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1、第二章机械系统机械系统 概述概述 传动机构传动机构 导向机构导向机构 执行机构执行机构 等效转动惯量与等效力矩等效转动惯量与等效力矩对机械系统的基本要求：对机械系统的基本要求：高精度高精度快速响应快速响应良好的稳定性良好的稳定性较大刚度较大刚度良好的可靠性良好的可靠性重量轻重量轻寿命长寿命长体积小体积小机械系统的组成机械系统的组成n传动机构：机构：传递转矩和转速n导向机构：向机构：支承和限制n执行机构：行机构：用来完成操作任务对传动机构的性能要求对传动机构的性能要求n1、转动惯量及质量都要小。n2、刚度大n3、阻尼合适n4、摩擦小n5、抗振性好、稳定性高n6、间隙小传动机构的种类传动机构的种类
2、传动机构种类：齿轮传动副、滚珠丝杠副传动系统、同步齿形带、谐波齿轮减速器、软轴传动、联轴器、滚珠花键等机构。学习要点:各类传动工作原理、特点（优点及缺点）、典型结构、设计选用方法。图a偏心套式间隙消除机构1偏心套2电动机3减速箱45减速齿轮n图b圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构1、2齿轮3垫片n图c锥齿轮轴向压簧调隙机构n1、4锥齿轮2、3键5压簧6螺母7轴 图图2-16 滚珠丝杠副滚珠丝杠副1螺母螺母 2滚珠滚珠 3回程引导装置回程引导装置 4丝杠丝杠工作过程动态演示滚动丝杠副滚动丝杠副按螺纹滚道的截面形状分单圆弧型和双圆弧型按滚珠的循环方式分内循环和外循环按消除轴向间隙的调整方法分双螺母螺纹预
3、紧调隙式、双螺母齿差预紧调隙式、双螺母垫片预紧调隙式、弹簧式自动调整预紧式结构类型结构类型外循环式滚珠丝杠（插管式）外循环式滚珠丝杠（插管式）内循环式滚珠丝杠内循环式滚珠丝杠端盖循环方式的滚珠丝杠端盖循环方式的滚珠丝杠不同螺纹滚道的截面形状浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副1.反向器2.弹簧套3.插管式外循环滚珠丝杠副1.销钉2.压板3.端盖式外循环滚珠丝杠副1.螺母2.套筒（有滚珠的回程道口）双螺母螺纹预紧调隙式双螺母齿差预紧调隙式双螺母垫片预紧调隙式弹簧式自动调整预紧式滚动丝杠副滚动丝杠副 特点传动效率高。传动效率高。90%-95%运动具有可逆性。正逆运动具有可逆性。正逆 效率基本一样效率基本
4、一样系统刚度好。系统刚度好。因能预紧因能预紧 故无爬行故无爬行传动精度高。传动精度高。制造精度高制造精度高工艺复杂。工艺复杂。成本高成本高不能自锁。不能自锁。因重力而下滑因重力而下滑使用寿命长。使用寿命长。比滑动高比滑动高5-6倍倍双推自由式（P17）单端拉伸，轴向刚度低，适合中小载荷，低速，短行程场合。双推简支式单端拉伸，轴向刚度不高，适合中速精度较高场合双推双推式两端预拉紧，轴向刚度高，适合高速、高刚度、高精度。n超越离合器n1外圈2星轮3滚柱4活销5弹簧n特点：单方向传递运动电磁摩擦制动装置示意图特点：便于实现自动控制（图示滚珠丝杠用于垂直轴时的自锁方式。）滚珠丝杠副的主要尺寸参数同步带
5、传动同步带传动特点能方便地实现较远中心距的传动；能方便地实现较远中心距的传动；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，耐腐不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；蚀，维护保养方便；强度高，厚度小，重量轻；强度高，厚度小，重量轻；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。同步带传动梯形齿同步带结构1-带背2-承载绳3-包布层4-带齿同步带主要参数谐波齿轮传动谐波齿轮传动谐波齿轮传动优点优点传动比大。传动比大。单级单级50-5000,最高可达最高可达30000以上以上承载能力大。承载能力
