机电一体化原理及应用课件第四章机械传递与驱动系统的设计.ppt
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1、机电一体化原理及应用,第4章 机械传递与驱动系统的设计 4.1机械传动系统设计概述 4.10直流伺服电机及其控制 4.2齿轮传动部件设计与选择 4.11交流伺服电机及其控制 4.3丝杠螺母传动系统设计与选择 4.12直线电动机 4.4挠性传动系统设计与选择 4.13压电驱动器 4.5步进运动机构 4.6自动上料机构 4.7电机驱动与控制概述 4.8电动机的选择 4.9步进电机驱动与控制,4.1机械传动系统设计概述 为满足机械的运动及工作要求,仅采用某一种机构往往是不够的,而需要把多种机构组合起来,构成一个机械传动系统。 一部机械是由原动机、机械传动系统和执行机构组成的。传动系统的功能是把原动机
2、输出的功率和转距传递到执行构件上去克服生产阻力而做功,实现预期的运动要求和传递动力是机械传动系统的两个基本任务。,工件自动装卸机系统,足部按摩器,机械传动系统的设计是机电一体化设备设计中的极其重要的一环,也是比较繁难的工作,要求设计人员对传动机构的性能、运动、工作特点和使用场合有深入的了解和丰富的实际知识和设计经验。一般的设计步骤为: 1)根据设备与其完成的生产任务选定机械的工作原理和传动方案,完成同一工作可采用不同的工作原理,也可有不同的传动方案,采用最佳设计方案,从而确定执行构件的数目、运动形式及运动协调配合。 2)额定各执行构件的运动参数,选择原动机,确定其类型、运动参数、功率。 3)合
3、理选择机构类型,拟定机构组合方案,绘制机械系统图。 4)根据执行构件和原动机的运动参数及执行构件的协调配合,确定各构件的运动参数、几何参数,绘制机构运动简图。 5)根据原动件的额定转矩和机械的生产阻力进行机械中力的计算。,4.1.1机械传动系统的方案拟定 1机械的原始运动参数 (1)执行构件的运动参数。执行构件常见的运动形式有回转运动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。 回转运动又分为三种,连续回转运动(车床、钻床等),运动参数为每分钟转数;间歇回转运动(转位机构、放映机的抓片机构等),运动参数为每分钟转位次数、转角的大小和运动系数等;往复摆动(颚式破碎机),运动参数为每分钟摆动次数。 直线
4、运动也分三种,往复直线运动(牛头刨床、插床),运动参数为每分钟行程数、行程大小、行程速比系数等;带停歇的往复直线运动(自动机的刀架),运动参数为一个工作循环中,停歇次数多少、停歇的位置、停歇时间的长短、行程的大小和工作速度等;带停歇的单向直线运动(刨床的进给机构),运动参数为每次进给量的大小。 曲线运动分为两种,沿固定不变的曲线运动(搅拌机),沿可变曲线运动(起重机)。 复合运动是上述几个单一运动的组合,如插齿机的插刀、钻头等。,(2)原动件的类型及其运动参数的选择。主要的原动机有电动机、液压马达、气动马达、往复式油缸、气缸和直线电动机等。每种原动机都有许多种类,如电动机就有交流异步电动机、直
5、流电动机、带减速装置的电动机、多速电动机、交流变频变速电动机、伺服电动机、步进电动机、直线动机、力矩马达等。各种原动机具有各自的特性和适用场合,选择与机械性能要求相适应的原动机的类型及其参数,是机械设计中的重要一环。 2各执行构件间运动的协调配合 确定原动机和执行构件的运动参数后,首先要确定总传动比。 各运动链设计时,必须考虑各执行构件运动的协调配合关系。某些机械的各执行构件的运动是独立的,这时可不考虑运动的协调问题,如外圆磨床的各部分的运动。而在另一些机械中,各执行构件的运动必须保证严格的协调配合,才能实现机械的功能,一般有两种情况; (1)各执行构件运动速度的协调配合:如范成法加工齿轮,车
6、床车制螺纹,此时各有关运动链通常由一台原动机来驱动或采用数控。 (2)各执行构件动作的协调配合:既要求各执行构件在运动时间的先后顺序上和运动位置的安排上必须准确而协调的配合,如牛头刨床的刨头和工作台的运动。,3机械的工作循环图 用以表明在机械的一个工作循环中各执行构件运动配合关系的所谓工作循环图(运动循环图)。 (1)直线式工作循环图 (2)圆周式工作循环图 (3)直角坐标式工作循环图 4机械传动系统方案拟定的基本要点 在选定了机械的工作原理后,初选传动方案(几个),确定基本运动参数,合理选择机构并进行恰当组合,满足传动要求,给出机构运动简图,评比各个方案,选出一个最佳方案。还要考虑成本、重量
