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1、第 二 章 機(jī) 械 系 統(tǒng) 概述 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與等效力矩 對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的基本要求：高精度快速響應(yīng)良好的穩(wěn)定性較大剛度良好的可靠性重量輕壽命長體積小 機(jī)械系統(tǒng)的組成n 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) ： 傳 遞 轉(zhuǎn) 矩 和 轉(zhuǎn) 速n 導(dǎo) 向 機(jī) 構(gòu) ： 支 承 和 限 制n 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ： 用 來 完 成 操 作 任 務(wù) 對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能要求n 1、 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 及 質(zhì) 量 都 要 小 。n 2、 剛 度 大n 3、 阻 尼 合 適n 4、 摩 擦 小n 5、 抗 振 性 好 、 穩(wěn) 定 性 高 n 6、 間 隙 小 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 種 類 ： 齒 輪 傳 動(dòng)

2、副 、 滾 珠 絲 杠 副傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 、 同 步 齒 形 帶 、 諧 波 齒 輪 減 速 器 、軟 軸 傳 動(dòng) 、 聯(lián) 軸 器 、 滾 珠 花 鍵 等 機(jī) 構(gòu) 。學(xué) 習(xí) 要 點(diǎn) :各 類 傳 動(dòng) 工 作 原 理 、 特 點(diǎn) （ 優(yōu)點(diǎn) 及 缺 點(diǎn) ） 、 典 型 結(jié) 構(gòu) 、 設(shè) 計(jì) 選 用 方 法 。 圖 a 偏 心 套 式 間 隙 消 除 機(jī) 構(gòu)1偏 心 套 2電 動(dòng) 機(jī)3減 速 箱 4 5減 速 齒 輪 n 圖 b 圓 柱 齒 輪 軸 向 墊 片 間 隙 消 除 機(jī) 構(gòu) 1、 2齒 輪 3墊 片 n 圖 c 錐 齒 輪 軸 向 壓 簧 調(diào) 隙 機(jī) 構(gòu)n 1、 4錐 齒 輪 2、 3鍵 5

3、壓 簧 6螺 母 7軸 圖 2-16 滾 珠 絲 杠 副1螺 母 2滾 珠 3回 程 引 導(dǎo) 裝 置 4絲 杠 工 作 過 程 動(dòng) 態(tài) 演 示 滾動(dòng)絲杠副 按 螺 紋 滾 道 的 截 面 形 狀 分 單 圓 弧 型 和 雙圓 弧 型 按 滾 珠 的 循 環(huán) 方 式 分 內(nèi) 循 環(huán) 和 外 循 環(huán) 按 消 除 軸 向 間 隙 的 調(diào) 整 方 法 分 雙 螺 母 螺紋 預(yù) 緊 調(diào) 隙 式 、 雙 螺 母 齒 差 預(yù) 緊 調(diào) 隙 式 、雙 螺 母 墊 片 預(yù) 緊 調(diào) 隙 式 、 彈 簧 式 自 動(dòng) 調(diào)整 預(yù) 緊 式 結(jié)構(gòu)類型 外 循 環(huán) 式 滾 珠 絲 杠 （ 插 管 式 ） 外 循 環(huán) 式 滾 珠

4、 絲 杠 （ 插 管 式 ） 內(nèi) 循 環(huán) 式 滾 珠 絲 杠 內(nèi) 循 環(huán) 式 滾 珠 絲 杠 端 蓋 循 環(huán) 方 式 的 滾 珠 絲 杠 端 蓋 循 環(huán) 方 式 的 滾 珠 絲 杠 不 同 螺 紋 滾 道 的 截 面 形 狀 浮 動(dòng) 式 反 向 器 的 內(nèi) 循 環(huán) 滾 珠 絲 杠 副 1.反 向 器 2.彈 簧 套 3.絲 杠 4.拱 形 片 簧 插 管 式 外 循 環(huán) 滾 珠 絲 杠 副 1.銷 釘 2.壓 板 3.螺 紋 滾 道 4.滾 珠 端 蓋 式 外 循 環(huán) 滾 珠 絲 杠 副 1.螺 母 2.套 筒 （ 有 滾 珠 的 回 程 道 口 ） 雙 螺 母 螺 紋 預(yù) 緊 調(diào) 隙 式 雙

