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1、机电一体化系统与设计,第一章 机电一体化概论第二章 精密机械技术第三章 工业控制计算机第四章 基于单片机的控制器第五章 可编程序控制器第六章 传感器与计算机接口第七章 动力驱动及其计算机控制第八章 机电一体化系统设计方法与实例,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构执行机构,概述,控制器(IPC/PLC/MCU等),输入接口,输出接口,驱动执行机构(电机、电磁阀等),被控对象(各种机械参数),传感检测装置(各类传感器等),反馈量,被控量,设定值,机电一体化系统的组成,概述,机电一体化对机械系统的基本要求一般情况下，机械系统是机电一体化产品（系统）中的支撑、传动、执行机构，与一般的机械系统不
2、同：高精度快速响应（高速的计算机单元+慢速的机械单元）良好的稳定性简单而言，就是“稳、准、快”，此外，还要求有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等等措施：考虑到以上要求，在设计和制造机械装置时，通常采用精密机械技术。,概述,机电一体化系统中机械装置的主要组成传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，并且要求有良好的伺服性能。导向机构：主要起支承和导向作用，为机械装置中各运动部件安全、准确地完成特定运动作保障。执行机构：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精确度和良好的重复性、可靠性。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构传动机构的性能要求滚珠丝杠传动精密齿轮传动挠性传动间歇传动导向机构执行
3、机构,传动机构的性能要求,为满足机械装置有良好的伺服性能，传动系统应具有：转动惯量小：前提是？大的转动惯量会带来：机械负载增大 响应速度慢 灵敏度下降足够的刚度：刚度？大的刚度会：能量损失小 机械装置固有频率高，不易共振 能增加闭环伺服系统的稳定性阻尼适中：大的阻尼会：振幅小，衰减快 稳态误差增大，精度降低,相互矛盾，寻找最优或最佳平衡点，这就是设计的主要任务！,第二讲 精密机械技术,概述传动机构传动机构的性能要求滚珠丝杠传动精密齿轮传动挠性传动间歇传动导向机构执行机构,滚珠丝杠的结构及工作原理,将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。由丝杠、螺母
4、、滚动体、滚珠循环装置组成。根据滚珠的循环方式：内循环式：反向器外循环式：插管式、端盖式、螺旋槽式,1丝杠 2端盖 3滚珠 4螺母,滑动丝杠,滚珠丝杠的结构及工作原理,内循环变位导程预紧螺母式滚珠丝杠副,内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副,内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副,滚珠丝杠的结构及工作原理,大导程插管式滚珠丝杠副,端盖式滚珠丝杠副,滚珠丝杠的特点,优点：传动效率高：滚动摩擦、传动效率90%以上，驱动力矩为滑动丝杠的1/3左右，发热率低。定位精度高：发热率低，温升小，采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施。传动可逆性：旋转运动直线运动。使用寿命长：寿命远高于滑动丝杠。同步性能好：采用多套滚珠丝杠副
5、方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步性。,滚珠丝杠的特点,缺点：不能自锁（垂直配置需制动装置）制造工艺复杂，成本高应用：滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床、加工中心等。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。,电滚珠丝杠单元,滚珠丝杆,电动机转子,滚珠螺母,提高传动精度,影响传动精度的主要因素轴向间隙原有预留间隙弹性变形引起的间隙调整方法：施加预紧力双螺母螺纹预紧调整式双螺母齿差预紧调整式双螺母垫片预紧调整式调整间隙应注意的问题预紧力大小适中过大会增大摩擦，效率降低
6、过小会降低传动精度,滚珠丝杠的安装方式,安装方式不同（支撑形式不同），将影响到丝杠的轴向刚度和传动精度，各有优缺点，应视不同需要而定：单推单推式双推双推式双推简支式双推自由式,单推单推式,滚珠丝杠的制动,使用制动电机、超越离合器或其他方式的制动装置，例如电磁摩擦制动装置。,滚珠丝杠的设计、计算,尺寸、强度、预紧力、效率计算、刚度、稳定性校核（请参考相关工具书）。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构传动机构的性能要求滚珠丝杠传动精密齿轮传动挠性传动间歇传动导向机构执行机构,精密齿轮传动,普通齿轮传动的精度提高谐波齿轮（略）,精密齿轮传动,普通齿轮传动的精度提高误差的主要来源直齿圆柱齿轮的消隙斜齿
