機(jī)電一體化1-1

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院張 帆2008.8教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容第第0章章 總總 論論第第1章章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計第第2章章 檢測系統(tǒng)設(shè)計檢測系統(tǒng)設(shè)計第第3章章 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 第第4章章 伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)設(shè)計第第5章章 計算機(jī)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計計算機(jī)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計第第1 1章章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計1.3 1.3 機(jī)械系統(tǒng)載荷的類型及確定機(jī)械系統(tǒng)載荷的類型及確定1.4 1.4 機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計1.1 1.1 概述概述一、機(jī)械系統(tǒng)的定義一、機(jī)械系統(tǒng)

2、的定義傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)組成：傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)組成： 動力件、傳動件、執(zhí)行件、動力件、傳動件、執(zhí)行件、電氣、機(jī)械控制電氣、機(jī)械控制現(xiàn)代機(jī)械：現(xiàn)代機(jī)械：由計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的、用由計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的、用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動和能量流等動力學(xué)任務(wù)于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動和能量流等動力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和的機(jī)械和( (或或) )機(jī)電部件一體化的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電部件一體化的機(jī)械系統(tǒng) ，是機(jī)，是機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)。核心是由計算機(jī)控制的、包電一體化機(jī)械系統(tǒng)。核心是由計算機(jī)控制的、包括機(jī)、電、液、光等技術(shù)的伺服系統(tǒng)。括機(jī)、電、液、光等技術(shù)的伺服系統(tǒng)。1.1 1.1 概述概述二、機(jī)電一體化對機(jī)械系統(tǒng)的基本要求二、機(jī)電

3、一體化對機(jī)械系統(tǒng)的基本要求1.1.高精度高精度 ：精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，機(jī)電一體化產(chǎn)品的精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品有很大的提技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品有很大的提高，因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。高，因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。2.2.快速響應(yīng)快速響應(yīng) ：要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時間間隔短。定的任務(wù)之間的時間間隔短。3.3.良好的穩(wěn)定性：良好的穩(wěn)定性：要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，

4、抗干擾能力強(qiáng)。影響，抗干擾能力強(qiáng)。此外，還要求機(jī)械系統(tǒng)具有此外，還要求機(jī)械系統(tǒng)具有較大的剛度較大的剛度、良好的可靠性良好的可靠性和和重重量輕量輕、體積小體積小、壽命長壽命長。 1.1 1.1 概述概述三、機(jī)械系統(tǒng)的組成三、機(jī)械系統(tǒng)的組成 1.1.傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu) ：如，齒輪傳動機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪傳動機(jī)構(gòu)、絲如，齒輪傳動機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪傳動機(jī)構(gòu)、絲杠傳動機(jī)構(gòu)、鏈傳動、帶傳動等。杠傳動機(jī)構(gòu)、鏈傳動、帶傳動等。要求：要求：滿足整個機(jī)械系統(tǒng)良好的滿足整個機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能伺服性能；要滿足；要滿足傳動精度傳動精度要求；滿足要求；滿足小型小型、輕量輕量、高速高速、低噪聲低噪聲和和高可靠性高可靠性要求。要求。

5、 2.2.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向機(jī)構(gòu) ：作用是支承和導(dǎo)向，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動裝作用是支承和導(dǎo)向，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動提供保障。如，置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動提供保障。如，滾動導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)軌等。滾動導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)軌等。3.3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) ：根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預(yù)定的操作。如，電動機(jī)、液壓缸、氣缸、液壓馬達(dá)、成預(yù)定的操作。如，電動機(jī)、液壓缸、氣缸、液壓馬達(dá)、以及各種電磁鐵、或機(jī)械手等等。以及各種電磁鐵、或機(jī)械手等等。 要求：要求：有較高的有較高的靈敏度靈敏度、精確度精確度，良好的，良好的重復(fù)性重復(fù)性和

