1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),攀枝花學(xué)院 張祺,第二章機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)（含工業(yè)機(jī)器人）,2.1 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求,1、機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的特殊要求 機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)與一般機(jī)械系統(tǒng)相比，具有一定的特殊要求： (1）較高的定位精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。,（2）良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。 要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù)。要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受

2、外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)。 (3）無(wú)間隙、低摩擦、低慣量、大剛度。 （4）高的諧振頻率、合理的阻尼比。,2、主要措施和手段 （1）采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐件。如：滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向和支承、動(dòng)靜壓導(dǎo)向和支承。 （2）縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度。如：大扭矩、寬調(diào)速的伺服電動(dòng)機(jī)；軸端預(yù)緊或預(yù)拉伸、滾珠絲杠副或滾動(dòng)導(dǎo)軌副預(yù)緊消除間歇提高剛度。 （3）選擇合理（最佳）傳動(dòng)比，提高系統(tǒng)分辨率，減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能的提高系統(tǒng)的加速能力。,（4）盡可能地減小或消除傳動(dòng)誤差和反轉(zhuǎn)誤差、減少支承變形，最終縮小反向死區(qū)誤差。 （5）改進(jìn)和合理設(shè)計(jì)支承件和機(jī)架結(jié)構(gòu)，提高

3、剛度、減少振動(dòng)和噪音。,2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能,德國(guó)的排爆機(jī)器人,（一）機(jī)械系統(tǒng)組成 1、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：主要功能是傳遞能量和運(yùn)動(dòng) ，是一種力、速度變換器。 2、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和給定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。,3、支 承 件：機(jī)座或機(jī)架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既承受其它零部件的重量和工作載荷，又起保證零件相對(duì)位置的基準(zhǔn)作用。 三者功能總結(jié)：實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，支撐和導(dǎo)向，聯(lián)系機(jī)電一體化系統(tǒng)各部件并實(shí)現(xiàn)其構(gòu)造功能。,1、 機(jī)械傳動(dòng)部件的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速； 2、它的實(shí)質(zhì)是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器；

4、 3、它的目的是使執(zhí)行部件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。 4、對(duì)傳動(dòng)件的要求：間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞扭矩大。,（二）常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)裝置及功能,常見(jiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及功能,（三）絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式,1、含義 2、分類(lèi) 3、特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)）,滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低，且有自鎖功能，但摩擦阻力較大、傳動(dòng)效率低(30%40%)。 滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、無(wú)自鎖功能，但摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高（92%98%）、傳動(dòng)精度高。,4、絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件,1）滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)基本條件： 應(yīng)有足夠的滑移間隙和充分地潤(rùn)滑，熱脹冷縮補(bǔ)

5、償空間；因而，存在一定的空回間隙。 2）滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件： 應(yīng)有足夠的潤(rùn)滑儲(chǔ)油空間和熱脹冷縮彈性補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙工作；因而，存在一定的表面應(yīng)力；為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需一滾珠的回珠裝置（內(nèi)或外）。,5、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的類(lèi)型與特點(diǎn),圖a 絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式,1)螺母固定、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 如圖a所示，該傳動(dòng)形式因螺母本身起著支承作用，消 除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可獲得較高的傳動(dòng)精度。但其軸向尺寸不易太長(zhǎng)，剛性較差。因此只適用于行程較小的場(chǎng)合。,2)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)如圖b所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較

6、好。適用于工作行程較大的場(chǎng)合。,3)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲桿移動(dòng) 如圖c所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母移動(dòng)和絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。,圖 絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式,4)絲桿固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 如圖d所示，該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。,圖 差動(dòng)傳動(dòng)原理,該方式的絲桿上有基本導(dǎo)程(或螺距) 不同的(如l01、l02)兩段螺紋，其旋向相同。當(dāng)絲桿2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可動(dòng)螺母1的移動(dòng)距離為S=n(l01l02)，如果兩基本導(dǎo)程的大小相差較少，則可獲得較小的位移S。因此，這種傳動(dòng)方式多用于各種微動(dòng)機(jī)構(gòu)中。,（5）差動(dòng)傳動(dòng)方式,(四)、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng),1

7、、滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn),（ 1）、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。,圖 滾珠絲杠副的構(gòu)成原理 1-反向器 2-螺母 3-絲杠 4-滾珠,（2）、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)組成,工作說(shuō)明：滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾道回程裝置，構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通道。,（3）、滾珠絲杠的特點(diǎn) 滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副相比有如下特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： 傳動(dòng)效率高（0.90.95）； 傳動(dòng)精度高； 摩擦小、不易磨損

8、，壽命長(zhǎng)； 運(yùn)動(dòng)的可逆性； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差，成本高。 軸向剛度高(即通過(guò)適當(dāng)預(yù)緊可消除絲杠與螺母之間的軸向間隙)； 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 缺點(diǎn)：不能自鎖，傳動(dòng)可逆，在用作升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采取制動(dòng)措施。,內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副,2、滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類(lèi)型 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以從螺紋滾道的截面形狀、 滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙的調(diào)整方法進(jìn)行區(qū)別。 （1）、螺紋滾道型面(法向)的形狀及主要尺寸,圖 螺紋滾道法向截面形狀,單圓弧滾道和雙圓弧滾道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),單圓弧滾道：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在軸向間隙，加工質(zhì)量易于保證，在使用雙螺母結(jié)構(gòu)的條件下，具有軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，傳遞精度高。因此運(yùn)行特性不夠穩(wěn)定

