机电一体化系统设计 第一章 机械系统设计

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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计1第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计机电一体化系统设计主要参考书 曾励主编，机电一体化系统设计，高等教育出 版社2第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计教学内容第第0 0章章 总总 论论 第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计 第第2 2章章 检测系统设计检测系统设计 第第3 3章章 控制系统设计控制系统设计 第第4 4章章 伺服系统设计伺服系统设计 第第5 5章章 计算机控制机电系统设计计算机控制机电系统设计3第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计第1章 机械系统设计第一节第一节 概述概述 第二节第二节 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计

2、 第三节第三节 机械系统载荷的类型及确定机械系统载荷的类型及确定 第四节第四节 机械系统的参数设计机械系统的参数设计4第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计传统机械系统组成： 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。第一节第一节 概概 述述一、机械系统的定义52018/8/101. 1.高精度高精度 ：精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、精度直接影响产品的质量，机电一

3、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，因此机电一体化机械工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因此机电一体化机械 系统的高精度是其首要的要求。系统的高精度是其首要的要求。二、机电一体化对机械系统的基本要求二、机电一体化对机械系统的基本要求 2.2.快速响应快速响应 ：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。之间的时间间隔短。3.3.良好的稳定性：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，抗要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗 干扰能力强。干扰能力强。此外，还要求机械系

4、统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、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。体积小、寿命长。 6第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计1. 1.传动机构传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机如，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。构、链传动、带传动等。要求：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。；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 2.2.导向机构导向

5、机构 ：作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全作用是支承和导向，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、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。轨等。3.3.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。、或机械手等等。 要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性

6、和可靠性。7第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计进给系统的机械传动结构1 1、进给系统的功用进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力 。2 2、进给系统机械部分的组成进给系统机械部分的组成传动机构传动机构+ +运动变换机构运动变换机构+ +导向机构导向机构+ +执行件（工作台）执行件（工作台）传动机构传动机构: : 齿轮传动、同步带传动齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导

7、轨、静压导轨）8第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计工作 台 导轨 副9第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计3、主要要求(1) 减小摩擦力采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨. (2) 提高传动精度和刚度消除传动间隙,增加传动系统刚度.(3) 减小运动惯量快速响应.减小运动部件质量.10第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计即：精度高、快速响应性和稳定性好。即：精度高、快速响应性和稳定性好。 第二节 常用传动支承系统设计 传动机构性能要求传动机构性能要求 1) 1)具有良好的伺服性能；具有良好的伺服性能； 2)2)传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。传动部分与伺服电机的动态特

8、性相匹配。11第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计对传动机构要求对传动机构要求1. 1.转动惯量小转动惯量小1) 1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大； 2)2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降； 3)3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。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在不影响机械系统刚度 的前提下，传动机构的的前提下，传动机构的 质量和转动惯量应尽量质量和转动惯量应尽量 减小。减小。12第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计2.2.刚度大刚度

9、大 伺服系统动力损失随之减小；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，使之不机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不 易产生共振；易产生共振； 增加闭环伺服系统的稳定性。增加闭环伺服系统的稳定性。 刚度是使弹性体产生刚度是使弹性体产生 单位变形量所需的作单位变形量所需的作 用力。用力。 3.3.阻尼合适阻尼合适 阻尼越大，其最大振幅阻尼越大，其最大振幅 就越小且衰减也越快；就越小且衰减也越快； 阻尼大使系统的稳态误阻尼大使系统的稳态误 差增大、精度降低。差增大、精度降低。13第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计一、无侧隙齿轮传动机构齿轮传动机构的特点：齿轮传动机构

10、的特点： 1) 1)瞬时传动比为常数；瞬时传动比为常数；2)2)传动精确度高；传动精确度高；3)3)可做到零侧隙无可做到零侧隙无 回差；回差；4)4)强度大能承受重载；强度大能承受重载；5)5)结构紧凑；结构紧凑；6)6)摩擦力小和效摩擦力小和效 率高率高 功用：功用：转矩匹配；转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速惯量匹配；脉冲当量匹配；降速14第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计1. 1.偏心轴套调整法偏心轴套调整法 结构如结构如图图2.12.1所示。转动偏心轴套所示。转动偏心轴套2 2调整调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其

