機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)第1頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.1 機(jī)械精度 為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，通常對機(jī)電一體化系統(tǒng)提出以下要求： (1)高精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，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。如果機(jī)械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機(jī)電一體化產(chǎn)品其它系統(tǒng)工作怎樣精確，也無法完成其預(yù)定的機(jī)械操作。第2頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四 (2) 快速響應(yīng)性 即要求機(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，這樣控制

2、系統(tǒng)才能及時根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù)。 (3) 良好的穩(wěn)定性 即要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)。2.1 機(jī)械精度第3頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四 精度與誤差是一對互相相反的概念。 2.1 機(jī)械精度 誤差：對某一特點的物理量進(jìn)行度量時，所測得數(shù)值與真值的差值。 精度的高低是以誤差的大小來衡量的，誤差越大精度越低。包括準(zhǔn)確度、精密度、精確度。 準(zhǔn)確度：反映系統(tǒng)誤差 精密度：反映隨機(jī)誤差 精確度：綜合反映第4頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.1 機(jī)械精度系統(tǒng)誤差：儀器結(jié)構(gòu)不萬征或未經(jīng)很好校準(zhǔn)

3、產(chǎn)生的誤差。按規(guī)律變化隨機(jī)誤差：因為偶然因素產(chǎn)生的誤差。時大時小，不超過一定范圍第5頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四 2.1.1 反映整體設(shè)備的精度概念 2.1 機(jī)械精度（1）機(jī)床精度：機(jī)床在未受外載作用下的原始精度。以允差形式來描述。（2）幾何精度：機(jī)床或儀器在不運動或運動速度較低時的精度。規(guī)定了相對位置允差。（4）機(jī)床定位精度：機(jī)床或儀器主要部件在運動終點所能達(dá)到的實際位置的精度。分手動定位、自動間歇定位和連續(xù)定位。（3）傳動精度：機(jī)械傳動鏈單項傳動時，其輸入端與輸出端瞬時傳動比的實際值與理論值之差。通常以傳動誤差來衡量。第6頁，共47頁，2022年，5月20日，3

4、點39分，星期四（5）機(jī)床加工精度：機(jī)床在加工工件時所能達(dá)到的精確度。加工時體現(xiàn)出的精度。 2.1 機(jī)械精度（6）動態(tài)精度：系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)誤差。常用典型零件的加工或測試，間接做出評價。（8）裝配精度：不同零件或部件按照特定要求組裝成具有一定功能的綜合精度。包括相對位置精度、運動精度、接觸精度。（7）重復(fù)精度：在同一測量方法及測試條件下，在不太長的時間間隔內(nèi)，連續(xù)多次測量同一個物理參數(shù)，所得數(shù)據(jù)的分散程度。第7頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（9）運動精度：設(shè)備主要零部件在以工作速度運動時的精度。常用運動誤差來表示。2.1 機(jī)械精度（10）測量精度：計量儀器或測量系統(tǒng)的使

5、用精度。常用測得值與被測值的偏差程度來衡量。注意：重復(fù)精度和再現(xiàn)精度的區(qū)別。（11）再現(xiàn)精度：在不同的測量方法和測試條件下，以較長的時間間隔對同一物理參數(shù)作多次測量所得數(shù)據(jù)的接近程度。第8頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.1.2 涉及零件的精度概念2.1 機(jī)械精度1、加工精度：零件經(jīng)機(jī)械加工后，它的實際幾何參數(shù)與理想零件的幾何參數(shù)相符合的程度。2、定位精度：加工零件放置在機(jī)床上的實際加工位置與所要求的加工位置之間的接近程度。3、設(shè)計精度：設(shè)計者根據(jù)零件在產(chǎn)品中的地位和作用提出的滿足使用要求的精度。零件精度與產(chǎn)品精度不同，零件精度依據(jù)零件在產(chǎn)品中的作用確定，產(chǎn)品精度從該

