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1、机电一体化系统与设计机电一体化系统与设计第一章第一章 机电一体化概论机电一体化概论第二章第二章 精密机械技术精密机械技术第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机第四章第四章 基于单片机的控制器基于单片机的控制器第五章第五章 可编程序控制器可编程序控制器第六章第六章 传感器与计算机接口传感器与计算机接口第七章第七章 动力驱动及其计算机控制动力驱动及其计算机控制第八章第八章 机电一体化系统设计方法与实例机电一体化系统设计方法与实例第二讲第二讲 精密机械技术精密机械技术概述概述传动机构传动机构导向机构导向机构执行机构执行机构概述概述控制器(IPC/PLC/MCU等)输入接口输出接口驱动执行机构(电
2、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概述 机电一体化对机械系统的基本要求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）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，与一般的机械系统中的支撑、传动、执行机构，与一般的机械系统不同：不同：高精度高精度 快速响应快速响应（高速的计算机单元高速的计算机单元+慢速的机械单元）慢速的机械单元）良好的稳定性良好的稳定性 简单而言，就是简单而言，就是“稳、准、快稳、准、快”，此外，还要求，此外，还要求有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、
3、体积小、有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等等寿命长等等 措施：考虑到以上要求，在设计和制造机械装置措施：考虑到以上要求，在设计和制造机械装置时，通常采用时，通常采用精密机械技术精密机械技术。概述概述 机电一体化系统中机械装置的主要组成机电一体化系统中机械装置的主要组成 传动机构传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，并且要：主要完成转速、转矩的匹配，并且要求有良好的伺服性能。求有良好的伺服性能。导向机构导向机构：主要起支承和导向作用，为机械装置：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。中各运动部件安全、准确地完成特定运动作保障。执行机构执行机构
4、：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、：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。精确度和良好的重复性、可靠性。第二讲第二讲 精密机械技术精密机械技术概述概述传动机构传动机构 传动机构的性能要求传动机构的性能要求 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 精密齿轮传动精密齿轮传动 挠性传动挠性传动 间歇传动间歇传动导向机构导向机构执行机构执行机构传动机构的性能要求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：为满足机械装置有良好的伺服性能，传动系统应具有：转动惯量小转动惯量小：前提是？：前提是？大的转动惯量会带来：大的转动惯量会带来：机械负载增大机械负载增大 响应速度
5、慢响应速度慢 灵敏度下降灵敏度下降 足够的刚度足够的刚度：刚度？：刚度？大的刚度会：大的刚度会：能量损失小能量损失小 机械装置固有频率高，不易共振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能增加闭环伺服系统的稳定性 阻尼适中阻尼适中：大的阻尼会：大的阻尼会：振幅小，衰减快振幅小，衰减快 稳态误差增大，精度降低稳态误差增大，精度降低相互矛盾，寻找相互矛盾，寻找最优或最佳平衡最优或最佳平衡点，这就是设计点，这就是设计的主要任务！的主要任务！第二讲第二讲 精密机械技术精密机械技术概述概述传动机构传动机构 传动机构的性能要求传动机构的性能要求 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 精密齿轮传动精密齿
