机电一体化(第1章_绪论).ppt

1、机电一体化系统设计,第一章 绪论,郭世伟,一、机电一体化的特点 信息时代，微电子技术、计算机技术、信息技术飞速发展与渗透，所有领域。以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透，并与机械技术有机地结合。 “机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。 日本最早用“机电一体化”(Mechatronics)，是Mechanics(机械学)与 Electronics (电子学)组合而成。 还有“机械电子”、“机电液一体化”、“光机电一体化”等说法！ 机电一体化技术 机电一体化产品,机电一体化是在机械的主功能、

2、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。 相关的多技术相互交叉、 有机结合、融为一体，从“系统”的角度做整体设计分析。 “系统”的分析、设计概念 说明 计算机技术、信息技术为机械增添了“头脑”和“神经”，给机械以“智能”，增加了新的功能和性能。 机电一体化设备特点：自动化、智能化，功能、性能强大，灵活性，节能省材，小、轻、精等 机电一体化时代，机电一体化革命,二、机电一体化系统的组成及功能 1、系统的组成要素 机电一体化系统（产品）主要由以下五个子系统组成： 机械系统(机构)、 电子信息处理系统(计算机)、 动力系统(动力源)、

3、传感检测系统(传感器)、 执行元件系统(如电动机) 对应的共性关键技术有：精密机械技术、检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术及系统总体技术等。,系 统 （产 品） 基 本 构 成 实 例,全闭环系统,半闭环系统,机电一体化系统要素与人体组成要素,机电一体化设备的智能化、多样化。 仿生,2、系统的功能 物质、能量和信息称为工业三大要素。机电一体化系统要求根据不同的使用目的，使系统能对输入要素进行处理，输出所需要的物质、能量和信息。 三个“目的功能” : （1）变换(加工、处理)功能； （2）传递(移动、输送)功能； （3）储存(保持、积蓄、记录)功能。,系统的目的功能,CNC机

4、床的内部功能构成,系统的主要内部功能： 主功能、动力功能、控制功能、构造功能、计测功能,主 功 能： 实现系统“目的功能”直接必需的功能 。 动力功能： 向系统提供动力、让系统得以运转的功能 。 计测功能： 对系统内部信息和外部信息进行检测与计算处 理的功能。 控制功能： 对整个系统进行控制，使系统正常运转以实施 “目的功能”。 构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间 和空间上的相互关系所必需的功能 。,3、机电一体化系统构成要素的相互连接 机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系统相接处必须具备一

5、定的联系条件，这些联系条件就可称为接口（interface）。 机电一体化系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为整个系统性能好坏的决定性因素。在某种意义上讲，机电一体化系统设计主要是“接口”。,机电一体化系统组成要素之间的相互联系,根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种： 1)零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。 2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等。 3)有源接口。含有

6、有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换器以及力矩变换器等。 4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，称为智能接口。 例如自动变速装置， 通用输入输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。,机电一体化系统 的功能评价：,三、机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型 对应于工业三大要素，机电一体化的三大效果分别为：省能源、省资源、智能化。 机电一体化系统(产品)的主要特征是自动化操作。因此。设计人员应从其通用性、耐环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析，使系统(或产品)充分发

7、挥机电一体化的三大效果。 为充分发挥机电一体化的三大效果,使系统(或产品)得到最佳性能，1、要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；2、要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数，综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充,充分体现机电一体化的优越性。,1、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法： 1) 机电互补法 机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。 2) 结合(融合)法 它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(

8、子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。 3) 组合法 它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。,2、机电一体化系统 的设计类型 1）开发性设计 它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。 2)适应性设计 它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。 3)变异性设计 它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格

9、尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。,机电一体化系统(产品) 的设计流程,机电一体化系统开发工程的流程,机电一体化系统设计,第二章 机械系统部件的选择与设计（3）,郭世伟,（七）旋转支承部件 1、旋转支承的种类及基本要求 1）支承的种类 旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体(或液体)摩擦支承。 滑动摩擦支承按其结构特点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支承按其结构特点，可分为填入式滚珠支承和刀口支承 。 2）对支承的要求 方向精度和置中精度 方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。 置中精度是指在任意截面上

10、，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。 温度敏感性,各种支承结构简图,2、圆柱支承,1-轴肩；2-轴套；3-锥孔,用滚珠作轴向定位,应用广泛。接触表面大，承载大，但摩擦阻力矩较大，方向精度和置中精度较差。,圆柱支承受力图,a）承受径向载荷，圆柱支承的摩擦阻力矩为 b）止推面A承受轴向载荷，摩擦阻力矩为 c）止推面B承受轴向载荷，摩擦阻力矩为,精度计算图,支承间隙与相配件的形状偏差会影响支承的方向精度和置中精度。 其置中精度和方向精度分别用最大中心误差C和轴的最大偏角来衡量。,温度变化也会导致支承间隙的变化。,3、圆锥支承,方向精度、置中精度高，承载能力强，轴向位移可自动补偿磨损间隙。