7、轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）,齿轮传动的误差来源,误差的主要来源：齿侧间隙空行程传动误差,齿轮啮合传动时，为了在啮合齿廓之间形成润滑油膜，避免因轮齿摩檫发热膨胀而卡死，齿廓之间必须留有间隙，此间隙称为齿侧间隙，简称侧隙。但是，齿侧间隙的存在会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性。因此，这个间隙只能很小。,精密齿轮传动,普通齿轮传动的精度提高误差的主要来源直齿圆柱齿轮的消隙斜齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）,直齿圆柱齿轮的消隙,调整中心距法偏心轴套调整法：结构简单，无自动补偿能力。,结构图,直齿圆柱齿轮的消隙,调侧隙法双片薄齿轮错齿法：能自动补偿，但无法传递大的动力，且结构复杂，适用于一
8、些传动精度高、力矩小的场合，如计数器。,结构图,精密齿轮传动,普通齿轮传动的精度提高误差的主要来源直齿圆柱齿轮的消隙斜齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）,斜齿轮的消隙,轴向调整法有垫片调整法和轴向压簧调整法。,精密齿轮传动,普通齿轮传动的精度提高误差的主要来源直齿圆柱齿轮的消隙斜齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）,锥齿轮的消隙,轴向调整法有轴向弹簧调整法（有自补偿能力）和周向弹簧调整法。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构传动机构的性能要求滚珠丝杠传动精密齿轮传动挠性传动间歇传动导向机构执行机构,挠性传动,同步带传动：综合了带传动及链传动的特点，属于啮合传动方式优点：精度高，效率高，传动平
9、稳、无冲击、无振动、传动比恒定缺点：制造、安装精度复杂，橡胶有蠕变性钢带传动：属于摩擦传动绳轮传动：属于摩擦传动钢带传动、绳轮传动应用在：起重机、电梯、索道等软轴传动：适用于两个传动机构不在同一条直线上或两个部件之间有相对位置。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构传动机构的性能要求滚珠丝杠传动精密齿轮传动挠性传动间歇传动导向机构执行机构,间歇传动,特点：连续运动间歇运动结构形式：棘轮传动机构槽轮传动机构蜗形凸轮传动机构不完全齿轮机构,齿式棘轮机构（外啮合）,齿式棘轮机构（内啮合）,摩擦式棘轮机构（外啮合）,双动式棘轮机构,圆柱凸轮间歇机构,蜗杆凸轮间歇运动机构,外啮合槽轮,内啮合槽轮机构,第二
10、讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构导轨的结构及作用导轨的分类和特点导轨的基本要求低速运动的平稳性分析滑动导轨副的结构及选型滚动导轨副的结构及选型执行机构,导轨的结构及作用,滑动导轨（截面为圆形）,滚动导轨（滚动体为滚珠）,导轨的结构及作用,导轨的作用导轨一方面为机构装置的运动部件起支承作用，一方面保证运动部件按特定的方向运动。简单地说：支承与导向。导轨副的组成支承导轨：固定不动，又称为轨道动导轨：相对于支承导轨作直线或回转运动，又称为滑台,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构导轨的结构及作用导轨的分类和特点导轨的基本要求低速运动的平稳性分析滑动导轨副的结构及选型滚动导轨副的结构及选型
11、执行机构,导轨的分类及特点,分类（按摩擦性质分）：滑动导轨：滑动摩擦，例如：V形导轨、静压导轨副滚动导轨：滚动摩擦，例如：滚珠、滚针、滚柱导轨特点：滑动导轨：结构简单，制造方便，刚度好，抗振，但不耐磨，维护难滚动导轨：磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏，平稳，易于维护，但制造复杂，常用于精密机构中。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构导轨的结构及作用导轨的分类和特点导轨的基本要求低速运动的平稳性分析滑动导轨副的结构及选型滚动导轨副的结构及选型执行机构,导轨的基本要求,导向精度：主要技术指标，指动导轨沿支承导轨的直线度或圆度。耐磨性（精度保持性）：除耐磨外，还应在磨损后能自动补偿或便于调整
12、。刚度：刚度不够，变形将影响导向精度及部件之间的相对位置。低速运动平稳性：不易产生低速爬行现象或低速摆动现象。热变形：摩擦生热，热变形不易太大，会影响动导轨的运动甚至卡死。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构导轨的结构及作用导轨的分类和特点导轨的基本要求低速运动的平稳性分析滑动导轨副的结构及选型滚动导轨副的结构及选型执行机构,什么是低速爬行现象,低速爬行现象动导轨在做低速运行时，在支承导轨上会出现时走时停的现象。,低速爬行现象产生的原因分析,分析：动摩擦与静摩擦之间存在差异所需要动力很小,消除低速爬行的方法,不产生低速爬行的临界速度：其中：F：动静摩擦之差：阻尼比k：传动系统的刚度m：