9、。 雙圓弧滾道：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞精度由加工質(zhì)量保證，軸向間隙小，無(wú)軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。接觸角在工作過(guò)程中基本不變。,雙圓弧滾道,單圓弧滾道,結(jié)構(gòu)：,實(shí)例：浮動(dòng)式反向器的循環(huán)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副,反向器1,拱形片簧4,彈簧套2,優(yōu)點(diǎn)：是在高頻浮動(dòng)中達(dá)到回珠圓弧槽進(jìn)出口的自動(dòng)對(duì)接，通道流暢、摩擦特性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進(jìn)給系統(tǒng)。,b,外循環(huán)方式,1）螺旋槽式,結(jié)構(gòu)：在螺母2的外圓表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出兩個(gè)與螺紋滾道相切的通孔，螺紋滾道內(nèi)裝入兩個(gè)擋珠器4引導(dǎo)滾珠3通過(guò)這兩個(gè)孔，應(yīng)用套筒1蓋住凹槽，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路

10、。 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、徑向尺寸小、易于制造，但是擋珠器剛性差、易磨損。,2）插管式,結(jié)構(gòu)： 用一彎管1代替螺紋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道5相切的兩個(gè)內(nèi)孔，用彎管的端部引導(dǎo)滾珠4進(jìn)入彎管，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板2和螺釘將彎管固定。 特點(diǎn)：插管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造。但是徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。,3）端蓋式,結(jié)構(gòu)：在螺母1上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道，螺母兩端裝有兩塊扇形蓋板或套筒2，滾珠的回程道口就在蓋板上。滾道半徑為滾珠直徑的1416倍。 特點(diǎn)：這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易準(zhǔn)確制作而影響其性能，故應(yīng)用較少。常以單螺母形式用作升降傳動(dòng)機(jī)

11、構(gòu)。,3、滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù),4、滾珠絲杠副的精度等級(jí)及標(biāo)注方法,（1）、精度等級(jí),（2）、標(biāo)注方法,3、尺寸系列 4、推薦采用的精度等級(jí),5、消除間隙和調(diào)整預(yù)緊,1）、雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式,結(jié)構(gòu)：螺母3的外端有凸緣，而螺母4的外端雖無(wú)凸緣，但制有螺紋，并通過(guò)二個(gè)圓螺母固定。 原理：調(diào)整時(shí)旋轉(zhuǎn)圓螺母2消除軸向間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，然后用鎖緊螺母1鎖緊。預(yù)緊后兩個(gè)螺母中的滾珠相向受力(如圖b所示)，從而消除軸向間隙。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可靠，使用中調(diào)整方便，但不能精確定量地進(jìn)行調(diào)整。,2）、雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式,結(jié)構(gòu)：兩個(gè)螺母的兩端分別制有圓柱齒輪3，二者齒數(shù)相差一個(gè)齒，通過(guò)二

12、端的兩個(gè)內(nèi)齒輪2與上述圓柱齒輪相嚙合并用螺釘和定位銷(xiāo)固定在套筒1上。 工作原理：調(diào)整時(shí)先取下兩端的內(nèi)齒輪2，當(dāng)二個(gè)滾珠螺母相對(duì)于套筒同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)同一個(gè)齒后固定后，則一個(gè)滾珠螺母相對(duì)于另一個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，使二個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而消除間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。,特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)定量調(diào)整即可進(jìn)行精密微調(diào)(如0002 mm)，使用中調(diào)整較方便。,間隙的調(diào)整量：,3）、雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式,結(jié)構(gòu)與原理：調(diào)整墊片1的厚度，可使兩螺母2產(chǎn)生相對(duì)位移，以達(dá)到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊拉力之目的。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剛度高、預(yù)緊可靠，但使用中調(diào)整不方便。,4）、彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式,結(jié)構(gòu)原理：雙螺母中一個(gè)活動(dòng)、

13、另一個(gè)固定，用彈簧使其間始終具有產(chǎn)生軸向位移的推動(dòng)力，從而獲得預(yù)緊力。 特 點(diǎn)：能消除使用過(guò)程中因磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸向剛度低，適合用于輕載場(chǎng)合。,彈簧,5）、單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式和單螺母滾珠過(guò)盈預(yù)緊式,結(jié)構(gòu)原理：在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向制作一個(gè)的導(dǎo)程突變量，從而使二列滾珠產(chǎn)生軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，預(yù)緊力的大小取決于突變量和單列滾珠的徑向間隙。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但使用中不能調(diào)整，且制造困難。,圖 單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊式,6、滾珠絲杠副支承方式的選擇,（1）、支承方式,1）單推單推式,結(jié)構(gòu)：止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊力。 特點(diǎn)：

14、 軸向剛度較高，預(yù)拉伸安裝時(shí)，預(yù)緊力較大； 軸承壽命比雙推一雙推式低；,2）雙推一雙推式,結(jié)構(gòu)：兩端分別安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，并施加預(yù)緊力，其軸向剛度最高。 特點(diǎn)：該方式適合于高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的精密絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。但隨溫度的升高會(huì)使絲杠的預(yù)緊力增大，易造成兩端支承的預(yù)緊力不對(duì)稱(chēng)。,3）雙推簡(jiǎn)支式,結(jié)構(gòu)：一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端僅安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，使用時(shí)應(yīng)注意減少絲杠熱變形的影響。 特點(diǎn)：雙推端可預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動(dòng)精度較高的長(zhǎng)絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。,4）雙推自由式,結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)：一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端懸空呈

