第二章 機電一體化系統(tǒng)的機械傳動.ppt

1、機電一體化系統(tǒng)設計,攀枝花學院 張祺,第二章機械系統(tǒng)部件的選擇與設計（含工業(yè)機器人）,2.1 機械系統(tǒng)部件設計要求,1、機電一體化機械系統(tǒng)的特殊要求 機電一體化的機械系統(tǒng)與一般機械系統(tǒng)相比，具有一定的特殊要求： (1）較高的定位精度 精度直接影響產品的質量，尤其是機電一體化產品，其技術性能、工藝水平和功能比普通的機械產品都有很大的提高，因此機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。,（2）良好的動態(tài)響應特性 響應快、穩(wěn)定性好。 要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務之間的時間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時根據(jù)機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，下達指令，使其準確地完成任務。要求機械系統(tǒng)的工作性能不受

2、外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強。 (3）無間隙、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部件和導向支撐件。如：滾珠絲杠副、滾動導向和支承、動靜壓導向和支承。 （2）縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。如：大扭矩、寬調速的伺服電動機；軸端預緊或預拉伸、滾珠絲杠副或滾動導軌副預緊消除間歇提高剛度。 （3）選擇合理（最佳）傳動比，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動慣量，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誤差和反轉誤差、減少支承變形，最終縮小反向死區(qū)誤差。 （5）改進和合理設計支承件和機架結構，提高

3、剛度、減少振動和噪音。,2.2機電一體化系統(tǒng)的機械結構及功能,德國的排爆機器人,（一）機械系統(tǒng)組成 1、傳動結構：主要功能是傳遞能量和運動 ，是一種力、速度變換器。 2、導向機構：支撐和限制運動部件按給定的運動要求和給定的運動方向運動，為機械系統(tǒng)中各運動裝置安全、準確地完成其特定方向的運動提供保障。,3、支 承 件：機座或機架是支承其他零部件的基礎部件。它既承受其它零部件的重量和工作載荷，又起保證零件相對位置的基準作用。 三者功能總結：實現(xiàn)傳遞運動和動力，支撐和導向，聯(lián)系機電一體化系統(tǒng)各部件并實現(xiàn)其構造功能。,1、 機械傳動部件的主要功能是傳遞轉矩和轉速； 2、它的實質是一種轉矩、轉速變換器；

4、 3、它的目的是使執(zhí)行部件與負載之間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。 4、對傳動件的要求：間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳遞扭矩大。,（二）常見的機械傳動裝置及功能,常見傳動機構及功能,（三）絲杠螺母機構基本傳動形式,1、含義 2、分類 3、特點（優(yōu)點、缺點）,滑動絲杠螺母機構：結構簡單、加工方便、成本低，且有自鎖功能，但摩擦阻力較大、傳動效率低(30%40%)。 滾動絲杠螺母機構：結構復雜、成本高、無自鎖功能，但摩擦阻力小、傳動效率高（92%98%）、傳動精度高。,4、絲杠螺母機構傳遞運動的基本條件,1）滑動絲杠螺母機構傳遞運動基本條件： 應有足夠的滑移間隙和充分地潤滑，熱脹冷縮補

5、償空間；因而，存在一定的空回間隙。 2）滾珠絲杠螺母機構傳遞運動的基本條件： 應有足夠的潤滑儲油空間和熱脹冷縮彈性補償能力，可實現(xiàn)無間隙工作；因而，存在一定的表面應力；為了實現(xiàn)連續(xù)運轉，需一滾珠的回珠裝置（內或外）。,5、絲杠螺母傳動的類型與特點,圖a 絲杠螺母機構基本傳動形式,1)螺母固定、絲桿轉動并移動 如圖a所示，該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消 除了絲桿軸承可能產生的附加軸向竄動，結構較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不易太長，剛性較差。因此只適用于行程較小的場合。,2)絲桿轉動、螺母移動如圖b所示，該傳動形式需要限制螺母的轉動，故需導向裝置。 其特點是結構緊湊、絲桿剛性較

6、好。適用于工作行程較大的場合。,3)螺母轉動、絲桿移動 如圖c所示，該傳動形式需要限制螺母移動和絲桿的轉動，由于結構較復雜且占用軸向空間較大，故應用較少。,圖 絲杠螺母機構基本傳動形式,4)絲桿固定、螺母轉動并移動 如圖d所示，該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應用。,圖 差動傳動原理,該方式的絲桿上有基本導程(或螺距) 不同的(如l01、l02)兩段螺紋，其旋向相同。當絲桿2轉動時，可動螺母1的移動距離為S=n(l01l02)，如果兩基本導程的大小相差較少，則可獲得較小的位移S。因此，這種傳動方式多用于各種微動機構中。,（5）差動傳動方式,(四)、滾動螺旋傳動,1

