《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課件 第3章第一節(jié) 執(zhí)行裝置

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第3章執(zhí)行裝置及伺服電動機3.1常用執(zhí)行裝置及分析3.2執(zhí)行裝置設(shè)計3.3伺服電動機目錄概述

從機電一體化系統(tǒng)的機械能流角度看，其支持系統(tǒng)由動力裝置、傳動裝置、執(zhí)行裝置以及能源組成。能源一般采用電源或液（氣）壓源。動力裝置的作用是將電能或液（氣）壓能轉(zhuǎn)換為機械能。如伺服電機將電能轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的機械能；步進氣缸將氣壓能轉(zhuǎn)換為直線運動的機械能。傳動裝置是起傳遞機械運動能量的作用或起轉(zhuǎn)換運動軌跡、運動參數(shù)或增速和增大轉(zhuǎn)矩的作用。執(zhí)行裝置的作用則是夾持物料、運動導(dǎo)向，以及將機械有效能傳入工藝過程。對于直線運動，執(zhí)行裝置工作臺、刀架、輸送帶等；對于回轉(zhuǎn)運動有主軸、轉(zhuǎn)臺等；對于組合運動有機械手等。傳動裝置已在第二章中敘述，由于篇幅限制，本章僅對常用執(zhí)行裝置及伺服電機作分析。重難點分析1.常用的執(zhí)行裝置及結(jié)構(gòu)特點2.能夠根據(jù)實際情況選擇合適的執(zhí)行裝置。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

機電一體化產(chǎn)品具有信息處理系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和加工系統(tǒng),它是以能量物質(zhì)或信息的傳遞、處理、轉(zhuǎn)換和保存等為目的的技術(shù)系統(tǒng),為實現(xiàn)不同的目的和功能,需要采用不同形式的執(zhí)行裝置,其中有電動機的、機械的、電子的和激光的。本節(jié)主要介紹幾種常用的執(zhí)行裝置。3.1.1微動裝置

微動裝置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)特定的進給運動的裝置。在機電一體化產(chǎn)品中,微動裝置一般用于精確、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,利用微動裝置調(diào)整刻度尺的零位;在磨床中,用螺旋微動裝置調(diào)整砂輪架的微量進給;在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各種微型手術(shù)器械均采用微動裝置。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

微動裝置一般要求:靈敏度高;傳動靈活、平穩(wěn),無空程與爬行;抗干擾能力強、快速響應(yīng)性好和良好的結(jié)構(gòu)工藝性等。微動裝置按其傳動原理不同分為機械式、熱變形式、磁致伸縮式、電氣-機械式、彈性變形式和壓電式等多種形式,下面介紹其中的幾種形式。1.機械式微動裝置2.熱變形式微動裝置3.磁致伸縮式微動裝置4.電氣機械式微動裝置3.1常用執(zhí)行裝置及分析1.機械式微動裝置

用的機械式微動裝置傳動類型有：螺旋傳動、齒輪傳動、摩擦傳動、杠桿傳動以及幾種傳動方案的結(jié)合。如圖3-1所示為萬能工具顯微鏡工作臺，它采用是螺旋傳動，它由緊定螺母2、調(diào)節(jié)螺母3、微動手輪4、螺桿5、鋼珠6等組成。整個裝置固定在測微套1上。旋轉(zhuǎn)微動手輪4時，螺桿5頂動工作臺，實現(xiàn)工作臺的微動。螺旋微動裝置的最小微動量(mm)為式中p——螺桿的螺距（mm）；

——手輪的最小轉(zhuǎn)角（0）。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

為提高該裝置的靈敏度，可增大手輪或減小螺距。但手輪太大，將使裝置的空間體積增大，操作不靈便；若螺距太小，則加工困難，使用時易磨損。因此該裝置的靈敏度不高。3.1常用執(zhí)行裝置及分析2.熱變形式微動裝置

該類裝置利用電熱元件作為動力源,靠電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形實現(xiàn)微小位移,其工作原理如圖3-2所示。傳動桿1的一端固定在機座上,另一端固定在沿導(dǎo)軌移動的運動件3上。

圖3-2熱變形微動裝置原理1—傳動桿2—電阻絲3—運動件3.1常用執(zhí)行裝置及分析圖3-2熱變形微動裝置原理1—傳動桿2—電阻絲3—運動件當(dāng)電阻絲2通電加熱時,傳動桿1受熱伸長其伸長量ΔL(單位為mm)為

ΔL=αL(t1-t0)=αLΔt(3-2)式中

α——傳動桿材料的線膨脹系數(shù)（mm/℃）；L——傳動桿長度（mm）；t1——加熱后的溫度（℃）；t0為加熱前的溫度（℃）；

Δt——熱前后的溫度差（℃）。

3.1常用執(zhí)行裝置及分析當(dāng)傳動桿1由于伸長而產(chǎn)生的力大于導(dǎo)軌副中的靜摩擦力時，運動件3就開始移動。理想狀態(tài)為傳動桿的伸長量等于運動件的移動量。但由于導(dǎo)軌副摩擦力性質(zhì)、位移速度、運動件質(zhì)量以及系統(tǒng)阻尼等有差異，往往達不到理想狀態(tài)，實際傳動件的伸長量與運動件的移動量有一定差值，稱之為運動誤差S(mm)為式中C——考慮到摩擦阻力、位移速度和阻尼的系數(shù)；E——傳動桿材料的彈性模量（Pa）；

A——傳動桿的截面積（m2）。

3.1常用執(zhí)行裝置及分析所以，位移的相對誤差為

為減少微量位移的相對誤差，由式3-4可知，應(yīng)增加傳動桿的彈性模量、線膨脹系數(shù)

和截面積A。所以，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)和彈性模量高的材料制成傳動桿。

熱變形微動機構(gòu)可利用變壓器、變阻器等調(diào)節(jié)方法來調(diào)節(jié)傳動桿的加熱速度，以實現(xiàn)對位移速度和微進給量的控制。為了使傳動桿或使運動件恢復(fù)到原來的位置，可利用壓縮空氣或乳化液流經(jīng)傳動桿的內(nèi)腔使之冷卻。思考：舉出熱變形裝置的應(yīng)用場合？3.1常用執(zhí)行裝置及分析圖3-3所示為外圓磨床砂輪架熱變形進給裝置。在砂輪架中，變壓器輸出的電流通過傳動桿1，傳動桿1的熱變形伸長使砂輪架獲得微量進給；液壓缸2用以實現(xiàn)砂輪架快速趨進或離開工件。當(dāng)砂輪到達預(yù)定位置后，通入冷卻液或壓縮空氣，使傳動桿冷卻而恢復(fù)到原來位置。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

熱變形微動裝置具有高剛度和無間隙優(yōu)點，并可通過控制加熱電流來得到所需微量位移。但由于熱性以及冷卻速度難以精確控制等原因，這種微動機構(gòu)只適用于行程較短、頻率不高的場合。3．磁致伸縮式微動裝置

該類裝置利用某些材料在磁場作用下具有改變尺寸的磁致伸縮效應(yīng)，來實現(xiàn)微量位移。其原理如圖3-4所示。磁致伸縮棒1左端固定在機座上，右端與運動件2相聯(lián)，繞在伸縮棒外的磁致線圈通電勵磁后，在磁場作用下，伸縮棒1產(chǎn)生伸縮變形而使運動件2實現(xiàn)微量移動。通過改變線圈的通電電流大小來改變磁場強度，伸縮棒1產(chǎn)生不同的伸縮變形，使運動件可得到不同的位移量。在磁場作用下，伸縮棒的變形量為3.1常用執(zhí)行裝置及分析式中

——材料磁致伸縮系數(shù)

