机电一体化技术 机械系统

(a)引起动态滞后和系统误差。
(b)引起低速爬行。
爬行： 由于非线性摩擦的存在，
机械系统在低速运行时出现 的时起时停、时快时慢的不 平稳运动现象。
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静摩擦 库仑摩擦
库仑摩擦 静摩擦
速度
粘性摩擦 理想摩擦力—速度特性曲线
3）刚度 -------使弹性体产生单位变形量所需的作用力。
刚度越大，系统固有频率越高，不易产生共振， 系统稳定性高。 4）质量、惯量
开式导轨、 闭式导轨
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No Image
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常用导轨结构示意图
开式圆柱面导轨
闭式圆柱面导轨
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燕尾导轨
闭式直角导轨
开式V形导轨
开式滚珠导轨
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闭式滚珠导轨
开式滚柱导轨
滚动轴承导轨
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液体静压导轨
பைடு நூலகம்
二、导轨副的基本要求
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2、丝杠螺母机构传动形式 1）螺母固定、丝杠转动并移动
螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产 生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动 精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适 用于行程较小的场合
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2）丝杠转动、螺母移动
要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构 紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。
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c、规格 规格同带
d、标记
齿数 (30)
30 L 075
型号
轮宽代号 （19.05mm）
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6、同步带传动副的主要失效形式 a、承载绳疲劳拉断 b、打滑和跳齿 c、带齿的磨损
7、同步带传动副设计准则
在不打滑的情况下，具有较高的抗拉强度。即保证承载 绳不被拉断。
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1、精度要高 影响导向精度的因素：
导轨的结构类型、导轨的几何精度与接触精度、导 轨的配合间隙、油膜厚度、油膜刚度、导轨和基础件的 刚度、热变形。
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纵向直线度
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横向直线度
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平行度
2、刚度 导轨变形有自身、局部和接触三种形式。
（1）自身变形
由于作用在导轨面上的零、部件重量（包括自重）而引起。 主要与导轨的类型、尺寸及材料有关。
一般用增大尺寸和合理布置筋和筋板等办法解决。
（2）局部变形
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发生在载荷集中的地方。 加强导轨的局部刚度。
（3）接触变形 由于加工造成的微观不平度，使两实际接触面积仅是
名义接触面积的很小一部分，因而产生接触变形。
提高接触精度，施加预载荷。
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3、精度保持性 取决于导轨的耐磨性。 进行正确的润滑与保护。
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常见机构
热变形式微动机构
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1-传动杆
2-电阻丝 3-运动件
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磁致伸缩机构
1-伸缩棒
2-运动件
机器人末端执行器
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圆弧开合型
圆弧平行开合型
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直线平行开合型
特种执行器
真空吸附手
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空气袋膨胀手
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在正常工作的条件下，力求结构简单，制造容易，调 整、维修方便，最大限度的降低成本。
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三、常用机构
1、塑料导轨 特点：在滑动导轨上镶装塑料而成。化学稳定性高、工艺
性 好、使用维护方便；耐热性差，易蠕变，需散热。 （1）塑料导轨软带
平面式
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埋头式
（2）金属塑料复合导轨板 自润滑层 中间层 内层
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2、种类 按用途分
a)工业用同步带 一般为梯形齿，主要用于中、小功率的同步带传动。
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b)大转矩同步带
一般为圆弧齿，主要用于重型机械的传动。
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c)特种规格同步带 根据某种机器特殊需要而设计的同步带。
d)特殊用途同步带 具有特殊性能的同步带。
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相反，ξ越大，则振荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越 好2，020/但3/16响应时间较长，系统的灵敏度降低。
因此，在系统设计时，一般取当阻尼比0.4≤ξ≤0.8的欠 阻尼系统。既能保证振荡在一定的范围内，过渡过程较平 稳，过渡时间较短，又具有较高的灵敏度。
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2）摩擦
粘性摩擦 摩擦力
第二节 导向机构
导向机构支承和限制运动部件按给定的运动要求和运动 方向运动。要保证运动部件相关零部件间的相互位置要求和 相对运动的精度要求。
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一、导轨的组成和分类 1、组成
动导轨
支承导轨
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2、分类 （1）根据接触面的摩擦性质分类
滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨 （2）根据结构特点分类
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4、同步带主要参数、型式和规格
a、主要参数 节距 pb
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单面齿 b、带齿型式
双面齿
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5、同步带轮
a、结构与材料
为防止带脱落，两侧有挡圈。材料有铸铁、钢、塑料和轻合金
b、带轮参数与尺寸规格
参数
齿形 齿数
直线形、渐开线形 大于等于10
滚珠在循环过程中有一段离开了丝杠表面。
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4、主要尺寸参数
d1---丝杠内径
D1---螺母内径
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d---丝杠外径 D---螺母外径
d0---标称直径 L0---基本导程（螺距）
四、同步带传动副
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1、传动特点 综合了带传动、齿轮传动和链传动的特点
a、可实现较远距离中心距的传动，传动比准确，效率高 b、传动平稳 c、强度高 d、安装精度高 e、维护保养方便 f、制造工艺复杂、成本高
3、同步带结构
1-带背
2-承载绳
3-包步层 4-带齿
要作作要材材求用用求料料：：：：有连传有聚钢用与同仅高接递良氨丝尼带用的、动好酯、龙轮背于抗包力的橡玻或啮。以剪覆，韧 胶 璃 棉 合氯强承同性和纤纶，丁度载时和氯维丝传橡与绳保耐丁、织递胶耐，证弯橡芳成扭为磨在带曲胶纶。矩基性运的疲。等。体、转节劳。的耐过距的同油程不能步性中变力带、承。，，耐受以可热弯及增性曲与加。应承带力载齿。 要求：绳的有良耐较好磨高的性的粘，强接提度性高和能带较。的小抗的拉伸强长度率。。
