机电一体化第四章上

1、机电一体化原理及应用机电一体化原理及应用第第4章章 机械传递与驱动系统的设计机械传递与驱动系统的设计4.1机械传动系统设计概述 4.10直流伺服电机及其控制4.2齿轮传动部件设计与选择 4.11交流伺服电机及其控制4.3丝杠螺母传动系统设计与选择 4.12直线电动机4.4挠性传动系统设计与选择 4.13压电驱动器4.5步进运动机构4.6自动上料机构4.7电机驱动与控制概述4.8电动机的选择4.9步进电机驱动与控制 4.1机械传动系统设计概述 为满足机械的运动及工作要求，仅采用某一种机构往往是不够的，而需要把多种机构组合起来，构成一个机械传动系统。 一部机械是由原动机、机械传动系统和执行机构组成

2、的。传动系统的功能是把原动机输出的功率和转距传递到执行构件上去克服生产阻力而做功，实现预期的运动要求和传递动力是机械传动系统的两个基本任务。工件自动装卸机系统工件自动装卸机系统足部按摩器足部按摩器 机械传动系统的设计是机电一体化设备设计中的极其重要的一环，也是比较繁难的工作，要求设计人员对传动机构的性能、运动、工作特点和使用场合有深入的了解和丰富的实际知识和设计经验。一般的设计步骤为： 1）根据设备与其完成的生产任务选定机械的工作原理和传动方案，完成同一工作可采用不同的工作原理，也可有不同的传动方案，采用最佳设计方案，从而确定执行构件的数目、运动形式及运动协调配合。 2）额定各执行构件的运动参

3、数，选择原动机，确定其类型、运动参数、功率。 3）合理选择机构类型，拟定机构组合方案，绘制机械系统图。 4）根据执行构件和原动机的运动参数及执行构件的协调配合，确定各构件的运动参数、几何参数，绘制机构运动简图。 5）根据原动件的额定转矩和机械的生产阻力进行机械中力的计算。 4.1.1机械传动系统的方案拟定 1机械的原始运动参数 （1）执行构件的运动参数。执行构件常见的运动形式有回转运动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。 回转运动又分为三种，连续回转运动（车床、钻床等），运动参数为每分钟转数；间歇回转运动（转位机构、放映机的抓片机构等），运动参数为每分钟转位次数、转角的大小和运动系数等；往复

4、摆动（颚式破碎机），运动参数为每分钟摆动次数。 直线运动也分三种，往复直线运动（牛头刨床、插床），运动参数为每分钟行程数、行程大小、行程速比系数等；带停歇的往复直线运动（自动机的刀架），运动参数为一个工作循环中，停歇次数多少、停歇的位置、停歇时间的长短、行程的大小和工作速度等；带停歇的单向直线运动（刨床的进给机构），运动参数为每次进给量的大小。 曲线运动分为两种，沿固定不变的曲线运动（搅拌机），沿可变曲线运动（起重机）。 复合运动是上述几个单一运动的组合，如插齿机的插刀、钻头等。 （2）原动件的类型及其运动参数的选择。主要的原动机有电动机、液压马达、气动马达、往复式油缸、气缸和直线电动机等。每

5、种原动机都有许多种类，如电动机就有交流异步电动机、直流电动机、带减速装置的电动机、多速电动机、交流变频变速电动机、伺服电动机、步进电动机、直线动机、力矩马达等。各种原动机具有各自的特性和适用场合，选择与机械性能要求相适应的原动机的类型及其参数，是机械设计中的重要一环。 2各执行构件间运动的协调配合 确定原动机和执行构件的运动参数后，首先要确定总传动比。各运动链设计时，必须考虑各执行构件运动的协调配合关系。某些机械的各执行构件的运动是独立的，这时可不考虑运动的协调问题，如外圆磨床的各部分的运动。而在另一些机械中，各执行构件的运动必须保证严格的协调配合，才能实现机械的功能，一般有两种情况； （1）

6、各执行构件运动速度的协调配合：如范成法加工齿轮，车床车制螺纹，此时各有关运动链通常由一台原动机来驱动或采用数控。 （2）各执行构件动作的协调配合：既要求各执行构件在运动时间的先后顺序上和运动位置的安排上必须准确而协调的配合，如牛头刨床的刨头和工作台的运动。 3机械的工作循环图 用以表明在机械的一个工作循环中各执行构件运动配合关系的所谓工作循环图（运动循环图）。 （1）直线式工作循环图 （2）圆周式工作循环图 （3）直角坐标式工作循环图 4机械传动系统方案拟定的基本要点 在选定了机械的工作原理后，初选传动方案（几个），确定基本运动参数，合理选择机构并进行恰当组合，满足传动要求，给出机构运动简图，

