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1、第二章 机械传动与支承技术,第一节 机械传动系统数学模型的建立,第二节 机械结构因素对伺服系统性能的影响,第三节 机械传动,第四节 支承部件,第一节 机械传动系统数学模型的建立,一、基本物理量的折算,1转动惯量的折算,2粘性阻尼系数的折算,3弹性变形系数的折算,二、建立系统的数学模型,把各种物理量都折算到电动机轴上后，就可以建立数学模型了。,图2-1 数控机床进给系统,图2-2 弹性变形等效作用图,第二节 机械结构因素对伺服系统性能的影响,一、阻尼的影响,1) 当阻尼比 时，系统处于等幅持续振荡状态。,2) 当 时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。,3) 当 时，系统为欠阻尼系统。,图2-3 二阶
2、系统单位阶跃响应曲线,三、结构弹性变形,当伺服电动机带动机械负载按指令运动时，机械系统所有的元件都会因受力而产生程度不同的弹性变形。,当机械系统的固有频率接近或落入伺服系统带宽之中时，系统将产生谐振而无法工作。,四、惯量的影响,惯量大，系统的机械常数大，响应慢。,二、摩擦的影响,摩擦力可分为粘性摩擦力、库仑摩擦力和静摩擦力三种，方向均与运动方向相反。,摩擦对伺服系统的影响主要有：,1摩擦引起动态滞后和系统误差,2摩擦引起的低速爬行,五、间隙的影响,这些间隙对伺服系统性能有很大影响，下面以齿轮间隙为例进行分析。,1) 闭环之外数据传递的齿轮 齿隙，对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。,2) 闭环
3、之内传递动力的齿轮 齿隙，对系统静态精度无影响，这是因为控制系统有自动校正作用。,3) 反馈回路上数据传递齿轮 齿隙既影响稳定性，又影响精度。,图 2-7 典型转台伺服系统框图,第三节 机械传动,一、机电一体化系统对机械传动的要求,机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。,二、总传动比的确定,在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。,(四) 三种原则的选择,三、传动链的级数和各级传动比的分配,(一) 等效转动惯量最小原则,(二) 质量
4、最小原则,(三) 输出轴转角误差最小原则,1) 对于传动精度要求高的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小的原则设计。,2) 对于要求运转干稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小的原则设计。,3) 对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则设计。,(四) 三种原则的选择,四、机械传动装置,(一) 同步带传动,如图 2-18 所示，带的工作表面制有带齿，它与制有相应齿形的带轮相啮合，用来传递运动和动力。,同步带传动具有如下特点：,1) 传动比准确，传动效率高；,2) 工作平稳，能吸收振动；,3) 不需润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便
5、；,4) 中心距要求严格，安装精度要求高；,5) 制造工艺复杂，成本高。,图 2-18 同步传动,单击看视频,2同步带 的分类及应用,本节主要介绍梯型齿同步带传动。,3同步带的结构、主要参数和尺寸规格,(1) 结构和材料 同步齿形带一般由带背，承载绳、带齿组成。如图 2-19 所示。,(2) 主要参数和规格 同步带的主要参数是带齿的节距 。如图 2-20 所示。,(3) 同步带的标记 带的标记包括长度代号、型号、宽度代号。双面齿同步带还应再加上符合D 或D 。如图 2-21 所示。,图2-19 梯形齿同步带构造,1带背,2承载绳,3包布层,4带齿,图2-20 同步带主要参数,a) D型,b)
6、D型,图2-21 双面齿类型,4同步带轮,(1) 带轮的结构、材料,带轮材料一般采用铸铁或钢。高速、小功率时可采用塑料或轻合金。,带轮结构如图2-22所示。,(2) 带轮的参数及尺寸规格,1) 齿形,2) 齿数,3) 带轮的标记,5同步带传动的设计计算,同步带传动的主要失效形式有三种：同步带的承载绳疲劳拉断；同步带的打滑和跳齿；同步带齿的磨损。,图2-22 同步带轮,1齿圈,2挡圈,3轮毂,设计的任务是确定带的型号、节距、节线长度、带宽、中心距及带轮的齿数、直径等结构参数。,(1) 确定带传动的设计功率,(2) 选择带的型号和节距,(3) 带轮齿数,(4) 带轮的节圆直径,小带轮节圆直径：,大
7、带轮节圆直径：,(5) 验算带速 同步带传动速度,(6) 同步带节线长度,(7) 计算同步带齿数,(8) 确定传动的中心距,(9) 校验小带轮与带的啮合齿数,(10) 确定同步带宽,(11) 带的工作能力验算,(二) 谐波齿轮传动,1. 谐波齿轮传动的工作原理,谐波齿轮传动主要由波形发生器H 、柔轮 1 和刚轮 2 组成。,图 2-25 所示的波发生器有两个触头，称双波发生器。,2谐波齿轮传动的特点,1) 传动比大,2) 承载能力大,3) 传动精度高,4) 可以向密封空间传递运动或动力,5) 传动平稳,6) 传动效率较高,7) 结构简单、体积小、质量小。,图 2-25 谐波齿轮传动,单击看视频
