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1、机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计 第二章第二章 机械系统设计机械系统设计2.1 概述概述 高速加工录像高速加工录像 总装图总装图 传动原理传动原理 速度控制速度控制2.1.1 机电一体化系统中对机械部分的要求机电一体化系统中对机械部分的要求 机电一体化机械系统除了应具备普通机械系统的要求外机电一体化机械系统除了应具备普通机械系统的要求外,还有如下要求：还有如下要求：1、高精度、高精度 影响因素：间隙、刚度、导向精度等影响因素：间隙、刚度、导向精度等,见下图。见下图。2、快速响应、快速响应 机械系统从接到指令到执行指令任务的时间应短。机械系统从接到指令到执行指令任务的时间应短。影响因素：
2、摩擦、惯量、刚度、阻尼等。影响因素：摩擦、惯量、刚度、阻尼等。3、稳定性好、稳定性好 影响因素：温度、环境等。影响因素：温度、环境等。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计2.1.2 机械部分的组成机械部分的组成 包括如下三大部分：包括如下三大部分：1、传动机构、传动机构2、导向机构、导向机构3、执行机构、执行机构机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计2.2 传动机构设计传动机构设计 常用的机械传动部件有常用的机械传动部件有:螺旋传动、齿轮传动、同步带传动等。螺旋传动、齿轮传动、同步带传动等。传动部件的实质是一种转矩、转速、方向变换器。传动部件的实质是一种转矩、转速、方向变换器。一、对传动
3、机构的性能要求一、对传动机构的性能要求1、惯量小、惯量小2、刚度大、刚度大3、阻尼合适当、阻尼合适当4、间隙小、间隙小 二、齿轮传动机构间隙消除方法二、齿轮传动机构间隙消除方法核心问题：采取措施，消除齿侧间隙，核心问题：采取措施，消除齿侧间隙，保证双向传动精度。保证双向传动精度。（一）直齿圆柱齿轮传动（一）直齿圆柱齿轮传动 1、偏心轴套调整法、偏心轴套调整法机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计2、双片薄齿轮错齿调整法、双片薄齿轮错齿调整法 实质：通过同轴的两齿轮相对旋转错位消除间隙。实质：通过同轴的两齿轮相对旋转错位消除间隙。一种齿轮消隙机构一种齿轮消隙机构特点：特点：1）有自动补偿功能；
4、）有自动补偿功能；2）传递扭矩受弹簧力的影响；）传递扭矩受弹簧力的影响；3）齿面长期工作在最大应力状态。）齿面长期工作在最大应力状态。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（二）斜齿轮传动机构（二）斜齿轮传动机构 实质：通过同轴两齿轮轴向位实质：通过同轴两齿轮轴向位移（无相对转动）使轮齿错位。移（无相对转动）使轮齿错位。H轴向位移距离轴向位移距离 齿轮螺旋升角齿轮螺旋升角 齿侧间隙齿侧间隙 =H Sin H=/Sin 机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（三）齿轮齿条传动（三）齿轮齿条传动 当负载较小时，调整方法如图当负载较小时，调整方法如图2-2；当负载较大时，调整方法如图当负载较大时
5、，调整方法如图2-7。若齿条主动，齿轮若齿条主动，齿轮1被动。被动。齿轮齿轮5、6、3都空套在轴上都空套在轴上 1）齿条左移时传动链：）齿条左移时传动链：齿条齿条7齿轮齿轮65321 2）齿条右移时传动链：）齿条右移时传动链：齿条齿条7齿轮齿轮1机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计三、三、滚珠螺旋传动设计滚珠螺旋传动设计 又称滚珠丝杠副传动机构，将旋转运动变为直线运动。又称滚珠丝杠副传动机构，将旋转运动变为直线运动。（一）工作原理及结构（一）工作原理及结构 丝杠图片丝杠图片机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（二）特点（二）特点1、效率高、效率高 效率效率8598%，而滑动丝杠为而滑动
