机电一体化机械技术概述(ppt 40页).ppt

1、第二章 机电一体化机械技术,2-1 机电一体化中的机械系统 2-2 机电一体化中常用的传动机构 2-3 机电一体化中常用的执行机构 2-4 机电一体化中的虚拟样机技术（自学,机械系统包括系统的框架和支承结构、机械连接和传动系统，本章重点介绍传动系统的特点和设计方法。 一传动系统的构成及作用,图2.1 传动系统在机电系统中的作用,2-1 机电一体化机械系统,对传动系统的要求静特性：传动精度动特性：稳定性、快速性可靠性,图2.2 机电系统的控制模型,2.2.1 机械传动系统的特性 一、转动惯量它是系统的机械负载，要产生功耗，影响系统的响应速度、灵敏度、固有频率和阻尼特性。它取决于质量的大小和质量分

2、布。 1、转动惯量大的影响 （1）机械负载增加，功率消耗大； （2）响应速度变慢，灵敏度降低； （3）固有频率下降，容易产生谐振； （4）电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增大等,2-2 机电一体化系统中常用的传动机构,2、转动惯量的计算 （1）圆柱体的转动惯量（齿轮、丝杠等） 计算公式为,m圆柱体的质量（kg）； d圆柱体的直径（m,2）直线运动物体的转动惯量 丝杠驱动 导程为,的丝杠驱动总质量为,的工作台和工件,齿轮驱动 齿轮齿条驱动总质量为 的工作台和工件，其折算 到节圆半径为 的小齿轮上的等效转动惯量为,其折算到丝杠轴上的等效转动惯量为,例2.1 计算折算到电机轴上的等效转动惯量,解：传

3、动系统有三根轴，每根轴上的总惯量分别为,其中： ， ， ， 分别是4个齿轮的转动惯量,是丝杠的惯量,是工作台折算到丝杠上的等效转动惯量,总的等效惯量为,二、阻尼 阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的，机械传动系统可视为带有阻尼的质量弹簧系统。系统的阻尼可划分为3类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和粘性摩擦阻尼（粘滞摩擦阻尼）。 1、阻尼对机械系统的动态特性的影响 系统的静摩擦阻尼越大，系统的回程误差增大，定位精度降低； 系统的黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差就越大，精度就降低； 系统的黏性阻尼摩擦会对系统的减慢系统的响应速度； 如果机械系统刚度低而质量大，则系统的固有频率低，于是应增大系统

4、的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和衰减振动,2、阻尼比计算 在带有阻尼的弹簧质量系统中（机械传动部件若简化为二阶振动系统），阻尼比与粘滞摩擦阻尼之间的关系如下,式中,粘性阻尼系数,系统等效质量,系统的拉压刚度,不同阻尼比对二阶系统的影响如下图,图2.2 不同阻尼比时系统的响应,一般取,三、刚度 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度。 1、刚度对系统动态特性的主要影响 （1）矢动量。刚度越低，传动部件的变形越大，系统的矢动量就越大； （2）固有频率。系统的刚度越大，固有频率越高； （3）稳定性。系统的刚度越大，对系统的稳定性有利,2、刚度的计算

5、 （1）拉压刚度计算 丝杠螺母机构的拉压刚度是由丝杠机构的拉压刚度,丝杠螺母见的接触刚度,及丝杠轴承的支承,三部分组成。 一端轴向支承的丝杠，其拉压刚度为,式中,丝杠的中径,材料的拉压弹性模量,受力点到支撑端的距离,当工作台位于距离支撑端最远位置时（受力点到支撑端的距离最大），丝杠的全部工作长度L都受力，则刚度最小,L丝杠的全部工作长度,两端轴向支承的丝杠，其拉力刚度为,当工作台位于两支承点的中点位置时，即,丝杠的拉压刚度为最小值,时,和,均可从产品样本中查得,则丝杠螺母机构的总拉压刚度,为,一端轴向支承的丝杠,两端轴向支承的丝杠,2）丝杠扭转刚度计算 丝杠扭转刚度可用下式计算,式中,丝杠的中

6、径,材料的剪切弹性模量,受力点到支撑端的距离,下面是不同刚度对系统性能的影响,图2.3 不同刚度时系统的频率特性（KKK,例2.2 在例2.1的数控机床进给系统中，若预紧后丝杠支承轴向刚度,丝杠螺母间的接触刚度,取丝杠的最大工作长度,拉压弹性模量,剪切弹性模量,试求,丝杠螺母系统的最小拉压刚度,和最小扭转刚度,2.丝杠工作台系统纵向振动和扭转振动的最小固有频率,1）计算丝杠螺母系统的刚度,由于丝杠为一端轴向支承，故,则最小拉压刚度为,得,最小扭转刚度为,2）系统固有频率的计算 忽略丝杠本身的质量，则工作台纵向振动的最小固有频率为,由例2.1知，电动机轴上的系统总转动惯量,则折算到丝杠轴上的系统

