第2章機械系統分析

1、第2章機械系統分析2.1機械系統的基本概念2.2機械傳動裝置2.3導向裝置2.1機械系統的基本概念2.1.1機械系統的基本概念機械系統一般由電動機、傳動裝置、導向裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置組成。2.1.2機械系統的功能及要求機械的功能是完成機械運動。2.1.3機械系統的設計機械系統是機電一體化系統的基礎，它是機和電兩種技術的綜合體。2.2機械傳動裝置2.2.1機械傳動裝置性能要求傳動裝置是一種轉矩、轉速變換器，使執(zhí)行元件與負載間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。1)轉動慣量小。2)低摩擦。3)適當的阻尼。4)剛度大。5)高諧振頻率。2.2.2常見傳動裝置分析1.滾珠絲杠副滾珠絲杠副是一種螺旋傳動機構

2、，目前已成為精密傳動的數控機床、精密機械以及各種機電一體化產品中不可缺少的傳動機構。2.2機械傳動裝置圖2-1滾珠絲杠副傳動裝置1絲杠2螺母3滾珠4滾珠循環(huán)裝置2.2機械傳動裝置(1)滾珠絲杠副的結構及參數1)滾珠循環(huán)方式及螺紋滾道形式。圖2-2滾珠絲杠副a)內循環(huán)b)外循環(huán)1、5螺母2、7反向器3、6滾珠4、8絲杠2)滾珠絲杠副主要尺寸參數。2.2機械傳動裝置圖2-3滾珠絲杠副螺紋滾道a)單圓弧型b)雙圓弧型接觸角2.2機械傳動裝置圖2-4滾珠絲杠副主要尺寸參數1螺母2絲杠2.2機械傳動裝置2.2機械傳動裝置表2-1滾珠絲杠副的標法3)標注。4)精度等級。(2)滾珠絲杠副間隙調整法：滾珠絲杠

3、副的軸向間隙是工作時滾珠與滾道面接觸點的彈性變形引起的螺母位移量，它會影響反向傳動精度及系統的穩(wěn)定性。2.2機械傳動裝置圖2-5雙螺母墊片式調隙機構1滾珠2螺母3墊片4絲杠2.2機械傳動裝置2M5.tif1)雙螺母墊片式調隙。2.2機械傳動裝置圖2-6雙螺母螺紋式調隙機構1鎖緊螺母2圓螺母3套筒4滾珠5絲杠6、8螺母7鍵2.2機械傳動裝置2)雙螺母螺紋式調隙。3)雙螺母齒差式調隙。(3) 滾珠絲杠副的安裝：滾珠絲杠的支承常采用以推力軸承為主的軸承組合，可以根據不同的工作環(huán)境選擇合適的軸承組合形式，進而提高滾珠絲杠副的傳動精度和剛度。2.2機械傳動裝置圖2-7雙螺母齒差式調隙機構1套筒2圓柱齒輪

4、3、5內齒輪4絲杠2.2機械傳動裝置圖2-8超越離合器1外圈2星輪3彈簧頂桿4滾柱2.2機械傳動裝置(4)滾珠絲杠副的設計1)設計方法設計條件。工作載荷F(單位為N)或平均工作載荷Fm(單位為N)；使用壽命Lh(單位為h)；絲杠工作長度L(單位為m)；絲杠轉速n(單位為r/min)；滾道硬度及運轉情況。設計步驟。根據設計條件，并經過計算，選擇合適的滾珠絲杠參數。表2-2滾珠絲杠副載荷、硬度和精度系數表2.2機械傳動裝置表2-3滾珠絲杠副主要尺寸表2)設計示例2.2機械傳動裝置解a.計算額定動載荷Ca(單位為N)。其計算式為2.齒輪傳動裝置齒輪傳動機構具有較高的可靠性和耐磨性，在機電一體化產品中

