机电一体化设计基础-第二章.ppt

1、第二章 机械系统设计,1、概述 机电一体化对机械系统的要求： （1）高精度：技术性能、工艺水平、功能 （2）快速响应：动态性能好 （3）良好的稳定性：抗干扰能力强 机械系统的组成： （1）传动机构：是伺服机构的一部分；传递速度、运动、动力。 （2）导向机构：支承和导向；完成定位和支持。 （3）执行机构：完成工作。,第二章 机械系统设计,2、传动机构设计 2.1 传动机构性能要求： 转动惯量小：转动惯量大则机械负载大，响应速度低，灵敏度下降，系统固有频率减小。在满足刚度条件下，减小转动惯量。 刚度大：刚度大则系统动力损失减小，固有频率高，闭环稳定性增强。 阻尼合适：阻尼大，则振动衰减大，但稳态误

2、差增大，精度降低。 摩擦小、抗振性好、间隙小、动态特性匹配。,2.2 无侧隙齿轮传动机构 机械系统要求自动变向功能，齿轮机构必须消除齿侧间隙，保证双向传动精度。 2.2.1 直齿圆柱齿轮的侧隙消除 （1）偏心轴套调整法 优点：方法简单； 缺点：无法自动补偿。 （2）双片薄齿轮错齿调整法 优点：能够自动补偿； 缺点：结构复杂。,第二章 机械系统设计,2.2.2 斜齿轮的侧隙消除 采用轴向调整错齿的方法： （1）垫片调整法：薄齿轮在垫片的挤压作用下沿着宽齿轮的斜面错位。 （2）轴向压簧调整法：轴向尺寸大，结构复杂，但能够自动补偿。 2.2.3 圆锥齿轮的侧隙消除 （1）轴向压簧调整法：结构简单，可

3、自动补偿。 （2）周向压簧调整法：和圆柱齿轮的双片薄齿轮错齿调整法的原理一样。,第二章 机械系统设计,第二章 机械系统设计,2.2.4 齿轮齿条传动机构的侧隙消除 （1）双片薄齿轮错齿调整法：同圆柱齿轮，用于负载小的场合。 （2）双齿调整法：采用两个方向的齿轮分别传动，施加于负载使其分别贴紧啮合。 2.3 滚珠丝杠副传动机构 2.3.1 工作原理 （1）组成：滚珠、螺母、回程引导装置、丝杠； 传统的丝杠副滑动传动，利用滚珠将丝杠和螺母隔开，成为一种滚动传动装置。,第二章 机械系统设计,2.3.2 特点 优点： （1）传动效率高：90%95%，损耗为滑动的1/3； （2）运动具有可逆性：回转和直

4、线运动交互； （3）系统刚度好：预压后，无爬行，运动平稳； （4）传动精度高：制造精度高，温升和热形变小； （5）使用寿命长：摩擦小，比滑动高56倍； 不足： （6）不能自锁：需加自锁装置； （7）制造工艺复杂，成本高。,第二章 机械系统设计,2.3.3 间隙调整和施加预紧力的方法 （1）滚珠丝杠副的轴向间隙：承载时变形引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和；单螺母式的轴向间隙通常为0.05mm （2）采用双螺母预紧的方法来调整间隙； 注意两点： * 预紧力要合适，过小有间隙，过大效率降低，通常不超过轴向最大负载的1/3； * 丝杠安装部分与驱动部分的间隙无法通过此来消除。另行处理。,（3）双螺

5、母消除轴向间隙法 * 垫片调隙式：螺钉连接两个螺母的凸缘，在其间加调整垫片。简单、方便，但不能随意调整。 * 螺纹调隙式：一个螺母有凸缘，一个有螺纹，双螺母防松。易调整，但不是很精确。 * 齿差调隙式：螺母凸缘上制有外齿轮，齿数差为1，内齿轮固定在套筒上，通过两端与同一个内齿圈啮合产生预紧力。结构复杂，但调整精度高。,第二章 机械系统设计,第二章 机械系统设计,2.3.4 精度等级和标注方法 （1）六个等级：C、D、E、F、G、H。 * 每级内在细分15项，表示检查的项目，未指定的项目误差不得超过下一级的规定值。 * 数控机床、精密机床和精密仪器，选C、D、E级。 （2）产品标注方法，各厂略有

6、不同。 2.3.5 安装及辅助装置 （1）支撑方式： * F-O式：用于短丝杠或竖直安装的丝杠； * F-S式：用于长丝杠，热膨胀自动伸缩。 * F-F式：用于重载。需要预拉伸，补偿热膨胀。 （2）制动装置,第二章 机械系统设计,2.3.6 滚珠丝杠副的设计计算 （1）已知条件：工作载荷或平均工作载荷、使用寿命、丝杠的工作长度、丝杠的转速、滚道硬度和运转状况。 （2）设计步骤 * 根据工作载荷得出计算载荷；对于低速（n10r/min），只按额定静载荷计算即可，否则进行以下步骤； * 由计算载荷得出额定动载荷； * 根据额定动载荷选择滚珠丝杠的规格，要求所选规格的丝杠副的额定动载荷大于计算额定动

