《机械系统设计》

1、机械系统设计 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。一、机电一体化对机械传动的要求一、机电一体化对机械传动的要求 1、高精度、

2、高精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电体化机械系统的体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电电体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。2、快速响应、快速响应机电一体化系统的快速响应即是要求机械系统从接到指令到开始执行指令机电一体化系统的

3、快速响应即是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。这样系统才能精确地完成预定的任务要求，指定的任务之间的时间间隔短。这样系统才能精确地完成预定的任务要求，且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。其准确地完成任务。3、良好的稳定性、良好的稳定性机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强。够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的影

4、响和抗干扰能力强。v传动机构：机电一体化系统中传动结构传动机构：机电一体化系统中传动结构的主要功能是传递转矩和转速。因此，的主要功能是传递转矩和转速。因此，它实际上是一种转矩、转速变化器。它实际上是一种转矩、转速变化器。v导向机构：其作用是支撑和限制运动部导向机构：其作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。运动。v执行机构：用来完成操作任务。能根据执行机构：用来完成操作任务。能根据操作指令的要求在动力源的带动下，完操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。成预定的操作。v惯性：惯性：(惯量惯量)v在满足系统刚度的条件下，机械部分的质

5、量在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量越小越好。转动惯量大会使机械和转动惯量越小越好。转动惯量大会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，伺服特性变差；固有频率下降，容易产生谐伺服特性变差；固有频率下降，容易产生谐振。同时转动惯量的增大会使电气驱动部件振。同时转动惯量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。的谐振频率降低，而阻尼增大。v刚度刚度 刚度为弹性体产生单位变形量所需的作刚度为弹性体产生单位变形量所需的作用力。机械系统的刚度包括构件产生各用力。机械系统的刚度包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触种基本变形时的

6、刚度和两接触面的接触刚度两类。静态力和变形之比为静刚度；刚度两类。静态力和变形之比为静刚度；动态力和变形之比为动刚度。动态力和变形之比为动刚度。v摩擦摩擦 两物体接触面间的摩擦力在应用上可以简化为两物体接触面间的摩擦力在应用上可以简化为粘性摩擦力、库伦摩擦力与静摩擦力三类，粘性摩擦力、库伦摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向（或运动趋势方向）相反。方向均与运动方向（或运动趋势方向）相反。粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比；库伦摩擦力是接触面对运动物体的阻正比；库伦摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；静摩擦力是有相对运动力，大小为一常数；

7、静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力，趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力，其最大值发生在相对开始运动前的一瞬间，其最大值发生在相对开始运动前的一瞬间，运动开始后静摩擦力即消失。运动开始后静摩擦力即消失。v谐振频率谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若包括机械传动部件在内的弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量、弹簧系统。阻尼不计，可简化为质量、弹簧系统。由此可确定系统的固有频率。当外界的由此可确定系统的固有频率。当外界的激振频率接近或等于系统的固有频率时，激振频率接近或等于系统的固有频率时，系统将产生谐振而不能正常工作。机械系统将产生谐振而不能正常工作。机械传动部件

8、实际上是个多自由度系统，有传动部件实际上是个多自由度系统，有一个基本固有频率和若干高阶固有频率，一个基本固有频率和若干高阶固有频率，分别称为机械传动部件的一阶谐振频率分别称为机械传动部件的一阶谐振频率和和n阶谐振频率。阶谐振频率。v间隙间隙 间隙将使机械传动系统中间产生回程误间隙将使机械传动系统中间产生回程误差，影响伺服系统中位置环的稳定性。差，影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益有间隙时，应减小位置环增益 间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙、间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、连轴器的扭转间隙等。在

9、机电一间隙、连轴器的扭转间隙等。在机电一体化系统中，为了保证系统良好的动态体化系统中，为了保证系统良好的动态性能，要尽可能避免间隙的出现。当间性能，要尽可能避免间隙的出现。当间隙出现时，要采取消隙措施。隙出现时，要采取消隙措施。提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施有：提高传动精度的结构措施有：(1)适当提高零部件本身的精度；适当提高零部件本身的精度；(2)合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动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的影响3)采用消隙机构以减少或消除空程。采用消隙机构以减少或消除空程。合理设计传动链方法合理设计传动链方法

