第1章 机械系统设计课件

1、机电一体化系统设计重庆三峡学院机械工程学院重庆三峡学院机械工程学院主讲：崔小劲主讲：崔小劲教学内容v第第0章章 总总 论论v第第1章章 机械系统设计机械系统设计v第第2章章 检测系统设计检测系统设计v第第3章章 控制系统设计控制系统设计 v第第4章章 机电一体化接口设计机电一体化接口设计v第第5章章 伺服系统设计伺服系统设计v第第6章章 典型机电一体化系统设计与分析典型机电一体化系统设计与分析第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计1.1 1.1 概述概述1. 1.传动机构：传动机构： 齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机构、链传动、带传动等。机构

2、、链传动、带传动等。要求：要求：满足整个机械系统良好的满足整个机械系统良好的伺服性能伺服性能；要满足；要满足传动精度传动精度的要求；满足的要求；满足小型小型、轻量轻量、高速高速、低噪声低噪声和和高可靠性高可靠性的要求。的要求。2.2.导向机构导向机构 ：作用是作用是支承支承和和导向导向，为各运动装置安全、准确，为各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。滚动导轨、滑动导轨等。地完成其特定方向的运动提供保障。滚动导轨、滑动导轨等。3.3.执行机构执行机构 ：根据根据操作指令操作指令的要求，在的要求，在动力源动力源的带动下，完的带动下，完成成预定的操作预定的操作。电动机、液压缸、气缸、液

3、压马达、以及各。电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、或机械手等等。种电磁铁、或机械手等等。要求：要求：具有具有较高的灵敏度较高的灵敏度、精确度精确度，良好的，良好的重复性重复性和和可靠性可靠性。一、机械系统的组成一、机械系统的组成 1.1 1.1 概述概述4 .4 .轴系轴系: : 齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机构、链传动、带传动等。构、链传动、带传动等。5 .5 .机座或机架机座或机架伺服电动机的伺服变速功能，缩短了传动链，大大减少了传动伺服电动机的伺服变速功能，缩短了传动链，大大减少了传动件的数量，简化了机构，使件的数量，简

4、化了机构，使动力件、传动件与执行件动力件、传动件与执行件朝着朝着合合为一体为一体的方向发展。的方向发展。一、机械系统的组成一、机械系统的组成 1.1 1.1 概述概述1.高精度：高精度： 精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因性能、工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。2.快速响应：快速响应： 要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。

5、任务之间的时间间隔短。3.良好的稳定性：良好的稳定性： 要求机械系统的工作性能不受外界环境的影要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。响，抗干扰能力强。此外，还要求机械系统具有此外，还要求机械系统具有刚度高刚度高、可靠性好可靠性好和和重量轻重量轻、体积体积小小、寿命长寿命长。二、对机械系统的基本要求二、对机械系统的基本要求 1.2 1.2 机械系统的结构设计机械系统的结构设计 转矩匹配转矩匹配惯量匹配惯量匹配脉冲当量匹配脉冲当量匹配降速降速一、无侧隙齿轮传动机构一、无侧隙齿轮传动机构 作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状实现：偏心轴调整、轴向垫

6、片调整 （刚性） 轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法切向）调隙法一、无侧隙齿轮传动机构一、无侧隙齿轮传动机构 特点：特点:特点： 在两薄片斜齿轮在两薄片斜齿轮1、2中间加中间加垫片垫片3，改变两薄片斜齿轮，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片之间的轴向距离，使薄片斜齿轮斜齿轮1、2的螺旋线错位。的螺旋线错位。特点：1)结构简单；结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。齿侧间隙不能自动补偿。3) 使用时需要反复测试齿使用时需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。垫片的厚度。调节弹

7、簧调节弹簧3的轴向力改变两薄的轴向力改变两薄片斜齿轮片斜齿轮1、2之间的轴向之间的轴向距离达到错位的目的。距离达到错位的目的。 特点：齿侧间隙可以自动补齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。构不紧凑。 1.双片簿齿轮调整法双片簿齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。 2.双厚齿轮传动的结构双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴进给运动由轴5输入，该轴上装有两个输入，该轴上装有两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴5上施加轴向力上

8、施加轴向力F 时，能时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴1和轴和轴4便以相反的便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮方向转过微小的角度，使齿轮2和齿轮和齿轮3分别与齿条齿槽的左、分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧而消除了间隙。右两侧贴紧而消除了间隙。1.2 1.2 机械系统的结构设计机械系统的结构设计（一）工作原理、特点及类型（一）工作原理、特点及类型当丝杠旋转时，滚珠在封闭滚道内既自转又沿滚道循环转动。当丝杠旋转时，滚珠在封闭滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母因而迫使螺母( (或丝杆或丝杆) )轴向移动。轴向移动。二、滚珠丝杠传动机构二、滚珠丝杠传

9、动机构 （一）工作原理、特点及类型（一）工作原理、特点及类型特点：特点： (1)(1)传动效率高：传动效率高：0.900.90到到0.960.96(2)(2)传动精度高、刚度好，可消传动精度高、刚度好，可消除间隙除间隙(3)(3)定位精度和重复定位精度高定位精度和重复定位精度高(4)(4)运动平稳，滚动摩擦系数几运动平稳，滚动摩擦系数几乎与运动速度无关，摩擦阻乎与运动速度无关，摩擦阻力小，静摩擦阻力及动静摩力小，静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小擦阻力差值小(5)(5)使用寿命长。寿命约为滑动使用寿命长。寿命约为滑动丝杠副的丝杠副的4 4l0l0倍以上。倍以上。(6)(6)可靠性高。润滑密封装置结