；L——伸縮棒被磁化部分的長度(m)。當(dāng)伸縮棒變形時產(chǎn)生的伸縮力能克服運動件導(dǎo)軌副的摩擦?xí)r，運動件便產(chǎn)生位移，其最小位移量

為最大位移量

為式中F0——導(dǎo)軌副的靜摩擦力(N)；Fd——導(dǎo)軌副的動摩擦力(N)；3.1常用執(zhí)行裝置及分析

K——伸縮棒的縱向剛度

——磁飽和時伸縮棒的相對磁致伸縮系數(shù)。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

磁致伸縮式微動裝置的特點是重復(fù)精度高，無間隙；剛度好，轉(zhuǎn)動慣量小，工作穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；但由于工程材料的磁致伸縮量有限，該類裝置所提供的位移量有限。因而該類裝置適用于精確位移調(diào)整、切削刀具的磨損補償、溫度補償及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖3-5所示為磁致伸縮式精密工作臺，它利用粗、精位移相結(jié)合得到所需的較大的進給量。粗位移時，用絲杠螺母副傳動；微量位移時，用裝在螺母與工作臺間的磁致伸縮棒來實現(xiàn)。3.1常用執(zhí)行裝置及分析4．電氣機械式微動裝置

圖3-6是美國辛辛那提·米拉克隆S系列切入式外圓磨床的一種進給方式。該裝置由步進電機1與2、齒輪3、絲杠螺母副、快速液壓缸5和砂輪架4等元件組成。由步電機1經(jīng)齒輪、絲杠螺母副，帶動砂輪架實現(xiàn)粗磨、半精磨、精磨等進給。通過步進電機2。經(jīng)減速器及絲杠螺母副實現(xiàn)補償進給，最小微進給量為0.0005mm。3.1常用執(zhí)行裝置及分析3.1.2定位裝置

定位裝置是機電一體化系統(tǒng)中一種確保移動件占據(jù)準(zhǔn)確位置的執(zhí)行裝置，通常采用將分度機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)的組合形式來實現(xiàn)精確定位要求。圖3-7所示的XH754型臥式加工中心的分度工作臺就是這樣一種定位裝置。工作臺面1靠端面齒盤2和4精確定位?；钊?將工作臺面抬起，蝸桿蝸輪副6使工作臺面轉(zhuǎn)動位置。齒盤共有72齒，每齒間隙50，故每次轉(zhuǎn)位的角度必須為50的倍數(shù)。

圖3-7

XH754型臥式加工中心分度工作臺1—工作臺面2—端面齒盤3—推力軸承4—齒盤5—活塞6—蝸桿副7—定心軸3.1常用執(zhí)行裝置及分析

分度前，活塞5的下腔通壓力油，經(jīng)推力軸承3把工作臺1抬起，齒盤2和齒盤4分開。工作臺的定心軸7與蝸輪為花鍵聯(lián)接。分度時，直流伺服電動機通過十字滑塊聯(lián)軸節(jié)（圖中未示出）、蝸桿傳動蝸輪6，經(jīng)工作臺定心軸7，使工作臺轉(zhuǎn)位，至此實現(xiàn)工作臺粗定位。轉(zhuǎn)位完畢后，活塞的上腔通壓力油，把工作臺下拉，靠齒盤2和齒盤4定位，由此保證最后定位精度。圖3-7

XH754型臥式加工中心分度工作臺1—工作臺面2—端面齒盤3—推力軸承4—齒盤5—活塞6—蝸桿副7—定心軸3.1常用執(zhí)行裝置及分析3.1.3主軸部件與直線運動工作臺1．主軸部件

主軸部件在機電一體化系統(tǒng)中，是直接影響生產(chǎn)效率的執(zhí)行裝置，如加工中心主軸，發(fā)電機組主軸，煉油系統(tǒng)的壓縮機主軸。主軸組件要求具有足夠的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性以及良好的熱穩(wěn)定性和耐磨性。如圖3-8MJ—50數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)。交流主軸電動機通過帶輪15把運動傳給主軸7。主軸有前后兩個支承。前支承由一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承11和一對角接角球軸承10組成，軸承11用來承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口向外（朝向主軸前端），另一個大口向里（朝向主軸后端），用來承受雙向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調(diào)整。螺釘12用來防止螺母8回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾3.1常用執(zhí)行裝置及分析如圖3-8MJ—50數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)。交流主軸電動機通過帶輪15把運動傳給主軸7。主軸有前后兩個支承。前支承由一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承11和一對角接角球軸承10組成，軸承11用來承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口向外（朝向主軸前端），圖3-8

MJ—50數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)1、6、8—螺母2—同步帶3、16—同步帶輪4—脈沖編碼器5、12、13、17—螺釘7—主軸9—主軸箱體10—角接觸球軸承11、14—圓錐孔雙列圓柱滾子軸承15—帶3.1常用執(zhí)行裝置及分析另一個大口向里（朝向主軸后端），用來承受雙向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調(diào)整。螺釘12用來防止螺母8回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾子14，軸承間隙由螺母1和6來調(diào)整。螺釘17和13是防止螺母1和6回松的。圖3-8

MJ—50數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)1、6、8—螺母2—同步帶3、16—同步帶輪4—脈沖編碼器5、12、13、17—螺釘7—主軸9—主軸箱體10—角接觸球軸承11、14—圓錐孔雙列圓柱滾子軸承15—帶3.1常用執(zhí)行裝置及分析主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉(zhuǎn)速高。前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速高。主軸所采用的支承結(jié)構(gòu)適宜低速大載荷的需要。主軸的運動經(jīng)過同步帶輪16和3以及同步帶2帶動脈沖編碼器4，使其與主軸同速運轉(zhuǎn)。脈沖編碼器用螺釘5固定在主軸箱體現(xiàn)上。圖3-8

MJ—50數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)1、6、8—螺母2—同步帶3、16—同步帶輪4—脈沖編碼器5、12、13、17—螺釘7—主軸9—主軸箱體10—角接觸球軸承11、14—圓錐孔雙列圓柱滾子軸承15—帶3.1常用執(zhí)行裝置及分析

2．直線運動工作臺

在機電一體化系統(tǒng)中這是最常見的執(zhí)行裝置，如，機床直線運動工作臺，AVG和加工中心之間的渡送裝置。直線運動工作臺的常見結(jié)構(gòu)如圖3-9所示，工作臺支承于滾動導(dǎo)軌上，一般有四個支承點，滾珠絲杠螺母副的螺母和工作臺固聯(lián)。當(dāng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動時，工作臺前后移動，工作上T形槽平固定各種工件或其它功能元件。直線運動工作臺，導(dǎo)向?qū)挾群蛯?dǎo)向長度有一定的比例關(guān)系。圖3-9直線運動工作臺結(jié)構(gòu)1—調(diào)整螺釘2—定導(dǎo)軌3—滾柱3.1常用執(zhí)行裝置及分析3.1.4動力卡盤

動力卡盤是數(shù)控機床為滿足各種加工需求的許多新型執(zhí)行裝置之一。動力卡盤能保證在機床主軸轉(zhuǎn)動的情況下,工件能自動回轉(zhuǎn),做到一次裝夾完成全部加工工序。它廣泛應(yīng)用于十字形零件和T形零件的車削加工過程。圖3-10所示為BP4-22型轉(zhuǎn)塔車床自動回轉(zhuǎn)卡盤?？ūP體由兩部分組成：不動部分2和可換部分4。不動盤體中裝有動力傳動元件（液壓缸3用于夾緊工件8，液壓缸13、14用于回轉(zhuǎn)工件），由裝在盤體中心孔的配油管，沿不動盤體中的管路，將液壓油送至液壓缸。

在可換盤體中裝有分度元件，樞軸10是一多棱體，搖桿12裝在心軸11上。樞軸的具體結(jié)構(gòu)根據(jù)工件回轉(zhuǎn)角度而定；夾緊卡爪7和定位爪9，根據(jù)工件形狀確定。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