7、评比各个方案，选出一个最佳方案。还要考虑成本、重量、外廓尺寸、机械效率等。 （1）采用尽可能简短的运动链。 有利于降低重量和制造成本，提高效率，减小积累误差。对于没有严格速比要求的运动链，可以考虑每个运动链单独用原动机驱动。 （2）应使机械有较高的机械效率。 尤其应是传递功率比较大的主运动链有较高的效率。 （3）合理安排传动机构的顺序 。 转变运动形式的机构（凸轮、连杆、螺旋机构等）总是安排在运动链的末端，与执行机构靠近。带传动等摩擦传动一般都安排在转速较高的运动链的起始端，以减小其传递的转矩，减小其外廓尺寸。 （4）合理分配传动比。 1）传动比应在常用的范围内。 2）减速传动时，应按照“先小

8、后大”的原则分配传动比。 （5）保证机械的安全运转。设计必要的安全装置和保护装置。确保人身安全。 5设计方法简介 （1）功能分解组合法。 基本思路：对设计任务进行仔细分析，将总功能分解成若干个分功能，再分解成若干个元功能，为每一元功能选出一种功能载体（实现该元功能的基础装置），加以适当的组合构成一个总体方案。 优点：每一元功能可以由多种功能载体，可以组合多种方案，选出最佳。缺点：工作量大，新课题下手很难。适用于总功能可以分解，多数元功能可以用现有的科技知识来解决的问题。 （2）模仿改造法 用现有的类似的技术装备，保留原装置的有利条件，消除其不利条件，增加其缺少的条件，从而使其能满足现设计的要求

9、。设计时，应多选几种原型机。 4.2齿轮传动部件设计与选择4.2.1常用齿轮传动方式 1.齿轮概述 齿轮传动具有外廓尺寸小，机械传动效率高、工作可靠、寿命长、传动功率和圆周速度范围都比较大等优点，所以广泛地被应用。 2.齿轮传动方式 常见齿轮传动方式有三种： （1）圆柱齿轮传动，通常用两平行轴间的传动，如图（a）所示； （2）圆锥齿轮传动，通常用于相交轴间的传动，如图（b）所示； （3）蜗轮和蜗杆传动，用于两垂直交叉轴间的传动，如图（c）所示。（a） 圆柱齿轮传动（b） 圆锥齿轮传动（c） 蜗轮和蜗杆传动齿轮传动方式 在传动中，为了运动平稳、啮合正确，齿轮轮齿的齿廓曲线可以制成渐开线、摆线或圆

10、弧。轮齿的方向有直齿、斜齿、人字齿和弧形齿。 3.标准齿轮及其计算 齿轮有标准齿轮和非标准齿轮之分。具有标准齿的齿轮称为标准齿轮。 从模数的公式可以看出，模数m愈大，轮齿就愈大；模数愈小，轮齿就愈小。因此，模数是设计、制造齿轮的重要参数。互相啮合的两齿轮，其齿距p应相等，因此它们的模数m和压力角亦应相等。 不同模数的齿轮要用不同模数的刀具去制造，为了便于设计、加工和减少加工刀具的数量，国家标准（GB/T1357-87）对齿轮的模数作了统一的规定，如表所示。 注：选用模数时，应优先选用第一系列；其次选用第二系列；括号内的模数尽可能不用。本表未摘录小于1的数。 齿轮的模数m确定之后，按照与m的比例

11、关系可算出齿轮各基本尺寸。 4 .圆柱齿轮的规定画法 （1）单个圆柱齿轮的画法 一般选用两个视图或者用一个视图和一个局部视图（只表示轴孔和键槽）表示，如图所示。其轮齿部分按国标规定画法如下： 1） 齿顶圆和齿顶线用粗实线绘制。 2） 分度圆和分度线用细点画线绘制。 3） 齿根圆和齿根线用细实线绘制，可省略不画；在剖视图中齿根线用粗实线绘制。 （2）圆柱齿轮的啮合画法 圆柱齿轮的啮合画法按GB/T 4459.2-2003规定如下： 1）在垂直于圆柱齿轮轴线的投影面的视图中，啮合区内齿顶圆均用粗实线绘制，如图（a）；或按省略画法，如图（b）。齿根圆用细实线绘制，也可省略不画。两相切节圆（分度圆）用