10、(1)合理选择传动型式合理选择传动型式(2)合理确定级数和分配各级传动比合理确定级数和分配各级传动比(3)合理布置传动链合理布置传动链第二节第二节 机械传动装置机械传动装置 1 齿轮传动2 蜗轮蜗杆传动 3行星齿轮传动4 谐波齿轮传动5同步带传动6滚珠丝杠(2) 偏心轴套调整法 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的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。 图 7 - 2 6 偏 心 轴 套 式 消 除 间 隙 结 构 1 - 电 动 机 2 - 偏 心 轴 套21(3) 锥度齿轮调整法 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

11、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。 图 7 - 2 7 带 锥 度 齿 轮 的 消 除 间 隙 结 构 1 、 2- 齿 轮 3- 垫 片2132. 斜齿轮传动 图7-29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。 图 7-29 斜 齿 薄 片 齿 轮 垫 片 错 齿 调 整 法薄 片 斜 齿 轮 2宽

12、齿 轮薄 片 斜 齿 轮 1垫 片t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。图 7-30 斜 齿 薄 片 齿 轮 轴 向 压 簧 错 齿 调 整 法调 压 螺 母宽 齿 轮薄 片 斜 齿 轮 2薄 片 斜 齿 轮 1轴 向 压 簧u蜗杆传动是由蜗杆传动是由蜗杆蜗杆和和蜗轮蜗轮组成的，用于传递空间交错两轴之间的运动组成的，用于传递空间交错两轴之间的运动和动力。交错角一般为和动力。交错角一般为90。传动中一般。传动中一般蜗杆是主动件蜗杆是主动件，蜗轮是从动，蜗轮是从动件。件。蜗轮及蜗杆机构的特点 1 1）可以得到很大的传动比：两轮啮合齿面）可以得到很大的传动比：

13、两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构斜齿轮机构 2 2）蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传）蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小动，故传动平稳、噪音很小 3）具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在其重机械中而不能由蜗轮带动蜗杆。如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁

14、性可起安全保护作用安全保护作用 整理课件4 4）传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮）传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高因而成本较高 5 5）蜗杆轴向力较大）蜗杆轴向力较大 整理课件应用 蜗轮及蜗杆机构

15、常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇工作的场合。整理课件一个或一个以上齿轮的轴线绕另一齿轮的固一个或一个以上齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线回转的齿轮传动定轴线回转的齿轮传动 整理课件四、谐波齿轮传动四、谐波齿轮传动 依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。起齿间的相对位移来传递动力和运动的。整理课件整理课件v谐波齿轮传动的优点谐波齿轮传动的优点传动比大传动比大承载能力大承载能力大传动精度高传动精度高回程误差小、噪声低回程误差小、噪声低传动平稳传动平稳传动效率高传动效率高结构简单，体积小，质量轻结构简单，体积小

16、，质量轻整理课件波发生器波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近

17、的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器发生器H相反方向的缓慢旋转。相反方向的缓慢旋转。 整理课件五、同步带传动 同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动

18、同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图所示，它利用同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图所示，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机械上作用在轴和轴承等上的载荷小，

19、传动效率高，在数控机械上亦有应用。亦有应用。 整理课件v同步带传动的特点同步带传动的特点能方便地实现较远中心距的传动，传动比能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高准确，传动效率高工作平稳，能吸收振动工作平稳，能吸收振动不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，维护保养方便维护保养方便强度高，厚度小，质量轻强度高，厚度小，质量轻中心距要求严格，安装精度要求高中心距要求严格，安装精度要求高制造工艺复杂，成本高制造工艺复杂，成本高整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构，具滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构，具