11、 但摩擦阻力矩大，对温度变化敏感，制造成本较高。,承受轴向力，半锥角小，置中精度高，但产生大的正压力，摩擦阻力矩大，磨损、运动不灵活。,a）用端面A承受部分轴向载荷； b）用止推螺钉承受部分轴向载荷。,4、填入式滚动支承 为一种非标准滚珠轴承，结构上无内圈、外圈，在相对运动的零件上加工有滚道面。 摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载力较大，温度敏感性小，抗振性好，成本较高。,a）接触面积小，摩擦阻力矩小，承载能力小； b） 特点与a）相反；c） 介于a）、b）,5、其它形式的支承,轴除自传外，还可轴向摆动一定角度。,顶针支承、刀口支承、钟摆的支承结构图,（八）轴系部件的选择与设计 一、转子动力学基础

12、旋转机械的转子结构多样，在结构上具有最基本的转子（转轴和圆盘组成）、轴承等。它们的简化力学模型总可表示为：一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由轴承及轴承座支承。认为轴承支承是刚性的称为刚性支承转子，考虑支承的弹性的称为弹性支承。 在忽略圆盘的自重对振动的影响时，刚性单圆盘转子系统可以简化为下图（a）的简支梁系统。进一步，又可以把它简化为单自由度的离散系统，模型（b） 。,（a）单圆盘转子系统模型 （b）简化模型,求不计轴挠度时的离心力及两端轴承的动反力。,1、转子不平衡力,2、临界转速的动力特性 考虑刚性支承单圆盘转子系统。旋转运动时，圆盘的离心力使轴发生挠曲，形成弓状回旋运动。 （1）

13、无阻尼系统动力分析 设轴的动挠度为，则有：,k为轴中点处的横向刚度系数，n为轴无阻尼横向振动固有频率。,转子运动的力学模型 回转中心是O，圆盘形心是C，质心是G，假定轴的质量不计,（2）考虑阻尼作用时的情形,假定轴的横向刚度为kx=ky=k，系统的粘性阻尼系数是cx=cy=c。圆盘的偏心距是e 。,实际中，阻尼总是存在的，线性阻尼力与速度成正比。此时O、C、G三点一般不共线了，设OC、CG成角。,当转子以角速度稳定转动时，根据圆盘受力可得出C点在X、Y两坐标方向的横向振动微分方程为：,方程的稳态解为：,求得振幅为：,方向位移落后于激励的相位角为：,写成无量纲的放大因子形式为：,转子既自转又公转

14、的运动称为弓状回旋，但此时轴内并不产生交变应力，这与轴在横向振动时会发生交变应力是不同的。,机器的工作转速低于临界转速时，对应的转轴称为刚性轴；高速旋转机械的工作转速大于临界转速，称为柔性轴。柔性轴的旋转机器正常工作运行较平稳，但在启动时需较快通过临界转速，否则有剧烈的振动。可在机器升降速时用测量响应的方法确定转子的临界转速。 （3）影响临界转速的因素 （1）陀螺力矩对转子临界转速的影响 （2）弹性支承对临界转速的影响 （3）组合转子对临界转速的影响，与联轴器的性质有关。,二、轴系设计的基本要求 轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。 轴系的主要作用是传递

15、转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。对于中间传动轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗振性等的要求较高。 旋转精度 、刚度 、抗振性 、热变形 1）旋转精度 指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动和轴向窜动量，取决于轴系零部件和支承部件的制造、装配精度。在工作转速下，旋转精度即为其运动精度，取决于转速、轴承性能和轴系动态特性。 2）轴系的刚度 它反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。,3）抗振性 轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及单向受力等；它们直接影响旋转精度和

16、轴承寿命。 提高轴系静、动刚度，增大轴系阻尼等可提高轴系的动态性能。 4）热变形 轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。 5）轴上零件的布置 对轴的受力变形、热变形和振动影响较大。 如传动齿轮的空间布置，尽量避免弯曲变形的重叠。传动齿轮尽量靠近支承处。下图的机床主轴传动齿轮空间布置的比较，综合考虑轴端弯曲变形量和轴承支承反力的大小,三、 轴(主轴)系用轴承的类型与选择 标准滚动轴承： 深沟球轴承； 双列向心圆柱滚子轴承； 圆锥滚子轴承； 推力轴承,双列向心短圆柱滚子

17、轴承 圆锥滚子轴承、双列推力球轴承图,非标准滚动轴承： 微型滚动轴承,液体静压轴承,液体静压轴承工作原理 1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜； 6-圆盒；7-回油槽；8-轴套,磁悬浮轴承 磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。,磁悬浮轴承工作原理 1-信号输入；2-调节器；3-功率放大器； 4-位移传感器；5-定子；6-转子,径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 。