5、 螺 母 齒 差 預(yù) 緊 調(diào) 隙 式 雙 螺 母 墊 片 預(yù) 緊 調(diào) 隙 式 彈 簧 式 自 動(dòng) 調(diào) 整 預(yù) 緊 式 滾動(dòng)絲杠副 特 點(diǎn)傳動(dòng)效率高。90%-95%運(yùn)動(dòng)具有可逆性。正逆 效率基本一樣系統(tǒng)剛度好。 因能預(yù)緊 故無爬行傳動(dòng)精度高。 制造精度高工藝復(fù)雜。 成本高不能自鎖。 因重力而下滑使用壽命長。 比滑動(dòng)高5-6倍 雙 推 自 由 式 （ P17）單 端 拉 伸 ， 軸 向 剛 度 低 ， 適 合 中 小 載 荷 ，低 速 ， 短 行 程 場 合 。 雙 推 簡 支 式單 端 拉 伸 ， 軸 向 剛 度 不 高 ， 適 合 中速 精 度 較 高 場 合 雙 推 雙 推 式兩 端 預(yù) 拉

6、 緊 ， 軸 向 剛 度 高 ， 適 合 高 速 、高 剛 度 、 高 精 度 。 n 超 越 離 合 器n 1外 圈 2星 輪 3滾 柱 4活 銷 5彈 簧n 特 點(diǎn) ： 單 方向 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 電 磁 摩 擦 制 動(dòng) 裝置 示 意 圖特 點(diǎn) ： 便 于 實(shí) 現(xiàn)自 動(dòng) 控 制（ 圖 示 滾 珠 絲 杠用 于 垂 直 軸 時(shí) 的自 鎖 方 式 。 ） 滾 珠 絲 杠 副 的 主 要 尺 寸 參 數(shù) 同步帶傳動(dòng)特 點(diǎn)能方便地實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動(dòng)；工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)；不需要潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護(hù)保養(yǎng)方便；強(qiáng)度高，厚度小，重量輕；中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高；制造工藝復(fù)雜，成本高

7、。 同 步 帶 傳 動(dòng) 梯 形 齒 同 步 帶 結(jié) 構(gòu)1-帶 背 2-承 載 繩 3-包 布 層 4-帶 齒 同 步 帶 主 要 參 數(shù) 諧 波 齒 輪 傳 動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng)優(yōu) 點(diǎn)傳動(dòng)比大。 單級(jí)50-5000,最高可達(dá)30000以上承載能力大。 同時(shí)嚙合齒數(shù)有30%-40%傳動(dòng)精度高。 嚙合齒數(shù)多，誤差均化可以向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。傳動(dòng)平穩(wěn) 。 無沖擊振動(dòng)傳動(dòng)效率高 。 單級(jí)在69%-96%結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。 諧波齒輪傳動(dòng) n 用 于 機(jī) 器 人 、 雷 達(dá) 、 射 電 望 遠(yuǎn) 鏡 、 電 子儀 器 、 儀 表 等 的 大 傳 動(dòng) 比 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 中 缺 點(diǎn) 柔 輪 和 波

8、發(fā) 生 器 制 造 復(fù) 雜 。 傳 動(dòng) 比 下 限 值 較 高 。 不 能 做 成 交 叉 軸 和 相 交 軸 的 結(jié) 構(gòu) 。 軟 軸 傳 動(dòng) 滾 珠 花 鍵 機(jī) 構(gòu) 2、機(jī)械系統(tǒng) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)n 導(dǎo) 軌 的 組 成 和 分 類n 導(dǎo) 軌 按 其 接 觸 面 的 摩 擦 性 質(zhì) 可 分 為 滑 動(dòng) 導(dǎo) 軌 、滾 動(dòng) 導(dǎo) 軌 、 流 體 介 質(zhì) 摩 擦 導(dǎo) 軌 等 。n 按 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 可 分 為 開 式 導(dǎo) 軌 和 閉 式 導(dǎo) 軌 。 n 根 據(jù) 導(dǎo) 軌 之 間 的 摩 擦 情 況 ， 常 用 導(dǎo) 軌 有 滑 動(dòng)導(dǎo) 軌 和 滾 動(dòng) 導(dǎo) 軌 。 對(duì)導(dǎo)軌的基本要求（ 1） 導(dǎo) 向 精 度（ 2）

