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1、机电一体化系统设计,第1章 机械系统设计,第一节 概述 第二节 常用传动机构 第三节 常用的导向与支承机构 第四节 机械执行机构,13:26:50,第1章 机械系统设计,3,传统机械系统组成： 动力件、传动件、执行件、电气、机械控制,现代机械：由计算机信息网络协调与控制的、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)机电部件一体化的机械系统 ，是机电一体化机械系统。核心是由计算机控制的、包括机、电、液、光等技术的伺服系统。,第一节 概 述,一、机械系统的定义,1.高精度 ：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，因此机电一体化
2、机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作,二、机电一体化对机械系统的基本要求,机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。,第1章 机械系统设计,5,2.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任务之间的时间间隔短。,3.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响，抗干扰能
3、力强。,此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。,第1章 机械系统设计,6,1.传动机构 ：如，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。 要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求；满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。,三、机械系统的组成,2.导向机构 ：作用是支承和导向，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。如，滚动导轨、滑动导轨等。,3.执行机构 ：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。如，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。 要求：具有较
4、高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。,第1章 机械系统设计,7,即：精度高、快速响应性和稳定性好。,传动机构性能要求,1)具有良好的伺服性能； 2)传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。,第1章 机械系统设计,8,对传动机构要求,1.转动惯量小,1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；,2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；,3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。,在不影响机械系统刚度 的前提下，传动机构的 质量和转动惯量应尽量 减小。,第二节 常用传动支机构,第1章 机械系统设计,9,2.刚度大,伺服系统动力损失随之减小；,机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之
5、不易产生共振；,增加闭环伺服系统的稳定性。,刚度是使弹性体产生 单位变形量所需的作 用力。,3.阻尼合适,阻尼越大，其最大振幅 就越小且衰减也越快； 阻尼大使系统的稳态误 差增大、精度降低。,第1章 机械系统设计,10,一、无侧隙齿轮传动机构,齿轮传动机构的特点： 1)瞬时传动比为常数；2)传动精确度高；3)可做到零侧隙无回差；4)强度大能承受重载；5)结构紧凑；6)摩擦力小和效率高,功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速,第1章 机械系统设计,11,1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调
6、整后不能自动补偿。,(一)直齿圆柱齿轮传动机构,消除传动间隙 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(切向）调隙法,第1章 机械系统设计,12,图2.1 偏心轴套式消隙结构 1.电动机 2. 偏心轴套,第1章 机械系统设计,13,以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大扭矩，传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法。,2.锥度齿轮调整法 结构如图2.2所示。改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。,第
7、1章 机械系统设计,14,图2.2 锥度齿轮消隙结构 1、2.齿轮 3.垫片,第1章 机械系统设计,15,特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。,3.双片薄齿轮错齿调整法 结构如图2.3所示。调节两薄片齿轮l、2的相对位置，达到错齿以消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。,第1章 机械系统设计,16,图2.3 双圆柱薄片齿轮错齿调整 1、2. 薄片齿轮 3、4、9. 凸耳 5.螺钉 6、7. 螺母 8.弹簧,第1章 机械系统设计,17,(二)斜齿轮传动机构,1.垫片调整法 结构如图2.4所示。在两薄片斜齿轮1、2中间加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿轮1、2的螺旋线错位。,特点
8、：1)结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。3) 使用时需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。,第1章 机械系统设计,18,图2.4 斜齿薄片齿轮垫片调整,第1章 机械系统设计,19,(二)斜齿轮传动机构,2轴向压簧调整法 结构如图2.5所示。调节弹簧3的轴向力改变两薄片斜齿轮1、2之间的轴向距离达到错位的目的。,特点：齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,第1章 机械系统设计,20,图2.5斜齿薄片齿轮轴向压簧调整,第1章 机械系统设计,21,（三）锥齿轮传动机构,1.轴向压簧调整法 结构如图2.6所示。调节压簧5轴向力大小，使锥齿轮4沿其轴向移动，从而消除啮合锥齿轮之