6、和可靠性可靠性。1.1 1.1 概述概述 進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)1 1、進(jìn)給系統(tǒng)的功用、進(jìn)給系統(tǒng)的功用協(xié)助完成加工表面的成形運(yùn)動，傳遞所需的運(yùn)動及動力。協(xié)助完成加工表面的成形運(yùn)動，傳遞所需的運(yùn)動及動力。2 2、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的組成、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的組成傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)+ +運(yùn)動變換機(jī)構(gòu)運(yùn)動變換機(jī)構(gòu)+ +導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)+ +執(zhí)行件（工作臺）執(zhí)行件（工作臺）傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu): : 齒輪傳動、同步帶傳動齒輪傳動、同步帶傳動運(yùn)動變換：絲杠螺母副、蝸桿齒條副、齒輪齒條副等運(yùn)動變換：絲杠螺母副、蝸桿齒條副、齒輪齒條副等導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：導(dǎo)軌（滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：導(dǎo)軌

7、（滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌）工作臺導(dǎo)軌副1.1 1.1 概述概述3 3、主要要求、主要要求(1) (1) 減小摩擦力減小摩擦力采用摩擦力及動靜摩擦力差值較小的傳動件及導(dǎo)軌采用摩擦力及動靜摩擦力差值較小的傳動件及導(dǎo)軌. . (2) (2) 提高傳動精度和剛度提高傳動精度和剛度消除傳動間隙消除傳動間隙, ,增加傳動系統(tǒng)剛度增加傳動系統(tǒng)剛度. .(3) (3) 減小運(yùn)動慣量減小運(yùn)動慣量快速響應(yīng)快速響應(yīng). .減小運(yùn)動部件質(zhì)量減小運(yùn)動部件質(zhì)量. .1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計對傳動機(jī)構(gòu)要求對傳動機(jī)構(gòu)要求1.轉(zhuǎn)動慣量小

8、轉(zhuǎn)動慣量小1)轉(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機(jī)械負(fù)載增大；負(fù)載增大； 2)轉(zhuǎn)動慣量大系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下轉(zhuǎn)動慣量大系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降；降； 3)轉(zhuǎn)動慣量大系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)動慣量大系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。諧振。 1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計2.剛度大剛度大 伺服系統(tǒng)動力損失隨之減??；伺服系統(tǒng)動力損失隨之減??； 機(jī)構(gòu)固有頻率高，超出機(jī)構(gòu)的頻帶寬度，機(jī)構(gòu)固有頻率高，超出機(jī)構(gòu)的頻帶寬度，使之不易產(chǎn)生共振；使之不易產(chǎn)生共振； 增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.阻尼合適阻尼合適 1.

9、2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計 一、無側(cè)隙齒輪傳動機(jī)構(gòu)一、無側(cè)隙齒輪傳動機(jī)構(gòu)齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特點：齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特點：1)瞬時傳動比為常數(shù)；瞬時傳動比為常數(shù)；2)傳動精確度高；傳動精確度高；3)可可做到零側(cè)隙無回差；做到零側(cè)隙無回差；4)強(qiáng)度大能承受重載；強(qiáng)度大能承受重載；5)結(jié)構(gòu)緊湊；結(jié)構(gòu)緊湊；6)摩擦力小和效率高摩擦力小和效率高 功用：功用：轉(zhuǎn)矩匹配；轉(zhuǎn)矩匹配； 慣量匹配；脈沖當(dāng)量匹配；降速慣量匹配；脈沖當(dāng)量匹配；降速1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計消除傳動間隙消除傳動間隙作用：消除反向間隙，提高傳動精度作用：消除反向間隙，提高傳動精度方法：使嚙

10、合狀態(tài)輪齒的兩側(cè)均處于接觸狀方法：使嚙合狀態(tài)輪齒的兩側(cè)均處于接觸狀實現(xiàn)：偏心軸調(diào)整、軸向墊片調(diào)整實現(xiàn)：偏心軸調(diào)整、軸向墊片調(diào)整 （剛性）（剛性） 軸向壓簧調(diào)整、周向壓簧調(diào)整（柔性）軸向壓簧調(diào)整、周向壓簧調(diào)整（柔性）徑向（中心矩）調(diào)隙法；軸向調(diào)隙法；周向徑向（中心矩）調(diào)隙法；軸向調(diào)隙法；周向(切向）調(diào)隙切向）調(diào)隙1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計1.2 1.2 常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計常用傳動支承系統(tǒng)設(shè)計一、無側(cè)隙齒輪傳動機(jī)構(gòu)一、無側(cè)隙齒輪傳動機(jī)構(gòu)消除傳動間隙消除傳動間隙作用：消除反向間隙，提高傳動精度作用：消除反向間隙，提高傳動精度方法：使嚙合狀態(tài)輪齒的兩側(cè)均處于接觸狀方法：