10、可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。构简单，维修方便。(7)(7)不能自锁、有可逆性不能自锁、有可逆性1 1螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状2 2滚珠丝杠副的循环方式滚珠丝杠副的循环方式 1)外循环外循环: 包括插管式和螺旋槽式。包括插管式和螺旋槽式。插管式插管式 被压板被压板1压住的弯管压住的弯管2的两端，插入螺母的两端，插入螺母3上与螺纹滚上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠道相切的两个孔内，引导滚珠4构成循环回路。构成循环回路。特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。磨损。螺旋槽式螺旋槽式 在螺母在螺母3

11、的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环路。母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环路。特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。端面回珠式端面回珠式 在螺母两端面装上反向器进行回珠。在螺母两端面装上反向器进行回珠。2 2滚珠丝杠副的循环方式滚珠丝杠副的循环方式 2)内循环内循环 ：均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。圆柱凸键反向器：圆柱凸键反向器：反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其

12、上端的凸键靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道定位，以保证对准螺纹滚道方向。方向。扁圆镶块反向器：扁圆镶块反向器：反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。，用镶块的外廓定位。内循环方式原理图内循环方式原理图1.1.凸键凸键 2 2、3.3.反向器反向器3 3滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法(1)轴向间隙轴向间隙轴向间隙：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

13、和螺母原有间隙的总和。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，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，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。目的: 消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度。（2）双螺母预紧方法）双螺母预紧方法1) 1)垫片调隙式垫片调隙式 通过改变垫片厚度，使螺母产生轴向位移。通过改变垫片厚度，使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，调整费时，不能在工作中随意调整。结构简单可靠、刚性好，调整费时，不能在工作中随意调整。2) 2)螺母调隙式螺母调隙式利用螺

14、帽实现预紧。螺母利用螺帽实现预紧。螺母1、2以平键与外套相联，平键可限制以平键与外套相联，平键可限制螺母转动。锁紧螺母螺母转动。锁紧螺母3、4能使螺母相对丝杠作轴向移动。能使螺母相对丝杠作轴向移动。结构紧凑工作可靠，调整方便。但位移量不易精确控制，故结构紧凑工作可靠，调整方便。但位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。预紧力不能准确控制。3)3)齿差调隙式齿差调隙式在两个螺母的凸缘上分别有齿数为在两个螺母的凸缘上分别有齿数为z1 、z2的齿轮分别与相的齿轮分别与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相

15、同的齿数，然后再合上内齿圈。齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间隙的调整和施加预两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间隙的调整和施加预紧力。紧力。4 4滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装4 4滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装(1)支承方式的选择支承方式的选择 为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支承座有足够的刚度。精度的轴承，并保证支承座有足够的刚度。 1.同F-S的12.若轴承无间隙，丝

16、杠的轴向刚度为一端固定的4倍3.丝杠不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定高4.可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难5.要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量两端固定(F-F) 1.需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难2.丝杠的轴向刚度和F-O相同3.压杆稳定性和临界转速比同长度的F-O型高4.丝杠有热膨胀的余地5.适用于较长的卧式安装丝杠 一端固定一端游动(F-S) 1.结构简单2.丝杠的轴向刚度比两端固定低3.丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低4.设计时尽量使丝杠受拉伸5.适用于较短和竖直

17、的丝杠 一端固定一端自由(F-O) 支承形式 简 图 特 点 4 4滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装(2)制动装制动装为何要制动：为何要制动：传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高速大传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高速大惯量场合时需要制动装置惯量场合时需要制动装置制动方法：制动方法： 制动丝杆、制动伺服电机轴。制动丝杆、制动伺服电机轴。工作时：在线圈7作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩；当停机或停电时：7失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动。 1.2 1.2 机械系统的结构设计机械系统的结构设计1.同步齿形带传动机构同步齿

18、形带传动机构利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。次相啮合传递运动和动力。 v能方便地实现较远中心距的传动；能方便地实现较远中心距的传动；v传动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高；传动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高；v齿形带的强度高，厚度小，重量轻，可用于低速及高速传动；齿形带的强度高，厚度小，重量轻，可用于低速及高速传动；v带无需特别张紧，作用在轴和轴承的载荷小，传动效率高。带无需特别张紧，作用在轴和轴承的载荷小，传动效率高。v在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。

19、 三、其它传动机构三、其它传动机构 2. 谐波传动谐波传动谐波传动由波发生器谐波传动由波发生器3(H)柔柔(轮轮)性件性件2和刚和刚(轮轮)性件性件1组成的机械传动。传动是在波发生组成的机械传动。传动是在波发生器的作用下器的作用下使柔性件产生弹性变形并与刚性件相互作用而使柔性件产生弹性变形并与刚性件相互作用而达到传递运动或动力的目的。在传动中波发生器回转一周达到传递运动或动力的目的。在传动中波发生器回转一周柔性件上某一点循环变形的次数称波数。柔性件的变形过程柔性件上某一点循环变形的次数称波数。柔性件的变形过程是一个基本对称的谐波，故称为谐波传动。常用的谐波传动是一个基本对称的谐波，故称为谐波传