18、四、 提高轴系性能的措施1、提高轴系的旋转精度 轴承(如主轴)的旋转精度中的径向跳动主要由： 被测表面的几何形状误差、被测表面对旋转轴线的偏心、旋转轴线在旋转过程中的径向漂移等因素引起。 轴系轴端的轴向窜动主要由： 被测端面的几何形状误差、被测端面对轴心线的不垂直度、旋转轴线的轴向窜动等三项误差引起。,提高其旋转精度的主要措施有：提高轴颈与架体(或箱体)支承的加工精度；用选配法提高轴承装配与预紧精度，轴系组件装配后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。 2. 提高轴系组件的抗振性 轴系组件有强迫振动和自激振动，前者是由轴系组件的不平衡、齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的，

19、后者是由传动系统本身的失稳引起的。 提高其抗振性的主要措施有：提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验来预测其固有振动频率，当阻尼很小时，应使其固有振动频率远离强迫振动频率，以防止共振。一般讲，刚度越高、阻尼越大，则激起的振幅越小。消除或减少强迫振动振源的干扰作用。构成轴系的主要零部件均应进行静态和动态平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧等。采用吸振、隔振和消振装置。,（九）机电一体化系统的机座或机架 一、 机座或机架的作用及基本要求 机座或机架是支承其它零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷（以及惯性力、摩擦力等作用），又起保证各零部件相对位置的基准作用

20、。 机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。 其基本要求是： 1、几何精度和相对位置精度要求高（尤其是关键表面），以保证产品总体精度。 2、刚度与抗振性 机座（机架）的变形和振动直接影响产品质量和正常运转。 刚度是抵抗载荷变形的能力。刚度不足引起的变形、振动可影响产品的定位精度、加工精度及其它性能。 静刚度主要指结构刚度和接触刚度。 动刚度是衡量抗振性的主要指标，一般动刚度越大，抗振性越好。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振荡频率有关。,抗振性是承受受迫振动的能力。振源可来自系统内部，也可来自外部。机座（机架）的振动，整机产生摇振，其主要部件及其相互作用间产生弯曲或扭振，尤其是发生共振时。

21、为提高机架或机座的抗振性，可采取如下措施： 提高静刚度，即从提高固有振动频率入手，以避免产生共振； 增加阻尼，增加阻尼对提高动刚度的作用很大，如液(气)动、静压导轨的阻尼比滚动导轨大，故抗振性能好； 在不降低机架或机座静刚度的前提下，减轻重量可提高固有振动频率，如适当减薄壁厚、增加筋和隔板、采用钢材焊接代替铸件等； 采取隔振措施，如加减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。 3、热变形 热量分布不均时，不同部位的温差产生热变形，影响其原有精度。 减小热变形的方法：控制热源，改善润滑、减小摩擦生热，隔热，散热，冷却等。,4、提高稳定性 指长时间保持其几何尺寸和主要表面相对位置的精度。 对铸件机座应进行时

22、效处理来消除产生机座变形的应力，残余应力。常用的时效处理方法：热处理法，振动法。 除上述要求之外，还应考虑工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。 二、 机座或机架的结构设计特点 机座或机架的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩短生产周期等问题。 1、铸造机座的设计 1）保证自身刚度的措施 合理选择截面形状和尺寸。 机座受力（矩）：拉、压、弯、扭等。拉、压作用主要考虑截面尺寸，弯、扭作用还需考虑截面形状（截面惯性矩）,合理布置筋板和加强筋，合理地开孔和加盖。 2）提高机座连接处的接触刚度 肋板及加强肋的形式,3）机座

23、的模型刚度实验 4）机座的结构工艺性 5）机座的材料。铸铁、钢，其它材料（石材、陶瓷等）。 2、焊接机架的设计,结构共振产生的轴承工作不稳定 轴承油膜的不稳定振动，除了转子轴承系统自身固有频率引起共振外，还有相当一部分是由机器其它部分的结构共振引起的。如：机器底板或轴承刚度不足引起共振，基础共振，底板与基础间的连接松动、扭曲或断裂引起振动等，这些部件刚度、质量的不合适使它们的振动频率正好与轴承油膜涡动频率吻合，可引起很大的油膜不稳定振动。 一些振动专家认为，旋转机械的振动原因大约有20%是因本体支承结构和支承底板刚度不足引起的。 故由轴承座和机体测得的振动信号进行振源判别时，要从系统得观点出发

