矩T=TF+Tf=1+0.02=1.02(N.M),例2-1设一进给系统，如图2-44所示。已知：工作台及工件质量mA=300kg；工作台沿运动方向的负载F500N；电动机转子的转动惯量Jm0.04kgm2；齿轮z1和轴I的转动惯量Jl0.003kgm2，齿轮z2和轴的转动惯量J20.032kgm2，轴上的负载转矩Tp=2Nm。求计算转化到电动机铀上的等效转动惯量和等效转矩，(忽赂摩擦阻力)。,解(1)计算等效转动惯量,此时，m=2，n=1,故转化到电机轴上总的等效转动惯量Jr为0.075kgm2，而且,（2）计算等效转矩,此时m=1，n=1。,故转化到电机轴上的等效转矩Tk为5.5Nm。,例2-3图2-46为某一数控车床床鞍驱动系统，最快进给速度vmax=1.5m/min，工作台和刀架等总重量mA=300kg，驱动系统总效率=0.8，滚珠丝杠导程Pz0=6mm，步进电动机的步距角=1.5，工作台与导轨摩擦系数f=0.02，步进电动机起动加速时间为25mm，丝杠预紧力不考虑。已知系统参数及步进电动机特性见表2-2和表2-3，求计算转化到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩，并结合步进电动机的起动矩频特性，分析在此条件下，步紧电动机能否起动。,解:（1）求nmax,（2）求JP,（3）求Tmax,（4）求Tf,此时m=0n=1Fj=3009.80.02/0.8N=73.5NVj/nk=1.5/250=0.006,由已知条件知，步进电动机在1500Hz时，启动转矩为5Nm，而步进电动机在1250Hz时，实际的负载转矩为3.57Nm，因为步进电动机的启动转矩大于实际负载转矩，故步进电动机在快速启动进给系统时，能顺利启动而不失步。,作业题,1.什么是机电一体化？机电一体化系统的基本组成要素有哪些？2.简要叙述机电一体化系统的共性关键技术3.常用的机械传动机构有哪些？各有何特点4.滑动导轨和滚动导轨各有何特点?,分析