機(jī)電一體化--機(jī)械受控模塊.ppt

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),第二章 機(jī)械受控模塊,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副 第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副 第三節(jié) 諧波齒輪減速器 第四節(jié) 軸系 第五節(jié) 導(dǎo)軌及支撐件 第六節(jié) 并聯(lián)機(jī)構(gòu) 第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,第二章 機(jī)械受控模塊,機(jī)械受控模塊包含機(jī)械傳動(dòng)裝置與支撐導(dǎo)向等部件 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中起傳遞運(yùn)動(dòng)和負(fù)載、匹配轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、隔離環(huán)境溫度和振動(dòng)以及支撐和防護(hù)等作用 主要介紹在機(jī)電一體系統(tǒng)中常用的一些機(jī)械傳動(dòng)部件、軸系、導(dǎo)軌及支撐件。,2.1 機(jī)械傳動(dòng)裝置,1.高精度 2.快速響應(yīng)性 3.良好的穩(wěn)定性,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,一、分類及選用,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,二、齒輪系傳動(dòng)比最佳分配條件,最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)

2、慣量原則,設(shè)各齒輪材料相同，厚度相同，齒輪1和3一樣大，則有,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,二、齒輪系傳動(dòng)比最佳分配條件 1.最小等量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 2.重量最輕原則 3.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整目的： 提高齒輪傳動(dòng)的精度和消除齒輪傳動(dòng)的正反轉(zhuǎn)誤差。 調(diào)整方法： 剛性調(diào)整法 柔性調(diào)整法,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 剛性調(diào)整法 調(diào)整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法和斜齒輪法,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 剛性調(diào)整法 調(diào)整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法和斜齒輪法,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的

3、消除 柔性調(diào)整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側(cè)，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調(diào)整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側(cè)，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調(diào)整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側(cè)，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調(diào)整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側(cè)，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調(diào)整法 齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的傳

4、動(dòng)間隙對(duì)系統(tǒng)精度影響程度不同，設(shè)各級(jí)齒輪間隙分別為 ，則歸算到負(fù)載軸上的總間隙為： 后級(jí)的間隙比前級(jí)的間隙影響大，最后一級(jí)間隙對(duì)系統(tǒng)的精度影響最大，應(yīng)此，對(duì)于減速傳動(dòng)，保證最后一級(jí)精度最為重要。,第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副,滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其螺桿和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)螺桿或螺母?jìng)鲃?dòng)時(shí)，滾動(dòng)沿螺紋滾道滾動(dòng)，使螺桿和螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦，提高了傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。,絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式,絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 A、按功能分為： 有傳遞能量（千斤頂，螺旋壓力機(jī)）； 有傳遞運(yùn)動(dòng)（工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠）； 調(diào)整位置（螺旋

5、測(cè)微器）。 B、按運(yùn)動(dòng)副分為： 滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，具有自鎖功能，但摩擦力大，傳動(dòng)效率低； 滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，摩擦力小，傳動(dòng)效率高，無(wú)自鎖功能，傳動(dòng)距離和速度有限； 液浮摩擦性 電螺母絲杠型,2.3.2 滾珠絲杠傳動(dòng)部件,1）滾珠絲杠副的組成 在螺母的內(nèi)壁和絲杠的外壁分別加工一條螺旋形的滾道，在滾道中裝入滾珠，在螺母的滾道兩端裝一個(gè)擋住滾珠的螺母（螺母內(nèi)壁有滾珠槽，反向器），就構(gòu)成了滾珠絲杠傳動(dòng)部件。,2）滾珠絲杠副的特點(diǎn),1）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效 率0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1/41

6、/3。 2）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 3）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。,4）運(yùn)動(dòng)具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。 5）磨損小，使用壽命長(zhǎng)。 6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 7）不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。,（3）滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類型,單圓弧形與雙圓弧形的特點(diǎn),顯然，單圓弧型滾珠絲杠幅存在一定的傳動(dòng)間隙，因此，傳