11、造成的换向死区。特点：特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。 ( (一一) )直齿圆柱齿轮传动机构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15第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计图图2.1 2.1 偏心轴套式消隙结构偏心轴套式消隙结构 1. 1.电动机电动机 2. 2. 偏心轴套偏心轴套 16第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计以上以上两种方法的特点两种方

12、法的特点是结构简单，能传递较大扭矩是结构简单，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，传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿， 又称为刚性调整法又称为刚性调整法。 2.2.锥度齿轮调整法锥度齿轮调整法 结构如结构如图图2.22.2所示。所示。改变垫片改变垫片3 3 的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消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。除齿侧间隙。17第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计图图2.22.2 锥度齿轮消隙结构锥度齿轮消隙结构 1 1、2.2.齿轮齿轮 3.3.垫片垫片 18第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计特点：特点：齿

13、侧间隙可自动补偿，但结构复杂齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂 。3.3.双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 结构如结构如图图2.32.3所示。所示。 调节两薄片齿轮调节两薄片齿轮l l、2 2的相对位置，达到错齿以的相对位置，达到错齿以 消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。19第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计图图2.3 2.3 双圆柱薄片齿轮错齿调整双圆柱薄片齿轮错齿调整 1 1、2. 2. 薄片齿轮薄片齿轮 3 3、4 4、9. 9. 凸耳凸耳 5.5.螺钉螺钉 6 6、7. 7. 螺母螺母 8.8.弹簧弹簧 20第第1 1章章 机械系统设计机

14、械系统设计( (二二) )斜齿轮传动机构斜齿轮传动机构 1. 1.垫片调整法垫片调整法 结构如结构如图图2.42.4所示。在两薄片斜齿轮所示。在两薄片斜齿轮1 1、2 2中间中间 加垫片加垫片3 3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿 轮轮1 1、2 2的螺旋线错位。的螺旋线错位。特点：特点：1) 1)结构简单；结构简单；2)2)齿侧间隙不能自动补偿。齿侧间隙不能自动补偿。3)3) 使用时需使用时需 要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。21第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计图图2.

15、42.4 斜齿薄片齿轮垫片调整斜齿薄片齿轮垫片调整 22第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计( (二二) )斜齿轮传动机构斜齿轮传动机构 2 2轴向压簧调整法轴向压簧调整法 结构如结构如图图2.52.5所示。调节弹簧所示。调节弹簧3 3的的 轴向力改变两薄片斜齿轮轴向力改变两薄片斜齿轮1 1、2 2之间的轴向距离达之间的轴向距离达 到错位的目的。到错位的目的。 特点：特点：齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大 ，结构不紧凑。，结构不紧凑。 23第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计图图2.52.5斜齿薄片齿轮轴向压簧调整斜齿薄片齿轮轴向压簧调整 24第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计（三）锥齿轮传动机构（三）锥齿轮传动机构 1. 1.轴向压簧调整法轴向压簧调整法结构如结构如图图2.62.6所示。调节压簧所示。调节压簧5 5轴轴 向力大小，使锥齿轮向力大小，使锥齿轮4 4沿其轴向移动，从而消除啮沿其轴向移动，从而消除啮 合锥齿轮之间的齿侧间隙。合锥齿轮之间的齿侧间隙。 2.2.周向弹簧调整法周向弹簧调整法 结构如结构如图图2.72.7所示。大小片锥齿所示。大小片锥齿 轮轮1 1、2 2在弹簧力作用下错齿，从而消除间隙。在弹簧力作用下错齿，从而消除间隙。 25第第1 1章章 机械系统设计机械系统设计图图2.6 2.