单元二机电一体化系统机械技术.

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1、1 机电一体化技术机电一体化技术 Mechatronics 单元二 机电一体化机械技术 2.1 概述 2.2 机械传动结构 2.3 机械导向结构 2.4 机械的支承结构 2.5 机械执行结构 学习目标 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 4 门座起重机主要由金属结构 、工作机构(起升、运行、变 幅及回转机构)、动力装置和 控制系统组成，门座起重机 可实现环形圆柱体空间货物 的升降、移动，并可调整整 机的工作位置，故可在较大 的作业

2、范围内满足货物的装 卸 门座起重机 2.1 概述 传动 机构 导向 机构 执行 机构 传递转矩 与转速 支撑和限制运动 部件，使之按给 定的运动要求和 运动方向运动 完成操作 任务 6 机构：由若干运动副组成的具有确定运动的装置。常用的 机械机构有连杆机构、凸轮机构、间歇机构。 相关知识 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。 机械系统设计要求 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。 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件

3、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。 l 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。 l 小

4、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。 l 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。 机械系统设计要求 9 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。 机械传动 设计 机械结构 设计 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 服系统的伺服机械传 动系统设计。 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。 2.2 机械传动机构 u机械传动机

5、构基本要求: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。 2.2 机械传动机构 2.2.1 齿轮传动 提高传动精度的结构措施有以下几种。 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。 采用消隙机构，以减少或消除空程 u圆柱齿轮传动 1.偏心轴套调整法。 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。 1-电动机;2-偏心轴套 u圆柱齿轮传动 (2)锥

6、度齿轮调整法。 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，则将使啮 合条件恶化。 1、2-齿轮;3-热片 u圆柱齿轮传动 (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

7、 错齿后就消除了齿侧隙，反向 时不会出现死区。 1、2-齿轮;3、8-凸耳;4-弹簧;5、6-螺母;7-螺钉 u斜齿轮传动 左图是垫片错齿调整法，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。 垫片错齿调整法 u斜齿轮传动 右图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。 轴向压簧错齿调整法 2.2 机械传动机构 2.2.2 带传动 u普通带传动 优点:运行平稳无噪声;过载时将

8、引 起带在带轮上打滑，因而可防止其他零 件损坏;制造和安装精度不像啮合传 动那样严格;可增加带长以适应中心 距较大的工作条件(可达15m)。 缺点:带与带轮的弹性滑动使传动比 不准确，效率较低，寿命较短;传递 同样大的圆周力时，外廓尺寸和轴上的 压力都比啮合传动大;不宜用于高温 、易燃等场合。 2.2.2 带传动 l带传动张紧装置 (1)定期张紧装置:调节中心距使带重新张紧。 (a)移动式 (b)摆动式 1-滑轨;a-螺母;3-调节螺钊 (2)自动张紧装置:常用于中小功率的传动。下图所示是将装 有带轮的电动机安装在摆架上，而利用电动机和摆架的重量 ，自动保持张紧力。 2.2.2 带传动 l带传

9、动张紧装置 (3)使用张紧轮的张紧装置:当中心距不能调节时，可使用张 紧轮把带张紧，如图所示。张紧轮一般应安装在松边内侧， 使带只受单向弯曲，以减少寿命的损失;同时张紧轮还应尽 量靠近大带轮，以减少对包角的影响。张紧轮的使用会降低 带轮的传动能力，在设计时应适当考虑。 2.2.2 带传动 l带传动张紧装置 2.2.2 带传动 同步带传动是一种啮合型带传动，兼有带传 动和齿轮传动的特点。同步带传动工作时无 相对滑动，能保证准确的传动比。传动功率 较大(数百千瓦)、传动效率高(达0.98)，传 动比较大(i2m/s，缺点：若加工安装精度差， 传动噪音大，磨损大。 典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割

10、机， 建筑施工升降机可达30层楼高。 u特点： 2.2.3 齿轮齿条传动机构 1.双片薄齿轮错齿调整法：适用于小传动负载。 2.双齿轮调整法：适用于大传动负载。如图所示，小齿轮1, 6分别与齿条7啮合， 与小齿轮1, 6同轴的大齿轮2, 5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加 负载，使大齿轮2, 5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮1, 6转动，其齿便 分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 u消除齿隙方法： 1、6-小齿轮;2、5-大齿轮; 3-齿轮;4-预载装置;7-齿条 2.2.4 螺旋传动 2.2.4 螺旋传动 （b）压力机 螺旋传动的功用： 利用螺杆和螺母实

