《单元二机电一体化系统机械技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单元二机电一体化系统机械技术（142页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,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,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，故可在较大的作业范围内满足货物的装卸,门座起重机,2.1 概述
2、,机械系统,传动机构,导向机构,执行机构,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。,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。,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
3、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。,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。小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。 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。,9,机械系统设计,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
4、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,2.2 机械传动机构,机械传动机构基本要求: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,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
5、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,圆柱齿轮传动,(2)锥度齿轮调整法。 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,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
6、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,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,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,普通带传动,
7、优点:运行平稳无噪声;过载时将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,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
8、,带传动张紧装置,(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,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、玻璃数控切割机，建筑施工升
9、降机可达30层楼高。,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。,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,螺旋传动的功用：,利用螺杆和螺母实现传递运动和动力。,它既能将回转运动转变
10、为直线运动，又能将直线运动转变为回转运动。,丝杠螺母机构的分类,1）按功能分,a) 传递力/能量为主（传力螺旋）,千斤顶,压力机,2.2.4 螺旋传动,特点： 低速、间歇工作，传递轴向力大、能自锁。,b) 传递运动为主（传动螺旋）,机床工作台的进给丝杠,特点： 速度高、连续工作、精度高。,2.2.4 螺旋传动,c) 调整位置（调整螺旋）,特点：受力较小且不经常转动 。,虎钳,微调螺旋,2.2.4 螺旋传动,2）按摩擦方式分,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%),丝杠螺母机构的分类,
11、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,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,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,（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
12、）回转，螺母（另一个）作直线运动,2.2.4 螺旋传动,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，形成一种差动关系。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,1）螺母固定，丝杠转动并移动：,特点：结构简单，传动精度较高，螺母支撑杆可消除附加轴向窜动，刚性较差。,2）丝杠转动，螺母移动：,特点：结构紧凑，丝杆刚性
13、高。要限制螺母转动，故需导向装置。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,3）螺母转动，丝杠移动：,特点：结构复杂，占用空间大，传动时需限制螺母移动和丝杠转动。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,4）丝杠固定，螺母转动并移动：,特点：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，应用较少。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,2.2.4 螺旋传动,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
14、 螺旋传动,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,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,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,滑动丝杠螺母传动存在如下问题：接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力传动效率低磨损快精度不高使用寿命短,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。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,在螺杆和螺母制建
15、设有封闭循环的滚道，在滚道间填充钢珠，使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高传动效率，这种传动称为螺旋传动，又称为滚珠丝杠副。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,（1） 滚珠丝杠螺母的工作原理,滚珠丝杠副的结构原理图,滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚动体和滚动体循环装置组成。工作时，螺母4与需作直线往复运动的零部件相连，丝杠1旋转带动螺母4作直线往复运动，从而带动零部件作直线往复运动。在丝杠1、螺母4和端盖2（滚珠循环装置）上都制有螺旋槽，由这些槽对合起来形成滚珠循环通道，滚珠3在此通道内循环滚动。为了防止滚珠3从螺母中掉出，螺母螺旋槽的两端应封住。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,（1） 滚珠丝杠螺母的工作原理,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,（2） 滚珠丝杠螺母的特点,滚珠丝杠副的特点如下。传动效率高。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好运动平稳，无爬行现象，传动精度高运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。磨损小，使用寿命长制造工艺复杂。滚珠丝 杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。,
