1、第二章第二章 機械傳動與支承技術機械傳動與支承技術第一節(jié)第一節(jié) 機械傳動系統(tǒng)數學模型的建立機械傳動系統(tǒng)數學模型的建立第二節(jié)第二節(jié) 機械結構因素對伺服系統(tǒng)性能的影響機械結構因素對伺服系統(tǒng)性能的影響第三節(jié)第三節(jié) 機械傳動機械傳動第四節(jié)第四節(jié) 支承部件支承部件第一節(jié)第一節(jié) 機械傳動系統(tǒng)數學模型的建立機械傳動系統(tǒng)數學模型的建立一、基本物理量的折算一、基本物理量的折算1轉動慣量的折算2粘性阻尼系數的折算3彈性變形系數的折算二、建立系統(tǒng)的數學模型二、建立系統(tǒng)的數學模型把各種物理量都折算到電動機軸上后，就可以建立數學模型了。圖2-1 數控機床進給系統(tǒng)圖2-2 彈性變形等效作用圖第二節(jié)第二節(jié) 機械結構因素對伺

2、服系統(tǒng)性能的影響機械結構因素對伺服系統(tǒng)性能的影響一、阻尼的影響一、阻尼的影響1) 當阻尼比 時，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)。2) 當 時，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。3) 當 時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)。圖2-3 二階系統(tǒng)單位階躍響應曲線三、結構彈性變形三、結構彈性變形 當伺服電動機帶動機械負載按指令運動時，機械系統(tǒng)所有的元件都會因受力而產生程度不同的彈性變形。 當機械系統(tǒng)的固有頻率接近或落入伺服系統(tǒng)帶寬之中時，系統(tǒng)將產生諧振而無法工作。四、慣量的影響四、慣量的影響慣量大，系統(tǒng)的機械常數大，響應慢。二、摩擦的影響二、摩擦的影響 摩擦力可分為粘性摩擦力、庫侖摩擦力和靜摩擦力三種，方向均與運動方向相反。摩

3、擦對伺服系統(tǒng)的影響主要有：1摩擦引起動態(tài)滯后和系統(tǒng)誤差2摩擦引起的低速爬行五、間隙的影響五、間隙的影響這些間隙對伺服系統(tǒng)性能有很大影響，下面以齒輪間隙為例進行分析。1) 閉環(huán)之外數據傳遞的齒輪 齒隙，對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。2) 閉環(huán)之內傳遞動力的齒輪 齒隙，對系統(tǒng)靜態(tài)精度無影響，這是因為控制系統(tǒng)有自動校正作用。3) 反饋回路上數據傳遞齒輪 齒隙既影響穩(wěn)定性，又影響精度。圖 2-7 典型轉臺伺服系統(tǒng)框圖第三節(jié)第三節(jié) 機械傳動機械傳動一、機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求一、機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求 機電一體化機械系統(tǒng)應具有良好的伺服性能，要求機械傳動部件轉動慣量小、摩擦小、阻尼合

4、理、剛度大、抗振性好、間隙小，并滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性等要求。二、總傳動比的確定二、總傳動比的確定 在伺服系統(tǒng)中，通常采用負載角加速度最大原則選擇總傳動比，以提高伺服系統(tǒng)的響應速度。(四) 三種原則的選擇三、傳動鏈的級數和各級傳動比的分配三、傳動鏈的級數和各級傳動比的分配(一) 等效轉動慣量最小原則(二) 質量最小原則(三) 輸出軸轉角誤差最小原則1) 對于傳動精度要求高的降速齒輪傳動鏈，可按輸出軸轉角誤差最小的原則設計。2) 對于要求運轉干穩(wěn)、啟停頻繁和動態(tài)性能好的降速傳動鏈，可按等效轉動慣量最小原則和輸出軸轉角誤差最小的原則設計。3) 對于要求質量盡可能小的降速傳動鏈，可按