12、细点画线绘制，如图（a）、（b）所示。 2）在平行于圆柱齿轮轴线的投影面的外形视图中，啮合区内的齿顶线、齿根线不必画出。节线（分度线）用粗实线绘制，其它处的节线（分度线）仍用细点画线绘制，如图（c）、（d）。 3）在圆柱齿轮啮合的剖视图中，当剖切平面通过两啮合齿轮轴线时，在啮合区内，将一个齿轮的轮齿（一般指主动齿轮）用粗实线绘制，另一个齿轮的轮齿（一般指从动齿轮）被遮挡部分用细虚线绘制，也可省略不画。如图（a）所示。 4）在齿轮啮合的剖视图中，由于齿根高与齿顶高相差0.25m（模数），因此，一个齿轮的齿顶线和另一个齿轮的齿根线之间，应有0.25m的间隙，如图所示。 5.轮系传动 （1）轮系的分

13、类 定轴轮系：传动时所有齿轮的几何轴线位置都固定不变。行星轮系：传动时，齿轮g的轴线绕齿轮a、b及构件H的共同轴线转动。齿轮g称为行星轮，齿轮a、b称为中心轮，H称为行星架。12212112zznni 传动比的计算包括大小和方向两个方面。 1）大小的计算：一对齿轮传动比等于主动齿轮的角速度与从动齿轮角速度的比值，亦等于两齿轮齿数的反比。 2）方向的判断： 正负号法，上式中正负号表示两轮的转向相同或相反，仅适用于圆柱齿轮传动（平面齿轮传动）。 画箭头法：外啮合时方向相反（反向箭头），内啮合时方向相同（同向箭头）。锥齿轮同时指向节点或同时背离节点。蜗杆传动的转向也只能用画箭头法来表示。k1k1k1

14、nni （2）轮系的传动比 及计算 轮系始端主动轮1与末端从动轮k的转速之比称为轮系的传动比，用i表示。 外啮合 内啮合 锥齿轮 蜗杆传动 （左手螺旋法则） （3）定轴轮系传动比的计算1）大小的计算：图示轮系中，齿轮1为主动轮，齿轮5为末端从动轮，下面讨论定轴轮系传动比的计算方法。这个公式计算出的仅是定轴轮系传动比的大小，方向则可采用（1）法或画箭头法来确定。m主主动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积从从动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积mkknni)1(11 2）方向的判断： （1）m法：只适用于圆柱齿轮所组成的定轴轮系。m表示外啮合齿轮的对数。 画箭头法：先画出主动轮的转向箭头，根据一对齿轮传动转向的箭

15、头表示法，依次画出各轮的转向。它是确定定轴轮系从动轮转向的普遍适用的方法。 3）定轴轮系传动比的计算通式： 上述结论可适用于任何轮系。设轮为始端主动轮，轮k为末端从动轮，则轮系传动比大小的计算公式为： 对于转向的判断有两种情况： 当齿轮都是圆柱齿轮且各轴线平行时，从动轮的转向不是相同就是相反，此时可采用（1）m法。 若轮系中有圆锥齿轮传动或蜗杆蜗轮传动时，则可采用画箭头法。 定轴轮系中，若齿轮的齿数对传动比不起影响，仅仅起着改变传动方向的作用，则该齿轮称为惰轮。如图中齿轮3即为惰轮。主主动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积从从动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积 kknni11 例4-1：在图示轮系中，已知Z

16、1=18，Z2=39，Z2=20，Z3=41，Z4=50，n1=1460r/min，D=200mm。求重物G的运动速度及方向。 根据蜗杆的旋向，右旋用右手法则；左旋用左手法则 ，具体方法就是四指顺蜗杆旋转方向，拇指的指向就是蜗杆上的受力方向，其反方向是蜗轮的旋转方向。（右旋）（右旋） （4）行星轮系 行星轮系是一种先进的齿轮传动机构，具有结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大、传递功率范围及传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长等优点。行星轮系在国防、冶金、起重运输、矿山、化工、轻纺、建筑工业等部门的机械设备中，得到越来越广泛的应用。1）行星轮系的组成主要由行星轮g、中心轮k及行星架H组成。其中