7、動(dòng)精度稍差，但滾道加工容易。如圖所示，左邊為單圓弧型，可以看到，螺桿和螺母的螺紋都是半圓弧型，顯然它們之間的間隙比較大，因此其傳動(dòng)誤差就較大。圖右邊是1/4圓弧型螺紋，雙圓弧型滾珠絲杠幅傳動(dòng)間隙相對(duì)較小，傳動(dòng)精度高，但滾道加工困難些。,內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)方式的特點(diǎn),滾珠內(nèi)循環(huán)方式的反向器的轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)整滾珠的循環(huán)方向，滾珠循環(huán)回路短、流暢性好；而且螺母的徑向尺寸也較?。ǚ聪蚱骺梢宰龅暮苄。?。但反向器的加工困難，而且裝配調(diào)整也比較困難。,內(nèi)循環(huán)方式,滾珠絲杠內(nèi)循環(huán)方式,滾珠絲杠內(nèi)循環(huán)的反向器,外循環(huán)方式,而外循環(huán)方式中滾道循環(huán)道路長(zhǎng)，在高頻浮動(dòng)中達(dá)到回珠圓弧槽進(jìn)出口自動(dòng)對(duì)接，通道流暢，摩擦小，更適合于高

8、速高靈敏度高剛性的精密進(jìn)給系統(tǒng)。,滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)圖,（4）調(diào)整軸向間隙方式,常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)型式有以下三種。 (a)墊片調(diào)隙式 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)拉緊力的目的。 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調(diào)整費(fèi)時(shí)，并且在工作中不能隨意調(diào)整，除非更換厚度不同的墊片。,雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu),(b)螺紋調(diào)隙式 其中一個(gè)螺母的外端有凸緣而另一個(gè)螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個(gè)圓螺母固定著。旋轉(zhuǎn)圓螺母時(shí)，即可消除間隙，并產(chǎn)生預(yù)拉緊力，調(diào)整好后再用另一個(gè)圓螺

9、母把它鎖緊。,雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu),(c)齒差調(diào)隙式 在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪，兩者齒數(shù)相差一個(gè)齒，并裝入內(nèi)齒圈中，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時(shí)，先取下兩端的內(nèi)齒圈，當(dāng)兩個(gè)滾珠螺母相對(duì)于套筒同方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同齒數(shù)時(shí)，一個(gè)滾珠螺母對(duì)另一個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，從而使?jié)L珠螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道相對(duì)移動(dòng)，達(dá)到消除間隙并施加預(yù)緊力的目的。,雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu),除了上述三種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊及單螺母鋼球過盈預(yù)緊方式等方式。,（5）滾珠絲桿副支承方式,絲杠的軸承組合及軸承座的連接剛性不足時(shí)將嚴(yán)重影響滾珠絲杠傳動(dòng)副的傳動(dòng)精度和剛度，為了提高軸向剛度，常用止

10、推軸承為主的軸承組合來支承絲杠，當(dāng)軸向載荷較小時(shí)，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。 單推單推式：在支承座內(nèi)安裝向心推力軸承，外邊安裝止推軸承,雙推雙推式：剛度最好，但容易造成兩端支承的預(yù)緊力不對(duì)稱,雙推簡(jiǎn)支式：左端安裝雙止推軸承，右端只安裝雙向心軸承，軸向剛度不高。,雙推自由式：一端安裝雙止推軸承，另一端自由狀態(tài)，軸向剛度和承載能力低，適于輕載，低速的垂直安裝。,軸承的類型與選擇,標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承：,（6）滾珠絲杠副的選擇方法,（1）結(jié)構(gòu)型式的選擇： 根據(jù)防塵防護(hù)條件及對(duì)調(diào)整間隙和預(yù)緊的要求來選擇。 例如：當(dāng)允許有間隙時(shí)（如垂直運(yùn)動(dòng)），可選擇具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副； 當(dāng)必須有預(yù)緊或

11、在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時(shí)，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)； 當(dāng)具有良好的防塵條件，且只需要在裝配時(shí)調(diào)整間隙及預(yù)緊力時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；,滾珠絲杠副的選擇方法,（2）結(jié)構(gòu)尺寸的選擇 公稱直徑d0：軸向最大載荷 基本導(dǎo)程l0：設(shè)計(jì)要求 螺紋長(zhǎng)度ls：在滿足l0的條件下盡可能短 螺距t：傳動(dòng)精度、傳動(dòng)速度,滾珠絲杠副的精度 滾珠絲杠副的精度等級(jí)為1、2、3、4、5、7、10級(jí)精度，代號(hào)分別為1、2、3、4、5、7、10。其中1級(jí)為最高，依次逐級(jí)降低。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,諧波齒輪傳動(dòng)是建立在彈性變形理論基礎(chǔ)上的一種新型傳動(dòng)，是由行星齒輪傳動(dòng)演變而來的。,

