机械传动与工业机器人.ppt

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1、第二章机械传动与工业机器人,2.1 机械系统部件设计要求,一、机电一体化机械系统的特殊要求 机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：1.较高的定位精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。,2.良好的动态响应特性 响应快、稳定性好。要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。3.无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。

2、4.高的谐振频率、合理的阻尼比。,2.1 机械系统部件设计要求,二、主要措施和手段 1.采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。2.缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。3.选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。4.尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误差。5.改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。,2.1 机械系统部件设计要求,2.2

3、机电一体化系统的机械结构及功能,德国的排爆机器人,一、机械系统组成 1、传动结构：主要功能是传递能量和运动，是一种力、速度变换器。2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,3、支 承 件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速

4、；2、它的实质是一种转矩、转速变换器；3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。,二、常见的机械传动装置及功能,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%40%)。滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%98%）、传动精度高。,三、丝杠螺母机构,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,1、丝杠螺母机构传递运动的基本条件,1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑

5、移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2、丝杠螺母传动的类型与特点,图a 丝杠螺母机构基本传动形式,1)螺母固定、丝杆转动并移动 如图a所示，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消 除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2

6、)丝杆转动、螺母移动如图b所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,3)螺母转动、丝杆移动 如图c所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 丝杠螺母机构基本传动形式,4)丝杆固定、螺母转动并移动 如图d所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 差动传动原理,该方式的丝杆上有基本导程(或螺距)不同的(如l01、l02)

7、两段螺纹，其旋向相同。当丝杆2转动时，可动螺母1的移动距离为S=n(l01l02)，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移S。因此，这种传动方式多用于各种微动机构中。,（5）差动传动方式,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,四、滚动螺旋传动,1、滚珠丝杠副的组成及特点,滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当螺杆或螺母传动时，滚动沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 滚珠丝杠副的构成原理1-反向器 2-螺母 3-丝杠 4-滚珠,（1）滚珠丝杠结构组成,工作说明：滚珠丝

8、杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚道回程装置，构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通道。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（2）滚珠丝杠的特点 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比有如下特点：优点：传动效率高（0.90.95）；传动精度高；摩擦小、不易磨损，寿命长；运动的可逆性；结构复杂，工艺性差，成本高。轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)；运动平稳。缺点：不能自锁，传动可逆，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。,内循环单螺母式滚珠丝杠副,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2、滚珠丝杠副的典型结构类型

9、滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。（1）螺纹滚道型面(法向)的形状及主要尺寸,图 螺纹滚道法向截面形状,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点,单圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。因此运行特性不够稳定。双圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。接触角在工作过程中基本不变。,双圆弧滚道,单圆弧滚道,2.2 机电一体化系统的机

10、械结构及功能,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,结构：,实例：浮动式反向器的循环内循环滚珠丝杠副,反向器1,拱形片簧4,弹簧套2,优点：是在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,b,外循环方式,1）螺旋槽式,结构：在螺母2的外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个挡珠器4引导滚珠3通过这两个孔，应用套筒1盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。结构的特点：工艺简单、径向尺寸小、易于制造，但是挡珠器刚性差、易磨损。,2.2 机电一体化系统的机械结

11、构及功能,2）插管式,结构：用一弯管1代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道5相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠4进入弯管，构成滚珠的循环回路，再用压板2和螺钉将弯管固定。特点：插管式结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,3）端盖式,结构：在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回程滚道，螺母两端装有两块扇形盖板或套筒2，滚珠的回程道口就在盖板上。滚道半径为滚珠直径的1416倍。特点：这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式用作升降传动机构。,2.2 机电一体化系统的机

12、械结构及功能,3、滚珠丝杠副的主要尺寸参数,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,4、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,（1）、精度等级,（2）、标注方法,3、尺寸系列4、推荐采用的精度等级,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,5、消除间隙和调整预紧,（1）双螺母螺纹预紧调整式,结构：螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过二个圆螺母固定。原理：调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力(如图b所示)，从而消除轴向间隙。特点：结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,2.2 机电