9、剛 度（ 3） 耐 磨 性（ 4） 運(yùn) 動(dòng) 的 靈 活 性 和低 速 運(yùn) 動(dòng) 的 平 穩(wěn) 性 直 線 運(yùn) 動(dòng) 導(dǎo) 軌 的 幾 何 精 度 塑料導(dǎo)軌n 塑 料 導(dǎo) 軌 軟 帶 (貼 塑 導(dǎo) 軌 ）n 金 屬 塑 料 復(fù) 合 導(dǎo) 軌 板n 塑 料 涂 層 軟 帶 粘 貼 形 式 金 屬 塑 料 復(fù) 合 導(dǎo) 軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌 摩擦系數(shù)小（0.003-0.005），運(yùn)動(dòng)靈活動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同，啟動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象可以預(yù)緊，剛度高壽命長精度高潤滑方便 一次裝填潤滑脂，長期使用。工 作 過 程 動(dòng) 態(tài) 演 示 優(yōu) 點(diǎn) 滾 動(dòng) 導(dǎo) 軌 結(jié) 構(gòu) 形 式 滾 動(dòng) 體 循 環(huán) 式 導(dǎo) 軌 副 滾 動(dòng) 導(dǎo)

10、軌 副 導(dǎo) 軌 用 滾 動(dòng) 軸 承 2、機(jī)械系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)n 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 分 類n熱變形式n磁致伸縮式n工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器 圖 2-42 熱 變 形 式 微 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 原 理 2、機(jī)械系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)熱變形式傳 動(dòng) 桿 受 熱 伸 長 ， 伸 長 量 L(mm)為 ： n n L=L(t1-t0)=Lt n n 式 中 ： 傳 動(dòng) 桿 1材 料 的 線 性 膨 漲 系 數(shù) （ um/ .m） ； n L傳 動(dòng) 桿 長 度 （ m） ；n t1加 熱 后 的 溫 度 （ ） ；n t0加 熱 前 的 溫 度 （ ） ；n t加 熱 前 后 的 溫 度 差 （ ） 圖 2-44 磁 致

11、伸 縮 式 原 理 2、機(jī)械系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)磁致伸縮式n 伸 縮 棒 的 變 形 量 L(m)為 ： L= L 式 中 ， 材 料 磁 致 伸 縮 系 數(shù) （ m/m） ； L伸 縮 棒 被 磁 化 部 分 的 長 度 （ m）n 100mm長 的 鐵 鈷 礬 棒 ， 磁 致 伸 縮 只 能 伸 長 7m。 磁 致 伸 縮 式 精 密 坐 標(biāo) 工 作 臺(tái) 工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器1、 機(jī) 械 夾 持 器圓 弧 開 合 型 、 圓 弧 平 行 開 合 型 、 直 線 平 行 開 合 型 2、 特 種 末 端 執(zhí) 行 器真 空 吸 附 手 、 電 磁 吸 附 手 3、 萬 能 手 （ 或 靈 巧 手 ）

12、 圓 弧 開 合 型 夾 持 器 運(yùn) 動(dòng) 過 程 演 示 圓 弧 平 行 開 合 型 夾 持 器 運(yùn) 動(dòng) 過 程 演 示運(yùn) 動(dòng) 過 程 演 示 直 線 平 行 開 合 型 夾 持 器 特 種 末 端 執(zhí) 行 器(a)真 空 吸 附 手 （ b)噴 槍 （ c)空 氣 袋 膨 脹 手 (d)弧 焊 焊 槍 (e)電 磁 吸 附 手 (f)點(diǎn) 焊 槍 負(fù) 壓 真 空 吸 附 手 具 有 磁 粉 袋 的 吸 附 手 靈 巧 手模 仿 人 手 的 多指 多 關(guān) 節(jié) 機(jī) 器人 末 端 執(zhí) 行 器 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量n 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 ： 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 是 表 征 剛 體 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 性 大 小 的

13、物 理 量 ， 它 與 剛 體 的 質(zhì) 量 、 質(zhì) 量 相 對(duì) 于 轉(zhuǎn) 軸 的 分布 有 關(guān) 。 n 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 ： 折 算 到 某 特 定 軸 （ 電 機(jī) 軸 ） 上 的全 部 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 Jd(Kg.m2) 281 mdJ 慣 量 匹 配 原 則n 電 機(jī) 軸 上 的 總 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 Jd與 電 機(jī) 軸 自 身的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 Jm應(yīng) 控 制 在 ：n 比 值 太 大 ， 系 統(tǒng) 動(dòng) 特 性 受 負(fù) 載 變 化 干 擾 ； 比值 太 小 ， 不 經(jīng) 濟(jì) ， 大 馬 拉 小 車 n 通 過 減 速 傳 動(dòng) 比 i和 絲 杠 導(dǎo) 程 p的 合 理 搭 配