5、得到廣泛應用。2.2機械傳動裝置(1)傳動比最佳分配原則：當設計齒輪傳動副時，除了計算出總傳動比外，當選擇多級齒輪減速器時，還應合理分配各級傳動比，使系統結構緊湊，提高效率和精度。1)等效轉動慣量最小原則。2)重量最輕原則。3)輸出軸轉角誤差最小原則。圖2-9電機驅動負載模型2.2機械傳動裝置(2)調整間隙法：齒輪傳動裝置在工作中產生的間隙(主要是齒側間隙)會影響到它的變向功能，降低傳動精度，影響系統穩(wěn)定性，所以應采取一些措施予以消除。1)錯齒法。墊片調整法。墊片調整法有斜齒輪墊片調整法和軸向墊片調整法兩種。2.2機械傳動裝置圖2-10斜齒薄片齒輪錯齒墊片調整法示意圖1寬齒輪2、4薄片斜齒輪3

6、墊片2.2機械傳動裝置圖2-11帶錐度齒輪墊片調整法示意圖1、3帶錐度圓柱齒輪2墊片2.2機械傳動裝置彈簧調整法。彈簧調整法有雙片薄齒輪周向彈簧調整法、斜齒輪軸向壓簧法和斜齒碟形彈簧調整法3種。2.2機械傳動裝置圖2-12薄片齒輪周向彈簧錯齒調整法示意圖1短柱2彈簧3、4薄片圓柱齒輪2.2機械傳動裝置圖2-13薄片斜齒輪軸向壓簧調整法示意圖1寬斜齒輪2、3薄片斜齒輪4彈簧5鍵6軸2.2機械傳動裝置圖2-14薄片斜齒輪碟形彈簧調整法示意圖1寬齒輪2、3薄片斜齒輪4螺母5墊片6碟形彈簧2.2機械傳動裝置2)偏心套法。3.其他傳動機構(1)諧波齒輪減速器：諧波齒輪減速器主要由剛輪、柔輪和諧波發(fā)生器3

7、個構件組成，如圖2-16所示。2.2機械傳動裝置圖2-15偏心軸套式調整法示意圖1、2圓柱齒輪3偏心套4電動機5殼體2.2機械傳動裝置圖2-16諧波齒輪減速器1剛輪2柔輪3諧波發(fā)生器2.2機械傳動裝置(2)同步帶傳動：圖2-17為打印機中用到的同步帶結構，它利用傳動帶作為中間的撓性件，依靠傳動帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運動。2.2機械傳動裝置圖2-17同步帶結構2.2機械傳動裝置圖2-18與同步帶相嚙合的帶輪結構2.2機械傳動裝置2.2.3傳動系統方案設計機械傳動系統是機械系統的重要組成部分，其作用不僅是為了實現減速(或增速)、變速、轉換運動形式和使各執(zhí)行元件協調配合工作等運動要求，同時還把電

8、動機輸出的功率和轉矩傳到執(zhí)行元件。1)根據已知條件確定最佳傳動方案。2)根據參數選擇結構類型、畫出結構圖。3)校核驗算。2.2機械傳動裝置圖2-19數控機床進給系統簡圖2.2機械傳動裝置圖2-20導軌副1支承導件2運動件2.2機械傳動裝置1)盡可能采用簡短的運動鏈，防止能量損失。2)機械效率要高。3)合理安排傳動機構順序。2.3導向裝置2.3.1導向裝置的要求導軌副是導向裝置的常見件，由支承導件和運動件兩部分組成，如圖2 20所示。1)導向精度高。2)剛度好。3)運動平穩(wěn)。4)結構工藝性好。2.3.2常見機構分析1.滾動直線導軌滾動直線導軌的運動方向為直線，支承導件與運動件的兩接觸面間為滾動摩

