機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)構(gòu)

機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)構(gòu)第1頁(yè)/共57頁(yè)機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，是由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械及機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求1.高精度；2.快速響應(yīng)；3.良好的穩(wěn)定性。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小摩擦小間隙小

阻尼合適剛度大抗振性能好第2頁(yè)/共57頁(yè)

機(jī)械系統(tǒng)包括傳動(dòng)部件、導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，用于完成傳遞功率、運(yùn)動(dòng)和完成指定的動(dòng)作。機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)主要組成第3頁(yè)/共57頁(yè)第四章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)構(gòu)4.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)4.3精密齒輪傳動(dòng)4.4同步帶傳動(dòng)4.5滾珠絲杠傳動(dòng)4.6導(dǎo)軌設(shè)計(jì)4.7機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用實(shí)例

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4.1機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)構(gòu)4.1.1基本概念與術(shù)語(yǔ)4.1.2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4.1.3連桿機(jī)構(gòu)4.1.4凸輪機(jī)構(gòu)4.1.5齒輪機(jī)構(gòu)第5頁(yè)/共57頁(yè)

4.1.1基本概念與術(shù)語(yǔ)平移3DOF旋轉(zhuǎn)3DOF無(wú)約束6DOF約束1-5DOF冗余6自由度運(yùn)動(dòng)第6頁(yè)/共57頁(yè)空間物體的自由度（獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目）空間物體的六個(gè)自由度平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件有三個(gè)自由度第7頁(yè)/共57頁(yè)自由度和約束（構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制

）

關(guān)節(jié)有:(a)一個(gè)自由度；(b)兩個(gè)自由度第8頁(yè)/共57頁(yè)運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副：兩構(gòu)件直接接觸形成的可動(dòng)連接；

球面副轉(zhuǎn)動(dòng)副平面運(yùn)動(dòng)副、空間運(yùn)動(dòng)副萬(wàn)向副第9頁(yè)/共57頁(yè)運(yùn)動(dòng)副的分類通常把面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副，點(diǎn)接觸或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。在平面機(jī)構(gòu)中，一個(gè)低副有兩個(gè)約束條件，一個(gè)高副有一個(gè)約束條件。低副高副第10頁(yè)/共57頁(yè)常見(jiàn)平面運(yùn)動(dòng)副及其自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副(低副）(自由度為1）可以繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副第11頁(yè)/共57頁(yè)移動(dòng)副(低副）(自由度為1）可以沿導(dǎo)路移動(dòng)移動(dòng)副常見(jiàn)平面運(yùn)動(dòng)副及其自由度第12頁(yè)/共57頁(yè)高副齒輪副，凸輪(高副）（自由度為2）可以沿切線移動(dòng)可以繞接觸點(diǎn)或線轉(zhuǎn)動(dòng)常見(jiàn)平面運(yùn)動(dòng)副及其自由度第13頁(yè)/共57頁(yè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)副：萬(wàn)向鉸或虎克鉸常見(jiàn)的空間運(yùn)動(dòng)副球鉸第14頁(yè)/共57頁(yè)4.1.2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器連桿-復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)凸輪-旋轉(zhuǎn)到線性鏈，齒輪，滑輪-力或運(yùn)動(dòng)放大機(jī)器人機(jī)構(gòu)H機(jī)構(gòu)第15頁(yè)/共57頁(yè)機(jī)架：構(gòu)件中的固定構(gòu)件；原動(dòng)件：機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；從動(dòng)件：除原動(dòng)件外其余活動(dòng)構(gòu)件。由兩個(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)件通過(guò)活動(dòng)聯(lián)接形成的構(gòu)件系統(tǒng)。組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件都在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)，否則稱為空間機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)及其組成第16頁(yè)/共57頁(yè)F＜0：超靜定桁架，構(gòu)件間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；F=0：靜定剛性桁架，構(gòu)件間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；F＞0：原動(dòng)件數(shù)＜F，各構(gòu)件間無(wú)確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)；原動(dòng)件數(shù)>F，在機(jī)構(gòu)的薄弱處易遭到破壞。原動(dòng)件數(shù)=F，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)自由度數(shù)第17頁(yè)/共57頁(yè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線條和符號(hào)表示構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副、按比例表示構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸，反映原機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況的簡(jiǎn)化圖形。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖第18頁(yè)/共57頁(yè)平面高副平面運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副第19頁(yè)/共57頁(yè)機(jī)架兩副構(gòu)件三副構(gòu)件構(gòu)件第20頁(yè)/共57頁(yè)顎式破碎機(jī)主體機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖當(dāng)偏心軸2繞其軸心連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)顎3作往復(fù)擺動(dòng)，從而將處于動(dòng)顎板3和定顎之間的礦石軋碎。大帶輪5電動(dòng)機(jī)V帶小帶輪肘板4定顎板動(dòng)顎板3偏心軸2電動(dòng)機(jī)帶傳動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)

