機電一體化系統(tǒng)典型機構(gòu)

機電一體化系統(tǒng)典型機構(gòu)第1頁/共57頁機械系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的最基本要素，是由計算機協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學(xué)任務(wù)的機械及機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。機電一體化對機械系統(tǒng)的要求1.高精度；2.快速響應(yīng)；3.良好的穩(wěn)定性。機械傳動系統(tǒng)的特性轉(zhuǎn)動慣量小摩擦小間隙小

阻尼合適剛度大抗振性能好第2頁/共57頁

機械系統(tǒng)包括傳動部件、導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)等，用于完成傳遞功率、運動和完成指定的動作。機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)機電一體化機構(gòu)的選型與設(shè)計機電一體化機械系統(tǒng)的工程設(shè)計機電一體化機械系統(tǒng)主要組成第3頁/共57頁第四章機械系統(tǒng)設(shè)計4.1機電一體化系統(tǒng)典型機構(gòu)4.2機器人機構(gòu)4.3精密齒輪傳動4.4同步帶傳動4.5滾珠絲杠傳動4.6導(dǎo)軌設(shè)計4.7機械系統(tǒng)設(shè)計綜合應(yīng)用實例

第4頁/共57頁

4.1機電一體化系統(tǒng)典型機構(gòu)4.1.1基本概念與術(shù)語4.1.2機構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)4.1.3連桿機構(gòu)4.1.4凸輪機構(gòu)4.1.5齒輪機構(gòu)第5頁/共57頁

4.1.1基本概念與術(shù)語平移3DOF旋轉(zhuǎn)3DOF無約束6DOF約束1-5DOF冗余6自由度運動第6頁/共57頁空間物體的自由度（獨立運動的數(shù)目）空間物體的六個自由度平面運動的構(gòu)件有三個自由度第7頁/共57頁自由度和約束（構(gòu)件獨立運動所加的限制

）

關(guān)節(jié)有:(a)一個自由度；(b)兩個自由度第8頁/共57頁運動副運動副：兩構(gòu)件直接接觸形成的可動連接；

球面副轉(zhuǎn)動副平面運動副、空間運動副萬向副第9頁/共57頁運動副的分類通常把面接觸的運動副稱為低副，點接觸或線接觸的運動副稱為高副。在平面機構(gòu)中，一個低副有兩個約束條件，一個高副有一個約束條件。低副高副第10頁/共57頁常見平面運動副及其自由度轉(zhuǎn)動副(低副）(自由度為1）可以繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動副第11頁/共57頁移動副(低副）(自由度為1）可以沿導(dǎo)路移動移動副常見平面運動副及其自由度第12頁/共57頁高副齒輪副，凸輪(高副）（自由度為2）可以沿切線移動可以繞接觸點或線轉(zhuǎn)動常見平面運動副及其自由度第13頁/共57頁復(fù)合運動副：萬向鉸或虎克鉸常見的空間運動副球鉸第14頁/共57頁4.1.2機構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)運動轉(zhuǎn)換器連桿-復(fù)雜的運動凸輪-旋轉(zhuǎn)到線性鏈，齒輪，滑輪-力或運動放大機器人機構(gòu)H機構(gòu)第15頁/共57頁機架：構(gòu)件中的固定構(gòu)件；原動件：機構(gòu)中按給定的已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件；從動件：除原動件外其余活動構(gòu)件。由兩個或兩個以上構(gòu)件通過活動聯(lián)接形成的構(gòu)件系統(tǒng)。組成機構(gòu)的各構(gòu)件都在相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)稱為平面機構(gòu)，否則稱為空間機構(gòu)。機構(gòu)及其組成第16頁/共57頁F＜0：超靜定桁架，構(gòu)件間無相對運動；F=0：靜定剛性桁架，構(gòu)件間無相對運動；F＞0：原動件數(shù)＜F，各構(gòu)件間無確定相對運動；原動件數(shù)>F，在機構(gòu)的薄弱處易遭到破壞。原動件數(shù)=F，機構(gòu)具有確定運動。機構(gòu)自由度數(shù)第17頁/共57頁曲柄滑塊機構(gòu)四連桿機構(gòu)用國家標準規(guī)定的線條和符號表示構(gòu)件與運動副、按比例表示構(gòu)件的運動尺寸，反映原機構(gòu)運動情況的簡化圖形。機構(gòu)運動簡圖第18頁/共57頁平面高副平面運動副轉(zhuǎn)動副移動副第19頁/共57頁機架兩副構(gòu)件三副構(gòu)件構(gòu)件第20頁/共57頁顎式破碎機主體機的機構(gòu)運動簡圖當(dāng)偏心軸2繞其軸心連續(xù)轉(zhuǎn)動時，動顎3作往復(fù)擺動，從而將處于動顎板3和定顎之間的礦石軋碎。大帶輪5電動機V帶小帶輪肘板4定顎板動顎板3偏心軸2電動機帶傳動偏心軸轉(zhuǎn)動