13、一体化系统的机械结构及功能,（2）双螺母齿差预紧调整式,结构：两个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3，二者齿数相差一个齿，通过二端的两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销固定在套筒1上。工作原理：调整时先取下两端的内齿轮2，当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定后，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使二个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。,特点：可实现定量调整即可进行精密微调(如0002 mm)，使用中调整较方便。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（3）双螺母垫片调整预紧式,结构与原理：调整垫片1的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达

14、到消除间隙、产生预紧拉力之目的。特点：结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（4）弹簧式自动调整预紧式,结构原理：双螺母中一个活动、另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。特 点：能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。,弹簧,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,结构原理：在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于突变量和单

15、列滚珠的径向间隙。特点：结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。,图 单螺母变位导程预紧式,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,6、滚珠丝杠副支承方式的选择,（1）支承方式,1）单推单推式,结构：止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。特点：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大；轴承寿命比双推一双推式低；,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2）双推一双推式,结构：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。,2.2 机电一体

16、化系统的机械结构及功能,3）双推简支式,结构：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,4）双推自由式,结构与特点：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（2）轴承的组合安装支承示例,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2.2

17、 机电一体化系统的机械结构及功能,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（3）制动装置,超越离合器1外圈 2星轮 3滚柱 4活销 5弹簧,1）制动原因：因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。,2）常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。选购滚珠丝杠副时可同时选购相宜的超越离合器。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 电磁摩擦制动装置原理图,3）制动实例,A：结构组成B：制动原理,运动部件,摩擦离合器,电磁线圈,铁心,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,7、滚珠丝杠副的密封与润滑,1-螺旋弹

18、簧钢带式伸缩套管；2-波纹管密封套,原因：滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进人滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。密封圈类型：接触式和非接触式两种，其装在滚珠螺母的两端。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，商使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩

19、挡板。其材料有耐油塑料、人造革等。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,8、滚动螺旋传动的设计计算,（1）滚珠丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时（如垂直运动）可选用具有单圆弧螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（2）滚珠丝杠副结构尺寸的选择 选用滚珠丝杠副时通常主要选择的公称直径d0和基本导程l0。公称直径

20、d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度ls在允许的情况下要尽量短，一般ls/d0小于30为宜；基本导程l0应按承载能力、传动精度及传动速度选取，l0大承载能力也大，l0小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（3）滚珠丝杠副的选择步骤 选用时，必须知道实际的工作条件（已知参量）：*最大的工作载荷Fmax（或平均工作载荷Fcp（N）作用下的使用寿命T（h）；*丝杠的长度（或螺母的有效行程）l（mm）；*丝杠的转速n（或平均转速ncp）（r/min）；*滚道的硬度HRC及丝杠的工况。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功

21、能,1）承载能力选择 计算作用于丝杠轴向最大动载FQ，然后根据FQ值选择丝杠副的型号。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2）压杆稳定性核算,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,3）刚度的验算,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（五）齿轮传动,1、齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配,1）常用的齿轮减速装置传动形式,图 常用减速装置传动形式,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2）齿轮传动系总传动比的确定,在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图2-1所示。,图中：Jm 电动机M转子的转动 惯量；m 电动机M的角位移；JL

22、负载L的转动惯量；L 负载L的角位移；TLF 摩擦阻抗转矩；i 齿轮系G的总传动比。,电机、传动装置和负载的传动模型,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,根据传动关系有 式中:电动机的角位移、角速度、角加速度；负载的角位移、角速度、角加速度。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF/i；JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为：,(2-1),2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,在式(2-1)中,若改变总传动比i,则 也随之改变。根据负载角加速度最

23、大的原则,令,则 解得若不计摩擦,即TLF0,则,(2-2),(2-2),2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,式表明,得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,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。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，

