機電一體化技術(shù)(二)

機電一體化技術(shù)

第二章機械系統(tǒng)設計技術(shù)知識點：機械設計概述傳動部件設計軸系設計支撐件設計執(zhí)行機構(gòu)設計機電一體化機械系統(tǒng)應包括如下三大部分機構(gòu)。（1）傳動機構(gòu)機電一體化機械系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而是已成為伺服系統(tǒng)的一部分。（2）導向機構(gòu)其作用是支承和導向，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、準確地完成其特定方向的運動提供保障。（3）執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作。2.1機械設計概述各種機械從構(gòu)思到實現(xiàn)要經(jīng)過設計和制造兩個不同的階段。機械設計是機械生產(chǎn)的第一道工序。在機電產(chǎn)品的設計制造中，設計人員根據(jù)市場對產(chǎn)品的需求和公司對產(chǎn)品的定位，提出機械設計的任務，運用各種先進的設計方法，獲得一個既滿足使用要求的產(chǎn)品設計方案，繪制出全部生產(chǎn)用圖。2.1.1機電一體化對機械系統(tǒng)的要求主要從以下幾方面采取措施。（1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件。（2）縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度（3）選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量。（4）縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形的措施。（5）改進支承及架體的結(jié)構(gòu)設計以提高剛性、減少振動、降低噪聲。2.1.2機械系統(tǒng)的組成機電一體化機械系統(tǒng)應包括如下三大部分機構(gòu)。（1）傳動機構(gòu)，機電一體化機械系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而是已成為伺服系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進行選擇設計，以滿足整個機械系統(tǒng)良好的伺服性能（2）導向機構(gòu)，其作用是支承和導向，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、準確地完成其待定方向的運動提供保障。（3）執(zhí)行機構(gòu)，它是用以完成操作任務的。執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作2.2傳動部件設計機電一體化機械系統(tǒng)應具有良好的伺服性能，從而要求傳動機構(gòu)滿足以下幾個方面：轉(zhuǎn)動慣量小、剛度大、阻尼合適，此外還要求摩擦小、抗振性好、間隙小，特別是其動態(tài)特性與伺服電動機等其他環(huán)節(jié)的動態(tài)特性相匹配。常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、高速帶傳動以及各種非線性傳動部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器。隨著機電一體化技術(shù)革命的發(fā)展．要求傳動機構(gòu)不斷適應新的技術(shù)要求。具體講有三個方面。（1）精密化：對于某種特定的機電一體化產(chǎn)品來說攝影其性能的需要提出適當?shù)木芏纫螅?）高速化：產(chǎn)品效率的高低，直接與機械傳動部分的運動速度相關(guān)。（3）小型化、輕量化：隨著機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的精密化、高速化的發(fā)展，必然要求其傳動機構(gòu)小型化和輕量化。2.2.1帶傳動帶傳動是通過環(huán)狀撓性件，在兩個或多個傳動輪之間傳遞運動和動力的機械傳動裝置，又稱為撓性件傳動。具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便和成本低廉等特點，適用于兩軸中心距較大的傳動。一、帶傳動的類型、結(jié)構(gòu)和特點（1）帶傳動的主要優(yōu)點帶具有良好的彈性；過載時，帶在帶輪上打滑，可防止其他零件損壞；適用于兩軸中心距較大的場合；結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和維護方便，成本低。（2）帶傳動的主要缺點帶在帶輪上有相對滑動，不能保證準確的傳動比；傳動效率較低，帶的壽命較短；傳動的外廓尺寸大；帶傳動需要張緊，支承帶輪的軸和軸承受力較大。二、帶傳動的主要參數(shù)帶傳動的主要幾何參數(shù)有包角α、基準長度Ld、中心距a及帶輪直徑dd1、dd2等。對于開口傳動、主要參數(shù)間有如下近似關(guān)系：小輪上的包角 （式2-1）基準長度 （式2-2）三、帶傳動的彈性滑動和傳動比四、帶傳動的張緊裝置帶傳動是依靠帶與帶輪間的摩擦力工作的，所以安裝時，傳動帶必須以一定的預緊拉力緊套在帶輪上，但V帶不是完全彈性體，工作一定時間后，其初拉力必將因帶的塑性變形而減小，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，使傳動能力下降，甚至失效，故必須適時地補充張緊。2.2.2諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大（幾十到幾百）、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強、效率高等優(yōu)點。故在工業(yè)機器人、航空、火箭等機電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應用。圖2-4諧波齒輪減速器原理圖2-5諧波減速器中三大部件2.2.3滾珠螺旋傳動滾動螺旋傳動的滾動體有球和滾子兩大類。一、滾珠絲杠副的組成滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動部件，它可將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，或相反。

