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1、,第三章 机电一体化机械系统设计,机电一体化系统设计,法国人在1770年发明自行车，木质的，脚蹬地方可前进 。,机械系统,1817年，卡尔德莱斯给自行车多装了个方向控制器。,机械系统,1.增加了导向装置,1842年，索马斯麦克米伦为自行车装上曲棍。,机械系统,2.增添了变速装置,机械系统,1869年德国斯图加特出现了由后轮导向和驱动的自行车，同时车上采用了滚动轴承、飞轮、脚刹、弹簧等部件。,3.进行了材质及零部件的改进,机械系统,1874年英国人劳森在自行车上别出心裁地装上链条和链轮,4.增加了传动装置,机械系统,近代为了操作者的安全和舒适自行车结构进行了变革,5.结构形式的改变,机械系统,6
2、.传动装置与结构的改进,机电一体化中的机械系统,全电控制自行车、液压传动自行车,7.动力的改进,机电一体化中的机械系统,机电一体化中的机械系统,美军B-2隐身轰炸机,机电一体化中的机械系统,B-26轰炸机,传统的车削 到 数控车削,机电一体化中的机械系统,柔性制造单元FMC,机电一体化中的机械系统,并联机床,机电一体化中的机械系统,快速原型机RPM及其产品,机电一体化中的机械系统,未来机床,机电一体化中的机械系统,工业机器人,机电一体化中的机械系统,智能机器人,机电一体化中的机械系统,机械系统包括系统的框架和支承结构、机械连接和传动系统，本章重点介绍传动系统的特点和设计方法。,机电一体化中的机
3、械系统,对传动系统的要求： 静特性：传动精度 动特性：稳定性、快速性、可靠性,机电一体化中的机械系统,机电系统的控制模型,机电一体化中的机械系统,执行机构,传动机构,轴系,导向机构,机座,机械系统的构成,做操 机器人,1、传动机构,机电一体化机械系统中，传动机构影响系统的精度、稳定性和快速性。,传动 机构,机械传动机构的功能 功能：传递运动(速度、位移)和动力(力、力矩),增速或减速；变速； 改变运动规律或形式,动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）,1、传动机构,2、导向机构,支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，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
4、供保障。,导向 机构,3、执行机构,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，一般要求具有较高的灵敏度、精确度、良好的重复性和可靠性等。,执行 机构,涂层 刀具,4、轴系,轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。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。,5、机座或机架,支撑其他零部件的基础部件，它既能承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。,机电系统机械设计技术,机械设计技术,机械传动装置设计,机械结构设计,滚珠丝杠传动 无侧隙齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器,导轨设计 支承装置 主轴组件设计,
5、机械系统设计的要求 1. 高精度,机械系统设计的要求 2. 良好的稳定性,抗振动调心滚子轴承,齿轮,打印机,主轴,机械系统设计的要求 3. 快速响应性,质量检验,流水线装配,快速 响应,机械参数对性能的影响 1. 负载的变化,负载,工作负载（外力）,惯性负载,摩擦负载,匹配,执行机构,负载变化,机械参数对性能的影响 2. 传动系统的惯性,惯性,驱动部件,传动部件,执行机构,惯性对系统的影响： 传动系统的起停特性 控制的快速响应性 位移偏差 速度偏差,机械参数对性能的影响 3. 传动系统的固有频率,式中： k 系统刚度，N/m； m系统质量，kg。,机械参数对性能的影响 4. 传动系统中的摩擦与