20、动。常用的谐波传动是双波传动。是双波传动。 三、其它传动机构三、其它传动机构 1.2 1.2 机械系统的结构设计机械系统的结构设计1.导轨的作用导轨的作用导向：直线运动导向：直线运动直线导轨；圆运动直线导轨；圆运动轴承轴承 支承、承载支承、承载2.导轨的组成导轨的组成1)固定不动的支承导轨（导动轨）；固定不动的支承导轨（导动轨）；2)作直线（旋转）运动的动导轨（滑座）。作直线（旋转）运动的动导轨（滑座）。3.类型类型根据导轨副之间的摩擦情况，分为滑动导轨副、滚动导轨副、根据导轨副之间的摩擦情况，分为滑动导轨副、滚动导轨副、悬浮导轨副。悬浮导轨副。四、支承导向机构设计四、支承导向机构设计 4.对

21、导向机构的要求对导向机构的要求1）一定的导向精度）一定的导向精度影响因素：影响因素：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。膜刚度等。2）良好的摩擦特性）良好的摩擦特性 3）阻尼特性好（高速时不振动）阻尼特性好（高速时不振动）4）良好的精度保持性）良好的精度保持性5）足够的刚度和强度）足够的刚度和强度6）结构工艺性）结构工艺性四、支承导向机构设计四、支承导向机构设计 四、支承导向机构设计四、支承导向机构设计 镶钢镶钢导轨导轨滚动导滚动导轨

22、块轨块上导轨上导轨下导轨下导轨 滚动导轨组件滚动导轨组件结构、形式结构、形式直 线 滚 动 导 轨直 线 滚 动 导 轨弧形滚动导轨弧形滚动导轨两维直线滚动导轨两维直线滚动导轨直线滚动导轨单元直线滚动导轨单元 安装组合形式安装组合形式v标准组合标准组合v倒装组合倒装组合v侧装组合之一侧装组合之一v侧装组合之二侧装组合之二v混装组合混装组合v 导轨防护导轨防护专用软式防护罩大型软式防护罩叠层式护罩1 1滚动花键导轨副滚动花键导轨副花键轴的外圈均匀分布花键轴的外圈均匀分布3条凸起轨道，分别放置条凸起轨道，分别放置12条条滚珠列，其中滚珠列，其中6条用于负载，条用于负载，6条用于滚珠循环退出。条用于

23、滚珠循环退出。1 1滚动花键导轨副滚动花键导轨副v当花键沿花键轴做直线运动时，滚珠在滚道和保持架内的通当花键沿花键轴做直线运动时，滚珠在滚道和保持架内的通道中循环。道中循环。v外筒两端装有橡皮密封垫防尘，其上开键槽用以与其它传动外筒两端装有橡皮密封垫防尘，其上开键槽用以与其它传动件联接，通过油孔润滑减少花键副的磨损。件联接，通过油孔润滑减少花键副的磨损。v花键与花键轴间通过滚珠还可以传递一定的转矩，并自动定花键与花键轴间通过滚珠还可以传递一定的转矩，并自动定心。心。v可通过选配滚珠的直径使滚珠花键副内产生过盈，即预加载可通过选配滚珠的直径使滚珠花键副内产生过盈，即预加载荷，以提高接触刚度，运动

24、精度和抗冲击能力。所以滚珠花荷，以提高接触刚度，运动精度和抗冲击能力。所以滚珠花键副既可作为高速运动键副既可作为高速运动(可达可达60mmin)机构的导轨，又可机构的导轨，又可用于传递转矩的传动机构。用于传递转矩的传动机构。 2.2.圆柱形滚动直线导套副圆柱形滚动直线导套副2.2.圆柱形滚动直线导套副圆柱形滚动直线导套副圆 柱 滚 动 导 轨圆 柱 滚 动 导 轨3.3.塑料导轨塑料导轨v 塑料导轨的特点摩擦系数较小，摩擦系数较小，0.040.06动静摩擦系数之差小，且摩动静摩擦系数之差小，且摩 擦系数曲线具有上扬特性擦系数曲线具有上扬特性 刚度高，承载能力强刚度高，承载能力强加工工艺简单加工

25、工艺简单价格低价格低 v 应用 数控化改造机床、重型数控机数控化改造机床、重型数控机床（最高速度：床（最高速度：vmax=30 m/min）fv塑料-钢滑动摩擦钢-钢滑动摩擦1.2 1.2 机械系统的结构设计机械系统的结构设计1.执行机构的特点及要求执行机构的特点及要求机电一体化产品的执行机构应能快速地完成预期的动作，并具机电一体化产品的执行机构应能快速地完成预期的动作，并具有有响应速度快响应速度快、动态特性好动态特性好、动静态精度和动作灵敏度高动静态精度和动作灵敏度高等等特点。另外为便于集中控制，他还应满足特点。另外为便于集中控制，他还应满足效率高效率高、体积小体积小、质量轻质量轻、自控性强

