机电一体化概论2-1机械单元|什么是机械的最小单元

来源:团员自我鉴定 发布时间:2019-10-17 06:22:57 点击:
第2章 机电一体化的系统组成,2.1 机械单元 2.2 伺服与驱动单元 2.3 检测单元 2.4 控制单元 2.5 接口技术,第2章 机电一体化的系统组成,机电一体化系统主要由机械单元、检测单元、控制单元、伺服与驱动单元等组成。,2.1 机械单元,2.1.1 机械单元基础 2.1.2 执行元件 2.1.3 传动与导向元件,手表的精确定时是靠机械传动实现的,2.1.1 机械单元(Mechanical unit)基础,机械单元是机电一体化系统的基础,是系统中所有功能单元的安装骨架和支撑结构,同时还具有传递动力和运动的作用 线性传动元件:减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等;

非线性传动元件:连杆机构、凸轮机构等;

导向支承元件、旋转支承元件 轴系及架体等,2.1.1 机械单元(Mechanical unit)基础,基本要求:精度高,惯量小,刚度大 基本组成:
执行元件(cutive component) 机械执行元件,液压缸、气缸等;

电气执行元件,如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合器等 传动与导向元件(Transmission and guide components) 传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。

导轨、导向键等 机座元件,2.1.2 执行元件,机械执行元件是机器的直接工作部分,它是将动力和运动转化为克服有效外载、对外做功、完成人们设计任务的元件。

如,汽车驱动轮、夹持机器人手指等。,机电一体化系统中,执行元件主要包括:机械执行元件、电磁执行元件、机械手末端执行器等。,2.1.2 执行元件,1. 机械执行元件 微动机构是机电一体化系统中广泛应用的执行元件 机械式:精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及弹性机构等。

机电式:电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸缩式等。,(1)螺旋微动机构 万能工具显微镜工作台的螺旋微动装置,2.1.2 执行元件,(2)蜗轮-凸轮微动机构 (3)齿轮-杠杆微动机构,扇形齿轮 (杠杆),2.1.2 执行元件,(4)热变形式微动机构,机构原理示意图 热变形微动机构,2.1.2 执行元件,(5)磁致伸缩式微动机构,2.1.2 执行元件,2. 电磁执行元件(Electromagnetic actuator) 利用电磁感应现象驱动被控对象。,电磁阀 电磁马达 电磁离合器,2.1.2 执行元件,2. 电磁执行元件(Electromagnetic actuator),左端电线圈通电 右端电线圈通电 二位五通电磁阀工作原理,2.1.3 传动与导向元件,1. 杆系(Bar-linkage system),示意图 缝纫机下针机构 平面杆系 空间杆系,空间杆系,若干个连杆机构按照一定的方式组合在一起,可以实现更为复杂的平面平移、角度倾斜、回转等复合运动。,2.1.3 传动与导向元件,2. 轮系,(1)齿轮传动(Gear transmission) (2)齿轮齿条传动(Gear-rack transmission),1.最佳总传动比 首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载,综合为系统的总负载,方法有:
(a) 峰值综合:若各种负载为非随机性负载,将各负载的峰值取代数和。

(b) 均方根综合:若各种负载为随机性负载,取各负载的均方根。,齿轮传动,,1.最佳总传动比 负载综合时,要转化到电机轴上,成为等效峰值综合负载转矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比,即为最佳总传动比。,齿轮传动,,2.总传动比分配 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。可按下述三种原则适当分级,并在各级之间分配传动比。,齿轮传动,,(1) 最小等效转动惯量原则 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。,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:,,齿轮传动,,,,因为:,所以:,,,即:,,令,可得,(2) 重量最轻原则 对于小功率传动系统,使各级传动比满足, 即可使传动装置的重量最轻。,齿轮传动,,,上述结论对于大功率传动系统是不适用的,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“先大后小”原则处理。,齿轮传动,,,(3) 输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度,各级传动比应按“先小后大”原则分配,以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为,齿轮传动,,,,,,3 齿轮传动间隙的调整方法 (1) 圆柱齿轮传动 (a) 偏心套(轴)调整法 如右图所示,将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上,并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上,齿轮传动,,(b) 轴向垫片调整法 如右图所示,齿轮1和2相啮合,其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度,这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动,从而消除两齿轮的齿侧间隙。,齿轮传动,,(c) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮,另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧,以消除齿侧间隙,反向时不会出现死区。,齿轮传动,,(2) 斜齿轮传动 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同,也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合,只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离,这样它的螺旋线便错开了。,齿轮传动,,(3) 锥齿轮传动 轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理如图6-15,在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5,其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动,从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙。,齿轮传动,,(b) 周向弹簧调整法 将与锥齿轮3啮合的齿轮做成大小两片(1、2),在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8,小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7。弹簧5装在槽8中,一端顶在凸爪7上,另一端顶在镶在槽8中的镶块4上。止动螺钉6装配时用,安装完毕将其卸下,则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿,从而达到消除间隙的目的。,齿轮传动,,4 齿轮齿条传动机构 当传动负载大时,可采用双齿轮调整法。通过预载装置4向齿轮3上预加负载,使大齿轮2、5同时向两个相反方何转动,从而带动小齿轮1、6转动,其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧,消除了齿侧间隙。,齿轮传动,,谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十~几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点,故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。,谐波齿轮传动,,谐波传动由三个主要构件所组成,即具有内齿的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通常波发生器为主动件,而刚轮和柔轮之一为从动件,另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时,由于前者的总长度略大于后者的内孔直径,故柔轮变为椭圆形,于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区;
同时在椭圆短轴两端,两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处,则视柔轮回转方向的不同,或处于啮合状态,或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时,柔轮长短轴的位置不断交化,从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化,于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移,从而传递运动。,谐波齿轮传动,,在波发生器转动一周期间,柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的,称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉,刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮数)的整倍数,通常取为等于波数。,谐波齿轮传动,,2 谐波齿轮传动的传动比计算 式中:
、 、 分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度;

