机电一体化设计基础PPT课件

1、第二章 机械系统设计2、传动机构设计2.1 2.1 传动机构性能要求：转动惯量小：转动惯量大则机械负载大，响应速度低，灵敏度下降，系统固有频率减小。在满足刚度条件下，减小转动惯量。n刚度大：刚度大则系统动力损失减小，固有频率高，闭环稳定性增强。n阻尼合适：阻尼大，则振动衰减大，但稳态误差增大，精度降低。n摩擦小、抗振性好、间隙小、动态特性匹配。第1页/共32页2.2 2.2 无侧隙齿轮传动机构 机械系统要求自动变向功能，齿轮机构必须消除齿侧间隙，保证双向传动精度。 直齿圆柱齿轮的侧隙消除 （1）偏心轴套调整法 优点：方法简单； 缺点：无法自动补偿。 （2）双片薄齿轮错齿调整法 优点：能够自动补

2、偿； 缺点：结构复杂。第二章 机械系统设计第2页/共32页 斜齿轮的侧隙消除 采用轴向调整错齿的方法： （1）垫片调整法：薄齿轮在垫片的挤压作用下沿着宽齿轮的斜面错位。 （2）轴向压簧调整法：轴向尺寸大，结构复杂，但能够自动补偿。 圆锥齿轮的侧隙消除 （1）轴向压簧调整法：结构简单，可自动补偿。 （2）周向压簧调整法：和圆柱齿轮的双片薄齿轮错齿调整法的原理一样。第二章 机械系统设计第3页/共32页第二章 机械系统设计 齿轮齿条传动机构的侧隙消除 （1）双片薄齿轮错齿调整法：同圆柱齿轮，用于负载小的场合。 （2）双齿调整法：采用两个方向的齿轮分别传动，施加于负载使其分别贴紧啮合。2.3 滚珠丝杠

3、副传动机构 工作原理 （1）组成：滚珠、螺母、回程引导装置、丝杠； 传统的丝杠副滑动传动，利用滚珠将丝杠和螺母隔开，成为一种滚动传动装置。 第4页/共32页第二章 机械系统设计 特点 优点： （1）传动效率高：90%95%，损耗为滑动的1/3； （2）运动具有可逆性：回转和直线运动交互； （3）系统刚度好：预压后，无爬行，运动平稳； （4）传动精度高：制造精度高，温升和热形变小； （5）使用寿命长：摩擦小，比滑动高56倍； 不足： （6）不能自锁：需加自锁装置； （7）制造工艺复杂，成本高。第5页/共32页第二章 机械系统设计 间隙调整和施加预紧力的方法 （1）滚珠丝杠副的轴向间隙：承载时变形

4、引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和；单螺母式的轴向间隙通常为0.05mm （2）采用双螺母预紧的方法来调整间隙； 注意两点： * 预紧力要合适，过小有间隙，过大效率降低，通常不超过轴向最大负载的1/3； * 丝杠安装部分与驱动部分的间隙无法通过此来消除。另行处理。 第6页/共32页（3）双螺母消除轴向间隙法 * 垫片调隙式：螺钉连接两个螺母的凸缘，在其间加调整垫片。简单、方便，但不能随意调整。 * 螺纹调隙式：一个螺母有凸缘，一个有螺纹，双螺母防松。易调整，但不是很精确。 * 齿差调隙式：螺母凸缘上制有外齿轮，齿数差为1，内齿轮固定在套筒上，通过两端与同一个内齿圈啮合产生预紧力。结构复杂，但

5、调整精度高。第二章 机械系统设计第7页/共32页第二章 机械系统设计 精度等级和标注方法 （1）六个等级：C、D、E、F、G、H。 * 每级内在细分15项，表示检查的项目，未指定的项目误差不得超过下一级的规定值。 * 数控机床、精密机床和精密仪器，选C、D、E级。 （2）产品标注方法，各厂略有不同。 安装及辅助装置 （1）支撑方式： * F-O式：用于短丝杠或竖直安装的丝杠； * F-S式：用于长丝杠，热膨胀自动伸缩。 * F-F式：用于重载。需要预拉伸，补偿热膨胀。（2）制动装置第8页/共32页第二章 机械系统设计 滚珠丝杠副的设计计算 （1）已知条件：工作载荷或平均工作载荷、使用寿命、丝杠

6、的工作长度、丝杠的转速、滚道硬度和运转状况。（2）设计步骤 * 根据工作载荷得出计算载荷；对于低速（n10r/min），只按额定静载荷计算即可，否则进行以下步骤； * 由计算载荷得出额定动载荷； * 根据额定动载荷选择滚珠丝杠的规格，要求所选规格的丝杠副的额定动载荷大于计算额定动载荷； * 验算传动效率、刚度及工作平稳性是否符合要求，如不符合，则应另选大的规格并重新验算。第9页/共32页第二章 机械系统设计2.4 锥环无键联轴器 （1）工作原理 利用锥环对之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙连接传递转矩，可任意调节两联接件之间的角度位置；通过锥环的对数可以增加传递的扭矩。 （2）优点：定心好、承载