26、自控性强、可靠性高等可靠性高等要求。要求。机电一体化产品为实现不同的目的功能，需采取不同形式执行机电一体化产品为实现不同的目的功能，需采取不同形式执行机构，其中有机构，其中有电动的电动的、机械的机械的、电子的电子的、激光的激光的。本节主要。本节主要介绍常用的几种执行机构。介绍常用的几种执行机构。五、执行机构五、执行机构设计设计 2.机械手机械手机械手是一种自动控制、可重复编程、多自由度的操作机，机机械手是一种自动控制、可重复编程、多自由度的操作机，机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。v手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物

27、件的手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。v运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。机械手的种类：机械手的种类：v按驱动方式可分为：液压式、气动式、电动式、机械式；按驱动方式可分为：液压式、气动式、电动式、机械式；v按适用范围可分为专用机械手和通用机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手；v按运动轨迹控制方式可分为点位控制

28、和连续轨迹控制机械手。按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手。五、执行机构五、执行机构设计设计 2.机械手机械手末端执行器因用途不同而机构各异，一般可分为三大类：末端执行器因用途不同而机构各异，一般可分为三大类：机械机械夹持器夹持器、特种末端执行器特种末端执行器、万能手万能手。1 1）机械夹持器）机械夹持器机械夹持器是工业机械手中最常用的一种末端执行器。机械夹机械夹持器是工业机械手中最常用的一种末端执行器。机械夹持器应具备具有持器应具备具有夹持夹持和和松开松开功能。功能。v夹持器夹持工件时，应有一定的夹持器夹持工件时，应有一定的力约束力约束和和形状约束形状约束，以保证，以保证被加

29、工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。被加工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。v当需要松开工件时，应完全松开。当需要松开工件时，应完全松开。v还应保证工件夹持姿态再现还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内几何偏差在给定的公差带内。机械夹持器常用压缩空气作为动力源，经过传动机构实现手指机械夹持器常用压缩空气作为动力源，经过传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持器分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。器分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。 1 1）机械夹持器（圆弧平行开合型）

30、机械夹持器（圆弧平行开合型）v圆弧平行开合型机械夹持器两手指工作时做平行开和运动，圆弧平行开合型机械夹持器两手指工作时做平行开和运动，而指端运动轨迹为一圆弧。而指端运动轨迹为一圆弧。 机构在夹持时指端前进 机构在夹持时指端后退 1 1）机械夹持器（直线平行开合型）机械夹持器（直线平行开合型）v直线平行开合型机械夹持器两手指的运动轨迹为直线，而且直线平行开合型机械夹持器两手指的运动轨迹为直线，而且两指夹持面始终保持平行。两指夹持面始终保持平行。 1 1）机械夹持器（手指形机构）机械夹持器（手指形机构）v为了抓取特别复杂形状的工作，还设计有特种手指机机构的为了抓取特别复杂形状的工作，还设计有特种手

31、指机机构的夹持器，如多关节柔性手指夹持器、膨胀式橡胶手袋手指等。夹持器，如多关节柔性手指夹持器、膨胀式橡胶手袋手指等。 2.机械手机械手2 2）特种末端执行器）特种末端执行器特种末端执行器供工业机器人完成某类特种末端执行器供工业机器人完成某类特定的作业。特定的作业。真空吸附手真空吸附手通常把真空吸附手与负压发生器组成一通常把真空吸附手与负压发生器组成一个工作系统，控制电磁转向阀的开合个工作系统，控制电磁转向阀的开合可实现对工件的吸附和脱开。可实现对工件的吸附和脱开。v它结构简单，价格低廉；吸附作业具它结构简单，价格低廉；吸附作业具有一定柔顺性，即使工件有尺寸偏差有一定柔顺性，即使工件有尺寸偏差

32、和位置偏差也不会影响吸附手的工作。和位置偏差也不会影响吸附手的工作。v常用于小件搬运，也可将多个真空吸常用于小件搬运，也可将多个真空吸附手组合使用。附手组合使用。2 2）特种末端执行器）特种末端执行器电磁吸附手电磁吸附手工作原理：工作原理：利用通电线圈的磁场对可利用通电线圈的磁场对可磁化材料的作用力来实现磁化材料的作用力来实现对工件的吸附作用。对工件的吸附作用。特点：特点：结构简单，价格低廉等特点。吸附过程由极大的柔顺状态突结构简单，价格低廉等特点。吸附过程由极大的柔顺状态突变到低的柔顺状态。这种吸附手的吸附力是由通电线圈的磁变到低的柔顺状态。这种吸附手的吸附力是由通电线圈的磁场提供的，所以可

33、用于搬运较大的可磁化性材料的工件。场提供的，所以可用于搬运较大的可磁化性材料的工件。2.机械手机械手 3 3）灵巧手）灵巧手是一种模仿人手制作的多指多关节的机器是一种模仿人手制作的多指多关节的机器人末端执行器。人末端执行器。它可以适应物体外形的变化，对物体进行它可以适应物体外形的变化，对物体进行任意方向、任意大小的夹持力，可以满任意方向、任意大小的夹持力，可以满足对任意形状、不同材质的物体操作和足对任意形状、不同材质的物体操作和抓持要求，但其控制、操作系统技术难抓持要求，但其控制、操作系统技术难度较大。度较大。3.微动机构微动机构微动机构就是在很小的行程范围内工作的一种精密机构。微动机构就是在

