機(jī)電一體化技術(shù)ppt課件(完整版)

1、目錄第1章概論 1. 1機(jī)電一體化的定義 1. 2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成 1. 3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢下一頁目錄第2章機(jī)械技術(shù) 2.1概述 2.2機(jī)械傳動 2.3支承部件 2.4導(dǎo)軌副下一頁上一頁返回目錄第3章自動化控制技術(shù)3. 1自動控制技術(shù)概述3. 2 PID控制技術(shù)3 .3模糊控制理淪3 .4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3. 5先進(jìn)控制方法簡介下一頁上一頁返回目錄第4章檢測技術(shù)與傳感器 4 .1概述 4 .2位移檢測 4. 3速度、加速度檢測 4. 4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測 4. 5其他傳感器 4. 6傳感器的正確選擇和使用 4 .

2、7傳感器前級信號處理 4. 8傳感器接口技術(shù)下一頁上一頁返回目錄第5章伺服控制系統(tǒng) 5.1概述 5.2執(zhí)行元件 5.3電力電子變流技術(shù)和PWM型變頻電路 5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)下一頁上一頁返回目錄第6章接口技術(shù) 6. 1接口技術(shù)概述 6. 2人機(jī)交互接口技術(shù) 6. 3模擬量輸人/輸出通道接口技術(shù) 6 .4總線接口技術(shù)下一頁上一頁返回目錄第7章典型機(jī)電一體化系統(tǒng) 7.1機(jī)器人 7.2數(shù)控機(jī)床 7.3雷達(dá)跟蹤系統(tǒng) 7.4自動化制造系統(tǒng)上一頁返回機(jī)電一體化技術(shù)前言 “機(jī)電一體化”是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和自動控制技術(shù)等各相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種形式;是電子技術(shù)、信息技術(shù)向機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域滲

3、透過程中逐漸形成的一個新概念;是機(jī)電專業(yè)中一門綜合性、系統(tǒng)性較強(qiáng)的專業(yè)課程。所謂“機(jī)電一體化”并不是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的簡單組合，而是各種技術(shù)相互取長補(bǔ)短、有機(jī)融合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快等各方面都達(dá)到最佳化。隨著機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能將更加優(yōu)越，功能將更加齊全，種類將更加豐富。機(jī)電一體化產(chǎn)品也向著高可靠性、智能化、人性化的方向發(fā)展。下一頁返回前言 本書最大的特點(diǎn)是，從機(jī)電有機(jī)結(jié)合的角度系統(tǒng)全面地介紹了機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、功能及其特點(diǎn)，同時(shí)從自動控制技術(shù)的角度，闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

4、充分體現(xiàn)了高等院校機(jī)電一體化專業(yè)“以機(jī)為主，以電為用，機(jī)電有機(jī)結(jié)合”的原則。 機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)電專業(yè)綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課程，需要學(xué)生具有較多的知識儲備。在學(xué)習(xí)機(jī)電一體化技術(shù)課程之前，學(xué)生應(yīng)具備機(jī)械設(shè)計(jì)理淪、數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)等相關(guān)專業(yè)知識。本教材在講清基本概念、基本理淪的基礎(chǔ)上，力求強(qiáng)調(diào)知識的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念。下一頁上一頁返回前言 全書共分7章，內(nèi)容包括:機(jī)電一體化概淪主要介紹機(jī)電一體化技術(shù)的定義和基本概念;自動控制技術(shù)主要介紹了自動控制技術(shù)基本概念，Pm控制、模糊控制、計(jì)算機(jī)控制以及簡單介紹了先進(jìn)控制方法;機(jī)電一體化檢測系統(tǒng)主要介紹了檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)以及重點(diǎn)介紹

5、了傳感器的概念、基本特性和常見的傳感器的結(jié)構(gòu)原理、應(yīng)用等;伺服控制系統(tǒng)介紹了伺服控制系統(tǒng)的概念、類型、基本要求，闡述了交直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和變流變頻技術(shù);接口技術(shù)介紹了接口的定義、類型，輸人/輸出接口、模擬量輸人/輸出通道，以及總線接口技術(shù);機(jī)械技術(shù)主要闡述了機(jī)械傳動部件、導(dǎo)軌副和支承部件三大結(jié)構(gòu)部件。最后介紹了幾種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。上一頁返回第1章概論 1. 1機(jī)電一體化的定義 1. 2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成 1. 3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 1. 1機(jī)電一體化的定義 目前，較為人們所接受的機(jī)電一體化的含義是口本機(jī)械振

6、興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所提出的解釋:“機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱?！笨梢哉f，機(jī)電一體化是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)及信息技術(shù)相互交叉、融合(有機(jī)結(jié)合)的產(chǎn)物(見圖1一1)。返回1. 2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成 傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品一般由動力源、傳動機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)等組成。機(jī)電一體化系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是機(jī)械與電子、信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它除了包含傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的組成部分以外，還含有與電子技術(shù)和信息技術(shù)相關(guān)的組成要素。一般而言，一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)包括以下幾個基本要素:機(jī)械本體、檢測傳感部分、

7、電子控制單元、執(zhí)行器和動力源，各要素之間通過接口相互聯(lián)系(見圖1-2)返回1.3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 1.機(jī)械技術(shù) 機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新科技來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減少質(zhì)量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。機(jī)械手與人手的比較如圖1-4所示。下一頁返回1.3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 2.信息處理技術(shù) 信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷、決策等。實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)，因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

8、在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)與信息處理裝置指揮整個產(chǎn)品的運(yùn)行。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到產(chǎn)品工作的質(zhì)量和效率，因此，計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的最活躍的因素。人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)。下一頁上一頁返回1.3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 3.系統(tǒng)技術(shù) 用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，系統(tǒng)技術(shù)是將系統(tǒng)總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合進(jìn)行分析、評價(jià)、優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)技術(shù)所包含的內(nèi)容很多，接口技術(shù)是其重要內(nèi)容之一，機(jī)電一體化產(chǎn)品的各功能單元通過接口連接