6、轮传动 挠性传动挠性传动 间歇传动间歇传动导向机构导向机构执行机构执行机构滚珠丝杠的结构及工作原理滚珠丝杠的结构及工作原理 将将旋转运动旋转运动转变为转变为直线直线运动运动或将或将直线运动直线运动转变转变为为旋转运动旋转运动，它是传统，它是传统滑动丝杠的进一步延伸滑动丝杠的进一步延伸发展。发展。由由丝杠丝杠、螺母螺母、滚动体滚动体、滚珠循环装置滚珠循环装置组成。组成。根据滚珠的循环方式：根据滚珠的循环方式：内循环式内循环式：反向器：反向器 外循环式外循环式：插管式、端：插管式、端盖式、螺旋槽式盖式、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滚珠丝杠的结构及工作原理内
7、循环内循环变位导程预紧螺母式变位导程预紧螺母式滚珠丝杠副滚珠丝杠副内循环内循环垫片预紧螺母式垫片预紧螺母式滚珠丝杠副滚珠丝杠副内循环内循环螺纹预紧螺母式螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副滚珠丝杠副滚珠丝杠的结构及工作原理滚珠丝杠的结构及工作原理大导程插管式滚珠丝杠副大导程插管式滚珠丝杠副端盖式滚珠丝杠副端盖式滚珠丝杠副滚珠丝杠的特点滚珠丝杠的特点 优点优点：传动效率高传动效率高：滚动摩擦、传动效率：滚动摩擦、传动效率90%以上，驱以上，驱动力矩为滑动丝杠的动力矩为滑动丝杠的1/3左右，发热率低。左右，发热率低。定位精度高定位精度高：发热率低，温升小，采取预拉伸并：发热率低，温升小，采取预拉伸并预紧消除轴
8、向间隙等措施。预紧消除轴向间隙等措施。传动可逆性传动可逆性：旋转运动：旋转运动直线运动。直线运动。使用寿命长使用寿命长：寿命远高于滑动丝杠。：寿命远高于滑动丝杠。同步性能好同步性能好：采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一：采用多套滚珠丝杠副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。装置或多个相同部件时，可获得很好的同步性。滚珠丝杠的特点滚珠丝杠的特点 缺点缺点：不能自锁（垂直配置需制动装置）不能自锁（垂直配置需制动装置）制造工艺复杂，成本高制造工艺复杂，成本高 应用应用：滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种于各种工业设备工业设备、精密仪器
9、精密仪器、精密数控机床精密数控机床、加工中心加工中心等。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为等。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广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。展。电滚珠丝杠单元提高传动精度提高传动精度 影响传动精度的影响传动精度的主要因素主要因素 轴向间隙轴向间隙原有预留间隙原有预留间隙弹性变形引起的间隙弹性变形引起的间隙 调整方法：调整方法：施加预紧力施加预紧力 双螺母螺纹预紧调整式双螺母螺纹预紧调整式 双螺母齿差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双螺母
10、垫片预紧调整式 调整间隙应注意的问题调整间隙应注意的问题 预紧力大小适中预紧力大小适中 过大过大会增大摩擦，效率降低会增大摩擦，效率降低 过小过小会降低传动精度会降低传动精度结构图结构图原理图原理图滚珠丝杠的安装方式滚珠丝杠的安装方式 安装方式不同（支撑形式不同），将影安装方式不同（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：优缺点，应视不同需要而定：单推单推单推式单推式 双推双推双推式双推式 双推双推简支式简支式 双推双推自由式自由式单推单推单推式单推式滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的制动 使用制动电机、超越离合器或其他方式使用制
11、动电机、超越离合器或其他方式的制动装置，例如电磁的制动装置，例如电磁摩擦制动装置。摩擦制动装置。滚珠丝杠的设计、计算滚珠丝杠的设计、计算 尺寸、强度、预紧力、效率计算、刚度、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）。稳定性校核（请参考相关工具书）。第二讲第二讲 精密机械技术精密机械技术概述概述传动机构传动机构 传动机构的性能要求传动机构的性能要求 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 精密齿轮传动精密齿轮传动 挠性传动挠性传动 间歇传动间歇传动导向机构导向机构执行机构执行机构精密齿轮传动精密齿轮传动普通齿轮传动的精度提高普通齿轮传动的精度提高谐波齿轮（略）谐波齿轮（略）精密齿轮传