24、但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。,3）传动链的级数和各级传动比的分配,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,a、等效转动惯量最小原则 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。齿轮系传递的功率不同,其传动比的分配也有所不同。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,对于n级齿轮系,有由此可见,各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。,（2-3）,（2-4）,（1）小功率传动装置,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,例2-1 设有i=80,传动级数n=4的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则

25、分配传动比。解：,验算i=i1 i2 i3 i480。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,若以传动级数n为参变量,齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的转动惯量J1之比为Je/J1,其变化与总传动比i的关系如图2-3所示。可利用 Je/J1 与 i的关系确定传动级数。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图2-3 小功率传动装置确定传动级数曲线,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,(2)大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮的转动惯量差别很大。大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图2-4、图2-

26、5、图2-6来确定。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。图2-4、图2-5及图2-6的用法参见例2-2。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图2-4 大功率传动装置确定传动级数曲线,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图2-5 大功率传动装置确定第一级传动比曲线,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,例2-2 设有i=256的大功率传动装置,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。解：查图2-4,得n=3,Je/J1=70；n=4,Je/J1=35；n=5,Je/J1=26。兼顾到 Je/J1值的大

27、小和传动装置的结构,选n4。查图2-5,得i13.3。查图2-6,在横坐标ik-1上3.3处作垂直线与A线交于第一点,在纵坐标 ik 轴上查得i23.7。,通过该点作水平线与B曲线相交得第二点i34.24。由第二点作垂线与A曲线相交得第三点i44.95。验算i1 i2 i3 i 4256.26。满足设计要求。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,b、质量最小原则（1）小功率传动装置 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。上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,

28、（2）大功率传动装置 大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。减速齿轮传动的后级齿轮比前级齿轮的转矩要大得多,同样传动比的情况下齿厚、质量也大得多,因此减小后级传动比就相应减少了大齿轮的齿数和质量。大功率减速传动装置的各级传动比可以按图2-7和图2-8选择。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图2-7 大功率传动装置两级传动比曲线（i10时,使用图中的虚线）,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图2-8 大功率传动装置三级传动比曲线（i 100时,使用图中的虚线）,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,例2-4 设 n3,i202,求各级

29、传动比。解：查图2-8可得 i112，i25，i33.4,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,c、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。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 2-10 四级减速齿轮传动链,以图2-10所示四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为 i1、i2、i3、i4,齿轮18的转角误差依次为18。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,该传动链输出轴的总转动角误差max为 由式(2-7)可以看出,如果从输入端到输出端的各级传动

30、比按“前小后大”原则排列,则总转角误差较小,而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此,要提高传动精度,就应减少传动级数,并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,d、三种原则的选择 在设计齿轮传动装置时,上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计。（2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,总之，减速传动

31、装置传动比的分配原则是设计减速器的指导思想和基本方法。在实际减速器设计中，应结合减速器的具体要求，认真分析、论证方案实现的可行性、经济性、可靠性等指标，并对减速器的转动惯量、结构尺寸、精度要求等进行合理协调，尽可能达到合理的匹配，达到减速器具有体积小、重量轻、运转平稳、可频繁启动和动态特性好、传动精度高、误差最小等基本要求。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,4）谐波齿轮传动,谐波齿轮传动产品,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 谐波齿轮传动组成与原理1刚轮 2柔轮 3（H）波形发生器,【一】谐波发生器（简称波发生器）是凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的

32、外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。【二】刚轮是刚性的内齿轮。【三】柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。,结构组成,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,工作原理 波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为渐开线或三角形，周节相同而齿数不同，刚轮的齿数Zg比柔轮的齿数Zr多几齿。柔轮是薄圆筒形，由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形。工程上常用的波形发生器有两个触头的即为双波发生器，也有三个触头的。具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为ZgZr2。其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当

33、波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为两个齿矩。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,谐波齿轮传动比(钢轮固定与柔轮固定),谐波齿轮减速产品及选用,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,优点：传动比大（单级传动比可达60250）；承载能力强；传动精度高、回程误差小；传动效率高；体积小，重量轻；噪声低传动平稳；结构简单。缺点：对材料、加工、热处理要求把高，散热条件差，转动惯量大。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,5）齿轮传动间隙的消除措施,(1)圆柱齿轮传动,图 偏心轴套式消除间隙结构 1、偏心环 2电液脉冲马达,（a）偏