7、载荷； * 验算传动效率、刚度及工作平稳性是否符合要求，如不符合，则应另选大的规格并重新验算。,第二章 机械系统设计,2.4 锥环无键联轴器 （1）工作原理 利用锥环对之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙连接传递转矩，可任意调节两联接件之间的角度位置；通过锥环的对数可以增加传递的扭矩。 （2）优点：定心好、承载力大、使用维护方便。 2.5 其它传动机构 （1）软轴传动机构：钢丝软绳，由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝绳构成的。适合高速、小转矩、不同轴的传递。 （2）同步齿形带传动机构：利用齿形带的齿轮与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点。,第二章 机械系统设计,3、导

8、向机构设计 3.1 导轨的分类和特点 导轨分为两部分，固定不动的称为支承导轨，相对运动的部分称为动导轨。 分类：滑动导轨和滚动导轨。 滑动导轨：普通导轨、液体静压导轨。 （1）结构简单、刚度好、抗振性高 （2）导轨材料选择、适当的热处理和加工方法。 * 优质铸铁，合金耐磨铸铁或镶淬火钢 * 导轨表面滚轧强化，表面淬硬、涂铬、涂钼 * 采用工程塑料。,第二章 机械系统设计,滚动导轨：两个导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体实现两导轨之间的相对运动。 （1）优点：摩损小、寿命长、定位精度高、平稳可靠； 不足：结构复杂、抗振性差、防护要求高、成本高。 （2）适用：移动均匀，动作灵敏及定位精度高的场

9、合，在机电一体化产品中广为应用。 3.2 滚动直线导轨 3.2.1 滚动直线导轨的特点 承载能力大（滚道圆弧、接触面积大），刚性强（施加预载荷、抗冲击和振动）、寿命长（纯滚动、能耗低），传动平稳（定位精度高、移动灵活）、具有结构自调整能力。,第二章 机械系统设计,3.2.2 滚动导轨的分类： （1）按滚动体形状分为钢珠式和滚柱式； 滚柱式线接触，承载力大，摩擦力大、装配复杂，常用为滚珠式，滚动轴承就是一类滚动导轨。 （2）按导轨截面分为矩形和梯形两种。 矩形导轨承载时四方向等载荷；梯形导轨的误差调节能力强。 （3）按滚到沟槽形式分为单圆弧和双圆弧两种。 单圆弧是两点接触，综合性能好；双圆弧是四

10、点接触，静刚度大。 设计时通常选用滚柱式、单圆弧接触式、矩形的滚动导轨类型。,第二章 机械系统设计,3.2.3 滚动直线导轨的其他形式 （1）圆柱滚动直线导套副 导轨轴（支撑导轨）是圆柱，直线运动球轴承在圆柱轴承座内循环。常用于轻载移动、输送系统。 （2）滚柱花键副 支撑导轨是花键，滚珠在与花键配合的保持架内运动。可以承受周向载荷，而且能够自动定心。常用于高速运动机构的导轨，以及传递扭矩的传动机构。,第二章 机械系统设计,3.2.4 塑料导轨滑动导轨 （1）塑料导轨软带 成分：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等烧结，制成软带状。 利用塑料软带将动导轨和支撑导轨分离。 性能： 摩擦系

11、数低且稳定，比铸铁导轨低一个数量级； 动静摩擦系数相近，低速平稳性好； 吸收振动；耐磨性好 ；维护性好；经济性好。,第二章 机械系统设计,（2）金属塑料复合导轨板 结构为三层：内层钢背保证机械强度和承载能力；中间层为烧结的球形青铜粉或铜丝网形成多孔隙状态，提高导热性及容纳塑料介质；外层采用真空浸渍方法加入的塑料。 工作原理是运动时青铜摩擦发热，塑料膨胀挤出，填补在接合面处，形成自润滑。 性能： 摩擦特性优良，耐磨损，便于修理。,第二章 机械系统设计,4 执行机构的设计 4.1 微动机构 实现微量精确调节作用。 4.1.1 手动机械式 螺杆和螺母配合； S=p*/360，最小微动量S与螺距和人手

12、灵敏度有关。 结构简单，灵敏度一般。 4.1.2 热变形式 电热元件作动力源：电热元件通电后热变形实现微小位移；,第二章 机械系统设计,L=Lt，线膨胀区为工作区； 利用变压器、变阻器实现调节加热速度；利用冷却装置冷却。 特点：高刚度和无间隙；适用于较短行程和频率不高的场合。 4.1.3 磁致伸缩式 材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应； L=L； 特点：重复精度好，无间隙；刚度好，转动惯量低，工作稳定性好；结构简单，紧凑；伸缩量有限，适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿。,第二章 机械系统设计,4.2 装夹装置 4.2.1 动力卡盘 可以转动，一次装夹完成全部加工工序。 一个油缸进行夹紧运动，两个油缸进行转动操作。 卡爪和卡爪根据工件形状定；枢轴形状由工件转动角度定。 4.2.2 工业机器人末端执行器 分为机械夹持器、特种末端执行器、万能手 夹持应该具有形状和力约束，松开则完全松开；两个过程都应该具有姿态约