12、第三節(jié) 諧波齒輪減速器,諧波齒輪傳動(dòng)是建立在彈性變形理論基礎(chǔ)上的一種新型傳動(dòng)，是由行星齒輪傳動(dòng)演變而來的。 一、工作原理,剛輪1是剛性的內(nèi)齒輪。 柔輪2是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 諧波發(fā)生器3是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運(yùn)動(dòng)（彈性范圍內(nèi)）。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,一、工作原理 波形發(fā)生器為主動(dòng)件，剛輪或柔輪為從動(dòng)件。剛輪有內(nèi)齒圈，柔輪有外齒圈，其齒形為漸開線或三角形，周節(jié)相同而齒數(shù)不同，剛輪的齒數(shù)Zg比柔輪的齒數(shù)Zr多幾齒。柔輪是薄圓筒形，由于波形發(fā)生器的長(zhǎng)徑比柔輪內(nèi)徑略大，故裝配在一起時(shí)就將柔輪撐成橢圓形。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,一

13、、工作原理及結(jié)構(gòu) 工程上常用的波形發(fā)生器有兩個(gè)觸頭的即為雙波發(fā)生器，也有三個(gè)觸頭的。具有雙波發(fā)生器的諧波減速器，其剛輪和柔輪的齒數(shù)之差為ZgZr2。其橢圓長(zhǎng)軸的兩端柔輪與剛輪的牙齒相嚙合，在短軸方向的牙齒完全分離。當(dāng)波形發(fā)生器逆時(shí)針轉(zhuǎn)一圈時(shí)，兩輪相對(duì)位移為兩個(gè)齒矩。當(dāng)剛輪固定時(shí)，則柔輪的回轉(zhuǎn)方向與波形發(fā)生器的回轉(zhuǎn)方向相反。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,一、工作原理及結(jié)構(gòu),第三節(jié) 諧波齒輪減速器,二、諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn) 諧波齒輪傳動(dòng)與普通齒輪副傳動(dòng)相比有以下特點(diǎn)。 （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，傳動(dòng)效率高。 （2）傳動(dòng)比范圍大。 （3）同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，運(yùn)動(dòng)精度高，承載能力大。 （4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)

14、沖擊，噪聲小。 （5）齒側(cè)間隙可以調(diào)整 （6）可實(shí)現(xiàn)密閉空間傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力 （7）可實(shí)現(xiàn)高增速運(yùn)動(dòng) （8）方便實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng),第三節(jié) 諧波齒輪減速器,三、傳動(dòng)剛度,消除傳動(dòng)間隙的措施,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,1.剛輪固定 波發(fā)生器輸入，柔輪輸出；柔輪輸入，波發(fā)生器輸出 2.柔輪固定 波發(fā)生器輸入，剛輪輸出；剛輪輸入，波發(fā)生器輸出 3.波發(fā)生器固定 柔輪輸入，剛輪輸出；剛輪輸入，柔輪輸出,四、諧波齒輪傳動(dòng)速比及柔輪直徑的計(jì)算,例題：如題19圖所示，已知雙波傳動(dòng)諧波齒輪減速器中，柔輪齒數(shù)ZR=200，剛輪齒數(shù)ZG=202，波發(fā)生器轉(zhuǎn)速nH=1500rmin。 試求：(1)剛輪固定時(shí)柔輪的轉(zhuǎn)速nR?