7、、外廓尺寸、机械效率等。 (1)采用尽可能简短的运动链。 有利于降低重量和制造成本,提高效率,减小积累误差。对于没有严格速比要求的运动链,可以考虑每个运动链单独用原动机驱动。 (2)应使机械有较高的机械效率。 尤其应是传递功率比较大的主运动链有较高的效率。 (3)合理安排传动机构的顺序 。,转变运动形式的机构(凸轮、连杆、螺旋机构等)总是安排在运动链的末端,与执行机构靠近。带传动等摩擦传动一般都安排在转速较高的运动链的起始端,以减小其传递的转矩,减小其外廓尺寸。 (4)合理分配传动比。 1)传动比应在常用的范围内。 2)减速传动时,应按照“先小后大”的原则分配传动比。 (5)保证机械的安全运转
8、。设计必要的安全装置和保护装置。确保人身安全。 5设计方法简介 (1)功能分解组合法。 基本思路:对设计任务进行仔细分析,将总功能分解成若干个分功能,再分解成若干个元功能,为每一元功能选出一种功能载体(实现该元功能的基础装置),加以适当的组合构成一个总体方案。 优点:每一元功能可以由多种功能载体,可以组合多种方案,选出最佳。缺点:工作量大,新课题下手很难。适用于总功能可以分解,多数元功能可以用现有的科技知识来解决的问题。 (2)模仿改造法 用现有的类似的技术装备,保留原装置的有利条件,消除其不利条件,增加其缺少的条件,从而使其能满足现设计的要求。设计时,应多选几种原型机。,4.2齿轮传动部件设
9、计与选择 4.2.1常用齿轮传动方式 1.齿轮概述 齿轮传动具有外廓尺寸小,机械传动效率高、工作可靠、寿命长、传动功率和圆周速度范围都比较大等优点,所以广泛地被应用。,2.齿轮传动方式 常见齿轮传动方式有三种: (1)圆柱齿轮传动,通常用两平行轴间的传动,如图(a)所示; (2)圆锥齿轮传动,通常用于相交轴间的传动,如图(b)所示; (3)蜗轮和蜗杆传动,用于两垂直交叉轴间的传动,如图(c)所示。,在传动中,为了运动平稳、啮合正确,齿轮轮齿的齿廓曲线可以制成渐开线、摆线或圆弧。轮齿的方向有直齿、斜齿、人字齿和弧形齿。,3.标准齿轮及其计算 齿轮有标准齿 轮和非标准齿轮之 分。具有标准齿的 齿轮
10、称为标准齿轮。,从模数的公式可以看出,模数m愈大,轮齿就愈大;模数愈小,轮齿就愈小。因此,模数是设计、制造齿轮的重要参数。互相啮合的两齿轮,其齿距p应相等,因此它们的模数m和压力角亦应相等。 不同模数的齿轮要用不同模数的刀具去制造,为了便于设计、加工和减少加工刀具的数量,国家标准(GB/T1357-87)对齿轮的模数作了统一的规定,如表所示。,注:选用模数时,应优先选用第一系列;其次选用第二系列;括号内的模数尽可能不用。本表未摘录小于1的数。 齿轮的模数m确定之后,按照与m的比例关系可算出齿轮各基本尺寸。,4 .圆柱齿轮的规定画法 (1)单个圆柱齿轮的画法 一般选用两个视图或者用一个视图和一个
11、局部视图(只表示轴孔和键槽)表示,如图所示。其轮齿部分按国标规定画法如下: 1) 齿顶圆和齿顶线用粗实线绘制。 2) 分度圆和分度线用细点画线绘制。 3) 齿根圆和齿根线用细实线绘制,可省略不画;在剖视图中齿根线用粗实线绘制。,(2)圆柱齿轮的啮合画法 圆柱齿轮的啮合画法按GB/T 4459.2-2003规定如下:,1)在垂直于圆柱齿轮轴线的投影面的视图中,啮合区内齿顶圆均用粗实线绘制,如图(a);或按省略画法,如图(b)。齿根圆用细实线绘制,也可省略不画。两相切节圆(分度圆)用细点画线绘制,如图(a)、(b)所示。 2)在平行于圆柱齿轮轴线的投影面的外形视图中,啮合区内的齿顶线、齿根线不必画
12、出。节线(分度线)用粗实线绘制,其它处的节线(分度线)仍用细点画线绘制,如图(c)、(d)。 3)在圆柱齿轮啮合的剖视图中,当剖切平面通过两啮合齿轮轴线时,在啮合区内,将一个齿轮的轮齿(一般指主动齿轮)用粗实线绘制,另一个齿轮的轮齿(一般指从动齿轮)被遮挡部分用细虚线绘制,也可省略不画。如图(a)所示。 4)在齿轮啮合的 剖视图中,由于齿根 高与齿顶高相差0.25 m(模数),因此, 一个齿轮的齿顶线和 另一个齿轮的齿根线 之间,应有0.25m的 间隙,如图所示。,5.轮系传动 (1)轮系的分类 定轴轮系:传动时所有齿轮的几何轴线位置都固定不变。 行星轮系:传动时,齿轮g的轴线绕齿轮a、b及构