動(dòng)顎板擺動(dòng)，與定顎板一起壓碎物料工作過(guò)程：第21頁(yè)/共57頁(yè)DCBA1432顎式破碎機(jī)主體機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖當(dāng)偏心軸2繞其軸心連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)顎3作往復(fù)擺動(dòng)，從而將處于動(dòng)顎板3和定顎之間的礦石軋碎。第22頁(yè)/共57頁(yè)運(yùn)動(dòng)學(xué)不考慮引起運(yùn)動(dòng)的原因—力的作用，只從幾何方面研究物體在空間的位置隨時(shí)間的變化規(guī)律，確定運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角加速度等。運(yùn)動(dòng)的研究(不考慮力)第23頁(yè)/共57頁(yè)動(dòng)力學(xué)機(jī)械動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)械在力作用下的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的力的科學(xué)。動(dòng)力學(xué)反問(wèn)題（已知運(yùn)動(dòng)求力）動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題（已知力求運(yùn)動(dòng)）分為分析和綜合兩個(gè)方面：分析：研究現(xiàn)有機(jī)械；綜合：設(shè)計(jì)新機(jī)械使之達(dá)到給定的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)要求。動(dòng)力學(xué)反問(wèn)題：首先對(duì)機(jī)器人手部進(jìn)行軌跡規(guī)劃，即給定手部的運(yùn)動(dòng)路徑及軌跡上各點(diǎn)的速度及加速度，然后，求出應(yīng)施加于各關(guān)節(jié)處的廣義驅(qū)動(dòng)力的變化規(guī)律。動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題：已知各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，求解手部的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。第24頁(yè)/共57頁(yè)4.1.3連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)：用銷軸等零件將細(xì)長(zhǎng)的桿件連接起來(lái)組成的機(jī)構(gòu)稱為連桿機(jī)構(gòu)。由四根桿件組成的機(jī)構(gòu)稱為四連桿機(jī)構(gòu)。曲柄：桿與桿之間構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副或者滑動(dòng)副，其中作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的桿件稱為曲柄，搖桿：只能在一定角度內(nèi)作往復(fù)擺動(dòng)的桿稱為搖桿?；靖拍畹?5頁(yè)/共57頁(yè)四連桿格拉斯霍夫條件（桿長(zhǎng)和條件）最短和最長(zhǎng)的總和≤另外兩桿之和曲柄存在的必要條件最短和最長(zhǎng)的總和>另外兩桿之和兩桿都不周轉(zhuǎn)的雙搖桿曲柄滑塊用曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)偏置曲柄機(jī)構(gòu)具有急回特性對(duì)心曲柄機(jī)構(gòu)沒(méi)有急回特性常用機(jī)構(gòu)第26頁(yè)/共57頁(yè)剪刀機(jī)以曲柄為主動(dòng)件：將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成從動(dòng)桿的往復(fù)擺動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)第27頁(yè)/共57頁(yè)以曲柄為主動(dòng)件：將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成從動(dòng)桿的往復(fù)擺動(dòng)第28頁(yè)/共57頁(yè)當(dāng)主動(dòng)曲柄連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄一般不等速轉(zhuǎn)動(dòng)慣性篩第29頁(yè)/共57頁(yè)?dān)Q式起重機(jī)當(dāng)主動(dòng)搖桿擺動(dòng)時(shí)，從動(dòng)搖桿也隨之?dāng)[動(dòng)，同時(shí)在連桿上也可獲得預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。第30頁(yè)/共57頁(yè)攝影平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)的同向性）第31頁(yè)/共57頁(yè)鑄造用大型造型機(jī)翻箱機(jī)構(gòu)第32頁(yè)/共57頁(yè)碎石機(jī)用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：（以曲柄為主動(dòng)件）第33頁(yè)/共57頁(yè)加工核島蒸汽發(fā)生器水室封頭重載變位器連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例第34頁(yè)/共57頁(yè)毛坯:200T最終產(chǎn)品:43.5T直徑:4.3m水室封頭重載變位器第35頁(yè)/共57頁(yè)任務(wù)分析目標(biāo)：設(shè)計(jì)核島蒸發(fā)器下封頭機(jī)械加工用變位機(jī)。目的:

配合數(shù)控落地銑鏜床（具有三維移動(dòng)自由度，刀具的軸線方向始終保持不變）完成下封頭零件上接管口的精加工而設(shè)計(jì)的機(jī)床輔具。任務(wù)：實(shí)現(xiàn)依次將蒸發(fā)器下封頭上的接管口變位到刀具的軸線方向，并在機(jī)械加工過(guò)程中始終保持工件的位姿不變。要求：足夠的剛度、定位精度和精度保持能力。

第36頁(yè)/共57頁(yè)變位機(jī)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析兩自由度旋轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

數(shù)控落地銑鏜床的刀具軸線方向固定，變位機(jī)需要將蒸發(fā)器下封頭的接管口軸線變換到刀具的軸線方向，為了完成變位工作，變位機(jī)至少需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。三自由度旋轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖第37頁(yè)/共57頁(yè)變位機(jī)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析第38頁(yè)/共57頁(yè)變位機(jī)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析第39頁(yè)/共57頁(yè)變位機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化第40頁(yè)/共57頁(yè)水室封頭重載變位器第41頁(yè)/共57頁(yè)水室封頭重載變位器第42頁(yè)/共57頁(yè)水室封頭重載變位器第43頁(yè)/共57頁(yè)4.1.4凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^短的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)凸輪從動(dòng)件功用基于凸輪的輪廓主動(dòng)件分類盤形圓柱形從動(dòng)件分類頂尖式滾子式平底式第44頁(yè)/共57頁(yè)盤形凸輪和平底從動(dòng)件幾種常見(jiàn)的凸輪機(jī)構(gòu)第45頁(yè)/共57頁(yè)圓柱凸輪和滾子從動(dòng)件第46頁(yè)/共57頁(yè)盤形凸輪和滾子從動(dòng)件第47頁(yè)/共57頁(yè)頂尖從動(dòng)件的盤形凸輪

第48頁(yè)/共57頁(yè)心形凸輪機(jī)構(gòu)(a)心形機(jī)構(gòu)(b)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)第49頁(yè)/共57頁(yè)4.1.5齒輪機(jī)構(gòu)齒輪系是歷史悠久，至今應(yīng)用也是最為廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。功用：是按規(guī)定的速比傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特點(diǎn)：工作可靠、傳動(dòng)比恒定、結(jié)構(gòu)成熟，但制造復(fù)雜。第50頁(yè)/共57頁(yè)齒輪傳動(dòng)的類型與特點(diǎn)正齒輪（直齒圓柱齒輪）較常見(jiàn)，價(jià)格低廉，高效平行軸間傳動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在中、低速精密傳動(dòng)中優(yōu)先采用。

斜齒輪平行軸間傳動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在中、高速傳動(dòng)中優(yōu)先采用。

圓錐齒輪相交軸之間傳輸動(dòng)力適用于低速的直角傳動(dòng)。第51頁(yè)/共57頁(yè)齒輪齒條旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)不相交的軸高傳動(dòng)比“自鎖”非反轉(zhuǎn)高摩擦損失第52頁(yè)/共57頁(yè)應(yīng)用實(shí)例--變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)