卡盤由法蘭盤1固定在機床主軸上，其工作過程為：工件在定位爪9上定位；壓力油進入夾緊液壓缸3的左腔；使活塞桿推動滑塊5（滑塊的支承套6上裝有夾緊卡爪7）向下運動，壓緊工件；然后主軸旋轉(zhuǎn)，刀架趨進，進行工件的一面加工。當(dāng)工件的一面加工完畢，主軸停轉(zhuǎn)，刀架退出，壓力油進入液壓缸14，液壓缸13的工作腔與泄漏管接通，從而使搖桿12帶動工件沿順時針方向轉(zhuǎn)動900，與樞軸10多棱體的另一面接觸，然后可進行工件的下一個面的切削加工。3.1常用執(zhí)行裝置及分析1—法蘭盤2—不動部分3、13、14—液壓缸4—可換部分5—滑塊6—支承套7—卡爪8—工件9—定位爪

10—樞軸11—心軸12—搖桿3.1常用執(zhí)行裝置及分析3.1.5工業(yè)機器人末端執(zhí)行器

工業(yè)機器人是一種自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機,是搬運工件或操作工具以及完成各種作業(yè)的機電一體化設(shè)備,工業(yè)機器人末端執(zhí)行器(或稱手部)是其執(zhí)行裝置。工業(yè)機器人末端執(zhí)行器因其用途不同而結(jié)構(gòu)各異,一般可分為機械夾持器、特種末端執(zhí)行器和靈巧手3類。1．機械夾持器

機械夾持器應(yīng)具備的基本功能是它應(yīng)具有夾持和松開的功能。夾持器夾持工件時，應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾工件在移動、停留和裝入過程中，不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時，應(yīng)完全松開。此外，它還應(yīng)保證工件夾持誤差在給定的公差范圍內(nèi)。3.1常用執(zhí)行裝置及分析

機械夾持器通常以壓縮空氣作動力源，經(jīng)傳動機構(gòu)實現(xiàn)手指的運動。根據(jù)手指夾持工件時的運動軌跡的不同，機械夾持器分為：1）圓弧開合型

該類夾持器在傳動機構(gòu)帶動下，手指指端的運動軌跡為圓弧。如圖3-11所示，圖a采用凸輪機構(gòu)，圖b采用連桿機構(gòu)作為傳動件。3.1常用執(zhí)行裝置及分析夾持器工作時，兩手指繞支點作圓弧運動，同時對工件進行夾緊和定心。這類夾持器對工件被夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求，否則可能會造成工件狀態(tài)失常。3.1常用執(zhí)行裝置及分析2)圓弧平行開合型

該類夾持器兩手指工作時做平行開合運動,而指端運動軌跡為圓弧。圖3-12所示的夾持器是采用平行四邊形傳動機構(gòu)帶動手指的平行開合的兩種情況,圖3-12a所示機構(gòu)在夾持時指端前進,圖3-12b所示機構(gòu)在夾持時指端后退。3.1常用執(zhí)行裝置及分析3)直線平行開合型

該類夾持器手指的運動軌跡為直線,且兩手指夾持面始終保持平行,如圖3-13所示,圖3-13a采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)兩手指的平行開合,在各手指的滑動塊2上開有斜形凸輪槽5,當(dāng)活塞桿1上下運動時,通過裝在其末端的滾子4在3.1常用執(zhí)行裝置及分析凸輪槽1中運動,實現(xiàn)手指6的平行夾持運動。圖3-13b采用齒輪齒條機構(gòu),當(dāng)活塞桿齒條7帶動齒輪8旋轉(zhuǎn)時,手指10上的齒條做直線運動,從而使兩手指10平行開合,以夾持工件。

機械夾持器根據(jù)作業(yè)的需要形式繁多，有時為了抓取特別復(fù)雜形體的工件，還設(shè)計有特種手指機構(gòu)的夾持器，如具有鋼絲繩滑輪機構(gòu)的多關(guān)節(jié)柔性手指夾持器、膨脹式橡膠手袋手指夾持器等。3.1常用執(zhí)行裝置及分析2．特種末端執(zhí)行器

特種末端執(zhí)行器供工業(yè)機器人完成某類特定的作業(yè)，圖2-54列舉了一些特種末端執(zhí)行器的應(yīng)用實例。下面簡單介紹其中的兩種。圖3-14a真空吸附手，亦即通常所說的真空吸盤。工業(yè)機器人中常把真空吸附手與負(fù)壓發(fā)生器組成一個工作系統(tǒng)（如圖3-15所示），控制電磁換向閥的開合可實現(xiàn)對工件的吸附和脫開。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，且吸附作業(yè)具有一定柔順性（如圖3-16所示），這樣即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不會影響吸附手的工作。它常用于小件搬運，也可根據(jù)工件形狀、尺寸、重量的不同將多個真空吸附手組合使用。

3.1常用執(zhí)行裝置及分析

電磁吸附手，亦即通常所說的電磁吸盤。它利用通電線圈的磁場對可磁化材料的作用力來實現(xiàn)對工件的吸附作用。它同樣具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉等特點，但其最特殊的是：它吸附工件的過程是從不接觸工件開始的，工件與吸附手接觸之前處于漂浮狀態(tài)，即吸附過程由極大的柔順狀態(tài)突變到低的柔順狀態(tài)。這種吸附手的吸附力是由通電線圈的磁場提供的，所以可用于搬運較大的可磁化性材料的工作。

吸附手的形式根據(jù)被吸附工件表面形狀來設(shè)計。圖3-14e所示的電磁吸附手用于吸附平坦表面的工件。圖3-17所示的電磁吸附手可用于吸附不同的曲面工件，這種吸附手在吸附部位裝有磁粉袋，線圈通電前將可變形的磁粉袋貼在工件表面上，當(dāng)線圈通電勵磁后，在磁場作用下，磁粉袋端部外形固定成被吸附工件的表面形狀，從而達到吸附不同表面形狀工件的目的。3.1常用執(zhí)行裝置及分析圖3-14特種末端執(zhí)行器a)真空吸附手b)噴槍c)空氣袋膨脹手d)弧焊焊槍e)電磁吸附手f)點焊槍1—工件3.1常用執(zhí)行裝置及分析圖3-16真空吸附手的柔順性a)高柔順狀態(tài)b)低柔順狀態(tài)1—真空吸附手3.1常用執(zhí)行裝置及分析圖3-17具有磁粉袋的吸附手1—勵磁線圈2—磁粉袋3—工件3.1常用執(zhí)行裝置及分析3.靈巧手

它是一種模仿人手制作的多指、多關(guān)節(jié)的機器人末端執(zhí)行器。它可以適應(yīng)物體外形的變化,對物體施加任意方向、任意大小的夾持力,可滿足對任意形狀、不同材質(zhì)的物體的操作和抓持要求,但由于其控制、操作系統(tǒng)技術(shù)難度較大,雖然目前國內(nèi)外對其研究十分重視,卻仍處在研制階段。3.1常用執(zhí)行裝置及分析圖3-18靈巧手3.2執(zhí)行裝置設(shè)計