34、心轴套调整法,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 带锥度齿轮的消除间隙结构 1、3齿轮 2垫片,（b）轴向垫片调整法（锥度齿轮调整法）,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（c）双片薄齿轮错齿调整法,圆柱薄片齿轮周向弹簧错齿调整法1弹簧 2短柱 3、4齿轮,A、周向弹簧式（不用于功率驱动）,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,圆柱薄片齿轮可拉簧错齿调整法 1,2薄片齿轮 3,8凸耳 4弹簧 5,6螺母 7调整螺钉,B、周向可调拉簧式,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（2）斜齿轮传动齿侧隙的消除方法。,斜齿薄片齿轮垫片错齿调整法 1、2薄片齿轮 3宽齿轮 4垫片,（a）垫

35、片调整法,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,斜齿薄片齿轮轴向压簧错齿调整法1、2薄片齿轮 3宽齿轮 4键 5弹簧 6螺母,（b）轴向压簧调整法,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（3）锥齿轮传动,锥齿轮轴向压簧调整法 1、4锥齿轮 2、3键 5压簧 6螺母 7传动轴,（a）轴向压簧调整法,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,锥齿轮周向弹簧调整法 1大片锥齿轮 2小片锥齿轮 3小锥齿轮 4镶块 5弹簧 6螺钉 7凸爪 8圆弧槽,（b）轴向弹簧调整法,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（4）齿轮齿条传动,图 齿轮齿条传动的齿侧隙消除法1、6小齿轮 2、5大齿轮3齿轮 4预载力

36、装置 7齿条,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（六)挠性传动 除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，机电系统中还大量使用同步齿形带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙等挠性传动部件。,1、同步带传动 同步带传动是综合了普通传动和链轮链条传动的优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿于与轮齿作啮合传动。为保证带轮和带作无滑差的同步传动，其齿形带均采用了承载后无弹性变形的高强力材料，以保证带的节距不变。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,优点：传动比准确；传动效率高（0.98）；传动平稳，能吸振，噪声小。能高速传动，维护保养方便，且不需润滑，传动功率（由几瓦几百千瓦）

37、，速度（可达50m/s），速比（可达10左右）。缺点：安装精度要求高、中心距要求严格，具有一定的蠕变性，带轮制造成本高；同步带齿形：梯形齿形和圆弧齿形。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 同步带的结构1加强筋；2带齿；3带背,图 带轮结构,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2、钢带传动 特点:钢带与带轮间接触面积大、无间隙、摩擦阻力大；无滑动、结构简单紧凑、运行可靠、噪声低、驱动力大、寿命长，钢带无蠕变。,图 a 钢带传动定位机构1导杆；2轴承；3小车；4导轨；5磁头；6钢带；7步进电动机,高弹性模量的弹簧钢,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,3、绳轮传动 优点:结构简单

38、、传动刚度大、结构柔软、成本低、噪声低等 缺点:带轮较大，安装面积大、加速度不易太高。,图 绳轮传动在打印机字车送进机构中的应用1字车；2绳轮(电动机输出轴上)；3伺服电动机；4钢丝绳,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,（七）间歇传动 机电一体化系统中常用的间歇传动有棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件。这些传动部件可将输入的连接运动转化为间歇运动。其基本要求是移位迅速，移位过程中运动无冲击，停位准确可靠。,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,图 蜗形凸轮传动机构1转盘 2滚子 3蜗形凸轮,1、蜗形凸轮传动机构,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2、棘轮传动机构,图 棘轮转动