13、从动件的质量,措施：提高系统的刚度：减小杆件的跨度、适当增加杆件的直径或减小长度减小摩擦力的变化：选用摩擦系数小的材料，用滚动摩擦代替滑动摩擦,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构导轨的结构及作用导轨的分类和特点导轨的基本要求低速运动的平稳性分析滑动导轨副的结构及选型滚动导轨副的结构及选型执行机构,滑动导轨副的结构及选型,滑动导轨副的结构及选型,三角形截面类型凸三角形导轨：三角形导轨凹三角形导轨：V形导轨特点磨损后能自动补偿导向面即支承面水平方向和垂直方面的误差相互影响选型顶角的选择为了提高承载面积，减小比压，一般采用大的顶角为了提高导向性，宜采用小的顶角截面形状的选择两边的支承力相近时
14、，采用等腰三角形截面两边的支承边相差较大时，采用不等腰三角形,滑动导轨副的结构及选型,矩形截面特点：导向面与支承面分开，精度保持性好支承面比较宽，承载能力大，刚度大垂直与水平误差互不影响无自动补偿能力，导向精度差，须有间隙调整装置燕尾形截面特点：刚度较矩形截面大，无自补偿能力,滑动导轨副的结构及选型,圆形截面特点：精度较高，制造方便具有两个自由度：直线运动：应限制旋转运动，如开槽、平面、同时使用两根旋转运动：应限制直线运动组合截面双三角形三角形+矩形三角形+平面,导轨间隙的调整,应注意的问题间隙过大：导向精度差间隙过小：增加摩擦，加快磨损调整方法压板镶边,静压导轨副,静压导轨是将具有一定压力的
15、油（或气体）通入动导轨与静导轨之间，形成承载的压力，动导轨浮在压力油或气体薄膜上，与支承导轨脱离，减小摩擦。优点：摩擦力极小，精度高，寿命长不会产生低速爬行现象油可吸振，抗振性好缺点：结构复杂，需要另配供油系统应用：主要应用于各种大型、重型机械及精密数控机械工作台，例如：数控线切割设备,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构导轨的结构及作用导轨的分类和特点导轨的基本要求低速运动的平稳性分析滑动导轨副的结构及选型滚动导轨副的结构及选型执行机构,滚动导轨副的结构及选型,在动导轨和支承导轨之间安放多个滚动体（滚珠、滚柱、滚针），形成滚动导轨。与滑动导轨相比摩擦系数小，运动灵敏度高定位精度高耐磨，
16、精度保持性好维护方便滚动导轨副的分类按滚动体类型分滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨按滚动体是否循环滚动体循环式滚动体非循环式,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构执行机构执行机构及其特点电磁执行机构微动执行机构液压执行机构气动执行机构,执行机构的特点,执行机构：利用某种驱动能源，在控制信号作用下，提供直线或旋转运动的驱动装置。一般接受弱电控制信号，通过电机、油缸、气缸等驱动大功率机械。执行机构是机电一体化系统及产品实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并应具有响应速度快，动态特性好，灵敏等特点。,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构执行机构执行机构及其的特点电磁执行机构微动机
17、构液压机构气动机构,电磁执行机构,电主轴(略)直线电机,直线电机的的结构与原理,直线电机的结构与原理,清华大学研制的直线电机驱动机构,荷兰的二坐标工作台（直线电机驱动）,直线电机的优点,响应快精度高刚度高效率高行程长度不受限制噪声低环境保洁性好,直线电机的应用,高速磁悬浮列车高速电梯加工中心、精密机床半导体、液晶加工设备纺织、印刷设备三坐标测量,广州地铁4号线(直线电机牵引，非磁悬浮),现运行中的上海磁悬浮,原规划中的沪杭磁悬浮,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构执行机构执行机构及其的特点电磁执行机构微动机构液压机构气动机构,什么是微动机构,微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动
18、到给定位置或实现特定的进给运动的机构，在机电一体化产品中，它一般用于精确、微量地调节某些部件的相对位置。例如：在读数系统中，利用微动机构调零；在医学机构中，手术器械中有一些微动机构；还有显微镜、机器人等。,对微动机构的要求,灵敏度，最小移动量能达到移动要求传动灵活，平稳，无空行程与爬行现象，制动后能保持在稳定的位置抗干扰能力强，快速响应能实现自动控制良好的结构工艺性,微动机构的分类,按照微动机构的运动原理分为：机械式弹性变形式热变形式磁致伸缩式电致伸缩式,手动机械式,最小位移量：（最小量可达到毫米级，且不确定）其中：p：螺杆的螺距：人手的灵敏度，即最小的转角,弹性变形式,热变形式,（最小量可达到毫米、微米级）其中：传动杆的热膨胀系数l：传动杆原长t：加热前后的温差,磁致伸缩式,磁致伸缩效应：某些材料在磁场的作用下，具有改变尺寸的特点，例如：压电陶瓷。（最小可到微米、纳米级）其中：材料的磁致伸缩系数l：伸缩杆被磁化部分的长度,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构执行机构执行机构及其的特点电磁执行机构微动机构液压机构气动机构,第二讲 精密机械技术,概述传动机构导向机构执行机构执行机构及其的特点电磁执行机构微动机构液压机构气动机构,
