機電一體化機械技術(shù)

1、機電一體化機械技術(shù)第1頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四 機械系統(tǒng)包括系統(tǒng)的框架和支承結(jié)構(gòu)、機械連接和傳動系統(tǒng)，本章重點介紹傳動系統(tǒng)的特點和設(shè)計方法。 一傳動系統(tǒng)的構(gòu)成及作用圖2.1 傳動系統(tǒng)在機電系統(tǒng)中的作用2-1 機電一體化機械系統(tǒng)第2頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四對傳動系統(tǒng)的要求靜特性：傳動精度動特性：穩(wěn)定性、快速性可靠性圖2.2 機電系統(tǒng)的控制模型第3頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2.1 機械傳動系統(tǒng)的特性一、轉(zhuǎn)動慣量它是系統(tǒng)的機械負載，要產(chǎn)生功耗，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度、靈敏度、固有頻率和阻尼特性。它取決于質(zhì)量

2、的大小和質(zhì)量分布。1、轉(zhuǎn)動慣量大的影響（1）機械負載增加，功率消耗大；（2）響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；（3）固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振；（4）電氣驅(qū)動部件的諧振頻率降低，阻尼增大等。2-2 機電一體化系統(tǒng)中常用的傳動機構(gòu)第4頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2、轉(zhuǎn)動慣量的計算（1）圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量（齒輪、絲杠等）計算公式為：m圓柱體的質(zhì)量（kg）；d圓柱體的直徑（m）。第5頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（2）直線運動物體的轉(zhuǎn)動慣量絲杠驅(qū)動 導(dǎo)程為的絲杠驅(qū)動總質(zhì)量為的工作臺和工件，齒輪驅(qū)動齒輪齒條驅(qū)動總質(zhì)量為 的工作臺和工件，其折算到節(jié)圓半徑為 的

3、小齒輪上的等效轉(zhuǎn)動慣量為： 其折算到絲杠軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為：第6頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四例2.1 計算折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量。第7頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四解：傳動系統(tǒng)有三根軸，每根軸上的總慣量分別為 其中： ， ， ， 分別是4個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量是絲杠的慣量是工作臺折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動慣量總的等效慣量為第8頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四二、阻尼 阻尼是由于機械系統(tǒng)的傳動件之間的摩擦力而產(chǎn)生的，機械傳動系統(tǒng)可視為帶有阻尼的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。系統(tǒng)的阻尼可劃分為3類：靜摩擦阻尼、庫侖摩擦阻尼和粘性摩擦阻尼（

4、粘滯摩擦阻尼）。1、阻尼對機械系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響 系統(tǒng)的靜摩擦阻尼越大，系統(tǒng)的回程誤差增大，定位精度降低；系統(tǒng)的黏性阻尼摩擦越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越大，精度就降低； 系統(tǒng)的黏性阻尼摩擦會對系統(tǒng)的減慢系統(tǒng)的響應(yīng)速度；如果機械系統(tǒng)剛度低而質(zhì)量大，則系統(tǒng)的固有頻率低，于是應(yīng)增大系統(tǒng)的黏性摩擦阻尼，以減小振幅和衰減振動。第9頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2、阻尼比計算在帶有阻尼的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)中（機械傳動部件若簡化為二階振動系統(tǒng)），阻尼比與粘滯摩擦阻尼之間的關(guān)系如下：式中：粘性阻尼系數(shù)，系統(tǒng)等效質(zhì)量，系統(tǒng)的拉壓剛度，第10頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期

5、四不同阻尼比對二階系統(tǒng)的影響如下圖：圖2.2 不同阻尼比時系統(tǒng)的響應(yīng)（一般取第11頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四三、剛度 剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力，包括構(gòu)件產(chǎn)生各種基本變形時的剛度和兩接觸面的接觸剛度。1、剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性的主要影響（1）矢動量。剛度越低，傳動部件的變形越大，系統(tǒng)的矢動量就越大；（2）固有頻率。系統(tǒng)的剛度越大，固有頻率越高；（3）穩(wěn)定性。系統(tǒng)的剛度越大，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。第12頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2、剛度的計算（1）拉壓剛度計算絲杠螺母機構(gòu)的拉壓剛度是由絲杠機構(gòu)的拉壓剛度絲杠螺母見的接觸剛度及絲杠