34、很小的行程范围内工作的一种精密机构。微动机构的实现方法通常有：差动螺旋机构、压晶体瓷微动机微动机构的实现方法通常有：差动螺旋机构、压晶体瓷微动机构等。构等。v差动螺旋微动机构的工作原理：差动螺旋微动机构的工作原理：机构丝杠上有基本导程不同的两段螺纹，且旋向相同。当丝机构丝杠上有基本导程不同的两段螺纹，且旋向相同。当丝杠转动时，可动螺母的移动距离为杠转动时，可动螺母的移动距离为S=n(Ph1-Ph2)，如果两，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移S。v压电晶体微动机构的工作原理：压电晶体微动机构的工作原理：利用逆压电效应，当对压电晶体施加激励

35、电场，晶体介质将利用逆压电效应，当对压电晶体施加激励电场，晶体介质将产生微小的弹性变形。目前，压电微动机构已应用于压电陶产生微小的弹性变形。目前，压电微动机构已应用于压电陶瓷马达、压电驱动式针阀等。瓷马达、压电驱动式针阀等。五、执行机构五、执行机构设计设计 1.3 1.3 机械系统的主要动力参数计算机械系统的主要动力参数计算一）载荷类型一）载荷类型1.按零件发生变形的不同分按零件发生变形的不同分 拉伸拉伸(压缩压缩)载荷、弯曲载荷和扭转载荷。载荷、弯曲载荷和扭转载荷。 2.按载荷的作用方式分按载荷的作用方式分直接作用载荷直接作用载荷载荷以力或力矩的形式直接作用在机械上，载荷以力或力矩的形式直接

36、作用在机械上，如阻力载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力等。如阻力载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力等。间接作用载荷间接作用载荷以变形的形式间接作用在机械上，如温度、以变形的形式间接作用在机械上，如温度、地震的作用引起的载荷。地震的作用引起的载荷。3.按载荷是否随时间变化分按载荷是否随时间变化分 静载荷静载荷 动载荷动载荷一、一、机械系统的负载计算机械系统的负载计算 二）机械系统的典型负载及综合二）机械系统的典型负载及综合 1典型负载典型负载1）干摩擦力矩）干摩擦力矩2）惯性转矩）惯性转矩3）粘性摩擦力矩）粘性摩擦力矩4）弹性力矩）弹性力矩5）风阻力矩）风阻力矩signTTffLLjJT

37、 LbDTLkKT2LLFfT2负载的综合计算负载的综合计算 多数被控对象的运动形态是多数被控对象的运动形态是随机性的随机性的，很难用简单的确定的格，很难用简单的确定的格式来描述，工程上采取式来描述，工程上采取近似方法近似方法或选取几个有或选取几个有代表性的工况代表性的工况作定量分析作定量分析计算，将各零部件负载转化到动力机输出轴上综计算，将各零部件负载转化到动力机输出轴上综合为系统的合为系统的总负载总负载。一般可采用以下两种综合计算方法一般可采用以下两种综合计算方法v峰值综合峰值综合若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和，折若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和，折算到电

38、动机轴上，称为等效峰值综合负载转矩算到电动机轴上，称为等效峰值综合负载转矩v方和根综合方和根综合若各种负载为随机性负载，取各负载的方和根折算到电动机若各种负载为随机性负载，取各负载的方和根折算到电动机轴上，称为等效方和根综合负载转矩。轴上，称为等效方和根综合负载转矩。三）等效综合负载转矩计算三）等效综合负载转矩计算机械系统各零部件所受负载按功能原理折算到电动机输出轴上机械系统各零部件所受负载按功能原理折算到电动机输出轴上的综合负载称为的综合负载称为等效综合负载转矩等效综合负载转矩。 等效负载转矩的计算模型及条件如等效负载转矩的计算模型及条件如右图，系统包含有右图，系统包含有M个转动零件个转动零

39、件和和N个移动零件。个移动零件。若系统工作一段时间后，其克服所若系统工作一段时间后，其克服所受的力和转矩作的总功应为受的力和转矩作的总功应为 tvFtTWjNjjkMkk 11 三）等效综合负载转矩计算三）等效综合负载转矩计算电动机所作的总功为电动机所作的总功为 根据根据W = WD，则可得等效综合，则可得等效综合负载转矩为负载转矩为 考虑机械效率考虑机械效率 tTWLD NjjjMkkkjNjjkMkkLiFiTvFTT1111 NjjjjMkkkkLiFiTT11 三）数控机床进给系统等效综合负载计算三）数控机床进给系统等效综合负载计算若机床的进给系统所受负载为非随机载荷，则可得若机床的进

40、给系统所受负载为非随机载荷，则可得切削时负载切削时负载转矩转矩计算公式和计算公式和快速空载起动时的负载快速空载起动时的负载转矩计算公式。转矩计算公式。通常要求正常通常要求正常工作负载转矩工作负载转矩( (如机床切削时负载转矩如机床切削时负载转矩) )不得大于不得大于伺服电动机的伺服电动机的额定转矩额定转矩；快速空载起动时的负载转矩快速空载起动时的负载转矩不得大不得大于伺服电动机的于伺服电动机的最大转矩最大转矩。（1 1）切削时的负载转矩计算公式）切削时的负载转矩计算公式 折算至电动机轴上的最大切削负载转矩为折算至电动机轴上的最大切削负载转矩为Fmax为丝杠上的最大轴向载荷，包括进给力和摩擦力为