執(zhí)行裝置是機電一體化系統(tǒng)的重要組成部分,是能量流系統(tǒng)的末端,它直接接收系統(tǒng)控制器的指令,并通過傳動機構(gòu)來驅(qū)動執(zhí)行裝置實現(xiàn)特定的功能。由于執(zhí)行裝置與工作對象相接觸,因而它要隨工作對象的類型而采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式。例如,在機器人系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置是機器人的末端執(zhí)行器(手部),在數(shù)控機床中的執(zhí)行裝置為車床的主軸和刀架,而在改造傳統(tǒng)機械基礎(chǔ)上得到的機電一體化產(chǎn)品大都保留原執(zhí)行裝置。對執(zhí)行裝置的設(shè)計主要要求如下:1)具有實現(xiàn)所需的全部運動形式的能力,包括給定的運動軌跡、給定的行程、速度方向及運動的起止點位置的范圍等,并具有相應(yīng)的精度和靈敏度。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計2)具有傳遞所需動力的能力。這要求執(zhí)行裝置具有相應(yīng)的強度和剛度。3)具有良好的動態(tài)品質(zhì),即要求盡量減少裝置的轉(zhuǎn)動慣量、提高傳動剛度和系統(tǒng)固有頻率,以減少摩擦和間隙等。4)可靠性高、壽命長。

由此，執(zhí)行裝置設(shè)計主要包括功能分析、運動設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計等幾方面。本節(jié)僅對執(zhí)行裝置的運動和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要方面作分析。

在設(shè)計新品或?qū)υ薪Y(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計時，應(yīng)充分分析和吸收原有結(jié)構(gòu)或相近產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，盡量利用原有結(jié)構(gòu)或借用相近產(chǎn)品中經(jīng)過生產(chǎn)和使用證明已經(jīng)掌握的比較成熟的結(jié)構(gòu)，或盡量采用推薦的典型結(jié)構(gòu)，只對少部分結(jié)構(gòu)進行另行設(shè)計，或只作局部改動，這不僅大大簡化設(shè)計和生產(chǎn)過程、縮短生產(chǎn)周期，而且也易于保證設(shè)計質(zhì)量。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計3.2.2執(zhí)行裝置運動設(shè)計

執(zhí)行裝置的運動形式主要有回轉(zhuǎn)運動、直線運動和組合運動等。執(zhí)行裝置運動設(shè)計旨在保證運動件具有一定的運動精度、定位精度和運動的穩(wěn)定性。這里僅對回轉(zhuǎn)精度和低速運動穩(wěn)定性進行討論。1.運行精度保證

在機電一體化系統(tǒng)中,可以通過幾套運動伺服單元的配合實現(xiàn)各種平面或空間的運動軌跡,然而每套運動伺服單元本身的基本運動,如定軸旋轉(zhuǎn)和直線運動等仍然需要用科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)來獲得正確軌跡。隨著現(xiàn)代專業(yè)化生產(chǎn)的日趨成熟,在運動結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以方便地選用品質(zhì)優(yōu)秀的各類定型、標(biāo)準(zhǔn)的器件等。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計（1）回轉(zhuǎn)精度

所謂軸的回轉(zhuǎn)精度是指在運轉(zhuǎn)過程中軸的瞬間回轉(zhuǎn)中心線（軸上線速度為零的點的連線）的變動情況（圖3-19所示）。從實際測量的角度出發(fā)，回轉(zhuǎn)精度包括徑向變動量和軸向竄動量兩方面數(shù)值。其中，徑向變動量使安裝在軸上各傳動元件不能夠按標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡運行，引起在半徑方向的各種誤差，如帶輪外圓工作面、齒輪分度圓的徑向跳動；而軸向竄動也有對應(yīng)的性能影響，如車床主軸在車螺紋時產(chǎn)生螺距變動、光盤驅(qū)動器主軸使光盤盤面發(fā)生跳動等。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計圖3-19軸的回轉(zhuǎn)精度的概念1—理想軸心線的位置2—右軸承處軸心點運動軌跡3—運動方向4—左右軸心連線的包絡(luò)面5—左軸承處軸心點運動軌跡3.2執(zhí)行裝置設(shè)計（2）回轉(zhuǎn)運動支承

回轉(zhuǎn)運動支承主要指滾動軸承、動、靜壓軸承、磁軸承等各種軸承。它的作用是支承作回轉(zhuǎn)運動軸或絲杠。隨著刀具材料和加工自動化的發(fā)展，主軸的轉(zhuǎn)速越來越高，變速范圍也越來越大。如中型數(shù)控機床和加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速可達到5000r/min～6000r/min，甚至更高；內(nèi)圓磨床為了達到足夠的磨削速度，磨削小孔的砂輪主軸轉(zhuǎn)速已高達240000r/min。因此，對軸承的精度、承載能力、剛度、抗振性、壽命、轉(zhuǎn)速等提出了更高的要求。也逐漸出現(xiàn)了許多新型結(jié)構(gòu)的軸承。機電一體化系統(tǒng)常用軸承及特點見表3-1。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計表3-1機電一體化系統(tǒng)常用軸承及特點種類滾動軸承靜壓軸承動壓軸承磁軸承性能一般滾動軸承陶瓷軸承

精度一般，在預(yù)緊無間隙時較高1μm~1.5μm同滾動軸承高,液體靜壓軸承可達0.1μm,氣體靜壓軸承可達0.02μm~0.12μm較高,單油楔0.5μm,雙油楔0.08μm一般1.5μm~3μm剛度一般,預(yù)緊后較高不及滾動軸承

液體靜壓軸承高,氣體靜壓軸承較差

液體靜壓軸承較高不及滾動軸承抗振性較差同滾動軸承好較好較好速度性能用于中低速用于中高速

液體靜壓軸承可用于各種速度,氣體靜壓軸承用于超高速用于高速用于高速摩擦耗損較小較小小起動時,摩擦較大很小壽命較低較長長長長使用維護簡單較難較難比較簡單較難成本低較高較高較高高3.2執(zhí)行裝置設(shè)計1)標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承。

標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承的尺寸規(guī)格已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,并由專門生產(chǎn)廠大量生產(chǎn)。使用時,主要根據(jù)剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。如有要求,則還應(yīng)考慮其他因素,如承載能力、抗振性和噪聲等。近年來,為適應(yīng)各種不同要求,還開發(fā)了不少用于機電一體化系統(tǒng)的新型軸承

圖3-20所示為空心圓錐滾子軸承（Gamet軸承），一般將雙列空心圓錐滾子軸承圖3-20a用于前支承，單列空心圓錐滾子軸承圖3-20b用于后支承，配套使用。這種軸承與一般圓錐滾子軸承不同之處在于：滾子是中空的，保持架則是整體加工的，它與滾子之間沒有間隙，工作時潤滑油的大部分將被迫通過滾子中間小孔，以便冷卻最不易散熱的滾子，潤滑油的另一部分則在滾子與滾道之間通過，起潤滑作用。此外，中3.2執(zhí)行裝置設(shè)計空的滾子還具有一定的彈性變形能力，可吸收一部分振動。雙列軸承的兩列滾子數(shù)目相差一個，使兩列的剛度變化頻率不同，以抑制振動。單列軸承外圈上的彈簧用作預(yù)緊。這兩種軸承的外圈較寬，因此與箱體的配合可以松一些。箱體孔的圓度和圓柱度誤差對外圈滾道的影響較小。這種軸承用油潤滑，故常用于臥式主軸。如圖3-21所示，其中螺母2用于調(diào)整軸承間隙。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計圖3-20空心圓錐滾子軸承a)雙列空心圓錐滾子軸承b)單列空心圓錐滾子軸承3.2執(zhí)行裝置設(shè)計圖3-21空心圓錐滾子軸承的主軸系統(tǒng)1—彈簧2—螺母3—滾子4—外圈3.2執(zhí)行裝置設(shè)計