14、，使 慣 量 匹 配 趨 于 合 理141 mdJJ 31 mdJJ 小 慣 量 電 機(jī) （ Jm=0.00005kgm2）大 慣 量 電 機(jī) （ Jm=0.1-0.6kgm2） 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 計(jì) 算n 系 統(tǒng) 由 有 m個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 件 和 n個(gè) 移 動(dòng) 件 組 成 ， 則 系 統(tǒng) 運(yùn) 動(dòng)部 件 的 總 能 量 為 ：n 設(shè) 等 效 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 為 vJ jn j jimi i mE 2121 2121 vJ JE jnj jimi i kkk mE 2121 22121 21 J k 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 計(jì) 算 （ 教 材 P35）n 系 統(tǒng) 由 有 m個(gè)

15、轉(zhuǎn) 動(dòng) 件 和 n個(gè) 移 動(dòng) 件 組 成 ， 等 效到 電 機(jī) 軸 上 的 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 為 ：n 式 中 ： Ji為 第 i個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 件 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （ Kg.m2 ） ； n i為 其轉(zhuǎn) 速 ； nk為 電 機(jī) 軸 的 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） ；n vj為 第 j個(gè) 移 動(dòng) 件 的 移 動(dòng) 速 度 （ m/min） ； mj為 其 質(zhì) 量 （ Kg）21221 )(41)( kjnj jkimik nvmnnJiJ 等 效 力 矩 計(jì) 算n 系 統(tǒng) 在 t時(shí) 間 內(nèi) ， 克 服 所 受 力 矩 和 力 所 作 的功 為 ：n 設(shè) 等 效 到 第 k軸 的 等 效 力

16、矩 為 則 有 :tFtW VT jnj jmi ii 11 tFt Wt VT TW jnj jimi i kkk 11 Tk 等 效 力 矩 計(jì) 算n 系 統(tǒng) 由 有 m個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 件 和 n個(gè) 移 動(dòng) 件 組 成 ，等 效 到 電 機(jī) 軸 上 的 等 效 力 矩 Tk為 ：n Ti為 第 i個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 件 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 （ N.m） ； Fj為 第 j個(gè) 移 動(dòng) 件 所 受 的 負(fù) 載 力 （ N） )(21)( 11 kjnj jkimi ik nvFnnTT 啟 動(dòng) 時(shí) 加 速 轉(zhuǎn) 矩n 式 中 ， Tamax為 等 效 到 電 機(jī) 軸 上 的 加 速 轉(zhuǎn) 矩 ， 單 位 N.

17、m;n Jk為 等 效 到 電 機(jī) 軸 上 的 總 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 ,單 位 kg.m2; nmax為 電 機(jī) 軸 啟 動(dòng) 后 達(dá) 到 的 最 高 轉(zhuǎn) 速 ,單 位 r/min;t為 啟 動(dòng) 過 程 需 要 時(shí) 間 ,單 位 s注 :系 統(tǒng) 制 動(dòng) 時(shí) 所 需 要 制 動(dòng) 力 矩 計(jì) 算 方 法 同 上 .tndtdT JJ kka 602 m axm ax 系 統(tǒng) 帶 負(fù) 載 啟 動(dòng) 時(shí) 需 要 的 轉(zhuǎn) 矩n 系 統(tǒng) 帶 負(fù) 載 啟 動(dòng) 時(shí) ,電 機(jī) 需 要 轉(zhuǎn) 矩 TM為 等 效 負(fù) 載 轉(zhuǎn)矩 Tk和 加 速 轉(zhuǎn) 矩 Tamax之 和 ,即 : tnnvFnnTTT JT kkjnj jk