6、大。同时啮合齿数有同时啮合齿数有30%-40%传动精度高。传动精度高。啮合齿数多，误差均化啮合齿数多，误差均化可以向密封空间传递运动或动力。可以向密封空间传递运动或动力。传动平稳传动平稳。无冲击振动无冲击振动传动效率高传动效率高。单级在单级在69%-96%结构简单、体积小、重量轻。结构简单、体积小、重量轻。谐波齿轮传动谐波齿轮传动n用于机器人、雷达、射电望远镜、电子仪器、仪表等的大传动比传动机构中缺点缺点柔轮和波发生器制造复杂。传动比下限值较高。不能做成交叉轴和相交轴的结构。软轴传动滚珠花键机构2、机械系统 导向机构导向机构n导轨的组成和分类导轨的组成和分类n导轨按其接触面的摩擦性质可分为滑动
7、导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。n按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。n根据导轨之间的摩擦情况，常用导轨有滑动导轨和滚动导轨。对导轨的基本要求对导轨的基本要求（1）导向精度）导向精度（2）刚度）刚度（3）耐磨性）耐磨性（4）运动的灵活性和）运动的灵活性和低速运动的平稳性低速运动的平稳性直线运动导轨的几何精度塑料导轨塑料导轨n塑料导轨软带(贴塑导轨）n金属塑料复合导轨板n塑料涂层软带粘贴形式金属塑料复合导轨滚动导轨滚动导轨 摩擦系数小（摩擦系数小（0.003-0.005），运动灵活），运动灵活动、静摩擦系数基本相同，启动阻力小，动、静摩擦系数基本相同，启动阻力小，不易产生爬行现象不易产生爬行
8、现象可以预紧，刚度高可以预紧，刚度高寿命长寿命长精度高精度高润滑方便润滑方便 一次装填润滑脂，长期使用。一次装填润滑脂，长期使用。工作过程动态演示优点滚动导轨结构形式滚动体循环式导轨副滚动导轨副导轨用滚动轴承2、机械系统 执行机构执行机构n执行机构的分类执行机构的分类n热变形式热变形式n磁致伸缩式磁致伸缩式n工业机器人末端执行器工业机器人末端执行器图图2-42 热变形式微动机构原理热变形式微动机构原理2、机械系统 执行机构执行机构热变形式热变形式传动杆受热伸长，伸长量L(mm)为：nnL=L(t1-t0)=Ltnn式中：传动杆1材料的线性膨涨系数（um/.m）；nL传动杆长度（m）；nt1加热
9、后的温度（）；nt0加热前的温度（）；nt加热前后的温度差（）图图2-44 磁致伸缩式原理磁致伸缩式原理2、机械系统 执行机构执行机构磁致伸缩式磁致伸缩式n伸缩棒的变形量L(m)为：L=L式中，材料磁致伸缩系数（m/m）；L伸缩棒被磁化部分的长度（m）n100mm长的铁钴矾棒，磁致伸缩只能伸长7m。磁致伸缩式精密坐标工作台磁致伸缩式精密坐标工作台工业机器人末端执行器工业机器人末端执行器1、机械夹持器圆弧开合型、圆弧平行开合型、直线平行开合型2、特种末端执行器真空吸附手、电磁吸附手3、万能手（或灵巧手）圆弧开合型夹持器圆弧开合型夹持器 运动过程演示 圆弧平行开合型夹持器圆弧平行开合型夹持器 运动
10、过程演示运动过程演示 直线平行开合型夹持器直线平行开合型夹持器 特种末端执行器特种末端执行器(a)真空吸附手真空吸附手（b)喷枪喷枪（c)空气袋膨胀手空气袋膨胀手(d)弧焊焊枪弧焊焊枪(e)电磁吸附手电磁吸附手(f)点焊枪点焊枪 负压真空吸附手负压真空吸附手 具有磁粉袋的吸附手具有磁粉袋的吸附手灵巧手模仿人手的多指多关节机器人末端执行器 等效转动惯量n转动惯量：转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量，它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。n等效转动惯量：折算到某特定轴（电机轴）上的全部负载转动惯量Jd(Kg.m2)惯量匹配原则n电机轴上的总等效转动惯量Jd与电机轴自身的转动惯量Jm应控制在
11、：n比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车n通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理小惯量电机（Jm=0.00005kgm2）大惯量电机（Jm=0.1-0.6kgm2）等效转动惯量的计算n系统由有m个转动件和n个移动件组成，则系统运动部件的总能量为：n设等效轴的转动惯量为等效转动惯量的计算（教材P35）n系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效转动惯量为：n式中：Ji为第i个转动件的转动惯量（Kg.m2）；ni为其转速；nk为电机轴的转速（r/min）；nvj为第j个移动件的移动速度（m/min）；mj为其质量（Kg）等效力矩计算n系