15、(2)柔輪固定時(shí)剛輪的轉(zhuǎn)速nG? （2008）,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,五、諧波齒輪減速器的選用,XBD 100-125-250-表示柔輪小徑為100mm，傳動(dòng)比為125，輸出轉(zhuǎn)矩為250Nm，精度等級(jí)為普通級(jí)，臥式雙軸伸出型諧波減速器。,第四節(jié) 軸系,軸系由軸、軸頸、軸承以及軸上的傳動(dòng)件等組成，分為一般工作軸和主軸。 對(duì)于主軸的要求包括： （1）回轉(zhuǎn)精度含軸向精度 （2）靜剛度 （3）動(dòng)特性 （4）熱特性 主要介紹支承型式,第四節(jié) 軸系,一、滾動(dòng)摩擦支撐軸系,圓柱滾子軸承,推力球軸承,角接觸球軸承,圓錐滾子軸承,調(diào)心球軸承,深溝球軸承,第四節(jié) 軸系,二、滑動(dòng)摩擦支撐軸系 1.液體動(dòng)壓軸承,液

16、體動(dòng)壓支承工作原理： 若兩平面之間的油液成楔形，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生壓力，從而可以承載,第四節(jié) 軸系,1軸的啟動(dòng)階段 軸靜止時(shí)，軸處于軸承孔的最下方、最穩(wěn)定位置，自然形成一彎曲的楔形，開始轉(zhuǎn)動(dòng)并轉(zhuǎn)速很低時(shí)，完全是金屬直接接觸，軸承對(duì)軸頸的摩擦力方向與軸頸表面圓周速度方向相反，迫使軸頸向右滾動(dòng)而偏移。,3液體動(dòng)力潤(rùn)滑運(yùn)轉(zhuǎn)階段 當(dāng)轉(zhuǎn)速n增加到一定值時(shí)，軸頸帶入足夠油量把兩摩擦表面分開，形成承載油膜，這時(shí)，油層內(nèi)的壓力已能支承外載荷,達(dá)到平衡的軸頸開始按液體摩擦狀態(tài)工作，即進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段。 當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,油膜承載能力進(jìn)一步提高時(shí)，軸頸又抬起，當(dāng)轉(zhuǎn)速n趨向無(wú)窮大時(shí)；時(shí)兩軸心重合，軸頸軸心軌跡為半圓

17、形。,2不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段 隨著轉(zhuǎn)速的提高，帶人楔形中的油量也逐漸增加，油膜承載面積加大，因而摩擦阻力逐漸減少，于是軸頸又向左下方移動(dòng)。,第四節(jié) 軸系,1.液體動(dòng)壓軸承,球頭浮動(dòng)式,根據(jù)形成油楔的結(jié)構(gòu)不同，液體動(dòng)壓支承可分為： 球頭浮動(dòng)式 薄壁彈性變形式 加工形成式,1.液體動(dòng)壓軸承,薄壁彈性變形式,第四節(jié) 軸系,二、滑動(dòng)摩擦支撐軸系 2.氣體動(dòng)壓支承,氣體動(dòng)壓支承技術(shù)是利用空氣作潤(rùn)滑劑的一種軸承。它通過空氣的彈性起支承作用，可避免固體面之間的直接接觸。其原理和液體動(dòng)壓支承基本相同，在軸頸和軸瓦之間形成氣楔。,第四節(jié) 軸系,二、滑動(dòng)摩擦支撐軸系 3.液體靜壓支承,液體靜壓軸承是依靠外界供給壓力以產(chǎn)

18、生壓力油膜 ,支承主軸使其承載。,液體靜壓支承,特點(diǎn)：精度高、剛度大、抗震性好、摩擦力矩小。,用于中低速重載高精度機(jī)械設(shè)備。,第四節(jié) 軸系,二、滑動(dòng)摩擦支撐軸系 4.氣體靜壓支承,氣模壓力有外部氣源提供。外部的壓縮空氣由氣源經(jīng)節(jié)流器，進(jìn)入軸承間隙，然后連續(xù)排入大氣。它是通過負(fù)載使軸承產(chǎn)生氣動(dòng)補(bǔ)償力來獲得承載能力和剛度,第四節(jié) 軸系,二、滑動(dòng)摩擦支撐軸系 4.氣體靜壓支承,氣膜壓力有外部氣源提供。外部的壓縮空氣由氣源經(jīng)節(jié)流器，進(jìn)入軸承間隙，然后連續(xù)排入大氣。它是通過負(fù)載使軸承產(chǎn)生氣動(dòng)補(bǔ)償力來獲得承載能力和剛度,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,一、導(dǎo)軌 導(dǎo)軌副用于引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件的走向，保證執(zhí)行件的正確運(yùn)動(dòng)軌跡

