机电一体化技术与系统第二章.

1、第二章第二章 机械传动与支承技术机械传动与支承技术第一节第一节 机械传动系统数学模型的建立机械传动系统数学模型的建立第二节第二节 机械结构因素对伺服系统性能的影响机械结构因素对伺服系统性能的影响第三节第三节 机械传动机械传动第四节第四节 支承部件支承部件第一节第一节 机械传动系统数学模型的建立机械传动系统数学模型的建立一、基本物理量的折算一、基本物理量的折算1转动惯量的折算2粘性阻尼系数的折算3弹性变形系数的折算二、建立系统的数学模型二、建立系统的数学模型把各种物理量都折算到电动机轴上后，就可以建立数学模型了。图2-1 数控机床进给系统图2-2 弹性变形等效作用图第二节第二节 机械结构因素对伺

2、服系统性能的影响机械结构因素对伺服系统性能的影响一、阻尼的影响一、阻尼的影响1) 当阻尼比 时，系统处于等幅持续振荡状态。2) 当 时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。3) 当 时，系统为欠阻尼系统。图2-3 二阶系统单位阶跃响应曲线三、结构弹性变形三、结构弹性变形 当伺服电动机带动机械负载按指令运动时，机械系统所有的元件都会因受力而产生程度不同的弹性变形。 当机械系统的固有频率接近或落入伺服系统带宽之中时，系统将产生谐振而无法工作。四、惯量的影响四、惯量的影响惯量大，系统的机械常数大，响应慢。二、摩擦的影响二、摩擦的影响 摩擦力可分为粘性摩擦力、库仑摩擦力和静摩擦力三种，方向均与运动方向相反。摩

3、擦对伺服系统的影响主要有：1摩擦引起动态滞后和系统误差2摩擦引起的低速爬行五、间隙的影响五、间隙的影响这些间隙对伺服系统性能有很大影响，下面以齿轮间隙为例进行分析。1) 闭环之外数据传递的齿轮 齿隙，对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。2) 闭环之内传递动力的齿轮 齿隙，对系统静态精度无影响，这是因为控制系统有自动校正作用。3) 反馈回路上数据传递齿轮 齿隙既影响稳定性，又影响精度。图 2-7 典型转台伺服系统框图第三节第三节 机械传动机械传动一、机电一体化系统对机械传动的要求一、机电一体化系统对机械传动的要求 机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合

4、理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。二、总传动比的确定二、总传动比的确定 在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。(四) 三种原则的选择三、传动链的级数和各级传动比的分配三、传动链的级数和各级传动比的分配(一) 等效转动惯量最小原则(二) 质量最小原则(三) 输出轴转角误差最小原则1) 对于传动精度要求高的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小的原则设计。2) 对于要求运转干稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小的原则设计。3) 对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按

5、质量最小原则设计。(四) 三种原则的选择四、机械传动装置四、机械传动装置(一) 同步带传动 如图 2-18 所示，带的工作表面制有带齿，它与制有相应齿形的带轮相啮合，用来传递运动和动力。同步带传动具有如下特点：1) 传动比准确，传动效率高；2) 工作平稳，能吸收振动；3) 不需润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；4) 中心距要求严格，安装精度要求高；5) 制造工艺复杂，成本高。图 2-18 同步传动单击看视频2同步带 的分类及应用本节主要介绍梯型齿同步带传动。3同步带的结构、主要参数和尺寸规格(1) 结构和材料 同步齿形带一般由带背，承载绳、带齿组成。如图 2-19 所示。(2) 主

6、要参数和规格 同步带的主要参数是带齿的节距 。如图 2-20 所示。(3) 同步带的标记 带的标记包括长度代号、型号、宽度代号。双面齿同步带还应再加上符合D 或D 。如图 2-21 所示。 图2-19 梯形齿同步带构造1带背2承载绳3包布层4带齿图2-20 同步带主要参数a) D型b) D型图2-21 双面齿类型4同步带轮(1) 带轮的结构、材料带轮材料一般采用铸铁或钢。高速、小功率时可采用塑料或轻合金。带轮结构如图2-22所示。(2) 带轮的参数及尺寸规格1) 齿形2) 齿数3) 带轮的标记5同步带传动的设计计算 同步带传动的主要失效形式有三种：同步带的承载绳疲劳拉断；同步带的打滑和跳齿；同

7、步带齿的磨损。图2-22 同步带轮1齿圈2挡圈3轮毂 设计的任务是确定带的型号、节距、节线长度、带宽、中心距及带轮的齿数、直径等结构参数。(1) 确定带传动的设计功率(2) 选择带的型号和节距(3) 带轮齿数(4) 带轮的节圆直径小带轮节圆直径：大带轮节圆直径：(5) 验算带速 同步带传动速度(6) 同步带节线长度(7) 计算同步带齿数(8) 确定传动的中心距(9) 校验小带轮与带的啮合齿数(10) 确定同步带宽(11) 带的工作能力验算(二) 谐波齿轮传动1. 谐波齿轮传动的工作原理谐波齿轮传动主要由波形发生器H 、柔轮 1 和刚轮 2 组成。图 2-25 所示的波发生器有两个触头，称双波发