41、丝杠上的最大轴向载荷，包括进给力和摩擦力 ；采用滚珠丝杠副；采用滚珠丝杠副时，时，般取般取 0.80.9 。 iTPFTph/)(max02 三）数控机床进给系统等效综合负载计算三）数控机床进给系统等效综合负载计算（2 2）电动机最大静转矩确定）电动机最大静转矩确定 v根据实际启动情况根据实际启动情况(空载或有载空载或有载) 计算出启动时的负载转矩，计算出启动时的负载转矩，然后按工程数据表选取启动时所需电动机的最大静转矩然后按工程数据表选取启动时所需电动机的最大静转矩Ts1。 v根据电动机正常运行时的受力情况计算出负载转矩，然后按根据电动机正常运行时的受力情况计算出负载转矩，然后按下式计算正常

42、运行时所需电动机的最大静转矩下式计算正常运行时所需电动机的最大静转矩Ts2 v按按Ts1 和和Ts2中的较大者选取电动机的最大静转矩并要求中的较大者选取电动机的最大静转矩并要求50302.TTs 21sssTTT,max 三）数控机床进给系统等效综合负载计算三）数控机床进给系统等效综合负载计算（3 3）快速空载起动时的负载转矩计算公式）快速空载起动时的负载转矩计算公式 当执行部件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度时，所需的当执行部件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度时，所需的转矩最大为转矩最大为 tac为系统时间常数为系统时间常数(或加速时间或加速时间)(s)， tac =（34）tM ； t

43、M为电动机机械时间常数为电动机机械时间常数(s)；Tf为折算到电动机轴上的摩擦转矩为折算到电动机轴上的摩擦转矩(Nm)Ff为摩擦阻力为摩擦阻力(N)，一般为，一般为 Ff = 9.8WfacpfatnJTTT6020maxmax iPFThff 2 表征机械系统特性的参数主要有表征机械系统特性的参数主要有系统转动惯量系统转动惯量、系统固有频率系统固有频率、系统阻尼系统阻尼以及以及系统刚度系统刚度等。在分析计算时需要进行等效计算。等。在分析计算时需要进行等效计算。1. 1.机械系统惯量的分析计算机械系统惯量的分析计算（1 1）负载转动惯量的计算）负载转动惯量的计算通常将系统中的各运动件的转动惯量

44、折算到通常将系统中的各运动件的转动惯量折算到电动机轴上的等效转动惯量，称为等效负电动机轴上的等效转动惯量，称为等效负载转动惯量（简称为负载转动惯量）。载转动惯量（简称为负载转动惯量）。1.3 1.3 机械系统的主要动力参数计算机械系统的主要动力参数计算二、二、机械系统特性参数的计算机械系统特性参数的计算 NjjjMkkkjNjjkMkkLimiJvmJJ12122121)()( （2 2）机械系统的惯量匹配）机械系统的惯量匹配1 1）惯量匹配的基本原理）惯量匹配的基本原理惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相匹配。匹配。v在

45、驱动力矩一定的前提下，转动惯量越小，系统的加速性能在驱动力矩一定的前提下，转动惯量越小，系统的加速性能越好。当进给伺服电动机已经选定，则的最大值基本不变，越好。当进给伺服电动机已经选定，则的最大值基本不变，如果希望的变化小，则应使转动惯的变化尽量小些。如果希望的变化小，则应使转动惯的变化尽量小些。v惯量由伺服电动机转动惯量惯量由伺服电动机转动惯量JM与机电传动系统负载惯量与机电传动系统负载惯量JL两两部分组成。部分组成。 JM是定值，是定值， JL则因执行部件上装的夹具、工件则因执行部件上装的夹具、工件或刀具不同而有所变化。为了提高系统的稳定性，希望或刀具不同而有所变化。为了提高系统的稳定性，

46、希望J的的变化率小些，则应该使变化率小些，则应该使JL所占比例小些。所占比例小些。 二、二、机械系统特性参数的计算机械系统特性参数的计算 （2 2）机械系统的惯量匹配）机械系统的惯量匹配2 2）惯量匹配条件）惯量匹配条件惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相匹配。匹配。步进电动机步进电动机为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度，为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度，惯量通常应满足下列关系式惯量通常应满足下列关系式 1/4 JM /JL 1直流伺服电动机直流伺服电动机JM /JL比值大小对伺服系统的性

47、能影响很大，且与直流伺服比值大小对伺服系统的性能影响很大，且与直流伺服电动机的种类及其应用场合有关，通常分为两种情况：电动机的种类及其应用场合有关，通常分为两种情况： （2 2）机械系统的惯量匹配）机械系统的惯量匹配2 2）惯量匹配条件）惯量匹配条件直流伺服电动机直流伺服电动机v对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统，应满足对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统，应满足下列关系式下列关系式1/3 JM /JL 1v对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统，应满足下列对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统，应满足下列关系式关系式1 JM /JL 4所谓大惯量是相对小惯量而言的，其数值所谓大