19、，并通過摩擦和阻尼影響執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)特性，如定位精度和低速均勻性。導(dǎo)軌副包括運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌兩部分。 對(duì)導(dǎo)軌副的性能要求是：導(dǎo)向精度、接觸剛度、精度保持性以及低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。,導(dǎo)軌副組成 1-支承件 2-運(yùn)動(dòng)件,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,1.分類 按運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的軌跡分： （1） 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 （2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 按導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)分： （1）滑動(dòng)導(dǎo)軌 （2）滾動(dòng)導(dǎo)軌 （3）液體靜壓導(dǎo)軌 （4）氣浮導(dǎo)軌 （5）磁浮軌道 按導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)可分為: （1）開式導(dǎo)軌 （2） 閉式導(dǎo)軌,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,按導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)分：,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,2. 滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) （1）基本形式,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,三

20、角形和矩形組合：這種組合形式以三角導(dǎo)軌為導(dǎo)向面，導(dǎo)向精度較高，而平導(dǎo)軌的工藝性好，因此應(yīng)用最廣。,矩形和矩形組合：承載面和導(dǎo)向面分開，因而制造和調(diào)整簡(jiǎn)單。導(dǎo)向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。,2. 滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) （2）組合形式,機(jī)電工程學(xué)院蔣發(fā)光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),滑動(dòng)導(dǎo)軌副材料選擇,常用材料： 鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料 (1) 鑄鐵鑄鐵具有耐磨性和減震性好，熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成本低等特點(diǎn)，因此在滑動(dòng)導(dǎo)軌中被廣泛采用。常用的鑄鐵有： 灰鑄鐵常用的是HT20-40（一級(jí)鑄鐵），硬度以HB180200較為合適。適當(dāng)增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可提高導(dǎo)軌的耐磨性。,第五節(jié) 導(dǎo)

21、軌及支承件,若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用耐磨鑄鐵。常用的耐磨鑄鐵有： 高磷鑄鐵它是指含磷量為0.3%0.65%的灰口鑄鐵，其硬度為HB180220，耐磨性能比灰鑄鐵HT2040約高1倍。若加入一定量的銅和鈦，成為磷銅鈦鑄鐵，其耐磨性能比HT2040約高2倍。高磷鑄鐵的脆性和鑄造應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋，生產(chǎn)中應(yīng)采用適當(dāng)?shù)蔫T造工藝。 低合金鑄鐵如釩鈦鑄鐵、中磷釩鈦鑄鐵、中磷銅釩鈦鑄鐵等。這類鑄鐵具有較好的耐磨性（與高磷銅鈦鑄鐵相近），且鑄造性能優(yōu)于高磷系鑄鐵。,稀土鑄鐵它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，耐磨性與高磷鑄鐵相近。但鑄鐵性能和減震性較差，成本也較高。 孕育鑄鐵常用的孕育鑄鐵是HT3054

22、，它比HT2040的耐磨性高。 (2)鋼為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，可以采用滓硬鋼導(dǎo)軌。淬火的鋼導(dǎo)軌都是鑲裝或焊接上去的。淬硬鋼導(dǎo)軌的耐磨性比不淬硬鑄鐵導(dǎo)軌高510倍。 要求一般的導(dǎo)軌，常用的鋼有45號(hào)鋼、40Cr、T8A、TlOA、GCr15、GCr15SiMn等，表面淬火或全淬，硬度為HRC5258。要求高的導(dǎo)軌，常采用的鋼有20Cr、20CrMnTi、15號(hào)鋼等，滲碳淬硬至HRC5662，磨硝加工后淬硬層深度不得低于1.5mm。,(3) 有色金屬常用的有色金屬有黃銅HPb59-1、錫青銅ZQSn6-6-3、鋁青銅ZQA19-2、鋅合金ZZn-All0-5、超硬鋁I,C4和鑄鋁ZL6等，其中以鋁

23、青銅較好。 (4) 塑料鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好（但略低于鋁青銅），抗震性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣（-200+2600C），抗撕傷能力強(qiáng)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定好，工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前在各類機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺(tái)的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。 用作導(dǎo)軌的塑料有錦綸和酚醛夾布塑料；環(huán)氧樹脂耐磨涂料；以聚四氟乙烯為基體的塑料。,聚四氟乙烯是現(xiàn)有材料中干摩擦系數(shù)（P一0.04）最小的一種。但是，純聚四氟乙烯機(jī)械強(qiáng)度低，剛性差，極不耐磨。因此要加入填充劑，以增加其耐磨性。由于填充劑不同，就可得到不同性能的導(dǎo)軌材料。 (