20、有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件传动元件滚珠。主要用来将旋转滚珠。主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动换为旋转运动整理课件整理课件整理课件六、滚珠丝杠副传动机构六、滚珠丝杠副传动机构 滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构，滚珠丝杠是一种新型螺旋传动机构，具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件间传动元件滚珠。主要用来将旋滚珠。主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动变换为旋转运动整理课件v滚珠丝杠副的结构类型可从螺纹滚道的界

21、滚珠丝杠副的结构类型可从螺纹滚道的界面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别的调整方法进行区别单圆弧型和双圆弧型单圆弧型和双圆弧型整理课件n内循环和外循环内循环和外循环 内循环方式的滚珠在循环过程内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触内中始终与丝杠表面保持接触内循环方式的优点是滚珠循环的循环方式的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高螺回路短，流畅性好，效率高螺母的尺寸也较小。缺点是反向母的尺寸也较小。缺点是反向器加工困难，装配调整也不方器加工困难，装配调整也不方便便整理课件整理课件 外循环外循环 滚珠在循环返滚珠在循环返回时，离

22、开丝回时，离开丝杠螺纹滚道，杠螺纹滚道，在螺母或体外在螺母或体外作循环运动作循环运动整理课件螺旋槽式的特点是工艺简单、径向尺寸螺旋槽式的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造，但是挡珠器刚性差，易小、易于制造，但是挡珠器刚性差，易磨损磨损整理课件 内循环和外循环插管式结构简单，容易制造，内循环和外循环插管式结构简单，容易制造，但是径向尺寸较大，弯管端部比较容易磨损但是径向尺寸较大，弯管端部比较容易磨损整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件滚珠丝杠螺母副机构 （1）滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中

23、间传动件，以减少摩擦，如图7-13所示。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。 图7-13 滚珠丝杠螺母内滚道外滚道滚珠丝杠副的特点1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/41/3。2）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。

24、3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4）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。5）磨损小，使用寿命长。6）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。 7）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。 整理课件 在机电一体化机械系统中，导向支撑部件在机电一体化机械系统中，导向支撑部件的作用是支撑和限制运动部件能按给定的的作用是支撑和限制运动部件能按给定的运动要求和运动方向运动，这样的部件通运动要求和运动方向运动，这样的

25、部件通常称为导轨副，简称导轨。常称为导轨副，简称导轨。第三节 导向机构整理课件一、导轨的组成、分类及特点 导轨主要由两部分组成：在工作时一部分固导轨主要由两部分组成：在工作时一部分固定不动，称为支承导轨；另一部分相对支承定不动，称为支承导轨；另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。导轨作直线或回转运动，称为动导轨。 整理课件整理课件二、导轨的基本要求二、导轨的基本要求 机电一体化系统对导轨的基本要求是机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。工艺性好。

26、对精度要求高的直线运动导轨，还要对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；求导轨的承载面与导向面严格分开；运动件较重时，必须设有卸荷装置；运动件较重时，必须设有卸荷装置；运动件的支承必须符合三点定位原理运动件的支承必须符合三点定位原理整理课件v导向精度导向精度 导轨按给定方向作直线运动的准确程导轨按给定方向作直线运动的准确程度度直线度直线度两导轨面间的平行度两导轨面间的平行度整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件v塑料导轨塑料导轨 塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成。这种导塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成

27、。这种导轨定位精度较高，摩擦因数较小，刚度较高，无轨定位精度较高，摩擦因数较小，刚度较高，无爬行现象，吸振较好，寿命长，化学稳定性高，爬行现象，吸振较好，寿命长，化学稳定性高，工艺性好，维护方便；但由于其耐热性差，在使工艺性好，维护方便；但由于其耐热性差，在使用中必须注意散热。用中必须注意散热。整理课件u塑料导轨软带塑料导轨软带 可与铸铁或钢组成滑动摩擦副，也可以与滚动导轨可与铸铁或钢组成滑动摩擦副，也可以与滚动导轨组成滚动摩擦副组成滚动摩擦副整理课件v滚动导轨滚动导轨 滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之间加入滚动体，变滑动摩擦为滚动摩擦的一间加入滚动