11、现传递运动和动力。 FN T FN T 它既能将回转运动转变为直线运动，又能将直线运动转变为 回转运动。 （a）千斤顶 （c）进给机构 F u 丝杠螺母机构的分类 1）按功能分 a) 传递传递 力/能量为为主（传传力螺旋） 千斤顶顶 压压力机 2.2.4 螺旋传动 特点： 低速、间间歇 工作，传递传递 轴轴向力大、 能自锁锁。 b) 传递传递 运动为动为 主（传动传动 螺旋） 机床工作台的进给丝进给丝 杠 特点： 速度高、连续连续 工作、精度高。 2.2.4 螺旋传动 c) 调调整位置（调调整螺旋） 特点：受力较较小且不经经常转动转动 。 虎钳钳 微调调螺旋 2.2.4 螺旋传动 2）按摩擦方

12、式分 滑动丝杠螺母机构： 优点： a) 结构简单 b) 加工方便 c) 成本低 d)具有自锁功能 缺点： a) 摩擦阻力较大 b)传动效率低(30%40%) u 丝杠螺母机构的分类 2.2.4 螺旋传动 （a）滑动螺旋 滚动丝杠螺母机构： 优点： a) 传动效率高（92%98%） b) 摩擦阻力小 c) 传动精度高 缺点： a) 结构复杂 b)成本高 c)无自锁功能 2）按摩擦方式分 u 丝杠螺母机构的分类 2.2.4 螺旋传动 （b）滚动螺旋 2.2.4 螺旋传动 u滑动螺旋传动的形式与应用 三大类： 1.其中一个固定不动，另一个即 作回转运动，又作直线移动。 2.（两个件都动）；其中一个作

13、 回转运动，另一个作直线移动。 3.差动螺旋传动。 （1）、螺母固定不动，螺杆既回转又作 直线移动 例如：台虎钳例如：台虎钳 （2）、 螺杆固定不动、螺母既回转又 作直线运动 螺纹千斤顶 （3）、 螺杆（一个）回转，螺母（ 另一个）作直线运动 2.2.4 螺旋传动 u滑动螺旋传动的形式与应用 1、2-螺母;3-螺杆 差动螺旋传动；由两个螺旋副组成的使 活动螺母与螺杆产生差动的螺旋传动。 说明：组合螺杆由两段螺距或旋向不同的螺杆组合为一体， 分别与活动螺母和固定螺母配合，组成两组螺旋副。当螺杆 回转时，螺杆相对于固定螺母、活动螺母相对于螺杆均有直 线运动，最终体现为活动螺母的运动，形成一种差动关

14、系。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 1）螺母固定，丝丝杠转动转动 并移动动： 特点：结结构简单简单 ，传动传动 精度较较高，螺母支撑杆可消除附加轴轴 向窜动窜动 ，刚刚性较较差。 2）丝丝杠转动转动 ，螺母移动动： 特点：结结构紧紧凑，丝丝杆刚刚性高。要限制螺母 转动转动 ，故需导导向装置。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 3）螺母转动转动 ，丝丝杠移动动： 特点：结结构复杂杂，占用空间间大，传动时传动时 需限 制螺母移动动和丝丝杠转动转动 。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 4）丝丝杠固定，螺母转动转

15、动 并移动动： 特点：结结构简单简单 ，紧紧凑，丝丝杆刚刚性较较高，但 使用不方便，应应用较较少。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 2.2.4 螺旋传动 u螺旋副零件与滑板连接结构的确定。 1.刚性连接结构。 2.弹性连接结构。 1-转动手轮;2-丝杠;3-活动螺母;4-弹簧; 5-支承钢珠;6-端盖;7-片簧;8-工作台 2.2.4 螺旋传动 u螺旋副零件与滑板连接结构的确定。 3.活动连接结构。 1-滑板;2-螺杆;3-中间杆 u影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施。 螺纹参数误差 螺杆轴向窜动误差 偏斜误差 温度误差 2.2.4 螺旋传动 u消除螺旋传动空回的方法。 利用单向作用力 利用调整螺母 利用塑料螺母 径向调整法 轴向调整法 开槽螺母结构 卡簧式螺母结构 对开螺母结构 紧定螺钉螺母结构 滑动丝杠螺母传动存在如下问题： l 接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力 l 传动效率低 l 磨损快 l 精度不高 l 使用寿命短 已不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、 高精度等方面的要求。 2.2.4 螺旋传动 滚珠丝杠螺母传动则是为了适应机电一体 化机械系统的要求而发展起来的一种新型传动 机构。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 在螺杆和螺母制建设有封闭循