7、、滾珠絲杠副的組成及特點,（ 1）、滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構，其螺桿和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當螺桿或螺母傳動時，滾動沿螺紋滾道滾動，使螺桿和螺母作相對運動時為滾動摩擦，提高了傳動效率和傳動精度。,圖 滾珠絲杠副的構成原理 1-反向器 2-螺母 3-絲杠 4-滾珠,（2）、滾珠絲杠結構組成,工作說明：滾珠絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾道回程裝置，構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通道。,（3）、滾珠絲杠的特點 滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比有如下特點： 優(yōu)點： 傳動效率高（0.90.95）； 傳動精度高； 摩擦小、不易磨損

8、，壽命長； 運動的可逆性； 結構復雜，工藝性差，成本高。 軸向剛度高(即通過適當預緊可消除絲杠與螺母之間的軸向間隙)； 運動平穩(wěn)。 缺點：不能自鎖，傳動可逆，在用作升降傳動機構時，需要采取制動措施。,內循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副,2、滾珠絲杠副的典型結構類型 滾珠絲杠副的結構類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整方法進行區(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構特點,單圓弧滾道：結構簡單，存在軸向間隙，加工質量易于保證，在使用雙螺母結構的條件下，具有軸向間隙調整和預緊能力，傳遞精度高。因此運行特性不夠穩(wěn)定

9、。 雙圓弧滾道：結構簡單，傳遞精度由加工質量保證，軸向間隙小，無軸向間隙調整和預緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。接觸角在工作過程中基本不變。,雙圓弧滾道,單圓弧滾道,結構：,實例：浮動式反向器的循環(huán)內循環(huán)滾珠絲杠副,反向器1,拱形片簧4,彈簧套2,優(yōu)點：是在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接，通道流暢、摩擦特性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進給系統(tǒng)。,b,外循環(huán)方式,1）螺旋槽式,結構：在螺母2的外圓表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出兩個與螺紋滾道相切的通孔，螺紋滾道內裝入兩個擋珠器4引導滾珠3通過這兩個孔，應用套筒1蓋住凹槽，構成滾珠的循環(huán)回路

10、。 結構的特點：工藝簡單、徑向尺寸小、易于制造，但是擋珠器剛性差、易磨損。,2）插管式,結構： 用一彎管1代替螺紋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道5相切的兩個內孔，用彎管的端部引導滾珠4進入彎管，構成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板2和螺釘將彎管固定。 特點：插管式結構簡單、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,結構：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：這種方式結構簡單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易準確制作而影響其性能，故應用較少。常以單螺母形式用作升降傳動機

11、構。,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及標注方法,（1）、精度等級,（2）、標注方法,3、尺寸系列 4、推薦采用的精度等級,5、消除間隙和調整預緊,1）、雙螺母螺紋預緊調整式,結構：螺母3的外端有凸緣，而螺母4的外端雖無凸緣，但制有螺紋，并通過二個圓螺母固定。 原理：調整時旋轉圓螺母2消除軸向間隙并產生一定的預緊力，然后用鎖緊螺母1鎖緊。預緊后兩個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：結構簡單、剛性好、預緊可靠，使用中調整方便，但不能精確定量地進行調整。,2）、雙螺母齒差預緊調整式,結構：兩個螺母的兩端分別制有圓柱齒輪3，二者齒數(shù)相差一個齒，通過二

12、端的兩個內齒輪2與上述圓柱齒輪相嚙合并用螺釘和定位銷固定在套筒1上。 工作原理：調整時先取下兩端的內齒輪2，當二個滾珠螺母相對于套筒同一方向轉動同一個齒后固定后，則一個滾珠螺母相對于另一個滾珠螺母產生相對角位移，使二個滾珠螺母產生相對移動，從而消除間隙并產生一定的預緊力。,特點：可實現(xiàn)定量調整即可進行精密微調(如0002 mm)，使用中調整較方便。,間隙的調整量：,3）、雙螺母墊片調整預緊式,結構與原理：調整墊片1的厚度，可使兩螺母2產生相對位移，以達到消除間隙、產生預緊拉力之目的。 特點：結構簡單剛度高、預緊可靠，但使用中調整不方便。,4）、彈簧式自動調整預緊式,結構原理：雙螺母中一個活動、

