機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立一、基本物理量的折算一、基本物理量的折算1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算2粘性阻尼系數(shù)的折算3彈性變形系數(shù)的折算二、建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型二、建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型把各種物理量都折算到電動(dòng)機(jī)軸上后，就可以建立數(shù)學(xué)模型了。圖2-1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)圖2-2 彈性變形等效作用圖第1頁/共24頁第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)伺服系統(tǒng)性能的影響機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)伺服系統(tǒng)性能的影響一、阻尼的影響一、阻尼的影響1) 當(dāng)阻尼比 時(shí)，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)。2) 當(dāng) 時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。3) 當(dāng) 時(shí)，系統(tǒng)為欠阻尼

2、系統(tǒng)。圖2-3 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線第2頁/共24頁三、結(jié)構(gòu)彈性變形三、結(jié)構(gòu)彈性變形 當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載按指令運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)所有的元件都會(huì)因受力而產(chǎn)生程度不同的彈性變形。 當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率接近或落入伺服系統(tǒng)帶寬之中時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而無法工作。四、慣量的影響四、慣量的影響慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢。二、摩擦的影響二、摩擦的影響 摩擦力可分為粘性摩擦力、庫侖摩擦力和靜摩擦力三種，方向均與運(yùn)動(dòng)方向相反。摩擦對(duì)伺服系統(tǒng)的影響主要有：1摩擦引起動(dòng)態(tài)滯后和系統(tǒng)誤差2摩擦引起的低速爬行第3頁/共24頁五、間隙的影響五、間隙的影響這些間隙對(duì)伺服系統(tǒng)性能有很大影響，下面以齒輪間隙為例進(jìn)行

3、分析。1) 閉環(huán)之外數(shù)據(jù)傳遞的齒輪 齒隙，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。2) 閉環(huán)之內(nèi)傳遞動(dòng)力的齒輪 齒隙，對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)精度無影響，這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)有自動(dòng)校正作用。3) 反饋回路上數(shù)據(jù)傳遞齒輪 齒隙既影響穩(wěn)定性，又影響精度。圖 2-7 典型轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)框圖第4頁/共24頁第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)一、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的要求一、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的要求 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能，要求機(jī)械傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振性好、間隙小，并滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性等要求。二、總傳動(dòng)比的確定二、總傳動(dòng)比的確定 在伺服系統(tǒng)中，通常采用負(fù)載

4、角加速度最大原則選擇總傳動(dòng)比，以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(四) 三種原則的選擇三、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配三、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配(一) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則(二) 質(zhì)量最小原則(三) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則第5頁/共24頁1) 對(duì)于傳動(dòng)精度要求高的降速齒輪傳動(dòng)鏈，可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則設(shè)計(jì)。2) 對(duì)于要求運(yùn)轉(zhuǎn)干穩(wěn)、啟停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的降速傳動(dòng)鏈，可按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則設(shè)計(jì)。3) 對(duì)于要求質(zhì)量盡可能小的降速傳動(dòng)鏈，可按質(zhì)量最小原則設(shè)計(jì)。(四) 三種原則的選擇第6頁/共24頁四、機(jī)械傳動(dòng)裝置四、機(jī)械傳動(dòng)裝置(一) 同步帶傳動(dòng) 如圖 2-18 所

5、示，帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應(yīng)齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。同步帶傳動(dòng)具有如下特點(diǎn)：1) 傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高；2) 工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)；3) 不需潤(rùn)滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護(hù)保養(yǎng)方便；4) 中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高；5) 制造工藝復(fù)雜，成本高。圖 2-18 同步傳動(dòng)單擊看視頻2同步帶 的分類及應(yīng)用本節(jié)主要介紹梯型齒同步帶傳動(dòng)。第7頁/共24頁3同步帶的結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)和尺寸規(guī)格(1) 結(jié)構(gòu)和材料 同步齒形帶一般由帶背，承載繩、帶齒組成。如圖 2-19 所示。(2) 主要參數(shù)和規(guī)格 同步帶的主要參數(shù)是帶齒的節(jié)距 。如圖 2-20 所示。(3) 同步帶的標(biāo)記 帶的