15、自由狀態(tài)，故軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。,（2）、軸承的組合安裝支承示例,（3）、制動(dòng)裝置,圖 超越離合器 1外圈 2星輪 3滾柱 4活銷(xiāo) 5彈簧,2）常用的制動(dòng)裝置有體積小、重量輕、易于安裝的超越離合器。選購(gòu)滾珠絲杠副時(shí)可同時(shí)選購(gòu)相宜的超越離合器。,1） 制動(dòng)原因：因滾珠絲杠傳動(dòng)效率高，無(wú)自鎖作用，故在垂直安裝狀態(tài)，必須設(shè)置防止因驅(qū)動(dòng)力中斷而發(fā)生逆?zhèn)鲃?dòng)的自鎖、制動(dòng)或重力平衡裝置。,圖 電磁摩擦制動(dòng)裝置原理圖,3）制動(dòng)實(shí)例,A：結(jié)構(gòu)組成 B：制動(dòng)原理,運(yùn)動(dòng)部件,摩擦離合器,電磁線圈,鐵心,7、滾珠絲杠副的密封與潤(rùn)滑,1-螺旋彈簧鋼帶式伸縮套管； 2-波紋管密

16、封套,原因：滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護(hù)套密封來(lái)防止灰塵及雜質(zhì)進(jìn)人滾珠絲杠副，使用潤(rùn)滑劑來(lái)提高其耐磨性及傳動(dòng)效率，從而維持其傳動(dòng)精度、延長(zhǎng)其使用壽命。 密封圈類(lèi)型：接觸式和非接觸式兩種，其裝在滾珠螺母的兩端。 非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內(nèi)孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱(chēng)迷宮式密封圈。 接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產(chǎn)生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩類(lèi)。潤(rùn)滑脂一般在裝配時(shí)放進(jìn)滾珠螺母滾道內(nèi)定期潤(rùn)滑，商使用潤(rùn)滑油時(shí)應(yīng)注意經(jīng)常通過(guò)注油孔注油。防護(hù)套的形式有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。其材料有耐油塑料、

17、人造革等。,8、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,（1）、滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對(duì)調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。例如，當(dāng)允許有間隙存在時(shí)（如垂直運(yùn)動(dòng)）可選用具有單圓弧螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必須有預(yù)緊或使用過(guò)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)具備良好的防塵條件，且只需在裝配時(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)。,（2）、滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸的選擇 選用滾珠絲杠副時(shí)通常主要選擇的公稱(chēng)直徑d0和基本導(dǎo)程l0。 公稱(chēng)直徑d0應(yīng)根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選擇。螺紋長(zhǎng)度ls在允許的情況下要盡量短，一般ls/d0

18、小于30為宜； 基本導(dǎo)程l0應(yīng)按承載能力、傳動(dòng)精度及傳動(dòng)速度選取，l0大承載能力也大，l0小傳動(dòng)精度較高。要求傳動(dòng)速度快時(shí)，可選用大導(dǎo)程滾珠絲杠副。,（3）、滾珠絲杠副的選擇步驟 選用時(shí)，必須知道實(shí)際的工作條件（已知參量）： * 最大的工作載荷Fmax（或平均工作載荷Fcp（N）作用下的使用壽命T（h）； * 絲杠的長(zhǎng)度（或螺母的有效行程）l（mm）； * 絲杠的轉(zhuǎn)速n（或平均轉(zhuǎn)速ncp）（r/min）； * 滾道的硬度HRC及絲杠的工況。,1）承載能力選擇 計(jì)算作用于絲杠軸向最大動(dòng)載FQ，然后根據(jù)FQ值選擇絲杠副的型號(hào)。,2） 壓桿穩(wěn)定性核算,3）剛度的驗(yàn)算,（五）、齒輪傳動(dòng),1、齒輪傳動(dòng)形

19、式及其傳動(dòng)比的最佳匹配,1）、常用的齒輪減速裝置傳動(dòng)形式,圖 常用減速裝置傳動(dòng)形式,2）齒輪傳動(dòng)系總傳動(dòng)比的確定P38, 在伺服系統(tǒng)中,通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動(dòng)比,以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。傳動(dòng)模型如圖2-1所示。,圖中： Jm 電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量； m 電動(dòng)機(jī)M的角位移； JL 負(fù)載L的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； L 負(fù)載L的角位移； TLF 摩擦阻抗轉(zhuǎn)矩； i 齒輪系G的總傳動(dòng)比。,電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型,根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有 式中: 電動(dòng)機(jī)的角位移、角速度、角加速度； 負(fù)載的角位移、角速度、角加速度。,在式(2-1)中,若改變總傳動(dòng)比i,則也隨之改變。根據(jù)負(fù)載角加速度最大的原則,令

20、 ,則 解得 若不計(jì)摩擦,即TLF0, 則 ,(2-2),(2-2),TLF換算到電動(dòng)機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為T(mén)LF /i ；JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JL /i2。設(shè)Tm為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 在忽略傳動(dòng)裝置慣量的前提下,根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程,電動(dòng)機(jī)軸上的合轉(zhuǎn)矩Ta為：,(2-1),式表明, 得到傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比i的最佳值的時(shí)刻就是JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm的時(shí)刻, 此時(shí), 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載,一半用于加速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子, 達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。,齒輪系統(tǒng)的總傳動(dòng)比確定后，根據(jù)對(duì)傳動(dòng)鏈的技術(shù)要求，選擇傳動(dòng)方案，使驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速

21、達(dá)到合理匹配。 若總傳動(dòng)比較大，又不準(zhǔn)備采用諧波、少齒差等傳動(dòng)，需要確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。 單級(jí)傳動(dòng)比增大使傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，但大齒輪的尺寸增大會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的輪廓尺寸變大?？砂聪率鋈N原則適當(dāng)分級(jí)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。,3） 傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配,a、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則 P40 利用該原則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最小。 齒輪系傳遞的功率不同, 其傳動(dòng)比的分配也有所不同。,對(duì)于n級(jí)齒輪系,有（P31） 由此可見(jiàn), 各級(jí)傳動(dòng)比分配的結(jié)果應(yīng)遵循“前小后大”的原則。 ,（2-3）,（2-4）,（1）小功率傳動(dòng)裝置,例2-1 設(shè)有i=80, 傳

