第二章 精密机械技术.ppt

精密机械技术 2.1 机电一体化中的机械系统 机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调与控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部件相互联系的系统。 概括地讲，机电一体化系统中机械系统主要包括以下五大部分： 1)传动机构(传递能量和运动) 2)导向机构 (支承和限制运动部件，获得给定运动方向) 3)执行机构(按指令要求，完成预定操作) 4)轴 系(传递转矩获得回转运动，承受外力) 5)机座或机架 (支承、承重、保证相对位置、作基准) 传统机械系统和机电一体化系统对比 传动机构 传动机构的主要功能是传递能量和运动，因此，它实际上是一种力、速度变换器。 传动机构和部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。 导向机构 导向机构的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。 执行机构 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。 一般要求执行机构具有较高灵敏度、精确度、良好的重复性和可靠性等。 轴 系 轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。 轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。 机座或机架 机座或机架是支承其他零部件的基础部件。 机座或机架既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。 传统机械系统和机电一体化系统对比 两类系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但由于组成的不同，导致运动实现的方式也不同。 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统由计算机协调与控制，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。 机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。 2.1.2 机电一体化系统对机械技术的特殊要求 基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求主要可归纳为以下3个方面： 1．高精度 2．小惯量 3．大刚度 高精度 精度是机电一体化产品的重要性能指标。 机械系统设计主要考虑的是执行机构的位置精度，其中影响因素包括： 结构变形 轴系误差 传动误差 温度变化 小惯量 大惯量会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，使系统固有频率下降，容易产生谐振；也会使得电气驱动部分的谐振频率变低，阻尼增大。 反之，小惯量则可使控制系统的带宽做得比较宽，快速性好、精度高，同时还有利于减小用于克服惯性载荷的伺服电机的功率，提高整个系统的稳定性、动态响应和精度。 大刚度 机电一体化机械系统要有足够的刚度，要将弹性变形限制在一定范围之内。弹性变形不仅影响系统精度，而且也影响系统结构的固有频率、控制系统的带宽和动态性能。 2.1.3 精密机械系统设计过程中的特点 机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计一样有传动设计和结构设计两部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。 1)机械传动设计的特点 2)机械结构设计的特点 精密机械传动设计的特点 精密机械的传动设计可以认为是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。 按机电有机结合的原则，机电系统常采用调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节省了大量用于变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效率，因此使得机械传动设计也得到简化，其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式，即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各运动间的传动关系则由计算机来统一协调和控制，如并联机器人、并联机床等，极大地简化了机械结构，提高了产品的刚度重量比以及精度等级。因此，机电一体化机械传动系统具有传动链短，转动惯量小，线性传递，无间隙传递等设计特点。 精密机械结构设计的特点 机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下，从整体上说是逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化方向发展。 因此在进行结构设计时应综合考虑各个零部件的制造精度、安装精度，结构刚度，稳定性以及动作的灵敏性和易控性。对具体零部件的设计提出了更高、更严的要求。例如， 采用合理的截面形状和尺寸来提高支承件的静刚度