28、体，变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支撑。种直线运动支撑。滚动导轨的优点滚动导轨的优点 摩擦因数小，运动灵活；动静摩擦系数基摩擦因数小，运动灵活；动静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行现象；可以预紧，刚度高；寿命长；精度现象；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，一次装填，长期使用。高；润滑方便，一次装填，长期使用。整理课件整理课件整理课件u滚动导轨按滚动导轨按 滚动体形状的不同，可以分为滚珠导滚动体形状的不同，可以分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨。轨、滚柱导轨和滚针导轨。整理课件 滚珠为点接触，摩擦小、灵敏度高，但滚珠为点接触，摩擦小、

29、灵敏度高，但承载能力小、刚度低，适用于载荷不大，承载能力小、刚度低，适用于载荷不大，行程较小，而运动灵敏度要求较高的场行程较小，而运动灵敏度要求较高的场合。合。整理课件 滚柱导轨为线接触，承载能力和刚度都滚柱导轨为线接触，承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的场合，比滚珠导轨大，适用于载荷较大的场合，但制造安装精度要求高。滚柱对导轨的但制造安装精度要求高。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。精度降低。整理课件 滚针导轨的尺寸小，结构紧凑、排列密集。滚针导轨的尺寸小，

30、结构紧凑、排列密集。承载能力大，但摩擦相应增加，精度较低，承载能力大，但摩擦相应增加，精度较低，适用于载荷大。导轨尺寸受限制的场合。适用于载荷大。导轨尺寸受限制的场合。（结构尺寸较小的滚柱导轨）滚柱导轨支承（结构尺寸较小的滚柱导轨）滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。护容易等优点。 整理课件u按滚动体的循环方式，滚动导轨又可分按滚动体的循环方式，滚动导轨又可分为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式导轨两种。导轨两种。 滚动体不循环式导轨的滚动体可以是滚珠、滚滚动体不循环式导轨的滚动体可以是滚珠、滚柱

31、或滚针。它们的共同特点是滚动体不循环，柱或滚针。它们的共同特点是滚动体不循环，因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。整理课件滚珠丝杠副的标注方法 循环方式 预紧方式 公称直径 基本导程 负荷滚珠总圈数 精度等级 螺纹旋向 浮动式 F 双螺母齿差预紧 C内循环 双螺母垫片预紧 D 固定式 G 预紧方式 双螺母螺纹预紧 L 单螺母变导程自预紧B 插管式 C外循环 螺旋槽式 L螺旋旋向为左、右旋，只标左旋

32、代号为LH，右旋不标。例例 CTC63101600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数圈，级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm。传感检测系统设计第一节 传感器一、传感器分类被测对象传感器信号调理传输信号处理显示记录控制系统二、机电一体化对检测系统的基本要求：精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。三、传感器特性：静态特性：1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2、灵敏

33、度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。四、传感器选用原则 快速、准确、可靠、经济的获取信号1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高3）精度适当、稳定性高4）反应速度快、工作可靠5）实用性和适应性强6）使用经济第二节 位移测量传感器一、电容传感器1. 变极距型电容传感器 ： 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 。注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。 2. 变面积型电容传感器

34、 ：原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。 3变介质型电容传感器 原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压

35、器）。1、自感型（一）可变磁阻式 1线圈 2铁心 3衔铁 由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量。注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。20022AWRWLm（二）涡流式（二）涡流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关。

36、影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。应用：可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。2、互感型：、互感型：差动变压器式差动变压器式 原理：将被测位移转换成线圈互感变化。注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。 2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。

37、解决办法：后接电路。应用：位移测量仪。光栅 光栅是一种新型的位移检测元件，它的持点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜 一 个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图3-18所示。 主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。感应同步器 在两个相对放置的板上刻有如图所示的绕组，当在滑尺的两在两个相对放置的板