6、軸承的支承三部分組成。一端軸向支承的絲杠，其拉壓剛度為：式中：絲杠的中徑，材料的拉壓彈性模量，受力點到支撐端的距離，、第13頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四當工作臺位于距離支撐端最遠位置時（受力點到支撐端的距離最大），絲杠的全部工作長度L都受力，則剛度最?。篖絲杠的全部工作長度兩端軸向支承的絲杠，其拉力剛度為：第14頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四當工作臺位于兩支承點的中點位置時，即 絲杠的拉壓剛度為最小值： 時，和 均可從產(chǎn)品樣本中查得。 則絲杠螺母機構(gòu)的總拉壓剛度 為： 一端軸向支承的絲杠 ,兩端軸向支承的絲杠 第15頁，共40頁，2022年

7、，5月20日，3點39分，星期四（2）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度計算絲杠扭轉(zhuǎn)剛度可用下式計算：式中： 絲杠的中徑，材料的剪切彈性模量，受力點到支撐端的距離，第16頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四下面是不同剛度對系統(tǒng)性能的影響：圖2.3 不同剛度時系統(tǒng)的頻率特性（KKK）第17頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四 例2.2 在例2.1的數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，若預(yù)緊后絲杠支承軸向剛度 ，絲杠螺母間的接觸剛度 （取絲杠的最大工作長度 ，拉壓彈性模量 ，剪切彈性模量 ，試求：絲杠螺母系統(tǒng)的最小拉壓剛度和最小扭轉(zhuǎn)剛度2.絲杠工作臺系統(tǒng)縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動的最小固有頻率。第18頁

8、，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（1）計算絲杠螺母系統(tǒng)的剛度由于絲杠為一端軸向支承，故 則最小拉壓剛度為： 得 第19頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四最小扭轉(zhuǎn)剛度為：（2）系統(tǒng)固有頻率的計算忽略絲杠本身的質(zhì)量，則工作臺縱向振動的最小固有頻率為：由例2.1知，電動機軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量則折算到絲杠軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量為：忽略電動機軸和齒輪軸的扭轉(zhuǎn)變形，系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的最小固有頻率為：第20頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四四、傳動精度由于傳動件之間的間隙和傳動件的安裝及制造誤差而引起兩種誤差，稱為傳動誤差和回程誤差。傳動鏈的傳動誤

9、差和回程誤差會影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。它們對系統(tǒng)性能的影響隨其在系統(tǒng)中的位置的不同而不同。1、傳動系統(tǒng)的誤差分析（1）傳動誤差是指輸入軸單相回轉(zhuǎn)時，輸出軸轉(zhuǎn)角的實際值相對于理論值的變動。從而使輸出軸的運動時而超前，時而滯后（圖見書上圖2-5(b)）。（2）回程誤差是與傳動誤差既有聯(lián)系又有區(qū)別的另一類誤差。其可以是當輸入軸有正向回轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚧剞D(zhuǎn)是，輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量，也可把它理解成輸入軸固定式，輸出軸可以任意轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角量。其使輸出軸不能立即隨著輸入軸反向回轉(zhuǎn)，即具有之后性（圖見書上圖2-5(c)）。 第21頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2、減小傳動鏈誤差的措施(1)

10、提高零件本身的制造精度可以減少傳動誤差和回程誤差。(2)合理地設(shè)計傳動鏈可以減少傳動誤差，包括：合理地選擇傳動類型。不同的傳動形式所能達到的傳動精度是不同的。一般說來：圓柱齒輪的傳動精度較高，蝸輪蝸桿機構(gòu)次之，圓錐齒輪的傳動精度則較差；諧波齒輪傳動的精度較高，漸開線行星齒輪機構(gòu)、少齒行星齒輪機構(gòu)次之，擺線針輪行星齒輪機構(gòu)的傳動精度則較差。合理地確定傳動級數(shù)、合理地分配傳動比。減少傳動級數(shù)就可以減少零件數(shù)量，也就減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。因此，在滿足使用要求的前提下盡可能減少傳動級數(shù)。對減速傳動鏈，各級傳動比宜從高速端開始逐級遞增，盡量提高末級傳動比。 第22頁，共40頁，2022年，5月20日，3

11、點39分，星期四合理地布置傳動鏈。在減速傳動中，精度較低的傳動機構(gòu)應(yīng)盡量布置在高速軸上（如圓錐齒輪傳動），這樣可以減小低速軸上的誤差。(3)采用消除間隙機構(gòu)可以減少回程誤差。螺紋傳動間隙的消除機構(gòu), 齒輪傳動側(cè)隙的消除機構(gòu), 滾珠絲杠螺母間隙的調(diào)整機構(gòu)等。第23頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.2.2 常用傳動機構(gòu)1、轉(zhuǎn)動型傳動機構(gòu)（1）齒輪（齒條）傳動齒輪傳動包括圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動和圓弧齒輪傳動等。其工藝性好、適用范圍廣、可實現(xiàn)大功率或者高精度傳動，效率高、傳動平穩(wěn)，不易實現(xiàn)大傳動比、體積較大。圖2.5齒輪傳動機構(gòu)第24頁，共40頁，2022年，5月20日，