17、行星轮的个数通常为26个。但在计算传动比时，只考虑1个行星轮的转速，其余的行星轮计算时不用考虑，称为虚约束 。它们的作用是均匀地分布在中心轮的四周，既可使几个行星轮共同承担载荷，以减小齿轮尺寸；同时又可使各啮合处的径向分力和行星轮公转所产生的离心力得以平衡，以减小主轴承内的作用力，增加运转平稳性。行星架是用于支承行星轮并使其得到公转的构件。中心轮中，将外齿中心轮称为太阳轮，用符号a表示，将内齿中心轮称为内齿圈，用符号b表示。 2）行星轮系的分类根据行星轮系基本构件的组成情况，可分为三种类型：2K-H型（图4-10）、3K型、K-H-V型。2K-H型具有构件数量少，传动功率和传动比变化范围大，设

18、计容易等优点，因此应用最广泛。3K型具有三个中心轮，其行星架不传递转矩，只起支承行星轮的作用。行星轮系按啮合方式命名有NGW、NW、NN型等。N表示内啮合，W表示外啮合，G表示公用的行星轮g。3）行星轮系传动比的计算行星轮系与定轴轮系的根本区别在于行星轮系中具有转动的行星架，从而使得行星轮系既有自转，又有公转。因此，行星轮系的传动比的计算不能用定轴轮系的计算方法来计算。按照相对运动原理（反转法），假设行星架H不动，即绕行星架转动中心给系统加一个（-H ）角速度，则可将行星轮系转化为假想的定轴轮系，这个假想的定轴轮系称为行星轮系的转化轮系。转化后的定轴轮系和原周转轮系中各齿轮的转速关系为：则转化

19、轮系传动比的计算公式为： 因此，对于行星轮系中任意两轴线平行的齿轮j和齿轮k，它们在转化轮系中的传动比为 ： 在各轮齿数已知的情况下，只要给定nj、nk、nH中任意两项，即可求得第三项，从而可求出原行星轮系中任意两构件之间的传动比。1313313113) 1(zzzzzznnnnnniggHHHHH 主主动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积至至轮轮轮轮从从动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积至至轮轮轮轮kjkjnnnnnniHkHjHkHjHjk 4）计算的注意事项：上述公式仅适用于圆柱齿轮组成的行星轮系，即齿轮j和齿轮k的轴线与行星架H的轴线必须重合或互相平行；对于由圆锥齿轮组成的行星轮系 ，当两太阳轮和行

20、星架的轴线互相平行时，仍可用转化轮系来建立转速关系，但正负号应按画箭头的方法来确定。不能应用转化机构法列出包括行星轮在内的转速关系。 的正负只表示转化轮系中轮j和轮k的转向关系，而不是行星轮系中二者的转向关系；计算时应注意转向，必须将转速大小连同其符号一同代入公式计算。n1、nk、nH均为代数值，代入公式计算时要带上相应的“+”、“-”号，当规定某一构件转向为“+”时，则转向与之相反的为“-”。计算出的未知转向应由计算结果中的“+”、“-”号判断。 只表示转化轮系中轮j和轮k的转速之比，其大小和方向可按求定轴轮系传动比的方法确定， 是行星轮系中轮j和轮k的绝对转速之比，其大小和方向只能由公式计

21、算出来之后才能确定。132132313113)1(zzzzzznnnnnniHHHHH 例4-2：已知:Z1=100、Z2=99、Z2=100 、Z3=101。求iH1。 上例中，若将Z2=99改为Z2=100，则 ， 可以看到，当齿轮2仅增加一个齿，行星架不仅输出转速的大小不同，而且其转向亦改变。可见行星轮系未知转速构件的转向不能由画箭头法直接确定，须由计算结果来定。画箭头确定的仅是齿数比前的正负号，是假设的。 ， 01. 010010010110011 Hnn10011 nniHH例4-3：已知Z1=20、Z2=15、Z3=50，轮3固定。若轮1的转速n1=70r/min，求转臂的转速nH

22、。 （5）谐波齿轮传动 谐波传动是50年代中期随着空间科学技术的发展在薄壳弹性变形理论基础上发展起来的一种新型传动。该传动的基本原理由美国联合制鞋公司研究顾问C. Walt Musser (19091998)于1955年提出。1960年，C. Walt Musser在发表于美国机械设计杂志的论文中使用了Harmonic Drive一词，中文翻译为谐波传动或谐波齿轮传动。 谐波传动通常由柔轮（Flexible Spline-FS）、刚轮(Circular Spline-CS)和波发生器(Wave Generator-WG)（称为谐波传动三大件）组成，当波发生器顺时针转动时，如果刚轮固定，则柔轮逆

