第3章+机电一体化系统中的机械设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第3章 机电一体化系统中的机械设计,3.1 概述,3.2 传动,部件设计,3.3 支撑部件,设计,3.4 精密机械的精度设计和误差分配,3.1 概述,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出以下要求：,(1)高精度,精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。,(2)高刚度,采用高刚性支撑或架体，以减小产品本体的振动，降低噪声；为高精度的执行机构提供良好的支撑，保证执行精度。,(3)低摩擦,导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件，以降低机械系统阻力，提高系统的快速响应性。,(4)良好的稳定性,即要求机械系统的工作性能受外界环境的影响小，抗干扰能力强。,3.1 概述,机械部分的组成,机电一体化机械系统功能上可以分为,传动,、,导向,和,执行,三大机构。,传动机构,传统的机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是使驱动电动机与负载之间在扭矩和转速上得到合理的匹配。,在机电一体化系统中，普遍采用计算机控制和具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机。,导向机构,不仅要支承、固定和联接系统中的其它零部件，还要保证这些零部件之间的相互位置要求和相对运动的精度要求，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。,执行机构,最终完成操作任务的部分。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。,与传统的执行机构相比，机电一体化系统的简化了机械执行机构，而充分发挥计算机的协调和控制功能。,3.2 传动部件设计,一、齿轮传动,二、滚珠螺旋传动,三、同步带传动,四、谐波齿轮传动,齿轮传动方案主要包括,传动比及其分配,两部分。,1.齿轮传动系统的总传动比,根据负载特性和工作条件不同，有不同的最佳传动比选择方案，例如“,负载峰值力矩最小,”的最佳传动比方案、“,负载均方根力矩最小,”的最佳传动比方案、“,转矩储备最大,”的最佳传动比方案等。在伺服系统中，通常采用,负载角加速度最大,原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。,一、齿轮传动,电动机驱动齿轮系统和负载的计算模型,根据传动关系有：,根据旋转运动方程，电动机轴上的合转矩为：,则,根据负载角加速度最大的原则，令,解得,2传动链的级数和各级传动比的分配,齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。,一、齿轮传动,(1)等效转动惯量最小原则,利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。,一、齿轮传动,如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：,电动机驱动的两级齿轮系,一、齿轮传动,因为：,所以：,即：,令,可得,对于n级齿轮系作同类分析可得：,（,K=2n）,P40 例3-1,确定小功率传动级数的曲线,为减小齿轮系的转动惯量，过多增加传动级数n是没有意义的，反而会增大传动误差，并使结构复杂化。,大功率传动装置,大功率传动装置传递扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加。,传动比分配的基本原则仍为“前小后大”。根据下面两图确定传动级数及各级传动比。,用于大功率传动确定传动级数的曲线,用于大功率传动确定第一级传动比的曲线,用于大功率传动确定第一级齿轮副以后各级传动比的曲线,例题3-2,设有i=256 的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。,解：,查图3-4，得n=3，,n=4，,n=5，,（确定传动级数）,查图3-5，得,=,3.3,。,查图3-6，,=,3.7,；,=,4.24,；,=,4.95,。,（确定各级传动比）,验算：,=256.26。,可用,小结,无论传递的功率大小如何，按,等效转动惯量最小,原则分配，从高速级到低速级，各级,传动比总是逐级增加的,，而且级数越多，总等效惯量越小。但级数增加到一定数量后，总等效惯量的减少并不明显，而从结构紧凑、传动精度和经济性等方面考虑，,级数不能太多,。,(2)质量最小原则,一、齿轮传动,各齿轮的质量之和为,假设D1=D3，而,令,得,同理，对于n级传动，可得如下结果：,对于小功率传动系统，使各级传动比满足，,即可使传动装置的质量最轻。,注意：,上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“,前大后小,”原则处理。