7、总转动惯量为,忽略电动机轴和齿轮轴的扭转变形，系统扭转振动的最小固有频率为,四、传动精度 由于传动件之间的间隙和传动件的安装及制造误差而引起两种误差，称为传动误差和回程误差。传动链的传动误差和回程误差会影响系统的精度和稳定性。它们对系统性能的影响随其在系统中的位置的不同而不同。 1、传动系统的误差分析 （1）传动误差是指输入轴单相回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动。从而使输出轴的运动时而超前，时而滞后（图见书上图2-5(b)）。 （2）回程误差是与传动误差既有联系又有区别的另一类误差。其可以是当输入轴有正向回转变为反向回转是，输出轴在转角上的滞后量，也可把它理解成输入轴固定式，输出轴

8、可以任意转动的转角量。其使输出轴不能立即随着输入轴反向回转，即具有之后性（图见书上图2-5(c),2、减小传动链误差的措施(1)提高零件本身的制造精度可以减少传动误差和回程误差。 (2)合理地设计传动链可以减少传动误差，包括：合理地选择传动类型。不同的传动形式所能达到的传动精度是不同的。一般说来：圆柱齿轮的传动精度较高，蜗轮蜗杆机构次之，圆锥齿轮的传动精度则较差；谐波齿轮传动的精度较高，渐开线行星齿轮机构、少齿行星齿轮机构次之，摆线针轮行星齿轮机构的传动精度则较差。合理地确定传动级数、合理地分配传动比。减少传动级数就可以减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。因此，在满足使用要求的前提下尽可能

9、减少传动级数。对减速传动链，各级传动比宜从高速端开始逐级递增，尽量提高末级传动比,合理地布置传动链。在减速传动中，精度较低的传动机构应尽量布置在高速轴上（如圆锥齿轮传动），这样可以减小低速轴上的误差。 (3)采用消除间隙机构可以减少回程误差。螺纹传动间隙的消除机构, 齿轮传动侧隙的消除机构, 滚珠丝杠螺母间隙的调整机构等,2.2.2 常用传动机构1、转动型传动机构（1）齿轮（齿条）传动齿轮传动包括圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动和圆弧齿轮传动等。其工艺性好、适用范围广、可实现大功率或者高精度传动，效率高、传动平稳，不易实现大传动比、体积较大,图2.5齿轮传动机构,2）蜗轮蜗杆传动其特点是传动比大、输

10、出轴与输入轴垂直、结构紧凑、可反向自锁，传动效率低,图2.6蜗轮蜗杆传动机构,3）同步齿型带传动 同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步齿型带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步齿型带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度的传动。传动噪声比链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需要润滑油，寿命比摩擦带长。同步齿型带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如家用电器、计算机、仪器及机床、化工、石油等机械。它既可以实现转动型传动又可以实现直线型传动,图2.7同步齿形带传动原理,4）行星

11、轮减速器传动比范围宽、结构紧凑、效率高、传动精度高、适合于各种传动，特别是与电机构成伺服机组。 （5）谐波减速器传动比大、结构紧凑、效率高、传动精度高、适合于中小功率传动,2、直线型传动机构（1）齿轮齿条传动它具有齿轮传动的特点，可以实现较大的直线位移，负载能力大，广泛应用于大型机床工作台的移动驱动,图2.8齿轮齿条传动原理,2）丝杠螺母（螺杆）传动传动比大、可反向自锁、结构简单、工艺性好，效率较低。滚珠丝杠可以实现高效率、高精度传动，滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍，可以做到无间隙传动，广泛应用于数控机床工作台，数控平台和机器人的驱动,图2.9丝杠螺母传动原

12、理,图2.10软盘驱动器中磁头的螺杆机构,3）同步齿型带实现的移动传动它具有同步齿型带转动传动的特点，可以实现较大的直线位移，广泛应用于移动型工作台、绘图机、打印机、复印机、扫描仪等办公设备和计算机外设的驱动,图2.11打印机字车的同步带驱动机构,4）钢丝（绳）实现的移动传动它具有可以实现较大的直线位移、重量轻、噪声小、驱动力大等特点。其缺点是，可能产生打滑，传递运动不如同步齿型带准确。应用于大型天车、升降机构等的移动驱动。在绘图机、打印机、复印机、扫描仪等办公设备和计算机外设的应用基本上被同步齿型带所取代,图2.12天车的钢丝绳驱动机构,5）钢带实现的移动传动,图2.13钢带实现的移动传动原

13、理,2-3 机电一体化系统中常用的执行机构,2.3.1 基本要求 2.3.2 微动执行机构 2.3.3 工业机械手末端执行器,2.3.1 基本要求,1 惯性小、动力大,2 体积小，质量轻,3 便于维修和安装,4 易于计算机控制,此外，一个执行机构还应具有：响应速度快、动态性能好、动静态精度高和动作灵敏度高的特点,2.3.2 微动执行机构 微动执行机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定进给运动的机构。 分类： 机械式； 电气机械式； 弹性变形式； 热变形形式； 磁致伸缩式； 压电式等,2.3.3 工业机械手末端执行器 工业机械手是一种自动控制、可重复编程、多自由度的操作机，具有搬运功能以及完成其他各种作业的机电一体化设备（直接执行操作功能）。 分类：机械夹持器；特种末端执行器；万能手（灵巧手,机械夹持器 机械夹持器是最