第2章 机械系统分析

1、第2章机械系统分析2.1机械系统的基本概念2.2机械传动装置2.3导向装置2.1机械系统的基本概念2.1.1机械系统的基本概念机械系统一般由电动机、传动装置、导向装置、执行装置和控制装置组成。2.1.2机械系统的功能及要求机械的功能是完成机械运动。2.1.3机械系统的设计机械系统是机电一体化系统的基础，它是机和电两种技术的综合体。2.2机械传动装置2.2.1机械传动装置性能要求传动装置是一种转矩、转速变换器，使执行元件与负载间在转矩与转速方面得到最佳匹配。1)转动惯量小。2)低摩擦。3)适当的阻尼。4)刚度大。5)高谐振频率。2.2.2常见传动装置分析1.滚珠丝杠副滚珠丝杠副是一种螺旋传动机构

2、，目前已成为精密传动的数控机床、精密机械以及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。2.2机械传动装置图2-1滚珠丝杠副传动装置1丝杠2螺母3滚珠4滚珠循环装置2.2机械传动装置(1)滚珠丝杠副的结构及参数1)滚珠循环方式及螺纹滚道形式。图2-2滚珠丝杠副a)内循环b)外循环1、5螺母2、7反向器3、6滚珠4、8丝杠2)滚珠丝杠副主要尺寸参数。2.2机械传动装置图2-3滚珠丝杠副螺纹滚道a)单圆弧型b)双圆弧型接触角2.2机械传动装置图2-4滚珠丝杠副主要尺寸参数1螺母2丝杠2.2机械传动装置2.2机械传动装置表2-1滚珠丝杠副的标法3)标注。4)精度等级。(2)滚珠丝杠副间隙调整法：滚珠丝杠

3、副的轴向间隙是工作时滚珠与滚道面接触点的弹性变形引起的螺母位移量，它会影响反向传动精度及系统的稳定性。2.2机械传动装置图2-5双螺母垫片式调隙机构1滚珠2螺母3垫片4丝杠2.2机械传动装置2M5.tif1)双螺母垫片式调隙。2.2机械传动装置图2-6双螺母螺纹式调隙机构1锁紧螺母2圆螺母3套筒4滚珠5丝杠6、8螺母7键2.2机械传动装置2)双螺母螺纹式调隙。3)双螺母齿差式调隙。(3) 滚珠丝杠副的安装：滚珠丝杠的支承常采用以推力轴承为主的轴承组合，可以根据不同的工作环境选择合适的轴承组合形式，进而提高滚珠丝杠副的传动精度和刚度。2.2机械传动装置图2-7双螺母齿差式调隙机构1套筒2圆柱齿轮

4、3、5内齿轮4丝杠2.2机械传动装置图2-8超越离合器1外圈2星轮3弹簧顶杆4滚柱2.2机械传动装置(4)滚珠丝杠副的设计1)设计方法设计条件。工作载荷F(单位为N)或平均工作载荷Fm(单位为N)；使用寿命Lh(单位为h)；丝杠工作长度L(单位为m)；丝杠转速n(单位为r/min)；滚道硬度及运转情况。设计步骤。根据设计条件，并经过计算，选择合适的滚珠丝杠参数。表2-2滚珠丝杠副载荷、硬度和精度系数表2.2机械传动装置表2-3滚珠丝杠副主要尺寸表2)设计示例2.2机械传动装置解a.计算额定动载荷Ca(单位为N)。其计算式为2.齿轮传动装置齿轮传动机构具有较高的可靠性和耐磨性，在机电一体化产品中

5、得到广泛应用。2.2机械传动装置(1)传动比最佳分配原则：当设计齿轮传动副时，除了计算出总传动比外，当选择多级齿轮减速器时，还应合理分配各级传动比，使系统结构紧凑，提高效率和精度。1)等效转动惯量最小原则。2)重量最轻原则。3)输出轴转角误差最小原则。图2-9电机驱动负载模型2.2机械传动装置(2)调整间隙法：齿轮传动装置在工作中产生的间隙(主要是齿侧间隙)会影响到它的变向功能，降低传动精度，影响系统稳定性，所以应采取一些措施予以消除。1)错齿法。垫片调整法。垫片调整法有斜齿轮垫片调整法和轴向垫片调整法两种。2.2机械传动装置图2-10斜齿薄片齿轮错齿垫片调整法示意图1宽齿轮2、4薄片斜齿轮3

6、垫片2.2机械传动装置图2-11带锥度齿轮垫片调整法示意图1、3带锥度圆柱齿轮2垫片2.2机械传动装置弹簧调整法。弹簧调整法有双片薄齿轮周向弹簧调整法、斜齿轮轴向压簧法和斜齿碟形弹簧调整法3种。2.2机械传动装置图2-12薄片齿轮周向弹簧错齿调整法示意图1短柱2弹簧3、4薄片圆柱齿轮2.2机械传动装置图2-13薄片斜齿轮轴向压簧调整法示意图1宽斜齿轮2、3薄片斜齿轮4弹簧5键6轴2.2机械传动装置图2-14薄片斜齿轮碟形弹簧调整法示意图1宽齿轮2、3薄片斜齿轮4螺母5垫片6碟形弹簧2.2机械传动装置2)偏心套法。3.其他传动机构(1)谐波齿轮减速器：谐波齿轮减速器主要由刚轮、柔轮和谐波发生器3

