機電一體化--機械受控模塊.ppt

1、機電一體化系統設計,第二章 機械受控模塊,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副 第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副 第三節(jié) 諧波齒輪減速器 第四節(jié) 軸系 第五節(jié) 導軌及支撐件 第六節(jié) 并聯機構 第七節(jié) 數學模型和設計要求,第二章 機械受控模塊,機械受控模塊包含機械傳動裝置與支撐導向等部件 在機電一體化系統中起傳遞運動和負載、匹配轉矩和轉速、隔離環(huán)境溫度和振動以及支撐和防護等作用 主要介紹在機電一體系統中常用的一些機械傳動部件、軸系、導軌及支撐件。,2.1 機械傳動裝置,1.高精度 2.快速響應性 3.良好的穩(wěn)定性,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,一、分類及選用,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,二、齒輪系傳動比最佳分配條件,最小等效轉動

2、慣量原則,設各齒輪材料相同，厚度相同，齒輪1和3一樣大，則有,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,二、齒輪系傳動比最佳分配條件 1.最小等量轉動慣量原則 2.重量最輕原則 3.輸出軸轉角誤差最小原則,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 齒輪傳動間隙的調整目的： 提高齒輪傳動的精度和消除齒輪傳動的正反轉誤差。 調整方法： 剛性調整法 柔性調整法,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 剛性調整法 調整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法和斜齒輪法,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 剛性調整法 調整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法和斜齒輪法,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的

3、消除 柔性調整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調整法,通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側，以消除齒輪的間隙。,第一節(jié) 齒輪系及蝸桿副,三、齒輪副間隙的消除 柔性調整法 齒輪傳動中各級齒輪的傳

4、動間隙對系統精度影響程度不同，設各級齒輪間隙分別為 ，則歸算到負載軸上的總間隙為： 后級的間隙比前級的間隙影響大，最后一級間隙對系統的精度影響最大，應此，對于減速傳動，保證最后一級精度最為重要。,第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副,滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構，其螺桿和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當螺桿或螺母傳動時，滾動沿螺紋滾道滾動，使螺桿和螺母作相對運動時為滾動摩擦，提高了傳動效率和傳動精度。,絲杠螺母機構的傳動形式,絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構，用來將旋轉運動變?yōu)橹本€運動或將直線運動變?yōu)樾D運動。 A、按功能分為： 有傳遞能量（千斤頂，螺旋壓力機）； 有傳遞運動（工作臺的進給絲杠）； 調整位置（螺旋

5、測微器）。 B、按運動副分為： 滑動摩擦機構：結構簡單，成本低，具有自鎖功能，但摩擦力大，傳動效率低； 滾動摩擦機構：結構復雜，成本高，摩擦力小，傳動效率高，無自鎖功能，傳動距離和速度有限； 液浮摩擦性 電螺母絲杠型,2.3.2 滾珠絲杠傳動部件,1）滾珠絲杠副的組成 在螺母的內壁和絲杠的外壁分別加工一條螺旋形的滾道，在滾道中裝入滾珠，在螺母的滾道兩端裝一個擋住滾珠的螺母（螺母內壁有滾珠槽，反向器），就構成了滾珠絲杠傳動部件。,2）滾珠絲杠副的特點,1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效 率0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當于常規(guī)的絲杠螺母副的1/41

6、/3。 2）給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 3）運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高。,4）運動具有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。 5）磨損小，使用壽命長。 6）制造工藝復雜。滾珠絲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。 7）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。,（3）滾珠絲杠副的典型結構類型,單圓弧形與雙圓弧形的特點,顯然，單圓弧型滾珠絲杠幅存在一定的傳動間隙，因此，傳

7、動精度稍差，但滾道加工容易。如圖所示，左邊為單圓弧型，可以看到，螺桿和螺母的螺紋都是半圓弧型，顯然它們之間的間隙比較大，因此其傳動誤差就較大。圖右邊是1/4圓弧型螺紋，雙圓弧型滾珠絲杠幅傳動間隙相對較小，傳動精度高，但滾道加工困難些。,內循環(huán)與外循環(huán)方式的特點,滾珠內循環(huán)方式的反向器的轉動可調整滾珠的循環(huán)方向，滾珠循環(huán)回路短、流暢性好；而且螺母的徑向尺寸也較?。ǚ聪蚱骺梢宰龅暮苄。５聪蚱鞯募庸だщy，而且裝配調整也比較困難。,內循環(huán)方式,滾珠絲杠內循環(huán)方式,滾珠絲杠內循環(huán)的反向器,外循環(huán)方式,而外循環(huán)方式中滾道循環(huán)道路長，在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口自動對接，通道流暢，摩擦小，更適合于高