12、统在t时间内，克服所受力矩和力所作的功为：n设等效到第k轴的等效力矩为则有:等效力矩计算n系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效力矩Tk为：nTi为第i个转动件的负载转矩（）；Fj为第j个移动件所受的负载力（N）启动时加速转矩n式中，Tamax为等效到电机轴上的加速转矩，单位;nJk为等效到电机轴上的总转动惯量,单位kg.m2;nmax为电机轴启动后达到的最高转速,单位r/min;t为启动过程需要时间,单位s注:系统制动时所需要制动力矩计算方法同上.系统带负载启动时需要的转矩n系统带负载启动时,电机需要转矩TM为等效负载转矩Tk和加速转矩Tamax之和,即:n例：如图数控机床
13、的进给伺服系统中，已知齿轮1的齿数Z1=25，转动惯量J1=0.0003Kg.m2，齿轮2的齿数Z2=50，转动惯量J2=0.0048Kg.m2，滚珠丝杠的转动惯量J3=0.003Kg.m2，丝杠螺距P=10mm，电机的转动惯量JM=0.0016 Kg.m2,工作台质量m=100Kg,驱动系统总效率,工作台与导轨面的摩擦系数为 。已知切削进给时沿进给方向阻力为100Kg,启动时电机达到最高转速500 r/min的启动加速时间为50ms。试求：n（1）系统转换到电机轴上的等效转动惯量是多少？n（2）系统空载启动和切削进给时转换到电机轴上的等效力矩分别是多少？电机工作台 mZ1 J1Z2 J2J3
14、n 工作台的最高移动速度:vn n n齿轮2的转速 n2=n1Z1/Z2=50025/50=250 r/min n等效转动惯量:J1=JM+J1+（J2+J3）（n2/n1）2+m(v/n1)2/42 n =0.0016+0.0003+(0.0048+0.003)(250/500)2+100(2.5/500)2/42 n =0.0016+0.0003+0.00195+0.000063=0.0039 Kg-m2 n(2)加速力矩Tan阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5(N)n空载启动等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M)切削阻力（N）n切削进
15、给等效力矩T=TF+Tf=1+0.02=1.02(N.M)作业题n1.1.什么是机电一体化？机电一体化什么是机电一体化？机电一体化系统的基本组成要素有哪些？系统的基本组成要素有哪些？n2.2.简要叙述机电一体化系统的共性简要叙述机电一体化系统的共性关键技术关键技术n3.3.常用的机械传动机构有哪些？各常用的机械传动机构有哪些？各有何特点有何特点n4.4.滑动导轨和滚动导轨各有何特点滑动导轨和滚动导轨各有何特点?分析计算题n如图已知齿轮如图已知齿轮1 1的齿数的齿数Z1=25Z1=25，转动惯量，转动惯量J1=0.0003Kg.m2 J1=0.0003Kg.m2，齿轮齿轮2 2的齿数的齿数Z2=
16、50Z2=50，转动惯量，转动惯量J2=0.0048Kg.m2 J2=0.0048Kg.m2，滚珠丝杠，滚珠丝杠的转动惯量的转动惯量J3=0.003Kg.m2 J3=0.003Kg.m2，丝杠螺距，丝杠螺距P=10mmP=10mm，电机的转，电机的转动惯量动惯量JM=0.0016 Kg.m2,JM=0.0016 Kg.m2,工作台质量工作台质量m=100Kg,m=100Kg,驱动系统总驱动系统总效率为效率为0.8,0.8,工作台与导轨面的摩擦系数为工作台与导轨面的摩擦系数为0.02,0.02,不考虑切削不考虑切削阻力阻力,电机达到最高转速电机达到最高转速500 r/min500 r/min的启动加速时间为的启动加速时间为50ms50ms。试求此系统转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩试求此系统转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩 电机工作台 mZ1 J1Z2 J2J3