单元二机电一体化系统机械技术.ppt

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1、1,机电一体化技术,Mechatronics,单元二 机电一体化机械技术,2.1 概述2.2 机械传动结构2.3 机械导向结构2.4 机械的支承结构2.5 机械执行结构,1.了解机电一体化系统的功能组成、构成要素、机械执行机构2.掌握机电一体化系统的机械传动机构、机械支承结构3.重点掌握机电一体化系统的机械运动要求、螺旋传动、机械导向结构和支承件的设计原则,4,门座起重机主要由金属结构、工作机构(起升、运行、变幅及回转机构)、动力装置和控制系统组成，门座起重机可实现环形圆柱体空间货物的升降、移动，并可调整整机的工作位置，故可在较大的作业范围内满足货物的装卸,门座起重机,2.1 概述,机械系统,

2、6,机构：由若干运动副组成的具有确定运动的装置。常用的机械机构有连杆机构、凸轮机构、间歇机构。,机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿规定直线的直线运动以及平面运动等，比如机器人和数控机床等。,在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。,传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电气、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统是由计算机协调和控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、

3、磁等技术的伺服系统。这就对执行器提出了更高的要求，存在机械装置、执行器及驱动器之间的协调与匹配问题。从总体上讲，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求外，还必须满足以下几种特殊要求。,高精度 精度是机电一体化产品的重要性能指标，对其机械系统设计主要是执行机构的位置精度，其中包括结构变形、轴系误差和传动误差，另外还要考虑温度变化的影响。小惯量 传动件本身的转动惯量会影响系统的响应速度及系统的稳定性。大刚度 机电一体化机械系统要有足够的刚度，弹性变形要限制在一定范围之内。,9,机械系统设计,机电一体化机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过

4、程中有它自身的特点。,机械传动 设计,机械结构 设计,2.2 机械传动机构,机械传动机构基本要求:转动惯量小、刚度大、阻尼合适，此外还要求摩擦小、抗振性好、间隙小，特别是其动态特性与伺服电动机等其他环节的动态特性相匹配。,2.2 机械传动机构,2.2.1 齿轮传动,提高传动精度的结构措施有以下几种。适当提高零部件本身的精度。合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响。采用消隙机构，以减少或消除空程,圆柱齿轮传动,1.偏心轴套调整法。简单的偏心轴套式消隙结构。电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的

5、齿侧隙。,1-电动机;2-偏心轴套,圆柱齿轮传动,(2)锥度齿轮调整法。用带有锥度的齿轮来消除间隙的机构。在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化(其外形类似于插齿刀)。装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。但如增大圆锥面的角度，则将使啮合条件恶化。,1、2-齿轮;3-热片,圆柱齿轮传动,(3)双向薄齿轮错齿调整法。采用这种消除齿侧隙的一对啮合齿轮中，其中一个是宽齿轮，另一个由两相同齿数的薄片齿轮套装而成，两薄片齿轮可相对回转。装配后，应使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿轮的齿

6、槽左、右两侧，这样错齿后就消除了齿侧隙，反向时不会出现死区。,1、2-齿轮;3、8-凸耳;4-弹簧;5、6-螺母;7-螺钉,斜齿轮传动,左图是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少t，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙。,垫片错齿调整法,斜齿轮传动,右图是轴向压簧错齿调整法，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,轴向压簧错齿调整法,2.2 机械传动机构,2.2.2 带传动,普通带传动,优点:运行平稳无噪声;过载时将引起带在带轮上

7、打滑，因而可防止其他零件损坏;制造和安装精度不像啮合传动那样严格;可增加带长以适应中心距较大的工作条件(可达15m)。缺点:带与带轮的弹性滑动使传动比不准确，效率较低，寿命较短;传递同样大的圆周力时，外廓尺寸和轴上的压力都比啮合传动大;不宜用于高温、易燃等场合。,2.2.2 带传动,带传动张紧装置,(1)定期张紧装置:调节中心距使带重新张紧。,(a)移动式(b)摆动式1-滑轨;a-螺母;3-调节螺钊,(2)自动张紧装置:常用于中小功率的传动。下图所示是将装有带轮的电动机安装在摆架上，而利用电动机和摆架的重量，自动保持张紧力。,2.2.2 带传动,带传动张紧装置,(3)使用张紧轮的张紧装置:当中