18、imi iakM 60221 m ax11m ax n 例 ： 如 圖 數(shù) 控 機(jī) 床 的 進(jìn) 給 伺 服 系 統(tǒng) 中 ， 已 知 齒 輪 1的齒 數(shù) Z1=25， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 J1=0.0003Kg.m2 ， 齒 輪 2的 齒數(shù) Z2=50， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 J2=0.0048Kg.m2 ， 滾 珠 絲 杠 的 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣 量 J3=0.003Kg.m2 ， 絲 杠 螺 距 P=10mm， 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣 量 JM=0.0016 Kg.m2,工 作 臺(tái) 質(zhì) 量 m=100Kg,驅(qū) 動(dòng) 系統(tǒng) 總 效 率 ,工 作 臺(tái) 與 導(dǎo) 軌 面 的 摩 擦 系 數(shù) 為 。 已知 切 削 進(jìn) 給 時(shí)

19、 沿 進(jìn) 給 方 向 阻 力 為 100Kg,啟 動(dòng) 時(shí) 電 機(jī) 達(dá)到 最 高 轉(zhuǎn) 速 500 r/min的 啟 動(dòng) 加 速 時(shí) 間 為 50ms。 試 求 ：n （ 1） 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 換 到 電 機(jī) 軸 上 的 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 是 多 少 ？ n （ 2） 系 統(tǒng) 空 載 啟 動(dòng) 和 切 削 進(jìn) 給 時(shí) 轉(zhuǎn) 換 到 電 機(jī) 軸 上 的等 效 力 矩 分 別 是 多 少 ？ 02.0 電 機(jī) 工 作 臺(tái) mZ 1 J1Z2 J2 J3 n 工 作 臺(tái) 的 最 高 移 動(dòng) 速 度 : v=n1 Z1 P/Z2=500 25 0.01/50=2.5 m/min n n n 齒 輪 2的 轉(zhuǎn)

20、 速 n2=n1 Z1/Z2=500 25/50=250 r/min n 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 : J1=JM+J1+（ J2+J3） （ n2/n1）2+m(v/n1)2/4 2 n =0.0016+0.0003+(0.0048+0.003)(250/500)2+100(2.5/500)2/4 2 n =0.0016+0.0003+0.00195+0.000063=0.0039 Kg-m2 n(2)加 速 力 矩 Ta ).(08.405.060 0039.050014.32602 m ax MNt JnTa ).(02.05005.25.2414.32 1021 11 MNnvFnnTT

21、 kjkj jkimi if n阻 力 矩 Tf:摩 擦 阻 力 F=100*9.8*0.02/0.8=24.5 (N)n空 載 啟 動(dòng) 等 效 力 矩 T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M)切 削 阻 力 F=100*9.8/0.8=1225（ N） ).(15005.2122514.32 1021 1 MNnvFT kjkj jF n切 削 進(jìn) 給 等 效 力 矩 T=TF+Tf=1+0.02=1.02(N.M) 作 業(yè) 題n 1.什 么 是 機(jī) 電 一 體 化 ？ 機(jī) 電 一 體 化系 統(tǒng) 的 基 本 組 成 要 素 有 哪 些 ？n 2.簡 要 敘 述 機(jī) 電 一 體 化

22、 系 統(tǒng) 的 共 性關(guān) 鍵 技 術(shù)n 3.常 用 的 機(jī) 械 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 有 哪 些 ？ 各有 何 特 點(diǎn) n 4.滑 動(dòng) 導(dǎo) 軌 和 滾 動(dòng) 導(dǎo) 軌 各 有 何 特 點(diǎn) ? 分 析 計(jì) 算 題n 如 圖 已 知 齒 輪 1的 齒 數(shù) Z1=25， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 J1=0.0003Kg.m2 ，齒 輪 2的 齒 數(shù) Z2=50， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 J2=0.0048Kg.m2 ， 滾 珠 絲 杠的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 J3=0.003Kg.m2 ， 絲 杠 螺 距 P=10mm， 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣 量 JM=0.0016 Kg.m2,工 作 臺(tái) 質(zhì) 量 m=100Kg,驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 總效 率 為 0.8,工 作 臺(tái) 與 導(dǎo) 軌 面 的 摩 擦 系 數(shù) 為 0.02,不 考 慮 切 削阻 力 ,電 機(jī) 達(dá) 到 最 高 轉(zhuǎn) 速 500 r/min的 啟 動(dòng) 加 速 時(shí) 間 為 50ms。試 求 此 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 換 到 電 機(jī) 軸 上 的 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 和 等 效 力 矩 電 機(jī) 工 作 臺(tái) mZ1 J1Z2 J2 J3