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1、单元二 机电一体化机械技术,A.教学目标 B.引言 2. 1概述 2. 2机械传动机构 2. 3机械导向结构 2. 4机械的支承结构 2. 5机械执行机构 小结,A.教学目标,1.了解机电一体化系统的功能组成、构成要素、机械执行机构 2.掌握机电一体化系统的机械传动机构、机械支承结构 3.重点掌握机电一体化系统的机械运动要求、螺旋传动、机械导向结构和支承件的设计原则,下一页,返回,B.引言,本单元主要从机械传动机构、机械导向结构、机械支承结构、机械执行机构四个方面介绍机电一体化设备中常用的的机械传动系统，再通过项目工程“MPS模块化生产加工系统”进行实训，让学生掌握四大机构工作原理，加深对知识
2、的理解。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,机械是由机械零件组成的，能够传递运动并完成某些有效工作的装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装固定部分等组成。通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、带、带轮、曲柄和凸轮等。两个零件互相接触并相对运动，就形成了运动副，由若干运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。就传动而言，机构就是传动链，从系统动力学方面来考虑，传动链越短越好，这有利于实现系统整体最佳目标。在必须保留一定的传动件时，在满足强度和刚度的前提下，应力求传动件“轻、薄、细、小巧”，这就要求采用特种材料和特种加工工艺。,下一页,返回,2. 1概述,2.1.1机
3、械运动与机构 把某一物体看作一个质点时，其运动可以分为平面运动、螺旋运动、球面运动等。平面运动是指与某一平面平行移动的运动，包括旋转运动和线运动。旋转运动是指以平面为轴，并与该平面轴保持一定距离的平面运动;线运动是指在平面上沿直线或曲线移动的运动，前者称为直线运动，后者称为曲线运动。螺旋运动是指物体在围绕某一轴线做旋转运动的同时，还沿着该轴线做直线运动。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,球面运动是指物体在与圆心保持一定距离的球面上移动的运动。物体当其不受外力作用时，在平面上将处于静止状态或匀速运动;在外力作用下，物体将会产生加速度。根据所施外力的不同，物体的运动可分为等速运动、不等速运动和
4、间歇运动等。等速运动可分为单方向运动和往复运动，而加速运动就是一种不等速运动，间歇运动则是指每隔一定时间自行停止的运动。 机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿规定直线的直线运动以及平面运动等，比如机器人和数控机床等。一台机械要由若干零件组成，在构成机械的各种部件中使用了各种通用的零件，就是所谓的机械零件。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,具有代表性的主要机械零件可分为紧固零件、传动零件和支撑零件。多种机械零件的有机组合就构成了机构。当机构中的一个零件产生运动时，机构中的其他零件将对应产生一定的运动。连杆机构、凸轮机构、间歇机构是机械中最常用的三种机构。牛头刨床就是利用连杆机构
5、原理把作旋转运动的摆杆曲柄机构变换成做往复直线运动的滑块曲柄机构来进行刨削的。汽车发动机则是利用凸轮机构的不同形状来改变直线运动的行程，从而来提高燃烧效率的控制。装配生产线的间歇运动以及旋转平台的分度则靠的是利用间歇机构把原轴的连续旋转运动断续地传递到从轴，使从轴实现间歇性的往复运动。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,2. 1. 2机电一体化中的机械系统及其基本要求 机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。概括地讲，机电一体化机械系统应主要
6、包括如下三大部分机构。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,1.传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的一部分，它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。因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。 2.导向及支承机构 导向及支承机构的作用是对机械结构保证一个良好导向和支承性能，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，一般指导轨、轴承等。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,3.执行机构 执行机构是用以完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令
7、的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性由于计算机的强大功能，使传统作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大地简化了传动和执行机构。 除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电气、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统是由计算机协调和控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等
8、技术的伺服系统。这就对执行器提出了更高的要求，存在机械装置、执行器及驱动器之间的协调与匹配问题。 从总体上讲，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求外，还必须满足以下几种特殊要求。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,1.高精度 精度是机电一体化产品的重要性能指标，对其机械系统设计主要是执行机构的位置精度，其中包括结构变形、轴系误差和传动误差，另外还要考虑温度变化的影响。 2.小惯量 传动件本身的转动惯量会影响系统的响应速度及系统的稳定性。大惯量会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，使系统固有频率下降，容易产生谐振;使电气驱动部分的谐振频率变低，阻尼增大。反之，小惯量则可使