8、速高靈敏度高剛性的精密進給系統。,滾珠絲杠外循環(huán)結構圖,（4）調整軸向間隙方式,常用的雙螺母消除軸向間隙的結構型式有以下三種。 (a)墊片調隙式 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調整墊片的厚度使螺母產生軸向位移，以達到消除間隙和產生預拉緊力的目的。 這種結構的特點是構造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調整費時，并且在工作中不能隨意調整，除非更換厚度不同的墊片。,雙螺母墊片調隙式結構,(b)螺紋調隙式 其中一個螺母的外端有凸緣而另一個螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定著。旋轉圓螺母時，即可消除間隙，并產生預拉緊力，調整好后再用另一個圓螺

9、母把它鎖緊。,雙螺母螺紋調隙式結構,(c)齒差調隙式 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪，兩者齒數相差一個齒，并裝入內齒圈中，內齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調整時，先取下兩端的內齒圈，當兩個滾珠螺母相對于套筒同方向轉動相同齒數時，一個滾珠螺母對另一個滾珠螺母產生相對角位移，從而使?jié)L珠螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道相對移動，達到消除間隙并施加預緊力的目的。,雙螺母齒差調隙式結構,除了上述三種雙螺母加預緊力的方式外，還有單螺母變導程自預緊及單螺母鋼球過盈預緊方式等方式。,（5）滾珠絲桿副支承方式,絲杠的軸承組合及軸承座的連接剛性不足時將嚴重影響滾珠絲杠傳動副的傳動精度和剛度，為了提高軸向剛度，常用止

10、推軸承為主的軸承組合來支承絲杠，當軸向載荷較小時，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。 單推單推式：在支承座內安裝向心推力軸承，外邊安裝止推軸承,雙推雙推式：剛度最好，但容易造成兩端支承的預緊力不對稱,雙推簡支式：左端安裝雙止推軸承，右端只安裝雙向心軸承，軸向剛度不高。,雙推自由式：一端安裝雙止推軸承，另一端自由狀態(tài)，軸向剛度和承載能力低，適于輕載，低速的垂直安裝。,軸承的類型與選擇,標準滾動軸承：,（6）滾珠絲杠副的選擇方法,（1）結構型式的選擇： 根據防塵防護條件及對調整間隙和預緊的要求來選擇。 例如：當允許有間隙時（如垂直運動），可選擇具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副； 當必須有預緊或

11、在使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構； 當具有良好的防塵條件，且只需要在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式結構；,滾珠絲杠副的選擇方法,（2）結構尺寸的選擇 公稱直徑d0：軸向最大載荷 基本導程l0：設計要求 螺紋長度ls：在滿足l0的條件下盡可能短 螺距t：傳動精度、傳動速度,滾珠絲杠副的精度 滾珠絲杠副的精度等級為1、2、3、4、5、7、10級精度，代號分別為1、2、3、4、5、7、10。其中1級為最高，依次逐級降低。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,諧波齒輪傳動是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型傳動，是由行星齒輪傳動演變而來的。,

12、第三節(jié) 諧波齒輪減速器,諧波齒輪傳動是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型傳動，是由行星齒輪傳動演變而來的。 一、工作原理,剛輪1是剛性的內齒輪。 柔輪2是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 諧波發(fā)生器3是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內）。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,一、工作原理 波形發(fā)生器為主動件，剛輪或柔輪為從動件。剛輪有內齒圈，柔輪有外齒圈，其齒形為漸開線或三角形，周節(jié)相同而齒數不同，剛輪的齒數Zg比柔輪的齒數Zr多幾齒。柔輪是薄圓筒形，由于波形發(fā)生器的長徑比柔輪內徑略大，故裝配在一起時就將柔輪撐成橢圓形。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,一