5、質量最小原則設計。(四) 三種原則的選擇四、機械傳動裝置四、機械傳動裝置(一) 同步帶傳動 如圖 2-18 所示，帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運動和動力。同步帶傳動具有如下特點：1) 傳動比準確，傳動效率高；2) 工作平穩(wěn)，能吸收振動；3) 不需潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便；4) 中心距要求嚴格，安裝精度要求高；5) 制造工藝復雜，成本高。圖 2-18 同步傳動單擊看視頻2同步帶 的分類及應用本節(jié)主要介紹梯型齒同步帶傳動。3同步帶的結構、主要參數和尺寸規(guī)格(1) 結構和材料 同步齒形帶一般由帶背，承載繩、帶齒組成。如圖 2-19 所示。(2) 主

6、要參數和規(guī)格 同步帶的主要參數是帶齒的節(jié)距 。如圖 2-20 所示。(3) 同步帶的標記 帶的標記包括長度代號、型號、寬度代號。雙面齒同步帶還應再加上符合D 或D 。如圖 2-21 所示。 圖2-19 梯形齒同步帶構造1帶背2承載繩3包布層4帶齒圖2-20 同步帶主要參數a) D型b) D型圖2-21 雙面齒類型4同步帶輪(1) 帶輪的結構、材料帶輪材料一般采用鑄鐵或鋼。高速、小功率時可采用塑料或輕合金。帶輪結構如圖2-22所示。(2) 帶輪的參數及尺寸規(guī)格1) 齒形2) 齒數3) 帶輪的標記5同步帶傳動的設計計算 同步帶傳動的主要失效形式有三種：同步帶的承載繩疲勞拉斷；同步帶的打滑和跳齒；同

7、步帶齒的磨損。圖2-22 同步帶輪1齒圈2擋圈3輪轂 設計的任務是確定帶的型號、節(jié)距、節(jié)線長度、帶寬、中心距及帶輪的齒數、直徑等結構參數。(1) 確定帶傳動的設計功率(2) 選擇帶的型號和節(jié)距(3) 帶輪齒數(4) 帶輪的節(jié)圓直徑小帶輪節(jié)圓直徑：大帶輪節(jié)圓直徑：(5) 驗算帶速 同步帶傳動速度(6) 同步帶節(jié)線長度(7) 計算同步帶齒數(8) 確定傳動的中心距(9) 校驗小帶輪與帶的嚙合齒數(10) 確定同步帶寬(11) 帶的工作能力驗算(二) 諧波齒輪傳動1. 諧波齒輪傳動的工作原理諧波齒輪傳動主要由波形發(fā)生器H 、柔輪 1 和剛輪 2 組成。圖 2-25 所示的波發(fā)生器有兩個觸頭，稱雙波發(fā)

8、生器。2諧波齒輪傳動的特點1) 傳動比大2) 承載能力大3) 傳動精度高4) 可以向密封空間傳遞運動或動力5) 傳動平穩(wěn)6) 傳動效率較高7) 結構簡單、體積小、質量小。 圖 2-25 諧波齒輪傳動單擊看視頻3諧波齒輪的傳動比計算4諧波齒輪傳動的齒形參數及幾何尺寸計算(1) 齒形(2) 齒形角(3) 齒數(4) 諧波高度 表 2-6 單級諧波齒輪傳動的傳動比1) 柔輪和波發(fā)生器制造復雜，需專門設備，成本較高；2) 傳動比下限值較高；3) 不能做成交叉軸和相交軸的結構。諧波齒輪傳動的缺點：5諧波齒輪傳動各構件的結構和材料(1) 柔輪(2) 剛輪(3) 波發(fā)生器6諧波齒輪減速器圖2-29 杯形柔輪

9、圖2-30 帶凸緣 環(huán)狀剛輪圖2-31 雙滾輪式 波發(fā)生器圖2-32 柔性軸承凸輪式波發(fā)生器1輪 2柔輪 3凸輪 4柔性軸承(三) 滾珠花鍵傳動滾珠花鍵傳動裝置由花鍵軸、花鍵套、循環(huán)裝置及滾珠等組成，如圖 2-34 所示。 圖2-34 滾珠花鍵傳動1保持架2橡皮密封圈3鍵槽4外筒5油孔6負荷滾珠列7退出滾珠列8花鍵軸第四節(jié)第四節(jié) 支承部件支承部件一、機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求一、機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求 常用的支承部件主要有軸承、導軌和機身 (或基座) 等。 機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求是：精度高、剛度大、熱變形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和結構工藝性。二、回轉運動