二、滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)、及精度等級（1）螺紋滾道型面的（法向）形狀及主要尺寸（2）滾珠的循環(huán)方式。滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。三、滾珠絲杠副的特點（1）傳動效率高（2）運動具有可逆性（3）系統(tǒng)剛度好（4）傳動精度高（5）使用壽命長（6）不能自鎖（7）制造工藝復雜2.3軸系軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成，有主軸系和中間傳動軸系。它支承著其他轉(zhuǎn)功件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時它又通過軸承和機架連接。

2.3.1軸 一、軸的分類軸按受載情況分：（1）轉(zhuǎn)軸既支承傳動機件又傳遞動力，即承受彎矩和扭矩兩種作用（2）心軸只起支承旋轉(zhuǎn)機件作用而不傳遞動力，即只承受彎矩作用。（3）傳動軸主要傳遞動力，即要承受扭矩作用。二、軸的材料軸的常用材料種類很多，設計時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式。三、軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)決定于受載情況，軸上零件的布置和固定方式，軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運輸?shù)葪l件。（1）軸上零件的固定零件與軸的固定或連接方式，隨零件的作用而異。零件在軸上應具有確定的軸向位置，以保證它正常工作。一般情況下，應從軸向和周向加以固定。圖2-11軸向固定方法圖2-12軸的周向固定五、軸的剛度計算軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會破壞機器的工作性能。四、采用合理結(jié)構(gòu)措施提高疲勞強度軸的破壞多數(shù)多屬于疲勞破壞。2.3.2軸彀連結(jié)軸彀連接主要是使軸上零件與軸周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩。常用的軸彀連接有鍵連接、過盈連接、無鍵連接、銷連接、螺紋連接等。其中以鍵應用最為廣泛。

圖2-13普通平鍵聯(lián)結(jié)圖2-14花鍵聯(lián)結(jié)2.3.3軸承軸承是支承軸的部件。根據(jù)軸承工作時的摩擦性質(zhì)，軸承可分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）。圖2-15滑動軸承的摩擦狀態(tài)一、滑動軸承滑動軸承的類型較多，按其承受載荷方向的不同，可分為徑向滑動軸承（承受徑向載荷）和止推滑動軸承（承受軸向載荷）。（1）滑動袖承的失效形式①磨粒磨損②疲勞剝落③刮傷④腐蝕⑤膠合（2）軸瓦的結(jié)構(gòu)及軸承材料（3）非液體摩擦滑動軸承采用潤滑脂或滴油形式潤滑的滑動軸承，由于接觸表面間得不到足夠的潤滑劑，難以形成一個完整的承載油膜，軸承只能在混合摩擦潤滑狀態(tài)下工作（即邊界潤滑和液體潤滑同時存在（4）液體摩擦滑動軸承液體摩擦是滑動軸承工作時的理想摩擦狀態(tài)。依據(jù)軸承獲得液體潤滑原理的不同，可分為液體動壓滑動軸承和液體靜壓滑動軸承。圖2-16液體動壓潤滑軸承工作原理圖2-17液體靜壓徑向滑動軸承1－油腔2－油槽3－節(jié)流器二、滾動軸承滾動軸承是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的。（1）滾動軸承的結(jié)構(gòu)及滾動體圖2-18滾動軸承1－外圈2－內(nèi)圈3－滾動體4－保持架圖2-19滾動體滾動軸承的類型很多，按軸承承受載荷的作用方向，可分為徑向接觸軸承，它主要用于承受徑向載荷；向心角接觸軸承，能同時承受徑向及單萬向軸向載荷；軸向接觸軸承，只能承受軸向載荷。（2）滾動軸承的失效形式①疲勞點蝕，滾動軸承的正常失效形式是滾動體或內(nèi)外圈滾道上的點蝕破壞。②塑性變形，若軸承的工作轉(zhuǎn)速很低（n<10r/min）或僅作間歇擺動，則一般不會出現(xiàn)疲勞點蝕破壞。（3）滾動軸承的密封滾動軸承的密封是為了防止外部的水分、灰塵及雜物進入軸承，亦防止軸承內(nèi)潤滑劑的流失。2.4支撐件設計機電系統(tǒng)的支承部件包括導向支承部件，旋轉(zhuǎn)支承部件和機座機架。導向支承部件的作用是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。這樣的部件通常被標為導軌副，簡稱導軌。2.4.1導向支承部件 導軌副主要由承導件1和運動件2兩部分組成，如圖2-20所示。運動方向為直線的被稱為直線導軌副，為回轉(zhuǎn)的被稱為回轉(zhuǎn)運動導軌副。常用的導軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導軌、滾動導軌、流體介質(zhì)摩擦導軌等。圖2-20導軌副的組成1－承導件2－運動件圖2-21導軌副的分類一、導軌副的截面形狀及其特點