9、成一個有機(jī)的整體。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口。電氣接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間電信號連接;機(jī)械接口則完成機(jī)械與機(jī)械部分、機(jī)械與電氣裝置部分的連接;人機(jī)接口提供了人與系統(tǒng)間的交互界面。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，其原理和方法還在不斷地發(fā)展和完善之中。下一頁上一頁返回1.3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 4.自動控制技術(shù) 自動控制技術(shù)包括自動控制理淪、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理淪到實(shí)踐的整個過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。自動控制技術(shù)的難點(diǎn)在于自動控制理淪的過程

10、化與實(shí)用化，這是由于現(xiàn)實(shí)世界中的被控對象與理淪上的控制模型之間存在較大的差距，使得從控制設(shè)計(jì)到控制實(shí)施往往要經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試與修改，才能獲得比較滿意的結(jié)果。由于微型機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機(jī)電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。下一頁上一頁返回1.3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 5.傳感檢測技術(shù) 傳感檢測技術(shù)指與傳感器及其信號檢測裝置相關(guān)的技術(shù)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器就像人體的感覺器官一樣，將各種內(nèi)、外部信息通過相應(yīng)的信號檢測裝置感知并反饋給控制及信息處理裝置，因此傳感與檢測是實(shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機(jī)電一體化要求傳感器能快速、精確地獲取信息并經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考

11、驗(yàn)，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。下一頁上一頁返回1.3機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù) 6.伺服驅(qū)動技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)的主要研究對象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置。執(zhí)行元件有電動、氣動、液壓等多種類型。機(jī)電一體化產(chǎn)品中多采用電動式執(zhí)行元件，其驅(qū)動裝置主要是指各種電動機(jī)的驅(qū)動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過電氣接口向上與微型機(jī)連接，以接受微型機(jī)的控制指令;另一方面又通過機(jī)械接口向下與機(jī)械傳動和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作。伺服驅(qū)動技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，對機(jī)電一體化產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質(zhì)量等具有決定性的影響。常見的伺服驅(qū)動有電液電動機(jī)、脈沖液壓缸、步進(jìn)電

12、動機(jī)、直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)。由于變頻技術(shù)的進(jìn)步，交流伺服驅(qū)動技術(shù)取得突破性進(jìn)展，為機(jī)電一體化系統(tǒng)提供質(zhì)量的伺服驅(qū)動單元，極大地促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.4.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類 從控制的角度，機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸人直接送給控制器，并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。一些家用電器、簡易NC機(jī)床和精度要求不高的機(jī)電一體化產(chǎn)品都采用開環(huán)控制方式。開環(huán)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便，缺點(diǎn)是精度較低，對輸出和干擾沒有診斷能力。下一頁返回1.

13、 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 閉環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)的輸出結(jié)果經(jīng)傳感器和反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的輸人信號比較產(chǎn)生輸出偏差，輸出偏差經(jīng)控制器處理再作用到受控對象，對輸出進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)更高精度的系統(tǒng)輸出。許多制造設(shè)備和具有智能的機(jī)電一體化產(chǎn)品都選擇閉環(huán)控制方式，如數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、雷達(dá)、汽車等。閉環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是高精度、動態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維修難度較大。下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 .4. 2機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的類型 1.開發(fā)性設(shè)計(jì) 開發(fā)性設(shè)計(jì)是一種獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)方式，在沒有參考樣板的情況下，通過抽象思維和理淪分析，依據(jù)產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求

14、設(shè)計(jì)出系統(tǒng)原理和制造工藝。開發(fā)性設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品發(fā)明專利范疇。最初的電視機(jī)和錄像機(jī)、中國的“神舟一七號”航天飛機(jī)都屬于開發(fā)性設(shè)計(jì)。 2.適應(yīng)性設(shè)計(jì) 適應(yīng)性設(shè)計(jì)是在參考同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，主要原理和設(shè)計(jì)方案保持不變的情況下，通過技術(shù)更新和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整使產(chǎn)品的性能、質(zhì)量提高或成本降低的產(chǎn)品開發(fā)方式。這一類設(shè)計(jì)屬于實(shí)用新型專利范疇。如計(jì)算機(jī)控制的洗衣機(jī)代替機(jī)械控制的半自動洗衣機(jī)、照相機(jī)的自動曝光代替手動調(diào)整等。 下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.變參數(shù)設(shè)計(jì) 變參數(shù)設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)原理不變的情況下，僅改變部分結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)，使之適用范圍發(fā)生變化的設(shè)計(jì)方式。例如，同一種產(chǎn)品不同規(guī)格型號

15、的相同設(shè)計(jì)。下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.4.3機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的常用方法 1.取代法 取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。這種方法就是改造舊產(chǎn)品開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法。如用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)，用可編程序控制器取代機(jī)械凸輪控制機(jī)構(gòu)、中間繼電器等。這不但大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制，而且提高了系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方法。 下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.整體設(shè)計(jì)法 整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)，考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)過程始終圍繞著系統(tǒng)整體性

16、能要求，各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都兼顧了相關(guān)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求，使得系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間接口有機(jī)融合、銜接方便，且大大提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)和制約了仿冒產(chǎn)品生產(chǎn)的難度。該方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的難度和周期增大、成本較高、維修和維護(hù)難度加大。例如，機(jī)床的主軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體;直線式伺服電機(jī)的定子繞組埋藏在機(jī)床導(dǎo)軌之中;帶減速裝置的電動機(jī)和帶測速的伺服電機(jī)等。下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.組臺法 組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計(jì)一臺數(shù)控機(jī)床，可以依據(jù)機(jī)床的性能要求，通過對不同廠家的計(jì)算機(jī)控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動系統(tǒng)等