23、时针旋转；如果柔轮固定，则刚轮顺时针旋转。由于柔轮与刚轮齿数相差很少，因此可获得很大的传动比。 经过使用证实，谐波传动与一般的齿轮传动相比较，具有运动精度高、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大、效率高、容易实现零回差、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等优点。谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮疲劳断裂、柔性轴承损坏、齿面磨损或传动滑移，不过现有的设计规范和工艺可以保证谐波齿轮传动具有额定的工作寿命。 1）谐波传动原理 谐波传动是在波发生器的作用下，使柔性件产生弹性变形并与刚性件相互作用而达到传递运动或动力的目的。在传动中波发生器回转一周，柔性件上某一点循环变形的次数称波数。柔性件的变形过

24、程是一个基本对称的谐波，故称为谐波传动。常用的谐波传动是双波传动。 通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。 在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数

25、是一致的，称为波数。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数（即波发生器上的滚轮数）的整倍数，通常取为等于波数。 2）谐波齿轮减速器产品及选用 常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图 谐波齿轮减速机选用说明： 样本中的图表参数为标准产品，用户选型时需确定以下三项参数： （a）传动比或输出转速（r/min） （b）减速机输入功率（kw） （c）额定输入转速（r/min）最大回差减速比机型（指柔轮内径，单位为mm)单级、卧式安装通用谐波减器 如减速机输入转速是可调的，则在选用减速机型号时应分别确定： 工作条件为“恒功率”时按最低转速选用机型；工作条件为“恒扭矩”时，按

26、最高转速选用机型。订货时须说明是否与电机直联，电机型号及参数。 选用减速机输入功率 与输出扭矩 的计算式中：P 减速机额定输入功率（KW） T 减速机额定输出扭矩（Nm） KA 工作情况系数1CP2CTACPKP1ACTKT2 减速机输出轴装有齿轮、链轮、三角皮带轮及平皮带轮时，需要校验轴伸的悬臂负荷 ，校验公式为 式中：D齿轮、链轮、皮带轮的节圆直径（m） FR悬臂负荷系数（齿轮FR=1.5；链轮 FR=1.2；三角皮带轮FR=2；平皮带轮FR=2.5）当 结果安全。 目前，谐波传动广泛应用于航空航天、机器人、加工中心、雷达设备、造纸机械、纺织机械、半导体工业晶圆传送装置、印刷包装机械、医疗

27、器械、金属成型机械、仪器仪表、光学制造设备、核设施以及空气动力实验研究等领域。例如：日本本田公司仿生机器人ASIMO的手臂与腿部至少使用了24套谐波传动装置；美国NASA发射的火星机器人每个则使用了19套谐波传动装置；德法英联合研制的空中客车上使用了谐波传动阵列来检测飞机着陆时副翼的位置；安装于夏威夷Mauna Kea山的Subaru望远镜系统采用了264套谐波传动装置，将8.2m口径主镜镜面精度保持在0.1m；为确保手术系统高精度定位与配合作业，在外科手术系统中应用了各种型号的谐波传动。现在，约有90的谐波传动应用在机器人工业和精密定位系统中，谐波传动已成为现代工业重要的基础部件。 1CF许

28、FF1C 3）谐波减速器的一些主要特点： （1）传动速比大。单级谐波齿轮传动速比范围为70320，在某些装置中可达到1000，多级传动速比可达30000以上。它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。 （2）承载能力高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。 （3）传动精度高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至

29、能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。 （4）传动效率高、运动平稳。由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的百分之)，所以，轮齿磨损小，效率高(可达69%96%)。又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。（5）结构简单、零件数少、安装方便。仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，所以结构简单，安装方便。（6）体积小、重量轻。与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。（7）可向密闭空间传递运动。利用柔轮的柔性特点，轮传动的这

30、一可贵优点是现有其他传动无法比拟的。 目前全球机器人行业，75%的精密减速机被日本的Nabtesco和Harmonic Drive两家垄断（业界俗称RV减速机和谐波减速机），其中Harmonic Drive在工业机器人关节领域拥有15%的市场占有率。 4.2.2齿轮传动副设计mLJJi 用于伺服系统的齿轮减速器实际上是一个力矩变换器。输入电机为高转速，低转矩；输出要求一般为低转速，高转矩。不但要求齿轮减速系统具有足够的刚度，还要求其转动惯量尽可能小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小。 齿轮总传动比的设计原则: 工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均方