24、，除了考虑转子本身的结构、动力学特性之外，还可考虑底板刚度，机器和底板等连接刚度，轴承架的支承刚度等部分。这需要做模态测试与分析，找出结构各部件的振动频率，振型，才可采取措施使机器激发频率的各次谐波避开结构共振区域。,机电一体化系统设计,第二章 机械系统部件的选择与设计（2）,郭世伟,（三）齿轮传动部件 齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。,1、齿轮传动比的匹配选择 齿轮传动比 i 应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，用于伺服系统的齿轮减速器，其输入电动机为高转速、低转矩，而输出则为低转速、高转矩。,齿轮传动系统传递转矩时，要求有高的刚度，惯性尽量小，精度高。齿间啮合间隙

25、会造成传动死区和回差，精度受影响，在闭环系统中，还会造成系统不稳定。 除了采用精度高，齿侧间隙小的齿轮传动副外，还可采用多种方法消除或减小啮合间隙，提高传动精度和系统稳定性。 先求总的传动比： 因负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种选择方法。,步进电机步距角，系统脉冲当量，丝杠基本导程Ph，则满足匹配关系的减速比为：,直流伺服电机的额定转矩Tm，转子转动惯量为Jm；负载转动惯量JL，负载转矩TLF；中间的齿轮减速器减速比为i。,加速转矩为：,依据负载加速度最大的方法确定总传动比：,总的传动比求出后，为使系统结构紧凑、提高传动精度和满足动态性能等要求，需要对各级传动比进行合理分配，有如下分

26、配原则： （1）重量最轻原则 对于小功率传动系统，使各级传动相等，即可使传动装置的重量最轻。即 该结论是在假定各主动小齿轮模数、齿数均相同的条件下导出的，故所有大齿轮的齿数、模数也相同，每级齿轮副的中心距离也相同。 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况,此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑的要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小”原则处理。,（2）输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统的传递运动的精度，各级传动比应按先小后大的原则分配，以降低齿轮加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。,转

27、角误差的计算举例,已知：有一三级齿轮传动减速器，z1z6的转角误差分别是： 1=0.06弧度/sec、 2=3=0.03弧度/sec、 4=5=0.015弧度/sec、6=0.01弧度/sec。 减速比分别为：i1=i2=2、i3=3，则i=12 . 求其总转角误差max 解：max=1/i+(2+3)/(i2i3)+ (4+5)/ i3+6=0.06/12+0.06/6+0.03/3+0.01 =0.035(弧度/sec),（3）等效转动惯量最小原则,各级传动比有“先小后大”的分配次序。该分配原则对大功率齿轮传动系统不适于，但仍应符合“由小到大”的分配次序。,在设计中应根据上述原则并结合实际

28、情况的可行性和经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。 a、对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则； b、对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理； c、对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小的原则。 对于增速传动，应在开始几级就增速，且增速比最好大于1：3，有利于增加轮系刚度、减小传动误差。,2、谐波齿轮传动 新型的谐波齿轮传动具有如下特点： 结构简单、体积小、重量轻，传动比大(几十几百)，传动精度高、回程误差小，噪声低、传动平稳、承载能力强，传动效率高。 在工业机器人、

29、航空、航天等机电一体化系统中得到广泛的应用。,谐波齿轮传动产品,谐波齿轮的组成： 谐波减速器中的三大构件,谐波齿轮传动工作原理,其传动原理可与少齿差行星齿轮传动相比拟！,1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器,谐波齿轮传动的传动比的计算,谐波齿轮减速器产品及选用 通用谐波减速器产品系列,谐波减速器标记代号,设计者也可根据需要单独购买不同减速比、不同输出转矩的谐波减速器中的三大构件并根据其安装尺寸与系统的机械构件相连接。,3、齿轮传动间隙的调整方法,偏心调整法,电动机安装于偏心轴（套）上，转动其转角，可调节两啮合齿轮的中心距，从而可消除齿侧间隙。 结构简单，不能自动补偿。,对于圆柱齿轮传动,轴向垫

30、片调整法,轴向压簧错齿调整 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮； 4-调整螺母；5-弹簧,分度圆弧齿厚沿轴向略有锥度，齿轮间的轴向位移可消除齿侧间隙。,周向弹簧式 1-短柱；2-弹簧；3、4-薄片齿轮,可调拉簧式 1、2-齿轮；3-凸耳；4-弹簧；5、6-螺母；7-螺钉,双片薄齿轮错齿调整法： 其中之一为宽齿轮，另一个由两片薄齿轮组成。两薄齿轮间有相对角位移，可消除与厚齿轮间的齿侧间隙。,适于读数装置，而不适于功率驱动装置,对于斜齿轮传动,垫片错齿调整 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-垫片,轴向压簧错齿调整 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮； 4-调整螺母；5-弹簧,两薄片斜齿轮间有隔开有一端距离，其