17、產(chǎn)品的評估分析，研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機(jī)性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成。此方法開發(fā)的機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)研制周期短、質(zhì)量可靠、生產(chǎn)成本低，且有利于生產(chǎn)管理和系統(tǒng)的使用維護(hù)。下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 .4. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所謂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是用系統(tǒng)思維綜合運(yùn)用各有關(guān)學(xué)科的知識、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，通過總體研究和詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的產(chǎn)品研發(fā)過程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是使設(shè)計(jì)工作獲得最優(yōu)化效果，在保證目的功能要求與適當(dāng)使用壽命的前提下不斷降低成本。下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 隨著工業(yè)高度發(fā)展、人民生

18、活水平的提高，迫切要求大幅度的提高機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和速度，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中推廣和運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)水平，是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與用經(jīng)驗(yàn)公式、圖表和手冊為設(shè)計(jì)依據(jù)的傳統(tǒng)方法不同，它是以計(jì)算機(jī)為手段，其設(shè)計(jì)步驟通常如下:設(shè)計(jì)預(yù)測信號分析科學(xué)類比系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)創(chuàng)造設(shè)計(jì)選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(如相似設(shè)計(jì)法、模擬設(shè)計(jì)法、有限元法、可靠性設(shè)計(jì)法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、模糊設(shè)計(jì)法等)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的綜合評價(jià)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法還在不斷發(fā)展，它必將為機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更新穎而廣闊的思路與視野。下一頁上一頁返回1. 4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 .4

19、.5機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程 各種機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售的過程各有其自身特點(diǎn)，歸納其基本規(guī)律，機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1-6所示。上一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 1.萌芽階段 “萌芽階段”指20世紀(jì)70年代以前的時(shí)期。在這一時(shí)期，盡管機(jī)電一體化的概念沒有正式提出來，但人們在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過程中總是自覺或不自覺地應(yīng)用電子技術(shù)的初步成果來改善機(jī)械產(chǎn)品的性能，特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的軍事用途的機(jī)電產(chǎn)品。這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)在戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和技術(shù)的進(jìn)步起到了積極的作用。 2.快速

20、發(fā)展階段 20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代為第二階段，稱之為“快速發(fā)展階段”。在這一時(shí)期，人們自覺地、主動地利用3C技術(shù)的成果創(chuàng)造新的機(jī)電一體化產(chǎn)品。下一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 3.智能化階段 從20世紀(jì)”年代開始的第三階段，稱之為“智能化階段”。在這一階段，機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)，其主要標(biāo)志是模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光纖通信等領(lǐng)域的研究成果應(yīng)用到機(jī)電一體化技術(shù)中。模糊邏輯與人的思維過程相類似，用模糊邏輯工具編寫的模糊控制軟件與微處理器構(gòu)成的模糊控制器，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的性能下一頁上一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢1

21、. 5 .2機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢 1.智能化 智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)中的研究口益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是其重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理淪的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)、混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。下一頁上一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 2.模塊化 模塊化是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動力接口

22、、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜又非常重要的事，如研制集減速、智能調(diào)速、電機(jī)于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別、測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時(shí)也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制訂各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。下一頁上一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 3.網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育以及人們口常生活都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的竟?fàn)幰矊⑷蚧?。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出

23、來，只要其功能獨(dú)到、質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。下一頁上一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 4.微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，泛指幾何尺寸不超過1 m3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)。微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，包括光刻技術(shù)和

24、蝕刻技術(shù)兩類。下一頁上一頁返回1.5機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢 5.系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大增強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485 , DCS人格化。未來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系。機(jī)電一體化的人格化有兩層含義:一層是機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能和情感，人性顯得越來越重要，特別是對家用機(jī)器人，其高層境界就是人一機(jī)一體化;另一層是模仿生物機(jī)理，研制各種機(jī)電一體化產(chǎn)品。事實(shí)上，許多機(jī)電一體化產(chǎn)

25、品都是受動物的啟發(fā)研制出來的。上一頁返回圖1-1機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域返回圖1-2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成返回圖1-4機(jī)械手與人手的比較返回圖1-6機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程返回第2章機(jī)械技術(shù) 2.1概述 2.2機(jī)械傳動 2.3支承部件 2.4導(dǎo)軌副 2.1概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，就是說響應(yīng)要快、穩(wěn)定性要好。一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)通常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執(zhí)行元件、機(jī)械傳動部件、導(dǎo)向支承部件，以及檢測傳感部件等部分組成。這里所說的機(jī)械系統(tǒng)，一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸

26、桿副等各種線性傳動部件以及連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動部件、導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件、軸系及架體等機(jī)構(gòu)組成。返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.1同步帶傳動 2. 2. 1.1分類 1.按用途分 (1)一般工業(yè)用同步帶傳動。即梯形齒同步帶傳動(見圖2一1)。它主要用于中、小功率的同步帶傳動，各種儀器、計(jì)算機(jī)、輕工機(jī)械中均采用這種同步帶傳動。 (2)高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動。又稱HTD帶(High Torque Drive)或STPD帶傳動(Super Torque Positive Drive)。由于其齒形呈圓弧狀，在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動。它主要用于重型機(jī)械的傳動中，如運(yùn)輸機(jī)械(飛機(jī)、汽車)、石油

27、機(jī)械和機(jī)床、發(fā)電機(jī)等的傳動。下一頁返回2 .2機(jī)械傳動 (3)特種規(guī)格的同步帶傳動。這是根據(jù)某種機(jī)器特殊需要而采用的特種規(guī)格同步帶傳動，如工業(yè)縫紉機(jī)用的、汽車發(fā)動機(jī)用的同步帶傳動。 (4)特殊用途的同步帶傳動。即為適應(yīng)特殊工作環(huán)境制造的同步帶。 2.按規(guī)格制度分 (1)模數(shù)制。同步帶主要參數(shù)是模數(shù)m(與齒輪相同)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定同步帶的型號及結(jié)構(gòu)參數(shù) (2)節(jié)距制。即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國際標(biāo)準(zhǔn)。 (3)DIN米制節(jié)距。DIN米制節(jié)距是德國同步帶傳動國家標(biāo)準(zhǔn)制定的規(guī)格制度。其主要參數(shù)為齒節(jié)距，但標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距數(shù)值不同