8、,3谐波齿轮的传动比计算,4谐波齿轮传动的齿形参数及几何尺寸计算,(1) 齿形,(2) 齿形角,(3) 齿数,(4) 谐波高度,表 2-6 单级谐波齿轮传动的传动比,1) 柔轮和波发生器制造复杂，需专门设备，成本较高；,2) 传动比下限值较高；,3) 不能做成交叉轴和相交轴的结构。,谐波齿轮传动的缺点：,5谐波齿轮传动各构件的结构和材料,(1) 柔轮,(2) 刚轮,(3) 波发生器,6谐波齿轮减速器,图2-29 杯形柔轮,图2-30 带凸缘 环状刚轮,图2-31 双滚轮式 波发生器,图2-32 柔性轴承凸轮式波发生器,1轮 2柔轮 3凸轮 4柔性轴承,(三) 滚珠花键传动,滚珠花键传动装置由花
9、键轴、花键套、循环装置及滚珠等组成，如图 2-34 所示。,图2-34 滚珠花键传动,1保持架,2橡皮密封圈,3键槽,4外筒,5油孔,6负荷滚珠列,7退出滚珠列,8花键轴,第四节 支承部件,一、机电一体化系统对支承部件的要求,常用的支承部件主要有轴承、导轨和机身 (或基座) 等。,机电一体化系统对支承部件的要求是：精度高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和结构工艺性。,二、回转运动支承,(一) 概述,回转运动支承主要指滚动轴承、动、静压轴承、磁轴承等各种轴承。它的作用是支承作回转运动的轴或丝杠。,(二) 滚动轴承,1标准滚动轴承,(1) 空心圆锥滚子轴承 图2-36所
10、示是双列和单列空心圆锥滚子轴承。,(2) 陶瓷滚动轴承 陶瓷滚动轴承的结构与一般滚动轴承相同。,图 2-36 空心圆锥滚子轴承,a),b),2非标准滚动轴承,(1) 微型滚动轴承,(2) 密珠轴承 它由内、外圈和密集于二者间并具有过盈配合的钢珠组成。,a) 径向轴承,b) 推力轴承,c) 径向轴承保持架,d) 推力轴承保持架,(三) 静压轴承,1液体静压轴承,静压轴承是流体摩擦支承的基本类型之一，它是在轴颈与轴承之间充有一定压力的液体或气体，将转轴浮起并承受负荷的一种轴承。,2气体静压轴承,图 2-45 为气体静压向心轴承简图。,图2-42 静压支承系统的组成,图2-45 气体静压向心轴承,1
11、轴,2轴承,3进气孔,(四) 磁轴承,磁轴承主要由两部分组成：轴承本身及其电器控制系统。,三、直线运动支承,(一) 慨述,直线运动支承主要指直线运动导轨副，它的作用是保证所支承的各部件(如工作台、尾座等)的相对位置和运动精度。,图2-7 磁力轴承,1比较元件,2调节器,3功率放大器,4转子,5位移传感器,6电磁铁,(二) 塑料导轨,塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成的。,常用的塑料导轨材料有以下三种：,1塑料导轨软带,2. 金属塑料复合导轨板,3塑料涂层,(三) 滚动导轨,1分类,1) 按滚动体形状不同，可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨三种，如图 2-51 所示。,2) 按滚动体的循环方式，
12、又可分为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式导轨两种。,图251 滚动导轨结构形式,a) 滚珠导轨,b) 滚柱导轨,c) 滚针导轨,2直线滚动导轨副,它由导轨和滑块组成。滑块的数量可根据需要而定。,3滚动导轨块,滚动导轨块 (又称滚子导轨块) 。滚子在导轨块内作周而复始的循环滚动。,4直线运动球轴承及其导轨副,直线运动球轴承有三种结构形式，如图 2-55 所示。,标准型 (ZX),调整型 (ZX-t),开放型 (ZX-k),图2-55 直线运动球轴承结构形式,a) ZX 型,b) ZX-T型,c) ZX-K型,四、机身,机身包括床身、立柱、底基 (基座)、支架、工作台等支承件。,(一) 机身结构设
13、计,1. 保证刚度,在设计时，可从通过合理布置肋板和加强肋来提高刚度。,肋板按布置形式可分为纵向肋板、横向肋板和斜置肋板三种。,2减少热变形,(1) 减少发热,(2) 控制温升,(3) 选择热变形小的结构形式,3提高抗振性,措施主要有：提高系统的静刚度、增大阻尼以及调整构件的质量和自振频率。,(四) 静压导轨,静压导轨的工作原理与静压轴承类似。,(二) 材料和热处理,机身的材料，应具有较高的强度、刚度、吸振性和耐磨性，并具有良好的铸造或焊接工艺性，还希望成本较低。,1铸铁,2低碳钢板,3. 花岗石,4良好的结构工艺性,5结构造型,支承件结构设计时，应同时考虑机械加工工艺性和装配工艺性。,外观造型新颖、比例协调、色彩和谐美观大方的产品将给人以美的享受。,铸铁熔点低、铸造性能好，易成型为各种复杂形状。,由低碳钢板焊接接成的构件，其弹性模量比铸铁件大，在承受同样的载荷时，壁厚可以比铸件薄，因而质量小。,近年来，国内外采用花岗石制造基座、支承件以及各种梁日益广泛。,第二章 完,