常見的導軌截面形狀，有三角形（分對稱、不對稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。凸形導軌不易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油。宜在低速下工作，凹形導軌則相反，可用于高速，但必須有良好的防護裝置，以防切屑等臟物落人導軌。

二、導軌副間隙的調(diào)整為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當?shù)拈g隙。間隙過小、會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。

圖2-22燕尾型導軌及其組合的間隙調(diào)整1－斜鑲條2－壓板3－直鑲條三、靜壓導軌副 靜壓導軌是將具有一定壓力的油或氣體介質(zhì)通過導軌的運動件與導向支承件之間，運動件浮在壓力油或氣體形膜之上，與導向支承件脫離接觸，致使摩擦阻力（力矩）大大降低。運動件受外載荷作用后，介質(zhì)壓力會反饋升高，以支承外載荷。圖2-23閉式液體靜壓導軌工作原理圖四、滾動導軌副（1）直線運動滾動導軌副的特點及要求滾動導軌作為滾動摩擦副的一類，具有許多特點：靈敏度高，摩擦阻力小，運動靈活；摩擦系數(shù)為（0.003～0.005），動、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，而不易產(chǎn)生爬行；可以預緊，剛度強；壽命長、定位精度高可達0.2μm，潤滑方便；可以采用脂潤滑。一次裝填，長期使用。圖2-24滾動體不循環(huán)的滾動導軌副1－動導軌2－滾珠3－定導軌4－滾柱5－滾針2.4.2旋轉(zhuǎn)支承部件一、旋轉(zhuǎn)支承的種類及基本要求旋轉(zhuǎn)支承中的運動件相對于支承導件轉(zhuǎn)動或擺動時，按其相互摩擦的性質(zhì)可分為滑動、滾動、彈性、氣體（或液體）摩擦支承。滑動摩擦支承按其結(jié)構(gòu)特點可分為圓柱、圓錐、球面和頂針支承；滾動摩擦支承按其結(jié)構(gòu)特點，可分為填入式滾珠支承和刀口支承。圖2-25各種支承結(jié)構(gòu)簡圖二、圓柱支承這種支承具有較大的接觸表面，承受載荷較大。但其方向精度和置中精度較差，且摩擦阻力矩較大圖2-26圓柱支承結(jié)構(gòu)圖2-27半運動學圓柱支承三、圓錐支承圓錐支承的分向精度和置中精度較高，承載能力較強，但摩擦阻力矩也較大。圓錐支承由錐形軸頸和具有圓錐孔的軸承組成圖2-28填入式滾動支承形式四、其他支承（1）填入式滾動支承（2）頂針支承（3）球面支承（4）刀口支承2.4.3機架與機座 一、機座機架的作用及基本要求 機座或機架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既承受其他零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對位置的基準作用。在設計時，首先應對某些關(guān)鍵表面及其相對位置精度提出相應的精度要求，以保證產(chǎn)品總體精度。其次，機架或機座的變形和振動將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和正常運轉(zhuǎn)（1）剛度與抗振性剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載荷變形的能力稱靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力稱為動剛度。