28、于ISO節(jié)距制，計(jì)量單位為公制。在我國，由于德國進(jìn)口設(shè)備較多，故DIN米制節(jié)距同步帶在我國也有應(yīng)用。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2. 1. 2同步帶傳動的優(yōu)缺點(diǎn)1.工作時(shí)無滑動，有準(zhǔn)確的傳動比2.傳動效率高，節(jié)能效果好3.傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊4.維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低5.惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2.2.1.3同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則 同步帶傳動主要失效形式有: (1)承載繩斷裂。原因是帶型號過小和小帶輪直徑過小等。 (2)爬齒和跳齒。原因是同步帶傳遞的圓周力過大、帶與帶輪間的節(jié)距差值過大、帶的初拉力過小等。 (3)帶齒的磨損。原因

29、是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的張緊力過大等。 (4)其他失效方式。帶和帶輪的制造安裝誤差引起的帶輪棱邊磨損、帶與帶輪的節(jié)距差值太大和嚙合齒數(shù)過少引起的帶齒剪切破壞、同步帶背的龜裂、承載繩抽出和包布層脫落等。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2.同步帶傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟(1)確定帶的設(shè)計(jì)功率;(2)選擇帶型和節(jié)距;(3)確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑;(4)確定同步帶的節(jié)線長度、齒數(shù)及傳動中心距;(5)校驗(yàn)同步帶和小帶輪的嚙合齒數(shù);(6)確定實(shí)際所需同步帶寬度;(7)帶的工作能力驗(yàn)算。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.2齒輪傳動2 .2.2.1齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動比及其分配 1.最佳總傳動比 首先把

30、傳動系統(tǒng)中的工作負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載綜合為系統(tǒng)的總負(fù)載，方法有以下兩種。 (1)峰值綜合:若各種負(fù)載為非隨機(jī)性負(fù)載，將各負(fù)載的峰值取代數(shù)和。 (2)均方根綜合:若各種負(fù)載為隨機(jī)性負(fù)載，取各負(fù)載的均方根。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 2.總傳動比分配 齒輪系統(tǒng)的總傳動比確定后，根據(jù)對傳動鏈的技術(shù)要求，選擇傳動方案，使驅(qū)動部件和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達(dá)到合理匹配。若總傳動比較大，又不準(zhǔn)備采用諧波、少齒差等傳動，需要確定傳動級數(shù)，并在各級之間分配傳動比。單級傳動比增大使傳動系統(tǒng)簡化，但大齒輪的尺寸增大會使整個傳動系統(tǒng)的輪廓尺寸變大?？砂聪率鋈N原則適當(dāng)分級，并在各級之間分配傳動比。 1)最小等

31、效轉(zhuǎn)動慣量原則 2)質(zhì)量最輕原則 3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.2.2齒輪傳動間隙的調(diào)整方法 1.圓柱齒輪傳動 (1)偏心套(軸)調(diào)整法。如圖2-6所示，將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪4裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過轉(zhuǎn)動偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補(bǔ)償。 (2)軸向墊片調(diào)整法。如圖2-7所示，齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3的厚

32、度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 (3)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法。這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個薄齒輪的左齒側(cè)和另一個薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會出現(xiàn)死區(qū)。 2.斜齒輪傳動 消除斜齒輪傳動齒輪側(cè)隙的方法與上述錯齒調(diào)整法基本相同，也是用兩個薄片齒輪與一個寬齒輪嚙合，只是在兩個薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便錯開了。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 3.錐齒輪傳動 (1)軸向壓簧調(diào)整法。軸向壓簧調(diào)整法原理如圖2一

33、11所示 (2)周向彈簧調(diào)整法。周向彈簧調(diào)整法原理如圖2-12所示 4.齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu) 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中對于大行程傳動機(jī)構(gòu)往往采用齒輪齒條傳動，因?yàn)槠鋭偠取⒕群凸ぷ餍阅懿粫蛐谐淘龃蠖黠@降低，但它與其他齒輪傳動一樣也存在齒側(cè)間隙，應(yīng)采取消隙措施。 當(dāng)傳動負(fù)載小時(shí)，可采用雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法，使兩片薄齒輪的齒側(cè)分別緊貼齒條的齒槽兩相應(yīng)側(cè)面，以消除齒側(cè)間隙。 當(dāng)傳動負(fù)載大時(shí)，可采用雙齒輪調(diào)整法。如圖2一13所示。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2. 3諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大(幾十至幾百)、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故

34、在工業(yè)機(jī)器入、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中口益得到廣泛的應(yīng)用。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 2. 2. 3. 1諧波齒輪傳動的工作原理 諧波傳動是建立在彈性變形理淪基礎(chǔ)上的一種新型傳動，它的出現(xiàn)為機(jī)械傳動技術(shù)帶來了重大突破。圖2-14所示為諧波齒輪傳動的示意圖。它由三個主要構(gòu)件組成，即具有內(nèi)齒的剛輪1、具有外齒的柔輪2和波發(fā)生器3。這三個構(gòu)件和少齒差行星傳動中的中心內(nèi)齒輪、行星輪和系桿相當(dāng)。通常波發(fā)生器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)，由于前者的總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區(qū)

35、;同時(shí)在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。其余各處，則視柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對位移，從而傳遞運(yùn)動。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2. 3. 2諧波齒輪傳動的傳動比計(jì)算與行星齒輪輪系傳動比的計(jì)算相似，由于當(dāng)柔輪固定時(shí)，wr=0，則下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2.當(dāng)剛輪固定時(shí)， wg=0 ，則下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 2. 2. 3.3諧波齒輪減速器產(chǎn)品及選用 目前尚無諧波減速器的國標(biāo)，不同生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)代號也不盡相同。以XBl