13、另一個固定，用彈簧使其間始終具有產生軸向位移的推動力，從而獲得預緊力。 特 點：能消除使用過程中因磨損或彈性變形產生的間隙，但其結構復雜、軸向剛度低，適合用于輕載場合。,彈簧,5）、單螺母變位導程自預緊式和單螺母滾珠過盈預緊式,結構原理：在滾珠螺母體內的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內螺紋滾道在軸向制作一個的導程突變量，從而使二列滾珠產生軸向錯位而實現(xiàn)預緊，預緊力的大小取決于突變量和單列滾珠的徑向間隙。 特點：結構簡單緊湊，但使用中不能調整，且制造困難。,圖 單螺母變位導程預緊式,6、滾珠絲杠副支承方式的選擇,（1）、支承方式,1）單推單推式,結構：止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。 特點：

14、 軸向剛度較高，預拉伸安裝時，預緊力較大； 軸承壽命比雙推一雙推式低；,2）雙推一雙推式,結構：兩端分別安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，并施加預緊力，其軸向剛度最高。 特點：該方式適合于高剛度、高轉速、高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。但隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大，易造成兩端支承的預緊力不對稱。,3）雙推簡支式,結構：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，使用時應注意減少絲杠熱變形的影響。 特點：雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。,4）雙推自由式,結構與特點：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系統(tǒng)。,（2）、軸承的組合安裝支承示例,（3）、制動裝置,圖 超越離合器 1外圈 2星輪 3滾柱 4活銷 5彈簧,2）常用的制動裝置有體積小、重量輕、易于安裝的超越離合器。選購滾珠絲杠副時可同時選購相宜的超越離合器。,1） 制動原因：因滾珠絲杠傳動效率高，無自鎖作用，故在垂直安裝狀態(tài)，必須設置防止因驅動力中斷而發(fā)生逆?zhèn)鲃拥淖枣i、制動或重力平衡裝置。,圖 電磁摩擦制動裝置原理圖,3）制動實例,A：結構組成 B：制動原理,運動部件,摩擦離合器,電磁線圈,鐵心,7、滾珠絲杠副的密封與潤滑,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套密封來防止灰塵及雜質進人滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。 密封圈類型：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，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱迷宮式密封圈。 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生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在裝配時放進滾珠螺母滾道內定期潤滑，商使用潤滑油時應注意經常通過注油孔注油。防護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、滾動螺旋傳動的設計計算,（1）、滾珠絲杠副結構的選擇 根據(jù)防塵防護條件以及對調隙及預緊的要求，可選擇適當?shù)慕Y構形式。例如，當允許有間隙存在時（如垂直運動）可選用具有單圓弧螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當必須有預緊或使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；當具備良好的防塵條件，且只需在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式結構。,（2）、滾珠絲杠副結構尺寸的選擇 選用滾珠絲杠副時通常主要選擇的公稱直徑d0和基本導程l0。 公稱直徑d0應根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選擇。螺紋長度ls在允許的情況下要盡量短，一般ls/d0

18、小于30為宜； 基本導程l0應按承載能力、傳動精度及傳動速度選取，l0大承載能力也大，l0小傳動精度較高。要求傳動速度快時，可選用大導程滾珠絲杠副。,（3）、滾珠絲杠副的選擇步驟 選用時，必須知道實際的工作條件（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）； * 絲杠的長度（或螺母的有效行程）l（mm）； * 絲杠的轉速n（或平均轉速ncp）（r/min）； * 滾道的硬度HRC及絲杠的工況。,1）承載能力選擇 計算作用于絲杠軸向最大動載FQ，然后根據(jù)FQ值選擇絲杠副的型號。,2） 壓桿穩(wěn)定性核算,3）剛度的驗算,（五）、齒輪傳動,1、齒輪傳動形