9、间的齿侧间隙。 2.周向弹簧调整法 结构如图2.7所示。大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而消除间隙。,第1章 机械系统设计,22,图2.6 锥齿轮轴向压簧调整,第1章 机械系统设计,23,图2.7 锥齿轮周向弹簧调整 1.大片锥齿轮 2.小片锥齿轮 3.锥齿轮 4.镶块 5.弹簧 6.止动螺钉 7.凸爪 8.槽,第1章 机械系统设计,24,（四）齿轮齿条传动机构,结构如图2.8所示。用于行程较长的大型机床上，易于得到高速直线运动。 1.双片簿齿轮调整法 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）。 2.双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴5输入，该轴上装有两个螺旋
10、线方向相反的斜齿轮，当在轴5上施加轴向力F 时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴1和轴4便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮2和齿轮3分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧而消除了间隙。,第1章 机械系统设计,30,滚珠丝杠副 是在丝杆和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。,滚珠丝杠传动机构,第1章 机械系统设计,31,(4)运动平稳，滚动摩擦系数几乎与运动速度无关，摩擦阻力小，静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小 (5)使用寿命长。寿命约为滑动丝杠副的4l0倍以上。 (6)可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7)不能自锁、有可逆性
11、 (8)用作升降传动机构时，需要采取制动措施,（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。因而迫使螺母(或丝杆)轴向移动。 特点： (1)传动效率高：0.90到0.96 (2)传动精度高、刚度好，可消除间隙 (3)定位精度和重复定位精度高,第1章 机械系统设计,33,三、滚珠丝杠传动机构,1、滚珠丝杆副的组成及特点： （1）定义：滚珠丝杆副是在丝杆和螺母之间以滚珠为中间滚动体的螺旋传动元件。,第1章 机械系统设计,34,第1章 机械系统设计,35,第1章 机械系统设计,36,1螺纹滚道型面的形状 1)单圆弧型面:接触角是随轴向负荷F 的大小而变化，如图2.
12、10a所示； 2)双圆弧型面：滚珠与滚道只在滚道内相切的两点接触，接触角不变，如图2.10b所示。,图2.10 螺纹滚道型面的形状,第1章 机械系统设计,37,内循环和外循环 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触. 内循环方式的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高螺母的尺寸也较小。缺点是反向器加工困难，装配调整也不方便,第1章 机械系统设计,38,第1章 机械系统设计,39,2滚珠丝杠副的循环方式 2)内循环 ：均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。如图2.12a所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，
13、以保证对准螺纹滚道方向。图2.12b为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。,图2.12 内循环方式原理图 1.凸键 2、3.反向器,第1章 机械系统设计,40,外循环 滚珠在循环返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动,2滚珠丝杠副的循环方式 1)外循环: 包括插管式和螺旋槽式。 插管式 被压板1压住的弯管2的两端，插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠4构成循环回路。 特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。 螺旋槽式 在螺母3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
14、滚珠循环路。 特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。 端面回珠式 在螺母两端面装上反向器进行回珠。,第1章 机械系统设计,42,可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种,第1章 机械系统设计,43,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。 目的: 消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度.,(1)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起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。,3滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法,减小或消除轴向间隙方法：1)预紧使弹性变形控制在最小限度内；2)提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。
15、,第1章 机械系统设计,45,预紧的基本思想,第1章 机械系统设计,46,1)双螺母垫片式 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。,第1章 机械系统设计,47,2)双螺母螺纹式,利用螺帽实现预紧。螺母1、2以平键与外套相联，平键可限制螺母转动。锁紧螺母3、4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，故预紧力不能准确控制。,3)双螺母齿差式,在两个螺母的凸缘上分别有齿数为z1 、z2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
16、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。,3、齿差调隙式 两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数Z 1、Z 2 且Z 2 -Z 1=1，分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。 产生的轴向位移（即间隙）为：,其中：n为螺母同方向转过的齿数,p为丝杠的导程,在滚珠螺母的两组循环圈之间，借助于螺母内螺纹变位导程产生变位量L来实现消除间隙和预紧，其预紧力的大小由径向间隙确定。特点：结构简单、尺寸最紧凑，且价格低廉，但不便于随时调整。,4)单螺母变位导程自预紧式,第1章 机械系统设计,51,第1章 机械系统设计,52,四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法 2、精度等级 根据JB316.2-91滚珠丝杠副精度标准规定分为5个等级：1、2、3、4、5级（有的参考书称7个等级，另外有7、10级），1级最高，5级最低。 一般动力传动选4、5级 数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级,第1章 机械系统设计,53,滚珠丝杠螺母副的安装 一般要