13、件H的共同轴线转动。齿轮g称为行星轮,齿轮a、b称为中心轮,H称为行星架。,传动比的计算包括大小和方向两个方面。 1)大小的计算:一对齿轮传动比等于主动齿轮的角速度与从动齿轮角速度的比值,亦等于两齿轮齿数的反比。 2)方向的判断: 正负号法,上式中正负号表示两轮的转向相同或相反,仅适用于圆柱齿轮传动(平面齿轮传动)。 画箭头法:外啮合时方向相反(反向箭头),内啮合时方向相同(同向箭头)。锥齿轮同时指向节点或同时背离节点。蜗杆传动的转向也只能用画箭头法来表示。,(2)轮系的传动比 及计算 轮系始端主动轮1与末端从动轮k的转速之比称为轮系的传动比,用i表示。,外啮合 内啮合 锥齿轮 蜗杆传动 (左
14、手螺旋法则),(3)定轴轮系传动比的计算 1)大小的计算:图示轮系中,齿轮1为主动轮,齿轮5为末端从动轮,下面讨论定轴轮系传动比的计算方法。这个公式计算出的仅是定轴轮系传动比的大小,方向则可 采用(1)法或画箭头 法来确定。,2)方向的判断: (1)m法:只适用于圆柱齿轮所组成的定轴轮系。m表示外啮合齿轮的对数。 画箭头法:先画出主动轮的转向箭头,根据一对齿轮传动转向的箭头表示法,依次画出各轮的转向。它是确定定轴轮系从动轮转向的普遍适用的方法。,3)定轴轮系传动比的计算通式: 上述结论可适用于任何轮系。设轮为始端主动轮,轮k为末端从动轮,则轮系传动比大小的计算公式为: 对于转向的判断有两种情况
15、: 当齿轮都是圆柱齿轮且各轴线平行时,从动轮的 转向不是相同就是相反,此时可采用(1)m法。 若轮系中有圆锥齿轮传动或蜗杆蜗轮传动时,则 可采用画箭头法。 定轴轮系中,若齿轮的齿数对传动比 不起影响,仅仅起着改变传动方向的作用, 则该齿轮称为惰轮。如图中齿轮3即为惰轮。,例4-1:在图示轮系中,已知Z1=18,Z2=39,Z2=20,Z3=41,Z4=50,n1=1460r/min,D=200mm。求重物G的运动速度及方向。,根据蜗杆的旋向,右旋用右手法则;左旋用左手法则 ,具体方法就是四指顺蜗杆旋转方向,拇指的指向就是蜗杆上的受力方向,其反方向是蜗轮的旋转方向。,(右旋),(4)行星轮系 行
16、星轮系是一种先进的齿轮传动机构,具有结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大、传递功率范围及传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长等优点。行星轮系在国防、冶金、起重运输、矿山、化工、轻纺、建筑工业等部门的机械设备中,得到越来越广泛的应用。 1)行星轮系的组成 主要由行星轮g、中心轮k及行星架H组成。其中行星轮的个数通常为26个。但在计算传动比时,只考虑1个行星轮的转速,其余的行星轮计算时不用考虑,称为虚约束 。它们的作用是均匀地分布在中心轮的四周,既可使几个行星轮共同承担载荷,以减小齿轮尺寸;同时又可使各啮合处的径向分力和行星轮公转所产生的离心力得以平衡,以减小主轴承内的作用力,增加运转平稳性。
17、行星架是用于支承行星轮并使其 得到公转的构件。 中心轮中,将外齿 中心轮称为太阳轮,用 符号a表示,将内齿中 心轮称为内齿圈,用符 号b表示。,2)行星轮系的分类 根据行星轮系基本构件的组成情况,可分为三种类型:2K-H型(图4-10)、3K型、K-H-V型。2K-H型具有构件数量少,传动功率和传动比变化范围大,设计容易等优点,因此应用最广泛。3K型具有三个中心轮,其行星架不传递转矩,只起支承行星轮的作用。 行星轮系按啮合方式命名有NGW、NW、NN型等。N表示内啮合,W表示外啮合,G表示公用的行星轮g。 3)行星轮系传动比的计算 行星轮系与定轴轮系的根本区别在于行星轮系中具有转动的行星架,从
18、而使得行星轮系既有自转,又有公转。因此,行星轮系的传动比的计算不能用定轴轮系的计算方法来计算。 按照相对运动原理(反转法) ,假设行星架H不动,即绕行星 架转动中心给系统加一个(-H ) 角速度,则可将行星轮系 转化为 假想的定轴轮系,这个假想的定 轴轮系称为行星轮系的转化轮系 。 转化后的定轴轮系和原周转轮系 中各齿轮的转速关系为:,则转化轮系传动比的计算公式为: 因此,对于行星轮系中任意两轴线平行的齿轮j和齿轮k,它们在转化轮系中的传动比为 : 在各轮齿数已知的情况下,只要给定nj、nk、nH中任意两项,即可求得第三项,从而可求出原行星轮系中任意两构件之间的传动比。,4)计算的注意事项:
19、上述公式仅适用于圆柱齿轮组成的行星轮系,即齿轮j和齿轮k的轴线与行星架H的轴线必须重合或互相平行;对于由圆锥齿轮组成的行星轮系 ,当两太阳轮和行星架的轴线互相平行时,仍可用转化轮系来建立转速关系,但正负号应按画箭头的方法来确定。不能应用转化机构法列出包括行星轮在内的转速关系。 的正负只表示转化轮系中轮j和轮k的转向关系,而不是行星轮系中二者的转向关系; 计算时应注意转向,必须将转速大小连同其符号一同代入公式计算。n1、nk、nH均为代数值,代入公式计算时要带上相应的“+”、“-”号,当规定某一构件转向为“+”时,则转向与之相反的为“-”。计算出的未知转向应由计算结果中的“+”、“-”号判断。
20、只表示转化轮系中轮j和轮k的转速之比,其大小和方向可按求定轴轮系传动比的方法确定,ijk是行星轮系中轮j和轮k的绝对转速之比,其大小和方向只能由 公式计算出来之后才能确 定。,例4-2:已知:Z1=100、Z2=99、Z2=100 、Z3=101。求iH1。 上例中,若将Z2=99改为Z2=100, 则 , 可以看到,当齿轮2仅增加一个齿,行星架不仅输出转速的大小不同,而且其转向亦改变。可见行星轮系未知转速构件的转向不能由画箭头法直接确定,须由计算结果来定。画箭头确定的仅是齿数比前的正负号,是假设的。,,,例4-3:已知Z1=20、Z2=15、Z3=50,轮3固定。若轮1的转速n1=70r/m
21、in,求转臂的转速nH。,(5)谐波齿轮传动 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点,故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。 1 )谐波齿轮传动的工作原理,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
22、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)谐波齿轮减速器产品及选用 常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图 谐波齿轮减速机选用说明: 样本中的图表参数为标准产品,用户选型时需确定以下三项
23、参数: (a)传动比或输出转速(r/min) (b)减速机输入功率(kw) (c)额定输入转速(r/min),如减速机输入转速是可调的,则在选用减速机型号时应分别确定: 工作条件为“恒功率”时按最低转速选用机型;工作条件为“恒扭矩”时,按最高转速选用机型。订货时须说明是否与电机直联,电机型号及参数。 选用减速机输入功率 与输出扭矩 的计算 式中:P 减速机额定输入功率(KW) T 减速机额定输出扭矩(Nm) KA 工作情况系数,减速机输出轴装有齿轮、链轮、三角皮带轮及平皮带轮时,需要校验轴伸的悬臂负荷 ,校验公式为 式中:D齿轮、链轮、皮带轮的节圆直径(m) FR悬臂负荷系数(齿轮FR=1.5
24、;链轮 FR=1.2;三角皮带轮FR=2;平皮带轮FR=2.5) 当 结果安全。,4.2.2齿轮传动副设计,用于伺服系统的齿轮减速器实际上是一个力矩变换器。输入电机为高转速,低转矩;输出要求一般为低转速,高转矩。不但要求齿轮减速系统具有足够的刚度,还要求其转动惯量尽可能小,以便在获得同一加速度时所需的转矩小。 齿轮总传动比的设计原则: 工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小;等效均方根力矩最小;电机驱动负载加速度最大三种方法计算。常用电机驱动负载加速度最大原则方法选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图所示。 结论:,电机、传动装置和负载的传动模型,根据传动关系有 式中: 电动机的角
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- 机电 一体化 原理 应用 课件 第四 机械 传递 驱动 系统 设计
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