第2章机械系统设计技术.doc
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第2章机械系统设计技术
机械设计概述
1
传动机构的设计
支撑导向部件的设计
执行机构的设计
部件应用实例
2
3
4
53
本章学习目标
1、了解机械设计的基本知识
2、常用机械零件设计的基本理论和基本方法
3、相关标准、规范的选用选择
4、机械零件优化设计的思维模式
2.1机械设计概述
n机电一体化对机械系统的要求
Ø高精度
精度直接影响产品的质量,如果机械系统的精度
不能满足要求,则无论机电一体化产品其它系统
工作再精确,也无法完成其预定的机械操作。
Ø快速响应
要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的
任务之间的时间间隔短。
Ø良好的稳定性
要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响,
抗干扰能力强。
2.1机械设计概述
n机械系统的组成
Ø传动机构
Ø导向机构
Ø执行机构
2.1机械设计概述
n机械系统的组成
Ø传动机构
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,是一种扭矩和转
速的变换器,其目的是使驱动电动机与负载之间
在扭矩和转速上得到合理的匹配。
在机电一体化
系统中,普遍采用计算机控制和具有动力、变速
与执行等多重功能的伺服电动机。
2.1机械设计概述
n机械系统的组成
Ø导向机构
不仅要支承、固定和联接系统中的其它零部件,
还要保证这些零部件之间的相互位置要求和相对
运动的精度要求,为机械系统中各运动装置能安
全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。
Ø执行机构
最终完成操作任务的部分。
执行机构根据操作指
令的要求在动力源的带动下,完成预定的操作。
与传统的执行机构相比,机电一体化系统的简化
了机械执行机构,而充分发挥计算机的协调和控
制功能。
2.1机械设计概述
n机械参数对系统性能的影响
Ø刚度:
减小产品本体的振动,降低噪声,保证执行精度。
Ø惯量:
转动惯量大会对系统造成不良影响,机械负载增大,
系统响应速度降低,灵敏度下降;系统固有频率减小,容易
产生谐振。
Ø摩擦:
降低机械系统阻力,提高系统的快速响应性。
Ø传动误差
Ø谐振频率
2.2传动机构的设计
n传动结构设计要求
传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系
统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。
Ø高精度
精度直接影响产品的质量,尤其是机电一体化产
品,其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械
产品都有很大的提高,因此机电一体化机械系统
的高精度是其首要的要求。
如果机械系统的精度
不能满足要求,则无论机电一体化产品其它系统
工作怎样精确,也无法完成其预定的机械操作。
Ø高刚度
采用高刚性支撑或架体,以减小产品本体的振动,
降低噪声;为高精度的执行机构提供良好的支撑,
保证执行精度。
2.2传动机构的设计
n传动结构设计要求
Ø低摩擦
导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件,以降
低机械系统阻力,提高系统的快速响应性。
Ø良好的稳定性
即要求机械系统的工作性能受外界环境的影响小,
抗干扰能力强。
Ø高速化
Ø小型化、轻量化
2.2传动机构的设计
n机械传动装置
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。
常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高
速带传动以及各种非线性传动部件等。
实质上是转矩、转速变换器,使动力元件与负载之间在转
矩与转速方面得到最佳匹配。
2.2传动机构的设计
n传动结构分类
联轴器
减速器
齿轮传动
滚珠丝杠传动机构
带传动
2.2传动机构的设计
n带传动——组成及原理
主动轮、从动轮、张紧在两轮上的环型传动带。
原动机驱动主动轮转动时,由于带和带轮间的摩擦(或啮
合),便拖动从动轮一起转动,并传递一定动力。
2.2传动机构的设计
n带传动——类型
2.2传动机构的设计
n带传动——特点
(1)优点
传动平稳,噪声小;过载时,起安全保护作用;适用于两轴
中心距较大的场合;结构简单,制造、安装和维护方便,成
本低。
(2)缺点
带在带轮上有相对滑动,不能保证准确的传动比;传动
效率较低,寿命短;传动的外廓尺寸大;带传动需要张紧,
支撑带轮的轴和轴承受力较大;带传动中的摩擦会产生电
火花,不宜用于易燃、易爆等场合。
动画
动画
2.2传动机构的设计
n带传动——参数及计算
包角α、基准长度Ld、中心距a及带轮直径dd1、dd2。
e=v1-v
2´100%
滑动率e:
v1
pdn1
式中:
v1为主动轮圆周速度v1=
60´1000m/s
d1
pdn
2
v2=60´1000
m/s
v2为从动轮圆周速度
d2
n
dd2
带传动的实际传动比i
==
1
ndd1(1-e)
2
2.2传动机构的设计
n带传动——张紧装置
2.2传动机构的设计
n同步带传动
同步带传动是综合了带传动、齿轮传动、链传动
特点的一种新型传动。
1940年由美国尤尼罗尔
(Unirayal)橡胶公司首先加以开发。
1946年辛加
公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动
上,取得显著效益,并被逐渐引用到其他机械传
动上。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按用途分
一般工业用同步带传动
即梯形齿同步带传动。
它主要用于中、小功率的
同步带传动,如各种仪器、计算机、轻工机械中
均采用这种同步带传动。
大转矩同步带传动
又称HTD带(HighTorqueDrive)或STPD带传动
(SuperTorquePositiveDrive)。
由于其齿形
呈圆弧状,在我国通称为圆弧齿同步带传动。
它
主要用于重型机械的传动中,如运输机械(飞机、
汽车)、石油机械和机床、发电机等的传动。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按用途分