動顎板擺動，與定顎板一起壓碎物料工作過程：第21頁/共57頁DCBA1432顎式破碎機主體機的機構(gòu)運動簡圖當(dāng)偏心軸2繞其軸心連續(xù)轉(zhuǎn)動時，動顎3作往復(fù)擺動，從而將處于動顎板3和定顎之間的礦石軋碎。第22頁/共57頁運動學(xué)不考慮引起運動的原因—力的作用，只從幾何方面研究物體在空間的位置隨時間的變化規(guī)律，確定運動過程中物體的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)動角速度和角加速度等。運動的研究(不考慮力)第23頁/共57頁動力學(xué)機械動力學(xué)是研究機械在力作用下的運動和機械在運動中產(chǎn)生的力的科學(xué)。動力學(xué)反問題（已知運動求力）動力學(xué)正問題（已知力求運動）分為分析和綜合兩個方面：分析：研究現(xiàn)有機械；綜合：設(shè)計新機械使之達到給定的運動學(xué)、動力學(xué)要求。動力學(xué)反問題：首先對機器人手部進行軌跡規(guī)劃，即給定手部的運動路徑及軌跡上各點的速度及加速度，然后，求出應(yīng)施加于各關(guān)節(jié)處的廣義驅(qū)動力的變化規(guī)律。動力學(xué)正問題：已知各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，求解手部的真實運動。第24頁/共57頁4.1.3連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)：用銷軸等零件將細長的桿件連接起來組成的機構(gòu)稱為連桿機構(gòu)。由四根桿件組成的機構(gòu)稱為四連桿機構(gòu)。曲柄：桿與桿之間構(gòu)成轉(zhuǎn)動副或者滑動副，其中作為旋轉(zhuǎn)運動的桿件稱為曲柄，搖桿：只能在一定角度內(nèi)作往復(fù)擺動的桿稱為搖桿。基本概念第25頁/共57頁四連桿格拉斯霍夫條件（桿長和條件）最短和最長的總和≤另外兩桿之和曲柄存在的必要條件最短和最長的總和>另外兩桿之和兩桿都不周轉(zhuǎn)的雙搖桿曲柄滑塊用曲柄和滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構(gòu)偏置曲柄機構(gòu)具有急回特性對心曲柄機構(gòu)沒有急回特性常用機構(gòu)第26頁/共57頁剪刀機以曲柄為主動件：將曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成從動桿的往復(fù)擺動連桿機構(gòu)選型與設(shè)計第27頁/共57頁以曲柄為主動件：將曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成從動桿的往復(fù)擺動第28頁/共57頁當(dāng)主動曲柄連續(xù)等速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄一般不等速轉(zhuǎn)動慣性篩第29頁/共57頁?dān)Q式起重機當(dāng)主動搖桿擺動時，從動搖桿也隨之?dāng)[動，同時在連桿上也可獲得預(yù)期的運動軌跡。第30頁/共57頁攝影平臺升降機構(gòu)平行雙曲柄機構(gòu)（運動的同向性）第31頁/共57頁鑄造用大型造型機翻箱機構(gòu)第32頁/共57頁碎石機用電動機帶動的曲柄搖桿機構(gòu)：（以曲柄為主動件）第33頁/共57頁加工核島蒸汽發(fā)生器水室封頭重載變位器連桿機構(gòu)應(yīng)用實例第34頁/共57頁毛坯:200T最終產(chǎn)品:43.5T直徑:4.3m水室封頭重載變位器第35頁/共57頁任務(wù)分析目標：設(shè)計核島蒸發(fā)器下封頭機械加工用變位機。目的:

配合數(shù)控落地銑鏜床（具有三維移動自由度，刀具的軸線方向始終保持不變）完成下封頭零件上接管口的精加工而設(shè)計的機床輔具。任務(wù)：實現(xiàn)依次將蒸發(fā)器下封頭上的接管口變位到刀具的軸線方向，并在機械加工過程中始終保持工件的位姿不變。要求：足夠的剛度、定位精度和精度保持能力。

第36頁/共57頁變位機的構(gòu)型設(shè)計與分析兩自由度旋轉(zhuǎn)變位機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

數(shù)控落地銑鏜床的刀具軸線方向固定，變位機需要將蒸發(fā)器下封頭的接管口軸線變換到刀具的軸線方向，為了完成變位工作，變位機至少需要兩個旋轉(zhuǎn)自由度。三自由度旋轉(zhuǎn)變位機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖第37頁/共57頁變位機的構(gòu)型設(shè)計與分析第38頁/共57頁變位機的構(gòu)型設(shè)計與分析第39頁/共57頁變位機機構(gòu)尺寸優(yōu)化第40頁/共57頁水室封頭重載變位器第41頁/共57頁水室封頭重載變位器第42頁/共57頁水室封頭重載變位器第43頁/共57頁4.1.4凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^短的直線往復(fù)運動凸輪從動件功用基于凸輪的輪廓主動件分類盤形圓柱形從動件分類頂尖式滾子式平底式第44頁/共57頁盤形凸輪和平底從動件幾種常見的凸輪機構(gòu)第45頁/共57頁圓柱凸輪和滾子從動件第46頁/共57頁盤形凸輪和滾子從動件第47頁/共57頁頂尖從動件的盤形凸輪

第48頁/共57頁心形凸輪機構(gòu)(a)心形機構(gòu)(b)機械手的驅(qū)動凸輪機構(gòu)選型與設(shè)計第49頁/共57頁4.1.5齒輪機構(gòu)齒輪系是歷史悠久，至今應(yīng)用也是最為廣泛的一種機械傳動機構(gòu)。功用：是按規(guī)定的速比傳遞運動和動力特點：工作可靠、傳動比恒定、結(jié)構(gòu)成熟，但制造復(fù)雜。第50頁/共57頁齒輪傳動的類型與特點正齒輪（直齒圓柱齒輪）較常見，價格低廉，高效平行軸間傳動回轉(zhuǎn)運動到回轉(zhuǎn)運動在中、低速精密傳動中優(yōu)先采用。

斜齒輪平行軸間傳動回轉(zhuǎn)運動到回轉(zhuǎn)運動在中、高速傳動中優(yōu)先采用。

圓錐齒輪相交軸之間傳輸動力適用于低速的直角傳動。第51頁/共57頁齒輪齒條旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動蝸輪蝸桿傳動不相交的軸高傳動比“自鎖”非反轉(zhuǎn)高摩擦損失第52頁/共57頁應(yīng)用實例--變位機的旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)