22、動(dòng)級(jí)數(shù)n=4的小功率傳動(dòng), 試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。 解：,驗(yàn)算i= i1 i2 i3 i480。,若以傳動(dòng)級(jí)數(shù)n為參變量, 齒輪系中折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je與第一級(jí)主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1之比為Je/J1, 其變化與總傳動(dòng)比i的關(guān)系如圖2-3所示。 可利用 Je/J1 與 i的關(guān)系確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)。,圖2-3 小功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)曲線,(2) 大功率傳動(dòng)裝置 大功率傳動(dòng)裝置傳遞的扭矩大,各級(jí)齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級(jí)增加,各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差別很大。 大功率傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)級(jí)數(shù)及各級(jí)傳動(dòng)比可依據(jù)圖2-4、圖2-5、圖2-6來(lái)確定。傳動(dòng)比分配的基本原則仍應(yīng)為“前小后

23、大”。 圖2-4、圖2-5及圖2-6的用法參見(jiàn)例2-2。,圖2-4 大功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)曲線,圖2-5 大功率傳動(dòng)裝置確定第一級(jí)傳動(dòng)比曲線,圖2-6 大功率傳動(dòng)裝置確定各級(jí)傳動(dòng)比曲線,例2-2 設(shè)有i=256的大功率傳動(dòng)裝置, 試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。 解：查圖2-4, 得n=3, Je/J1=70；n=4, Je / J1 =35；n=5, Je / J1 =26。兼顧到 Je / J1值的大小和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu), 選n4。查圖2-5, 得i13.3。查圖2-6, 在橫坐標(biāo)ik-1上3.3處作垂直線與A線交于第一點(diǎn),在縱坐標(biāo) ik 軸上查得i23.7。,通過(guò)該點(diǎn)作水平線與B曲

24、線相交得第二點(diǎn)i34.24。由第二點(diǎn)作垂線與A曲線相交得第三點(diǎn)i44.95。 驗(yàn)算i1 i2 i3 i 4256.26。滿足設(shè)計(jì)要求。,b、質(zhì)量最小原則 （1）小功率傳動(dòng)裝置 對(duì)于小功率傳動(dòng)系統(tǒng)，使各級(jí)傳動(dòng)比滿足： 即可使傳動(dòng)裝置的重量最輕。 上述結(jié)論對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)是不適用的，因其傳遞扭矩大，故要考慮齒輪模數(shù)、齒輪齒寬等參數(shù)要逐級(jí)增加的情況。,（2）大功率傳動(dòng)裝置 大功率減速傳動(dòng)裝置按質(zhì)量最小原則確定的各級(jí)傳動(dòng)比表現(xiàn)為“前大后小”的傳動(dòng)比分配方式。 減速齒輪傳動(dòng)的后級(jí)齒輪比前級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)矩要大得多,同樣傳動(dòng)比的情況下齒厚、質(zhì)量也大得多,因此減小后級(jí)傳動(dòng)比就相應(yīng)減少了大齒輪的齒數(shù)和質(zhì)量。大功率

25、減速傳動(dòng)裝置的各級(jí)傳動(dòng)比可以按圖2-7和圖2-8選擇。,圖2-7 大功率傳動(dòng)裝置兩級(jí)傳動(dòng)比曲線 （i10時(shí),使用圖中的虛線）,圖2-8 大功率傳動(dòng)裝置三級(jí)傳動(dòng)比曲線 （ i 100時(shí),使用圖中的虛線） ,例2-4 設(shè) n3, i202, 求各級(jí)傳動(dòng)比。 解：查圖2-8可得 i112，i25，i33.4,3、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。,圖 2-10 四級(jí)減速齒輪傳動(dòng)鏈,以圖2-10所示四級(jí)齒輪減速傳動(dòng)鏈為例。四級(jí)傳動(dòng)比分別為 i1、i2、i3、i

26、4, 齒輪18的轉(zhuǎn)角誤差依次為18。,該傳動(dòng)鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)角誤差max為 由式(2-7)可以看出,如果從輸入端到輸出端的各級(jí)傳動(dòng)比按“前小后大”原則排列, 則總轉(zhuǎn)角誤差較小, 而且低速級(jí)的誤差在總誤差中占的比重很大。因此,要提高傳動(dòng)精度, 就應(yīng)減少傳動(dòng)級(jí)數(shù), 并使末級(jí)齒輪的傳動(dòng)比盡可能大,制造精度盡可能高。,4、三種原則的選擇 在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置時(shí),上述三條原則應(yīng)根據(jù)具體工作條件綜合考慮。 （1）對(duì)于傳動(dòng)精度要求高的降速齒輪傳動(dòng)鏈,可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。 （2）對(duì)于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的降速傳動(dòng)鏈,可按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。 （3）對(duì)于要求

27、質(zhì)量盡可能小的降速傳動(dòng)鏈,可按質(zhì)量最小原則設(shè)計(jì)。,總之，減速傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的分配原則是設(shè)計(jì)減速器的指導(dǎo)思想和基本方法。在實(shí)際減速器設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合減速器的具體要求，認(rèn)真分析、論證方案實(shí)現(xiàn)的可行性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等指標(biāo)，并對(duì)減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、結(jié)構(gòu)尺寸、精度要求等進(jìn)行合理協(xié)調(diào)，盡可能達(dá)到合理的匹配，達(dá)到減速器具有體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可頻繁啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)特性好、傳動(dòng)精度高、誤差最小等基本要求。,4）諧波齒輪傳動(dòng),諧波齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品,圖 諧波齒輪傳動(dòng)組成與原理 3 （H）波形發(fā)生器 1剛輪 2柔輪,【一】諧波發(fā)生器（簡(jiǎn)稱(chēng)波發(fā)生器）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