13、、工作原理及結構 工程上常用的波形發(fā)生器有兩個觸頭的即為雙波發(fā)生器，也有三個觸頭的。具有雙波發(fā)生器的諧波減速器，其剛輪和柔輪的齒數之差為ZgZr2。其橢圓長軸的兩端柔輪與剛輪的牙齒相嚙合，在短軸方向的牙齒完全分離。當波形發(fā)生器逆時針轉一圈時，兩輪相對位移為兩個齒矩。當剛輪固定時，則柔輪的回轉方向與波形發(fā)生器的回轉方向相反。,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,一、工作原理及結構,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,二、諧波齒輪傳動的特點 諧波齒輪傳動與普通齒輪副傳動相比有以下特點。 （1）結構簡單，體積小，重量輕，傳動效率高。 （2）傳動比范圍大。 （3）同時嚙合的齒數多，運動精度高，承載能力大。 （4）運動平穩(wěn)，無

14、沖擊，噪聲小。 （5）齒側間隙可以調整 （6）可實現密閉空間傳動運動及動力 （7）可實現高增速運動 （8）方便實現差速運動,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,三、傳動剛度,消除傳動間隙的措施,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,1.剛輪固定 波發(fā)生器輸入，柔輪輸出；柔輪輸入，波發(fā)生器輸出 2.柔輪固定 波發(fā)生器輸入，剛輪輸出；剛輪輸入，波發(fā)生器輸出 3.波發(fā)生器固定 柔輪輸入，剛輪輸出；剛輪輸入，柔輪輸出,四、諧波齒輪傳動速比及柔輪直徑的計算,例題：如題19圖所示，已知雙波傳動諧波齒輪減速器中，柔輪齒數ZR=200，剛輪齒數ZG=202，波發(fā)生器轉速nH=1500rmin。 試求：(1)剛輪固定時柔輪的轉速nR?

15、(2)柔輪固定時剛輪的轉速nG? （2008）,第三節(jié) 諧波齒輪減速器,五、諧波齒輪減速器的選用,XBD 100-125-250-表示柔輪小徑為100mm，傳動比為125，輸出轉矩為250Nm，精度等級為普通級，臥式雙軸伸出型諧波減速器。,第四節(jié) 軸系,軸系由軸、軸頸、軸承以及軸上的傳動件等組成，分為一般工作軸和主軸。 對于主軸的要求包括： （1）回轉精度含軸向精度 （2）靜剛度 （3）動特性 （4）熱特性 主要介紹支承型式,第四節(jié) 軸系,一、滾動摩擦支撐軸系,圓柱滾子軸承,推力球軸承,角接觸球軸承,圓錐滾子軸承,調心球軸承,深溝球軸承,第四節(jié) 軸系,二、滑動摩擦支撐軸系 1.液體動壓軸承,液

16、體動壓支承工作原理： 若兩平面之間的油液成楔形，兩者相對運動時將產生壓力，從而可以承載,第四節(jié) 軸系,1軸的啟動階段 軸靜止時，軸處于軸承孔的最下方、最穩(wěn)定位置，自然形成一彎曲的楔形，開始轉動并轉速很低時，完全是金屬直接接觸，軸承對軸頸的摩擦力方向與軸頸表面圓周速度方向相反，迫使軸頸向右滾動而偏移。,3液體動力潤滑運轉階段 當轉速n增加到一定值時，軸頸帶入足夠油量把兩摩擦表面分開，形成承載油膜，這時，油層內的壓力已能支承外載荷,達到平衡的軸頸開始按液體摩擦狀態(tài)工作，即進入穩(wěn)定運轉階段。 當轉速繼續(xù)升高,油膜承載能力進一步提高時，軸頸又抬起，當轉速n趨向無窮大時；時兩軸心重合，軸頸軸心軌跡為半圓

17、形。,2不穩(wěn)定運轉階段 隨著轉速的提高，帶人楔形中的油量也逐漸增加，油膜承載面積加大，因而摩擦阻力逐漸減少，于是軸頸又向左下方移動。,第四節(jié) 軸系,1.液體動壓軸承,球頭浮動式,根據形成油楔的結構不同，液體動壓支承可分為： 球頭浮動式 薄壁彈性變形式 加工形成式,1.液體動壓軸承,薄壁彈性變形式,第四節(jié) 軸系,二、滑動摩擦支撐軸系 2.氣體動壓支承,氣體動壓支承技術是利用空氣作潤滑劑的一種軸承。它通過空氣的彈性起支承作用，可避免固體面之間的直接接觸。其原理和液體動壓支承基本相同，在軸頸和軸瓦之間形成氣楔。,第四節(jié) 軸系,二、滑動摩擦支撐軸系 3.液體靜壓支承,液體靜壓軸承是依靠外界供給壓力以產