7、个构件组成，如图2-16所示。2.2机械传动装置图2-15偏心轴套式调整法示意图1、2圆柱齿轮3偏心套4电动机5壳体2.2机械传动装置图2-16谐波齿轮减速器1刚轮2柔轮3谐波发生器2.2机械传动装置(2)同步带传动：图2-17为打印机中用到的同步带结构，它利用传动带作为中间的挠性件，依靠传动带与带轮之间的摩擦力来传递运动。2.2机械传动装置图2-17同步带结构2.2机械传动装置图2-18与同步带相啮合的带轮结构2.2机械传动装置2.2.3传动系统方案设计机械传动系统是机械系统的重要组成部分，其作用不仅是为了实现减速(或增速)、变速、转换运动形式和使各执行元件协调配合工作等运动要求，同时还把电

8、动机输出的功率和转矩传到执行元件。1)根据已知条件确定最佳传动方案。2)根据参数选择结构类型、画出结构图。3)校核验算。2.2机械传动装置图2-19数控机床进给系统简图2.2机械传动装置图2-20导轨副1支承导件2运动件2.2机械传动装置1)尽可能采用简短的运动链，防止能量损失。2)机械效率要高。3)合理安排传动机构顺序。2.3导向装置2.3.1导向装置的要求导轨副是导向装置的常见件，由支承导件和运动件两部分组成，如图2 20所示。1)导向精度高。2)刚度好。3)运动平稳。4)结构工艺性好。2.3.2常见机构分析1.滚动直线导轨滚动直线导轨的运动方向为直线，支承导件与运动件的两接触面间为滚动摩

9、擦，中间介质为滚动体。1)导向精度高，运动平稳可靠，摩擦系数小，动作轻便、灵活，无爬行现象，微量位移准确。2.3导向装置图2-21滚动体不循环的滚动导轨副1滚柱2滚珠2.3导向装置2)可施加预紧力，预紧后导轨刚度提高，能承受较大冲击和振动。3)寿命长。4)便于润滑，故在精密产品中被广泛应用。图2-22滚动体循环的滚动导轨副2.静压导轨液体静压导轨的工作原理是液压油通过节流阀由侧面油腔进入支承导件与运动件的间隙内，然后经回油孔返回油箱，2.3导向装置如图2-23所示。图2-23静压导轨副16间隙7运动件运动件受垂直方向作用力运动件受水平方向作用力2.3导向装置2.3.3导向装置设计1.根据已知的

10、工作条件选择合适的导轨类型按运动方向分类，导轨可分为直线运动导轨副和回转运动导轨副；按支承导件与运动件接触摩擦情况分类，导轨可分为滑动导轨副、滚动导轨副和气、液导轨副。2.选择导轨截面形状常见导轨截面形状见表2-4。表2-4导轨截面形状2.3导向装置表2-4导轨截面形状2.3导向装置表2-4导轨截面形状2.3导向装置凸形导轨不易存切屑等脏物，但也不存润滑油。凹形导轨易存切屑、脏物，造成堵塞，但易存润滑油，适宜高速工作。3.通过计算选择结构参数(1)计算额定动载荷Ca(单位为N)表2-5导轨负荷系数表2-6导轨硬度系数2.3导向装置表2-7导轨温度系数表2-8导轨接触系数(2)选择结构参数：依据

11、CaCa的原则选择结构参数。4.其他参数的选择(1)导轨材料的选择：铸铁耐磨性好、热稳定性高、减振性好、成本低、易于加工，在滑动导轨中得到广泛应用。2.3导向装置(2)调整装置的选择：导轨工作时会产生间隙，间隙过小会增加摩擦阻力，间隙过大会降低导向精度，所以应选择合适的调整装置。图2-24滑动导轨副调隙结构a)压板调隙b)镶条调隙1压板2接触面3镶条2.3导向装置5.设计示例现以设计滚动直线导轨为例，已知作用在滑座上的载荷F18000N，滑座数M4，单向行程长度lS0.8m，2.3导向装置每分钟往返次数为3，工作温度不超过120C，工作速度为40m/min，每天开机6h，每年工作300个工作日

12、，要求工作8年以上，滚道表面硬度取60HRC。解由已知条件得额定工作时间寿命Th和额定行程长度系数TS分别为1.简述机电一体化的机械系统的涵义。2.简述机电一体化的机械系统与传统的机械系统的功能区别。3.简述机械传动装置在机电一体化产品中的性能要求。4.简述滚珠丝杠副的特点。5.滚珠丝杠副的工作间隙是怎么产生的？如何消除？6.如何设计齿轮传动装置的总传动比与各级传动比？7.简述齿轮传动的齿侧间隙调整方法。2.3导向装置8.谐波齿轮减速器是如何实现减速的？9.如图2-23所示，若液体静压导轨受一顺时针方向的翻转力矩，试分析静压导轨的工作状况。10.画出机械传动装置方案设计框图。11.某数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副平均工作