第2章機(jī)械系統(tǒng)分析

1、第2章機(jī)械系統(tǒng)分析2.1機(jī)械系統(tǒng)的基本概念2.2機(jī)械傳動裝置2.3導(dǎo)向裝置2.1機(jī)械系統(tǒng)的基本概念2.1.1機(jī)械系統(tǒng)的基本概念機(jī)械系統(tǒng)一般由電動機(jī)、傳動裝置、導(dǎo)向裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置組成。2.1.2機(jī)械系統(tǒng)的功能及要求機(jī)械的功能是完成機(jī)械運(yùn)動。2.1.3機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是機(jī)和電兩種技術(shù)的綜合體。2.2機(jī)械傳動裝置2.2.1機(jī)械傳動裝置性能要求傳動裝置是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器，使執(zhí)行元件與負(fù)載間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。1)轉(zhuǎn)動慣量小。2)低摩擦。3)適當(dāng)?shù)淖枘帷?)剛度大。5)高諧振頻率。2.2.2常見傳動裝置分析1.滾珠絲杠副滾珠絲杠副是一種螺旋傳動機(jī)構(gòu)

2、，目前已成為精密傳動的數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械以及各種機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動機(jī)構(gòu)。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-1滾珠絲杠副傳動裝置1絲杠2螺母3滾珠4滾珠循環(huán)裝置2.2機(jī)械傳動裝置(1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及參數(shù)1)滾珠循環(huán)方式及螺紋滾道形式。圖2-2滾珠絲杠副a)內(nèi)循環(huán)b)外循環(huán)1、5螺母2、7反向器3、6滾珠4、8絲杠2)滾珠絲杠副主要尺寸參數(shù)。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-3滾珠絲杠副螺紋滾道a)單圓弧型b)雙圓弧型接觸角2.2機(jī)械傳動裝置圖2-4滾珠絲杠副主要尺寸參數(shù)1螺母2絲杠2.2機(jī)械傳動裝置2.2機(jī)械傳動裝置表2-1滾珠絲杠副的標(biāo)法3)標(biāo)注。4)精度等級。(2)滾珠絲杠副間隙調(diào)整法：滾珠絲杠

3、副的軸向間隙是工作時滾珠與滾道面接觸點(diǎn)的彈性變形引起的螺母位移量，它會影響反向傳動精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-5雙螺母墊片式調(diào)隙機(jī)構(gòu)1滾珠2螺母3墊片4絲杠2.2機(jī)械傳動裝置2M5.tif1)雙螺母墊片式調(diào)隙。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-6雙螺母螺紋式調(diào)隙機(jī)構(gòu)1鎖緊螺母2圓螺母3套筒4滾珠5絲杠6、8螺母7鍵2.2機(jī)械傳動裝置2)雙螺母螺紋式調(diào)隙。3)雙螺母齒差式調(diào)隙。(3) 滾珠絲杠副的安裝：滾珠絲杠的支承常采用以推力軸承為主的軸承組合，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇合適的軸承組合形式，進(jìn)而提高滾珠絲杠副的傳動精度和剛度。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-7雙螺母齒差式調(diào)隙機(jī)構(gòu)1套筒2圓柱齒輪

4、3、5內(nèi)齒輪4絲杠2.2機(jī)械傳動裝置圖2-8超越離合器1外圈2星輪3彈簧頂桿4滾柱2.2機(jī)械傳動裝置(4)滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)1)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)條件。工作載荷F(單位為N)或平均工作載荷Fm(單位為N)；使用壽命Lh(單位為h)；絲杠工作長度L(單位為m)；絲杠轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)；滾道硬度及運(yùn)轉(zhuǎn)情況。設(shè)計(jì)步驟。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，并經(jīng)過計(jì)算，選擇合適的滾珠絲杠參數(shù)。表2-2滾珠絲杠副載荷、硬度和精度系數(shù)表2.2機(jī)械傳動裝置表2-3滾珠絲杠副主要尺寸表2)設(shè)計(jì)示例2.2機(jī)械傳動裝置解a.計(jì)算額定動載荷Ca(單位為N)。其計(jì)算式為2.齒輪傳動裝置齒輪傳動機(jī)構(gòu)具有較高的可靠性和耐磨性，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中

