机电一体化 教学课件2章

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1、1） 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。 响应快、稳定性好。,2.1机械系统的选择与设计要求,第2.2节 机械传动部件的选择与设计,2.1.1 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。,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。 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。

2、,2.1.2 丝杠螺母机构传动形式与特点,（1）丝杠螺母机构的主要构成 丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装置）。 功能：实现旋转运动与直线运动之间相互转换或调整。 作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的传递。 分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。,滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%40%)。 滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%98%）、传动精度高。,（2）丝杠螺母传动的类型与特点,2.1.3 滚珠丝杠传动部件,（1）滚珠丝杠副的组成 由带螺旋槽的丝杆、螺母、滚动元件滚珠/滚柱、回珠装置等

3、组成。 各元件的作用：,（3）滚珠丝杠副的典型结构类型,主要按螺纹滚道截面形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙的调整与预紧方式三种形式进行分类。1）按螺纹滚道截面形状分类： 分单圆弧型和双圆弧型两类。,2）按滚珠的循环方式分类： 内循环方式和外循环方式两类。a）内循环方式,浮动式反向器内循环方式,b）外循环方式,端盖式外循环插管式外循环,3）消除轴向间隙的调整与预紧方式,（3）选择滚珠丝杠副支承方式,为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。,a）单推 单推式结构形式,b）双推 简支式结构形式,c）双推 自由式结构形式,d）双推 双推式结构形式,（4

4、）滚珠丝杠副的制动装置 作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能力）。 常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。,超越离合器 双推式电磁离合器,（5）滚珠丝杠副的润滑与密封,润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。 密封：接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式密封）。 防尘与防护：折叠式防尘套、伸缩式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。,（6）滚珠丝杠副的选择方法,（1）滚珠丝杠副结构形式确定 依据预紧条件和防尘条件决定滚珠丝杠副的结构形式。 单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副 以动力传动为主，允许传动存在一定间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设备上（导

5、向精度由导轨保证）。 单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副 主要用在传递轻载荷、对传递动力的平稳性和丝杆刚度要求比高（预紧力较小）的小型设备上。,双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副,主要用于重载，以传递动力和运动为主，对传递动力和运动的平稳性有较高的要求，传递精度高、丝杠刚度大，防尘效果好的高精度机器设备上。,预紧原理 预紧结构,（2） 滚珠丝杠副尺寸设计选择要点,2.2.4 齿轮传动部件,2、各级传动比最佳分配原则,1）重量最轻原则 小功率传动装置各级传动比（等传动比分配，等模数原则）, 大功率传动装置 各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。（不等传动比分配，

6、不等模数原则）,2）输出转角误差最小原则,式中： 第个齿轮所具有的转角误差； 第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。,3）等效转动惯量最小原则 各传动轴转动惯量等效到电机轴上的等效转动惯量最小。(机械传动部分响应特性最佳原则)。,等效到电机轴上的等效转动惯量为：,2）轴向垫片齿侧间隙调整法,3）双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法,4）斜齿轮传动齿侧间隙调整,1.如图所示的机电传动系统，减速机构为两级减速箱，已知齿轮齿数之比z2/z1=3,z4/z3=5,忽略效率损失，各齿轮的转动惯量为J1=20Nm2,J2=40 Nm2,J3=50 Nm2,J4=225 Nm2,电动机的惯量J0=300 Nm2, 求

7、折算到电机轴上的系统总转动惯量Jm,2.1.5 挠性传动部件,在机电一体化系统中 ，除滚珠丝杠副、齿轮传动副外，同步齿形带传动、纲带传动、链条传动、钢丝绳/尼龙绳传动等。 特点：结构简单、可实现高速传动、传动功率较低、传动效率高、传动平稳、吸振且噪音低、维修使用方便，但安装精度要求高。 应用：主要应用在高速、低载、运转平稳、低噪的环境中。,同步齿形带传动,同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。,同步带传动的优缺点： 工作时无滑动，有准确的传动比 传动效率高，节能效果好 传动比范围大，结构紧凑 维护保养方便，运转费用低 恶劣环境条

8、件下仍能正常工作,同步带传动与类型,第2.2节 导向支承部件的选择与设计,导轨支承部件的作用：支承和限制运动部件按给定运动规律要求和规定运动方向作直线或回转运动。2.2.1 导轨副的组成、种类及应满足要求 组成：主要由定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成。（1）导轨副的种类 按运动方式可分为：直线运动导轨、回转运动导轨。 按接触表面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。,（2）常见导轨副的结构形式,导轨副的结构形式是多种多样的，依据不同的要求可设计或选用不同形式的导轨副。常见导轨副的结构形式如下。,（3）导轨副应满足的基本要求,基本要求：导向精度高

9、、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好，热温变形小以及结构工艺性好等。 在高精度导轨副中，可采用卸荷装置等方法减小导轨面的承载载荷，提高导向精度。1）导向精度要求及影响因素 导向精度（要求）：指动导轨沿给定方向作直线运动时应保证的准确程度，主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。,因此，在设计或选用导轨副时，重点考虑影响导向精度的主要因素有：, 导轨结构类型。 导向精度（直线度）和接触精度（平面度和接触面积）。 导轨运动配合精度（间隙）。 油膜厚度和油膜刚度。 导轨和机架的结构刚度和接触刚度。 导轨和机架的热变形（热敏感性）。 装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。,2）导轨的刚