28、變形運(yùn)動(dòng)（彈性范圍內(nèi)）?！径縿傒喪莿傂缘膬?nèi)齒輪。 【三】柔輪是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。,1、結(jié)構(gòu)組成,2、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(kāi)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。 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

29、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。,3、諧波齒輪傳動(dòng)比(鋼輪固定與柔輪固定),4、諧波齒輪減速產(chǎn)品及選用,優(yōu)點(diǎn)： 傳動(dòng)比大（單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)60250）； 承載能力強(qiáng)； 傳動(dòng)精度高、回程誤差小； 傳動(dòng)效率高； 體積小，重量輕； 噪聲低傳動(dòng)平穩(wěn)； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)： 對(duì)材料、加工、熱處理要求把高，散熱條件差，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。,4）齒輪傳動(dòng)間隙的消除措施,(1)、圓柱齒輪傳動(dòng),圖 偏心軸套式消除間隙結(jié)構(gòu) 1、偏心環(huán) 2電液脈沖馬達(dá),（a）偏心軸套調(diào)整法,圖 帶錐度齒輪的消除間隙結(jié)構(gòu) 1、3齒輪 2墊片,（b）軸向墊片調(diào)整法（錐度齒輪調(diào)整法）,（c）雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法,

30、圓柱薄片齒輪周向彈簧錯(cuò)齒調(diào)整法 1彈簧 2短柱 3、4齒輪,A、周向彈簧式（不用于功率驅(qū)動(dòng)）,圓柱薄片齒輪可拉簧錯(cuò)齒調(diào)整法 1,2薄片齒輪 3,8凸耳 4彈簧 5,6螺母 7調(diào)整螺釘,B、周向可調(diào)拉簧式,2、斜齒輪傳動(dòng)齒側(cè)隙的消除方法。,斜齒薄片齒輪墊片錯(cuò)齒調(diào)整法 1、2薄片齒輪 3寬齒輪 4墊片,（1）墊片調(diào)整法,斜齒薄片齒輪軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法 1、2薄片齒輪 3寬齒輪 4鍵 5彈簧 6螺母,（2）軸向壓簧調(diào)整法,3、錐齒輪傳動(dòng),錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法 1、4錐齒輪 2、3鍵 5壓簧 6螺母 7傳動(dòng)軸,（1）軸向壓簧調(diào)整法,錐齒輪周向彈簧調(diào)整法 1大片錐齒輪 2小片錐齒輪 3小錐齒輪 4鑲塊

31、5彈簧 6螺釘 7凸爪 8圓弧槽,（2）軸向彈簧調(diào)整法,4、齒輪齒條傳動(dòng),圖 齒輪齒條傳動(dòng)的齒側(cè)隙消除法 1、6小齒輪 2、5大齒輪 3齒輪 4預(yù)載力裝置 7齒條,（六)、撓性傳動(dòng) 除滾珠絲杠副、齒輪副等傳動(dòng)部件之外，機(jī)電系統(tǒng)中還大量使用同步齒形帶、鋼帶、鏈條、鋼絲繩及尼龍等撓性傳動(dòng)部件。,1、同步帶傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是綜合了普通傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒于與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶輪和帶作無(wú)滑差的同步傳動(dòng)，其齒形帶均采用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材料，以保證帶的節(jié)距不變。,優(yōu)點(diǎn)： 傳動(dòng)比準(zhǔn)確； 傳動(dòng)效率高（0.98）； 傳動(dòng)平穩(wěn)，能

32、吸振，噪聲小。 能高速傳動(dòng)，維護(hù)保養(yǎng)方便，且不需潤(rùn)滑，傳動(dòng)功率（由幾瓦幾百千瓦），速度（可達(dá)50m/s），速比（可達(dá)10左右）。 缺點(diǎn)： 安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，具有一定的蠕變性，帶輪制造成本高； 同步帶齒形：梯形齒形和圓弧齒形。,圖 同步帶的結(jié)構(gòu) 1加強(qiáng)筋；2帶齒；3帶背,圖 帶輪結(jié)構(gòu),2、鋼帶傳動(dòng) 特點(diǎn):鋼帶與帶輪間接觸面積大、無(wú)間隙、摩擦阻力大；無(wú)滑動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低、驅(qū)動(dòng)力大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)蠕變。,圖 a 鋼帶傳動(dòng)定位機(jī)構(gòu) 1導(dǎo)桿；2軸承；3小車(chē)；4導(dǎo)軌；5磁頭；6鋼帶；7步進(jìn)電動(dòng)機(jī),高彈性模量的彈簧鋼,3、繩輪傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟、成本低

33、、噪聲低等。 缺點(diǎn):帶輪較大，安裝面積大、加速度不易太高。,圖 繩輪傳動(dòng)在打印機(jī)字車(chē)送進(jìn)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用 1字車(chē)；2繩輪(電動(dòng)機(jī)輸出軸上)；3伺服電動(dòng)機(jī)；4鋼絲繩,（七）、間歇傳動(dòng) 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的間歇傳動(dòng)有棘輪傳動(dòng)、槽輪傳動(dòng)、蝸形凸輪傳動(dòng)等部件。這些傳動(dòng)部件可將輸入的連接運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為間歇運(yùn)動(dòng)。其基本要求是移位迅速，移位過(guò)程中運(yùn)動(dòng)無(wú)沖擊，停位準(zhǔn)確可靠。,圖 蝸形凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 1轉(zhuǎn)盤(pán) 2滾子 3蝸形凸輪,1、蝸形凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),2、棘輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),圖 棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)工作原理,圖 齒式棘輪機(jī)構(gòu)的形式,3、槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),圖 槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理 1撥銷(xiāo)盤(pán)；2鎖緊弧；3槽輪；4定位??；5撥銷(xiāo),返回,2.3 導(dǎo)軌