8、心距不能调节时，可使用张紧轮把带张紧，如图所示。张紧轮一般应安装在松边内侧，使带只受单向弯曲，以减少寿命的损失;同时张紧轮还应尽量靠近大带轮，以减少对包角的影响。张紧轮的使用会降低带轮的传动能力，在设计时应适当考虑。,2.2.2 带传动,带传动张紧装置,2.2.2 带传动,同步带传动是一种啮合型带传动，兼有带传动和齿轮传动的特点。同步带传动工作时无相对滑动，能保证准确的传动比。传动功率较大(数百千瓦)、传动效率高(达0.98)，传动比较大(i1220)，允许带速高(最大50m/s)，而且初拉力较小，对轴和轴承产生的压力小，但制造、安装要求高、价格较贵。,同步齿形带传动,2.2.3 齿轮齿条传动

9、机构,优点：承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高。,特点：,2.2.3 齿轮齿条传动机构,1.双片薄齿轮错齿调整法：适用于小传动负载。2.双齿轮调整法：适用于大传动负载。如图所示，小齿轮1,6分别与齿条7啮合，与小齿轮1,6同轴的大齿轮2,5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2,5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮1,6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。,消除齿隙方法：,1、6

10、-小齿轮;2、5-大齿轮;3-齿轮;4-预载装置;7-齿条,2.2.4 螺旋传动,2.2.4 螺旋传动,螺旋传动的功用：,利用螺杆和螺母实现传递运动和动力。,它既能将回转运动转变为直线运动，又能将直线运动转变为 回转运动。,丝杠螺母机构的分类,1）按功能分,a)传递力/能量为主（传力螺旋）,千斤顶,压力机,2.2.4 螺旋传动,特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、能自锁。,b)传递运动为主（传动螺旋）,机床工作台的进给丝杠,特点：速度高、连续工作、精度高。,2.2.4 螺旋传动,c)调整位置（调整螺旋）,特点：受力较小且不经常转动。,虎钳,微调螺旋,2.2.4 螺旋传动,2）按摩擦方式分,滑动

11、丝杠螺母机构：优点：a)结构简单b)加工方便c)成本低d)具有自锁功能缺点：a)摩擦阻力较大b)传动效率低(30%40%),丝杠螺母机构的分类,2.2.4 螺旋传动,（a）滑动螺旋,滚动丝杠螺母机构：优点：a)传动效率高（92%98%）b)摩擦阻力小c)传动精度高缺点：a)结构复杂b)成本高c)无自锁功能,2）按摩擦方式分,丝杠螺母机构的分类,2.2.4 螺旋传动,（b）滚动螺旋,2.2.4 螺旋传动,滑动螺旋传动的形式与应用,三大类：1.其中一个固定不动，另一个即作回转运动，又作直线移动。2.（两个件都动）；其中一个作回转运动，另一个作直线移动。3.差动螺旋传动。,（1）、螺母固定不动，螺杆

12、既回转又作直线移动,例如：台虎钳,（2）、螺杆固定不动、螺母既回转又作直线运动,螺纹千斤顶,（3）、螺杆（一个）回转，螺母（另一个）作直线运动,2.2.4 螺旋传动,滑动螺旋传动的形式与应用,1、2-螺母;3-螺杆,差动螺旋传动；由两个螺旋副组成的使活动螺母与螺杆产生差动的螺旋传动。,说明：组合螺杆由两段螺距或旋向不同的螺杆组合为一体，分别与活动螺母和固定螺母配合，组成两组螺旋副。当螺杆回转时，螺杆相对于固定螺母、活动螺母相对于螺杆均有直线运动，最终体现为活动螺母的运动，形成一种差动关系。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,1）螺母固定，丝杠转动并移动：,特点：结构简

13、单，传动精度较高，螺母支撑杆可消除附加轴向窜动，刚性较差。,2）丝杠转动，螺母移动：,特点：结构紧凑，丝杆刚性高。要限制螺母转动，故需导向装置。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,3）螺母转动，丝杠移动：,特点：结构复杂，占用空间大，传动时需限制螺母移动和丝杠转动。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,4）丝杠固定，螺母转动并移动：,特点：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，应用较少。,2.2.4 螺旋传动,例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点,2.2.4 螺旋传动,螺旋副零件与滑板连接结构的确定。1.刚性连接结构。,2.弹性连接结构。