19、式及其傳動比的最佳匹配,1）、常用的齒輪減速裝置傳動形式,圖 常用減速裝置傳動形式,2）齒輪傳動系總傳動比的確定P38, 在伺服系統(tǒng)中,通常采用負載角加速度最大原則選擇總傳動比,以提高伺服系統(tǒng)的響應速度。傳動模型如圖2-1所示。,圖中： Jm 電動機M轉子的轉動 慣量； m 電動機M的角位移； JL 負載L的轉動慣量； L 負載L的角位移； TLF 摩擦阻抗轉矩； i 齒輪系G的總傳動比。,電機、傳動裝置和負載的傳動模型,根據(jù)傳動關系有 式中: 電動機的角位移、角速度、角加速度； 負載的角位移、角速度、角加速度。,在式(2-1)中,若改變總傳動比i,則也隨之改變。根據(jù)負載角加速度最大的原則,令

20、 ,則 解得 若不計摩擦,即TLF0, 則 ,(2-2),(2-2),TLF換算到電動機軸上的阻抗轉矩為TLF /i ；JL換算到電動機軸上的轉動慣量為JL /i2。設Tm為電動機的驅動轉矩, 在忽略傳動裝置慣量的前提下,根據(jù)旋轉運動方程,電動機軸上的合轉矩Ta為：,(2-1),式表明, 得到傳動裝置總傳動比i的最佳值的時刻就是JL換算到電動機軸上的轉動慣量正好等于電動機轉子的轉動慣量Jm的時刻, 此時, 電動機的輸出轉矩一半用于加速負載,一半用于加速電動機轉子, 達到了慣性負載和轉矩的最佳匹配。,齒輪系統(tǒng)的總傳動比確定后，根據(jù)對傳動鏈的技術要求，選擇傳動方案，使驅動部件和負載之間的轉矩、轉速

21、達到合理匹配。 若總傳動比較大，又不準備采用諧波、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。可按下述三種原則適當分級，并在各級之間分配傳動比。,3） 傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配,a、等效轉動慣量最小原則 P40 利用該原則所設計的齒輪傳動系統(tǒng)，換算到電機軸上的等效轉動慣量為最小。 齒輪系傳遞的功率不同, 其傳動比的分配也有所不同。,對于n級齒輪系,有（P31） 由此可見, 各級傳動比分配的結果應遵循“前小后大”的原則。 ,（2-3）,（2-4）,（1）小功率傳動裝置,例2-1 設有i=80, 傳

22、動級數(shù)n=4的小功率傳動, 試按等效轉動慣量最小原則分配傳動比。 解：,驗算i= i1 i2 i3 i480。,若以傳動級數(shù)n為參變量, 齒輪系中折算到電動機軸上的等效轉動慣量Je與第一級主動齒輪的轉動慣量J1之比為Je/J1, 其變化與總傳動比i的關系如圖2-3所示。 可利用 Je/J1 與 i的關系確定傳動級數(shù)。,圖2-3 小功率傳動裝置確定傳動級數(shù)曲線,(2) 大功率傳動裝置 大功率傳動裝置傳遞的扭矩大,各級齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級增加,各級齒輪的轉動慣量差別很大。 大功率傳動裝置的傳動級數(shù)及各級傳動比可依據(jù)圖2-4、圖2-5、圖2-6來確定。傳動比分配的基本原則仍應為“前小后

23、大”。 圖2-4、圖2-5及圖2-6的用法參見例2-2。,圖2-4 大功率傳動裝置確定傳動級數(shù)曲線,圖2-5 大功率傳動裝置確定第一級傳動比曲線,圖2-6 大功率傳動裝置確定各級傳動比曲線,例2-2 設有i=256的大功率傳動裝置, 試按等效轉動慣量最小原則分配傳動比。 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值的大小和傳動裝置的結構, 選n4。查圖2-5, 得i13.3。查圖2-6, 在橫坐標ik-1上3.3處作垂直線與A線交于第一點,在縱坐標 ik 軸上查得i23.7。,通過該點作水平線與B曲

24、線相交得第二點i34.24。由第二點作垂線與A曲線相交得第三點i44.95。 驗算i1 i2 i3 i 4256.26。滿足設計要求。,b、質量最小原則 （1）小功率傳動裝置 對于小功率傳動系統(tǒng)，使各級傳動比滿足： 即可使傳動裝置的重量最輕。 上述結論對于大功率傳動系統(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)要逐級增加的情況。,（2）大功率傳動裝置 大功率減速傳動裝置按質量最小原則確定的各級傳動比表現(xiàn)為“前大后小”的傳動比分配方式。 減速齒輪傳動的后級齒輪比前級齒輪的轉矩要大得多,同樣傳動比的情況下齒厚、質量也大得多,因此減小后級傳動比就相應減少了大齒輪的齒數(shù)和質量。大功率