12、动精密齿轮传动普通齿轮传动的精度提高普通齿轮传动的精度提高 误差的主要来源误差的主要来源 直齿圆柱齿轮的消隙直齿圆柱齿轮的消隙 斜齿轮的消隙斜齿轮的消隙 锥齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）谐波齿轮（略）齿轮传动的误差来源齿轮传动的误差来源误差的主要来源误差的主要来源：齿侧间隙齿侧间隙空行程空行程传动误差传动误差 齿轮啮合传动时，为了在啮合齿廓之间形成润齿轮啮合传动时，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，此间隙称为间必须留有间隙，此间隙称为齿侧间隙齿侧间隙，简称，简称侧隙侧隙。但是，齿侧间隙的存在会产
13、生齿间冲击，影响齿轮但是，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。传动的平稳性。因此，这个间隙只能很小。精密齿轮传动精密齿轮传动普通齿轮传动的精度提高普通齿轮传动的精度提高 误差的主要来源误差的主要来源 直齿圆柱齿轮的消隙直齿圆柱齿轮的消隙 斜齿轮的消隙斜齿轮的消隙 锥齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）谐波齿轮（略）直齿圆柱齿轮的消隙直齿圆柱齿轮的消隙 调整中心距法调整中心距法 偏心轴套调整法：结构简单，无自动补偿能力。偏心轴套调整法：结构简单，无自动补偿能力。偏心轴套调整法偏心轴套调整法结构图结构图直齿圆柱齿轮的消隙直齿圆柱齿轮的消隙n调侧隙法调侧隙法n
14、双片薄齿轮错齿法：能自动补偿，但无法传递双片薄齿轮错齿法：能自动补偿，但无法传递大的动力，且结构复杂，适用于一些传动精度大的动力，且结构复杂，适用于一些传动精度高、力矩小的场合，如计数器。高、力矩小的场合，如计数器。双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法宽齿轮宽齿轮薄齿轮薄齿轮扭簧扭簧结构图结构图精密齿轮传动精密齿轮传动普通齿轮传动的精度提高普通齿轮传动的精度提高 误差的主要来源误差的主要来源 直齿圆柱齿轮的消隙直齿圆柱齿轮的消隙 斜齿轮的消隙斜齿轮的消隙 锥齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）谐波齿轮（略）斜齿轮的消隙斜齿轮的消隙 轴向调整法轴向调整法 有垫片调整法和轴向压簧调整法。有垫片
15、调整法和轴向压簧调整法。垫片调整法垫片调整法宽齿轮宽齿轮薄齿轮薄齿轮垫片垫片轴向压簧调整法轴向压簧调整法宽齿轮宽齿轮薄齿轮薄齿轮弹簧弹簧精密齿轮传动精密齿轮传动普通齿轮传动的精度提高普通齿轮传动的精度提高 误差的主要来源误差的主要来源 直齿圆柱齿轮的消隙直齿圆柱齿轮的消隙 斜齿轮的消隙斜齿轮的消隙 锥齿轮的消隙锥齿轮的消隙谐波齿轮（略）谐波齿轮（略）锥齿轮的消隙锥齿轮的消隙 轴向调整法轴向调整法 有轴向弹簧调整法（有自补偿能力）和周向弹有轴向弹簧调整法（有自补偿能力）和周向弹簧调整法。簧调整法。轴向压簧调整法轴向压簧调整法弹簧弹簧第二讲第二讲 精密机械技术精密机械技术概述概述传动机构传动机构
16、传动机构的性能要求传动机构的性能要求 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 精密齿轮传动精密齿轮传动 挠性传动挠性传动 间歇传动间歇传动导向机构导向机构执行机构执行机构挠性传动挠性传动 同步带传动同步带传动：综合了：综合了带传动带传动及及链传动链传动的特点，的特点，属于属于啮合传动方式啮合传动方式 优点优点：精度高，效率高，传动平稳、无冲击、：精度高，效率高，传动平稳、无冲击、无振动、传动比恒定无振动、传动比恒定 缺点缺点：制造、安装精度复杂，橡胶有蠕变性：制造、安装精度复杂，橡胶有蠕变性 钢带传动钢带传动：属于摩擦传动：属于摩擦传动 绳轮传动绳轮传动：属于摩擦传动：属于摩擦传动 钢带传动、绳轮传动应用在：起重机、电梯、钢带传动、绳轮传动应用在：起重机、电梯、索道等索道等 软轴传动软轴传动：适用于两个传动机构：适用于两个传动机构不在同一条不在同一条直线上直线上或两个部件之间有相对位置。或两个部件之间有相对位置。第二讲第二讲 精密机械技术精密机械技术概述概述传动机构传动机构 传动机构的性能要求传动机构的性能要求 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 精密齿轮传动精密齿轮传动 挠性传动挠性传动 间歇传动间歇传动导