36、型通用諧波減速器為例，其標(biāo)記代號如圖2-15所示。表2-1為XBl型通用諧波減速器產(chǎn)品系列。諧波齒輪減速機(jī)選用說明:(1)樣本中的圖表參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，用戶選型時(shí)需確定以下三項(xiàng)參數(shù)。傳動比或輸出轉(zhuǎn)速(r/min) ;減速機(jī)輸入功率(kW);額定輸入轉(zhuǎn)速(r/min) 下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 (2)如減速機(jī)輸入轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，則在選用減速機(jī)型號時(shí)應(yīng)分別確定。 工作條件為“恒功率”時(shí)按最低轉(zhuǎn)速選用機(jī)型;工作條件為“恒扭矩”時(shí)，按最高轉(zhuǎn)速選用機(jī)型。訂貨時(shí)須說明是否與電機(jī)直聯(lián)，電機(jī)型號及參數(shù)。(3)選用減速機(jī)輸入功率PC1與輸出扭矩TC2的計(jì)算。 (4)減速機(jī)輸出軸裝有齒輪、鏈輪、三角皮帶輪及平

37、皮帶輪時(shí)，需要校驗(yàn)軸仲的懸臂負(fù)荷FC1校驗(yàn)公式為下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動(5)如減速機(jī)使用在有可能發(fā)生過載的工作場合，應(yīng)安裝過載保護(hù)裝置。2. 2. 4滾珠螺旋傳動 滾珠螺旋傳動是在螺桿和螺母間放入適量的滾珠，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的螺旋傳動。滾珠螺旋傳動是由螺桿、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置四部分組成。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其他直線運(yùn)動副相比，有下列特點(diǎn):(1)傳動效率高。(2)運(yùn)動平穩(wěn)。(3)工作壽命長。(4)定位精度和重復(fù)定位精度高。(5)同步性好。(6)可靠性高。(7)不能自鎖。(8)制造工藝復(fù)雜。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2

38、. 4. 1滾珠螺旋傳動的結(jié)構(gòu)型式與類型 如圖2-16所示，絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承載滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動，則絲杠與螺母之間相對運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生滾動摩擦。為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。 按用途和制造工藝不同，滾珠螺旋傳動的結(jié)構(gòu)形式有多種，它們的主要區(qū)別在于螺紋滾道法向截形、滾珠循環(huán)方式、消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊的方法等三方面。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.4.2滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法 1.雙螺母預(yù)緊原理 雙螺母預(yù)緊原理如圖2-22所示，是在兩個螺母之間加墊片來消

39、除絲杠和螺母之間的間隙。根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式，當(dāng)墊片厚度較厚時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)拉應(yīng)力”，而當(dāng)墊片厚度較薄時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)壓應(yīng)力”以消除軸向間隙。 2.單螺母預(yù)緊原理(增大滾珠直徑法) 單螺母預(yù)緊原理如圖2-23所示，為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力。為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。 3.單螺母預(yù)緊原理(偏置導(dǎo)程法) 偏置導(dǎo)程法原理如圖2-24所示，是在螺母中部將其導(dǎo)程增加一個預(yù)壓量，以達(dá)到預(yù)緊的目的。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 2. 2. 4. 3滾珠絲杠副的主要尺寸、精度等級和標(biāo)注方法 (1)主要尺寸。滾珠絲杠副的主要尺寸及其計(jì)算

40、公式見表2-4 (2)精度等級。JB316. 2 1982滾珠絲杠副精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為六個等級:C,D,E,F,G,H, C級最高，H級最低。滾珠絲杠副精度包括各元件的制造精度和裝配后的綜合精度，如:絲杠公稱直徑尺寸變動量、絲杠和螺母的表面粗糙度、絲杠大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動、導(dǎo)程誤差等。各等級對各項(xiàng)均有公差要求。表2一5列出了各精度等級的導(dǎo)程公差。 (3)標(biāo)注方法。滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度的標(biāo)注方法如圖2-25所示(各制造廠略有不同)。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2. 1. l滾珠絲杠副的安裝 絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其他零件的連接剛性，對滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的剛度和精度

41、都有很大影響，需在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，僅當(dāng)軸向載荷很小時(shí)，才用向心推力軸承。表2-8中列出了四種典型支承方式及其特點(diǎn)。除表中所列特點(diǎn)外，當(dāng)滾珠絲杠副工作時(shí)，因受熱(摩擦及其他熱源)而仲長，它對第一種支承方式的預(yù)緊軸承將會引起卸載，甚至產(chǎn)生軸向間隙，此時(shí)與第三、第四種支承方式類似，但對第二種支承方式，其卸載結(jié)果可能在兩端支承中造成預(yù)緊力的不對稱，且只能允許在某個范圍內(nèi)，即嚴(yán)格限制其溫升，故這種高剛度、高精度的支承方式更適宜于精密絲杠傳動系統(tǒng)。普通機(jī)械常用第三、四種方案，其費(fèi)用比較低廉，前者用于長絲杠，后者用于短絲杠。下一頁上一頁返回2 .2

42、機(jī)械傳動2 .2.4.5滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)絲杠副的計(jì)算載荷FC(N)。(2)計(jì)算額定動載荷下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 (3)根據(jù)C在滾珠絲杠系列中選擇所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠副的額定動載荷CaCa。 (4)驗(yàn)算傳動效率、剛度及工作穩(wěn)定性，如不滿足要求則應(yīng)另選其他型號并重新驗(yàn)算。 (5)對于低速(n10 r/min)傳動，只按額定靜載荷計(jì)算即可。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 例2-1試設(shè)計(jì)一數(shù)控銑床工作臺進(jìn)給用滾珠絲杠副。已知平均工作載荷Fm=3 800 N，絲杠工作長度l=1. 2 m，平均轉(zhuǎn)速nm =100 r/min,最大轉(zhuǎn)速 nmax =10 000 r/min，