6、標(biāo)記包括長(zhǎng)度代號(hào)、型號(hào)、寬度代號(hào)。雙面齒同步帶還應(yīng)再加上符合D 或D 。如圖 2-21 所示。 圖2-19 梯形齒同步帶構(gòu)造1帶背2承載繩3包布層4帶齒圖2-20 同步帶主要參數(shù)a) D型b) D型圖2-21 雙面齒類型第8頁/共24頁4同步帶輪(1) 帶輪的結(jié)構(gòu)、材料帶輪材料一般采用鑄鐵或鋼。高速、小功率時(shí)可采用塑料或輕合金。帶輪結(jié)構(gòu)如圖2-22所示。(2) 帶輪的參數(shù)及尺寸規(guī)格1) 齒形2) 齒數(shù)3) 帶輪的標(biāo)記5同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 同步帶傳動(dòng)的主要失效形式有三種：同步帶的承載繩疲勞拉斷；同步帶的打滑和跳齒；同步帶齒的磨損。圖2-22 同步帶輪1齒圈2擋圈3輪轂第9頁/共24頁 設(shè)計(jì)的任

7、務(wù)是確定帶的型號(hào)、節(jié)距、節(jié)線長(zhǎng)度、帶寬、中心距及帶輪的齒數(shù)、直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。(1) 確定帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率(2) 選擇帶的型號(hào)和節(jié)距(3) 帶輪齒數(shù)(4) 帶輪的節(jié)圓直徑小帶輪節(jié)圓直徑：大帶輪節(jié)圓直徑：(5) 驗(yàn)算帶速 同步帶傳動(dòng)速度(6) 同步帶節(jié)線長(zhǎng)度第10頁/共24頁(7) 計(jì)算同步帶齒數(shù)(8) 確定傳動(dòng)的中心距(9) 校驗(yàn)小帶輪與帶的嚙合齒數(shù)(10) 確定同步帶寬(11) 帶的工作能力驗(yàn)算第11頁/共24頁(二) 諧波齒輪傳動(dòng)1. 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理諧波齒輪傳動(dòng)主要由波形發(fā)生器H 、柔輪 1 和剛輪 2 組成。圖 2-25 所示的波發(fā)生器有兩個(gè)觸頭，稱雙波發(fā)生器。2諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

8、1) 傳動(dòng)比大2) 承載能力大3) 傳動(dòng)精度高4) 可以向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力5) 傳動(dòng)平穩(wěn)6) 傳動(dòng)效率較高7) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小。 圖 2-25 諧波齒輪傳動(dòng)單擊看視頻第12頁/共24頁3諧波齒輪的傳動(dòng)比計(jì)算4諧波齒輪傳動(dòng)的齒形參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算(1) 齒形(2) 齒形角(3) 齒數(shù)(4) 諧波高度 表 2-6 單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比1) 柔輪和波發(fā)生器制造復(fù)雜，需專門設(shè)備，成本較高；2) 傳動(dòng)比下限值較高；3) 不能做成交叉軸和相交軸的結(jié)構(gòu)。諧波齒輪傳動(dòng)的缺點(diǎn)：第13頁/共24頁5諧波齒輪傳動(dòng)各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和材料(1) 柔輪(2) 剛輪(3) 波發(fā)生器6諧波齒輪減速器圖2-29

9、 杯形柔輪圖2-30 帶凸緣 環(huán)狀剛輪圖2-31 雙滾輪式 波發(fā)生器圖2-32 柔性軸承凸輪式波發(fā)生器1輪 2柔輪 3凸輪 4柔性軸承第14頁/共24頁(三) 滾珠花鍵傳動(dòng)滾珠花鍵傳動(dòng)裝置由花鍵軸、花鍵套、循環(huán)裝置及滾珠等組成，如圖 2-34 所示。 圖2-34 滾珠花鍵傳動(dòng)1保持架2橡皮密封圈3鍵槽4外筒5油孔6負(fù)荷滾珠列7退出滾珠列8花鍵軸第15頁/共24頁第四節(jié)第四節(jié) 支承部件支承部件一、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)支承部件的要求一、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)支承部件的要求 常用的支承部件主要有軸承、導(dǎo)軌和機(jī)身 (或基座) 等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)支承部件的要求是：精度高、剛度大、熱變形小、抗振性好、可靠性高，