14、,1-转动手轮;2-丝杠;3-活动螺母;4-弹簧;5-支承钢珠;6-端盖;7-片簧;8-工作台,2.2.4 螺旋传动,螺旋副零件与滑板连接结构的确定。3.活动连接结构。,1-滑板;2-螺杆;3-中间杆,影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施。,螺纹参数误差螺杆轴向窜动误差偏斜误差温度误差,2.2.4 螺旋传动,消除螺旋传动空回的方法。,利用单向作用力利用调整螺母利用塑料螺母,滑动丝杠螺母传动存在如下问题：接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力 传动效率低 磨损快 精度不高 使用寿命短,已不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、高精度等方面的要求。,2.2.4 螺旋传动,滚珠丝杠螺母传动则是为了适

15、应机电一体化机械系统的要求而发展起来的一种新型传动机构。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,在螺杆和螺母制建设有封闭循环的滚道，在滚道间填充钢珠，使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高传动效率，这种传动称为螺旋传动，又称为滚珠丝杠副。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,（1）滚珠丝杠螺母的工作原理,滚珠丝杠副的结构原理图,滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚动体和滚动体循环装置组成。工作时，螺母4与需作直线往复运动的零部件相连，丝杠1旋转带动螺母4作直线往复运动，从而带动零部件作直线往复运动。在丝杠1、螺母4和端盖2（滚珠循环装置）上都制有螺旋槽，由这些槽对合起来形成滚珠循环通

16、道，滚珠3在此通道内循环滚动。为了防止滚珠3从螺母中掉出，螺母螺旋槽的两端应封住。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,（1）滚珠丝杠螺母的工作原理,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,（2）滚珠丝杠螺母的特点,滚珠丝杠副的特点如下。传动效率高。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好 运动平稳，无爬行现象，传动精度高 运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。磨损小，使用寿命长 制造工艺复杂。滚珠丝 杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。不能自锁。特别是对于垂

17、直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。,1）按用途,a)定位滚珠丝杠,通过旋转角度和导程控制轴向位移量。称为 P类 滚珠丝杠。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,b)传动滚珠丝杠,用于传动动力的滚珠丝杠。称为 T类 滚珠丝杠。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,2）按螺纹滚道法向截形,螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。常用的截形有两种，单圆弧形和双圆弧形。滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角叫接触角。理想接触角450。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,a)单圆弧形,螺纹滚道法向截

18、形为单圆弧形。特点：成型比较简单，易于得到较高的精度。但接触角转动中不断变化，因此，效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。一般在轻载条件下工作。,单圆弧形,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,b)双圆弧形,螺纹滚道法向截形为双圆弧形。特点：接触角在工作过程中基本保持不变，效率、承载能力和轴向刚度稳定，磨损较小，传递精度高。但双圆弧形砂轮修整、加工、检验比较困难。,双圆弧形,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,3）按滚珠循环方式,按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况，滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两类。滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。

19、,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,内循环的工作圈数是一列只有一圈，因而回路短，滚珠少，滚珠的流畅性好，效率高。此外，它的径向尺寸小，零件少，装配简单。内循环的缺点是反向器的回珠槽具有空间曲面，加工较复杂。,a)内循环,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,按结构的不同，外循环可分为：,b)外循环,螺旋槽式插管式端盖式,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,特点：结构工艺简单，易于制造，螺母径向尺寸小。缺点是挡珠器刚度较差，容易磨损。,螺旋槽式,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,特点：结构简单，工艺性好，适于批量生产。缺点是弯管突出在螺母的外部，径向尺寸较大，若用弯管端部作挡珠器，则耐磨性较差。,插管式,滚动

20、螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,特点：结构紧凑，工艺性好。缺点是滚珠通过短槽时容易卡住。,端盖式,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,4）按消除轴向间隙的调整预紧方法,滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,通常采用双螺母预紧或单螺母的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。,常用的双螺母预紧调整方法有三种：垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副

21、机构,垫片调隙式,调整垫片2的厚度，可使螺母1产生轴向移动，以达到消除轴向间隙和预紧的目的。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生“预拉应力”，而当垫片厚度较薄时即产生“预压应力”以消除轴向间隙。,特点：结构简单，可靠性高，刚性好。缺点是精确调整比较困难。故适用于一般精度的传动机构。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,螺纹调隙式,螺母1的外端有凸缘，螺母3加工有螺纹的外端伸出螺母座外，以两个圆螺母2锁紧。旋转圆螺母即可调整轴向间隙和预紧。,特点：结构紧凑，工作可靠，调整方便。缺点是不很精确。,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,(3)滚珠丝杠副的精度。