6、產(chǎn)品的用途要求來確定。第9頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題 2.2.1 材料選擇 1、鑄鐵：耐磨性和減振性好，熱穩(wěn)定性好，易于鑄造和切削加工，成本低。常用鑄鐵:（1）灰鑄鐵（2）高磷鑄鐵（3）低合金鑄鐵（4）稀土鑄鐵（5）孕育鑄鐵（2）（5）屬于耐磨鑄鐵第10頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題2、鋼 一些零件如齒輪，可采用鋼并淬火。3、有色金屬 常用有色金屬材料有黃銅、錫青銅、鋁青銅、鋅合金等。4、塑料 抗震性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣，抗撕傷能力強(qiáng)，動、靜摩擦系數(shù)低，動、靜摩擦系數(shù)差別小，可降

7、低低速運動的臨界速度，加工型和化學(xué)穩(wěn)定性好，工藝簡單，成本低。第11頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題2.2.2 機(jī)械傳動 1、機(jī)械傳動的作用某種傳動既可以實現(xiàn)運動形式的變換，也可以實現(xiàn)運動速度的變化，同時還可以實現(xiàn)動力的傳動。2、傳動比分配（傳動比=輸入速度/輸出速度）（1）重量最輕原則對于小功率傳動系統(tǒng)，使i1=i2=對于大功率傳動系統(tǒng)，各級傳動比一般符合“先大后小”的原則。第12頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題（2）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則為提高齒輪傳動系統(tǒng)的傳動精度，一般按“先小后大”原

8、則分配。 max :各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差；K：第K個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差i(kn)：第K個齒輪的轉(zhuǎn)軸至N級輸出軸的傳動比第13頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題（3）等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則 換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)最小機(jī)械傳動設(shè)計中，對轉(zhuǎn)動慣量、結(jié)構(gòu)尺寸和傳動精度提出如下要求：（1）對于要求體積小、重量輕的齒輪傳動系統(tǒng)，可用重量最輕原則；（2）對于要求運動平穩(wěn)、起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)的減速齒輪系，可按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小原則處理。（3）對于傳動精度要求較高的傳動齒輪系，可按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；

9、（4）對較大傳動比傳動的齒輪系，一般是將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。 第14頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題2.2.3 常見支承類型 1、圓柱支承：較大的接觸表面，承受載荷較大，方向精度和置中精度較差，摩擦阻力矩較大2、圓錐支承：承載能力較強(qiáng)，方向和置中精度較高，摩擦阻力矩較大，對溫度比較敏感，制造成本較高。第15頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題3、填入式滾動支承：摩擦阻力矩小，耐磨性好，承載能力較大。 4、球面支承：接觸面小，適用于低速、輕載場合。5、頂針支承：摩擦半徑很小，摩擦阻力

10、矩小，宜用于低速、輕載的場合。第16頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題 2.2.4 動平衡 回轉(zhuǎn)體（轉(zhuǎn)子）:在機(jī)械傳動中，有許多傳動構(gòu)件是繞固定軸線回轉(zhuǎn)的，這類做回轉(zhuǎn)運動的構(gòu)件。回轉(zhuǎn)體平衡的目的：調(diào)整回轉(zhuǎn)體的質(zhì)量分布，使回轉(zhuǎn)件工作時離心力系達(dá)到平衡，以消除附加動壓力，盡可能減輕有害的機(jī)械振動。根據(jù)組成回轉(zhuǎn)件各質(zhì)量的不同分布，一般分兩種情況。第17頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題 2.2.4 動平衡 回轉(zhuǎn)體（轉(zhuǎn)子）:在機(jī)械傳動中，有許多傳動構(gòu)件是繞固定軸線回轉(zhuǎn)的，這類做回轉(zhuǎn)運動的構(gòu)件?；剞D(zhuǎn)體平衡

11、的目的：調(diào)整回轉(zhuǎn)體的質(zhì)量分布，使回轉(zhuǎn)件工作時離心力系達(dá)到平衡，以消除附加動壓力，盡可能減輕有害的機(jī)械振動。根據(jù)組成回轉(zhuǎn)件各質(zhì)量的不同分布，一般分兩種情況。第18頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題 1、在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的質(zhì)量平衡分析 在同一回轉(zhuǎn)平面上分布有三個偏心質(zhì)量M1、M2、M3，各偏心質(zhì)量的向徑為r1、r2、r3，各質(zhì)量產(chǎn)生的離心力為F1、F2、F3，當(dāng)F1+F2+F3=0時，力系平衡。若力系不平衡，只要在統(tǒng)一回轉(zhuǎn)面內(nèi)加以質(zhì)量Mb，它產(chǎn)生的離心力Fb，使得：Fb+ F1+F2+F3=0，這個力系就平衡了。 2、在不同回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的質(zhì)量平衡分析