11、使嚙合狀態(tài)輪齒的兩側(cè)均處于接觸狀實現(xiàn)：偏心軸調(diào)整、軸向墊片調(diào)整實現(xiàn)：偏心軸調(diào)整、軸向墊片調(diào)整 （剛性）（剛性） 軸向壓簧調(diào)整、周向壓簧調(diào)整（柔性）軸向壓簧調(diào)整、周向壓簧調(diào)整（柔性）徑向（中心矩）調(diào)隙法；軸向調(diào)隙法；周向徑向（中心矩）調(diào)隙法；軸向調(diào)隙法；周向(切向）調(diào)隙法切向）調(diào)隙法 圖圖2.9 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖 特點：特點： (1)(1)傳動效率高：傳動效率高： 0.900.90到到0.960.96 ；(2)(2)傳動精度高、剛度好：可消除間隙；傳動精度高、剛度好：可消除間隙；(3)(3)定位精度和重復(fù)定位精度高定位精度和重復(fù)定位精度高；(4)(4)運(yùn)動平穩(wěn)

12、運(yùn)動平穩(wěn)；(5)(5)摩擦阻力小摩擦阻力小: :靜摩擦阻力及動靜摩擦靜摩擦阻力及動靜摩擦阻力差值小阻力差值小；(6)(6)不能自鎖、有可逆性不能自鎖、有可逆性。圖圖2.12 2.12 內(nèi)循環(huán)方式原理圖內(nèi)循環(huán)方式原理圖1. 1.凸鍵凸鍵 2 2、3.3.反向器反向器 1. 1.同同F(xiàn)-SF-S的的1 12.2.若軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定若軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的的4 4倍倍3.3.絲杠不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率絲杠不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定高比一端固定高4.4.可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和熱補(bǔ)

13、償膨脹，但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)垂和熱補(bǔ)償膨脹，但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較困難及工藝都比較困難5.5.要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠，其目標(biāo)行程應(yīng)略小于要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠，其目標(biāo)行程應(yīng)略小于公稱行程，減少量等于拉伸量公稱行程，減少量等于拉伸量兩端固定兩端固定(F-F)(F-F) 1. 1.需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難工藝較困難2.2.絲杠的軸向剛度和絲杠的軸向剛度和F-OF-O相同相同3.3.壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的F-OF-O型高型高4.4.絲杠有熱膨脹的余地絲杠有熱膨脹的余地5.5.適用于較長的

14、臥式安裝絲杠適用于較長的臥式安裝絲杠 一端固定一端固定一端游動一端游動(F-S)(F-S) 1. 1.結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單2.2.絲杠的軸向剛度比兩端固定低絲杠的軸向剛度比兩端固定低3.3.絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低4.4.設(shè)計時盡量使絲杠受拉伸設(shè)計時盡量使絲杠受拉伸5.5.適用于較短和豎直的絲杠適用于較短和豎直的絲杠 一端固定一端固定一端自由一端自由(F-O)(F-O) 支承形式支承形式 簡簡 圖圖 特特 點點 工作時：在線圈7作用下，使齒輪8與內(nèi)齒輪9脫開，彈簧受壓縮；當(dāng)停機(jī)或停電時：7失電，在彈簧恢復(fù)力作用下，齒輪8、9嚙合，齒輪9與電機(jī)端蓋為一體，故與