7、力大、使用维护方便。2.5 其它传动机构 （1）软轴传动机构：钢丝软绳，由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝绳构成的。适合高速、小转矩、不同轴的传递。 （2）同步齿形带传动机构：利用齿形带的齿轮与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点。第10页/共32页第二章 机械系统设计3、导向机构设计3.1 导轨的分类和特点 导轨分为两部分，固定不动的称为支承导轨，相对运动的部分称为动导轨。 分类：滑动导轨和滚动导轨。 滑动导轨：普通导轨、液体静压导轨。 （1）结构简单、刚度好、抗振性高 （2）导轨材料选择、适当的热处理和加工方法。 * 优质铸铁，合金耐磨铸铁或镶淬火钢 * 导轨表

8、面滚轧强化，表面淬硬、涂铬、涂钼 * 采用工程塑料。第11页/共32页第二章 机械系统设计 滚动导轨：两个导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体实现两导轨之间的相对运动。 （1）优点：摩损小、寿命长、定位精度高、平稳可靠； 不足：结构复杂、抗振性差、防护要求高、成本高。 （2）适用：移动均匀，动作灵敏及定位精度高的场合，在机电一体化产品中广为应用。3.2 滚动直线导轨 滚动直线导轨的特点 承载能力大（滚道圆弧、接触面积大），刚性强（施加预载荷、抗冲击和振动）、寿命长（纯滚动、能耗低），传动平稳（定位精度高、移动灵活）、具有结构自调整能力。第12页/共32页第二章 机械系统设计 滚动导轨的分类：

9、 （1）按滚动体形状分为钢珠式和滚柱式； 滚柱式线接触，承载力大，摩擦力大、装配复杂，常用为滚珠式，滚动轴承就是一类滚动导轨。 （2）按导轨截面分为矩形和梯形两种。 矩形导轨承载时四方向等载荷；梯形导轨的误差调节能力强。 （3）按滚到沟槽形式分为单圆弧和双圆弧两种。 单圆弧是两点接触，综合性能好；双圆弧是四点接触，静刚度大。 设计时通常选用滚柱式、单圆弧接触式、矩形的滚动导轨类型。第13页/共32页第二章 机械系统设计 滚动直线导轨的其他形式 （1）圆柱滚动直线导套副 导轨轴（支撑导轨）是圆柱，直线运动球轴承在圆柱轴承座内循环。常用于轻载移动、输送系统。 （2）滚柱花键副 支撑导轨是花键，滚珠

10、在与花键配合的保持架内运动。可以承受周向载荷，而且能够自动定心。常用于高速运动机构的导轨，以及传递扭矩的传动机构。第14页/共32页第二章 机械系统设计 塑料导轨滑动导轨 （1）塑料导轨软带成分：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等烧结，制成软带状。利用塑料软带将动导轨和支撑导轨分离。性能： 摩擦系数低且稳定，比铸铁导轨低一个数量级； 动静摩擦系数相近，低速平稳性好； 吸收振动；耐磨性好 ；维护性好；经济性好。 第15页/共32页第二章 机械系统设计 （2）金属塑料复合导轨板结构为三层：内层钢背保证机械强度和承载能力；中间层为烧结的球形青铜粉或铜丝网形成多孔隙状态，提高导热性及容纳塑

11、料介质；外层采用真空浸渍方法加入的塑料。工作原理是运动时青铜摩擦发热，塑料膨胀挤出，填补在接合面处，形成自润滑。性能： 摩擦特性优良，耐磨损，便于修理。第16页/共32页第二章 机械系统设计4 执行机构的设计4.1 微动机构 实现微量精确调节作用。手动机械式螺杆和螺母配合；S=p*/360，最小微动量S与螺距和人手灵敏度有关。结构简单，灵敏度一般。热变形式电热元件作动力源：电热元件通电后热变形实现微小位移；第17页/共32页第二章 机械系统设计L=Lt，线膨胀区为工作区；利用变压器、变阻器实现调节加热速度；利用冷却装置冷却。特点：高刚度和无间隙；适用于较短行程和频率不高的场合。磁致伸缩式材料在

12、磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应；L=L；特点：重复精度好，无间隙；刚度好，转动惯量低，工作稳定性好；结构简单，紧凑；伸缩量有限，适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿。第18页/共32页第二章 机械系统设计4.2 装夹装置动力卡盘可以转动，一次装夹完成全部加工工序。一个油缸进行夹紧运动，两个油缸进行转动操作。卡爪和卡爪根据工件形状定；枢轴形状由工件转动角度定。工业机器人末端执行器 分为机械夹持器、特种末端执行器、万能手夹持应该具有形状和力约束，松开则完全松开；两个过程都应该具有姿态约束；机械夹持器：圆弧、圆弧平行和直线平行开合型。特种末端执行器：真空吸附手、喷枪、空气袋膨胀手、电磁吸附手等。第19页/共32页思考题51页 2-12-6， 2-8， 2-102-13第二章 机械系统设计第20页/共32页偏心轴套调整法第2