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

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

27、質量盡可能小的降速傳動鏈,可按質量最小原則設計。,總之，減速傳動裝置傳動比的分配原則是設計減速器的指導思想和基本方法。在實際減速器設計中，應結合減速器的具體要求，認真分析、論證方案實現(xiàn)的可行性、經濟性、可靠性等指標，并對減速器的轉動慣量、結構尺寸、精度要求等進行合理協(xié)調，盡可能達到合理的匹配，達到減速器具有體積小、重量輕、運轉平穩(wěn)、可頻繁啟動和動態(tài)特性好、傳動精度高、誤差最小等基本要求。,4）諧波齒輪傳動,諧波齒輪傳動產品,圖 諧波齒輪傳動組成與原理 3 （H）波形發(fā)生器 1剛輪 2柔輪,【一】諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形

28、變形運動（彈性范圍內）?！径縿傒喪莿傂缘膬三X輪。 【三】柔輪是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。,1、結構組成,2、工作原理 波形發(fā)生器為主動件，剛輪或柔輪為從動件。剛輪有內齒圈，柔輪有外齒圈，其齒形為漸開線或三角形，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)生器的長徑比柔輪內徑略大，故裝配在一起時就將柔輪撐成橢圓形。 工程上常用的波形發(fā)生器有兩個觸頭的即為雙波發(fā)生器，也有三個觸頭的。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。當波形發(fā)生器逆時針轉一圈時，兩輪相對位移為

29、兩個齒矩。當剛輪固定時，則柔輪的回轉方向與波形發(fā)生器的回轉方向相反。,3、諧波齒輪傳動比(鋼輪固定與柔輪固定),4、諧波齒輪減速產品及選用,優(yōu)點： 傳動比大（單級傳動比可達60250）； 承載能力強； 傳動精度高、回程誤差??； 傳動效率高； 體積小，重量輕； 噪聲低傳動平穩(wěn)； 結構簡單。 缺點： 對材料、加工、熱處理要求把高，散熱條件差，轉動慣量大。,4）齒輪傳動間隙的消除措施,(1)、圓柱齒輪傳動,圖 偏心軸套式消除間隙結構 1、偏心環(huán) 2電液脈沖馬達,（a）偏心軸套調整法,圖 帶錐度齒輪的消除間隙結構 1、3齒輪 2墊片,（b）軸向墊片調整法（錐度齒輪調整法）,（c）雙片薄齒輪錯齒調整法,

30、圓柱薄片齒輪周向彈簧錯齒調整法 1彈簧 2短柱 3、4齒輪,A、周向彈簧式（不用于功率驅動）,圓柱薄片齒輪可拉簧錯齒調整法 1,2薄片齒輪 3,8凸耳 4彈簧 5,6螺母 7調整螺釘,B、周向可調拉簧式,2、斜齒輪傳動齒側隙的消除方法。,斜齒薄片齒輪墊片錯齒調整法 1、2薄片齒輪 3寬齒輪 4墊片,（1）墊片調整法,斜齒薄片齒輪軸向壓簧錯齒調整法 1、2薄片齒輪 3寬齒輪 4鍵 5彈簧 6螺母,（2）軸向壓簧調整法,3、錐齒輪傳動,錐齒輪軸向壓簧調整法 1、4錐齒輪 2、3鍵 5壓簧 6螺母 7傳動軸,（1）軸向壓簧調整法,錐齒輪周向彈簧調整法 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）軸向彈簧調整法,4、齒輪齒條傳動,圖 齒輪齒條傳動的齒側隙消除法 1、6小齒輪 2、5大齒輪 3齒輪 4預載力裝置 7齒條,（六)、撓性傳動 除滾珠絲杠副、齒輪副等傳動部件之外，機電系統(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部件。,1、同步帶傳動 同步帶傳動是綜合了普通傳動和鏈輪鏈條傳動的優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒于與輪齒作嚙合傳動。為保證帶輪和帶作無滑差的同步傳動，其齒形帶均采用了承載后無彈性變形的高強力材料，以保證帶的節(jié)距不變。,優(yōu)點： 傳動比準確； 傳動效率高（0.98）； 傳動平穩(wěn)，能