6、润滑,影响,摩擦力,传动精度,运动平稳性,影响,摩擦力,导轨材料,导轨形状,润滑条件,环境温度,机械参数对性能的影响 5. 传动系统中的间隙,影响,零件传动间隙,传动精度,运动平稳性,间隙类型：,齿轮传动的齿侧间隙,丝杠螺母的传动间隙,丝杠轴承的轴向间隙,联轴器的扭转间隙等,什么是失动量？,传动死区也称为失动量。,斜齿轮 传动,机电一体化系统中常用的传动机构,技术发展水平的限制，机电一体化各种元器件还不能完全满足需要。,导致,机械传动链还不能完全取消,为了提高机电一体化系统的传动精度和系统稳定性，要尽可能的减少甚至取消机械传动链，能做到吗？怎么做到！,机电一体化系统中常用的传动机构,机械传动机
7、构,螺旋传动,齿轮传动,同步带传动,高速带传动,各种非线性传动,对机械传动机构的要求： 传动间隙小、精度高 低摩擦、体积小、重量轻 运动平稳、响应速度快 传递扭矩大、高谐振频率,机电一体化系统中常用的传动机构,机械传动机构：,丝杠螺母,齿轮,齿轮齿条,链轮链条,带、带轮,缆绳、绳轮,杠杆机构,连杆机构,凸轮机构,摩擦轮,万向节,软轴,蜗轮蜗杆,间歇机构,机电一体化系统中常用的传动机构,丝杠螺母,滚珠丝杠,滑动丝杠,丝杠 测试,机电一体化系统中常用的传动机构,齿轮,直齿轮,斜齿轮,齿轮 传动,机电一体化系统中常用的传动机构,齿轮齿条,具有齿轮传动的特点，可以实现较大的直线位移，负载能力大，广泛应
8、用于大型机床工作台的移动驱动。,机电一体化系统中常用的传动机构,蜗轮蜗杆,滚齿,其特点是传动比大、输出轴与输入轴垂直、结构紧凑、可反向自锁，传动效率低。,蜗杆 传动,机电一体化系统中常用的传动机构,锥齿轮,斜齿锥齿轮,传递空间两相交轴的运动和动力，传动平稳、承载能力强，适合高速、重载，通常取大端参数为标准值，精度比圆柱齿轮差。,锥齿轮,锥齿 摆杆,机电一体化系统中常用的传动机构,渐开线行星齿轮,摆线针轮行星齿轮,谐波齿轮,传动比范围宽、结构紧凑、效率高、传动精度高、适合于各种传动，特别是与电机构成伺服机组。,行星 齿轮,机电一体化系统中常用的传动机构,链轮链条,机电一体化系统中常用的传动机构,
9、带、带轮,机电一体化系统中常用的传动机构,缆绳、绳轮,可以实现较大的直线位移、重量轻、噪声小、驱动力大等特点。可能产生打滑，传递运动不精确。应用于大型天车、升降机构等的移动驱动。,太空电梯,天车,机电一体化系统中常用的传动机构,杠杆机构,机电一体化系统中常用的传动机构,连杆机构,配气连杆机构,机电一体化系统中常用的传动机构,连杆机构,中国援助日本 62米泵车,三一重工,机电一体化系统中常用的传动机构,平面四杆机构,机电一体化系统中常用的传动机构,双曲柄机构,机电一体化系统中常用的传动机构,双曲柄机构,机电一体化系统中常用的传动机构,双摇杆机构,机电一体化系统中常用的传动机构,转动副变成移动副,
10、机电一体化系统中常用的传动机构,取不同的构件为机架,机电一体化系统中常用的传动机构,凸轮机构,链条转动的双顶置凸轮轴,凸轮 机构,机电一体化系统中常用的传动机构,摩擦轮,机电一体化系统中常用的传动机构,万向节,万向节联轴器,万向节,机电一体化系统中常用的传动机构,万向节,十字轴式刚性万向节 1、结构：,轴承盖,万向节叉,滚针轴承,安全阀,十字轴,机电一体化系统中常用的传动机构,万向节,变速器与驱动桥之间,变速器与分动器之间,驱动桥的半轴,断开式驱动桥的半轴,转向轴,机电一体化系统中常用的传动机构,软轴,行驶操纵推拉软轴,仪器仪表用软轴,机电一体化系统中常用的传动机构,间歇机构,精密间歇穿动机,
11、间歇 机构1,槽轮 机构,机械传动系统的特性,1、转动惯量,它是系统的机械负载，要产生功耗，影响系统的响应速度、灵敏度、固有频率和阻尼特性。它取决于质量的大小和质量分布。 转动惯量大的影响 (1)机械负载增加，功率消耗大； (2)响应速度变慢，灵敏度降低； (3)固有频率下降，容易产生谐振； (4)电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增大等。,转动 惯量,机械传动系统的特性,1、转动惯量,等效转动惯量 将传动系统各个运动部件的转动惯量折算到特定轴（一般是伺服电机轴）上，然后将这些折算的转动惯量包括特定轴自身的转动惯量求和，获得整个传动系统对特定轴的等效转动惯量。,机械传动系统的特性,1、转动惯量,