38、上刻有如图所示的绕组，当在滑尺的两个绕组中分别加上激励电压时，则在定尺绕组中就产生感应电个绕组中分别加上激励电压时，则在定尺绕组中就产生感应电势，其幅值决定于绕组的相对位置。势，其幅值决定于绕组的相对位置。光电编码器 将机械转动的模拟量转换成旋转角度的数字电信号，进行角位移检测的传感器称为编码器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可以分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。由于光电编码器具有非接触和体积小的特点，且分辨率很高，在旋转一周内已能产生数百万个脉冲，因此，它是目前应用最为广泛的一种编码器。光电编码器在数控机床、机器人的位置控制、机床进给系统的控制以及角度的测量、通讯及自动化控制等方

39、面部发挥着重要的作用。第三节 速度、加速度传感器一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是台微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷相换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。 直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机轴上，有的电机本身就已安装了测速机。UsR P 1R0R0RbUfn-+U+R1IdR P 2G

40、UcUd-+UaML图47 带 有 转 速 负 反 馈 的 单 闭 环 直 流 调 速 系 统 原 理 图二、光电式转速传感器 光电式转速传感器是由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图3-25所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。 当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测出转速为 n=60N/ZtZ一一圆盘 上的缝隙数；n转速(rmin)；t测量时间(s)。第四节 位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样，

41、它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某物体的一种传感器。一、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。二、接近式位置传感器 接近式位置传感器按其上作原理主要分：电磁式；光电式；静电容式；气压式；超声波式。其基本工作原理可用图338表示出来。 接近传感器在工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用。在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、金库

42、等重要场合也都装有各式各样的接近传感器。在一般工业生产自动控制中大都采用涡流式或电容式接近传感器。在环境比较好的场合，可采用光电式接近传感器。而在防盗系统中，大都使用红外热释电接近传感器、超声波接近传感器和微波接近传感器。有时为了提高识别的可靠性，几种接近传感器可以复合使用。图325是生产线工件计数装置的示意图。接近传感器设置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工件经过接近传感器，当工件靠近接近传感器时，传感器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行计数。第五节 传感器信号处理测量放大器在许多检测技术应用场合传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这

43、种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。程控增益放大器 经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。当模拟信号送到模数变换器时为减少转换误差一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用AD变换器进行模数转换时，在AD输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会

44、引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换。图为利用AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻RG的办法来实现增益控制。隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。传感器接口技术控制电动机及其选择计算第一节 执行元件分类液压系统气压系统气压系统的基本组成直线气缸摆

45、动气缸气马达气爪继电器定时器电子元件计数器顺序控制器气动控制元件气源气源处理装置 压力控制阀 方向控制阀 流量控制阀 驱动装置 操作装置指示装置 检测装置控制(运算) 回路按扭开关选择开关按扭阀指示器计数器蜂鸣器限位开关限位阀接近开关传感器压力开关真空开关速度控制阀缓冲阀快速排气阀电磁阀气控阀人工换向阀机控换向阀减压阀增压阀安全阀空气压缩机过滤器油雾器油雾分离器驱动部分驱动部分控制部分控制部分检测部分检测部分气压系统与液压系统的比较 ( 1)空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。 (2)空气粘性很小，在管路中的沿程压

46、力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。 (3)工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 (4)对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。 (5)维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点：(1)气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置并且信号产生较大失真和延迟，也不便于构成十分复杂的回路。但这个缺点对生产过程不会造成困难。 (2)空气的压缩性远大干液压油的收缩

47、性，精度较低。 (3)气压传动的效率比液压传动还要低，且噪声较大。 (4)工作压力较低，不易获得大的推力。气压传动出力不如液压传动大；执行元件特点应用：液压系统用于需大的功率重型设备 气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线 电动应用最广泛伺服电机控制方式伺服电机比较第二节 步进电动机一、一、步进电动机的结构和工作原理步进电动机的结构和工作原理它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心组。定子铁心由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心6

48、个均匀分布的齿个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图图6-1所示的步进电动机可构成所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机三相控制绕组，故称三相步进电动机。1-绕组绕组 2-定子铁心定子铁心 3-转子铁心转子铁心图图6-1 反应式步进电动机结构原理图反应式步进电动机结构原理图 步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的