12、3點39分，星期四（2）蝸輪蝸桿傳動其特點是傳動比大、輸出軸與輸入軸垂直、結(jié)構(gòu)緊湊、可反向自鎖，傳動效率低。圖2.6蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)第25頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（3）同步齒型帶傳動同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步齒型帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步齒型帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體,這種帶薄而且輕，故可用于較高速度的傳動。傳動噪聲比鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需要潤滑油，壽命比摩擦帶長。同步齒型帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準確的中、小功率傳動中，如家用電器、計

13、算機、儀器及機床、化工、石油等機械。它既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動型傳動又可以實現(xiàn)直線型傳動。第26頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四圖2.7同步齒形帶傳動原理第27頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（4）行星輪減速器傳動比范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、傳動精度高、適合于各種傳動，特別是與電機構(gòu)成伺服機組。（5）諧波減速器傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、傳動精度高、適合于中小功率傳動。第28頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2、直線型傳動機構(gòu)（1）齒輪齒條傳動它具有齒輪傳動的特點，可以實現(xiàn)較大的直線位移，負載能力大，廣泛應(yīng)用于大型機床工作臺的移動驅(qū)動

14、。圖2.8齒輪齒條傳動原理第29頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（2）絲杠螺母（螺桿）傳動傳動比大、可反向自鎖、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，效率較低。滾珠絲杠可以實現(xiàn)高效率、高精度傳動，滾珠絲杠副的傳動效率高達85%-98%，是普通滑動絲杠副的2-4倍，可以做到無間隙傳動，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床工作臺，數(shù)控平臺和機器人的驅(qū)動。圖2.9絲杠螺母傳動原理圖2.10軟盤驅(qū)動器中磁頭的螺桿機構(gòu)第30頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（3）同步齒型帶實現(xiàn)的移動傳動它具有同步齒型帶轉(zhuǎn)動傳動的特點，可以實現(xiàn)較大的直線位移，廣泛應(yīng)用于移動型工作臺、繪圖機、打印機、復(fù)印機、掃描

15、儀等辦公設(shè)備和計算機外設(shè)的驅(qū)動。圖2.11打印機字車的同步帶驅(qū)動機構(gòu)第31頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（4）鋼絲（繩）實現(xiàn)的移動傳動它具有可以實現(xiàn)較大的直線位移、重量輕、噪聲小、驅(qū)動力大等特點。其缺點是，可能產(chǎn)生打滑，傳遞運動不如同步齒型帶準確。應(yīng)用于大型天車、升降機構(gòu)等的移動驅(qū)動。在繪圖機、打印機、復(fù)印機、掃描儀等辦公設(shè)備和計算機外設(shè)的應(yīng)用基本上被同步齒型帶所取代。圖2.12天車的鋼絲繩驅(qū)動機構(gòu)第32頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四（5）鋼帶實現(xiàn)的移動傳動圖2.13鋼帶實現(xiàn)的移動傳動原理第33頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分

16、，星期四2-3 機電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機構(gòu)2.3.1 基本要求2.3.2 微動執(zhí)行機構(gòu)2.3.3 工業(yè)機械手末端執(zhí)行器第34頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3.1 基本要求1 慣性小、動力大2 體積小，質(zhì)量輕3 便于維修和安裝4 易于計算機控制此外，一個執(zhí)行機構(gòu)還應(yīng)具有：響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好、動靜態(tài)精度高和動作靈敏度高的特點第35頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3.2 微動執(zhí)行機構(gòu) 微動執(zhí)行機構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定進給運動的機構(gòu)。分類：機械式；電氣機械式；彈性變形式；熱變形形式；磁致伸縮式；壓電式等。第36頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四2.3.3 工業(yè)機械手末端執(zhí)行器 工業(yè)機械手是一種自動控制、可重復(fù)編程、多自由度的操作機，具有搬運功能以及完成其他各種作業(yè)的機電一體化設(shè)備（直接執(zhí)行操作功能）。分類：機械夾持器；特種末端執(zhí)行器；萬能手（靈巧手）。第37頁，共40頁，2022年，5月20日，3點39分，星期四機械夾持器 機械夾持器是最常見的一種末端執(zhí)行器。其具有夾持和松開的功能。 在夾持時，其具有一定的力