31、螺旋线被错开。,（四）挠性传动部件 机电一体化系统中 还大量使用同步带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。 1、梯形齿同步带及带轮结构,梯形齿同步带结构 1-包布层；2-带齿； 3-带背；4-加强筋,同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动特点的一种新型传动。传动带用承载无弹性变形的高强力材料。,同步带实物照片,同步带传动传动比准确，传动效率高（可达0.98），能吸振，噪声低，传动平稳，能高速传动，维护保养方便等特点，使用范围较广。安装精度要求高，且具有一定的蠕变性。,打印机中同步带传动系统 1-驱动轮 ；2-驱动轴 ；3-从动轮； 4-伺服电动机 ；5-电动机齿轮 ； 6-字车 ；

32、7-色带驱动手柄 ； 8-销； 9-联接环 ；10-字车驱动同步带； 11-支架 ；12-带张力调节螺杆； 13-色带驱动带； 14-压带轮 ； 15-色带驱动轮 ；16-色带驱动轴 ；17-导杆,2、钢带传动 钢带与带轮间接触面积大、无间隙，摩擦阻力大无滑动，驱动力大，运行可靠，噪声低，结构简单紧凑，寿命长，且无蠕变。,钢带传动定位机构 1-导杆； 2-轴承； 3-小车； 4-导轨； 5-磁头； 6-钢带； 7-步进电动机,绳轮传动在打印机字车 送进机构中的应用 1-字车；2-绳轮(电动机输出轴上)； 3-伺服电动机； 4-钢丝绳,3、绳轮传动 加速度不易大,各类挠性传动方式的比较：,（五）

33、间歇传动机构 间歇传动机构可把原动机构的连续运动转换为间歇运动。传动要求有：移位迅速，停位准确可靠，运动过程中无冲击。 常用的间歇传动机构有：棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等。,1-棘爪；2-棘轮；3-止动爪； 4-摇杆；5-扭簧,棘轮传动工作原理,1、棘轮传动机构,扭簧使棘爪和棘轮齿啮合,棘轮为从动件，棘爪为主动件，其运动可从连杆机构、凸轮机构油（气）缸获得。 结构简单、制造容易，但有噪声，磨损快。 棘爪往复一次推过的棘轮齿数与棘轮转角间的关系：,（a）外齿式，（b）内齿式，（c）端齿式,齿式棘轮机构的形式：,2、槽轮传动机构 槽轮传动机构又称马尔他(马氏)机构。 拨销盘为主动件，连续转动

34、，槽轮为从动件，间歇运动。 结构简单、换位迅速，传动效率高，动静时间比恒定等。但槽轮角速度不均匀，有冲击，定位精度不高。 锁紧弧和定位弧为保持定位准确可靠。,1-拨销盘； 2.锁紧弧； 3-槽轮； 4-定位弧； 5-拨销,l-转盘 ； 2-滚子； 3-蜗形凸轮,3、蜗形凸轮传动机构,蜗形凸轮为主动件，连续转动，转盘为从动件，间歇运动。静止时，转盘靠凸轮棱边卡在两个滚子中间，使转盘定位。,蜗形凸轮机构具有如下的特点： 能够得到在实际中所能遇到的任意的转位时间与静止时间之比，其工作时间系数比槽轮机构的要小； 能够实现转盘所要求的各种运动规律； 与槽轮机构比较，能够用于工位数较多的设备上，而不需加入

35、其他的传动机构； 在一般情况下，凸轮棱边的定位精度已能满足要求，而不需其他定位装置； 有足够高的刚度； 装配方便； 不足之处是它的加工工作量特别大，因而成本较高。,（六）导向支承部件的选择与设计 1、 导轨副的组成、种类及其应满足的要求等 导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。,1-承导件；2-运动件,（1）导轨副的组成,（2）导轨副的类型 直线运动、回转运动导轨副。 滑动、滚动、流体介质等导轨。 开式、闭式导轨。 常用导轨结构形式：,常用导轨性能比较,（3）导轨副应满足的基本要求 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精

36、度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。 对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承，必须符合三点定位原理。 a、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。导向精度的高低，主要取决于： 导轨的结构类型； 导轨的几何精度和接触精度； 导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度； 导轨和基础件的刚度 热变形等。,直线运动导轨的几何精度： （a）导轨纵向直线度 （b）导轨横向直线度 （c）扭曲度,b、刚度 导轨的静刚度；动刚度。 在恒定载荷作用下，物体变形的大小表示静刚度的好坏。导轨变形一般

37、有自身、局部和接触三种变形。 自身变形由导轨上的零部件重量（包括自重）引起的，与导轨自身刚度有关，增大尺寸、布置加筋板等； 导轨局部变形发生在载荷集中的地方，与导轨的局部刚度有关； 接触变形、接触刚度不是定值，加预载荷可增加接触面积、提高接触刚度。 c、精度的保持性 主要取决于导轨的耐磨性，与导轨的结构、材料、硬度、摩擦、润滑、受力等有关。润滑与防护。,d、运动灵活性和低速运动的平稳性 机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和运动速度都比较高，因此，其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动。 爬行现象：在低速运行时，往