31、根力矩等效均方根力矩最小最小；电机驱动负载加速度最大电机驱动负载加速度最大三种方法计算。常用电机驱动负载加速度最大原则方法选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图所示。 结论：JmiJLMGLmLTLF电机、传动装置和负载的传动模型2iJJLm根据传动关系有 式中: 电动机的角位移、角速度、角加速度； 负载的角位移、角速度、角加速度。 TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF / i ；将JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i。 设Tm为电动机的驱动转矩，在忽略传动装置惯量的前提下，根据旋转运动方程，电动机轴上的合转矩Ta为LmLmLmi mmm 、LLL 、LmLFmLLLmm

32、LmLFmaJiJTiTiiJJiJJiTTT222)()( 则（2-2） 式（2-2）中若改变总传动比i，则 也随之改变。根据负载角加速度最大的原则，令 ，则解得 若不计摩擦，即TLF0， 则 式（2-3）表明，得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。mLmLFmLFJJTTTTi2mLmLTiTJJi2或（2-3） 总传动比分配： 1）最小等效转动惯量原则 ； 2）重量最轻原则； 3）输出轴转角误差最小原则。 1最小等效转动惯

33、量原则 （1）小功率传动。 以两级齿轮传动系统为例。假设传动效率为100；各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度b同材料的实心圆柱体。 总传动比：i=i1i24.2.3各传动比的最佳分配原则MJ1i1J2J1J3i2 由于功率小，假定各主动轮具有相同的转动惯量J1，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱齿轮，且齿宽b和材料均相同，效率不计， 则有：式中： i1、 i2 齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比； i齿轮系总传动比， i = i1 i2。 同理，对于n级齿轮系，则有： 由此可见，各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。 3/26/123/112

34、)2(iiii122222)1(21)12(212112nknkiniiinnn例4-4 设有i =80，传动级数n= 4的小功率传动，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解： 验算i = i1 i2 i3 i480。 若以传动级数为参变量，齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的转动惯量J1之比为Je/J1，其变化与总传动比i的关系如图所示。 9887. 6)280(21438. 3)280(21085. 2)280(27268. 1802158241542/4322)12(22/42121)12(214214444iiii小功率传动装置确定传动级数曲线 （2）大功率传

35、动装置。 大功率传动装置传递的扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，各级齿轮的转动惯量差别很大。大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图1、图2、图3来确定。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。 图1 大功率传动装置确定传动级数曲线105ik86420101001000n1n2n3n4n5总传动比i图2 大功率传动装置确定第一级传动比曲线10ik8642123468 101246810ik 1123468BA图3 大功率传动装置确定各级传动比曲线 例4-5 设有i=256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解：以i=256查图1，得n=3，Je/J1=

36、70； n=4， Je / J1 =35； n=5， Je / J1 =26。兼顾到Je / J1值的大小和传动装置的结构，选n4。查图2，得i13.3。查图3，在横坐标i k-1上3.3处作垂直线与A线交于第一点，在纵坐标ik轴上查得i23.7。通过该点作水平线与B曲线相交得第二点i34.24。由第二点作垂线与A曲线相交得第三点i44.95。 验算i1 i2 i3 i4256.26。满足设计要求。 2.质量最小原则 （1） 大功率传动装置 对于大功率传动装置的传动级数确定，主要考虑结构的紧凑性。在给定总传动比的情况下，传动级数过少会使大齿轮尺寸过大，导致传动装置体积和质量增大； 传动级数过多

37、会增加轴、轴承等辅助构件，导致传动装置质量增加。设计时应综合考虑系统的功能要求和环境因素，通常情况下传动级数要尽量地少。 大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。减速齿轮传动的后级齿轮比前级齿轮的转矩要大得多，同样传动比的情况下齿厚、质量也大得多，因此减小后级传动比就相应减少了大齿轮的齿数和质量。大功率减速传动装置的各级传动比可以按图1和图2选择。图1 大功率传动装置两级传动比曲线（i10时，使用图中的虚线） 图2 大功率传动装置三级传动比曲线（ i 0，Z3 。 2） 槽轮的运动时间总小于静止时间。 3）要使 ，须在构件1上安装多个圆销。 设k为均

38、匀分布的圆销数， 由上式可知：当Z=3时，圆销的数目可为15；当Z=4或5时，圆销的数目可为13；而当Z6时，圆销的数目可为12。一般情况下Z=48。221ttdZ22221ZZZ1212222121121Z21ZZk2)2( 四、槽轮机构的几何尺寸计算 槽轮机构的中心距L是根据槽轮机构的应用场合来选定的。槽轮的轮槽数z和圆销数k是根据具体工作要求，并参考前述分析确定的。如果中心距L、轮槽数z和圆销数k已知，则其他几何尺寸可相应算出。如图所示，单圆销外啮合槽轮机构的基本尺寸可按下表中所列计算公式求得。 五、槽轮机构的特点和应用 优点：结构简单，工作可靠，能准确控制转动的角度。常用于要求恒定旋转