8、生器。2谐波齿轮传动的特点1) 传动比大2) 承载能力大3) 传动精度高4) 可以向密封空间传递运动或动力5) 传动平稳6) 传动效率较高7) 结构简单、体积小、质量小。 图 2-25 谐波齿轮传动单击看视频3谐波齿轮的传动比计算4谐波齿轮传动的齿形参数及几何尺寸计算(1) 齿形(2) 齿形角(3) 齿数(4) 谐波高度 表 2-6 单级谐波齿轮传动的传动比1) 柔轮和波发生器制造复杂，需专门设备，成本较高；2) 传动比下限值较高；3) 不能做成交叉轴和相交轴的结构。谐波齿轮传动的缺点：5谐波齿轮传动各构件的结构和材料(1) 柔轮(2) 刚轮(3) 波发生器6谐波齿轮减速器图2-29 杯形柔轮

9、图2-30 带凸缘 环状刚轮图2-31 双滚轮式 波发生器图2-32 柔性轴承凸轮式波发生器1轮 2柔轮 3凸轮 4柔性轴承(三) 滚珠花键传动滚珠花键传动装置由花键轴、花键套、循环装置及滚珠等组成，如图 2-34 所示。 图2-34 滚珠花键传动1保持架2橡皮密封圈3键槽4外筒5油孔6负荷滚珠列7退出滚珠列8花键轴第四节第四节 支承部件支承部件一、机电一体化系统对支承部件的要求一、机电一体化系统对支承部件的要求 常用的支承部件主要有轴承、导轨和机身 (或基座) 等。 机电一体化系统对支承部件的要求是：精度高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和结构工艺性。二、回转运动

10、支承二、回转运动支承(一) 概述 回转运动支承主要指滚动轴承、动、静压轴承、磁轴承等各种轴承。它的作用是支承作回转运动的轴或丝杠。(二) 滚动轴承1标准滚动轴承(1) 空心圆锥滚子轴承 图2-36所示是双列和单列空心圆锥滚子轴承。(2) 陶瓷滚动轴承 陶瓷滚动轴承的结构与一般滚动轴承相同。图 2-36 空心圆锥滚子轴承a)b)2非标准滚动轴承(1) 微型滚动轴承(2) 密珠轴承 它由内、外圈和密集于二者间并具有过盈配合的钢珠组成。a) 径向轴承b) 推力轴承c) 径向轴承保持架d) 推力轴承保持架(三) 静压轴承1液体静压轴承 静压轴承是流体摩擦支承的基本类型之一，它是在轴颈与轴承之间充有一定

11、压力的液体或气体，将转轴浮起并承受负荷的一种轴承。2气体静压轴承图 2-45 为气体静压向心轴承简图。图2-42 静压支承系统的组成图2-45 气体静压向心轴承1轴2轴承3进气孔(四) 磁轴承磁轴承主要由两部分组成：轴承本身及其电器控制系统。三、直线运动支承三、直线运动支承(一) 慨述 直线运动支承主要指直线运动导轨副，它的作用是保证所支承的各部件(如工作台、尾座等)的相对位置和运动精度。 图2-7 磁力轴承1比较元件2调节器3功率放大器4转子5位移传感器6电磁铁(二) 塑料导轨塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成的。常用的塑料导轨材料有以下三种：1塑料导轨软带2. 金属塑料复合导轨板3塑料涂层

12、(三) 滚动导轨1分类1) 按滚动体形状不同，可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨三种，如图 2-51 所示。2) 按滚动体的循环方式，又可分为滚动体不循环式导轨和滚动体循环式导轨两种。 图251 滚动导轨结构形式a) 滚珠导轨b) 滚柱导轨c) 滚针导轨2直线滚动导轨副它由导轨和滑块组成。滑块的数量可根据需要而定。3滚动导轨块滚动导轨块 (又称滚子导轨块) 。滚子在导轨块内作周而复始的循环滚动。4直线运动球轴承及其导轨副直线运动球轴承有三种结构形式，如图 2-55 所示。标准型 (ZX)调整型 (ZX-t)开放型 (ZX-k) 图2-55 直线运动球轴承结构形式a) ZX 型b) ZX-T型c) ZX-K型四、机身四、机身机身包括床身、立柱、底基 (基座)、支架、工作台等支承件。(一) 机身结构设计1. 保证刚度在设计时，可从通过合理布置肋板和加强肋来提高刚度。肋板按布置形式可分为纵向肋板、横向肋板和斜置肋板三种。2减少热变形(1) 减少发热(2) 控制温升(3) 选择热变形小的结构形式3提高抗振性 措施主要有：提高系统的静刚度、增大阻尼以及调整构件的质量和自振频率。(四) 静压导轨静压导轨的工作原理与静压轴承类似。(二) 材料和热处理 机身的材料，应具有较高的强度、刚度、吸振性和耐磨性，并具有良好的铸造或焊接工艺性，还希望成本较