38、往不是作连续的匀速运动而是时走时停，此即“爬行”。其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。 导轨的爬行现象机理（弹簧-阻尼系统）,弹簧-阻尼系统图,1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨,为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施： 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等； 在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；等。 e、对温度的敏感性和结构工艺性 导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。 结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度地降低成本。,（4）导轨副的设计

39、内容,2、滑动导轨副的结构及其选择 （1）导轨副的截面形状及其特点 常见的导轨截面形状，有：三角形(分对称、不对称两类)、矩形、燕尾形及圆形四种，每种又分为凸形和凹形两类。,凸形导轨不易积存切屑等脏物，但也不易储存润滑油，宜在低速下工作； 凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。 a、三角形导轨 三角形导轨，V形导轨。 在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，导向精度较高。 其截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角(110l20)；为提高导向性，可采用较小的顶角(60)。

40、如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。 导轨水平与垂直方向误差相互影响，给制造、检验和修理带来困难。,b、矩形导轨 矩形导轨结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。 矩形导轨的导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置。 水平和垂直方向上的位置各不相关，即一方向上的调整不会影响到另一方向的位移，因此安装调整均较方便。 在导轨的材料、载荷、宽度相同的情况下，矩形导轨的摩擦阻力和接触变形都比三角形导轨小。 c、燕尾形导轨 此类导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。用一根镶

41、条就可调节水平与垂直方向的间隙，且高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩。 刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。用于运动速度不高、受力不大、高度尺寸受到限制的场合。,e、圆形导轨 此类导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。 圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动。可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩，亦可采用双圆柱导轨。 圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合。,（2）导轨副的组合形式 a、双三角形导轨组合,1-三角形导轨； 2-V型导轨； 3-压板,结构对称，磨损均匀，能自动补偿水平和垂直方向的磨损

42、，导向性和精度保持性高； 工艺性差，加工和热变形，难以保证四个面同时、完全接触； 多用于精度要求较高的机床设备。,b、矩形导轨和矩形导轨组合,1-承载面 ； 2-导向面； 3-辅助导轨面,承载面与导向面分开，制造、调整简单。 a）以两侧面作导向面，承载能力大，导向精度低； b）以内外侧面作导向面，导向精度高； c）以两内侧面作导向面，导向精度高。,c、三角形导轨和矩形导轨组合,兼有三角形导轨的导向性好，矩形导轨的制造方便、刚性好等优点。 但导轨有磨损不均的问题。,棱-矩 V-矩,d、三角形和平面导轨组合 具有三角形-矩形组合的导轨的基本特点。无闭合导轨装置，只能用于受力向下的场合。,两种导轨的

43、摩擦阻力不等，应使牵引力与摩擦力的合力在同一直线上。,e、燕尾形导轨及其组合,燕尾形导轨及其组合的间隙调整1-斜镶条 ； 2-压板 ； 3-直镶条,（3）导轨副间隙的调整 间隙调整装置，主要有压板法和镶条法。 矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。 对于燕尾形导轨，可采用镶条法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。,矩形导轨垂直方向间隙的调整1-压板 ； 2-接合面 ； 3-调整螺钉 ； 4-调整垫片,矩形导轨和燕尾导轨水平间隙的调整,a）为平镶条，b）、c）为斜镶条。 斜镶条斜度一般为1:401:100，在全长上支承，刚度好，应用广泛。,（4）导轨副的材料 导轨常用材料有铸铁、钢、非铁金属

44、、塑料等，常使用铸铁-铸铁，铸铁-钢的导轨。 铸铁：耐磨性、减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点。 钢：用淬硬的钢导轨可提高耐磨性。 非铁金属：黄铜、青铜等。 塑料：耐磨性、抗振性好，工作温度适应范围广，化学稳定性好，动静摩擦系数低且差别小，加工性好、工艺简单，成本低等特点。,滑动导轨常用材料的搭配,动导轨和支承导轨要有不同的硬度。,（5）提高导轨副耐磨性的措施,镶装导轨 提高导轨的精度与改善表面粗糙 减小导轨单位面积上的压力(即比压),3、滚动导轨副的类型及其选择 （1）特点 摩擦系数小(0.0030.005)，运动灵活； 动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生

45、爬行； 可以预紧,刚度高； 寿命长； 精度高； 润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用； 由专业厂生产，可以外购选用。 滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。 滚动导轨的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。,（2）对滚动导轨副的基本要求 1) 导向精度。是导轨副最基本的性能指标。保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性是保证机床运行工作

46、质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度、垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。 2) 耐磨性。在预定的使用期内，保持其导向精度。 精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损，因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。 3) 刚度。应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。 4) 工艺性。导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。,（3）滚动导轨副的类型 a）滚动体不循环的滚动导轨副 滚动体有滚珠、滚针和滚柱,1-动导轨；2-滚珠；3-定导轨；4-滚柱；5-滚针,滚动体不循环，行程不能太长，结构简单，制造容易，成本低，但难以施加预紧力，刚度较低，抗振性