24、5)導(dǎo)軌材料的搭配為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌應(yīng)具有不同的硬度。如果采用相同的材料，也應(yīng)采用不同的熱處理，以使動(dòng)、靜導(dǎo)軌的硬度不同，其差值一般在FIB2040范圍內(nèi)，而且，最低硬度應(yīng)不低于所用材料標(biāo)準(zhǔn)硬度值的下限。通常支承導(dǎo)軌高硬度 ，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌低硬度,(6)鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理為提高鑄鐵導(dǎo)軌的耐磨性，常對(duì)導(dǎo)軌表面進(jìn)行淬火處理。表面淬火方法有：火焰淬火、高頻淬火和電接觸淬火。 火焰淬火設(shè)備簡(jiǎn)單，但淬火溫度不易控制，變形較大，應(yīng)用較少。 高頻淬火是使導(dǎo)軌在高頻交變電磁場(chǎng)作用下，表面產(chǎn)生感應(yīng)電流而加熱，然后冷卻。由于加熱速度快、效率高、淬火質(zhì)量穩(wěn)定、耐磨性高（比灰口鑄鐵提高2倍多）、工藝參數(shù)易

25、于調(diào)整，故應(yīng)用較廣。 需進(jìn)行高頻淬火的導(dǎo)軌面，其原始硬度不得低于HB187，表面粗糙度應(yīng)低于Ra為5m，表面不允許有過多砂眼、氣孔、疏松、夾雜等鑄造的缺陷，不應(yīng)有尖角。,為避免高頻淬火后的導(dǎo)軌變形過大，必須采用一定的工藝措施。高頻淬火后的變形量為0.10.3mm，應(yīng)采用磨削加工，使其達(dá)到一定的精度要求。淬火后硬度達(dá)到HRC453，導(dǎo)軌表面淬硬層深度為1.22.5mm。 電接觸淬火是用一個(gè)通低電壓、大電流的銅滾輪和導(dǎo)軌表面瞬時(shí)接觸，利用接觸電阻熱加熱導(dǎo)軌表面，并憑鑄鐵導(dǎo)軌自身的熱傳導(dǎo)而迅速冷卻的一種淬火方法。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易的優(yōu)點(diǎn)，且淬火后變形量很小，一般為0.010.05mm，故電接觸

26、淬火可在導(dǎo)軌精加工后進(jìn)行，淬火后只需用油石磨光即可使用。,電接觸淬火后的耐磨性不如高頻淬火，但比未淬火的灰口鑄鐵高1倍以上。電接觸淬火后的淬硬層深度只有0.2mm，不能用一般的硬度計(jì)來檢查表面的硬度。,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌 在承導(dǎo)件和運(yùn)動(dòng)件之間放入一些滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個(gè)導(dǎo)軌面不直接接觸的導(dǎo)軌，稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌。 優(yōu)點(diǎn)：滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦阻力小，磨損小，精度保持性好，運(yùn)動(dòng)靈敏輕便。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，剛度及承載能力較滑動(dòng)導(dǎo)軌弱，對(duì)臟物敏感，需有良好防護(hù)。,滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu) 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作

27、相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。,滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的性能特點(diǎn)1.定位精度高 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)借助鋼球滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)軌副摩擦阻力小，動(dòng)靜摩擦阻力差值小，低速時(shí)不易產(chǎn)生爬行。重復(fù)定位精度高，適合作頻繁啟動(dòng)或換向的運(yùn)動(dòng)部件。可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。同時(shí)根據(jù)需要，適當(dāng)增加預(yù)載荷，確保鋼球不發(fā)生滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，減小了運(yùn)動(dòng)的沖擊和振動(dòng)。,2.磨損小 對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)

28、動(dòng)精度誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能小，滾動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使?jié)L動(dòng)直線導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易。,3.適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)且大幅降低驅(qū)動(dòng)功率 采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，使驅(qū)動(dòng)扭矩大大減少，使機(jī)床所需電力降低80%，節(jié)能效果明顯?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率2030%。4.承載能力強(qiáng) 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副具有

