机电一体化培训课件.ppt

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机 电 一 体 化 技 术 机 械 传 动 概 述 机电一体化设备进给传动方案 双矩形导轨导向方式 低速爬行现象 进给传动“滚动化”的必要性 直线滚动导轨 圆形导轨 滚动导轨块和直线轴承导轨 滚珠丝杠螺母副 滚珠花键 支承部件 滚珠丝杠与进给电机的连接 直线电机 转动惯量 机械传动 传统的机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递 给执行机构的中间装置，是一种转矩和转速的变换器，其目 的是使驱动电动机与负载之间在转矩和转速上得到合理的匹 配。 在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很 大程度上代替了机械传动中的变速机构，大大简化了传动链。 机电一体化系统中的机械传动装置已成为伺服系统的组成部 分。 机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械 传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性 好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性 等要求。 机电一体化技术 机 械 传 动 概 述 机电一体化设备进给传动方案 机电一体化技术 机 械 传 动 概 述 旋转编码器 伺服电机 联轴器 减速器 旋转编码器 联轴器 旋转编码器 丝杠螺母传动 齿轮齿条传动 蜗轮蜗杆传动 光电编码器 旋转变压器 直线编码器 光栅 磁栅 感应同步器 双矩形导轨导向方式 导向面 窄式导向 窄式导向采用一根导轨的两侧进行导向 导向面 宽式导向 宽式导向分别采用两根导轨的一个侧面 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 进行导向 为提高导轨的耐磨性，常采用镶钢导轨，经过处理后，耐磨性可比灰铸铁 提高5~10倍。镶钢导轨一般采用螺栓或焊接的方式固定在基础件上。 低速爬行现象 在低速进给运动时，速度有时为 运动部件的速度如下图曲线所示。运动部件不是 连续的匀速运动，而是时走时停，这种现象称为 爬行。产生的爬行的原因主要是由摩擦系数随相 对运动速度不同而造成的。为避免爬行现象的出 现，可同时采取几项措施，包括：采用滚动导轨、 静压导轨、卸荷导轨、塑料导轨等。 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 压板 塑料导轨 移动部件 床身 垫片 t v 常用的塑料导轨材料有： 塑料导轨软带、金属塑料复 合导轨板和塑料涂层。 “滚动化”是滚珠丝杠和滚动导 轨。 机电一体化设备为获得高的加 工精度，要求进给运动有：高的 传动精度、高的灵敏度、高的稳 定性。 普通滑动导轨和丝杠存在着摩 擦力大，低速爬行，高速振动， 灵敏度低缺点，因此，不适宜应 用在机电一体化设备的进给传动 中。 滚动丝杠和滚动导轨具有： 摩擦力小﹑传动灵活﹑无爬行、 传动效率高。 预紧后可消除间隙，提高传动 刚度。 进给传动“滚动化”的必要性 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 滑块（通过安装孔用螺 栓固定在移动部件上） 安装孔 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 安装孔 滚珠 导轨（通过安装孔用 螺栓固定在床身上） 直线滚动导轨由专业生产厂家生产。 一条导轨上有两个支承滑块，支承滑块 固定在运动部件上，导轨整体安装在机床的基础件上。当滑块移动时，滑块内的 滚珠在导轨上的圆弧沟槽滚动并形成循环。直线滚动导轨在制造时已消除了间 隙，因而刚度和精度都较高。 滚动导轨由于滑动件与支承件之间是滚动摩擦，因此，摩擦系数小，且动、 静摩擦系数差别小，低速运动平稳，无爬行，运动灵活，定位精度高。 直线滚动导轨 结构组成 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 安装方式 移动部件 滑块 导轨 床身 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 直线滚动导轨形式 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 直线滚动导轨形式 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 直线滚动导轨形式 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 弧形滚动导轨 X-Y十字工作台 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 线性球轴承座 圆形导轨 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 圆形导轨又称直线运动球轴承，这种轴承只能在 导轨轴上作直线往复运动，而不能旋转。