5、得到廣泛應(yīng)用。2.2機(jī)械傳動裝置(1)傳動比最佳分配原則：當(dāng)設(shè)計(jì)齒輪傳動副時，除了計(jì)算出總傳動比外，當(dāng)選擇多級齒輪減速器時，還應(yīng)合理分配各級傳動比，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，提高效率和精度。1)等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。2)重量最輕原則。3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。圖2-9電機(jī)驅(qū)動負(fù)載模型2.2機(jī)械傳動裝置(2)調(diào)整間隙法：齒輪傳動裝置在工作中產(chǎn)生的間隙(主要是齒側(cè)間隙)會影響到它的變向功能，降低傳動精度，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以應(yīng)采取一些措施予以消除。1)錯齒法。墊片調(diào)整法。墊片調(diào)整法有斜齒輪墊片調(diào)整法和軸向墊片調(diào)整法兩種。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-10斜齒薄片齒輪錯齒墊片調(diào)整法示意圖1寬齒輪2、4薄片斜齒輪3

6、墊片2.2機(jī)械傳動裝置圖2-11帶錐度齒輪墊片調(diào)整法示意圖1、3帶錐度圓柱齒輪2墊片2.2機(jī)械傳動裝置彈簧調(diào)整法。彈簧調(diào)整法有雙片薄齒輪周向彈簧調(diào)整法、斜齒輪軸向壓簧法和斜齒碟形彈簧調(diào)整法3種。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-12薄片齒輪周向彈簧錯齒調(diào)整法示意圖1短柱2彈簧3、4薄片圓柱齒輪2.2機(jī)械傳動裝置圖2-13薄片斜齒輪軸向壓簧調(diào)整法示意圖1寬斜齒輪2、3薄片斜齒輪4彈簧5鍵6軸2.2機(jī)械傳動裝置圖2-14薄片斜齒輪碟形彈簧調(diào)整法示意圖1寬齒輪2、3薄片斜齒輪4螺母5墊片6碟形彈簧2.2機(jī)械傳動裝置2)偏心套法。3.其他傳動機(jī)構(gòu)(1)諧波齒輪減速器：諧波齒輪減速器主要由剛輪、柔輪和諧波發(fā)生器3

7、個構(gòu)件組成，如圖2-16所示。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-15偏心軸套式調(diào)整法示意圖1、2圓柱齒輪3偏心套4電動機(jī)5殼體2.2機(jī)械傳動裝置圖2-16諧波齒輪減速器1剛輪2柔輪3諧波發(fā)生器2.2機(jī)械傳動裝置(2)同步帶傳動：圖2-17為打印機(jī)中用到的同步帶結(jié)構(gòu)，它利用傳動帶作為中間的撓性件，依靠傳動帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運(yùn)動。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-17同步帶結(jié)構(gòu)2.2機(jī)械傳動裝置圖2-18與同步帶相嚙合的帶輪結(jié)構(gòu)2.2機(jī)械傳動裝置2.2.3傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械傳動系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，其作用不僅是為了實(shí)現(xiàn)減速(或增速)、變速、轉(zhuǎn)換運(yùn)動形式和使各執(zhí)行元件協(xié)調(diào)配合工作等運(yùn)動要求，同時還把電

8、動機(jī)輸出的功率和轉(zhuǎn)矩傳到執(zhí)行元件。1)根據(jù)已知條件確定最佳傳動方案。2)根據(jù)參數(shù)選擇結(jié)構(gòu)類型、畫出結(jié)構(gòu)圖。3)校核驗(yàn)算。2.2機(jī)械傳動裝置圖2-19數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)簡圖2.2機(jī)械傳動裝置圖2-20導(dǎo)軌副1支承導(dǎo)件2運(yùn)動件2.2機(jī)械傳動裝置1)盡可能采用簡短的運(yùn)動鏈，防止能量損失。2)機(jī)械效率要高。3)合理安排傳動機(jī)構(gòu)順序。2.3導(dǎo)向裝置2.3.1導(dǎo)向裝置的要求導(dǎo)軌副是導(dǎo)向裝置的常見件，由支承導(dǎo)件和運(yùn)動件兩部分組成，如圖2 20所示。1)導(dǎo)向精度高。2)剛度好。3)運(yùn)動平穩(wěn)。4)結(jié)構(gòu)工藝性好。2.3.2常見機(jī)構(gòu)分析1.滾動直線導(dǎo)軌滾動直線導(dǎo)軌的運(yùn)動方向?yàn)橹本€，支承導(dǎo)件與運(yùn)動件的兩接觸面間為滾動摩