式中：K－靜剛度（N/m）；ζ－阻尼比；B－阻尼系數(shù)；ωn－固有頻率（1/s）（2）熱變形系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，電機、強光源等熱源散發(fā)的熱量，零部件間相對運動而摩擦生熱，電子元器件發(fā)熱等，都將傳到支承部件上。如果熱量分布不均勻、散熱性能不同，就會由于不同部位的溫差而產(chǎn)生熱變形，影響其原有精度。（3）穩(wěn)定性 機座或機架的穩(wěn)定性是指長時間地保持其幾何尺寸和主要表面相對位置精度，以防止產(chǎn)品原有精度的喪失。為此對鑄件機座應進行時效處理來消除產(chǎn)生機座變形的內(nèi)應力。時效的常用方法有自然時效和人工時效（熱處理法和振動法等）。二、機座機架的結(jié)構(gòu)設計要點機座或機架的結(jié)構(gòu)設計必須保證其自身剛度、連接處剛度和局部剛度，同時要考慮安裝方式、材料選擇、結(jié)構(gòu)工藝性以及節(jié)省材料、降低成本和縮短生產(chǎn)周期等問題。（1）合理選擇截面形狀和尺寸。機座雖受力復雜，但不外是拉、壓、彎、扭的作用。（2）合理布置肋板和加強肋 封閉空心截面的剛度較高。但為了便于鑄造清砂及其內(nèi)部零部件的裝配和調(diào)整，需要在機座上開“窗口”，結(jié)果使其剛度顯著降低。（3）合理的開孔和加蓋。在機座壁上開窗孔，將顯著降低機座的剛度，特別是扭轉(zhuǎn)剛度。三、機座剛度的模擬試驗由于機座的結(jié)構(gòu)形狀復雜，用力學方法計算剛度很困難。采用模型試驗方法，則可測得與實際較接近的變形量。模型試驗，就是將實物按比例縮小制成模型，利用模型模擬實物進行試驗。模型試驗可以用來進行靜態(tài)和動態(tài)試驗，也可進行抗振性和熱變形試驗等。2.4.4潤滑與潤滑劑一、潤滑運動部件間產(chǎn)生摩擦，摩擦導致磨損。為避免摩擦帶來的能量損失和磨損帶來的失效，潤滑是一種常用的減摩降磨有效手段。在相對運動表面間加入潤滑劑，使之免于工作在干摩擦狀態(tài)．可以達到減小摩擦、降低磨損的效果，進而達到提高工作效率和延長使用壽命的目的。圖2-29平行平板的流體潤滑狀態(tài)圖2-30非平行滑動平衰面間的流體動壓潤滑狀態(tài)圖2-31彈性動力潤滑圖2-32流體靜壓潤滑二、潤滑劑（1）潤滑劑的分類潤滑劑主要分為流體潤滑劑氣體潤滑劑半固體潤滑劑和固體潤滑型（2）潤滑劑的性能指標潤滑劑的常用性能指標有粘度。凝點、閃點、燃點、油性、滴點和錐入度等。①粘度：是表達液體間粘性阻力大小的指標。②凝點：潤滑劑由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)換的最高溫度。③閃點：是潤滑油在火焰下閃爍時的最低溫度。④燃點：是潤滑劑閃爍持續(xù)5s以上時的最低溫度。⑤油性：是濕潤、吸附于摩擦表面的性能。⑥滴點：是脂受熱后開始滴落時的溫度。⑦錐入度：是表征脂粘稠度指標。2.5執(zhí)行機構(gòu)設計機電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)其主功能的重要環(huán)節(jié)，它應能快速地完成預期的動作，并具有響應速度快、動態(tài)特性好、動靜態(tài)精度高、動作靈敏度高等特點，另外為便于集中控制，它還應滿足效率高、體積小、質(zhì)量輕、自控性強、可靠性高等要求。2.5.1微動機構(gòu)微動機構(gòu)是—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)特定的進給運動的機構(gòu)。在機電—體化產(chǎn)品中，它一般用于精確、微量地調(diào)節(jié)某些部件的相對位置。如在儀器的讀數(shù)系統(tǒng)中，利用微動機構(gòu)調(diào)整刻度尺的零位；在磨床中，用螺旋微動機構(gòu)調(diào)整砂輪架的微量進給；在醫(yī)學領(lǐng)域中各種微型手術(shù)器械均采用微動機構(gòu)。2.5.2定位機構(gòu)定位機構(gòu)是機電一體化機械系統(tǒng)中一種確保移動件占據(jù)準確位置的執(zhí)行機構(gòu)，通常采用分度機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)組合的形式來實現(xiàn)精確定位的要求。分度工作臺的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運動，在加工中自動實現(xiàn)工件—次安裝完成幾個面的加工。圖2-35分度工作臺的旋轉(zhuǎn)和粗定位的控制原理框