滚珠与导轨 轴外圆柱面为点接触，因而许用载荷较小，但运动轻 便灵活、精度较高、价格低、维护方便，广泛应用于 机床、测量装置、电子仪器、输送机械、医疗诊断仪 器等轻载设备和装置。 在轴承外套筒和 挡圈上开有轴向切 口，能任意调整轴承 与导轨间的间隙 可调式线性球轴承 开放式线性球轴承 在轴承外套筒和挡圈 上开有轴向扇形切口，轴 承与导轨间的间隙可调 封闭式线性球轴承 轴承与导轨间 的间隙不可调 直线轴承导轨滚动导轨块和直线轴承导轨 机电一体化技术 机 械 传 动 导 轨 滚动导轨块 直线轴承导轨安装 滚动导轨块安装 丝杠 发兰 螺母 滚珠 丝杠螺母副将旋转运动转变成 直线运动，用较小的驱动力矩就 可获得较大的轴向牵引力。数控 机床进给系统采用滚珠丝杠螺母 副的目的在于：由于丝杠和螺母 之间有滚珠，因此摩擦系数小， 且动 静摩擦系数相差小，低速无 爬行。在施加预紧后，轴向刚度 好，定位精度高。 进给电机驱动丝杠旋转时， 和运动部件固定在一起的螺母作 直线运动，螺母内的滚珠在丝杠 带圆弧的螺旋滚道内滚动，并在 螺母内不断循环。按照滚珠的循 环方式，滚珠丝杠螺母副分成内 循环和外循环两大类。 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 滚珠丝杠螺母副 组成 带圆弧的 螺旋滚道 螺母 内循环：滚珠在循环过程中，滚 珠始终保持和丝杠接触，这种方 外循环：滚珠在循环过程中，滚珠 在换向时与丝杠脱离接触。 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 外循环 式结构紧凑。 由于丝杠与螺母之间存在间隙，因此，当丝杠由正转变为反转的瞬时， 螺母必须先克服该间隙才能运动，则该间隙称反向间隙。反向间隙的存在降 低了运动精度和丝杠螺母副的刚度，间隙消除的方法采用双螺母，通过调整 两个螺母之间的微量轴向位移，消除间隙。通常采用垫法调隙式、螺纹调隙 式和齿差调隙式。 滚珠循环方式 内循环 反向器 插管 滚珠丝杠螺母副类型 单螺母内循环式 双螺母消隙内循环式 单螺母外循环式 双螺母外循环垫片消隙式 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 滚珠丝杠支承 一端固定一端自由 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 一端固定一端移动 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 两端固定 δ = AE 丝杠预紧 机电一体化技术 机 械 传 动 丝 杠 预紧垫片 F 预紧螺母 千分表 δ 丝杠弹性模量 变形量 预紧力 F 预紧力的大小是通过测 量丝杠的变形量来获得的。 丝杠截面积 预紧就是传 动部件在承载前， 在装配或调试阶段 预先施加载荷使之 产生微量变形。预 紧能消除传动间 隙，减小承载传动 时的变形，提高传 动刚度；预紧还能 抵消传动时的热变 形，提高传动精度。 预紧的外施力要适 当，过大的话会增 加附加摩擦力矩， 不利于快速性的提 高。 机 械 传 动 机电一体化技术 花键轴的外圆上均布3条凸起的 轨道，在外筒内有循环的滚珠。外 筒和花键轴之间既可以轴带筒，也 可以筒带轴作回转移动，又可以作 灵活、轻便的相对的直线运动，所 以滚珠花键即是一种传动装置，又 是一种直线运动支承。可用于机器 人、机床、机电一体化设备和自动 搬运车等各种机械。 花键轴外筒 支承部件 滚珠花键 花键轴 机电一体化技术 机 械 传 动 支承部件 密珠轴承 密珠轴承是一种 新型的滚动摩擦支 承，由内、外圈和 密集的滚珠组成。 滚珠在尼龙保持架 的空隙中以近似与 多头螺旋线的形式 径向轴承 推力轴承 滚珠排列方式 密珠轴承 排列，滚珠的密集 具有误差平均效 应，有利于提高回 转轴的精度。 精密分度头主轴系统 保持架 机电一体化技术 机 械 传 动 支承部件 空气静压轴承 圆柱径向和端面推力空气静压轴 承 径向轴承的轴套为外鼓形， 可自动调整定心。方法是先通气 使轴套自动将位置调好后再固定。 这样可提高前后轴套的同轴度， 从而保证转轴的回转精度。 双半球空气轴承主轴 转轴前 后轴承均为半球状，既是径向轴 承又是止推力轴承，由于轴承的 球形气浮面具有自动调心作用， 因此可以提高前后轴承的同轴 度，以提高转轴的回转精度。 机 械 传 动 传动部件 同步齿形带 同步齿形带传动是综合了带传动、 齿轮传动和链传动特点的一种新型传动。 