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文档简介
1、第二章 机械系统,一、机电一体化机械系统的组成和功用,二、传动机构,三、导向机构,四、执行机构,一、机械系统的组成和功用,1、传动机构 2、导向机构 3、执行机构,一、机械系统的组成和功用,1、传动机构 功能:不仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。,2、导向机构 作用:是支撑和导向。,3、执行机构 作用:根据操作指令的要求在动力源的带动下,完成预定操作,要有较高的灵敏度、精确度,良好的重复性和可靠性。,机电一体化产品对机械系统的基本要求,1、良好的稳定性 2、高精度 3、快速响应性好 。,稳定是前提,精度和快速
2、响应性是关键,二、传动机构,常用传动结构:,1、滚珠丝杠副 2、同步带传动副 3、谐波齿轮传动副 4、挠性传动结构 5、间歇机构 6、滚珠花键机构 。,1 滚珠丝杠副传动机构,结构,1 滚珠丝杠副工作原理与结构,丝杠和螺母的螺纹滚道间有滚珠,当丝杠或螺母转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动,相对运动时产生滚动摩擦。在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,与螺纹滚动形成循环回路。,滚珠丝杠副特点:,传动效率高。达到 90%95%。,运动具有可逆性。 回转运动 直线运动,效率相同,系统刚度好。 传动精度高。 使用寿命长。 不能自锁 。需要设置制动装置 工艺复杂,滚珠丝杠副的结构类型,可以从螺纹滚道的截面形状、滚
3、珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。,滚珠丝杠的视频,A. 滚珠丝杠副的螺纹滚道型面(法向)的形状有单圆弧型和双圆弧型,如图所示。滚道型面与滚珠接触点的法线与丝杠轴向的垂线间 的夹角称作接触角,一般为45。,滚道法向截形示意图,B 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有 内循环 和外循环两种。,(a)内循环。 内循环方式 的滚珠在循环过程中与丝杠表面保持接触。,优点:回路短,流畅性好,效率高,径向尺寸小,缺点:反向器加工困难,装配调整不方便。,内循环,(b)外循环。 外循环方式中的滚珠在循环返回时, 离开丝杠螺纹滚道,在螺母体内或体外做循环运动。从结构上看,外循环有三种形式。端盖式、螺旋槽式、
4、插管式。,螺母,套筒,端盖式示意图,在螺母上钻出纵向孔,作为滚珠回程滚道,两端有套筒盖板。,滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作,而影响其性能。一般用作升降传动机构。,端盖式外循环,套筒,螺母,滚珠,挡 珠 器,螺旋槽式示意图,在螺母的外圆表面洗出螺纹凹槽,槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔,两个挡珠器。,工艺简单,径向尺寸小,易于制造; 挡珠器刚性差,易磨损。,螺旋槽式外循环,弯管,压板,螺纹滚道,滚珠,插管 式示意图,用弯管代替螺纹凹槽,弯管的两端插入与螺纹滚道相切两个内孔,用弯管的端部引导滚珠进入弯管。,结构简单,容易制造,但径向尺寸较大,弯管端部比较容易磨损。,图 3-23 插管式外循环
5、,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。,轴向间隙消除方法双螺母预紧法,常用的消除轴向间隙的方法,旋转圆螺母消除轴向间隙并产生一定的预紧力,再用锁紧螺母锁紧。,双螺母螺纹预紧调隙式,凸缘,螺纹,图 3-25 双螺母预紧,双螺母齿差预紧调隙式,调整时,先卸下两端的内齿轮;当二个螺母相对于套筒同方向各转到一个齿后;再将两内齿轮固定。 可以实现定量调整,精密微调。,圆柱齿轮,当两个螺母按同方向转过一个齿时,其相对轴向位移为 式中,Ph为导程。如果z1=99,z2=100,Ph=8 mm,则
6、 L=0.8 m。 特点: 调整精度很高,工作可靠, 但结构复杂,加工 工艺和装配性能较差。,特点:结构紧凑刚度高预紧可靠应用广,但使用中调整不方便,也不很准确,适用于一般精度的传动机构。,双螺母垫片预紧 调隙式,垫片,弹簧自动调整预紧式,特点:能消除使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙,但其结构复杂、轴向刚度低。,注意: (a) 预紧力大小必须合适,应不超过最大轴向负载的三分之一。,(b) 要特别注意减小丝杠安装部分的间隙,这些间隙用预紧的方法是无法消除的,而它对传动精度有直接影响。,滚珠丝杠副的安装,(a) 支撑副的选择 为了提高轴向刚度,常采用止推轴承组合来支撑丝杠。目前常用的轴承组合