18、生壓力油膜 ,支承主軸使其承載。,液體靜壓支承,特點：精度高、剛度大、抗震性好、摩擦力矩小。,用于中低速重載高精度機械設備。,第四節(jié) 軸系,二、滑動摩擦支撐軸系 4.氣體靜壓支承,氣模壓力有外部氣源提供。外部的壓縮空氣由氣源經節(jié)流器，進入軸承間隙，然后連續(xù)排入大氣。它是通過負載使軸承產生氣動補償力來獲得承載能力和剛度,第四節(jié) 軸系,二、滑動摩擦支撐軸系 4.氣體靜壓支承,氣膜壓力有外部氣源提供。外部的壓縮空氣由氣源經節(jié)流器，進入軸承間隙，然后連續(xù)排入大氣。它是通過負載使軸承產生氣動補償力來獲得承載能力和剛度,第五節(jié) 導軌及支承件,一、導軌 導軌副用于引導運動部件的走向，保證執(zhí)行件的正確運動軌跡

19、，并通過摩擦和阻尼影響執(zhí)行件的運動特性，如定位精度和低速均勻性。導軌副包括運動導軌和支承導軌兩部分。 對導軌副的性能要求是：導向精度、接觸剛度、精度保持性以及低速運動穩(wěn)定性。,導軌副組成 1-支承件 2-運動件,第五節(jié) 導軌及支承件,1.分類 按運動導軌的軌跡分： （1） 直線運動導軌 （2）旋轉運動導軌 按導軌面的摩擦性質分： （1）滑動導軌 （2）滾動導軌 （3）液體靜壓導軌 （4）氣浮導軌 （5）磁浮軌道 按導軌副結構可分為: （1）開式導軌 （2） 閉式導軌,第五節(jié) 導軌及支承件,按導軌面的摩擦性質分：,第五節(jié) 導軌及支承件,2. 滑動導軌結構 （1）基本形式,第五節(jié) 導軌及支承件,三

20、角形和矩形組合：這種組合形式以三角導軌為導向面，導向精度較高，而平導軌的工藝性好，因此應用最廣。,矩形和矩形組合：承載面和導向面分開，因而制造和調整簡單。導向面的間隙用鑲條調整，接觸剛度低。,2. 滑動導軌結構 （2）組合形式,機電工程學院蔣發(fā)光機電一體化系統設計,滑動導軌副材料選擇,常用材料： 鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料 (1) 鑄鐵鑄鐵具有耐磨性和減震性好，熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成本低等特點，因此在滑動導軌中被廣泛采用。常用的鑄鐵有： 灰鑄鐵常用的是HT20-40（一級鑄鐵），硬度以HB180200較為合適。適當增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可提高導軌的耐磨性。,第五節(jié) 導

21、軌及支承件,若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用耐磨鑄鐵。常用的耐磨鑄鐵有： 高磷鑄鐵它是指含磷量為0.3%0.65%的灰口鑄鐵，其硬度為HB180220，耐磨性能比灰鑄鐵HT2040約高1倍。若加入一定量的銅和鈦，成為磷銅鈦鑄鐵，其耐磨性能比HT2040約高2倍。高磷鑄鐵的脆性和鑄造應力較大，易產生裂紋，生產中應采用適當的鑄造工藝。 低合金鑄鐵如釩鈦鑄鐵、中磷釩鈦鑄鐵、中磷銅釩鈦鑄鐵等。這類鑄鐵具有較好的耐磨性（與高磷銅鈦鑄鐵相近），且鑄造性能優(yōu)于高磷系鑄鐵。,稀土鑄鐵它具有強度高、韌性好的特點，耐磨性與高磷鑄鐵相近。但鑄鐵性能和減震性較差，成本也較高。 孕育鑄鐵常用的孕育鑄鐵是HT3054