带的工作表面制有带齿，它与有相应齿 形的带轮相啮合，用来传递运动和动力。 与一般带传动相比较，同步齿形带传动 具有如下特点：传动比准确，传动效率 高；工作平稳，能吸收振动；不需润 滑，维护保养方便；中心距要求严格， 安装精度要求高。 同步带的齿形一般为梯形，材料为 聚氨酯橡胶和氯丁橡胶，带轮材料一般 采用钢、塑料或轻合金。 机电一体化技术 同步齿形带的主要参数是带齿的节距pb pb 机 械 传 动 传动部件 谐波齿轮变速器 组成及工作原理 谐波齿轮传动是一种新型传动装置，主 要有波形发生器、柔轮和刚轮组成。柔轮具有 外齿，刚轮具有内齿，刚轮的齿数zg比柔轮的 齿数zr略多。柔轮的轮缘极簿，刚度很小，在 未装配前，柔轮是圆形的，由于波形发生器的 直径比柔轮内圆的直径略大，所以当波形发生 器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭 圆形。波发生器有滚轮式、凸轮式和偏心盘式。 当波发生器转动时，柔轮和刚轮上的齿依次进 入啮合，柔轮的旋转方向与波发生器的旋转方 向相反。谐波齿轮传动既可以做成减速器，也 可以做成增速器。波形发生器、柔轮和刚轮三 者任意一个固定，其余二个一个为主动，另一 个为从动，应用广泛的是刚轮固定，波发生器 主动，柔轮从动的形式。单级减速的减速比i ＝75～500（i＝zr/zg－zr）。 机电一体化技术 与一般齿轮传动相比，谐波 齿轮传动具有：传动比大、承载 能力大、传动精度高、传动平稳 无冲击的特点。 波发生器 柔轮 刚轮 柔性轴承 机电一体化技术 机 械 传 动 传动部件 波发生器﹕它与输入轴相联，对柔轮 的齿圈的变形起产生和控制的作用。 它由一个椭圆形凸轮和一个薄壁的柔 性轴承组成。柔性轴承不同于普通轴 承﹐它的外环很薄﹐容易产生径向变 形﹐在未装入凸轮之前环是圆形的， 装 上 之 后 为 椭 圆 形 。 柔轮﹕有薄壁杯形﹑薄壁圆筒形或平 嵌式等多种。薄壁圆筒形柔轮的开口 端部外面有齿圈﹐它随波发生器的转 动而变形﹐筒底部分与输出轴联接。 刚轮﹕它是一个刚性的内齿轮。双波 谐波传动的刚轮通常比柔轮多2齿。谐 波齿轮减速器多以刚轮固定，外部与 箱体联接。 波发生器 输入轴 刚轮 轴承 柔轮 输出轴 柔轮 外齿圈 波发生器 内齿圈 刚轮 机电一体化技术 机 械 传 动 传动部件 谐波齿轮变速器在机器人中的应用 伺服电机 滚珠丝杠 伺服电机 联轴器 联轴器座 机电一体化技术 机 械 传 动 传动方式 滚珠丝杠与进给电机的连接 伺服电机 同步齿形带 机 械 传 动 机电一体化技术 直线永磁同步电动机是在定 子侧，沿全行程方向的一条直 线，一块接一块交替地安装N、S 永磁体，而动子下方的全长上， 对应地安装含铁心的通电绕组， 动子必须带电缆一起运动。当动 子的三相绕组中通入三相对称正 弦电流后，产生气隙磁场。当三 相电流随时间变化时，气隙磁场 将按A、B、C相序沿直线运动， 该磁场称为行波磁场。永磁体的 励磁磁场与行波磁场相互作用便 会产生电磁推力。在电磁推力的 作用下，由于定子固定不动，那 么动子就会沿行波磁场运动的相 反方向作直线运动。 传动方式 直线电机 机电一体化技术 机 械 传 动 传动方式 直线电机在进给运动中的应用 1—直线电机磁铁组件 2—直线电机滑块组件 3—工作台 4—滑座 5—直线光栅扫描头 6—直线滚动导轨 7—直线光栅 进给驱动采用直线电机与旋转电机传动方式的最大区别是取消了电动机到 工作台之间的一切中间环节，减少了传动链。其优点是，响应快（加速度一般 可达5~10g）、传动刚度高、定位精度高。 转动惯量 1.圆柱体转动惯量 m d J 21 4 mdJ = 机电一体化技术 机 械 传 动 特 性 � L � J = (m1 2 )� � 2π �m1 m2 J 工件 工作台 L 导程 2 + m � + J s Js 丝杠惯量 丝杠 2.直线运动物体的转动惯量 丝杠惯量 折算到丝杠轴上的总转动惯量J 机电一体化技术 机 械 传 动 特 性 m1 m2 r 工件 齿条 齿轮 J Jc J = (m1 + m2 )r 2 + J c 齿轮惯量 机电一体化技术 折算到齿轮轴上的总转动惯量J 机 械 传 动 特 性 齿轮齿条传动 ( )J = J1 1i J 2 1 2i J 3+ + i2 J1 3.齿轮转动惯量 z4 z3 z2 z1 J3 J2 z2 z1 z3 z 4 i2 = i1 = J Ⅰ Ⅱ Ⅲ 折算到Ⅰ轴上的总转动惯量J 2 包括齿轮z4和轴Ⅲ的惯量 包括齿轮z2、 z3和轴Ⅱ的惯量 包括齿轮z1和轴Ⅰ的惯量 机电一体化技术 机 械 传 动 特 性 4.传动带转动惯量 …… d v J m 折算到驱动轴上的总转动惯量J J = (m + mD )d 2 传动带质量 机电一体化技术 机 械 传 动 特 性 5.自驱台车转动惯量 d m 21 4 mdJ = 折算到驱动轴上的总转动惯量JJ 机电一体化技术 机 械 传 动 特 性