6、丝杠为3040%。2、刚度好刚度好 通过预紧实现。通过预紧实现。3、运动平稳，无爬行现象、运动平稳，无爬行现象4、使用寿命长、使用寿命长5、精度高、精度高 由于摩擦升温小，容易获得高精度。由于摩擦升温小，容易获得高精度。6、传动可逆，不能自锁。、传动可逆，不能自锁。7、造价相对较高、造价相对较高机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（三）间隙调整及预紧方法（三）间隙调整及预紧方法 1、采用双螺母结构，调整两螺母轴向相对位置。、采用双螺母结构，调整两螺母轴向相对位置。（1）垫片调隙）垫片调隙 两螺母轴向相对移动，无相对转动，如图两螺母轴向相对移动，无相对转动，如图 特点：预紧可靠，使用中不便调
7、整。特点：预紧可靠，使用中不便调整。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（2）双螺母螺纹预紧调隙）双螺母螺纹预紧调隙 两螺母轴向相对移动，无相对转动，如两螺母轴向相对移动，无相对转动，如3-27图。图。特点：调整方便，但不精确。特点：调整方便，但不精确。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（3）齿差预紧调隙）齿差预紧调隙 两螺母轴向无相对移动，但有相对转动。两螺母轴向无相对移动，但有相对转动。假想左右两螺母齿轮同向旋转一个齿，因两齿轮齿数不同，故旋转角度假想左右两螺母齿轮同向旋转一个齿，因两齿轮齿数不同，故旋转角度不同，相当于一端固定，另一端旋转了一个微小的角度。由此产生的位移为：不同
8、，相当于一端固定，另一端旋转了一个微小的角度。由此产生的位移为：S=S=（Z Z2 2-Z-Z1 1）/（Z Z1 1Z Z2 2）P P 若若Z Z2 2-Z-Z1 1=1=1，则：，则：S=P/S=P/（Z Z1 1Z Z2 2）当当Z Z1 1=99=99、Z Z2 2=100=100、P=6mmP=6mm时，时，注意：螺母齿轮轴向限位问题，预紧力使丝杠拉伸。注意：螺母齿轮轴向限位问题，预紧力使丝杠拉伸。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计2、采用单螺母结构预紧、采用单螺母结构预紧 单螺母增大钢球直径预紧单螺母增大钢球直径预紧 见图见图24（滚道横截面）（滚道横截面）图图25（滚道纵
9、截面）（滚道纵截面）。特点：使用过程中不能调整。特点：使用过程中不能调整。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计 对于上述几种预紧方式，值得注意的是：对于上述几种预紧方式，值得注意的是：（1）预紧力大小应合适，）预紧力大小应合适，1/3最大轴向载荷最大轴向载荷;（2）支承部分的间隙不在此调整范围内。）支承部分的间隙不在此调整范围内。传动原理传动原理（四）滚珠丝杠副的精度、尺寸代号及标注方法（四）滚珠丝杠副的精度、尺寸代号及标注方法 精度尺寸参数已经标准化。精度尺寸参数已经标准化。查厂家的产品目录，标注应按厂家的标注示查厂家的产品目录，标注应按厂家的标注示例严格进行例严格进行，不同的厂家标注有
10、所不同。，不同的厂家标注有所不同。举例：举例：CMD255-3-D/150013505-3-D/15001350CC插管埋入式循环方式插管埋入式循环方式MM双螺母垫片预紧双螺母垫片预紧D25D25丝杠公称直径为丝杠公称直径为25255-5-丝杠导程丝杠导程5 53-3-承载滚珠总圈数承载滚珠总圈数D-D-精度等级为精度等级为D D级级15001350-15001350-丝杠全长为丝杠全长为15001500，螺纹长为，螺纹长为13501350，右旋（右旋不标），右旋（右旋不标）机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（五）滚珠丝杠副的安装（五）滚珠丝杠副的安装 一般有三种支承方式。一般有三种支承
11、方式。机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计四、四、其他传动机构设计其他传动机构设计（一）谐波齿轮减速器（一）谐波齿轮减速器 (原理图原理图)（结构图）（结构图）柔轮和刚轮齿距柔轮和刚轮齿距P相等，齿数不同。相等，齿数不同。Zg刚轮齿数，刚轮齿数，Zr柔轮齿数，柔轮齿数，Zg Zr，则则有：有：n=Zg Zr ，n为谐波发生器的波数。为谐波发生器的波数。工作原理：若工作原理：若n=2，则称双波发生器，此时，当谐波发生器旋转则称双波发生器，此时，当谐波发生器旋转180时，时，将迫使柔轮和刚轮相对移动一个齿距。若柔轮固定，则刚轮转一个角度。将迫使柔轮和刚轮相对移动一个齿距。若柔轮固定，则刚轮转一