39、角的分度机构中。 缺点： 1）对一个已定的槽轮机构来说，其转角不能调节。 2）在转动始、末，加速度变化较大，有冲击。 应用：应用在转速不高，要求间歇转动的装置中。 电影放映机中，用以间歇移动影片。 自动机中的自动传送链装置。 六、间歇传动机构传动变换特性 通常为非线性变换机构，变换关系比较复杂如图所示。传动变换特性为： 624323)(12f1）盘形凸轮机构平面凸轮机构2）移动凸轮机构平面凸轮机构3）圆柱凸轮机构空间凸轮机构一、应用二、组成凸轮一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触从动件：平动，摆动机架三、分类1 .按凸轮的形状：当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照预定规律变化时，常用

40、凸轮机构。4.5.4 凸轮机构圆柱凸轮间歇运动机构蜗杆凸轮间歇运动机构2 .按从动件的型式：1）尖底从动件：用于低速；2）滚子从动件：应用最普遍；3）平底从动件：用于高速。3 .按锁合的方式：力锁合（重力、弹簧力）、几何锁合四、特点优点：1）能够实现精确的运动规律；2）设计较简单。 缺点：1）承载能力低，主要用于控制机构； 2）凸轮轮廓加工困难。发动机的凸轮发动机的凸轮-气门机构和曲柄气门机构和曲柄-连杆机构连杆机构 曲柄曲柄-连杆机构连杆机构 自动送料机构分度转位机构 1.自动上料的意义 缩短辅助时间，提高劳动生产率，稳定产品质量和改善工人劳动条件等。是实现单机自动化、建立自动生产线和自动化

41、工厂的基本条件之一。自动化加工或装配生产线的自动化程度及运行的好坏很大程度上取决于工件自动上下料装置的设计与选择。因为加工、装配中约三分之一的费用，三分之二的工时都集中在此装置相关的工序上。大批量生产中，为减少重复而繁重的体力作业，降低劳动强度，提高生产效率，保证产品质量及其一致性，保障生产安全，要求提高上下料的自动化程度是十分有意义的。由于自动上料和自动定位加工后的工件已有比较准确的位置和尺寸，所以，自动下料比较容易实现，一般采用推杆、推板或机械手即可，此处不作介绍。 2.自动化上料应具备的条件 1）工件结构对称化； 2）在工件上作定向标记或平面； 3）设计容易分离的工件；4）改单个工件上料

42、为多件成排上料。 4.6自动上料机构 4.6.1自动上料机构的分类及概述 3.上料机构的基本类型和作用 1）粉，液料自动上料机构； 2）管，棒料自动上料机构； 3）卷料（丝，带料）自动上料机构； 4）件料自动上料机构，其又分为：料斗式自动上料机构，料仓式半自动上料机构。1）一台供料器供给一台加工设备或装配工序： 供料器 隔离器 上料器 加工/装配设备 2）一台供料器供给多台加工设备或装配工序 A 加工/装配设备 供料器 隔离器 上料器 分路器 B 加工/装配设备 C加工/装配设备 3）多台供料器供给一台加工设备或装配工序 供料器 A 供料器 B 合路机构 隔离器 上料机构 加工/装配设备 供料

43、器 C 上料机构的作用是一方面储存工件毛坯，另一方面，在自动加工或装配工序源源不断地自动提供工件。料仓式供料器和料斗式供料仓式供料器和料斗式供料器的根本区别在于工件在供料器中能否完成自动定向的功能。料器的根本区别在于工件在供料器中能否完成自动定向的功能。料仓式不能完成自动定向，工件需人工或专用定向器来实现定向排布，适用于难以自动定向排列的工件；料斗式自带定向器可以工件自动定向，用于定向排列性好、质量小的工件，见表所示，料仓式还分为自重式送进合外力强制送进两种方式。表中提供了供料器的众多结构形式，其详尽的结构设计可参考机械工程设计手册。 4 .料仓式上料机构 根据上料功能的需要，料仓式上料机构由