7、有以下三种:,双推自由式(一端固定,一端自由) 双推简支式(一端固定,一端游动) 双推双推式(两端固定),圆锥滚子轴承,双推-自由式,适用于短丝杠或垂直安装的丝杠。,双推简支式,适用于较长的卧式安装丝杠,调节轴承的间隙,并根据预计温升产生的热膨胀量对丝杠进行预拉伸。 适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。,为减小丝杠因自重的下垂和补偿热膨胀,应进行预拉伸。,推力角接触轴承,两端固定式,(b) 制动装置 垂直传动时,由于滚珠丝杠副的传动效率高,又无自锁能力,故需安装制动装置以满足其传动要求。如超越离合器等。,超越离合器 1:外圈 2:星轮 3:滚柱 4:活销 5:弹簧,由于超越离合器具有体积小质
8、量轻易于安装等特点,因而被广泛采用。,数控铣床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图,电机,齿轮,压簧,电磁线圈,摩擦离合器,滚珠丝杠,主轴箱,滚珠丝杠的标记方法,南京工艺装备制造厂:CMFZD4083.5C3/14001000 江汉机床厂:FCB4053E2左,2 同步带传动副,同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动。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。,(1)兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点,能方便的实现较远距离传动且无相对滑动,平均传动比较准确。 (2)传动精度高,且带的强度高、厚度小、重量轻,用于低速及高速传动,传动效率高。 (3)在使用中齿形带不需张
9、紧,作用在轴和轴承处的载荷小,传动效率高,在数控机床和工业机器人中得到了广泛应用。,特点:,3 谐波齿轮传动,柔轮,刚轮,波发生器,这是一种新型传动,其原理是依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性波,引起齿间的相对位移来传动动力和运动的。柔轮的变形是一个基本对称的和谐波,故称为谐波传动。由谐波发生器、刚轮和柔轮组成。与一般齿轮传动具有本质上的差别。图所示的波形发生器有两个触头,称双波发生器。,波形发生器为主动件,刚轮或柔轮为从动件。内齿圈和外齿圈周节相同,刚轮齿数比柔轮齿数多几个齿。波形发生器的长径比柔轮的内径略大,装配在一起柔轮被撑成椭圆形。,椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区;同时
10、在椭圆短轴两端,两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处,则视柔轮回转方向的不同,或处于啮合状态,或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时,柔轮长短轴的位置不断交化,从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化,于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移,从而传递运动。,谐波齿轮传动的优点, 传动比大; 承载能力高; 传动精度高,基本无冲击振动; 可以向密封空间传递运动或动力; 传动平稳,传动效率高; 结构简单、体积小、质量轻。,谐波齿轮传动的缺点,柔轮和波发生器制造复杂,需要专 门设备,成本较高。 传动比下限值较高。 不能做成交叉轴和相交轴的结构。,注意:谐波齿轮传动主要应用在大传动比的(如机器人、雷达、电子
11、仪器仪表等)机电一体化系统中得到了广泛的应用。,4 软轴传动机构,有几层紧密缠绕在一起的弹簧钢丝层组成,相邻层的缠绕方向相反。工作时相邻两层钢丝中一层趋于拧紧,一层趋于拧松,使各层趋于压紧来传递转矩。,应用范围:,(1)主要用于两个传动件的轴线不在同一直线上或工作时彼此要求有相对运动的场合。 (2)可以弯曲地绕过各种障碍物,远距离传递回转运动。 (3)适合受连续冲击,也适合高速、小扭矩的场合,其转速可达20000r/min ,功率不超过5.5kW。 (4)不适合低速大转矩的传动。,三、导向机构,1、导轨的功用: 机电一体化产品的导向结构是导轨,其作用是导向和支撑。,2、导轨的组成,导轨主要由两