10、支承二、回轉運動支承(一) 概述 回轉運動支承主要指滾動軸承、動、靜壓軸承、磁軸承等各種軸承。它的作用是支承作回轉運動的軸或絲杠。(二) 滾動軸承1標準滾動軸承(1) 空心圓錐滾子軸承 圖2-36所示是雙列和單列空心圓錐滾子軸承。(2) 陶瓷滾動軸承 陶瓷滾動軸承的結構與一般滾動軸承相同。圖 2-36 空心圓錐滾子軸承a)b)2非標準滾動軸承(1) 微型滾動軸承(2) 密珠軸承 它由內、外圈和密集于二者間并具有過盈配合的鋼珠組成。a) 徑向軸承b) 推力軸承c) 徑向軸承保持架d) 推力軸承保持架(三) 靜壓軸承1液體靜壓軸承 靜壓軸承是流體摩擦支承的基本類型之一，它是在軸頸與軸承之間充有一定

11、壓力的液體或氣體，將轉軸浮起并承受負荷的一種軸承。2氣體靜壓軸承圖 2-45 為氣體靜壓向心軸承簡圖。圖2-42 靜壓支承系統(tǒng)的組成圖2-45 氣體靜壓向心軸承1軸2軸承3進氣孔(四) 磁軸承磁軸承主要由兩部分組成：軸承本身及其電器控制系統(tǒng)。三、直線運動支承三、直線運動支承(一) 慨述 直線運動支承主要指直線運動導軌副，它的作用是保證所支承的各部件(如工作臺、尾座等)的相對位置和運動精度。 圖2-7 磁力軸承1比較元件2調節(jié)器3功率放大器4轉子5位移傳感器6電磁鐵(二) 塑料導軌塑料導軌是在滑動導軌上鑲裝塑料而成的。常用的塑料導軌材料有以下三種：1塑料導軌軟帶2. 金屬塑料復合導軌板3塑料涂層

12、(三) 滾動導軌1分類1) 按滾動體形狀不同，可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌三種，如圖 2-51 所示。2) 按滾動體的循環(huán)方式，又可分為滾動體不循環(huán)式導軌和滾動體循環(huán)式導軌兩種。 圖251 滾動導軌結構形式a) 滾珠導軌b) 滾柱導軌c) 滾針導軌2直線滾動導軌副它由導軌和滑塊組成?；瑝K的數量可根據需要而定。3滾動導軌塊滾動導軌塊 (又稱滾子導軌塊) 。滾子在導軌塊內作周而復始的循環(huán)滾動。4直線運動球軸承及其導軌副直線運動球軸承有三種結構形式，如圖 2-55 所示。標準型 (ZX)調整型 (ZX-t)開放型 (ZX-k) 圖2-55 直線運動球軸承結構形式a) ZX 型b) ZX-T型c) ZX-K型四、機身四、機身機身包括床身、立柱、底基 (基座)、支架、工作臺等支承件。(一) 機身結構設計1. 保證剛度在設計時，可從通過合理布置肋板和加強肋來提高剛度。肋板按布置形式可分為縱向肋板、橫向肋板和斜置肋板三種。2減少熱變形(1) 減少發(fā)熱(2) 控制溫升(3) 選擇熱變形小的結構形式3提高抗振性 措施主要有：提高系統(tǒng)的靜剛度、增大阻尼以及調整構件的質量和自振頻率。(四) 靜壓導軌靜壓導軌的工作原理與靜壓軸承類似。(二) 材料和熱處理 機身的材料，應具有較高的強度、剛度、吸振性和耐磨性，并具有良好的鑄造或焊接工藝性，還希望成本較