34、支承部件的選擇與設(shè)計(jì),一、導(dǎo)軌副的定義、組成、分類(lèi)及其應(yīng)滿足的要求,1、定義: 支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，這樣的部件通常稱(chēng)為導(dǎo)軌副，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)軌。,圖 導(dǎo)軌副組成 1-承導(dǎo)件 2-運(yùn)動(dòng)件,2、組成,3、分類(lèi),（2）按接觸面摩擦性質(zhì)分類(lèi),（1）按運(yùn)動(dòng)形式分類(lèi)：直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副。,（4）按導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式分類(lèi),常用導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)示意圖,（3）按導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)：開(kāi)式、閉式。,表 常用導(dǎo)軌性能比較,4、導(dǎo)軌副應(yīng)滿足的要求,圖 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度,（1）導(dǎo)向精度：指動(dòng)導(dǎo)軌按給定方向作直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度。 （2）剛度：抵抗載荷的能力，有靜剛度與動(dòng)剛度之分。 （3）精度

35、的保持性：導(dǎo)軌保持精度的能力，取決于耐磨性。 （4）運(yùn)動(dòng)的靈活性和低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 （5）對(duì)溫度的敏感性和結(jié)構(gòu)工藝性。,5、導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)內(nèi)容,設(shè)計(jì)導(dǎo)軌應(yīng)包括下對(duì)幾方面內(nèi)容： 1)根據(jù)工作條件，選擇合適的導(dǎo)軌類(lèi)型。 2)選擇導(dǎo)軌的截面形狀，以保證導(dǎo)向精度； 3)選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度、良好的耐磨性以及運(yùn)動(dòng)輕便和低速平穩(wěn)性。 4)選擇導(dǎo)軌的補(bǔ)償及調(diào)整裝置，經(jīng)長(zhǎng)期使用后，通過(guò)調(diào)整能保持所需要的導(dǎo)向精度； 5)選擇合理的耐磨涂料、潤(rùn)滑方法和防護(hù)裝置使導(dǎo)軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損； 6)制訂保證導(dǎo)軌所必需的技術(shù)條件，如選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，以及熱處?/p>

36、、精加工和測(cè)量方法等。,二、滑動(dòng)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)及其選擇,圖 導(dǎo)軌的截面形狀,1、導(dǎo)軌副的截面形狀及其特點(diǎn),（1）三角形導(dǎo)軌 （2）矩形導(dǎo)軌 （3）燕尾形導(dǎo)軌 （4）圓形導(dǎo)軌,3、導(dǎo)軌副間隙的調(diào)整,圖 矩形導(dǎo)軌垂直方向間隙的調(diào)整,圖 矩形燕尾導(dǎo)軌水平間隙的調(diào)整,（1）壓板 （2）鑲條法,4、導(dǎo)軌副材料的選擇,1）鑄鐵（灰口鑄鐵、高磷鑄鐵、低合金鑄鐵、稀土鑄鐵、孕育鑄鐵等）； 2）鋼（45鋼、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等）； 3）有色金屬（黃銅、錫青銅、鋁青銅、鋅合金、超硬鋁、鑄鋁）； 4）塑料（聚四氟乙烯等）； 5）導(dǎo)軌材料的搭配。,5、提高導(dǎo)軌副耐磨性的措施,1）

37、采用鑲裝導(dǎo)軌 鑲鋼導(dǎo)軌 鑲裝塑料導(dǎo)軌 鑲裝有色金屬導(dǎo)軌 2）提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度 3）減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力（即壓強(qiáng)）,三、滾動(dòng)導(dǎo)軌副的類(lèi)型與選擇,1、直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的特點(diǎn)及要求,（1）優(yōu)點(diǎn)：,（2）缺點(diǎn)：,（3）對(duì)該動(dòng)導(dǎo)軌的基本要求： 導(dǎo)向精度、耐磨性、工藝性、剛度,2、滾動(dòng)導(dǎo)軌副的分類(lèi),不循環(huán),循環(huán) 1,循環(huán)2,滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌,四、靜壓導(dǎo)軌副工作原理,1、定義 靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油或氣體介質(zhì)通入導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件與導(dǎo)向支承件之間，運(yùn)動(dòng)件浮在壓力油或氣體薄膜之上，與導(dǎo)向支承件脫離接觸，致使摩擦阻力（力矩）大大降低 。,3、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)速度的變化對(duì)油膜厚度的影響很?。惠d

38、荷的變化對(duì)油膜厚度的影響很??；液體摩檫，摩檫系數(shù)僅為0.005左右，油膜抗振性好。 缺點(diǎn)：導(dǎo)軌自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；需要增加一套供油系統(tǒng)；對(duì)潤(rùn)滑油的清潔程度要求很高。,圖 閉式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖,2、工作原理,2.4 軸系部件的選擇和設(shè)計(jì),一、軸系設(shè)計(jì)的基本要求,1）旋轉(zhuǎn)精度 2）剛度 3）抗振性 4）熱變形 5）軸上零件的布置,機(jī)床主軸傳動(dòng)齒輪空間布置比較,二、軸（主軸）系用軸承的類(lèi)型與選擇 1、標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承 （1）深溝球軸承 （2）雙列向心短圓柱滾子軸承 （3）圓錐滾子軸承 （4）推力軸承,雙列向心短圓柱滾子軸承,圓錐滾子軸承,推力軸承,表 幾種常見(jiàn)主軸滾動(dòng)軸承配置型式及其工作性能,2、非