48、惯量是相对小惯量而言的，其数值JM = 0.10.6kgm2。 2. 2.机械系统刚度的计算机械系统刚度的计算（1 1）机械系统刚度的等效计算）机械系统刚度的等效计算机械系统的刚度包括线机械系统的刚度包括线弹性变形弹性变形引起的引起的线性刚度线性刚度以及因以及因非线性非线性变形变形或各种或各种运动副间隙运动副间隙引起的引起的非线性刚度非线性刚度。 v对于串联部件（例如在同一根轴上），总刚度为对于串联部件（例如在同一根轴上），总刚度为 v对于并联部件（例如同一支承上有几个轴承），总刚度为对于并联部件（例如同一支承上有几个轴承），总刚度为二、二、机械系统特性参数的计算机械系统特性参数的计算 nii

49、KK111 niiKK1（1 1）机械系统刚度的等效计算）机械系统刚度的等效计算v从低速轴上的刚度折算到高速轴上时，等效刚度可采用弹性从低速轴上的刚度折算到高速轴上时，等效刚度可采用弹性势能等效原则转换为势能等效原则转换为（2 2）传动系统刚度计算）传动系统刚度计算在机械系统中，刚度在机械系统中，刚度最薄弱的环节最薄弱的环节是丝杠螺母机构，因而传动是丝杠螺母机构，因而传动系统的系统的刚度刚度主要取决于丝杠螺母机构的刚度。主要取决于丝杠螺母机构的刚度。丝杠螺母机构的刚度由丝杠的丝杠螺母机构的刚度由丝杠的拉压刚度拉压刚度KL、丝杠螺母间的、丝杠螺母间的接触接触刚度刚度KN以及轴承和轴承座间的以及轴

50、承和轴承座间的支承刚度支承刚度KB三部分组成。在三部分组成。在设计时，通常将丝杠螺母机构的总刚度均匀分配给三个组成设计时，通常将丝杠螺母机构的总刚度均匀分配给三个组成部分，即部分，即每部分的刚度对总刚度的贡献各占每部分的刚度对总刚度的贡献各占1/3。 21iKKl （2 2）传动系统刚度计算）传动系统刚度计算采用不同类型的支承轴承时，支承刚度也不同，一般可按表中采用不同类型的支承轴承时，支承刚度也不同，一般可按表中所列公式计算。所列公式计算。v对于推力球轴承及推力角接触球轴承，当预紧力为最大轴向载荷的对于推力球轴承及推力角接触球轴承，当预紧力为最大轴向载荷的13时，轴承刚度增加时，轴承刚度增加

51、1倍且呈线性关系；倍且呈线性关系；v对于圆锥滚子轴承，当预紧力为最大轴向载荷的对于圆锥滚子轴承，当预紧力为最大轴向载荷的12.2时，轴承刚度增时，轴承刚度增加加1倍且呈线性关系。倍且呈线性关系。 （2 2）传动系统刚度计算）传动系统刚度计算丝杠螺母副的轴向接触刚度可直接从丝杠螺母副的产品样本中丝杠螺母副的轴向接触刚度可直接从丝杠螺母副的产品样本中查得。查得。 （2 2）传动系统刚度计算）传动系统刚度计算在伺服系统工作过程中，丝杠上的受力点到支承端的距离随工在伺服系统工作过程中，丝杠上的受力点到支承端的距离随工作台位置而变化，因此丝杠的拉压刚度作台位置而变化，因此丝杠的拉压刚度KL (N/m)也

52、随之变化。也随之变化。v对于一端轴向支承的丝杠，当工作台位于距丝杠轴向支承端对于一端轴向支承的丝杠，当工作台位于距丝杠轴向支承端最远的位置时，即最远的位置时，即l l= =L L时，丝杠有最小拉压刚度：时，丝杠有最小拉压刚度：v对于两端轴向支承的丝杠，当工作台位于两支承的中间位置对于两端轴向支承的丝杠，当工作台位于两支承的中间位置时，即时，丝杠有最小拉压刚度：时，即时，丝杠有最小拉压刚度： LEdKL42 minLEdKL2 min（2 2）传动系统刚度计算）传动系统刚度计算丝杠传动的综合拉压刚度与轴向支承形式及轴承是否预紧有关。丝杠传动的综合拉压刚度与轴向支承形式及轴承是否预紧有关。在在KN

53、、KB、KL分别计算出来之后，可按下表所列公式来计分别计算出来之后，可按下表所列公式来计算综合拉压刚度。算综合拉压刚度。丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度KT(Nm/rad)可按下式计算：可按下式计算：lGdKT324 3.3.机械系统阻尼的计算机械系统阻尼的计算机械系统在工作过程中，相互运动的元件间存在着阻尼力，并机械系统在工作过程中，相互运动的元件间存在着阻尼力，并以不同的形式表现出来，如干摩擦阻尼力、流体阻尼力、风以不同的形式表现出来，如干摩擦阻尼力、流体阻尼力、风阻负载等，均与运动速度及摩擦阻尼系数有关。阻负载等，均与运动速度及摩擦阻尼系数有关。v对于干摩擦阻尼、流体阻尼等首先利用功能原理等