43、使用壽命Lh=15 000 h左右，絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為5862 HRC，傳動精度要求=0. 03 解:(1)求計(jì)算載荷FC (2)根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動載荷下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動故所以絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 臨界轉(zhuǎn)速，ncr驗(yàn)證。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速nmax nmax =1000r/min,所以不會發(fā)生共振 (5)剛度驗(yàn)算。滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T(N.M)共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量L0(m)為絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差L應(yīng)小于其傳動精度的

44、1/2，即(6)效率驗(yàn)算。滾珠絲杠副的傳動效率為下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2.5滑動螺旋傳動 螺旋傳動是機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的一種傳動形式。它是利用螺桿與螺母的相對運(yùn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，其運(yùn)動關(guān)系為下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.5.1滑動螺旋傳動的特點(diǎn)1.降速傳動比大2.具有增力作用3.能自鎖4.效率低、磨損快下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.5.2滑動螺旋傳動的形式及應(yīng)用 1.螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動 如圖2-26(a)所示，這種傳動形式的螺母本身就起著支承作用，從而簡化了結(jié)構(gòu)，消除了螺桿與軸承之間可能產(chǎn)生的軸向竄動，容易獲得較高的傳動精度。缺點(diǎn)是所占

45、軸向尺寸較大(螺桿行程的兩倍加上螺母高度)，剛性較差。因此僅適用于行程短的情況。 2.螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動 如圖2-26(b)所示，這種傳動形式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊(所占軸向尺寸取決于螺母高度及行程大小)，剛度較大。適用于工作行程較長的情況。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2. 2. 5. 3螺旋副零件與滑板連接結(jié)構(gòu)的確定 螺旋副零件與滑板的連接結(jié)構(gòu)對螺旋副的磨損有直接影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。常見的連接結(jié)構(gòu)有下列幾種: (1)剛性連接結(jié)構(gòu)。圖2一28所示為剛性連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是牢固可靠，但當(dāng)螺桿軸線與滑板運(yùn)動方向不平行時(shí)，螺紋工作面的壓力增大，磨損加劇，嚴(yán)重(,較大)時(shí)還會發(fā)生卡住現(xiàn)象，剛性

46、連接結(jié)構(gòu)多用于受力較大的螺旋傳動中。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 (2)彈性連接結(jié)構(gòu)。圖2-29所示的裝置中，螺旋傳動采用了彈性連接結(jié)構(gòu)。片簧7的一端在工作臺(滑板)8上，另一端套在螺母的錐形銷上。為了消除兩者之間的間隙，片簧以一定的預(yù)緊力壓向螺母(或用螺釘壓緊)。當(dāng)工作臺運(yùn)動方向與螺桿軸線偏斜角(見圖2-28(a)時(shí)，可以通過片簧變形進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果偏斜角(見圖2-28(b)時(shí)，螺母可繞軸線自由轉(zhuǎn)動而不會引起過大的應(yīng)力。彈性連接結(jié)構(gòu)適用于受力較小的精密螺旋傳動。 (3)活動連接結(jié)構(gòu)。圖2-30所示為活動連接結(jié)構(gòu)的原理圖?；謴?fù)力F(一般為彈簧力)使連接部分保持經(jīng)常接觸。當(dāng)滑板1的運(yùn)動方向與螺

47、桿2的軸線不平行時(shí)，通過螺桿端部的球面與滑板在接觸處自由滑動(見圖2-30(a) )，或中間桿3自由偏斜(見圖2-30(b)，從而可以避免螺旋副中產(chǎn)生過大的應(yīng)力。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.5.4影響螺旋傳動精度的因素及提高傳動精度的措施1.螺紋參數(shù)誤差 (1)螺距誤差。螺距的實(shí)際值與理淪值之差稱為螺距誤差。螺距誤差分為單個螺距誤差和螺距累積誤差。單個螺距誤差是指螺紋全長上，任意單個實(shí)際螺距對基本螺距的偏差的最大代數(shù)差，它與螺紋的長度無關(guān)。而螺距累積誤差是指在規(guī)定的螺紋長度內(nèi)，任意兩個同側(cè)螺紋面間實(shí)際距離對公稱尺寸的偏差的最大代數(shù)差，它與螺紋的長度有關(guān)。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)

48、械傳動 (2)中徑誤差。螺桿和螺母在大徑、小徑和中徑都會有制造誤差。大徑和小徑處有較大間隙，互不接觸，中徑是配合尺寸，為了使螺桿和螺母轉(zhuǎn)動靈活和儲存潤滑油，配合處需要有一定的均勻間隙，因此，對螺桿全長上中徑尺寸變動量的公差，應(yīng)予以控制。此外，對長徑比(系指螺桿全長與螺紋公稱直徑之比)較大的螺桿，由于其細(xì)而長，剛性差、易彎曲，使螺母在螺桿上各段的配合產(chǎn)生偏心，這也會引起螺桿螺距誤差，故應(yīng)控制其中徑跳動公差。 (3)牙型半角誤差。螺紋實(shí)際牙型半角與理淪牙型半角之差稱為牙型半角誤差。當(dāng)螺紋各牙之間的牙型角有差異(牙型半角誤差各不相等)時(shí)，將會引起螺距變化，從而影響傳動精度。但是，如果螺紋全長是在一次

49、裝刀切削出來的，所以牙型半角誤差在螺紋全長上變化不大，對傳動精度影響很小。下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 2.螺桿軸向竄動誤差 若螺桿軸肩的端面與軸承的止推面不垂直于螺桿軸線且有偏差時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)動將引起螺桿的軸向竄動誤差，并轉(zhuǎn)化為螺母位移誤差。螺桿的軸向竄動誤差是周期性變化的，以螺桿轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)為一個循環(huán)。 3.偏斜誤差 在螺旋傳動機(jī)構(gòu)中，如果螺桿的軸線方向與移動件的運(yùn)動方向不平行，而有一個偏斜角時(shí)，就會發(fā)生偏斜誤差。設(shè)螺桿的總移動量為L，移動件的實(shí)際移動量為x，則偏斜誤差為下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動 4.溫度誤差 當(dāng)螺旋傳動的工作溫度與制造溫度不同時(shí)，將引起螺桿長度和螺距發(fā)生變化，從而產(chǎn)生