39、工作原理,图 齿式棘轮机构的形式,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,3、槽轮传动机构,图 槽轮传动机构工作原理1拨销盘；2锁紧弧；3槽轮；4定位弧；5拨销,2.2 机电一体化系统的机械结构及功能,2.3 导轨支承部件的选择与设计,一、导轨副的定义、组成、分类及其应满足的要求,1、定义:支承和限制运动部件按给定的要求和规定的运动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。,图 导轨副组成1-承导件 2-运动件,2、组成,3、分类,（2）按接触面摩擦性质分类,（1）按运动形式分类：直线运动导轨副、回转运动导轨副。,2.3 导轨支承部件的选择与设计,（4）按导轨的结构形式分类,常用导轨副结构

40、示意图,（3）按导轨的结构特点分类：开式、闭式。,2.3 导轨支承部件的选择与设计,表 常用导轨性能比较,2.3 导轨支承部件的选择与设计,4、导轨副应满足的要求,图 直线运动导轨的几何精度,（1）导向精度：指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。（2）刚度：抵抗载荷的能力，有静刚度与动刚度之分。（3）精度的保持性：导轨保持精度的能力，取决于耐磨性。（4）运动的灵活性和低速运动平稳性。（5）对温度的敏感性和结构工艺性。,2.3 导轨支承部件的选择与设计,5、导轨副的设计内容,设计导轨应包括下对几方面内容：1)根据工作条件，选择合适的导轨类型。2)选择导轨的截面形状，以保证导向精度；3)选择适当

41、的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性以及运动轻便和低速平稳性。4)选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持所需要的导向精度；5)选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损 6)制订保证导轨所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。,2.3 导轨支承部件的选择与设计,二、滑动导轨副的结构及其选择,图 导轨的截面形状,1、导轨副的截面形状及其特点,（1）三角形导轨（2）矩形导轨（3）燕尾形导轨（4）圆形导轨,2.3 导轨支承部件的选择与设计,2.3 导轨支承部件的选择与设计,3、导

42、轨副间隙的调整,图 矩形导轨垂直方向间隙的调整,图 矩形燕尾导轨水平间隙的调整,（1）压板（2）镶条法,2.3 导轨支承部件的选择与设计,4、导轨副材料的选择,1）铸铁（灰口铸铁、高磷铸铁、低合金铸铁、稀土铸铁、孕育铸铁等）；2）钢（45钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等）；3）有色金属（黄铜、锡青铜、铝青铜、锌合金、超硬铝、铸铝）；4）塑料（聚四氟乙烯等）；5）导轨材料的搭配。,2.3 导轨支承部件的选择与设计,5、提高导轨副耐磨性的措施,1）采用镶装导轨 镶钢导轨 镶装塑料导轨 镶装有色金属导轨2）提高导轨的精度与改善表面粗糙度3）减小导轨单位面积上的压力（即

43、压强）,2.3 导轨支承部件的选择与设计,三、滚动导轨副的类型与选择,1、直线运动滚动导轨副的特点及要求,（1）优点：,（2）缺点：,（3）对该动导轨的基本要求：导向精度、耐磨性、工艺性、刚度,2、滚动导轨副的分类,2.3 导轨支承部件的选择与设计,不循环,2.3 导轨支承部件的选择与设计,循环 1,2.3 导轨支承部件的选择与设计,循环2,2.3 导轨支承部件的选择与设计,滚动轴承导轨,2.3 导轨支承部件的选择与设计,四、静压导轨副工作原理,1、定义 静压导轨是将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件与导向支承件之间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触，致使摩擦阻力（

44、力矩）大大降低。,3、特点优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。,图 闭式液体静压导轨工作原理图,2、工作原理,2.3 导轨支承部件的选择与设计,2.4 轴系部件的选择和设计,一、轴系设计的基本要求,(1）旋转精度(2）刚度(3）抗振性(4）热变形(5）轴上零件的布置,机床主轴传动齿轮空间布置比较,2.4 轴系部件的选择和设计,二、轴（主轴）系用轴承的类型与选择1、标准滚动轴承（1）深沟球轴承（2）双列向心短圆柱滚子轴承（3）

