机电一体化系统设计ppt

28
第1章 机械系统设计
图2.8 齿轮齿条消隙结构 1、4、5.轴 2、3.齿轮
29
第1章 机械系统设计
二、滚珠丝杠副传动机构
滚珠丝杠副:是在丝杆和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动 元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转 变为旋转运动。
（一）工作原理、特点及类型
结构原理示意图如图2.9所示，当丝杠旋转时，滚珠在封闭 滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母(或丝杆)轴 向移动。
5
17:20:23
第1章 机械系统设计
二、机电一体化对机械系统的基本要求
1.高精度 ：精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、 工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因此机电一体化 机械系统的高精度是其首要的要求。 2.快速响应 ：要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务 之间的时间间隔短。 3.良好的稳定性：要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗 干扰能力强。 此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、 体积小、寿命长。
36
第1章 机械系统设计
a)插管式外循环方式 1.压板 2.弯管（回珠管）3.螺母 4.滚珠
b)螺旋槽式外循环方式 图2.11 外循环方式原理图
37
第1章 机械系统设计
2．滚珠丝杠副的循环方式
2)内循环 ：均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型 式。如图2.12a所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分 嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其 上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图2.12b为 扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌 入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。
2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降； 3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。
12
第1章 机械系统设计
2.刚度大 ①伺服系统动力损失随之减小； ②机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不 易产生共振； ③增加闭环伺服系统的稳定性。 3.阻尼合适 阻尼越大，其最大振幅 就越小且衰减也越快； 阻尼大使系统的稳态误 差增大、精度降低。 刚度是使弹性体产生 单位变形量所需的作 用力。
图2.13 双螺母垫片调隙式结构图
41
第1章 机械系统设计
2)螺母调隙式 图2.14所示结构，利用螺帽实现预紧，两 个螺母1、2以平键与外套相联，平键可限制螺母在外套 内转动。用两个锁紧螺母3、4能使螺母相对丝杠作轴向 移动。结构既紧凑．工作又可靠，调整也方便。但调整 位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。
30
第1章 机械系统设计
图2.9 滚珠丝杠副的结构原理示意图
特点： (1)传动效率高： 0.90到0.96 ； (2)传动精度高、刚度好：可消除间隙； (3)定位精度和重复定位精度高； (4)运动平稳； (5)摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦 阻力差值小； (6)不能自锁、有可逆性。
31
第1章 机械系统设计
通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内， 以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。 目的: 消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度.
39
第1章 机械系统设计
预紧的基本思想
40
第1章 机械系统设计
（2）双螺母预紧方法 1)垫片调隙式 图2.13所示结构，通过改变垫片厚度， 使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，但调 整费时，不能在工作中随意调整。
6
第1章 机械系统设计
三、机械系统的组成
1.传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机 构、链传动、带传动等。 要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求； 满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。 2.导向机构 ：作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、 准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，滚动导轨、滑动导轨 等。
3.执行机构 ：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的 操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、 或机械手等等。 要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。
Biblioteka Baidu
7
第1章 机械系统设计
进给系统的机械传动结构
1、进给系统的功用
协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。
图2.12 内循环方式原理图
1.凸键 2、3.反向器 38
第1章 机械系统设计
3．滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 (1)轴向间隙
轴向间隙：是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形 减小或消除轴向间隙方法：1)预紧使弹性变形控制在最小 所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。 限度内；2)提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部 分的间隙。
图2.4 斜齿薄片齿轮垫片调整
22
第1章 机械系统设计
(二)斜齿轮传动机构
2．轴向压簧调整法 结构如图2.5所示。调节弹簧3的
轴向力改变两薄片斜齿轮1、2之间的轴向距离达 到错位的目的。
特点：齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大， 结构不紧凑。
23
第1章 机械系统设计
图2.5斜齿薄片齿轮轴向压簧调整
图2.10 螺纹滚道型面的形状
35
第1章 机械系统设计
2．滚珠丝杠副的循环方式
1)外循环:包括插管式和螺旋槽式。 插管式结构如图2.11a所示，被压板1压住的弯管2的两端，插 入螺母3上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠4构成循环 回路。 特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容 易磨损。 螺旋槽式在螺母3的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母 外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环路，如图2.11b所示。 特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。
26
第1章 机械系统设计
图2.7 锥齿轮周向弹簧调整 1.大片锥齿轮 2.小片锥齿轮 3.锥齿轮 4.镶块 5.弹簧 6.止动螺钉 7.凸爪 8.槽
27
第1章 机械系统设计
（四）齿轮齿条传动机构