,例3-3、例3-4 大功率装置各级传动比的分配,二级传动比分配线图 三级传动比分配线图,（i10时，查图中的虚线）（i100150,0.90,150200,0.73,200250,0.60,表1 温度系数,二、导轨,每根导轨上的滑块数,1,1.00,2,0.81,3,0.72,4,0.66,5,0.61,表2 接触系数,二、导轨,表3 精度系数,精度系数,C,D,E,F,G,H,1.0,1.0,0.9,0.9,0.8,0.7,二、导轨,工作条件,无外部冲击或振动的低速运动场合，速度小于15m/min,11.5,无明显冲击或振动的中速运动场合，速度小于60m/min,1.52,有外部冲击或振动的高速运动场合，速度大于60m/min,23.5,表4 载荷系数,（一）支承件设计的基本要求,1应具有足够的刚度和抗振性,刚度是抵抗载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称为,静刚度,；抵抗交变载荷变形的能力称为,动刚度,。,机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构刚度和接触刚度。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振动频率有关。在共振条件下的动刚度可用下式表示：,三、支承件,式中：静刚度N/m；,阻尼比；,阻尼系数；,固有振动频率1/s。,三、支承件,2应具有较小的热变形和热应力,设备在工作时由于传动系统中的齿轮、轴承，以及导轨等因摩擦而发热，电动机、强光灯、加热器等热源散发出的热量，都将传到支承件上，由于热量分布、散发的不均匀，支承件各处温度不同，由此产生热变形、影响系统原有精度。对于数控机床及其它精密机床，热变形对机床的加工精度有极其重要的影响。在设计这类设备时，应予以足够的重视。,三、支承件,3耐磨性,为了使设备能持久地保持其精度，支承件上的导轨应具有良好的耐磨性。因此对导轨的材料、结构和形状，热处理及保护和润滑等应作周密的考虑。,4结构工艺性及其它要求,设计支承件时，还应考虑毛坯制造、机械加工和装配的结构工艺性。正确地进行结构设计和必要的计算以保证用最少的材料达到最佳的性能指标，并达到缩短生产周期，降低造价，操作方便，搬运装吊安全等要求。,三、支承件,（二）支承件的材料选择,支承件的材料，除应满足上述要求外，还应保证足够的强度、冲击韧性和耐磨性等。目前常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然和人造花岗岩、预应力钢筋混凝土等。,1铸铁,铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在于铸铁中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性比钢高3倍。但生产铸铁支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期长，成本高，故适宜于成批生产。,三、支承件,2钢板与型钢,用钢板与型钢焊接成支承件，生产周期比铸造快1.73.5倍，钢的弹性模量约为铸铁的2倍，承受同样载荷，壁厚可做得比铸件薄，重量也轻。但是，钢的阻尼比只为铸铁的约1/3，抗振性差，结构和焊缝上要采取抗振指施。,三、支承件,3天然和人造花岗岩,天然花岗岩的优点很多：性能稳定，精度保持性好。由于经历长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定；抗振性好，阻尼比钢大15倍；耐磨性比铸铁高510倍；导热系数和线膨胀系数小，热稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等。用作气浮导轨的基底很理想。,主要缺点是：,结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性较大，油和水等液体易渗入晶界中，使岩石局部变形胀大，难于制作形状复杂的零件。,三、支承件,4预应力钢筋混凝土,主要用于制造不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比较之铸铁大5倍，抗振性好，成本较低。但钢筋的配置对支承件影响较大，应按弹性理论或有限元法所得的主应力方向进行钢筋的配置。制作时混凝土的保养方法也影响性能，混凝土耐腐蚀性差，油渗导致疏松，表面应喷漆或喷涂塑料，脆性也较大。使用条件较为严格方能保持工作寿命。,三、支承件,（三）支承件的结构设计,1选取有利的截面形状,2设置隔板和加强筋,3选择合理的壁厚,4选择合理的结构以提高联接处的局部刚度和接触刚度,5提高阻尼比,6用模拟刚度试验类比法设计支承,7支承件的结构工艺性,三、支承件,（四）焊接支承件的设计,1采用减振接头,2为了制造方便，焊接结构应尽量避免圆角。,3布置焊接支承件的筋板，除局部截面考虑强度外，主要从刚度的角度进行设计。,三、支承件,3.4 精密机械的精度设计和误差分配,基本任务：,精度分配和误差补偿,精度分配的依据和步骤,误差分配方法,（1）总系统误差；,（2）随机误差；,（3）公差调整；,（4）误差补偿。,