39、標(biāo)滾動(dòng)軸承,非標(biāo)滾動(dòng)軸承是適應(yīng)軸承精度要求較高，結(jié)構(gòu)尺寸較小或因特殊要求而不能采用標(biāo)準(zhǔn)軸承時(shí)自行設(shè)計(jì)的。,有杯形外圈而沒(méi)有內(nèi)圈,碟形墊圈來(lái)消除軸承間隙,3、靜壓軸承,圖 液體靜壓軸承工作原理,油腔和軸,節(jié)流器,4、磁懸浮軸承,圖 磁懸浮軸承工作原理,磁懸浮軸承是利用磁場(chǎng)力將軸無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)潤(rùn)滑地懸浮在空間的一種新型軸承,三、提高軸系性能的措施,1、提高軸系的旋轉(zhuǎn)精度 （1）軸向跳動(dòng)的引起因素 （2）徑向跳動(dòng)的引起因素 （3）提高旋轉(zhuǎn)精度的措施（3點(diǎn)） 2、提高軸系組件的抗振性 （1）強(qiáng)迫振動(dòng)與自激振動(dòng)的引起因素 （2）提高抗振性的措施（3）點(diǎn) 3、其他方法 如減小熱變形等。,2.5 機(jī)電一體化

40、系統(tǒng)（產(chǎn)品）的機(jī)座或機(jī)架,一、機(jī)座或機(jī)架的作用及基本要求,1、剛度與抗振性 2、熱變形 3、穩(wěn)定性 4、其它要求,二、機(jī)座或機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 1、鑄造機(jī)座的設(shè)計(jì)要點(diǎn) （1）保證自身剛度 措施：1）合理的截面形狀和尺寸 2）合理布置筋板和加強(qiáng)肋 3）合理的開(kāi)孔和加蓋 （2）提高機(jī)座連接處的接觸剛度 （3）機(jī)座的模型剛度試驗(yàn) （4）機(jī)座的結(jié)構(gòu)工藝性 （5）材料,2 、焊接機(jī)架的設(shè)計(jì) （接頭與坡口）,2.6 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械構(gòu)件簡(jiǎn)介,北京理工大學(xué)機(jī)器人“匯童”,導(dǎo)游機(jī)器人,機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與使用,1、從整體結(jié)構(gòu)形式上可將機(jī)器人分為五種基本坐標(biāo)式機(jī)器人,它是一種裝配機(jī)器人，也叫作SCARA (Select

41、ive Compliance Assembly Robot Arm)機(jī)器人，在垂直平面內(nèi)具有很好的剛度，在水平面內(nèi)具有較好的柔順性，故在裝配作業(yè)中能獲得良好的應(yīng)用，常常將它專(zhuān)門(mén)列出一類(lèi)。,（5）平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人可以看作是關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的特例，它具有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共面 。,圖 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 1-手部；2-手腕；3-手臂；4-機(jī)座,二、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成,1、分類(lèi) （1）按手臂的結(jié)構(gòu)形式區(qū)分 單臂、雙臂及懸掛式。,（一)手臂,作用：將被抓取的工件運(yùn)送到給定的位置上。,圖 手臂的結(jié)構(gòu)形式 （a）、（b）單臂式； （c）雙臂式；（d）懸掛式,（2）按手臂的運(yùn)動(dòng)形式區(qū)分 直線

42、運(yùn)動(dòng)手臂，如手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)； 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)手臂，如手臂的左右回轉(zhuǎn)，上下擺動(dòng)(即俯仰)； 復(fù)合運(yùn)動(dòng)手臂，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的組合，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合。,圖 鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖 1手部 2夾緊缸 3升降缸4小臂 5、7鉸接活塞缸 6大臂 8立柱,3、臂部設(shè)計(jì)的基本要求 （1）剛度要求高 （2）導(dǎo)向性要好 （3）重量要輕 （4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精度要高,2、設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)形式的依據(jù) 手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)器人的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度以及定位精度的要求。,

43、（二）手腕,1、涵義 工業(yè)機(jī)器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。機(jī)器人一般其有六個(gè)自由度才能使手部(末端操作器)達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要起實(shí)現(xiàn)所期望的姿態(tài)。,2、手腕的分類(lèi) （1）手腕按自由度數(shù)目來(lái)分，可分為單自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。 （2）按驅(qū)動(dòng)方式分為直接驅(qū)動(dòng)手腕、遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕。腕部實(shí)際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來(lái)確定。,圖 手腕的自由度 (a)手腕的翻轉(zhuǎn)Roll (b)手腕的傅仰Pitch (c)手腕的偏轉(zhuǎn)Yaw (d)腕部坐標(biāo)系,（1）自由度 為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、

44、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，如下圖所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)叫做Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示；把手腕的偏轉(zhuǎn)叫做Yaw，用Y表示。,3、手腕的自由度與設(shè)計(jì),（2）手腕設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 在有些情況下，腕部只有兩個(gè)自由度翻轉(zhuǎn)和俯仰或翻轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。一些專(zhuān)用機(jī)械手甚至沒(méi)有腕部。但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。 因?yàn)槭滞笫前惭b在手臂的末端，所以手腕的大小和重量是手腕設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，希望能采用緊湊的結(jié)構(gòu)，合理的自由度。,手腕,（三）手部,1、概述 （1）含義 工業(yè)機(jī)器人的手部（hand）也叫末端操作器（EndEffector），它是在工業(yè)機(jī)器人腕部上直接