50、傳動誤差，這種誤差稱為溫度誤差，其大小為下一頁上一頁返回2 .2機(jī)械傳動2 .2.5.5消除螺旋傳動的空回的方法 1.利用單向作用力 在螺旋傳動中，利用彈簧產(chǎn)生單向恢復(fù)力，使螺桿和螺母螺紋的工作表面保持單面接觸，從而消除了另一側(cè)間隙對空回的影響。這種方法除可消除螺旋副中間隙對空回的影響外，還可消除軸承的軸向間隙和滑板連接處的間隙而產(chǎn)生的空回。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)在螺母上無需開槽或劉分，因此螺桿與螺母接觸情況較好，有利于提高螺旋副的壽命。 2.利用調(diào)整螺母 (1)徑向調(diào)整法。利用不同的結(jié)構(gòu)，使螺母產(chǎn)生徑向收縮，以減小螺紋旋合處的間隙，從而減小空回。圖2-31所示為徑向調(diào)整法的典型示例。下一頁上一頁返回

51、2 .2機(jī)械傳動 (2)軸向調(diào)整法。圖2-32所示為軸向調(diào)整法的典型結(jié)構(gòu)示例。 3.利用塑料螺母消除空回 圖2-33所示是用聚乙烯或聚酞胺(尼龍)制作螺母，用金屬壓圈壓緊，利用塑料的彈性能很好地消除螺旋副的間隙。上一頁返回2 .3支承部件2. 3. 1軸系的支承部件 軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成，有主軸軸系和中間傳動軸軸系。軸系的主要作用是傳遞扭矩及傳動精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，它直接承受外力(力矩)。對于中間傳動軸軸系一般要求不高。而對于完成主要作用的主軸軸系的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、熱變形及抗振性等的要求較高。通常在設(shè)計(jì)軸系時(shí)要求:(1)旋轉(zhuǎn)精度。(2)剛度。(3)抗振性。(4)熱變形。(

52、5)軸上零件的布置。下一頁返回2 .3支承部件 2.3.1.1軸系用軸承的類型與選擇 軸系組件所用的軸承有滾動軸承和滑動軸承兩大類。隨著機(jī)床精度要求的提高和變速范圍的擴(kuò)大，簡單的滑動軸承難以滿足要求，滾動軸承的應(yīng)用越來越廣。滾動軸承是廣泛應(yīng)用的機(jī)械支承。滾動軸承它主要由滾動體支承軸上的負(fù)荷，并與機(jī)座做相對旋轉(zhuǎn)、擺動等運(yùn)動，以求在較小的摩擦力矩下，達(dá)到傳遞功率的目的。滾動軸承的不斷發(fā)展，不僅在性能上基本滿足使用要求，而且它由專業(yè)工廠大量生產(chǎn)，因此質(zhì)量容易控制。但滑動軸承所具有的工作平穩(wěn)和抗振性好的特點(diǎn)，是滾動軸承難以代替的。所以出現(xiàn)了各種多楔動壓軸承及靜壓軸承，使滑動軸承的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，尤

53、其在一些精密機(jī)械設(shè)備上，各種新式的滑動軸承得到了廣泛應(yīng)用。下面重點(diǎn)就滾動軸承進(jìn)行介紹。下一頁上一頁返回2 .3支承部件 滾動軸承優(yōu)良的性能、壽命和可靠性，不僅僅取決于軸承的設(shè)計(jì)和制造，還取決于應(yīng)用設(shè)計(jì)。只有對滾動軸承及其系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮影響滾動軸承可靠性和壽命的各種因素，才能夠確保滾動軸承性能的發(fā)揮和壽命的提高?？梢哉f，離開了滾動軸承系統(tǒng)的合理選型設(shè)計(jì)和應(yīng)用就無法考慮軸承的使用壽命。 滾動軸承有許多種類，盡管ISO,GB標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但其尺寸范圍仍然很寬，因此給我們選擇合適的軸承帶來了困難。在設(shè)計(jì)軸系選擇軸承時(shí)，我們應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn): (1)滿足使用性能要求，包括承載能力、旋轉(zhuǎn)

54、精度、剛度及轉(zhuǎn)速等; (2)滿足安裝空間要求; (3)維護(hù)保養(yǎng)方便; (4)使用環(huán)境，如溫度、環(huán)境氣氛對軸承的影響; (5)性價(jià)比。下一頁上一頁返回2 .3支承部件2. 3. 1. 2常用幾種主軸滾動軸承配置表2-16(表格太大請參見課本)列出幾種典型主軸軸承的配置形式及工作性能。2.3.1.3其他軸承 1.非標(biāo)滾動軸承 非標(biāo)滾動軸承適應(yīng)軸承精度要求較高，結(jié)構(gòu)尺寸較小或因特殊要求而未能采用標(biāo)準(zhǔn)軸承而需自行設(shè)計(jì)的情形。圖2-34為微型滾動軸承，圖2-34(a)與(b)具有杯形外圈而沒有內(nèi)圈，錐形軸頸與滾珠直接接觸，其軸向間隙由彈簧或螺母調(diào)整，圖2-34(c)采用碟形墊圈來消除軸向間隙，墊圈的作用