12、圆柱体的转动惯量：,齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件都可以用上式计算或估算其转动惯量。,转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降。,积分计算,机械传动系统的特性,1、转动惯量,齿轮折算到电机轴上的转动惯量：,齿轮1：,机械传动系统的特性,1、转动惯量,齿轮折算到电机轴上的转动惯量：,齿轮2：,动能 守恒,机械传动系统的特性,1、转动惯量,齿轮折算到电机轴上的转动惯量：,齿轮3：,机械传动系统的特性,1、转动惯量,齿轮折算到电机轴上的转动惯量：,齿轮4：,机械传动系统的特性,1、转动惯量,丝杠折算到电机轴上的转动惯量：,机械传动系统的特性,1、转动惯量
13、,直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量：, : =,S : 2,机械传动系统的特性,1、转动惯量,直线移动工作台折算到电机轴上的转动惯量：,丝杠折算到电机轴上,工作台折算到丝杠上,机械传动系统的特性,1、转动惯量,齿轮齿条传动时折算到小齿轮轴上的转动惯量：,=R,机械传动系统的特性,1、转动惯量,工作台折算到带传动驱动轴上的转动惯量：,=R,m,R,已知：电机轴的转动惯量为JM，工作台及其刀架的质量m，滚珠丝杠的转动惯量为JS,导程为L, 齿轮1的转动惯量为J1,齿数为Z1;齿轮2的转动惯量为J2 ,齿数为Z2;齿轮3的转动惯量为J3 ,齿数为Z3;齿轮4的转动惯量为J4 ,齿数为Z4;。试求
14、负载折算到电机轴上总等效惯量Je及电机轴上总的转动惯量.,解：根据能量守恒定律,阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的，机械传动系统可视为带有阻尼的质量弹簧系统。 阻尼对机械系统的动态特性的影响 系统的静摩擦阻尼越大，系统的回程误差增大，定位精度降低；系统的黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差就越大，精度就降低； 系统的黏性阻尼摩擦会减慢系统的响应速度；如果机械系统刚度低而质量大，则系统的固有频率低，于是应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和衰减振动。,机械传动系统的特性,2、阻尼,系统产生振动时，黏性阻尼系数c 越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。,过阻尼系统，响应速度慢
15、,临界阻尼系统,欠阻尼系统，响应快，振荡衰减慢,一般取,机械传动系统的特性,2、阻尼,阻尼比：,m系统质量 K系统刚度,机械传动系统的特性,2、阻尼,机械传动系统的特性,2、阻尼,临界阻尼：许多大楼内房间或卫生间的门上在装备自动关门的扭转弹簧的同时，都相应地装有阻尼铰链，使得门的阻尼接近临界阻尼，这样人们关门或门被风吹动时就不会造成太大的声响。 过阻尼：当自动门上安装的阻尼铰链使门的阻尼达到过阻尼时，自动关门需要更长的时间。,机械传动系统的特性,2、阻尼,粘性阻尼系数的折算 计算所有传动部件的粘性阻尼系数折算到电机轴上的总等效粘性阻尼系数c：,机械传动系统的特性,2、阻尼,计算所有传动部件折算
16、到电机轴上的粘性阻尼系数,机械传动系统的特性,3、刚度,刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。,系统 刚度,弹性变形变小,失动量,系统 刚度,固有频率增高,避免 共振,系统 刚度,系统 稳定性,压杆 （a）微小的侧向干扰力 （b）干扰力解除后恢复 （c）大于等于压力的极限值Fcr，不能恢复原有的直线形状或失稳,拉杆 当受拉杆件的应力达到屈服极限或强度极限时，将引起塑性变形或断裂。,拉压刚度的计算 丝杠螺母机构的拉压刚度是由丝杠机构的拉压刚度KL，丝杠螺母副的接触刚度KN，及丝杠轴承的支承KB三部分组成。,式中： KB 丝杠轴承的支撑刚度， KB与丝杠的轴向支承形式有关，一端轴向支承取KB =KB ，两端轴向支承取KB =2KB。 KN丝杠螺