54、效转换为对于干摩擦阻尼、流体阻尼等首先利用功能原理等效转换为线性或非线性的粘性阻尼，然后从低速轴折算到高速轴（动线性或非线性的粘性阻尼，然后从低速轴折算到高速轴（动力机轴）按阻尼力做功相等折算后的等效阻尼系数力机轴）按阻尼力做功相等折算后的等效阻尼系数 v对于负载风阻系数从低速轴折算到高速轴的等效阻尼系数对于负载风阻系数从低速轴折算到高速轴的等效阻尼系数 二、二、机械系统特性参数的计算机械系统特性参数的计算 21iDDl 3iffLLdx/ 4. 4.机械系统固有频率的计算机械系统固有频率的计算一般整个机械系统的特性可以用若干相互耦合的一般整个机械系统的特性可以用若干相互耦合的质量质量-弹簧弹

55、簧-阻阻尼子系统尼子系统表示，其中每个子系统的固有频率可表示为表示，其中每个子系统的固有频率可表示为在为了满足机电一体化的高动态特性，机械系统的各个分系统在为了满足机电一体化的高动态特性，机械系统的各个分系统的固有频率均应远高于机电一体化系统的设计固有频率。各的固有频率均应远高于机电一体化系统的设计固有频率。各分系统固有频率最好相互错开。对于可控硅驱动装置，应注分系统固有频率最好相互错开。对于可控硅驱动装置，应注意机械系统固有频率不能与控制装置的脉冲频率接近，否则意机械系统固有频率不能与控制装置的脉冲频率接近，否则将产生机械噪声并加速机械部件的磨损。将产生机械噪声并加速机械部件的磨损。二、二、

56、机械系统特性参数的计算机械系统特性参数的计算 iiniJK 5 5机械系统误差的计算机械系统误差的计算在机械系统的误差除了零部件的制造及安装所引起的，还有由在机械系统的误差除了零部件的制造及安装所引起的，还有由于机械系统的动力参数于机械系统的动力参数(如刚度、惯量、摩擦、间隙等如刚度、惯量、摩擦、间隙等)所引所引起的误差。在系统设计时，必须将其控制在允许范围内。起的误差。在系统设计时，必须将其控制在允许范围内。（1 1）机械系统死区误差的等效计算）机械系统死区误差的等效计算机械系统机械系统误差的等效计算误差的等效计算是将系统中各零部件产生的误差是将系统中各零部件产生的误差等效等效折算折算到系统

57、的输出到系统的输出端累计求和端累计求和得到系统的得到系统的总误差总误差。所谓死区误差，又叫失动量，是指所谓死区误差，又叫失动量，是指启动或反向启动或反向时，系统的输入时，系统的输入运动与输出运动之间的差值。运动与输出运动之间的差值。产生死区误差的主要原因：产生死区误差的主要原因：传动机构中的间隙，导轨运动副间的摩擦力以及电气系统和传动机构中的间隙，导轨运动副间的摩擦力以及电气系统和执行元件的启动死区执行元件的启动死区(即不灵敏区即不灵敏区)。二、二、机械系统特性参数的计算机械系统特性参数的计算 （1 1）机械系统死区误差的等效计算）机械系统死区误差的等效计算v由传动间隙所引起的工作台等效死区误

58、差为由传动间隙所引起的工作台等效死区误差为 v由摩擦力引起的死区误差实质上是传动机构为克服静摩擦力由摩擦力引起的死区误差实质上是传动机构为克服静摩擦力而产生的而产生的弹性变形弹性变形。于是摩擦死区误差为。于是摩擦死区误差为v由电气系统和执行元件的启动死区引起的误差很小常被忽略。由电气系统和执行元件的启动死区引起的误差很小常被忽略。若采取消除间隙措施，则死区误差主要取决于摩擦死区误差。若采取消除间隙措施，则死区误差主要取决于摩擦死区误差。 niiihciP12 3010 KF 320300301021021022 ngKmgKF （2 2）由系统刚度变化引起的定位误差）由系统刚度变化引起的定位误

59、差 影响系统定位误差的因素很多，这里仅讨论由丝杠螺母机构综影响系统定位误差的因素很多，这里仅讨论由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的定位误差。合拉压刚度的变化所引起的定位误差。空载条件下，由单一刚度变化所引起的整个行程范围内的最大空载条件下，由单一刚度变化所引起的整个行程范围内的最大定位误差定位误差对于开环控制的伺服系统，一般应控制在系统允许定位误差的对于开环控制的伺服系统，一般应控制在系统允许定位误差的1/31/5范围内。范围内。 3001011 )(maxminmaxKKFK 1.3 1.3 机械系统的主要动力参数计算机械系统的主要动力参数计算机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比、固有

60、频率、结构参机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比、固有频率、结构参数密切相关。此外，机械结构中许多非线性因素对伺服系统数密切相关。此外，机械结构中许多非线性因素对伺服系统性能也有较大影响。性能也有较大影响。1. 1.阻尼的影响阻尼的影响（1）当阻尼比）当阻尼比 =0时，系统处于等幅持续振荡状态。时，系统处于等幅持续振荡状态。（2）当）当1 时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。无振荡，但响应慢。时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。无振荡，但响应慢。（3）当）当0 1时，系统为欠阻尼系统，减幅振荡状态，其幅值衰减的快慢，时，系统为欠阻尼系统，减幅振荡状态，其幅值衰减的快慢，取决于阻尼系数取决于阻尼系数 和