32、吸振，噪聲小。 能高速傳動，維護保養(yǎng)方便，且不需潤滑，傳動功率（由幾瓦幾百千瓦），速度（可達50m/s），速比（可達10左右）。 缺點： 安裝精度要求高、中心距要求嚴格，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 同步帶的結構 1加強筋；2帶齒；3帶背,圖 帶輪結構,2、鋼帶傳動 特點:鋼帶與帶輪間接觸面積大、無間隙、摩擦阻力大；無滑動、結構簡單緊湊、運行可靠、噪聲低、驅動力大、壽命長，鋼帶無蠕變。,圖 a 鋼帶傳動定位機構 1導桿；2軸承；3小車；4導軌；5磁頭；6鋼帶；7步進電動機,高彈性模量的彈簧鋼,3、繩輪傳動 優(yōu)點:結構簡單、傳動剛度大、結構柔軟、成本低

33、、噪聲低等。 缺點:帶輪較大，安裝面積大、加速度不易太高。,圖 繩輪傳動在打印機字車送進機構中的應用 1字車；2繩輪(電動機輸出軸上)；3伺服電動機；4鋼絲繩,（七）、間歇傳動 機電一體化系統(tǒng)中常用的間歇傳動有棘輪傳動、槽輪傳動、蝸形凸輪傳動等部件。這些傳動部件可將輸入的連接運動轉化為間歇運動。其基本要求是移位迅速，移位過程中運動無沖擊，停位準確可靠。,圖 蝸形凸輪傳動機構 1轉盤 2滾子 3蝸形凸輪,1、蝸形凸輪傳動機構,2、棘輪傳動機構,圖 棘輪轉動工作原理,圖 齒式棘輪機構的形式,3、槽輪傳動機構,圖 槽輪傳動機構工作原理 1撥銷盤；2鎖緊??；3槽輪；4定位??；5撥銷,返回,2.3 導軌

34、支承部件的選擇與設計,一、導軌副的定義、組成、分類及其應滿足的要求,1、定義: 支承和限制運動部件按給定的要求和規(guī)定的運動方向運動，這樣的部件通常稱為導軌副，簡稱導軌。,圖 導軌副組成 1-承導件 2-運動件,2、組成,3、分類,（2）按接觸面摩擦性質分類,（1）按運動形式分類：直線運動導軌副、回轉運動導軌副。,（4）按導軌的結構形式分類,常用導軌副結構示意圖,（3）按導軌的結構特點分類：開式、閉式。,表 常用導軌性能比較,4、導軌副應滿足的要求,圖 直線運動導軌的幾何精度,（1）導向精度：指動導軌按給定方向作直線運動的準確程度。 （2）剛度：抵抗載荷的能力，有靜剛度與動剛度之分。 （3）精度

35、的保持性：導軌保持精度的能力，取決于耐磨性。 （4）運動的靈活性和低速運動平穩(wěn)性。 （5）對溫度的敏感性和結構工藝性。,5、導軌副的設計內容,設計導軌應包括下對幾方面內容： 1)根據(jù)工作條件，選擇合適的導軌類型。 2)選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度； 3)選擇適當?shù)膶к壗Y構及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內，有足夠的剛度、良好的耐磨性以及運動輕便和低速平穩(wěn)性。 4)選擇導軌的補償及調整裝置，經長期使用后，通過調整能保持所需要的導向精度； 5)選擇合理的耐磨涂料、潤滑方法和防護裝置使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損； 6)制訂保證導軌所必需的技術條件，如選擇適當?shù)牟牧希约盁崽幚?/p>

36、、精加工和測量方法等。,二、滑動導軌副的結構及其選擇,圖 導軌的截面形狀,1、導軌副的截面形狀及其特點,（1）三角形導軌 （2）矩形導軌 （3）燕尾形導軌 （4）圓形導軌,3、導軌副間隙的調整,圖 矩形導軌垂直方向間隙的調整,圖 矩形燕尾導軌水平間隙的調整,（1）壓板 （2）鑲條法,4、導軌副材料的選擇,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）導軌材料的搭配。,5、提高導軌副耐磨性的措施,1）

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

38、荷的變化對油膜厚度的影響很小；液體摩檫，摩檫系數(shù)僅為0.005左右，油膜抗振性好。 缺點：導軌自身結構比較復雜；需要增加一套供油系統(tǒng)；對潤滑油的清潔程度要求很高。,圖 閉式液體靜壓導軌工作原理圖,2、工作原理,2.4 軸系部件的選擇和設計,一、軸系設計的基本要求,1）旋轉精度 2）剛度 3）抗振性 4）熱變形 5）軸上零件的布置,機床主軸傳動齒輪空間布置比較,二、軸（主軸）系用軸承的類型與選擇 1、標準滾動軸承 （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 幾種常見主軸滾動軸承配置型式及其工作性能,2、非