55、力比作用在軸承上的最大軸向力大2 3倍。下一頁上一頁返回2 .3支承部件 2.靜壓軸承 滑動軸承阻尼性能好、支承精度高、具有良好的抗振性和運(yùn)動平穩(wěn)性。按照液體介質(zhì)的不同，目前使用的有液體滑動軸承和氣體滑動軸承兩大類。按油膜和氣膜壓強(qiáng)的形成方法又有動壓、靜壓和動靜壓相結(jié)合的軸承之分。 動壓軸承是在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，油(氣)被帶入軸與軸承間所形成的楔形間隙中，由于間隙逐漸變窄，使壓強(qiáng)升高，將軸浮起而形成油(氣)楔，以承受載荷。其承載能力與滑動表面的線速度成正比，低速時(shí)承載能力很低。故動壓軸承只適用于速度很高、且速度變化不大的場合。 下一頁上一頁返回2 .3支承部件 靜壓軸承是利用外部供油(氣)裝置將具有一

56、定壓力的液(氣)體通過油(氣)孔進(jìn)入軸套油(氣)腔，將軸浮起而形成壓力油(氣)膜，以承受載荷。其承載能力與滑動表面的線速度無關(guān)，故廣泛應(yīng)用于低、中速、大載荷、高精度的機(jī)器。它具有剛度大、精度高、抗振性好、摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)。 液體靜壓軸承工作原理如圖2-35所示，油腔1為軸套8內(nèi)面上的凹入部分，包圍油腔的四周稱為封油面，封油面與運(yùn)動表面構(gòu)成的間隙稱為油膜厚度。為了承載，需要流量補(bǔ)償。補(bǔ)償流量的機(jī)構(gòu)稱為補(bǔ)償元件，也稱節(jié)流器，如圖中右側(cè)所示。壓力油經(jīng)節(jié)流器第一次節(jié)流后流入油腔，又經(jīng)過封油面第二次節(jié)流后從軸向(端面)和周向(回油槽7)流入油箱。下一頁上一頁返回2 .3支承部件 3.磁懸俘軸承 磁懸浮軸

57、承是利用磁場力將軸無機(jī)械摩擦、無潤滑地懸浮在空間的一種新型軸承。其工作原理如圖2一36所示。 2.3.1.1典型主軸結(jié)構(gòu) 圖2-37(a)為精密分度頭主軸系統(tǒng)。它采用的是密珠軸承，主軸由止推密珠軸承2,4和徑向密珠軸承1,3組成。這種軸承所用滾珠數(shù)量多且接近于多頭螺旋排列。由于密集的鋼珠有誤差平均效應(yīng)，減小了局部誤差對主軸軸心位置的影響，故主軸回轉(zhuǎn)精度有所提高。每個鋼珠公轉(zhuǎn)時(shí)沿著自己的滾道滾動而不相重復(fù)，減小了滾道的磨損，主軸回轉(zhuǎn)精度可長期保持。實(shí)踐證明，提高鋼珠的密集度有利于主軸回轉(zhuǎn)精度的提高，但過多的增加鋼珠會增大摩擦力矩。 因此，在保證主軸運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的前提下，盡量增多鋼珠數(shù)量。圖中2-37

58、(b)為推力密珠軸承保持架孔的分布，圖中2-37 (c)為徑向密珠軸承保持架孔的分布情況。下一頁上一頁返回2 .3支承部件2.3. 2支承件2 .3.2.1支承件設(shè)計(jì)的基本要求1.應(yīng)具有足夠的剛度和抗振性2.應(yīng)具有較小的熱變形和熱應(yīng)力3.耐磨性4.結(jié)構(gòu)工藝性及其他要求下一頁上一頁返回2 .3支承部件2 .3.2.2支承件的材料選擇 1.鑄鐵 鑄造可以鑄出形狀復(fù)雜的支承件，存在鑄鐵中的片狀或球狀石墨在振動時(shí)形成阻尼，抗振性比鋼高3倍。但生產(chǎn)鑄鐵支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期長，成本高，故適宜于成批生產(chǎn)。 常用鑄鐵的種類有: (1)一級灰口鑄鐵HT200?？估澬阅芎?，可用作帶導(dǎo)軌的支承件

59、，但流動性稍差，不宜制作結(jié)構(gòu)太復(fù)雜的支承件。 (2)二級灰口鑄鐵HT1500鑄造性能好，但機(jī)械性能稍差，用于制作形狀復(fù)雜但受載不大的支承件。 (3)合金鑄鐵。需要支承件帶導(dǎo)軌時(shí)耐磨性好，多采用高磷鑄鐵、磷銅欽鑄鐵、釩欽做鐵、鉻鑰鑄鐵等。耐磨性比灰口鑄鐵高2 3倍，但成本較高。下一頁上一頁返回2 .3支承部件 2.鋼板與型鋼 用鋼板與型鋼焊接成支承件，生產(chǎn)周期比鑄造快1. 73. 5倍，鋼的彈性模量約為鑄鐵的2倍，承受同樣載荷，壁厚可做得比鑄件薄，質(zhì)量也輕。但是，鋼的阻尼比只為鑄鐵的約1/3，抗振性差，結(jié)構(gòu)和焊縫上要采取抗振措施。3.天然和人造花崗巖4.預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土下一頁上一頁返回2 .3支

60、承部件2 .3.2.3支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.選取有利的截面形狀 為了保證支承件的剛度和強(qiáng)度，減輕質(zhì)量和節(jié)省材料，必須根據(jù)設(shè)備的受力情況，選擇合理的截面形狀。支承件承受載荷的情況雖然復(fù)雜，但不外乎拉、壓、彎、扭四種形式及其組合。當(dāng)受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，支承件的變形不但與截面面積大小有關(guān)，而且與截面形狀，即與截面的慣性矩有很大的關(guān)系。表2一17是截面積近似地皆為10 000 mm2的十種不同的截面形狀的抗彎和抗扭慣性矩的比較。 2.設(shè)置隔板和加強(qiáng)筋 設(shè)置隔板和加強(qiáng)筋是提高剛度的有效方法。特別是當(dāng)截面無法封閉時(shí)，必須用隔板(指連接支承件四周外壁的內(nèi)板)或加強(qiáng)筋來提高剛度。加強(qiáng)筋的作用與隔板有所不同，隔