22、滚珠丝杠副的精度等级为1,2,3,4,5、7,10级精度，代号分别为1,2,3,4,5,7,10。其中1级为最高，依次逐级降低(4)滚珠丝杠副的标注方法。滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按下列格式编写:负荷滚珠总圈数为1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5圈，代号分别为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。滚珠螺纹的代号用GQ表示，标注在公称直径前，如GQ50 x 8-3,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,例：CTC63 x 10-3.5-3.5/2000 x 1600 表示为插管突出式外循环(CT)，双螺

23、母齿差预紧(C)的滚珠丝杠副，公称直径63 mm，基本导程10 mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2 000 mm,螺纹长度为1 600 mm,滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构,68,2.3 机械导向结构,69,2.3 机械导向结构,机电系统的支承部件包括导向支承部件、旋转支承部件和机座机架。作用：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。基本组成：定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成。,分类：,（1）按运动轨迹分：直线和圆周运动导轨（2）按运动性质分：,主运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运 动的速度较高。,进给

24、运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运动的速度较低。,移置导轨：只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工时没有相对运动。,（3）按摩擦性质分：,滑动导轨,滚动导轨：在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦的性质，广泛地应用于进给运动导轨和旋转主运动导轨。,静压导轨：油膜压强靠液压泵建立，两导轨面间有一层静压油膜，多用于进给运动导轨。,动压导轨：当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应使导轨油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦。只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨。,普通滑动导轨,流体介质导轨,三角形导轨：磨损后，能自动补偿间隙，导向精度随其顶

25、角的减小而提高，但顶角的减小使承载能力和刚性下降；三角形导轨的制造工艺较复杂。矩形导轨：承载能力大，刚性较高，形状规则，制造和维修方便；但矩形导轨侧面有间隙，导向精度较低。燕尾形导轨：高度尺寸小，结构紧凑，能承受颠复力矩；但燕尾形导轨磨擦阻力大，制造工艺复杂。圆柱形导轨：导向性好，刚性高；但其制造精度要求较高，磨损后，导轨间隙调整较困难。,特点：,2.3.1 滑动摩擦导轨,一、导轨的截面形状及其特点1、直线运动滑动导轨截面形状：主要有三角形、矩形、燕尾形、圆柱形，都有凹凸之分。,二、导轨的基本要求1、导向精度高。导向精度是指运动件按给定方向作直线运动的准确程度，它主要取决于导轨本身的几何精度及

26、导轨配合间隙。,导轨在竖直平面 内的直线度。导轨在水平平面 内的直线度。两导轨面间的 平行度。,因此，在设计或选用导轨副时，重点考虑影响导向精度的主要因素有：,导轨结构类型。导向精度（直线度）和接触精度（平面度和接触面积）。导轨运动配合精度（间隙）。油膜厚度和油膜刚度。导轨和机架的结构刚度和接触刚度。导轨和机架的热变形（热敏感性）。装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。,二、导轨的基本要求2、运动轻便、平稳、低速时无爬行现象。,消除爬行现象的主要措施：（1）减少动、静摩擦系数的之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性。用滚动摩擦代替滑动摩擦；采用卸荷导轨和静压导轨；采用减摩材料；采

27、用导轨油。（2）提高传动机构的刚度。,影响精度保持性的主要因素是磨损。必须提高导轨的耐磨性，尽可能减小导轨的磨损的不均匀程度（沿导轨全长的均匀和不均匀磨损都会影响其精度），并使磨损后能自动补偿或调整。影响因素：导轨的材料、热处理、加工的工艺方法、磨擦性质及受力情况（即导轨的比压、润滑和防护）等有关。,二、导轨的基本要求3、耐磨性好。,在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。对于刮研导轨，应尽量减少刮研量。对于镶装导轨，应做到更换容易。,二、导轨的基本要求4、结构简单、工艺性好。,5、足够的 刚度。,导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）