结构如图2.8所示。用于行程较长的大型机床上，易于得 到高速直线运动。 1.双片簿齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧， 从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。 2.双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴5输入，该轴上装有 两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴5上施加轴向力F 时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴1和轴4便 以相反的方向转过微小的角度，使齿轮2和齿轮3分别与齿 条齿槽的左、右两侧贴紧而消除了间隙。
24
第1章 机械系统设计
（三）锥齿轮传动机构
1.轴向压簧调整法 结构如图2.6所示。调节压簧5轴 向力大小，使锥齿轮4沿其轴向移动，从而消除啮 合锥齿轮之间的齿侧间隙。 2.周向弹簧调整法 结构如图2.7所示。大小片锥齿 轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而消除间隙。
25
第1章 机械系统设计
图2.6 锥齿轮轴向压簧调整
第1章 机械系统设计
第一节 概 述
一、机械系统的定义 传统机械系统组成： 动力件、传动件、执行件、 电气、机械控制 现代机械：由计算机信息网络协调与控制的、用于完 成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和 (或)机电部件一体化的机械系统 ，是机电一体化机械 系统。核心是由计算机控制的、包括机、电、液、光 等技术的伺服系统。
10
第1章 机械系统设计
第二节 常用传动支承系统设计
传动机构性能要求
1)具有良好的伺服性能； 2)传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。
即：精度高、快速响应性和稳定性好。
11
第1章 机械系统设计
对传动机构要求
1.转动惯量小 在不影响机械系统刚度 的前提下，传动机构的 质量和转动惯量应尽量 减小。
1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；
16
第1章 机械系统设计
2.锥度齿轮调整法 结构如图2.2所示。改变垫片3 的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消 除齿侧间隙。
以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大扭矩， 传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又 称为刚性调整法。
17
第1章 机械系统设计
图2.2 锥度齿轮消隙结构 1、2.齿轮 3.垫片
20
第1章 机械系统设计
(二)斜齿轮传动机构
1.垫片调整法 结构如图2.4所示。在两薄片斜齿轮1、2中间 加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿 轮1、2的螺旋线错位。
特点：1)结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。3) 使用时需 要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。
21
第1章 机械系统设计
18
第1章 机械系统设计
3.双片薄齿轮错齿调整法 结构如图2.3所示。 调节两薄片齿轮l、2的相对位置，达到错齿以 消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。
特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。
19
第1章 机械系统设计
图2.3 双圆柱薄片齿轮错齿调整 1、2. 薄片齿轮 3、4、9. 凸耳 5.螺钉 6、7. 螺母 8.弹簧
轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）
径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法
(一)直齿圆柱齿轮传动机构
1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。
15
第1章 机械系统设计
图2.1 偏心轴套式消隙结构 1.电动机 2. 偏心轴套
图2.15 双螺母齿差式结构图 43
第1章 机械系统设计
4．滚珠丝杠副的安装 滚珠丝杠螺母副的安装 一般要求：
– – – – 滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动； 螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心； 滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨 能方便地进行间隙调整或预紧
44
第1章 机械系统设计
(1)支承方式的选择 为了保证滚珠丝杠副传动的刚度 和精度，应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩 擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支承座有足够的 刚度。
2、进给系统机械部分的组成
传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台）
传动机构: 齿轮传动、同步带传动
运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等
导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）
8
第1章 机械系统设计
工作 台 导轨 副
9
第1章 机械系统设计
3、主要要求 (1) 减小摩擦力 采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨. (2) 提高传动精度和刚度 消除传动间隙,增加传动系统刚度. (3) 减小运动惯量 快速响应.减小运动部件质量.
图2.14 双螺母螺帽式结构图 1、2.螺母 3、4.锁紧螺帽 42
第1章 机械系统设计
3)齿差调隙式 图2.15所示结构。在两个螺母的凸缘 上分别有齿数为z1 、z2的齿轮分别与相应的内齿圈 相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿 圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上 内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间 隙的调整和施加预紧力。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计
主要参考书 曾励主编，机电一体化系统设计，高等教育出 版社
教学内容
第0章 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 总 论 机械系统设计 检测系统设计 控制系统设计 伺服系统设计 计算机控制机电系统设计
第1章 机械系统设计
第一节 概述 第二节 常用传动支承系统设计 第三节 机械系统载荷的类型及确定 第四节 机械系统的参数设计
32
第1章 机械系统设计
33
第1章 机械系统设计
通过旋转角度和导 程来控制轴向位移 量的滚珠丝杠副
即与旋转角度无关， 用于传递动力的滚 珠丝杠副

34
类型：
定位滚珠丝杠副(P类) 传动滚珠丝杠副(T类)
外循环式 内循环式
单圆弧型面 双圆弧型面
第1章 机械系统设计
（二）滚珠丝杠副的结构
1．螺纹滚道型面的形状 1)单圆弧型面:接触角是随 轴向负荷F 的大小而变化， 如图2.10a所示； 2)双圆弧型面：滚珠与滚 道只在滚道内相切的两点 接触，接触角不变，如图 2.10b所示。
13
第1章 机械系统设计
一、无侧隙齿轮传动机构
齿轮传动机构的特点： 1)瞬时传动比为常数；2)传动精确度高；3)可做到零侧隙无 回差；4)强度大能承受重载；5)结构紧凑；6)摩擦力小和效 率高 功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速
14
第1章 机械系统设计
消除传动间隙
作用：消除反向间隙，提高传动精度 方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状 实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）