、 分别为刚轮和柔轮的齿数。

(1) 当柔轮固定时, ,则,三、谐波齿轮传动,,(2) 当刚轮固定时, ,则 设 、 当柔轮固定时, 当柔轮固定时,三、谐波齿轮传动,,3. 谐波齿轮减速器产品及选用 常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图,三、谐波齿轮传动,,2.1.3 传动与导向元件,2. 轮系,同步带实物 打印机上的字车结构,(3)同步带传动(Timing-belt transmission),同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件,于1940年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上,取得显著效益,并被逐渐引用到其他机械传动上。,同步带传动,,1. 分类 2. 同步带的优缺点 3. 同步带的结构和尺寸结构 4. 同步带的设计计算,同步带传动,,1. 分类 (1).按用途分 (a) 一般工业用同步带传动 即梯形齿同步带传动。它主要用于中、小功率的同步带传动,如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。

(b) 高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive)或STPD带传动(Super Torque Positive Drive)。由于其齿形呈圆弧状,在我国通称为圆弧齿同步带传动。它主要用于重型机械的传动中,如运输机械(飞机、汽车)、石油机械和机床、发电机等的传动。,同步带传动,,(2). 按规格制度分 (a) 模数制 同步带主要参数是模数m(与齿轮相同),根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数。在60年代该种规格制度曾应用于日、意、苏等国,后随国际交流的需要,各国同步带规格制度逐渐统一到节距制。目前仅前苏联及东欧各国仍采用模数制。,同步带传动,,(2) 节距制 即同步带的主要参数是带齿节距,按节距大小不同,相应带、轮有不同的结构尺寸。该种规格制度目前被列为国际标准。,同步带传动,,2. 同步带传动的优缺点 (1).工作时无滑动,有准确的传动比 (2).传动效率高,节能效果好 (3).传动比范围大,结构紧凑 (4).维护保养方便,运转费用低 (5).恶劣环境条件下仍能正常工作,同步带传动,,3. 同步带的结构和尺寸规格 (1).同步带结构 如下左图所示,同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。工业用同步带带轮形状如下右图所示。,同步带传动,,4. 同步带的设计计算 (1).失效形式和计算准则 同步带传动主要失效形式有:
(a) 承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小等。

(b) 爬齿和跳齿 原因是同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。

(c) 带齿的磨损 原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。

(d) 其他失效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。

在正常的工作条件下,同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下,保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下,则应保证带齿的一定耐磨性。,同步带传动,,(2).同步带传动的设计计算步骤 设计同步带传动的已知条件为:
Pm 需要传递的名义功率;

n1、n2 主从动轮的转速或传动比;

(a) 确定带的设计功率;

(b) 选择带型和节距;

(c) 确定带轮齿数和节圆直径;

(d) 确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距;

(e) 校验同步带和小带轮的啮合齿数;

(f) 确定实际所需同步带宽度;

(g) 带的工作能力验算。,同步带传动,,2.1.3 传动与导向元件,3. 螺旋传动(Helix transmission),结构原理图 实物 滚珠丝杠传动,螺纹传动,2.1.3 传动与导向元件,滚珠丝杠传动特点 摩擦损

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