9、控制系统的带宽做得比较宽，快速性比较好、精度比较高，同时还有利于减小用于克服惯性载荷的伺服电机的功率，提高整个系统的稳定性、动态响应和精度。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,3.大刚度 机电一体化机械系统要有足够的刚度，弹性变形要限制在一定范围之内。弹性变形不仅影响系统精度，而且影响系统结构的固有频率、控制系统的带宽和动态性能 机电一体化机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。 (1)机械传动设计的特点。机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机构上去，机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的伺服
10、机械传动系统设计。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,根据机电有机结合的原则，机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效率，因此使机械传动设计也得到了简化，机械传动方式也由传统的串联和并联方式的传动方式(即每一个机械传动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成)变为各个运动之间的传动关系由计算机来统一协调和控制。因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、传动惯量小、线性传递、无间隙传递等设计特点。,上一页,下一页,返回,2. 1概述,(2)机械结构设计的特点。机电一体化的机械
11、结构属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下，从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。因此在进行结构设计时应综合考虑各个零部件的制造、安装精度，结构刚度，稳定性以及动作的灵敏性和易控性。对具体零部件的设计提出了更高、更严的要求。例如，采用合理的截面形状和尺寸;采用新材料和钢板焊接结构来提高支承件的静刚度。,上一页,返回,2. 2机械传动机构,机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，从而要求传动机构满足以下几个方面:转动惯量小、刚度大、阻尼合适，此外还要求摩擦小、抗振性好、间隙小，特别是其动态特性与伺服电动机等其他环节的动态特性相匹配。 常用的机械传动
12、部件有齿轮传动、带传动、链传动、螺旋传动以及各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。,下一页,返回,2. 2机械传动机构,2. 2. 1齿轮传动 齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床中传动装置几乎都离不开齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个:一是将高转速低转矩的伺服电机(如步进电机、直流或交流伺服电机等)的输出，改变为低转速大转矩的执行件的输出;二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外，对开环系统还可以保证所要求的精度。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,提高传动精度的结构措施有以
13、下几种。 适当提高零部件本身的精度。 合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响。首先，合理选择传动形式;其次，合理确定级数和分配各级传动比;最后，合理布置传动链 采用消隙机构，以减少或消除空程 由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面的要求，总是存在着一定的误差，因此两个啮合着的齿轮，总应有微量的齿侧隙才能使齿轮正常地工作。以下介
14、绍的几种消除齿轮传动中侧隙的措施，都是在实践中行之有效的。 1.圆柱齿轮传动 (1)偏心轴套调整法。图2-1所示为简单的偏心轴套式消隙结构。电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,(2)锥度齿轮调整法。图2-2是用带有锥度的齿轮来消除间隙的机构。在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化(其外形类似于插齿刀)。装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。但如增大圆锥面的角度，
15、则将使啮合条件恶化。以上两种方法的特点是结构简单，但齿侧隙调整后不能自动补偿。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,(3)双向薄齿轮错齿调整法。采用这种消除齿侧隙的一对啮合齿轮中，其中一个是宽齿轮，另一个由两相同齿数的薄片齿轮套装而成，两薄片齿轮可相对回转。装配后，应使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿轮的齿槽左、右两侧，这样错齿后就消除了齿侧隙，反向时不会出现死区。图2-3为圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整结构。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其
16、中穿过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调整螺钉7上，通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完毕用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了齿侧间隙2.抖齿轮传动。 斜齿轮传动齿侧隙的消除方法基本上与上述错齿调整法相同，也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,图2-4是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少t，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙。垫片厚度的增减量t =cosB;其中为齿侧间隙，月为斜齿轮的螺旋角。 垫片的厚度通常由试测法确定，一般要经过几次修磨才能调整好，因而调整较费时，且齿侧隙不能自动补偿。 图2-5是轴向压簧错齿调整法，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,上一页,下一页,返回,2. 2机械传动机构,2. 2. 2带传动 1.普