29、較好的承載性能，可以承受不同方向的力和力矩載荷，如承受上下左右方向的力,以及顛簸力矩、搖動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩。因此，具有很好的載荷適應(yīng)性。在設(shè)計(jì)制造中加以適當(dāng)?shù)念A(yù)加載荷可以增加阻尼，以提高抗振性，同時(shí)可以消除高頻振動(dòng)現(xiàn)象。而滑動(dòng)導(dǎo)軌在平行接觸面方向可承受的側(cè)向負(fù)荷較小，易造成機(jī)床運(yùn)行精度不良。,5.組裝容易并具互換性 傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌必須對(duì)導(dǎo)軌面進(jìn)行刮研，既費(fèi)事又費(fèi)時(shí)，且一旦機(jī)床精度不良，必須再刮研一次。滾動(dòng)導(dǎo)軌具有互換性，只要更換滑塊或?qū)к壔蛘麄€(gè)滾動(dòng)導(dǎo)軌副，機(jī)床即可重新獲得高精度。 如前所述，由于滾珠在導(dǎo)軌與滑塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為滾動(dòng)，可減少摩擦損失。通常滾動(dòng)摩擦系數(shù)為滑動(dòng)摩擦系數(shù)的2%左右，因此采

30、用滾動(dòng)導(dǎo)軌的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌。,滾動(dòng)導(dǎo)軌的分類及結(jié)構(gòu),按照滾動(dòng)體形狀分類 滾珠式、滾柱式、滾針滾柱式 按照滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)方式分類 滾動(dòng)體不作循環(huán)運(yùn)動(dòng) 滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng),第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,滾珠導(dǎo)軌介紹,特點(diǎn) 滾珠與動(dòng)靜導(dǎo)軌之間為點(diǎn)接觸 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低 缺點(diǎn) 剛度差、抗震性差、承載力低 應(yīng)用 輕載、小力矩,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,滾柱導(dǎo)軌介紹,特點(diǎn) 滾珠與動(dòng)靜導(dǎo)軌之間為線接觸 優(yōu)點(diǎn) 承載力是滾珠的2030倍 剛度、抗震性均優(yōu)于滾珠 缺點(diǎn) 滾柱體對(duì)導(dǎo)軌不平度敏感、易 由于不平而產(chǎn)生側(cè)向偏移和側(cè) 向滑動(dòng)，使導(dǎo)軌磨損加劇和降 低精度。 應(yīng)

31、用 適用于載荷較大的場(chǎng)合,滾針導(dǎo)軌介紹,特點(diǎn) 滾珠與動(dòng)靜導(dǎo)軌之間為線接觸 優(yōu)點(diǎn) 滾子直徑小、數(shù)目多，承載大 缺點(diǎn) 摩擦系數(shù)大 應(yīng)用 應(yīng)用于尺寸受限制的場(chǎng)合,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,非循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算一般需要自行設(shè)計(jì),需要確定的參數(shù)： 滾動(dòng)體直徑 d 滾柱長(zhǎng)度 lr 滾動(dòng)體數(shù)目 z 支承導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 l,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,（1）滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)選擇,滾動(dòng)體直徑d 滾柱：d 6 mm 滾針：d 4mm 滾柱長(zhǎng)度lr 淬硬導(dǎo)軌： lr /d 12-16,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,（2）滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)的校核,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,校核每個(gè)滾動(dòng)體所承受的最大載荷Pmax是否超過許用值P,K滾動(dòng)體截面當(dāng)量許

32、用應(yīng)力，查表2-6 fH導(dǎo)軌硬度修正系數(shù)，查表2-7,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,（3）計(jì)算支承導(dǎo)軌的長(zhǎng)度L,（4）必要條件下還應(yīng)校驗(yàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度，及計(jì)算滾動(dòng)體的變形,循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)只需選用,選用計(jì)算與滾動(dòng)軸承的選用計(jì)算相似，以額定載荷下的額定壽命為依據(jù)。,第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,導(dǎo)軌阻尼起因于以下物理過程：,材料阻尼 摩擦阻尼 擠壓薄膜效應(yīng),第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,4. 阻尼及其影響,影響導(dǎo)軌阻尼系數(shù)的因素：,表面壓力大小 潤(rùn)滑類型 摩擦類型,導(dǎo)軌阻尼起因于以下物理過程：,材料阻尼 摩擦阻尼 擠壓薄膜效應(yīng),第五節(jié) 導(dǎo)軌及支承件,4. 阻尼及其影響,影響導(dǎo)軌阻尼系數(shù)的因素：,表面壓力大

