机电机械系统设计a培训课件

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1、1,2 机械传动部件,机电工程系机械工程教研室,2.1 机电一体化对机械传动的要求 2.2 同步带传动 2.3 齿轮传动 2.4 谐波齿轮传动 2.5 滚珠螺旋传动,2,机电一体化系统的构成基础 机械构件及其传动部件 控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承件以及传感元件等 部分均与机械部分相关，而最主要的是机械传动部件，导向支承件部件。,机电工程系机械工程教研室,2.1 机电一体化对机械传动的要求,3,机电工程系机械工程教研室,机电一体化机械系统的特殊要求,机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求： （1）较高的定位精度。 （2）良好的动态响应特性

2、。 响应快、稳定性好。 （3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 （4）高的谐振频率、合理的阻尼比。 这表明了机械系统部件选择与设计时的特点和要求。,4,在机电一体化机械系统设计中的主要措施和手段,要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施： （1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。 （2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。,机电工程系机械工程教研室,5,（3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等

3、效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。 （4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向四区误差。 （5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。,机电工程系机械工程教研室,6,机械传动部件及其主要功能 常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，其它非线性传动元件。 主要功能：传递力/转矩和速度/转速力/转矩、速度/转速变换器。,机电工程系机械工程教研室,7,机械传动部件的作用和要求,主要作用或目的使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。 基本要求传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。 可按传动

4、部件的用途工作机或信息机的主要功用而确定目标指标和参量。 机电一体化机械传动部件的发展方向 精密化，高速化，小型化，轻量化。,机电工程系机械工程教研室,8,2.2 同步带传动,机电工程系机械工程教研室,综合了带传动、链传动、齿轮传动特点的一种新型传动，如下图示。,9,发动机正时齿带,10,一、同步带传动的特点与分类,机电工程系机械工程教研室,1）传动比准确 2）传动效率高，效率可达98%。与V带相比，可节能10%以上。 3）传动平稳，能吸收振动，噪声小。 4）使用范围广，传动比可达10，且带轮直径比V带小得多，也不需要 大的张紧力，结构紧凑。高速还达50m/s，传递功率达300kW。 5）维护

5、保养方便 6）安装要求高。要求二带轮轴线平行。同步带在与二带轮轴线垂直的平面内运行。带轮中心距要求较严格。安装不当易生干涉、爬齿、跳齿等现象。 7）带与带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影响大。,（一）特点,11,（二) 分类,机电工程系机械工程教研室,1按用途分 （1）一般工业用同步带传动 齿形呈梯形。主要用于各种中、小功率机械。 （2）高转矩同步带传动 齿形呈圆弧形。主要用于重型机械传动 （3）特种规格同步带传动 满足某种机械（如汽车发动机）的特殊需要。 （4）特殊用途同步带传动 适应特殊工作条件，如耐油、耐温、高电阻、低噪声、特殊尺寸等。,12,2按齿形分,机电工程系机械工程教研室,（1）

6、梯形齿 为ISO及我国目前的同步带标准齿形，型号及尺寸参数均已标准化。 （2）圆弧齿 目前有各国企业标准。,3按尺寸规格制分,（1）模数制 基本参数是模数m，根据模数确定带的各种型号和结构参数。60所代以来，应用范围逐渐减小。 (2) 节距制 基本参数是英制带齿节距。根据节距确定相应的型号和结构参数。目前为ISO及我国国家标准。 （3）DIN米制节距制 基本参数是公制带齿节距。为德国国家标准,13,机电工程系机械工程教研室,T型齿工业同步带,圆弧齿工业同步带,14,本节主要介绍梯形齿节距制同步带传动的我国国家标准,机电工程系机械工程教研室,二、同步带结构和尺寸规格,15,机电工程系机械工程教研

7、室,国标规定了梯形齿同步带的尺寸规格。同步带型号见下表：,16,机电工程系机械工程教研室,同步带可根据带齿的分布情况分为： 单面齿、 对称双面齿（DA型） 和交错双面齿（DB型）,17,18,机电工程系机械工程教研室,同步带各部分尺寸：长度（以节线长度为公称带长，为节线上齿数与节距的乘积 ）、宽度。 同步带的标号： 标号包括长度代号、型号和宽度代号。 双面齿带还在标号最前面表示型式代号。,19,机电工程系机械工程教研室,20,三、同步带轮尺寸规格,机电工程系机械工程教研室,带轮型号与带相同，按节距分为7种型号 GB11361-89同步带传动带轮的基础上，增加了XXL型而制定的。,21,机电工程

8、系机械工程教研室,22,带轮齿形：直线齿形、渐开线齿形 带轮齿数：不宜过少。许用最小齿数见规定 带轮宽度： 带轮直径: 带轮的结构 带轮的标号 同步带轮的标号由带轮齿数、带的型号和轮宽代号表示。,机电工程系机械工程教研室,23,机电工程系机械工程教研室,24,四、同步带传动的设计计算,机电工程系机械工程教研室,（一）失效形式和设计准则 同步带传动主要失效形式有： （1）承载绳断裂 原因是：带型号过小和小带轮直径过小等。 （2）爬齿和跳齿 原因是：同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。 （3）带齿的磨损 原因是：带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。 （4）其他失

9、效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带侧棱边磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。,25,机电工程系机械工程教研室,（二）同步带传动的设计计算,设计同步带传动的已知条件为：需要传递的名义功率；主、从动轮的转速或传动比i；传动部件的用途、工作条件和安装位置。设计步骤如下：,设计准则,根据齿形带的强度准则进行，限制齿形带单位宽度的拉力，防止强力层的疲劳破坏、断裂以及节距改变而爬齿等。,26,1确定带的设计功率Pd 同步带实际传递的设计功率随载荷性质、运转时间、速度增减速和张紧轮的配置而变化。令K1为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系