47、能差，不能承受冲击载荷。 滚珠：摩擦阻力小，承载能力差，刚度低；不能承受大的颠覆力矩和水平力；压出的压坑影响精度。 滚针、滚柱：承载能力强，导向性能高，但对导轨面的平行度误差比较敏感，且容易侧向偏移和滑动，磨损增大。 b）滚动体循环的滚动导轨副,滚动导套副，为一种滚动轴承导轨。,4、静压导轨副 将一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件和支承件之间，运动件浮于压力油或气体薄膜上，与支承件不接触，摩擦阻力（矩）大大降低。介质压力会随外载荷作用而反馈变化。,提高介质系统压力，可提高静压导轨的刚度，液体静压导轨的刚度比气体的高。 静压导轨的导向精度的提高。,卸荷导轨工作原理：,1、3、6-主导轨； 2

48、、4、5-辅助导轨 7-活塞销；8-弹簧 9-滚动轴承； 10-调节螺钉； 11-手柄,（七）旋转支承部件 1、旋转支承的种类及基本要求 旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体(或液体)摩擦支承。滑动摩擦支承按其结构特点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支承按其结构特点，可分为填入式滚珠支承和刀口支承 。,各种支承结构简图,机电一体化系统设计,第二章 机械系统部件的选择与设计（3）,郭世伟,（七）旋转支承部件 1、旋转支承的种类及基本要求 1）支承的种类 旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚

49、动、弹性、气体(或液体)摩擦支承。 滑动摩擦支承按其结构特点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支承按其结构特点，可分为填入式滚珠支承和刀口支承 。 2）对支承的要求 方向精度和置中精度 方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。 置中精度是指在任意截面上，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。 温度敏感性,各种支承结构简图,2、圆柱支承,1-轴肩；2-轴套；3-锥孔,用滚珠作轴向定位,应用广泛。接触表面大，承载大，但摩擦阻力矩较大，方向精度和置中精度较差。,圆柱支承受力图,a）承受径向载荷，圆柱支承的摩擦阻力矩为 b）止推面A承受轴向载荷，摩擦阻力矩为 c）

50、止推面B承受轴向载荷，摩擦阻力矩为,精度计算图,支承间隙与相配件的形状偏差会影响支承的方向精度和置中精度。 其置中精度和方向精度分别用最大中心误差C和轴的最大偏角来衡量。,温度变化也会导致支承间隙的变化。,3、圆锥支承,方向精度、置中精度高，承载能力强，轴向位移可自动补偿磨损间隙。 但摩擦阻力矩大，对温度变化敏感，制造成本较高。,承受轴向力，半锥角小，置中精度高，但产生大的正压力，摩擦阻力矩大，磨损、运动不灵活。,a）用端面A承受部分轴向载荷； b）用止推螺钉承受部分轴向载荷。,4、填入式滚动支承 为一种非标准滚珠轴承，结构上无内圈、外圈，在相对运动的零件上加工有滚道面。 摩擦阻力矩小，耐磨性

51、好，承载力较大，温度敏感性小，抗振性好，成本较高。,a）接触面积小，摩擦阻力矩小，承载能力小； b） 特点与a）相反；c） 介于a）、b）,5、其它形式的支承,轴除自传外，还可轴向摆动一定角度。,顶针支承、刀口支承、钟摆的支承结构图,（八）轴系部件的选择与设计 一、转子动力学基础 旋转机械的转子结构多样，在结构上具有最基本的转子（转轴和圆盘组成）、轴承等。它们的简化力学模型总可表示为：一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由轴承及轴承座支承。认为轴承支承是刚性的称为刚性支承转子，考虑支承的弹性的称为弹性支承。 在忽略圆盘的自重对振动的影响时，刚性单圆盘转子系统可以简化为下图（a）的简支梁系统

52、。进一步，又可以把它简化为单自由度的离散系统，模型（b） 。,（a）单圆盘转子系统模型 （b）简化模型,求不计轴挠度时的离心力及两端轴承的动反力。,1、转子不平衡力,2、临界转速的动力特性 考虑刚性支承单圆盘转子系统。旋转运动时，圆盘的离心力使轴发生挠曲，形成弓状回旋运动。 （1）无阻尼系统动力分析 设轴的动挠度为，则有：,k为轴中点处的横向刚度系数，n为轴无阻尼横向振动固有频率。,转子运动的力学模型 回转中心是O，圆盘形心是C，质心是G，假定轴的质量不计,（2）考虑阻尼作用时的情形,假定轴的横向刚度为kx=ky=k，系统的粘性阻尼系数是cx=cy=c。圆盘的偏心距是e 。,实际中，阻尼总是存