10、并且有良好的摩擦特性和結(jié)構(gòu)工藝性。二、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)支承二、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)支承(一) 概述 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)支承主要指滾動(dòng)軸承、動(dòng)、靜壓軸承、磁軸承等各種軸承。它的作用是支承作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸或絲杠。(二) 滾動(dòng)軸承1標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承(1) 空心圓錐滾子軸承 圖2-36所示是雙列和單列空心圓錐滾子軸承。(2) 陶瓷滾動(dòng)軸承 陶瓷滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)與一般滾動(dòng)軸承相同。圖 2-36 空心圓錐滾子軸承a)b)第16頁/共24頁2非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承(1) 微型滾動(dòng)軸承(2) 密珠軸承 它由內(nèi)、外圈和密集于二者間并具有過盈配合的鋼珠組成。a) 徑向軸承b) 推力軸承c) 徑向軸承保持架d) 推力軸承保持架第17頁/共24頁(三) 靜壓軸承

11、1液體靜壓軸承 靜壓軸承是流體摩擦支承的基本類型之一，它是在軸頸與軸承之間充有一定壓力的液體或氣體，將轉(zhuǎn)軸浮起并承受負(fù)荷的一種軸承。2氣體靜壓軸承圖 2-45 為氣體靜壓向心軸承簡(jiǎn)圖。圖2-42 靜壓支承系統(tǒng)的組成圖2-45 氣體靜壓向心軸承1軸2軸承3進(jìn)氣孔第18頁/共24頁(四) 磁軸承磁軸承主要由兩部分組成：軸承本身及其電器控制系統(tǒng)。三、直線運(yùn)動(dòng)支承三、直線運(yùn)動(dòng)支承(一) 慨述 直線運(yùn)動(dòng)支承主要指直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副，它的作用是保證所支承的各部件(如工作臺(tái)、尾座等)的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)精度。 圖2-7 磁力軸承1比較元件2調(diào)節(jié)器3功率放大器4轉(zhuǎn)子5位移傳感器6電磁鐵第19頁/共24頁(二) 塑料導(dǎo)

12、軌塑料導(dǎo)軌是在滑動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝塑料而成的。常用的塑料導(dǎo)軌材料有以下三種：1塑料導(dǎo)軌軟帶2. 金屬塑料復(fù)合導(dǎo)軌板3塑料涂層(三) 滾動(dòng)導(dǎo)軌1分類1) 按滾動(dòng)體形狀不同，可分為滾珠導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌、滾針導(dǎo)軌三種，如圖 2-51 所示。2) 按滾動(dòng)體的循環(huán)方式，又可分為滾動(dòng)體不循環(huán)式導(dǎo)軌和滾動(dòng)體循環(huán)式導(dǎo)軌兩種。 圖251 滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式a) 滾珠導(dǎo)軌b) 滾柱導(dǎo)軌c) 滾針導(dǎo)軌第20頁/共24頁2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副它由導(dǎo)軌和滑塊組成?；瑝K的數(shù)量可根據(jù)需要而定。3滾動(dòng)導(dǎo)軌塊滾動(dòng)導(dǎo)軌塊 (又稱滾子導(dǎo)軌塊) 。滾子在導(dǎo)軌塊內(nèi)作周而復(fù)始的循環(huán)滾動(dòng)。4直線運(yùn)動(dòng)球軸承及其導(dǎo)軌副直線運(yùn)動(dòng)球軸承有三種結(jié)構(gòu)形式，如圖 2-

13、55 所示。標(biāo)準(zhǔn)型 (ZX)調(diào)整型 (ZX-t)開放型 (ZX-k) 圖2-55 直線運(yùn)動(dòng)球軸承結(jié)構(gòu)形式a) ZX 型b) ZX-T型c) ZX-K型第21頁/共24頁四、機(jī)身四、機(jī)身機(jī)身包括床身、立柱、底基 (基座)、支架、工作臺(tái)等支承件。(一) 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 保證剛度在設(shè)計(jì)時(shí)，可從通過合理布置肋板和加強(qiáng)肋來提高剛度。肋板按布置形式可分為縱向肋板、橫向肋板和斜置肋板三種。2減少熱變形(1) 減少發(fā)熱(2) 控制溫升(3) 選擇熱變形小的結(jié)構(gòu)形式3提高抗振性 措施主要有：提高系統(tǒng)的靜剛度、增大阻尼以及調(diào)整構(gòu)件的質(zhì)量和自振頻率。(四) 靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌的工作原理與靜壓軸承類似。第22頁/共24頁(二) 材料和熱處理 機(jī)身的材料，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、剛度、吸振性和耐磨性，并具有良好的鑄造或焊接工藝性，還希望成本較低。1鑄鐵2低碳鋼板3. 花崗石4良好的結(jié)構(gòu)工藝性5