45、抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 人的手有兩種含義：第一種是醫(yī)學(xué)上把上臂、手腕在內(nèi)的整體叫手；第二種是把手掌和手指叫手。工業(yè)機(jī)器人的手部含義接近于第二種含義。,（2）工業(yè)機(jī)器人手部的特點(diǎn) 1）手部與腕部相連處可拆卸。 2）手部是工業(yè)機(jī)器人的末端操作器。 3）手部的通用性比較差。 4）手部是一個(gè)獨(dú)立的部件。,多指靈巧手,2、手部的分類(lèi) （1）按用途分,1）手爪,具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。,抓住在給定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內(nèi)必須具有可靠的定位，保持工件與手爪之間準(zhǔn)確的相對(duì)位姿，以保證機(jī)器人后繼作業(yè)的準(zhǔn)確性。釋放在指定點(diǎn)上除去手爪和工件之間的約束關(guān)

46、系。握持確保工件在搬運(yùn)過(guò)程中或零件在裝配過(guò)程中定義了的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。,專(zhuān)用工具：噴槍、焊槍,2）工具,（ 2）按夾持原理分,手爪按夾持原理分類(lèi),(3)按手指或吸盤(pán)數(shù)分,1）按數(shù)目可分為：二指手爪、多指手爪。,2）機(jī)械手爪按關(guān)節(jié)分：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)手指手爪和多關(guān)節(jié)手指手爪。,柔性手指手爪,3）吸盤(pán)式手爪按吸盤(pán)數(shù)目分：?jiǎn)挝P(pán)式手爪、多吸盤(pán)式手爪。,(4)按智能化分 （1）普通式手爪。 這種手爪不具備傳感器。 （2）智能化手爪 手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器等，手爪與傳感器集成成為智能化手爪(Intelligent Grippers)。,（四）機(jī)身及行走機(jī)構(gòu),具有行走機(jī)構(gòu)的

47、工業(yè)機(jī)器人,1、機(jī)身設(shè)計(jì),弧焊機(jī)器人,（2）回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身示意圖,20公斤點(diǎn)焊機(jī)器人,2、行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),（1）固定軌道可移動(dòng)機(jī)器人,該類(lèi)機(jī)器人機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。除了這種直線驅(qū)動(dòng)方式外，還有類(lèi)似起重機(jī)梁行走方式等。這種可移動(dòng)機(jī)器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場(chǎng)合，比如大型設(shè)備裝配，立體化倉(cāng)庫(kù)中材料搬運(yùn)，材料堆垛和儲(chǔ)運(yùn)，大面積噴涂等。,搬運(yùn)機(jī)器人,（2）無(wú)軌行走機(jī)器人 無(wú)軌行走機(jī)器人必須具備功能完備的外部傳感器，能對(duì)環(huán)境進(jìn)行了解和判斷，能對(duì)環(huán)境中發(fā)生的事件進(jìn)行監(jiān)視和反應(yīng)，機(jī)器人具備自我規(guī)劃能力，包括任務(wù)分解，任務(wù)排序，信息資源管理

48、，以及幾何規(guī)劃等。（例如）,“土撥鼠”（右）和“野?！保ㄗ螅┡疟瑱C(jī)器人,1）輪式、履帶式,月球車(chē)在月球,2）自動(dòng)導(dǎo)航式,我國(guó)“探索者”號(hào)無(wú)纜水下機(jī)器人在西沙群島附近海域成功地潛到水下1000m深處，整體功能和主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際90年代先進(jìn)的同類(lèi)水下機(jī)器人水平。該機(jī)器人推進(jìn)器行走，最大前進(jìn)速度為4節(jié)，續(xù)航能力為6小時(shí)，主要從事水下工程、海洋石油及礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、海洋科學(xué)考察及打撈救生等作業(yè)。,“探索者號(hào)”水下1000米機(jī)器人,（3）步行機(jī)器人,步行機(jī)器人是非常活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域。 輪式行走機(jī)器人在平地上行駛比較方便，履帶式行走機(jī)器人可以在泥濘道路上和沙漠中行駛，而與人類(lèi)腿十分相似的步行機(jī)器人具

49、有它們無(wú)可此擬的優(yōu)點(diǎn)，比如能上下樓梯、跨越溝渠和障礙、能上陡坡、立地轉(zhuǎn)身等等。步行機(jī)器人可以根據(jù)足的多少來(lái)分類(lèi)：,二足10自由度步行機(jī)器人,1）二足步行機(jī)器人,雙足步行機(jī)器人在爬樓梯,2）四足、六足及多足步行機(jī)器人,四足步行機(jī)器人的平行幾何模型,六足縮放式腿步行機(jī)器人,機(jī)器蜘蛛,第六節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)特性,1、系統(tǒng)的輸入與輸出(運(yùn)動(dòng)變換),一、系統(tǒng)的描述及其傳遞函數(shù),圖 系統(tǒng)的輸入與輸出框圖,線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變換,2、線性變換運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,圖 機(jī)構(gòu)特性的一般表示,X ( s ) / Fx (s ) = 1 /( Jm + JL /i 2 )s2 ,動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù),3、非線性變換運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)（用微分方程表示）,其中：,電機(jī)機(jī)械力,傳動(dòng)部分機(jī)械力,二、變換機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變換分析,1、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變換,3、回轉(zhuǎn)-直線（或直線-回轉(zhuǎn)）,2、撓帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變換,4、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析,三、機(jī)構(gòu)靜力學(xué)特性 機(jī)構(gòu)靜力學(xué)所研究的問(wèn)題是： 機(jī)構(gòu)輸出端所受負(fù)載（力或轉(zhuǎn)矩）向輸入端的換算； 機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力（或轉(zhuǎn)矩）對(duì)輸入端的影響； 求由上述各種力或重力加速度引起的機(jī)構(gòu)內(nèi)部各連桿、軸承等的受力。