45、圆锥滚子轴承（4）推力轴承,2.4 轴系部件的选择和设计,2.4 轴系部件的选择和设计,圆锥滚子轴承,2.4 轴系部件的选择和设计,推力轴承,2.4 轴系部件的选择和设计,2.4 轴系部件的选择和设计,表 几种常见主轴滚动轴承配置型式及其工作性能,2、非标滚动轴承,非标滚动轴承是适应轴承精度要求较高，结构尺寸较小或因特殊要求而不能采用标准轴承时自行设计的。,有杯形外圈而没有内圈,碟形垫圈来消除轴承间隙,2.4 轴系部件的选择和设计,3、静压轴承,图 液体静压轴承工作原理,油腔和轴,节流器,2.4 轴系部件的选择和设计,4、磁悬浮轴承,图 磁悬浮轴承工作原理,磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦

46、、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承,2.4 轴系部件的选择和设计,三、提高轴系性能的措施,1、提高轴系的旋转精度（1）轴向跳动的引起因素（2）径向跳动的引起因素（3）提高旋转精度的措施（3点）2、提高轴系组件的抗振性（1）强迫振动与自激振动的引起因素（2）提高抗振性的措施（3）点 3、其他方法 如减小热变形等。,2.4 轴系部件的选择和设计,2.5 机电一体化系统（产品）的机座或机架,一、机座或机架的作用及基本要求,1、刚度与抗振性2、热变形3、稳定性4、其它要求,二、机座或机架的结构设计要点 1、铸造机座的设计要点（1）保证自身刚度 措施：1）合理的截面形状和尺寸 2）合理布置筋板和加强肋

47、3）合理的开孔和加盖（2）提高机座连接处的接触刚度（3）机座的模型刚度试验（4）机座的结构工艺性（5）材料,2、焊接机架的设计（接头与坡口）,2.5 机电一体化系统（产品）的机座或机架,2.6 工业机器人机械构件简介,北京理工大学机器人“汇童”,导游机器人,机器人的开发与使用,一、从整体结构形式上可将机器人分为五种基本坐标式机器人,2.6 工业机器人机械构件简介,它是一种装配机器人，也叫作SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人，在垂直平面内具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性，故在装配作业中能获得良好的应用，常常将它专门列出一类

48、。,（5）平面关节式机器人可以看作是关节坐标式机器人的特例，它具有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。,2.6 工业机器人机械构件简介,基本坐标式机器人,图 机器人机械结构组成1-手部；2-手腕；3-手臂；4-机座,二、工业机器人机械结构构成,2.6 工业机器人机械构件简介,1、分类（1）按手臂的结构形式区分 单臂、双臂及悬挂式。,（一)手臂,作用：将被抓取的工件运送到给定的位置上。,图 手臂的结构形式（a）、（b）单臂式；（c）双臂式；（d）悬挂式,2.6 工业机器人机械构件简介,（2）按手臂的运动形式区分 直线运动手臂，如手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动；回转运动手臂，如手臂的左右回转

49、，上下摆动(即俯仰)；复合运动手臂，如直线运动和回转运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合。,图 铰接活塞缸实现手臂俯仰运动的结构示意图1手部 2夹紧缸 3升降缸4小臂 5、7铰接活塞缸 6大臂 8立柱,2.6 工业机器人机械构件简介,3、臂部设计的基本要求（1）刚度要求高（2）导向性要好（3）重量要轻（4）运动平稳、定位精度要高,2、设计手臂结构形式的依据 手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影响机器人的工作性能，所以必须根据机器人的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度以及定位精度的要求。,2.6 工业机器人机械构件简介,（二）手腕,1、涵义 工业机器

50、人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般其有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要起实现所期望的姿态。,2、手腕的分类（1）手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。（2）按驱动方式分为直接驱动手腕、远距离传动手腕。腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。,2.6 工业机器人机械构件简介,图 手腕的自由度(a)手腕的翻转Roll(b)手腕的傅仰Pitch(c)手腕的偏转Yaw(d)腕部坐标系,（1）自由度 为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，