12、部分组成:支撑(静)导轨和动导轨。,导轨的导向原理,3、 导轨的分类: (1)根据 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 。 (2)根据其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。,滑动摩擦导轨截面形状,4、导轨的基本要求,(1)导向精度高、刚性好、运动平稳、耐磨性好,温度变化影响小、结构工艺性好。 (2)对于精度要求高的导轨另有有如下要求: A、导轨的承载面与导向面严格分开; B、当运动件较重时,要设置卸重装置; C、运动件的支撑符合三点定位原理。,5、与导轨有关的几个概念,导向精度。 导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。直线运动导轨的几何精度一般有以下几项规定
13、: 直线度。 纵向直线度导轨在垂直平面内的直线度 横向直线度导轨在水平面内的直线度,两导轨面间的平行度,刚度。 导轨的刚度就是抵抗因载荷而变形的能力。分为动刚度和静刚度。 耐磨性。 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后,应能保持一定的导向精度。, 运动的灵活性和低速运动的平稳性,避免爬行现象。 爬行现象运动件在低速运行时,往往不是作连续的匀速运动而是时走时停。 爬行现象主要有摩擦力的变化和传动刚度不足所致。,采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、塑料导轨等;使用含有极性添加剂的导轨油;用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减小传动副等方法提供系统刚度。,6、常用导向机构,塑料导轨。 塑料导轨是在滑动
14、导轨上镶装塑料而成的。常用的塑料导轨材料有以下三种:,塑料导轨软带。 将其粘贴在金属导轨上所形成的导轨又称为贴塑导轨。,塑料导轨软带特点: 1)摩擦系数低且稳定 2)动静摩擦系数相近 3)吸收振动 4)耐磨性好 5)化学稳定性好 6)维护修理方便 7)经济性好,金属塑料复合导轨板,钢带,保证强度和承载力,青铜粉,提高导热性,摩擦面,摩擦特性优良,耐磨损。,塑料涂层 导轨副中,若只有一面磨损严重,则可把磨损部分切除,涂敷配制好的胶状塑料涂层,利用模具或另一摩擦面使涂层成形,固化后的塑料涂层即成为摩擦副中的配对面之一,与另一金属配对面形成新的摩擦副。,滚动导轨 滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨之
15、间加入滚动体,变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支撑。,滚动导轨按滚动体形状,分为滚珠导轨、滚柱导轨二种。,滚动导轨的特点,1)承载能力大 2)刚性强 3)寿命长 4)传动平稳可靠 5)具有机构自调整能力,滚动轴承导轨 滚动轴承导轨与滚珠滚柱的主要区别是:它不仅起着滚动体的作用,而且还代替了导轨。,外环旋转,内环固定,四、执行机构,常用执行机构的设计方法,热变形式 热变形式执行机构 属于微动机构,该类机构利用电热元件作为动力源,电热元件通电后产生的热变形实现微小位移。,传动杆,电阻丝,运动件, L= L(t1-t0)= L t,磁致伸缩式,该类机构利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩
16、效应,来实现微量位移。,利用粗精位移结合得到所需的较大的进给量。,工业机器人末端执行器,机械夹持器 它是工业机器人最常用的一种末端执行机构。机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束。机械夹持器常用压缩空气作动力源,经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,机械夹持器可分下述几种型式。,在传动机构带动下,手指指端的运动轨迹为圆弧;,凸轮机构,连杆机构,圆弧开合型,圆弧平行开合型 这种夹持器两手指工作时做平行开合运动,而指端运动轨迹为一圆弧。,平行四杆结构,直线平行开合型。 这种夹持器两手指的运动轨迹为直线,且两手指夹持面始终保持平行。,限制手指只能水平运动,特种末端夹持器工业机器人完成某类特定的作业。,a真空吸附手,控制换向阀的开合可实现对工件的吸附和脱开。,结构简单,价格低廉,常用于小件的搬运,也可根据工件形状、尺寸、重量的不同将多个吸附手组合使用,吸附作业具有一定的柔顺性,即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的工作。,b电磁吸附手 它利用通电线圈的磁场对可磁化材料的作用力来实现对工件的吸附作用。它的吸附过程从不接触开始,吸附过程由极大的柔顺状态突变为低柔顺状态。 吸附手的形式根据被吸附工件的
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