第二章机械系统
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除 要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特 性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化 系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元 件、机械传动部件、导向支承部件以及检测传感部件等部分 组成。这里所说机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗 轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非 线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体 等机构组成。
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三、滚珠丝杠传动副
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微小型丝杠
1、构成原理与工作特点
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1—丝杠 2—螺母 3—滚珠 4—回程引导装置
外滚道 滚珠
反向器
螺母 丝杠
内滚道
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工作特点: a、传动效率高。
b、运动可逆。 c、刚度好。 d、传动精度高。 e、寿命长。 f、不能自锁。 g、工艺复杂。
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2、采取的具体技术措施
1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。
2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。
3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少 等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能 提高加速能力。 4）缩小反向死区误差。
5）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、 降低噪声。
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二、基本要求
机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很 大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动 刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精 度、稳定性和快速响应性有重大影响。
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1、影响传动机构动力学特性的因素及其要求
1）阻尼
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二阶系统单位阶跃响应曲线
(a)当阻尼比ξ=0时，系统处于等幅持续振荡状态。
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(b)当阻尼比ξ≥1时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。 过渡过程无振荡，但响应时间较长。
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(c)当阻尼比0＜ξ＜1时，系统为欠阻尼系统。系统在过渡过 程中处于减幅振荡状态，其振幅衰减的快慢，取决于衰减系数
ξωn。在ωn确定以后，ξ越小，其振荡越剧烈，过渡过程越长。
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rb-滚珠半径
双圆弧
R-滚道半径 e-偏心距
②按滚珠循环方式分 内循环
1—丝杠 2—螺母
3—滚珠 4—回程引导装置
滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。循环回路
短、流畅性好、效率高、螺母径向尺寸小。反向器加工困 难，20装20/3/配16 调整不方便。
外循环
插管式外循环结构 1-弯管 2-压板 3-丝杠 4-滚珠 5-螺纹滚道
质量与惯量影响系统的固有频率，影响系统的 稳定性。
在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量 与转动惯量应尽可能小。
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5）间隙 在传动装置逆运行时造成回程误差，影响系统精
度；产生传动死区，使系统产生自激振荡，影响系统 稳定性。
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在 设计中，要提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、 高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
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机械系统
传
导
执
动
向
行
机
机
机
构
构
构
传递转矩 与转速
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支承和限制运 动部件,并使之 按给定的运动 要求和规定的 运动方向运动
完成操作 任务
第一节 传动机构
一、种类和特点 机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，其目的是使
执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
（3）塑料涂层
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2、滚动导轨 按滚动体的形状不同分为三种
1-动导轨 2-滚珠 3-定导轨 4-滚柱 5-滚针
滚珠导轨
滚柱导轨
滚针导轨
特点：点线尺接寸触小、摩承紧擦载凑小能密、力集灵和、敏刚承度载高较能；大力承，大载制、能造摩力安擦小装较、要大刚求，度高精低。度。偏低。 应用：载荷不较大大，、的导行场轨程合尺较。寸小受、限灵制敏的度场较合高。的场合。
电磁吸附手
思考题
2.1对传动机构的要求是什么？ 2.2滚珠丝杠传动副有哪些特点？ 2.3滚珠丝杠传动副有哪些传动形式，各有何特点？ 2.4如何选择滚珠丝杠传动副？ 2.5说明同步带的结构及各部分的作用。 2.6同步带传动副有哪些特点？ 2.7同步带传动副的主要失效形式与设计准则是什么？ 2.8导轨副的基本要求是什么？ 2.9导轨变形有哪些形式，分析产生原因及解决的措施。 2.10滚动导轨根据滚动体形状不同分为哪些形式，各有什么特点。 2.11查阅资料,了解磁悬浮技术。试分析磁悬浮技术在机械传动和 导向20中20/3/的16 应用。
4、运动的灵活性与低速运动的平稳性 工作应轻便省力，速度均匀（高速不振动、低速不爬行）。
解决爬行的措施： a、采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等。 b、使用导轨油。 c、提高传动系统刚度。
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5、对温度的敏感性和结构工艺性 在环境温度变化的情况下，应能正常工作。 取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。
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四、常用导轨特点
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第三节 执行机构
机械系统的执行机构根据操作指令的要求，直接作用 于对象，完成规定的动作和任务。其形式多种多样。它 是系统实现主功能的重要环节。
执行机构要能保证按时、准确地完成预期动作，应具 有动态特性好、响应速度快、精度高、灵敏度高等特点。
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3）螺母转动、丝杠移动
需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较 复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。
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4）丝杠固定、螺母转动并移动
结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不 方便，很少应用。
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3、结构类型 ①按螺纹滚道法向截面形状分
单圆弧
β-接触角