9、擦，中間介質(zhì)為滾動體。1)導(dǎo)向精度高，運(yùn)動平穩(wěn)可靠，摩擦系數(shù)小，動作輕便、靈活，無爬行現(xiàn)象，微量位移準(zhǔn)確。2.3導(dǎo)向裝置圖2-21滾動體不循環(huán)的滾動導(dǎo)軌副1滾柱2滾珠2.3導(dǎo)向裝置2)可施加預(yù)緊力，預(yù)緊后導(dǎo)軌剛度提高，能承受較大沖擊和振動。3)壽命長。4)便于潤滑，故在精密產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。圖2-22滾動體循環(huán)的滾動導(dǎo)軌副2.靜壓導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌的工作原理是液壓油通過節(jié)流閥由側(cè)面油腔進(jìn)入支承導(dǎo)件與運(yùn)動件的間隙內(nèi)，然后經(jīng)回油孔返回油箱，2.3導(dǎo)向裝置如圖2-23所示。圖2-23靜壓導(dǎo)軌副16間隙7運(yùn)動件運(yùn)動件受垂直方向作用力運(yùn)動件受水平方向作用力2.3導(dǎo)向裝置2.3.3導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)1.根據(jù)已知的

10、工作條件選擇合適的導(dǎo)軌類型按運(yùn)動方向分類，導(dǎo)軌可分為直線運(yùn)動導(dǎo)軌副和回轉(zhuǎn)運(yùn)動導(dǎo)軌副；按支承導(dǎo)件與運(yùn)動件接觸摩擦情況分類，導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌副、滾動導(dǎo)軌副和氣、液導(dǎo)軌副。2.選擇導(dǎo)軌截面形狀常見導(dǎo)軌截面形狀見表2-4。表2-4導(dǎo)軌截面形狀2.3導(dǎo)向裝置表2-4導(dǎo)軌截面形狀2.3導(dǎo)向裝置表2-4導(dǎo)軌截面形狀2.3導(dǎo)向裝置凸形導(dǎo)軌不易存切屑等臟物，但也不存潤滑油。凹形導(dǎo)軌易存切屑、臟物，造成堵塞，但易存潤滑油，適宜高速工作。3.通過計(jì)算選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)(1)計(jì)算額定動載荷Ca(單位為N)表2-5導(dǎo)軌負(fù)荷系數(shù)表2-6導(dǎo)軌硬度系數(shù)2.3導(dǎo)向裝置表2-7導(dǎo)軌溫度系數(shù)表2-8導(dǎo)軌接觸系數(shù)(2)選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)：依據(jù)

11、CaCa的原則選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。4.其他參數(shù)的選擇(1)導(dǎo)軌材料的選擇：鑄鐵耐磨性好、熱穩(wěn)定性高、減振性好、成本低、易于加工，在滑動導(dǎo)軌中得到廣泛應(yīng)用。2.3導(dǎo)向裝置(2)調(diào)整裝置的選擇：導(dǎo)軌工作時會產(chǎn)生間隙，間隙過小會增加摩擦阻力，間隙過大會降低導(dǎo)向精度，所以應(yīng)選擇合適的調(diào)整裝置。圖2-24滑動導(dǎo)軌副調(diào)隙結(jié)構(gòu)a)壓板調(diào)隙b)鑲條調(diào)隙1壓板2接觸面3鑲條2.3導(dǎo)向裝置5.設(shè)計(jì)示例現(xiàn)以設(shè)計(jì)滾動直線導(dǎo)軌為例，已知作用在滑座上的載荷F18000N，滑座數(shù)M4，單向行程長度lS0.8m，2.3導(dǎo)向裝置每分鐘往返次數(shù)為3，工作溫度不超過120C，工作速度為40m/min，每天開機(jī)6h，每年工作300個工作日

12、，要求工作8年以上，滾道表面硬度取60HRC。解由已知條件得額定工作時間壽命Th和額定行程長度系數(shù)TS分別為1.簡述機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)的涵義。2.簡述機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)的功能區(qū)別。3.簡述機(jī)械傳動裝置在機(jī)電一體化產(chǎn)品中的性能要求。4.簡述滾珠絲杠副的特點(diǎn)。5.滾珠絲杠副的工作間隙是怎么產(chǎn)生的？如何消除？6.如何設(shè)計(jì)齒輪傳動裝置的總傳動比與各級傳動比？7.簡述齒輪傳動的齒側(cè)間隙調(diào)整方法。2.3導(dǎo)向裝置8.諧波齒輪減速器是如何實(shí)現(xiàn)減速的？9.如圖2-23所示，若液體靜壓導(dǎo)軌受一順時針方向的翻轉(zhuǎn)力矩，試分析靜壓導(dǎo)軌的工作狀況。10.畫出機(jī)械傳動裝置方案設(shè)計(jì)框圖。11.某數(shù)控銑床工作臺進(jìn)給用滾珠絲杠副平均工作