陶瓷滾動軸承的結(jié)構(gòu)與一般滾動軸承相同。目前常用的陶瓷材料為Si4N4。由于陶瓷熱傳導(dǎo)率低、不易發(fā)熱、硬度高、耐磨，在采用油脂潤滑的情況下，軸承內(nèi)徑為25㎜～100㎜時，主軸轉(zhuǎn)速可達8000r/min～15000r/min；在油霧潤滑的情況下，軸承內(nèi)徑在65㎜～100㎜時，主軸轉(zhuǎn)速可達15000r/min～20500r/min，在軸承內(nèi)徑為40㎜～60㎜時，主軸轉(zhuǎn)速可達20000～30000r/min。陶瓷滾動軸承主要用于中、高速運動主軸的支承。2）非標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承對軸承有特殊要求而又不可能采用標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承時，就需根據(jù)使用要求自行設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承。如圖3-22為密珠軸承，它由內(nèi)、外圈和密集于二者間并具有過盈配合的鋼球組成。它有兩種形式，即徑向軸承和推力軸承。密珠軸承的內(nèi)外滾道和止推面分別是3.2執(zhí)行裝置設(shè)計形狀簡單的外圓柱面、內(nèi)圓柱面和平面，在滾道間密集地安裝有滾珠。滾珠在其尼龍保持架的空隙中以近似于多頭螺旋線的形式排列，如圖如圖3-22c、d所示。每個滾珠公轉(zhuǎn)時均沿著自己的滾道滾動而互不干擾，以減少滾道的磨損。滾珠的密集放置有助于減小滾珠幾何誤差對主軸軸線位置的影響，具有誤差平均效應(yīng)，也提高了主軸精度。滾珠與內(nèi)、外圈之間保持有0.005mm～0.012mm的預(yù)加過盈量，以消除間隙，增加剛度，提高軸的回轉(zhuǎn)精度。

圖3-23為密珠軸承在數(shù)字光柵分度頭主軸部件中的應(yīng)用。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計密珠軸承圖3-22密珠軸承a)徑向軸承b)推力軸承c)徑向軸承保持架d)推力軸承保持架α—滾珠中心夾角R—滾珠公轉(zhuǎn)半徑3.2執(zhí)行裝置設(shè)計圖3-23為密珠軸承在數(shù)字光柵分度頭主軸部件中的應(yīng)用。圖3-23數(shù)字光柵分度頭主軸部件3.2執(zhí)行裝置設(shè)計3）靜壓軸承

靜壓軸承是流體摩擦支承的基本類型之一，它是在軸頸與軸承之間充有一定壓力的液體或氣體，將轉(zhuǎn)軸浮起并承受負(fù)荷的一種軸承。按承受負(fù)荷的方向不同，分向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三種形式。圖3-24為液體靜壓向心軸承的工作原理。與普通軸承相比，液體靜壓軸承具有摩擦阻力小、傳動效率高、使用壽命長、轉(zhuǎn)速范圍廣、剛度大、抗振性好、回轉(zhuǎn)精度高；能適應(yīng)不同負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速的大型或中小型設(shè)備要求，但需有一套供油裝置。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計液體靜壓向心軸承的工作原理圖3-24液體靜壓向心軸承的工作原理a)工作原理圖b)軸承1—軸向封油面2—油腔3—回油槽4—周向封油面ps—系統(tǒng)壓力pr1、pr2、pr3、pr4—油腔壓力Fr—外負(fù)荷e—偏心量3.2執(zhí)行裝置設(shè)計

與液體靜壓軸承相比,氣壓靜壓軸承具有氣體的內(nèi)摩擦很小、粘度極低、摩擦損失極小和不易發(fā)熱等優(yōu)點,用于要求轉(zhuǎn)速極高和靈敏度要求高的場合,但負(fù)荷能力低。圖3-25所示為一種美國超精密車床的球面空氣靜壓軸承,其前軸承球的直徑為70mm,后軸承由1個球面座及1個圓柱軸承組成,圓柱軸承的直徑為22mm。前軸承有12個直徑為0.3mm的小孔節(jié)流器作為反饋,凹球與凸球座的間隙為12μm。后軸承圓柱部分的頂隙為18μm,軸承在3.2執(zhí)行裝置設(shè)計圖3-25超精密車床的球面空氣靜壓軸承1—圓柱徑向軸套2—彈簧3—支承板4、8—進氣口5、10、11—凹球6—主軸7—體殼9—凸球3.2執(zhí)行裝置設(shè)計4)磁軸承

磁軸承是利用磁場使軸懸浮在磁場中,軸與軸承座無任何接觸,是一種高速軸承,其最高速度可達60000r/min,且可靠性高。磁軸承的缺點是:在低轉(zhuǎn)速時,軸和軸承存在電磁關(guān)系,會使軸承座振動;在高轉(zhuǎn)速時,磁力結(jié)合的動剛度差。它常用于機器人、精密儀器和陀螺儀等。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計圖3-26向心磁軸承原理圖1—比較元件2—調(diào)節(jié)器3—功率放大器4—轉(zhuǎn)子5—位移傳感器6—電磁鐵3.2執(zhí)行裝置設(shè)計2.運動的穩(wěn)定性

在機電一體化系統(tǒng)中,很多運動部件需要以極低而穩(wěn)定的運動速度運動如高精度鏡面磨床,當(dāng)用金剛石筆精細(xì)修正砂輪表面時,金剛石筆要能以最小穩(wěn)定速度移動,一般要求每分鐘幾百或幾十微米。但是,由于機械結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,當(dāng)運動速度低于某一數(shù)值后,盡管原動件的速度恒定,但從動部件仍然要出現(xiàn)忽快忽慢、甚至忽走忽停的現(xiàn)象,影響或破壞了系統(tǒng)的工作性能,這就是“爬行現(xiàn)象”。

消除爬行現(xiàn)象的主要途徑有:1)改善導(dǎo)軌的摩擦特性,以減少動、靜摩擦系數(shù)之差2)提高傳動系統(tǒng)的剛度。3)盡量減小從動件的重量。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計3.2.3執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

上一節(jié)對常用的執(zhí)行裝置的結(jié)構(gòu)及性能特點進行了分析。本節(jié)從執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計品質(zhì)出發(fā)，介紹對執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)的強度、剛度和工藝性等問題。1．結(jié)構(gòu)剛度和強度

機械結(jié)構(gòu)強度是指在預(yù)定的設(shè)計年限內(nèi)，正常運轉(zhuǎn)的機械結(jié)構(gòu)至少不發(fā)生破壞。機械結(jié)構(gòu)剛度是指在機械結(jié)構(gòu)中，承載時超過限定值而發(fā)生變形，并嚴(yán)重地影響其工作性能。在計量檢測儀器、精密機床等設(shè)備中剛度問題更加突出。傳統(tǒng)的強度設(shè)計是對按結(jié)構(gòu)強度理論進行校核計算。這種設(shè)計可以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，但不能使材料力學(xué)的方法解決，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，簡單計算將無法解決。因此，以理論定性，經(jīng)3.2執(zhí)行裝置設(shè)計驗定量的原則是目前進行結(jié)構(gòu)剛度和強度設(shè)計的主要手段之一。

（1）剛度和強度與構(gòu)件的截面形狀在結(jié)構(gòu)設(shè)計中構(gòu)件截面形狀的設(shè)計應(yīng)為最基本的設(shè)計工作。因為它與強度及剛度有很密切的關(guān)系。表3--2給出不同截面形狀進行抗彎截面模量W和慣性矩Ia的相對比較。可見：其一，在截面積相等的情況下，加大外形尺寸，特別是加大受力方向上的外形尺寸，可提高強度。其二，是空心截面的慣性矩比實心的大，加大輪廓尺寸，減小壁厚，也可以大大提高剛度；因此，在工藝可能的條件下應(yīng)盡量減薄壁厚，而不用增加壁厚的辦法。其三，方形截面的抗彎剛度比圓形大，但抗扭剛度較低；若主要承受的是彎矩時，則應(yīng)取方形或矩形為好；環(huán)形的抗扭剛度比方形、方框形與長框形的大，而抗彎剛度??；不封閉的截面比封閉的截面剛度低得多，特別是抗扭剛度下降更多，因此在可能條件下，應(yīng)盡量設(shè)計成封閉的截面形狀。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計表3-2截面積相同時各種截面的抗彎、抗扭特性3.2執(zhí)行裝置設(shè)計3.2執(zhí)行裝置設(shè)計