53、在的，线性阻尼力与速度成正比。此时O、C、G三点一般不共线了，设OC、CG成角。,当转子以角速度稳定转动时，根据圆盘受力可得出C点在X、Y两坐标方向的横向振动微分方程为：,方程的稳态解为：,求得振幅为：,方向位移落后于激励的相位角为：,写成无量纲的放大因子形式为：,转子既自转又公转的运动称为弓状回旋，但此时轴内并不产生交变应力，这与轴在横向振动时会发生交变应力是不同的。,机器的工作转速低于临界转速时，对应的转轴称为刚性轴；高速旋转机械的工作转速大于临界转速，称为柔性轴。柔性轴的旋转机器正常工作运行较平稳，但在启动时需较快通过临界转速，否则有剧烈的振动。可在机器升降速时用测量响应的方法确定转子的

54、临界转速。 （3）影响临界转速的因素 （1）陀螺力矩对转子临界转速的影响 （2）弹性支承对临界转速的影响 （3）组合转子对临界转速的影响，与联轴器的性质有关。,二、轴系设计的基本要求 轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。 轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。对于中间传动轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗振性等的要求较高。 旋转精度 、刚度 、抗振性 、热变形 1）旋转精度 指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动和轴向窜动量，取决于轴系零部件和支承部件的制造、装配精度

55、。在工作转速下，旋转精度即为其运动精度，取决于转速、轴承性能和轴系动态特性。 2）轴系的刚度 它反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。,3）抗振性 轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。 提高轴系静、动刚度，增大轴系阻尼等可提高轴系的动态性能。 4）热变形 轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。 5）轴上零件的布置 对轴的受力变形、热变形和振动影响较大。 如传动

56、齿轮的空间布置，尽量避免弯曲变形的重叠。传动齿轮尽量靠近支承处。下图的机床主轴传动齿轮空间布置的比较，综合考虑轴端弯曲变形量和轴承支承反力的大小,三、 轴(主轴)系用轴承的类型与选择 标准滚动轴承： 深沟球轴承； 双列向心圆柱滚子轴承； 圆锥滚子轴承； 推力轴承,双列向心短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承、双列推力球轴承图,非标准滚动轴承： 微型滚动轴承,液体静压轴承,液体静压轴承工作原理 1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜； 6-圆盒；7-回油槽；8-轴套,磁悬浮轴承 磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。,磁悬浮轴承工作原理 1-信号输入；2-调节器；3-功率放

57、大器； 4-位移传感器；5-定子；6-转子,径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 。 四、 提高轴系性能的措施1、提高轴系的旋转精度 轴承(如主轴)的旋转精度中的径向跳动主要由： 被测表面的几何形状误差、被测表面对旋转轴线的偏心、旋转轴线在旋转过程中的径向漂移等因素引起。 轴系轴端的轴向窜动主要由： 被测端面的几何形状误差、被测端面对轴心线的不垂直度、旋转轴线的轴向窜动等三项误差引起。,提高其旋转精度

58、的主要措施有：提高轴颈与架体(或箱体)支承的加工精度；用选配法提高轴承装配与预紧精度，轴系组件装配后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。 2. 提高轴系组件的抗振性 轴系组件有强迫振动和自激振动，前者是由轴系组件的不平衡、齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的，后者是由传动系统本身的失稳引起的。 提高其抗振性的主要措施有：提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验来预测其固有振动频率，当阻尼很小时，应使其固有振动频率远离强迫振动频率，以防止共振。一般讲，刚度越高、阻尼越大，则激起的振幅越小。消除或减少强迫振动振源的干扰作用。构成轴系的主要零部件均应进行静态和动态

59、平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧等。采用吸振、隔振和消振装置。,（九）机电一体化系统的机座或机架 一、 机座或机架的作用及基本要求 机座或机架是支承其它零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷（以及惯性力、摩擦力等作用），又起保证各零部件相对位置的基准作用。 机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。 其基本要求是： 1、几何精度和相对位置精度要求高（尤其是关键表面），以保证产品总体精度。 2、刚度与抗振性 机座（机架）的变形和振动直接影响产品质量和正常运转。 刚度是抵抗载荷变形的能力。刚度不足引起的变形、振动可影响产品的定位精度、加工精度及其它性能。 静刚度主要指结构刚度和接触刚度。 动刚度是衡量抗振性的主要指标，一般动刚度越大，抗振性越好。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振荡频率有关。,抗振性是承受受迫振动的能力。振源可来自系统内部，也可来自外部。机座（机架）的振动，整机产生摇振，其主要部件及其相互作用间产生弯曲或扭振，尤其是发生共振时。 为提高机架或机座的抗振性，可采取如下措施： 提高静刚度，即从提高固有振动频率入手，以避免产生共振；