12、个角度。柔轮固定时传动比：柔轮固定时传动比：ir=Zg/（Zg Zr）(波发生器输入波发生器输入,刚轮输出刚轮输出)刚轮固定时传动比：刚轮固定时传动比：ig=Zr/（Zg Zr）(波发生器输入波发生器输入,柔轮输出柔轮输出)机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计 谐波齿轮减速器传动特点：传动比大，体积小，广泛用于机器人等机电谐波齿轮减速器传动特点：传动比大，体积小，广泛用于机器人等机电一体化产品中。一体化产品中。（二）无键胀紧联接传动二）无键胀紧联接传动 1、锥环无键联轴器、锥环无键联轴器 锥环无键联轴器在伺服驱动中应用广泛。锥环无键联轴器在伺服驱动中应用广泛。（1）结构）结构（2）特点）特
13、点 1）摩擦传动，具有过载保护功能）摩擦传动，具有过载保护功能 2）联接精度高，无间隙）联接精度高，无间隙 3）联接角度位置可调）联接角度位置可调 2、多槽弹性套、多槽弹性套 胀紧联接胀紧联接 多槽弹性套多槽弹性套 联接联接 受力变形受力变形机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计2.3 导向机构设计导向机构设计一、功用一、功用 支承、导向，准确地完成特定方向的运动。支承、导向，准确地完成特定方向的运动。二、类型二、类型 1、滑动导轨、滑动导轨 2、滚动导轨、滚动导轨 三、对导轨的基本要求三、对导轨的基本要求 1、导向精度、导向精度 直线度、平行度。直线度、平行度。2、耐磨性、耐磨性 精度的保
14、持性。精度的保持性。3、刚度、刚度 抵抗载荷的能力。抵抗载荷的能力。4、低速运动平稳性、低速运动平稳性 要求无爬行现象。要求无爬行现象。5、抗疲劳、压溃能力（对滚动导轨而言）、抗疲劳、压溃能力（对滚动导轨而言）机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计四、滚动导轨四、滚动导轨（一）结构（一）结构 导轨图片导轨图片 高速加工中心总装图高速加工中心总装图已基本实现系列化，有专业厂家生产，可以外购。已基本实现系列化，有专业厂家生产，可以外购。（二）特点（二）特点1、滚动摩擦系数小，动静摩擦系数基本相同、滚动摩擦系数小，动静摩擦系数基本相同 摩擦系数一般为：摩擦系数一般为：2、定位精度高（因摩擦力小）、
15、定位精度高（因摩擦力小）3、可以预紧，刚度好、可以预紧，刚度好4、磨损小，寿命长、磨损小，寿命长机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计（三）分类（三）分类1、按滚动体形状分、按滚动体形状分 滚珠导轨；滚柱导轨滚珠导轨；滚柱导轨2、按滚动体循环方式分、按滚动体循环方式分 滚动体循环；滚动体不循环滚动体循环；滚动体不循环3、按导轨截面形状分、按导轨截面形状分 矩形导轨；梯形导轨等矩形导轨；梯形导轨等 其承载能力如图：其承载能力如图：（四）导轨有关计算（四）导轨有关计算 按参考书或有关手册中的按参考书或有关手册中的 有关公式计算。有关公式计算。主要是通过计算选型号。主要是通过计算选型号。机电一体化
16、系统设计 第二章 机械系统设计 五、塑料导轨五、塑料导轨 1、概念、概念 2、特点、特点 耐磨；吸振；摩擦系数小，且动、静相近。耐磨；吸振；摩擦系数小，且动、静相近。3、应用、应用机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计2.4 机机 身身 主要起连接支承作用。主要起连接支承作用。1、结构设计、结构设计 主要考虑如下问题：主要考虑如下问题：1）足够的刚度）足够的刚度 2）良好的结构工艺性）良好的结构工艺性 3）必要的结构要素）必要的结构要素 满足走线，起重，安装等要求。满足走线，起重，安装等要求。4）良好的抗振性）良好的抗振性2、材料及热处理、材料及热处理 材料：铸铁，低碳钢板焊接，花岗岩材料：铸铁，低碳钢板焊接，花岗岩 热处理：时效处理（人工时效或自然时效）热处理：时效处理（人工时效或自然时效）机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计机电一体化系统设计 第二章 机械系统设计