39、標滾動軸承,非標滾動軸承是適應軸承精度要求較高，結構尺寸較小或因特殊要求而不能采用標準軸承時自行設計的。,有杯形外圈而沒有內圈,碟形墊圈來消除軸承間隙,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力將軸無機械摩擦、無潤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、提高軸系的旋轉精度 （1）軸向跳動的引起因素 （2）徑向跳動的引起因素 （3）提高旋轉精度的措施（3點） 2、提高軸系組件的抗振性 （1）強迫振動與自激振動的引起因素 （2）提高抗振性的措施（3）點 3、其他方法 如減小熱變形等。,2.5 機電一體化

40、系統(tǒng)（產品）的機座或機架,一、機座或機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、機座或機架的結構設計要點 1、鑄造機座的設計要點 （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肋 3）合理的開孔和加蓋 （2）提高機座連接處的接觸剛度 （3）機座的模型剛度試驗 （4）機座的結構工藝性 （5）材料,2 、焊接機架的設計 （接頭與坡口）,2.6 工業(yè)機器人機械構件簡介,北京理工大學機器人“匯童”,導游機器人,機器人的開發(fā)與使用,1、從整體結構形式上可將機器人分為五種基本坐標式機器人,它是一種裝配機器人，也叫作SCARA (Select

41、ive Compliance Assembly Robot Arm)機器人，在垂直平面內具有很好的剛度，在水平面內具有較好的柔順性，故在裝配作業(yè)中能獲得良好的應用，常常將它專門列出一類。,（5）平面關節(jié)式機器人可以看作是關節(jié)坐標式機器人的特例，它具有平行的肩關節(jié)和肘關節(jié)，關節(jié)軸線共面 。,圖 機器人機械結構組成 1-手部；2-手腕；3-手臂；4-機座,二、工業(yè)機器人機械結構構成,1、分類 （1）按手臂的結構形式區(qū)分 單臂、雙臂及懸掛式。,（一)手臂,作用：將被抓取的工件運送到給定的位置上。,圖 手臂的結構形式 （a）、（b）單臂式； （c）雙臂式；（d）懸掛式,（2）按手臂的運動形式區(qū)分 直線

42、運動手臂，如手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動； 回轉運動手臂，如手臂的左右回轉，上下擺動(即俯仰)； 復合運動手臂，如直線運動和回轉運動的組合，兩直線運動的組合，兩回轉運動的組合。,圖 鉸接活塞缸實現(xiàn)手臂俯仰運動的結構示意圖 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、臂部設計的基本要求 （1）剛度要求高 （2）導向性要好 （3）重量要輕 （4）運動平穩(wěn)、定位精度要高,2、設計手臂結構形式的依據(jù) 手臂的結構、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器人的工作性能，所以必須根據(jù)機器人的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度以及定位精度的要求。,

43、（二）手腕,1、涵義 工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。機器人一般其有六個自由度才能使手部(末端操作器)達到目標位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要起實現(xiàn)所期望的姿態(tài)。,2、手腕的分類 （1）手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。 （2）按驅動方式分為直接驅動手腕、遠距離傳動手腕。腕部實際所需要的自由度數(shù)目應根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。,圖 手腕的自由度 (a)手腕的翻轉Roll (b)手腕的傅仰Pitch (c)手腕的偏轉Yaw (d)腕部坐標系,（1）自由度 為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸X、Y、

44、Z的轉動，即具有翻轉、俯仰和偏轉三個自由度，如下圖所示。通常也把手腕的翻轉叫做Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示；把手腕的偏轉叫做Yaw，用Y表示。,3、手腕的自由度與設計,（2）手腕設計注意事項 在有些情況下，腕部只有兩個自由度翻轉和俯仰或翻轉和偏轉。一些專用機械手甚至沒有腕部。但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動自由度。 因為手腕是安裝在手臂的末端，所以手腕的大小和重量是手腕設計時要考慮的關鍵問題，希望能采用緊湊的結構，合理的自由度。,手腕,（三）手部,1、概述 （1）含義 工業(yè)機器人的手部（hand）也叫末端操作器（EndEffector），它是在工業(yè)機器人腕部上直接