特种规格的同步带传动
这是根据某种机器特殊需要而采用的特种规格同
步带传动,如工业缝纫机用的、汽车发动机用的
同步带传动。
特殊用途的同步带传动
即为适应特殊工作环境制造的同步带。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按规格制度分
模数制
同步带主要参数是模数m(与齿轮相同),根据不
同的模数数值来确定带的型号及结构参数。
在60
年代该种规格制度曾应用于日、意、前苏联等国,
后随国际交流的需要,各国同步带规格制度逐渐
统一到节距制。
目前仅俄罗斯及东欧各国采用模
数制。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按规格制度分
节距制
即同步带的主要参数是带齿节距,按节距大小不
同,相应带、轮有不同的结构尺寸。
该种规格制
度目前被列为国际标准。
由于节距制来源于英、美,其计量单位为英制或
经换算的公制单位。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按规格制度分
DIN米制节距
DIN米制节距是德国同步带传动国家标准制定的
规格制度。
其主要参数为齿节距,但标准节距数
值不同于ISO节距制,计量单位为公制。
在我国,
由于德国进口设备较多,故DIN米制节距同步带
在我国也有应用。
2.2传动机构的设计
n同步带传动的优缺点
Ø传动比准确,传动效率高;
Ø工作平稳,能吸收振动;
Ø无需润滑,耐油、水、高温、腐蚀、维护保养方
便;
Ø中心距要求严格,安装精度要求高;
Ø制造工艺复杂,成本高。
2.2传动机构的设计
n同步带的结构
同步带一般由承载绳、
带齿、带背和包布层组
成。
带背和包布层
承载绳
带齿
工业用同步带带轮形状
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动——特点及应用
特点:
结构简单、传动比大(几十到几百)、传动精度高、
回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高。
应用领域:
工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动——工作原理
谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。
它
是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对
错齿来传递动力和运动的。
谐波齿轮传动由波形发
生器(H)和刚轮、柔轮组成。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动——工作原理
谐波传动由三个主要构件所组成,即具有内齿的刚轮l、
具有外齿的柔轮2和波发生器3。
通常波发生器为主动件,
而刚轮和柔轮之一为从动件,另一个为固定件。
当波发
生器装入柔轮内孔时,由于前者的总长度略大于后者的
内孔直径,故柔轮变为椭圆形,于是在椭圆的长轴两端
产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区;同时在椭圆
短轴两端,两轮轮齿则完全脱开。
至于其余各处,则视
柔轮回转方向的不同,或处于啮合状态,或处于非啮合
状态。
当波发生器连续转动时,柔轮长短轴的位置不断
交化,从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化,
于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移,从而传递运
动。
在波发生器转动一周期间,柔轮上一点变形的循环次数
与波发生器上的凸起部位数是一致的,称为波数。
常用
的有两波和三波两种。
为了有利于柔轮的力平衡和防止
轮齿干涉,刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数
(即波发生器上的滚轮数)的整倍数,通常取为等于波数。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø传动速比大
单级谐波齿轮传动速比范围为70~320,在某
些装置中可达到1000,多级传动速比可达30000
以上。
它不仅可用于减速,也可用于增速的场合。
Ø承载能力高
这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多,
双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上,
而且柔轮采用了高强度材料,齿与齿之间是面接
触。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø传动精度高
这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多,
误差平均化,即多齿啮合对误差有相互补偿作用,
故传动精度高。
在齿轮精度等级相同的情况下,
传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。
同
时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的
变形使齿隙很小,甚至能做到无侧隙啮合,故谐
波齿轮减速机传动空程小,适用于反向转动。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø传动效率高、运动平稳
由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移
动,因此,即使输入速度很高,轮齿的相对滑移
速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的百分
之—),所以,轮齿磨损小,效率高(可达
69%~96%)。
又由于啮入和啮出时,齿轮的两侧都
参加工作,因而无冲击现象,运动平稳。
Ø结构简单、零件数少、安装方便
仅有三个基本构件,且输入与输出轴同轴线,
所以结构简单,安装方便。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø体积小、重量轻
与一般减速机比较,输出力矩相同时
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