44、料仓、输料槽、隔料器、上料器及驱动装置等组成。 （1）料仓。 可按工件的传送方式，分为两类： 1）靠工件自重送料； 2）用外力强制送料。供料器种类和结构形式 （2）定向器。对于形状复杂而又不能在料斗中自动定向的工件需在输料槽中进行再次定向，料仓中工件若非人工定向排列，也需专门的定向器对工件定向，因而定向器的设计选择也是十分重要的环节，有的定向器客观上还具有剔除器功能。 各种定向器结构形式 （ 3）隔离器。定向排列好的工件送料经常是连续送进和不等节拍的非同步送进，但往往需要逐个或成组隔离而送往加工区；隔离器设计考虑两个方面：一是根据工件形状、材质、表面状况等决定隔离器的选择，二是考虑隔离器工作节

45、拍与相关工序的节拍一致性问题，隔离器往往与送料器设计在一起，一般由往复运动、摆动、旋转等来实现隔离，常见机构见图所示。（4）分路器。将来自一路的工件分成两路以上行进，有的场合必须设置分路器，如供料器供给能力大，足以供给两台以上的设备或装配工序；从生产能力大的工序向生产能力小的工序传送；自动检测工序中，将不合格件剔除等。图所示是分路器结构。 （5）合路器。自动化生产中，有时需对数台加工设备完成的同一种工件进行统计、检验；或者由数台供料器向同一台加工设备供料时，都需要对工件进行集中汇集。合路后必须保持工件定向一致，见下图。 （6）输料槽结构。 工件从供料器到达上料器或上工序加工完毕后到达下工序途中

46、都必须由输料槽来支撑和保持定向。其结构设计主要取决于工件形状、尺寸、重量等。工件在槽中运动一是平移滑动，要考虑其耐磨性；二是滚动，要考虑其摩擦系数足够大。有的输料槽还带有减速装置。常见结构形式见图所示。 （7）上料机构。将已定向排布好的工件装入夹具并定位由上料机构完成，上料过程与零件的装配在某种程度上十分相似。上料机构的设计主要根据工件形状、尺寸、重量、材料性质等与夹具配合选择，其中上料杆（元件）的选择设计是最重要的，主要有：顶杆式、弹性销、磁性元件、摩擦式、真空吸附和机械手等。图所示的是具有指形压板的L形摇杆式上料机构，适用于空间上不允许使用滑板顶杆式上料机构的场合。L形摇杆2的圆弧段A用于

47、隔离工件，指形压板3的开闭即可利用工件的重量，也可采用强制的方法，如设置开闭挡块。 摇杆与弹性销上料机构真空吸盘式薄板材上料机构自动拧紧螺母机构 右上图所示为。当机械手4抓取到工件后，将从图示双点画线位置按（1）至（6）的顺序把工件装入分度转台6上的夹具7中。机械手4的上下运动与摆动可用凸轮或气缸分别驱动。若工件有中心通孔，机械手4的夹持部分5可采用弹性销等，否则采用真空吸头为好。机械手式上料机构 图所示为连续带材的步进上料机构。上料体1的内腔有一斜面A，并装有滚柱2，滚柱压块3及弹簧4。当曲柄轮5通过连杆6、摇杆7驱动上料体1向右运动时，由于滚柱2在弹簧4的作用下由右向左运动的趋势，于是便被

48、楔紧在斜面A和带材8之间，使带材8也随上料体1一起向右移动，完成上料动作。当上料体1向左运动时，因滚柱2与斜面A脱离了接触不能再夹紧带材8，故此时带材8静止不动，于是上料体1完成空程复位。连续带材步进上料机构 图所示为棒料的上料机构。上料动作顺序如图左侧图线所示：（1）至（2）为接取棒料，（3）至（4）为向固定承料架6上料，（5）为回程。送料架2的往复运动可用气缸驱动，其绕销轴3的上下摆动由摇爪4及靠模5提供。在料道1的上部应设置隔离机构，以使棒料逐个地落入送料架2的槽口。送料架2的端部应具有图示的斜面，以使其回程时能顺利地从被夹紧的棒料下方退出。 5 .自动定向料斗 （1）自动定向料斗的基本类型按自动定向料斗的运动形式，可分旋转运动、往返摆动、直线往返运动和振动四种；按其供料方式，可分单件供料、成批供料和连续供料三种。 （2）定向方法。 1）抓取法。2）型孔选取法。3）剔除或纠正法 （3）料斗的送料率和排满防堵装置。 1）料斗的平均送料率，各种料斗的平均送料率可用下式表示： 2）排满防堵装置 料斗的实际送料率常比其理论送料率低，而且是一个在一定范围内变化的不定值。为保证机器能正常生产，常使料斗送料率略大于机器生产率。这时，为了能自动地排除过剩的工件，应在料斗中设排满防堵装置，确