10、数；K2为考虑增速的修正系数；K2为考虑增速的修正系数；K3为考虑张紧轮配置的修正系数；则设计功率Pd为：,机电工程系机械工程教研室,27,2选择带型和节距Pb,机电工程系机械工程教研室,图2-11为同步带选型图。水平坐标为带的设计功率Pd（kW），垂直坐标为小带轮转速n1 （r/min）.若所得交点落在两种节距的分界线上，则尽可能选较小节距。,28,机电工程系机械工程教研室,29,3带轮齿数z和节圆直径d 取规定的小带轮最少齿数z1 大带轮齿数 小带轮节圆直径 大带轮节圆直径d2=d1i（mm） 验算带速，不合适则重取。同步带传动速度为：,机电工程系机械工程教研室,带速限制如下：MXLL型，

11、vmax=4050m/s；H型，vmax=3540m/s；XH、XXH型，vmax=2530m/s。,30,4同步带的节线长度、齿数及传动中心距C 节线长度按下图的几何关系可计算如下：,机电工程系机械工程教研室,式中的C为传动中心距，初选可按下列范围选取： 0.7（d1+d2）C2（d1+d2）； 角按下式计算：,按上式计算所得节线长度圆整为标准节线长度。,31,机电工程系机械工程教研室,同步带齿数：,5校验带与小带轮的啮合齿数：,6确定实际所需同步带宽度bs （1）计算所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率P0 P0按下式计算：,32,（2）计算啮合系数KZ 当Zm6，KZ=1；当Z

12、m6，KZ=1-0.2(6-Zm) （3）计算啮合系数K K是考虑到实际带宽小于基准带宽时，使同步带传递的功率下降而加的修正系数。可按下式计算：,机电工程系机械工程教研室,（ 4）确定实际所需同步带宽度 带的设计功率应不大于带的额定功率： PdKzKP0 将以上各式代入上式，可得实际带宽,所得bs 圆整为标准带宽。如超过原选带宽，则需重新设计,33,7带的工作能力验算 将以上各值代入同步带额定功率的精确计算公式。若计算得PPd，即为合格。,机电工程系机械工程教研室,34,作业,一台额定功率为2.5KW、转速为1430r/min的异步电动机，驱动转速为340r/min的液压搅拌机。该搅拌机三班制

13、工作， 2.5KW满载运转，中心距要求为500mm,带轮直径不受限制，试设计此液压搅拌机的同步带传动。,35,2.3 齿轮传动,机电工程系机械工程教研室,一、齿轮传动系统的总传动比及其分配,设计机电一体化齿轮传动系统，要研究它的动力学特性，从而获得高精度、高稳定性、高速性、高可靠性和低噪声的齿轮传动系统。,（一）总传动比的确定,齿轮传动机构总传动比应满足伺服电机与负载之间的 位移及转矩、转速的匹配要求。由于负载特性和工作条件不同，齿轮传动机构的最佳总传动比有不同的原则。 两个原则：按负载加速度最大原则确定总传动比 按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比,36,机电工程系机械工程教研室,（1）按负

14、载加速度最大原则确定传动比,用于伺服系统的齿轮系是一种力矩变换器，其输入是电机的高速低转矩，输出为低速高转矩，并借此驱动负载。因此，不但要求齿轮系在传动转矩时有足够的强度；还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一 加速度时转矩要小。即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。,37,计算模型,机电工程系机械工程教研室,转子惯量为Jm、输出转矩为Tm的直流伺服电机，通过总传动比为i，折算到电机轴上的等效惯量为Jeg的齿轮系，带动惯量为JL、工作负载转矩为Tc、摩擦负载转矩为Tf的负载。,38,机电工程系机械工程教研室,式中 分别为电机的转角、角速度、角加速度； 分别为负载的转角、角速度、角加速度。,设齿

15、轮系的传动效率为，传动比i1，即,39,负载加速度最大的总传动比,机电工程系机械工程教研室,简化之，令=1，,令Tc和Tf 换算到电机轴上分别为Tc/i 和Tf /i，JL换算到电机轴上Jl/i2,令,40,机电工程系机械工程教研室,上式表明：齿轮系传动比的最佳值就是将负载转动惯量 换算到电机轴上的惯量恰好等于电机转子惯量 ，这就能达到惯性负载和力矩源的最佳匹配。,用于加速惯性负载的力矩，就是电机力矩与摩擦力矩之差。,41,机电工程系机械工程教研室,考虑工程实际中的各种意外因素，总传动比i的选取可以偏大。偏大的总传动比对系统的不同性能有不同的影响。,42,对于系统的稳定性而言，i值偏大使系统的

16、相对阻尼系数增大，振荡得到抑制，稳定性提高，但1时影响系统的快速响应。对系统的响应特性而言，i小于最佳值，使加速度下降；i大于最佳值，则使加速度收敛为一定值。因此，i偏大使响应特性提高，但影响负载的快速性。 对于系统的低速稳定性而言，由于电枢反应、电刷摩擦和低速不稳定性，可能产生爬行。i值偏大可避免爬行，但传动级数增多，传动精度、效率、刚度与系统固有频率降低。由上可见，总传动比的选择要综合考虑。,机电工程系机械工程教研室,43,机电工程系机械工程教研室,（2）按给定的脉冲当量或伺服电机确定总传动比,对于开环控制系统，当系统的脉冲当量及步进电机的步距角已确定时，可计算出相应的传动比：,伺服传动系统,44,机电工程系机械工程教研室,齿轮的总传动比：,-步距角,-丝杠导程,-脉冲当量,45,机电工程系机械工程教研室,对闭环系统，则按照伺服驱动电