22、，它比HT2040的耐磨性高。 (2)鋼為了提高導軌的耐磨性，可以采用滓硬鋼導軌。淬火的鋼導軌都是鑲裝或焊接上去的。淬硬鋼導軌的耐磨性比不淬硬鑄鐵導軌高510倍。 要求一般的導軌，常用的鋼有45號鋼、40Cr、T8A、TlOA、GCr15、GCr15SiMn等，表面淬火或全淬，硬度為HRC5258。要求高的導軌，常采用的鋼有20Cr、20CrMnTi、15號鋼等，滲碳淬硬至HRC5662，磨硝加工后淬硬層深度不得低于1.5mm。,(3) 有色金屬常用的有色金屬有黃銅HPb59-1、錫青銅ZQSn6-6-3、鋁青銅ZQA19-2、鋅合金ZZn-All0-5、超硬鋁I,C4和鑄鋁ZL6等，其中以鋁

23、青銅較好。 (4) 塑料鑲裝塑料導軌具有耐磨性好（但略低于鋁青銅），抗震性能好，工作溫度適應范圍廣（-200+2600C），抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學穩(wěn)定好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機床的動導軌及圖形發(fā)生器工作臺的導軌上都有應用。塑料導軌多與不淬火的鑄鐵導軌搭配。 用作導軌的塑料有錦綸和酚醛夾布塑料；環(huán)氧樹脂耐磨涂料；以聚四氟乙烯為基體的塑料。,聚四氟乙烯是現有材料中干摩擦系數（P一0.04）最小的一種。但是，純聚四氟乙烯機械強度低，剛性差，極不耐磨。因此要加入填充劑，以增加其耐磨性。由于填充劑不同，就可得到不同性能的導軌材料。 (

24、5)導軌材料的搭配為了提高導軌的耐磨性，動導軌和支承導軌應具有不同的硬度。如果采用相同的材料，也應采用不同的熱處理，以使動、靜導軌的硬度不同，其差值一般在FIB2040范圍內，而且，最低硬度應不低于所用材料標準硬度值的下限。通常支承導軌高硬度 ，運動導軌低硬度,(6)鑄鐵導軌的熱處理為提高鑄鐵導軌的耐磨性，常對導軌表面進行淬火處理。表面淬火方法有：火焰淬火、高頻淬火和電接觸淬火。 火焰淬火設備簡單，但淬火溫度不易控制，變形較大，應用較少。 高頻淬火是使導軌在高頻交變電磁場作用下，表面產生感應電流而加熱，然后冷卻。由于加熱速度快、效率高、淬火質量穩(wěn)定、耐磨性高（比灰口鑄鐵提高2倍多）、工藝參數易

25、于調整，故應用較廣。 需進行高頻淬火的導軌面，其原始硬度不得低于HB187，表面粗糙度應低于Ra為5m，表面不允許有過多砂眼、氣孔、疏松、夾雜等鑄造的缺陷，不應有尖角。,為避免高頻淬火后的導軌變形過大，必須采用一定的工藝措施。高頻淬火后的變形量為0.10.3mm，應采用磨削加工，使其達到一定的精度要求。淬火后硬度達到HRC453，導軌表面淬硬層深度為1.22.5mm。 電接觸淬火是用一個通低電壓、大電流的銅滾輪和導軌表面瞬時接觸，利用接觸電阻熱加熱導軌表面，并憑鑄鐵導軌自身的熱傳導而迅速冷卻的一種淬火方法。它具有設備簡單，操作容易的優(yōu)點，且淬火后變形量很小，一般為0.010.05mm，故電接觸

26、淬火可在導軌精加工后進行，淬火后只需用油石磨光即可使用。,電接觸淬火后的耐磨性不如高頻淬火，但比未淬火的灰口鑄鐵高1倍以上。電接觸淬火后的淬硬層深度只有0.2mm，不能用一般的硬度計來檢查表面的硬度。,第五節(jié) 導軌及支承件,3. 滾動導軌 在承導件和運動件之間放入一些滾動體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個導軌面不直接接觸的導軌，稱為滾動導軌。 優(yōu)點：滾動導軌的摩擦阻力小，磨損小，精度保持性好，運動靈敏輕便。 缺點：結構相對復雜，剛度及承載能力較滑動導軌弱，對臟物敏感，需有良好防護。,滾動直線導軌副的結構 滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當導軌與滑塊作

