機(jī)電一體化機(jī)械技術(shù)

1、機(jī)電一體化機(jī)械技術(shù)第1頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四 機(jī)械系統(tǒng)包括系統(tǒng)的框架和支承結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接和傳動(dòng)系統(tǒng)，本章重點(diǎn)介紹傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。 一傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成及作用圖2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)電系統(tǒng)中的作用2-1 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)第2頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求靜特性：傳動(dòng)精度動(dòng)特性：穩(wěn)定性、快速性可靠性圖2.2 機(jī)電系統(tǒng)的控制模型第3頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四2.2.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性一、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量它是系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)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(dòng)慣量大的影響（1）機(jī)械負(fù)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(dòng)部件的諧振頻率降低，阻尼增大等。2-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第4頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（1）圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（齒輪、絲杠等）計(jì)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(diǎn)39分，星期四（2）直線運(yùn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量絲杠驅(qū)動(dòng) 導(dǎo)程為的絲杠驅(qū)動(dòng)總質(zhì)量為的工作臺(tái)和工件，齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)總質(zhì)量為 的工作臺(tái)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(dòng)慣量為： 其折算到絲杠軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：第6頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四例2.1 計(jì)算折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。第7頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四解：傳動(dòng)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(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是絲杠的慣量是工作臺(tái)折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總的等效慣量為第8頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四二、阻尼 阻尼是由于機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)件之間的摩擦力而產(chǎn)生的，機(jī)械傳動(dòng)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(duì)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)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?xí)?duì)系統(tǒng)的減慢系統(tǒng)的響應(yīng)速度；如果機(jī)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(dòng)。第9頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四2、阻尼比計(jì)算在帶有阻尼的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)中（機(jī)械傳動(dòng)部件若簡(jiǎn)化為二階振動(dòng)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(diǎn)39分，星期

5、四不同阻尼比對(duì)二階系統(tǒng)的影響如下圖：圖2.2 不同阻尼比時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)（一般取第11頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)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(shí)的剛度和兩接觸面的接觸剛度。1、剛度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要影響（1）矢動(dòng)量。剛度越低，傳動(dòng)部件的變形越大，系統(tǒng)的矢動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。第12頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四2、剛度的計(jì)算（1）拉壓剛度計(jì)算絲杠螺母機(jī)構(gòu)的拉壓剛度是由絲杠機(jī)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(diǎn)到支撐端的距離，、第13頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四當(dāng)工作臺(tái)位于距離支撐端最遠(yuǎn)位置時(shí)（受力點(diǎn)到支撐端的距離最大），絲杠的全部工作長度L都受力，則剛度最小：L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(diǎn)39分，星期四當(dāng)工作臺(tái)位于兩支承點(diǎn)的中點(diǎn)位置時(shí)，即 絲杠的拉壓剛度為最小值： 時(shí)，和 均可從產(chǎn)品樣本中查得。 則絲杠螺母機(jī)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(diǎn)39分，星期四（2）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算絲杠扭轉(zhuǎn)剛度可用下式計(jì)算：式中： 絲杠的中徑，材料的剪切彈性模量，受力點(diǎn)到支撐端的距離，第16頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四下面是不同剛度對(duì)系統(tǒng)性能的影響：圖2.3 不同剛度時(shí)系統(tǒng)的頻率特性（KKK）第17頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四 例2.2 在例2.1的數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(tái)系統(tǒng)縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的最小固有頻率。第18頁

8、，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四（1）計(jì)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(diǎn)39分，星期四最小扭轉(zhuǎn)剛度為：（2）系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算忽略絲杠本身的質(zhì)量，則工作臺(tái)縱向振動(dòng)的最小固有頻率為：由例2.1知，電動(dòng)機(jī)軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則折算到絲杠軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：忽略電動(dòng)機(jī)軸和齒輪軸的扭轉(zhuǎn)變形，系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的最小固有頻率為：第20頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四四、傳動(dòng)精度由于傳動(dòng)件之間的間隙和傳動(dòng)件的安裝及制造誤差而引起兩種誤差，稱為傳動(dòng)誤差和回程誤差。傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤

9、差和回程誤差會(huì)影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。它們對(duì)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(dòng)系統(tǒng)的誤差分析（1）傳動(dòng)誤差是指輸入軸單相回轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)角的實(shí)際值相對(duì)于理論值的變動(dòng)。從而使輸出軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)而超前，時(shí)而滯后（圖見書上圖2-5(b)）。（2）回程誤差是與傳動(dòng)誤差既有聯(lián)系又有區(qū)別的另一類誤差。其可以是當(dāng)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(dòng)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(diǎn)39分，星期四2、減小傳動(dòng)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(dòng)誤差和回程誤差。(2)合理地設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈可以減少傳動(dòng)誤差，包括：合理地選擇傳動(dòng)類型。不同的傳動(dòng)形式所能達(dá)到的傳動(dòng)精度是不同的。一般說來：圓柱齒輪的傳動(dòng)精度較高，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)次之，圓錐齒輪的傳動(dòng)精度則較差；諧波齒輪傳動(dòng)的精度較高，漸開線行星齒輪機(jī)構(gòu)、少齒行星齒輪機(jī)構(gòu)次之，擺線針輪行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度則較差。合理地確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)、合理地分配傳動(dòng)比。減少傳動(dòng)級(jí)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(dòng)級(jí)數(shù)。對(duì)減速傳動(dòng)鏈，各級(jí)傳動(dòng)比宜從高速端開始逐級(jí)遞增，盡量提高末級(jí)傳動(dòng)比。 第22頁，共40頁，2022年，5月20日，3

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

12、3點(diǎn)39分，星期四（2）蝸輪蝸桿傳動(dòng)其特點(diǎn)是傳動(dòng)比大、輸出軸與輸入軸垂直、結(jié)構(gòu)緊湊、可反向自鎖，傳動(dòng)效率低。圖2.6蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第25頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四（3）同步齒型帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步齒型帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)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(dòng)。傳動(dòng)噪聲比鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)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(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如家用電器、計(jì)

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

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

15、儀等辦公設(shè)備和計(jì)算機(jī)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)。圖2.11打印機(jī)字車的同步帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)第31頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四（4）鋼絲（繩）實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)傳動(dòng)它具有可以實(shí)現(xiàn)較大的直線位移、重量輕、噪聲小、驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是，可能產(chǎn)生打滑，傳遞運(yùn)動(dòng)不如同步齒型帶準(zhǔn)確。應(yīng)用于大型天車、升降機(jī)構(gòu)等的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)。在繪圖機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀等辦公設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)第32頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四（5）鋼帶實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)傳動(dòng)圖2.13鋼帶實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)傳動(dòng)原理第33頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分

16、，星期四2-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.3.1 基本要求2.3.2 微動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.3.3 工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器第34頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四2.3.1 基本要求1 慣性小、動(dòng)力大2 體積小，質(zhì)量輕3 便于維修和安裝4 易于計(jì)算機(jī)控制此外，一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有：響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、動(dòng)靜態(tài)精度高和動(dòng)作靈敏度高的特點(diǎn)第35頁，共40頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)39分，星期四2.3.2 微動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 微動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。分類：機(jī)械式；電氣機(jī)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(diǎn)39分，星期四2.3.3 工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器 工業(yè)機(jī)械手是一種自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多自由度的操作機(jī)，具有搬運(yùn)功能以及完成其他各種作業(yè)的機(jī)電一體化設(shè)備（直接執(zhí)行操作功能）。分類：機(jī)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(diǎn)39分，星期四機(jī)械夾持器 機(jī)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(shí)，其具有一定的力