15、電機(jī)軸聯(lián)接的絲杠得到制動。 hL工作臺導(dǎo)軌副數(shù)控機(jī)床常用導(dǎo)軌形式數(shù)控機(jī)床常用導(dǎo)軌形式塑料導(dǎo)軌：滑動摩擦滾動導(dǎo)軌：滾動摩擦靜壓導(dǎo)軌：液體摩擦摩擦系數(shù)小（較高的靈敏度），動靜摩擦系數(shù)之差小（低速平穩(wěn)性好）滾動導(dǎo)軌塊滾動導(dǎo)軌塊鑲鋼導(dǎo)軌鑲鋼導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌塊滾動導(dǎo)軌塊上導(dǎo)軌上導(dǎo)軌下導(dǎo)軌下導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌組件滾動導(dǎo)軌組件結(jié)構(gòu)、形式結(jié)構(gòu)、形式直 線直 線 滾滾 動動 導(dǎo) 軌導(dǎo) 軌弧 形 滾 動 導(dǎo) 軌弧 形 滾 動 導(dǎo) 軌兩維直線滾動導(dǎo)軌兩維直線滾動導(dǎo)軌直 線 滾 動 導(dǎo) 軌 單 元直 線 滾 動 導(dǎo) 軌 單 元組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu) 安裝組合形式 標(biāo)準(zhǔn)組合 倒裝組合 側(cè)裝組合之一 側(cè)裝組合之二 混裝組合 導(dǎo)軌防護(hù)專

16、用軟式防護(hù)罩大型軟式防護(hù)罩疊層式護(hù)罩圓 柱 滾 動 導(dǎo) 軌圓 柱 滾 動 導(dǎo) 軌 塑料導(dǎo)軌的特點塑料導(dǎo)軌的特點摩擦系數(shù)較小，0.040.06動靜摩擦系數(shù)之差小，且摩 擦系數(shù)曲線具有上揚(yáng)特性 剛度高，承載能力強(qiáng)加工工藝簡單價格低 應(yīng)用應(yīng)用 數(shù)控化改造機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床（最高速度：vmax=30 m/min）fv塑料-鋼滑動摩擦鋼-鋼滑動摩擦dtdJTTDDeDeDDmDmmDeiTTdtdnGDTTDDeDeD3752DDn260DeDegJgmRRmgGD44)2(22222112211DmmDDDmmDDDeiJiJJJJJJ22212122DmmDDDeiGDiGDGDGDDmi2DGD2

17、1GD2mGD1Di22211DmmDrrDDDevmiJiJJJ222212122364DmmDrrDDDenvGiGDiGDGDGDmvmmmG 上圖LL 2.2.滿足伺服驅(qū)動要求的總傳動比確定滿足伺服驅(qū)動要求的總傳動比確定 (1)開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動計算開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動計算 齒輪副的傳動比齒輪副的傳動比 式中，式中， 為步進(jìn)電動機(jī)的脈沖當(dāng)量為步進(jìn)電動機(jī)的脈沖當(dāng)量 ； 為為 步進(jìn)電動機(jī)的步距角步進(jìn)電動機(jī)的步距角 ； 為為 絲杠導(dǎo)程絲杠導(dǎo)程 。hPu0360hP (2)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動計算閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動計算電動機(jī)至工作臺的關(guān)系為電動機(jī)至工作臺的關(guān)系為 式中式中, 工作臺的移動速度（工作

18、臺的移動速度（mm/min）, ； n為伺服電為伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速動機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min), ； 為脈沖頻率為脈沖頻率(次次s)； 為絲為絲杠導(dǎo)程杠導(dǎo)程(mm)； 為伺服電動機(jī)每轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)。為伺服電動機(jī)每轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)。hnPvu vmfn/60fhPmf6022414221214122212121iiiJiJiiJJiiJiJiJJJAAAADCBAL4122121212221211111iiiiJiiiiJAA01iJL0222161iii12214121412iiii6122121)2()2(iii以 .JT J.TT.JLMJJJMJLJJLJ141LMJJ131LMJJ41LMJJDEE 2121NjjjiMiiLvmJJNjjjiMiivmJE12212121221LDJEtvFtTWjNjjiMii11tTWLDjNjjiMii