因此，在一定的強度和剛度要求條件下，合理地選擇截面形狀將有利于節(jié)省材料、減輕重量；反之，合理的截面形狀，可使零件在相同材料消耗的條件下，獲得更高的強度和剛度。（2）剛度和強度與材料特性相適應(yīng)當(dāng)材料的抗拉、抗壓強度有較大差別時，此問題比較突出。例如，使用鋼、鋁等塑性材料時，應(yīng)盡量用拉、壓代替受彎；而用鑄鐵等脆性材料時，則應(yīng)利用其抗壓強度遠高于抗拉強度的特點，當(dāng)截面承受彎曲載荷時，應(yīng)使其較多的面積分布在中性軸的受拉應(yīng)力一側(cè)。（3）構(gòu)件結(jié)合面的剛度在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在滿足零件自身剛度要求之后，還應(yīng)當(dāng)特別注意構(gòu)件結(jié)合面的剛度問題，其中包括結(jié)合面接觸剛度和結(jié)合件剛度兩大環(huán)節(jié)。由于任何加工表面不是絕對平整的，因此，任何兩3.2執(zhí)行裝置設(shè)計構(gòu)件在結(jié)合面處的自然接觸只能是幾個個別點，真實的接觸面積是極其微小的。這種接觸面積可用測量接觸電阻的方法比較準(zhǔn)確地測得。當(dāng)對結(jié)合面施加壓力時，接觸彈性變形使接觸面積增加，相應(yīng)抵御施加的壓力，這一現(xiàn)象就是接觸剛度。顯然，表面粗糙度值及形位誤差值越小的表面，其接觸剛度就越高。表3-3為用接觸電阻法的鋼平板表面施加結(jié)合壓力與真實接觸面積的實驗數(shù)據(jù)。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計表3-3鋼平板表面的真實接觸面積施加壓力/N真實接觸面積/mm2

真實接觸面積與名義接觸面積之比

實際接觸點數(shù)

接觸點平均半徑/mm

500051/100350.21100011/2000220.122000.21/1000090.09500.051/4000050.06200.021/10000030.053.2執(zhí)行裝置設(shè)計

由表中的數(shù)據(jù)可以看出：提高結(jié)合面接觸剛度的主要手段是提高結(jié)合面形位精度，盡量減小表面的粗糙度值，而不是增加結(jié)合壓力。

設(shè)計經(jīng)驗表明，很多機械結(jié)構(gòu)剛度的最薄弱環(huán)節(jié)往往不是構(gòu)件本身的剛度，而是將結(jié)構(gòu)件連接起來的結(jié)合件剛度。在如圖3-27所示的升降臺銑床工作臺絲杠支架的結(jié)構(gòu)中，人們往往在工作臺截面的抗彎剛度、支架的抗彎剛度、工作臺——支架結(jié)合面的接觸剛度等環(huán)節(jié)上花費了不少精力，而忽視了緊固支架與工作臺的那幾個內(nèi)六角螺釘?shù)闹睆胶退鼈冊诟叨确较虻目缇?；在支架受絲杠推送時，這些螺釘中只有一半數(shù)量在承受拉伸，而另一半幾乎沒有受力，這種銑床工作臺進給時的剛度薄弱環(huán)節(jié)恰恰在此！3.2執(zhí)行裝置設(shè)計3.2執(zhí)行裝置設(shè)計2．結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性

溫度發(fā)生變化將引起構(gòu)件尺寸的變化，這對精度要求較高的設(shè)備，應(yīng)特別注意。提高結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性可以從以下幾方面入手：

（1）用熱變形小的材料某些添加合金元素的材料可獲得很小的線膨脹系數(shù)。如含30%鎳元素的鑄鐵的線膨脹系數(shù)只有普通鑄鐵的1/5~1/4。

（2）控制熱源方法有：減少發(fā)熱源發(fā)熱量、加強散熱和減弱熱源的作用。如采用高精度軸承。

（3）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計3．結(jié)構(gòu)的工藝性

結(jié)構(gòu)的工藝性是指所設(shè)計的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和零件，在一定生產(chǎn)規(guī)模與3.2執(zhí)行裝置設(shè)計具體的生產(chǎn)條件下，能夠用最有效、最經(jīng)濟的工藝方法進行加工、測試和裝配，并使生產(chǎn)過程最簡單、周期短。良好的結(jié)構(gòu)工藝性，對簡化設(shè)計、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本有重要意義。它也是實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)、減少差錯、減少廢品、提高產(chǎn)品質(zhì)量的基本保證。（1）結(jié)構(gòu)的工藝性與材料執(zhí)行裝置中零、部件的某些技術(shù)性能要求，如強度、剛度、耐磨性、彈性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱敏性以及在特定環(huán)境條件下工作的穩(wěn)定性和重力大小等能否滿足要求，在很大程度上與正確選用零件的材料時分不開的。選擇材料一般考慮以下幾方面：1）依據(jù)裝置的功能、工作技術(shù)性能和工作環(huán)境等不同的具體要求，結(jié)合材料本身的特性來選擇適當(dāng)材料。2）依據(jù)零件加工的工藝方法和加工條件，結(jié)合材料不同的加工性能，來3.2執(zhí)行裝置設(shè)計選擇適當(dāng)零件材料，使零件材料與加工方法、加工技術(shù)要求和熱處理相適應(yīng)。3）選擇材料時，必須考慮生產(chǎn)的經(jīng)濟性，不要片面地選擇優(yōu)質(zhì)材料。在滿足性能要求的前提下，盡可能采用低成本材料。（2）結(jié)構(gòu)的工藝性與熱加工

對于鑄件的結(jié)構(gòu)主要要求有：其一，壁厚的合理選擇。從保證結(jié)構(gòu)的強度剛度的前提下盡可能減輕鑄件的重量，鑄件的壁厚盡可能小，但為確保澆鑄的質(zhì)量，防止?jié)沧⒉蛔?，就要注意鑄件最小壁厚的問題。其二，考慮造型、制芯、排氣等鑄造工藝。要求鑄件外形要方便分型面的確定，設(shè)置必須的起模斜角，盡量簡化鑄件的內(nèi)腔的形狀與結(jié)構(gòu)，便于制芯。其三，防止氣孔、縮松、夾渣、應(yīng)力變形及裂紋等鑄造缺陷。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計要求壁厚的均勻性，避免過厚、過大斷面的出現(xiàn)，壁厚變化時應(yīng)力求圓滑、緩慢過渡。圖3-28為合理安排壁厚過渡的示例。3.2執(zhí)行裝置設(shè)計

對于焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要要求有：其一，合理利用沖壓件、鍛件等作為結(jié)構(gòu)元件，適當(dāng)增加壁厚、減少筋板用量，使焊縫的總長度縮短。其二，焊縫的位置能夠處于使用自動焊接工藝的位置上，盡可能避免仰焊、立焊及手動焊接的情況。其三，特別注意布置焊縫，防止焊接變形、焊接應(yīng)力的出現(xiàn)，用設(shè)置的內(nèi)摩擦面實現(xiàn)振動阻尼消振。其四，對于一些形狀和位置精度高的構(gòu)件，應(yīng)設(shè)計恰當(dāng)?shù)暮盖鞍惭b、配合結(jié)構(gòu)，使被焊元件事先得到可靠的定位，保證焊件的質(zhì)量。圖3-29為滾筒兩端法蘭與滾動體的兩種定位方式。