10、度要求,导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。通常分为：静刚度 抵抗恒定载荷的能力。 动刚度 抵抗交变载荷的能力。 每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部刚度。 在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。,3）精度保持性要求（耐磨性）,精度保持性要求：指导轨副表面的耐磨性（耐磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。 主要包括：初期耐磨性和耐磨精度保持性两部分，以及耐磨精度失效特性。 初期耐磨性摩擦副初期磨损阶段特性。 耐磨精度保持性摩擦副正常磨损阶段特性。 耐磨精度失效特性摩擦副剧烈磨损阶段特性。,4）导

11、轨运动灵活性和低速运动平稳性要求,主要包括：灵活性和低速运动平稳性。 灵活性 指对系统控制指令的反映能力。 低速运动平稳性 指平稳匀速运动时运动部件的波动误差（低速“爬行现象”）。5）温度敏感性和结构工艺性要求 温度敏感性 指导轨在环境温度和导轨运动摩擦发热的影响下，导轨运动灵活性、平稳性、导向精度产生变化的反映程度。 工艺性要求 结构简单、制造容易、装配调整、维修维护、检测方便，生产成本低。 注意：以上这些导轨运动副应达到的要求仅是导轨设计中最基本的要求，在导轨设计中，还应依据导轨应用的实际情况，采取相应的措施，尽可能的满足。,（3）导轨副的设计内容与步骤,1）依据导轨副使用的工作条件，选择

12、合理的结构形式。2）选择导轨副的截面形状，保证导轨的导向精度。 3）依据导轨的载荷和工作温度范围，选择导轨的具体结构及尺寸参数，保证具有足够的刚度、良好的耐磨性、运动灵活性、平稳性。,4）具有合理的误差自动补偿或调整装置，在导轨长期使用后（超过导轨规定的平均无故障工作时间MTBF可靠性指标），通过调整进一步的保持导轨的导向精度。 5）选用合理的耐磨材料、润滑方法以及防护装置，使导轨尽可能的处于良好工作状态，减少导轨副的磨损。 6）制定必要的技术条件（关重件的制造工艺规范、装配调整技术条件、检测验收技术条件、使用维护操作规范、维修维护工艺流程与规范等）。,2.2.2 滑动导轨副的结构及其选择,（

13、1）滑动导轨副的截面形状和特点 常见滑动导轨副的截面形状,1）三角形导轨的特点,分对称型和非对称型三角形导轨。 特点：在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高。为防止因振动或倾翻载荷引起两导向面较长时间脱离接触，应有辅助导向面并具备间隙调整能力。但存在导轨水平与垂直误差的相互影响，为保证高的导向精度（直线度），导轨面加工、检验、维修困难。 对称型导轨 随顶角增大，导轨承载能力增大，但导向精度降低。 非对称导轨 主要用在载荷不对称的时候，通过调整不对称角度，使导轨左右面水平分力相互抵消，提高导轨刚度。,2）矩形导轨的特点,特点：结构简单，制造、检验、维修方便，导轨面宽、承

14、载能力大，刚度高，但无磨损量自动补偿功能。由于导轨在水平和垂直面位置互不影响，因而在水平和垂直两方向均须间隙调整装置，安装调整方便。3）燕尾形导轨的特点 特点：无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置，燕尾起压板作用，镶条可调整水平垂直两方向的间隙，可承受颠覆载荷，结构紧凑，但刚度差，摩擦阻力大、制造、检验、维修不方便。4）圆形导轨的特点 特点：结构简单，制造、检验、配合方便，精度易于保证，但摩擦后很难调整，结构刚度较差。,（2）常见导轨副组合与间隙调整、特点,特点：两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高，但工艺性差，热敏感性较大。主要用于高精机床。,1）双

15、三角形组合导轨组合,2）矩形与矩形导轨组合,特点：承载面与导向面分离，制造调整简单、导向面间隙用调整镶条保证，接触刚度较抵。闭式结构时，有辅助导向面，间隙由调整压板保证。在导轨副同样热变形条件下，L1越大，导向间隙要求越大。,3）三角形导轨与矩形或平面导轨组合,特点：兼有三角形导轨导向精度好、矩形导轨制造方便、刚性好的优点，可避免热变形产生的配合间隙变化；但是，存在两导轨导向平面磨损不均并使导轨产生位置变化；另外，两导轨的摩擦阻力不同，因而布置驱动力时，驱动力应与两摩擦阻力的和力同向为宜。当采用闭式压板结构时，可承受颠覆力矩。,4）燕尾形导轨与矩形导轨组合,特点：整体式燕尾导轨导向精度高，调整方便，承载能力强，制造困难；装配式导轨，制造调整方便，承载能力与整体式燕尾导轨相比较弱；燕尾导轨与矩形导轨相比，兼有调整方便，承载能力较强等。,（3）导轨副材料的选择,导轨副材料选择的基本要求： 导轨副材料应具有高的耐磨性、减振性、热稳定性以及易于生产制造。 导轨副材料选用与组合： 常用铸铁、钢、有色金属、塑料。 通常为软硬材料组合。如：铸铁铸铁、铸铁钢导轨、有色金属钢导轨、塑料钢导轨等。 1）铸铁的特点 2）钢的特点 3）有色金属的特点 4）塑料的特点,