12、 第19頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題 2.2.5 結(jié)構(gòu)工藝性 1、零部件加工的結(jié)構(gòu)工藝性：制造和裝配時的可行性和經(jīng)濟(jì)性。第20頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題2、毛坯鑄造件的結(jié)構(gòu)工藝性：簡化外形、減少分型面。垂直于分型面的非加工平面，給出結(jié)構(gòu)斜度，便于起模。零件上配合面設(shè)計凸臺時，凸臺厚度不應(yīng)大于壁厚；同一平面的幾個凸臺高度應(yīng)盡量一致；凸臺布置應(yīng)避免活塊起模，便于造型第21頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題3、零部件的焊接結(jié)構(gòu)工藝性：不影

13、響構(gòu)建使用要求的前提下，相應(yīng)地在罕見結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取措施。第22頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2 機(jī)械系統(tǒng)中的基本問題4、鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性鍛件最好采用平直、簡單、對稱的形狀，盡可能由平面和圓柱組成。鍛件上應(yīng)避免帶楔形、曲線形、錐形的表面及加強(qiáng)筋等，如橢圓形或工字形界面也應(yīng)避免。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 機(jī)械中的各種傳動是通過安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動零件實現(xiàn)的。 軸、軸承、聯(lián)軸器和離合器及軸上的轉(zhuǎn)動兩間組合起來成一個系統(tǒng)，常稱為軸系零部件。第24頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星

14、期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點2.3.1 軸與支承按照軸線形狀分類：軸可分為直軸、曲軸和軟軸(1)直軸：直軸按外形不同可分為光軸、階梯軸及一些特殊用途的軸，如凸輪軸、花鍵軸齒輪軸及蝸桿軸等。(2)曲軸：曲軸是內(nèi)燃機(jī)、曲柄壓力機(jī)等機(jī)器上的專用零件，用以將往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，或作相反轉(zhuǎn)變。( 3)軟軸：軟軸主要用于兩傳動軸線不在同一直線或工作時彼此有相對運動的空間傳動，也可用于受連續(xù)振動的場合，以緩和沖擊。第25頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點按照所受載荷性質(zhì)分類：軸可分為心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動軸。(1)心軸：通常指只承受彎矩而不承受轉(zhuǎn)矩的軸

15、。如自行車前、后輪軸，汽車輪軸。(2)轉(zhuǎn)軸：既受彎矩又受轉(zhuǎn)矩的軸。轉(zhuǎn)軸在各種機(jī)器中最為常見。(3)傳動軸：只受轉(zhuǎn)矩不受彎矩或受很小彎矩的軸。車床上的光軸、連接汽車發(fā)動機(jī)輸出軸和后橋的軸，均是傳動軸。第26頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點2.3.2 軸上零件的固定（1）零件沿軸向固定1）軸肩2）定位套筒1、定位套筒2、底座第27頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點3）圓螺母4）軸端擋圈和彈性擋圈5）緊定螺釘?shù)?8頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

16、特點（2）零件在軸上的周向固定1）鍵：分為平鍵、半圓鍵、楔鍵、切向鍵2）花鍵定位第29頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3 機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點常用于軸與輪轂的連接。采用加熱冷卻的方法。結(jié)構(gòu)簡單，同軸性好，對軸削弱少、耐沖擊性能好。但對配合表面的制造精度要求高。3）過盈配合定位第30頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌2.4.1 滾珠絲杠1、滾珠絲杠副的組成滾珠絲桿副結(jié)構(gòu)端蓋循環(huán) 第31頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌1、滾珠的循環(huán)方式（2）外循環(huán)滾珠在循環(huán)過程中始終與絲