3.2執(zhí)行裝置設(shè)計對于熱處理主要要求有：其一，為減小熱處理應(yīng)力的影響，零件的幾何形狀應(yīng)力求簡單、對稱。其二，盡量使零件的截面均勻分布。其三，注意零件的剛度，盡可能避免薄板、細(xì)長軸等易變形零件進行熱處理。其四，避免零件上有銳邊、尖角、截面突變等容易在熱處理過程中過熱、熔化以及開裂的形狀。（3）結(jié)構(gòu)的工藝性與切削加工在達到設(shè)計尺寸精度、形狀位置精度要求、表面質(zhì)量要求的前提下，高效率、低成本是切削加工的主要指標(biāo)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計者必須考慮現(xiàn)實的加工條件，按現(xiàn)實可行性對設(shè)計進行不斷的改進和優(yōu)化，達到完美與現(xiàn)實的統(tǒng)一。隨著各種新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)和推廣，加工工藝有時對結(jié)構(gòu)設(shè)計概念的變化有決定性的影響。如：加工中心的廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的六點定位與粗精基準(zhǔn)等工藝概念越來越淡化。3.3伺服電動機3．3．1概述

在機電一體化系統(tǒng)中，伺服電機是電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，其作用是把電信號轉(zhuǎn)換為機械運動。各種伺服電機，各有其特點，適用于不同性能的伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能、動態(tài)特性、運動精度等均為與該系統(tǒng)的伺服電機的性能有直接的關(guān)系。目前，常用的伺服電機有步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。

在機電一體化系統(tǒng)通常對伺服電機性能應(yīng)具備以下基本要求：1．性能密度大，即功率密度和比功率大。功率密度的定義為單位重量的電機輸出功率；比功率大小為電機的額定轉(zhuǎn)矩的平方與電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量的比。3.3伺服電動機在不同的應(yīng)用場合，對伺服電機的性能密度的要求不同。對于啟停頻率低（如幾十次/秒），但要求低速平衡和扭矩脈動小，高速動行時振動、噪聲小，在整個調(diào)整范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；對于啟停頻率高（如數(shù)百次/秒），但不特別要求低速平衡性能的機械設(shè)備，如高速打印機、繪圖機、打孔機、集成電路焊接裝置等，高的比功率是主要的性能指標(biāo)。2．快速響應(yīng)特性好，即加減速扭矩大，頻率特性好。3．位置控制精度高，調(diào)速范圍寬，低速運行平穩(wěn)、分辨率高。4．適應(yīng)啟停頻繁的工作要求。5．振動和噪聲小。3.3伺服電動機6．空載始動電壓小。7．可靠性高，壽命長。3.3.1步進電動機

步進電動機又稱電脈沖馬達，是伺服電機的一種。步進電動機可按照輸入的脈沖指令一步步地旋轉(zhuǎn)，即可將輸入的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移。因此它實質(zhì)上也是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。由于步進電動機成本較低，易于采用計算機控制，因此被廣泛用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。1．步進電動機的工作原理

步進電動機分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種。圖3-30所示為反應(yīng)式步進的工作原理。步進電動機由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子包括A、B、C三對磁極的鐵心，其上分別纏有A、B、C相繞組，轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊合而成，其上做出4個齒。當(dāng)A相通電，則磁極A產(chǎn)生3.3伺服電動機電磁場，吸引轉(zhuǎn)子，使1、3齒對準(zhǔn)磁極A。然后變換為B相通電，則3、1齒對準(zhǔn)磁極C，轉(zhuǎn)子逆時針再轉(zhuǎn)過300。如此按A→B→C→A→……相循環(huán)通電，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn)。每次變換通電的相，轉(zhuǎn)子作出減小磁阻的反應(yīng)，并在磁阻最小的平衡位置上停留，故名反應(yīng)式步進電動機。若改變通電順序，按A→C→B→A→……相順次通電，則轉(zhuǎn)子順時針回轉(zhuǎn)。電動機運行一步為一拍。上述電動機變換相序一個循環(huán)時共運行三拍，稱為三相三拍通電方式。通電順序為AB→BC→CA→AB→……相時，稱三相雙三拍方式。通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A→……相時，稱三相六拍方式。每運行一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角

，可由下式計算3.3伺服電動機式中 P——步進電動機的相數(shù)； Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K——狀態(tài)系數(shù)，單、雙三拍時，K=1；單、雙六拍時，K=2。3.3伺服電動機(1)反應(yīng)式步進電動機圖3-30反應(yīng)式步進電動機的工作原理A、B、C—磁極1~4—齒3.3伺服電動機由于反應(yīng)式步進電動機轉(zhuǎn)子上的齒不必充磁，在機械加工所允許的最小齒距情況下，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)可以做得很多，因此齒距角小，轉(zhuǎn)角分辨力高，一般

。步進電動機的轉(zhuǎn)速n（r/min）為式中f——輸入脈沖頻率（Hz）；

——步距角。圖3-31所示為永磁式步進電動機的工作原理。轉(zhuǎn)子為永磁體，其上做出2個齒，組成一對磁極。定子包括A、B兩對磁極，其鐵心上分別纏A、B相繞組。當(dāng)按A→B→（A_）→（B_）→A→……相順次通電時，磁極產(chǎn)生的磁力線吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子順時針回轉(zhuǎn)，步距角為900。3.3伺服電動機若按A→AB→B→B（A_）→（A_）→（A_）（B_）→（B_）A→A……相順次通電，則步距角為450。(2)永磁式步進電動機圖3-31永磁式步進電動機的工作原理A、B—磁極A+、B+—正脈沖A-、B-—負(fù)脈沖N—N極S—S極3.3伺服電動機

永磁式步進電動機的轉(zhuǎn)子為永磁體，定子磁極對轉(zhuǎn)子的吸引力較反應(yīng)式大。在獲得相同轉(zhuǎn)矩情況下，永磁式步進電動機的體積較小，耗電量亦小。永磁式步進電動機轉(zhuǎn)子的電磁阻尼較大，單步運行振蕩時間短，可縮短每步的停轉(zhuǎn)時間。當(dāng)電源切斷后，轉(zhuǎn)子受永磁體磁場作用，有定位轉(zhuǎn)矩，被鎖住在斷電時的位置上，即轉(zhuǎn)子不會漂移。但由于轉(zhuǎn)子需充磁，限制了齒數(shù)，步距角

較大，一般為150、22.50、300、450、900等。

圖3-32所示為混合式步進電動機的工作原理。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼2、左齒盤1及右齒盤4組成，左、右齒盤上均有18個齒，兩齒盤上的齒在圓周方向錯開半個齒距角。定子有A、B、C、D共四對磁極，每對磁極的鐵心上纏有相應(yīng)的繞組。3.3伺服電動機永久磁鋼的磁路5由N極經(jīng)左齒盤、左氣隙、定子鐵心、右氣隙、右齒盤、S極、回到N極。當(dāng)A相繞組通電時，A相繞組的電磁路6由左齒盤上正對A磁極的最上方2個齒和最下方2個齒（M-M）截面圖示位置），經(jīng)A磁極、定子鐵心、C磁極、右齒盤上正對C磁極的最左方2個齒和最右方2個齒（N-N截面圖示位置）及永久磁鋼，回到左齒盤。上述正對A、C磁極的8個齒與磁極間的氣隙最小，因此磁阻最小，磁勢最大，兩截面圖示轉(zhuǎn)子位置是永久磁勢與電磁勢合成的磁勢達到最大值的位置，也是A相繞組通電時轉(zhuǎn)子的平衡位置。當(dāng)變換為B相繞組通電時，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過1/4齒距角，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的平衡位置。如此順次變換通電的相，每次轉(zhuǎn)過的步距角為：