49、齿对齐，转子沿逆时针方向转过，如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地逆时针转动。若通电顺序改为ACBA，步进电动机的转子将顺时针转动30。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15。 步进电机特点（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频

50、率越高，转子的转速越高；（4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： = 360/mzk 式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。对于图6-1所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为=360/341=30若按三相六拍通电方式工作，则步距角为=360/342=15步距角：000000 ,10/200/30 等。例：某步进电机有80个齿, 采用3相6拍方式驱动, 经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动, 丝杠的导程为6mm。求:1、步进电机的步矩角。2、当脉冲当量要求为0.01mm时,试设计此传动系统 i=Z2/Z

51、1=L/360=L/360i1、k=6/3=2。 2、I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1可选Z1=20，Z2=40，模数的齿轮传动副例 将改造一台C620车床，其纵向丝杠的螺距t=12mm，采用110BF003型步进电动机，步距，系统规定的纵向步进当量，计算步进电动机与纵向丝杠之间的联接传动比。解：根据式（7-1） 可选 ，模数m=1.5的齿轮传动副。当i为小数时，则可采用挂轮。 例：三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。(1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多少?步

52、进电机分类v反应式步进电机：定子转子均有铁心组成，转子无绕组，步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现。v 特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小。v应用：数控设备，机器人。v永磁式步进电机：转子用永磁铁，靠与定子产生电磁力v特点：控制功率小，效率高，造价低，但步距角大。v应用：记录仪，空调机。v混合式步进电机：转子有齿，带固定极性。v特点：步距角小，工作频率高，控制功率小。但结构复杂，成本高。步进电机步进电机驱动电源脉冲分配脉冲分配软件脉冲分配 软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。步序导电相工作状态数值（16进制

53、）程序的数据表正转 反转 C B A TAB A0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H四、步进电动机的功率放大 1单电压功率放大电路单电压功率放大电路 此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。2高低电压功率放大电路电源U1为高电压，电源大约为80150V，U2为低电压电源，大约为520V。在绕

54、组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。 该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管

55、VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出电平的高低，来决定Vin-信号能否通过与门A2。若Vref-Vf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，Vref-Vf时Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。 3斩波恒流功放电路斩波恒流功放电路 步进电机驱动电源总结作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行。1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮流作用于各相励磁线圈上。2、步进电机正反转

56、是靠给各相励磁线圈通电顺序变化来实现的。3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立，而在断电时电流能快速消失。五、步进电机的选择1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择 （1）根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效负载转动惯量。（2）计算各种工况下所需的等效力

57、矩。（3）根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性。 TL/TMax0.5 JL/Jm43、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）第三节 直流伺服电动机 直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。 直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(10

58、0w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。一、 特点1、稳定性好2、可控性好3、响应迅速4、控制功率低，损耗小5、转矩大励磁绕组补偿绕组(c)(f)rFcFaUai电枢绕组(a)ffUiFs 直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。 直流伺服电机控制二、 驱动与控制 一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要

59、求频带宽、效率高、能量能回授等。目前常用晶体管驱动和晶闸管直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PwM)。 一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。一、晶闸管直流调速驱动UsR P 1R0R0RbUfn-+U+R1IdR P 2GUcUd-+UaML图47 带 有 转 速 负 反 馈 的 单 闭 环 直 流 调 速 系 统 原 理 图二、脉宽调制放大器(PwM) PWM放大器的优点是功率管工作在开关状态，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶体管的开关

60、作用，将直流电源电压转换成一定频率(例如2000HZ)的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速，如图418所示。锯齿波发生器的输出电压vA和直流控制信号vIN进行比较。同时，在比较器的输入端还加入一个调零电压v0，当控制电压vIN为零时，调节vo使比较器的输出电压为正、负脉冲宽度相等的方波信号，如图419(a)所示。当控制信号vIN为正或负时，比较器输入端处的锯齿波相应地上移或下移，比较器的输出脉冲也随着相应改变，实现了脉宽调制，如图419(b)、(c)所示。第四节 交流伺服电动机 与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电动机的特点