17、杠表面保持接觸，一般在同一螺母上裝有24個滾珠會助其，并沿螺母圓周均勻分布。1為回珠器（1）內(nèi)循環(huán)1）螺旋槽式1為外滾道，2為內(nèi)滾道第32頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌1）插管式 插管循環(huán)第33頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌3、滾珠絲杠副間隙調(diào)整與預(yù)緊（1）雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母2使絲杠左螺母向左，并用鎖緊產(chǎn)生拉伸預(yù)緊。調(diào)整方便，但預(yù)緊量不易掌握。第34頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌（2）雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式兩端絲杠螺母3上分別有

18、齒數(shù)為Z1、Z2的圓柱齒輪，并分別與相應(yīng)的內(nèi)齒圈2相嚙合，一般Z1與Z2相差一個齒，若兩螺母同向各轉(zhuǎn)一個齒，則兩螺母的相對軸向位移為s=l*|Z1-Z2|/Z1*Z2，其中l(wèi)為絲杠導(dǎo)程，可實現(xiàn)定量精密微調(diào)。第35頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌（3）雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式第36頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌（4）彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式用彈簧使兩螺母間產(chǎn)生軸向位移。其特點是能在使用過程中自動補償因磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸向剛度低，適合用于輕載場合。第37頁，共47頁，2022年，5

19、月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌（5）單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式和單螺母滾珠過盈預(yù)緊式第38頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌4、滾珠絲杠副的密封與潤滑（1）密封防護(hù)：滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護(hù)套密封，上圖為使用波紋管（右側(cè)）或螺旋彈簧鋼套管對絲杠軸進(jìn)行密封；下圖為使用密封圈對螺母進(jìn)行密封。密封材料選用防腐蝕合耐油的聚四氟乙烯或尼龍等。 （2）潤滑：滾珠絲杠副使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂可采用鋰基油脂，在裝配時放進(jìn)滾珠螺母滾道內(nèi)定期潤滑；潤滑油可采用機(jī)油，通過注油孔注入潤滑。第

20、39頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌2.4.2 導(dǎo)軌副的組成、種類及其應(yīng)滿足的要求導(dǎo)軌副（導(dǎo)軌）：支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。1、導(dǎo)軌副的種類1)按導(dǎo)軌副運動導(dǎo)軌的軌跡分類（a）直線運動導(dǎo)軌副 支承導(dǎo)軌約束了運動導(dǎo)軌的五個自由度，僅保留沿給定方向的直線移動自由度。（b）旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)軌副 支承導(dǎo)軌約束了運動導(dǎo)軌的五個自由度，僅保留繞給定軸線的旋轉(zhuǎn)運動自由度。第40頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2)按導(dǎo)軌副導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)分類（a）滑動摩擦導(dǎo)軌副；（b）滾動摩擦導(dǎo)軌副；（c）流體摩擦導(dǎo)軌副。3)

21、按導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)分類（a）開式導(dǎo)軌 必須借助運動件的自重或外載荷，才能保證在一定的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面保持可靠的接觸，從而保證運動導(dǎo)軌的規(guī)定運動。開式導(dǎo)軌一般受溫度變化的影響較小。（b）閉式導(dǎo)軌 借助導(dǎo)軌副本身的封閉式結(jié)構(gòu)，保證在變化的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面都能保持可靠的接觸，從而保證運動導(dǎo)軌的規(guī)定運動。閉式導(dǎo)軌一般受溫度變化的影響較小。2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌第41頁，共47頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四4)按直線運動導(dǎo)軌副的基本截面形狀分類2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌矩形對稱三角形不對稱三角形燕尾槽圓形凸形凹形第42頁，共4

22、7頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.4 滾珠絲杠與滾動導(dǎo)軌2、 導(dǎo)軌副應(yīng)滿足的基本要求（a）導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度主要是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。影響它的因素有：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等。（b）耐磨性 是指導(dǎo)軌在長期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免有所磨損，所以應(yīng)力求減小磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。（c）疲勞和壓潰 導(dǎo)軌面由于過載或接觸應(yīng)力不均勾而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復(fù)運行多次后就會形成疲勞點，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動導(dǎo)軌失效的主要原因，為此應(yīng)控制滾