27、相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再進入滾道，鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內部。,滾動直線導軌副的性能特點1.定位精度高 滾動直線導軌的運動借助鋼球滾動實現，導軌副摩擦阻力小，動靜摩擦阻力差值小，低速時不易產生爬行。重復定位精度高，適合作頻繁啟動或換向的運動部件。可將機床定位精度設定到超微米級。同時根據需要，適當增加預載荷，確保鋼球不發(fā)生滑動，實現平穩(wěn)運動，減小了運動的沖擊和振動。,2.磨損小 對于滑動導軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產生的運

28、動精度誤差是無法避免的。在絕大多數情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小，滾動面的摩擦損耗也相應減少，故能使?jié)L動直線導軌系統長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，這使得在機床的潤滑系統設計及使用維護方面都變的非常容易。,3.適應高速運動且大幅降低驅動功率 采用滾動直線導軌的機床由于摩擦阻力小，可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化，使驅動扭矩大大減少，使機床所需電力降低80%，節(jié)能效果明顯?？蓪崿F機床的高速運動，提高機床的工作效率2030%。4.承載能力強 滾動直線導軌副具有

29、較好的承載性能，可以承受不同方向的力和力矩載荷，如承受上下左右方向的力,以及顛簸力矩、搖動力矩和擺動力矩。因此，具有很好的載荷適應性。在設計制造中加以適當的預加載荷可以增加阻尼，以提高抗振性，同時可以消除高頻振動現象。而滑動導軌在平行接觸面方向可承受的側向負荷較小，易造成機床運行精度不良。,5.組裝容易并具互換性 傳統的滑動導軌必須對導軌面進行刮研，既費事又費時，且一旦機床精度不良，必須再刮研一次。滾動導軌具有互換性，只要更換滑塊或導軌或整個滾動導軌副，機床即可重新獲得高精度。 如前所述，由于滾珠在導軌與滑塊之間的相對運動為滾動，可減少摩擦損失。通常滾動摩擦系數為滑動摩擦系數的2%左右，因此采

30、用滾動導軌的傳動機構遠優(yōu)越于傳統滑動導軌。,滾動導軌的分類及結構,按照滾動體形狀分類 滾珠式、滾柱式、滾針滾柱式 按照滾動體運動方式分類 滾動體不作循環(huán)運動 滾動體作循環(huán)運動,第五節(jié) 導軌及支承件,3. 滾動導軌,第五節(jié) 導軌及支承件,滾珠導軌介紹,特點 滾珠與動靜導軌之間為點接觸 優(yōu)點 結構簡單、制造容易、成本低 缺點 剛度差、抗震性差、承載力低 應用 輕載、小力矩,第五節(jié) 導軌及支承件,滾柱導軌介紹,特點 滾珠與動靜導軌之間為線接觸 優(yōu)點 承載力是滾珠的2030倍 剛度、抗震性均優(yōu)于滾珠 缺點 滾柱體對導軌不平度敏感、易 由于不平而產生側向偏移和側 向滑動，使導軌磨損加劇和降 低精度。 應

31、用 適用于載荷較大的場合,滾針導軌介紹,特點 滾珠與動靜導軌之間為線接觸 優(yōu)點 滾子直徑小、數目多，承載大 缺點 摩擦系數大 應用 應用于尺寸受限制的場合,第五節(jié) 導軌及支承件,非循環(huán)式滾動導軌的設計計算一般需要自行設計,需要確定的參數： 滾動體直徑 d 滾柱長度 lr 滾動體數目 z 支承導軌的長度 l,第五節(jié) 導軌及支承件,（1）滾動導軌參數選擇,滾動體直徑d 滾柱：d 6 mm 滾針：d 4mm 滾柱長度lr 淬硬導軌： lr /d 12-16,第五節(jié) 導軌及支承件,（2）滾動導軌參數的校核,第五節(jié) 導軌及支承件,校核每個滾動體所承受的最大載荷Pmax是否超過許用值P,K滾動體截面當量許