28、。通常分为：静刚度 抵抗恒定载荷的能力。动刚度 抵抗交变载荷的能力。每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部刚度。在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。,二、导轨的基本要求,6、对温度变化的不敏感性。,三、常见导轨副组合与间隙调整、特点,(1)圆柱面导轨。优点：导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度;缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。,1-螺母;2-螺钉;3-支臂;4-垫块;5-立柱,最简单的防转结构是在运动件和承导件的接触表面上作出平面、凸起或凹槽。图2-30(a),(b)、(c)是这种防转结构的几个例子。利用辅助导向面可以更好

29、地限制运动件的转动图2-30(d),适当增大辅助导向面与基本导向面之间的距离，可减小由导轨间的间隙所引起的转角误差。当辅助导向面也为圆柱面时，即构成双圆柱面导轨图2-30(e)，它既能保证较高的导向精度，又能保证较大的承载能力。,（2）棱柱面导轨,特点：两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高，但工艺性差，热敏感性较大。主要用于高精机床。,1）双三角形导轨,（2）棱柱面导轨,特点：导向精度高、承载能力大的优点，避免了由于热变形所引起的配合状况的变化，且工艺性比双三角形导轨大为改善，因而应用很广。缺点是两条导轨磨损不均匀，磨损后不能自动调整间隙。,2）三角形

30、-平面导轨,（2）棱柱面导轨,特点：承载能力和刚度较大。优点是结构简单，制造、检验、修理较易。缺点是磨损后不能自动补偿间隙，导向精度不如三角形导轨。,3）矩形导轨,（2）棱柱面导轨,特点：优点是结构紧凑、调整间隙方便。缺点是几何形状比较复杂，难以达到很高的配合精度，并且导轨中的摩擦力较大，运动灵活性较差。,4）燕尾导轨,1、2-零件;3-垫片,四、导轨间隙的调整,导轨接合面之间都存在间隙。间隙过小，增加运动阻力，加速导轨磨损间隙过大，降低导向精度，容易产生振动调整方法：采用镶条和压板。,1.采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获得合适的间隙。,2镶条,镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙

31、，以保证导轨面的正常接触。常用的有平镶条和斜镶条。放在导轨受力较小的一侧。（1）平镶条,（2）斜镶条,斜镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高。斜镶条的斜度为1100140，镶条越长斜度应越小，以免两端厚度相差太大。,五、提高导轨耐磨性的措施,(1)合理选择导轨的材料及热处理。,导轨的材料：铸铁、钢、有色金属、塑料等。对导轨材料的主要要求：耐磨性高、工艺性好、成本低等。,（一）铸铁,1、特点：成本低，有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工。2、材料：灰铸铁HT200。孕育铸铁HT300。耐磨铸铁 加入合金元素，如高磷铸铁、磷铜钛铸铁、钒钛铸铁，耐磨性比孕育铸铁高一倍

32、，力学性能好，成本高，多用于精密机床3、铸铁导轨的淬火：感应淬火和火焰淬火。目的：提高导轨表面的硬度，提高耐磨性。,（二）钢,1、应用：镶钢支承导轨。2、特点：可大幅度地提高导轨的耐磨性。工艺复杂、加工较困难、成本也较高。3、常用材料：45或40Cr，整体淬硬，HRC48。20Cr，渗碳淬硬，HRC60。,（三）有色金属,1、应用：用有色金属板材镶装导轨在动导轨上，与铸铁的支承导轨相搭配。2、特点：耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移动精度。3、材料：锡青铜ZQSn663、铝青铜ZQAl9-4、（黄铜H62、H68）。,（四）塑料,1、应用：在动导轨上镶装塑料软带。与淬硬的铸铁支

33、承导轨和镶钢支承导轨组成导轨副。2、特点：摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点。3、材料：（1）塑料软带：氟塑料导轨软带,五、提高导轨耐磨性的措施,(2)减小导轨面压强。,静压卸载导轨,五、提高导轨耐磨性的措施,(2)减小导轨面压强。,水银卸载导轨,1-浮子;2-水银槽,五、提高导轨耐磨性的措施,(2)减小导轨面压强。,机械卸载导轨,五、提高导轨耐磨性的措施,(3)保证导轨良好的润滑。(4)提高导轨的精度。,2.3.2 滚动摩擦导轨,型式运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等）特点摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现