33、小 潤(rùn)滑類型 摩擦類型,阻尼小啟動(dòng)跟隨快 阻尼大抗振性能好,5.支承件 支承件是機(jī)床的基礎(chǔ)構(gòu)件，包括：床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺(tái)、箱體和升降臺(tái)等尺寸及重量較大的零件 支承件是機(jī)床的基礎(chǔ)構(gòu)件，包括： 床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺(tái)、箱體和升降臺(tái)等尺寸及重量較大的零件大件。 支承件影響加工精度和表面質(zhì)量 在切削時(shí)，刀具與工件之間相互作用的力，沿著大部分支承件逐個(gè)傳遞并使之變形； 機(jī)床的動(dòng)態(tài)力(如變動(dòng)的切削力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的慣性，旋轉(zhuǎn)件的不平衡等)使支承件和整機(jī)振動(dòng)； 支承件的熱變形，改變執(zhí)行器官的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡。 支承件是機(jī)床十分重要的構(gòu)件。,支承件的功用 支承機(jī)床各

34、部件 承受力 切削力、重力、慣性力、摩擦力等靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力。 保證精度 各部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確關(guān)系。 內(nèi)部空間存放各種物體 可存放切削液、潤(rùn)滑液、液壓油的油箱、電動(dòng)機(jī)。,基本要求 1.足夠的靜剛度和較高的剛度重量比 要求在規(guī)定的最大載荷作用下，變形量不得超過一定的數(shù)值。 重量占機(jī)床總重量的80以上，應(yīng)盡量減輕支承件的重量。 2.良好的動(dòng)態(tài)特性，包括： 較大的動(dòng)剛度和阻尼； 與其它部件相配合，使整機(jī)的各階固有頻率不與激振頻率重合而產(chǎn)生共振； 不會(huì)發(fā)生薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲等。,3.應(yīng)具有較好的熱變形特性，使整機(jī)的熱變形較小或熱變形對(duì)加工精度的影響較小。 由于摩擦熱、切

35、削熱等產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力； 在鑄造、焊接和粗加工過程中，會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力，使支承件變形； 熱變形和內(nèi)應(yīng)力都將破壞部件間的相互位置關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，影響加工精度。 4.應(yīng)該排屑暢通、吊運(yùn)安全，并具有良好的工藝性以便于制造和裝配。,第六節(jié) 并聯(lián)機(jī)構(gòu),并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),（1）剛度高 （2）移動(dòng)部件質(zhì)量輕，可獲得很高的動(dòng)態(tài)特性容易實(shí)現(xiàn)高速、高加速度運(yùn)動(dòng)。 （3）不存在累計(jì)誤差，可獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度 （4）零件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，易于模塊化設(shè)計(jì) （5）作業(yè)空間與機(jī)器尺寸比較小,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),（1）靈活性較差，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)傾斜角度較小 （2）在作業(yè)空間內(nèi)部存在桿件干涉和奇異位形的危險(xiǎn),第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,機(jī)電一體

36、化系統(tǒng)中，機(jī)械模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的合理匹配。 數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為由質(zhì)量-彈簧-阻尼組成的二階力學(xué)模型。,第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,一、數(shù)學(xué)模型 （一）廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程式,能量方程式,力和力矩方程式,第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,一、數(shù)學(xué)模型 （二）廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程式,第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,1.齒輪傳動(dòng)情況,不考慮剛度,注意轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)的折算,第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,1.齒輪傳動(dòng)情況,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)的折算,第七節(jié) 數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)要求,考慮剛度,從動(dòng)軸剛度為K2，則由于從動(dòng)軸的變形所引起的彈性力：,折算到主動(dòng)軸上為：,K2,1.齒輪傳動(dòng)情況,第七節(jié) 數(shù)學(xué)