3.3伺服電動機

混合式步進電動機的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼和齒盤組成，永久磁鋼只有一對磁極。由此,它可以看作永磁式步進電動機。但從定子的導(dǎo)磁體來看，它又和反應(yīng)步進電動機相類似。因而，混合式步進電動機既具有步距角小、位置分辨力高優(yōu)點，又具有體積小、勵磁功率小、省電和定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。3.3伺服電動機(3)混合式步進電動機圖3-32混合式步進電動機的工作原理1—左齒盤2—永久磁鋼3—定子鐵心4—右齒盤5—永久磁鋼的磁路6—A相線圈通電時的電磁路A、B、C、D—磁極N—N極S—S極3.3伺服電動機2．步進電動機的主要性能指標(biāo)

（1）最大靜轉(zhuǎn)矩：是指步進電動機在某相始終通電而處于靜止不動狀態(tài)時，所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩，也就是所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩，它反應(yīng)了步進電動機的制動能力和低速步進運行時的負(fù)載能力。

（2）步距誤差：是指空載時實測的步進電動機步距角與理論步距角之差，它在一定程度上反映了步進電動機的角位移精度。步距角誤差主要決定于步進電動機的制造誤差。國產(chǎn)步進電動機的步距誤差一般為±10＇~±15＇，功率步進電動機的步距誤差—般為±20＇~±25＇。精度較高的步進電動機可達±2＇~±5＇。

（3）運行矩頻特性：是指步進電動機運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。例如，圖3-33所示為110BF型步進電動機

的運行矩頻特性3.3伺服電動機曲線?？梢?，步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的增加而減小，即高速時其負(fù)載能力變差，這一特性是步進電動機應(yīng)用范圍受到限制的主要原因之一。選擇步進電動機時，為保證電動機有足夠的輸出轉(zhuǎn)矩而不失步，應(yīng)使步進電動機的轉(zhuǎn)矩——頻率工作點落在特性曲線的下方。

4）最大相電壓和最大相電流：分別是指步進電動機每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過電流。實際應(yīng)用的相電壓和相電流如果超出允許值，可能會導(dǎo)致步進電動機繞組被擊穿或因過熱而燒壞，如果比允許值小得太多，步進電動機的性能又不能充分發(fā)揮出來。3.3伺服電動機3．步進電動機的特點及選用前面已介紹三類步進電動機的特點及工作原理。把步進電機與交、直流伺服電動機相比，具有下列優(yōu)點：

（1）控制簡單容易步進電動機的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速取決于脈沖數(shù)或脈沖頻率，而不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，脈沖信號也很容易控制。

（2）體積小步進電動機及其驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，能裝入儀器、儀表及小型設(shè)備的內(nèi)部。

（3）價格低步進電動機既是動力元件，又是角位移控制元件，不需要測量裝置和反饋系統(tǒng)，故控制系統(tǒng)簡單，價格低廉。然而，步進電動機的轉(zhuǎn)矩和功率較小，步距角小時，難于獲得高轉(zhuǎn)速。綜上所述，步進電動機適用于中小型機電一體化設(shè)備和儀器、儀表中，可與傳動裝置組合，成為開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。3.3伺服電動機在步距角小，功率小以及價格低的場合宜選用反應(yīng)式步進電動機。在步距角大，運動速度低，對定位性能要求高的場合，宜選用永磁式步進電動機。對于既要求步距角小，又要求定位性能好的場合，可選用混合式步進電動機。3.3.2直流伺服電動機1．直流伺服電動機工作原理圖3-34所示為直流伺服電動機的工作原理。與普通直流電動機一樣，直流伺服電動機由定子、轉(zhuǎn)子、電刷、換相片等零件組成。定子上有磁極，它可以是永磁體，也可以是由硅鋼片疊合而成的鐵心。鐵心上纏有線圈，線圈內(nèi)通直流電后，便產(chǎn)生固定的磁場。轉(zhuǎn)子上纏有線圈，稱電樞繞組，繞組內(nèi)通直流電后，便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。利用電刷和換相片，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向保持不變，3.3伺服電動機轉(zhuǎn)子不斷地旋轉(zhuǎn)。通過控制直流電源的電壓，便可變換轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩特性表達式如下3.3伺服電動機式中n——電動機轉(zhuǎn)速；

——電樞電壓；

——電樞電阻；T——電動機轉(zhuǎn)矩；

——定子磁場的磁通；

——電動勢系數(shù)；CT——轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)式（3-10），可得直流伺服服的轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩特性曲線，又稱機械特性曲線，如圖3-35所示。該曲線表明，負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的變化對轉(zhuǎn)速的影響很小。這種特性符合許多機械的工作要求。3.3伺服電動機無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機3.3伺服電動機

轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護和顯示等等。

直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達到相當(dāng)3.3伺服電動機

于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越?。幌衲M/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digitalconverter，adc)、脈沖寬度調(diào)制(pulsewidemodulator，pwm等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。3.3伺服電動機2．直流伺服電動機的類型及控制方式

（1）類型直流伺服電動機按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀可分成平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。平滑電樞型的電樞無槽，電樞鐵芯為光滑圓柱體，電樞繞組用環(huán)氧樹脂粘固在圓柱鐵芯表面上，具有氣隙大、轉(zhuǎn)動慣量小、換向良好等特點?？招碾姌行偷碾姌袩o鐵心，電樞繞組用環(huán)氧樹脂澆注成杯形，空心杯電樞內(nèi)外兩側(cè)均有鐵芯構(gòu)成回路，具有轉(zhuǎn)動慣量小、換向好、低速運動平滑、響應(yīng)速度快、壽命長、效率高等特點。有槽電樞型的電樞與普通直流電動機的電樞相似，具有轉(zhuǎn)矩大、伺服性能好、反應(yīng)迅速、穩(wěn)定性好等特點。

直流伺服電動機還可按轉(zhuǎn)動慣量的大小而分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動機。大慣量電動機的轉(zhuǎn)子直徑大，輸出轉(zhuǎn)矩大，可不經(jīng)減速齒輪副直接傳動絲杠。由于轉(zhuǎn)子長度小，散熱條件好，可輸入電樞繞組較大的電流，獲得較大的輸出功率。而小慣量電動機的轉(zhuǎn)子為細(xì)長3.3伺服電動機型，轉(zhuǎn)動慣量小。因此加（減）速時間短，對指令響應(yīng)快，具有高的響應(yīng)性能。但散熱條件差，溫升高，為了避免溫升過高，對輸入電樞繞組的電流加以限制，導(dǎo)致電動機功率和轉(zhuǎn)矩小

（2）控制方式直流伺服電動機的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制，即在定子磁場不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；另一種是勵磁磁場控制，即通過改變勵磁電流的大小來改變定于磁場強度，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。采用電樞電壓控制方式時，由于定于磁場保持不變，其電樞電流可以達到額定值，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以達到額定值，因而這種方式又被稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。而采用勵磁磁場控制方式時，由于電動機在額定運行條件下磁場已接近飽和，因而只能通過減弱磁場的方法來改變電動機的轉(zhuǎn)速。3.3伺服電動機

由于電樞電流不允許超過額定值，因而隨磁場的減弱，電動機轉(zhuǎn)速增加，但輸出轉(zhuǎn)矩下降，輸出功率保持不變，所以這種方式又被稱為恒功率調(diào)速方式。

機電一體化伺服系統(tǒng)中通常采用永磁式直流伺服電動機，因而只能采用具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特點的電樞電壓控制方式，這與伺服系統(tǒng)所要求的負(fù)載特性也是吻合的。3．直流伺服電動機的選用直流伺服電動機具有精度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于半閉環(huán)或閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。設(shè)計時，在對工藝、負(fù)載、執(zhí)行元件、伺服電動機特性等特點進行分析的基礎(chǔ)上，選擇直流伺服電動機的型號。（1）根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和功率：當(dāng)工藝或負(fù)載要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，選用電樞控制調(diào)速方法；要求恒功率調(diào)速時，選用勵磁磁場控制調(diào)速法。