32、用應力，查表2-6 fH導軌硬度修正系數，查表2-7,第五節(jié) 導軌及支承件,（3）計算支承導軌的長度L,（4）必要條件下還應校驗滾動導軌的剛度，及計算滾動體的變形,循環(huán)式滾動導軌的設計計算設計時只需選用,選用計算與滾動軸承的選用計算相似，以額定載荷下的額定壽命為依據。,第五節(jié) 導軌及支承件,導軌阻尼起因于以下物理過程：,材料阻尼 摩擦阻尼 擠壓薄膜效應,第五節(jié) 導軌及支承件,4. 阻尼及其影響,影響導軌阻尼系數的因素：,表面壓力大小 潤滑類型 摩擦類型,導軌阻尼起因于以下物理過程：,材料阻尼 摩擦阻尼 擠壓薄膜效應,第五節(jié) 導軌及支承件,4. 阻尼及其影響,影響導軌阻尼系數的因素：,表面壓力大

33、小 潤滑類型 摩擦類型,阻尼小啟動跟隨快 阻尼大抗振性能好,5.支承件 支承件是機床的基礎構件，包括：床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等尺寸及重量較大的零件 支承件是機床的基礎構件，包括： 床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等尺寸及重量較大的零件大件。 支承件影響加工精度和表面質量 在切削時，刀具與工件之間相互作用的力，沿著大部分支承件逐個傳遞并使之變形； 機床的動態(tài)力(如變動的切削力，往復運動件的慣性，旋轉件的不平衡等)使支承件和整機振動； 支承件的熱變形，改變執(zhí)行器官的相對位置或運動軌跡。 支承件是機床十分重要的構件。,支承件的功用 支承機床各

34、部件 承受力 切削力、重力、慣性力、摩擦力等靜態(tài)力和動態(tài)力。 保證精度 各部件之間的相對位置精度和運動部件的相對運動軌跡的準確關系。 內部空間存放各種物體 可存放切削液、潤滑液、液壓油的油箱、電動機。,基本要求 1.足夠的靜剛度和較高的剛度重量比 要求在規(guī)定的最大載荷作用下，變形量不得超過一定的數值。 重量占機床總重量的80以上，應盡量減輕支承件的重量。 2.良好的動態(tài)特性，包括： 較大的動剛度和阻尼； 與其它部件相配合，使整機的各階固有頻率不與激振頻率重合而產生共振； 不會發(fā)生薄壁振動而產生噪聲等。,3.應具有較好的熱變形特性，使整機的熱變形較小或熱變形對加工精度的影響較小。 由于摩擦熱、切

35、削熱等產生熱變形和熱應力； 在鑄造、焊接和粗加工過程中，會形成內應力，使支承件變形； 熱變形和內應力都將破壞部件間的相互位置關系和相對運動軌跡，影響加工精度。 4.應該排屑暢通、吊運安全，并具有良好的工藝性以便于制造和裝配。,第六節(jié) 并聯機構,并聯機構的特點,（1）剛度高 （2）移動部件質量輕，可獲得很高的動態(tài)特性容易實現高速、高加速度運動。 （3）不存在累計誤差，可獲得較高的運動精度 （4）零件標準化程度高，易于模塊化設計 （5）作業(yè)空間與機器尺寸比較小,優(yōu)點,缺點,（1）靈活性較差，運動平臺傾斜角度較小 （2）在作業(yè)空間內部存在桿件干涉和奇異位形的危險,第七節(jié) 數學模型和設計要求,機電一體

36、化系統中，機械模塊實現驅動電機與負載之間的轉矩和轉速的合理匹配。 數學模型可以簡化為由質量-彈簧-阻尼組成的二階力學模型。,第七節(jié) 數學模型和設計要求,一、數學模型 （一）廣義執(zhí)行機構的運動方程式,能量方程式,力和力矩方程式,第七節(jié) 數學模型和設計要求,一、數學模型 （二）廣義執(zhí)行機構的動力學方程式,第七節(jié) 數學模型和設計要求,1.齒輪傳動情況,不考慮剛度,注意轉動慣量、阻尼系數的折算,第七節(jié) 數學模型和設計要求,1.齒輪傳動情況,轉動慣量、阻尼系數的折算,第七節(jié) 數學模型和設計要求,考慮剛度,從動軸剛度為K2，則由于從動軸的變形所引起的彈性力：,折算到主動軸上為：,K2,1.齒輪傳動情況,第七節(jié) 數學