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)學上把上臂、手腕在內的整體叫手；第二種是把手掌和手指叫手。工業(yè)機器人的手部含義接近于第二種含義。,（2）工業(yè)機器人手部的特點 1）手部與腕部相連處可拆卸。 2）手部是工業(yè)機器人的末端操作器。 3）手部的通用性比較差。 4）手部是一個獨立的部件。,多指靈巧手,2、手部的分類 （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。,抓住在給定的目標位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內必須具有可靠的定位，保持工件與手爪之間準確的相對位姿，以保證機器人后繼作業(yè)的準確性。釋放在指定點上除去手爪和工件之間的約束關

46、系。握持確保工件在搬運過程中或零件在裝配過程中定義了的位置和姿態(tài)的準確性。,專用工具：噴槍、焊槍,2）工具,（ 2）按夾持原理分,手爪按夾持原理分類,(3)按手指或吸盤數(shù)分,1）按數(shù)目可分為：二指手爪、多指手爪。,2）機械手爪按關節(jié)分：單關節(jié)手指手爪和多關節(jié)手指手爪。,柔性手指手爪,3）吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：單吸盤式手爪、多吸盤式手爪。,(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、觸覺傳感器、滑覺傳感器等，手爪與傳感器集成成為智能化手爪(Intelligent Grippers)。,（四）機身及行走機構,具有行走機構的

47、工業(yè)機器人,1、機身設計,弧焊機器人,（2）回轉與俯仰機身,回轉與俯仰機身示意圖,20公斤點焊機器人,2、行走機構設計,（1）固定軌道可移動機器人,該類機器人機身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅動，整個機器人沿絲杠縱向移動。除了這種直線驅動方式外，還有類似起重機梁行走方式等。這種可移動機器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場合，比如大型設備裝配，立體化倉庫中材料搬運，材料堆垛和儲運，大面積噴涂等。,搬運機器人,（2）無軌行走機器人 無軌行走機器人必須具備功能完備的外部傳感器，能對環(huán)境進行了解和判斷，能對環(huán)境中發(fā)生的事件進行監(jiān)視和反應，機器人具備自我規(guī)劃能力，包括任務分解，任務排序，信息資源管理

48、，以及幾何規(guī)劃等。（例如）,“土撥鼠”（右）和“野牛”（左）排爆機器人,1）輪式、履帶式,月球車在月球,2）自動導航式,我國“探索者”號無纜水下機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指標均達到國際90年代先進的同類水下機器人水平。該機器人推進器行走，最大前進速度為4節(jié)，續(xù)航能力為6小時，主要從事水下工程、海洋石油及礦產資源開發(fā)、海洋科學考察及打撈救生等作業(yè)。,“探索者號”水下1000米機器人,（3）步行機器人,步行機器人是非常活躍的一個研究領域。 輪式行走機器人在平地上行駛比較方便，履帶式行走機器人可以在泥濘道路上和沙漠中行駛，而與人類腿十分相似的步行機器人具

49、有它們無可此擬的優(yōu)點，比如能上下樓梯、跨越溝渠和障礙、能上陡坡、立地轉身等等。步行機器人可以根據(jù)足的多少來分類：,二足10自由度步行機器人,1）二足步行機器人,雙足步行機器人在爬樓梯,2）四足、六足及多足步行機器人,四足步行機器人的平行幾何模型,六足縮放式腿步行機器人,機器蜘蛛,第六節(jié) 機械系統(tǒng)特性,1、系統(tǒng)的輸入與輸出(運動變換),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)的運動變換,2、線性變換運動系統(tǒng)動態(tài)特性,圖 機構特性的一般表示,X ( s ) / Fx (s ) = 1 /( Jm + JL /i 2 )s2 ,動態(tài)特性傳遞函數(shù),3、非線性變換運動系統(tǒng)動態(tài)特性傳遞函數(shù)（用微分方程表示）,其中：,電機機械力,傳動部分機械力,二、變換機構及其運動變換分析,1、齒輪傳動機構及其運動變換,3、回轉-直線（或直線-回轉）,2、撓帶傳動機構及其運動變換,4、平面機構運動分析,三、機構靜力學特性 機構靜力學所研究的問題是： 機構輸出端所受負載（力或轉矩）向輸入端的換算； 機構內部的摩擦力（或轉矩）對輸入端的影響； 求由上述各種力或重力加速度引起的機構內部各連桿、軸承等的受力。