34、象；定位精度高；磨损较小，寿命长，润滑方便；结构较为复杂，加工较困难，成本较高；对脏物及导轨面的误差比较敏感。,1.滚珠导轨滚珠导轨有两种典型结构形式。,2.3.2 滚动摩擦导轨,1-隔离架;2-限动销,滚珠循环式滚动导轨的结构简图,1-运动件;2-滚珠;3-承泞件;4-返回器;5-工作滚道;6-返回滚道,2.3.2 滚动摩擦导轨,2.滚柱导轨和滚动轴承导轨 为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。这类导轨的结构尺寸较大，常用在比较大型的精密机械上。(1)交叉滚柱V一平导轨。,特点：不用保持架，可增加滚动体数目，提高导轨刚度。,2.3.2 滚动摩擦导轨,2.滚柱导轨和滚

35、动轴承导轨 为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。这类导轨的结构尺寸较大，常用在比较大型的精密机械上。(2)V一平滚柱导轨。,特点：加工比较容易,104,2.4 机械的支承结构,床腿,床腿,床身,支承机械系统其它各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力。保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。内部空间可存放冷却液、润滑液、液压油的油箱、电动机。,一、支承系统的功用,2.4 机械的支承结构,二、支承件的类型,二、支承件的类型,梁类一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零件。如机床的床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。,板类工作台、

36、刀架等。一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件。如机床的底座,箱类三个方向的尺寸大致一样的零件。如机床的箱体、升降台等。,框架类如支架、桥架、桁架等。,二、支承件的类型,铸造件：吸振能力强，刚度高，价格低。,焊接件：用钢板、槽钢、工字钢。单件小批，生产周期短。,二、支承件的类型,.足够的刚度,支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支承件的静刚度。要求支承件的额定载荷作用下，变形不超过允许值。支承件应具有较大的刚度质量比。,.足够的抗振性,包括较大的动刚度和阻尼；与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。,三、支承件的基本要求,.较

37、小的热变形,由于动力系统发热、摩擦热、切削热、环境温度变化等使支承件产生不均匀热变形和热应力。热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系，降低机械系统的工作精度。,.小的内应力,支承件在铸造、焊接和粗加工过程中，材料内部形成内应力；使用中内应力会重新分布和逐渐消失，引起支承件变形；结构上要保证内应力最小，时效处理。,.其他应考虑吊运安全，液压、电器布置合理、便于加工和装配。机床支承件还要考虑便于冷却液、润滑液的回收、排屑方便。,三、支承件的基本要求,常用材料,铸铁：材料价格便宜、阻尼大抗振性好、容易获得复杂的结构。但铸件需要木模，制造周期长，批量小时成本高，易产生缩孔与砂眼（气泡）等缺陷。适用

38、场合：生产批量较大的支承件。,铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨的要求选择；如果导轨是镶装上去的，或者支承件上没有导轨，则一般可采用HT150。,四、支承件的材料,钢材焊接：钢材弹性模量大，重量可以轻一点；添加隔板、加强筋灵活，且容易改型，但钢材的阻尼小；焊接时易产生变形。适用场合：单件小批生产的支承件，结构简单，要求不高的机械。如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q235AF或Q275钢,四、支承件的材料,常用材料,其他材料：轻合金，钢板外壳的混凝土，包泥芯的铸件，花岗岩。,预应力钢筋混凝土支承件(主要为床身、立柱、底座等）近年来有较大的发展。混凝土的比重是钢的1/3

39、，弹性膜量是钢的1/101/15，阻尼高于铸铁，适合于制造受载均匀，截面积大、抗振性要求较高的支承件。采用钢筋混凝土可节约大量钢材，降低成本。但钢筋混凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支承件连接刚度不足等问题，有待进一步研究解决。,四、支承件的材料,常用材料,支承件的结构设计主要是解决刚度问题，包括静刚度和动刚度。因此，要正确选择截面形状和截面尺寸，合理布置隔板和加强筋，并注意多支承件之间的连接刚度。1.提高支承件刚度的一般措施 支承件是一个复杂的受力体，受到拉、压、弯、扣的组合作用。从材料力学的知识我们知道:物体在受简单的拉压时，其变形与截面积有关而与截面形状无关;在弯曲或扭转时，则不但与截面积