9、擦，中間介質為滾動體。1)導向精度高，運動平穩(wěn)可靠，摩擦系數小，動作輕便、靈活，無爬行現象，微量位移準確。2.3導向裝置圖2-21滾動體不循環(huán)的滾動導軌副1滾柱2滾珠2.3導向裝置2)可施加預緊力，預緊后導軌剛度提高，能承受較大沖擊和振動。3)壽命長。4)便于潤滑，故在精密產品中被廣泛應用。圖2-22滾動體循環(huán)的滾動導軌副2.靜壓導軌液體靜壓導軌的工作原理是液壓油通過節(jié)流閥由側面油腔進入支承導件與運動件的間隙內，然后經回油孔返回油箱，2.3導向裝置如圖2-23所示。圖2-23靜壓導軌副16間隙7運動件運動件受垂直方向作用力運動件受水平方向作用力2.3導向裝置2.3.3導向裝置設計1.根據已知的

10、工作條件選擇合適的導軌類型按運動方向分類，導軌可分為直線運動導軌副和回轉運動導軌副；按支承導件與運動件接觸摩擦情況分類，導軌可分為滑動導軌副、滾動導軌副和氣、液導軌副。2.選擇導軌截面形狀常見導軌截面形狀見表2-4。表2-4導軌截面形狀2.3導向裝置表2-4導軌截面形狀2.3導向裝置表2-4導軌截面形狀2.3導向裝置凸形導軌不易存切屑等臟物，但也不存潤滑油。凹形導軌易存切屑、臟物，造成堵塞，但易存潤滑油，適宜高速工作。3.通過計算選擇結構參數(1)計算額定動載荷Ca(單位為N)表2-5導軌負荷系數表2-6導軌硬度系數2.3導向裝置表2-7導軌溫度系數表2-8導軌接觸系數(2)選擇結構參數：依據

11、CaCa的原則選擇結構參數。4.其他參數的選擇(1)導軌材料的選擇：鑄鐵耐磨性好、熱穩(wěn)定性高、減振性好、成本低、易于加工，在滑動導軌中得到廣泛應用。2.3導向裝置(2)調整裝置的選擇：導軌工作時會產生間隙，間隙過小會增加摩擦阻力，間隙過大會降低導向精度，所以應選擇合適的調整裝置。圖2-24滑動導軌副調隙結構a)壓板調隙b)鑲條調隙1壓板2接觸面3鑲條2.3導向裝置5.設計示例現以設計滾動直線導軌為例，已知作用在滑座上的載荷F18000N，滑座數M4，單向行程長度lS0.8m，2.3導向裝置每分鐘往返次數為3，工作溫度不超過120C，工作速度為40m/min，每天開機6h，每年工作300個工作日

12、，要求工作8年以上，滾道表面硬度取60HRC。解由已知條件得額定工作時間壽命Th和額定行程長度系數TS分別為1.簡述機電一體化的機械系統的涵義。2.簡述機電一體化的機械系統與傳統的機械系統的功能區(qū)別。3.簡述機械傳動裝置在機電一體化產品中的性能要求。4.簡述滾珠絲杠副的特點。5.滾珠絲杠副的工作間隙是怎么產生的？如何消除？6.如何設計齒輪傳動裝置的總傳動比與各級傳動比？7.簡述齒輪傳動的齒側間隙調整方法。2.3導向裝置8.諧波齒輪減速器是如何實現減速的？9.如圖2-23所示，若液體靜壓導軌受一順時針方向的翻轉力矩，試分析靜壓導軌的工作狀況。10.畫出機械傳動裝置方案設計框圖。11.某數控銑床工作臺進給用滾珠絲杠副平均工作載荷Fm3800N，絲杠工作長度L1.2m，平均轉速nm100r/min，使用壽命Lh15000h，絲杠材料CrWMn鋼，滾道硬度為5862HRC。表2-9漢江機床廠C1型滾珠絲杠12.某數控銑床作用在滑座上的載荷F18000N，滑座數M4，2.3導向裝置單向行程長度lS0.6m，每分鐘往返次數為4，每天開機6h，