40、有关而且与截面形状有关。,五、支承件的设计原则,支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷；自身刚度主要考虑弯曲刚度和扭转刚度；在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关；材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。,（1）正确选择支承件的截面形状,（1）正确选择支承件的截面形状,（1）正确选择支承件的截面形状,在截面积相同的条件下：空心截面惯性矩比实心的大；方形截面抗弯能力大，圆形截面抗扭能力强，矩形截面抗弯能力更好；封闭截面比非封闭截面的刚度大得多。,（1）正确选择支承件的截面形状,隔板（肋板）,隔板（肋板）是指布置在支承件两外壁之间并将两外壁连接在一起的内板

41、。,隔板功用把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷。当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承件的自身刚度。,纵向隔板主要提高抗弯刚度横向隔板主要提高抗扭刚度斜向隔板兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果,(2)合理设置隔板和加强筋,床身隔板的几种形式,(2)合理设置隔板和加强筋,必须注意隔板的布置方向：纵向隔板应布置在弯曲平面内，此时隔板对X轴的惯性矩为：Jb=ab3/12若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时，则惯性矩为Ja=ba3/12由于Ja Jb，所以图a的 抗弯刚度比图b要大得多,(2)合理设置隔板和加强筋,龙门铣床立柱和床身中

42、的肋条,(2)合理设置隔板和加强筋,(2)合理设置隔板和加强筋,加强筋,指配置在支承件内壁上的条状金属，它不连接支承件的整个断面。,功用主要是为了减少支承件的局部变形和防止薄壁振动。,(3)提高接触刚度,两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微观不平度，所以只是一些高点相接触；支承件各接触面抵抗接触变形的能力接触刚度。,接触刚度,(3)提高接触刚度,两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微观不平度，所以只是一些高点相接触；支承件各接触面抵抗接触变形的能力接触刚度。,接触刚度,(3)提高接触刚度,提高接触刚度可采用以下措施。减小表面粗糙度的数值一般应选到Ra 1.6 um拧紧固定螺栓，使接触

43、表面有200 N/mm的预压力，以消除表面不平整的影响，提高接触刚度;预压力应用测力扳手来控制。合理选择连接部位的形状，提高局部刚度，以防止产生局部变形，造成接触不良，降低接触刚度。,(3)提高接触刚度,图2-47(a)为凸缘式，局部刚度较差:采用壁完式图2-47(b)或局部加强,（1）封砂、铸造，即保留铸造件中的砂芯。在支承件内腔充填泥芯或混凝土等具有高内阻尼的材料。,2.提高阻尼的一般措施,五、支承件的设计原则,（2）采用具有阻尼性能的焊接结构。如采用间断焊缝、焊减振接头等来加大摩擦阻尼。,（）对于弯曲振动结构尤其是薄壁结构，在其表面喷涂一层具有高内阻尼的粘滞性材料，如沥青基制成的胶泥减振

44、剂、高分子聚合物和油漆腻子等，或采用石墨纤维的约束带和内阻尼高、剪切膜量极低的压敏式阻尼胶等。,2.提高阻尼的一般措施,131,2.5 机械执行机构,刀架,132,2.5 机械执行机构,特点：响应速度快动态特性好动静态精度高动作灵敏度高要求：应满足效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。,一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。,一、微动机构,机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。,二、定位机构,一种在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构

45、。,三、数控机床回转刀架,1-轴;2-蜗轮;3-下端齿盘;4-上端齿盘;5-刀架;6-套筒;7-轴套;8-销;9-联轴套;10-轴;11-蜗杆;12-托缩开关;13-套筒;14-托缩弹簧;15-电动机,工业机器人是一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，用来搬运物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化设备。工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能的机构。,四、工业机器人末端执行器,末端执行器,圆弧形夹持器,特种末端执行器,工具型末端执行器,万能手,137,(a)圆弧开合型夹持器;(b)圆弧平行开合型夹持器,图2-51圆弧型夹持器,图2-52特种末端执行器,(a)真空吸附手(b)电磁吸附手,图2-53工具型末端执行器,(a)弧焊焊枪;(b)点焊枪;(c)转塔式多功能末端执行器,图2-54灵巧手,小结,.机电一体化机械系统主要包括传动机构、导向及支承机构、执行机构三大部分。.机电一体化机械系统必须满足高精度、小惯量、大刚度等要求。.机械传动部件有齿轮传动、带传动、链传动、螺旋传动以及各种非线性传动部件等。.导轨副主要由定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成。.导轨的基本要求。6.支承件的设计原则。,谢谢大家,