第四章第四章 机械系统设计机械系统设计机械系统机械系统是机电一体化系统的最基本要素，是由计算是机电一体化系统的最基本要素，是由计算机协调与控制的，用于完成包括机协调与控制的，用于完成包括机械力机械力、运动运动和和能量流能量流等等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。 机电一体化对机械系统的要求机电一体化对机械系统的要求 1. 1.高精度；高精度； 2. 2.快速响应；快速响应； 3. 3.良好的稳定性。良好的稳定性。机械传动系统的特性机械传动系统的特性 转动惯量小转动惯量小 摩擦小摩擦小 间隙小间隙小 阻尼合适阻尼合适 刚度大刚度大 抗振性能好抗振性能好 机械系统包括机械系统包括传动部件传动部件、导向支撑结构导向支撑结构和和执行机构执行机构等，用于完成传递功率、运动和完成指定的动作。等，用于完成传递功率、运动和完成指定的动作。机电一体化机械系统设计的主要任务机电一体化机械系统设计的主要任务l机电一体化机构的选型与设计机电一体化机构的选型与设计l机电一体化机械系统的工程设计机电一体化机械系统的工程设计机电一体化机械系统主要组成机电一体化机械系统主要组成第四章第四章 机械系统设计机械系统设计4.1 机电一体化系统典型机构机电一体化系统典型机构4.2 机器人机构机器人机构4.3 精密齿轮传动精密齿轮传动4.4 同步带传动同步带传动4.5 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动4.6 导轨设计导轨设计4.7 机械系统设计综合应用实例机械系统设计综合应用实例 4.1 机电一体化系统典型机构机电一体化系统典型机构4.1.1 基本概念与术语基本概念与术语4.1.2 机构设计基础机构设计基础4.1.3 连杆机构连杆机构4.1.4 凸轮机构凸轮机构4.1.5 齿轮机构齿轮机构 4.1.1 基本概念与术语基本概念与术语平移平移3 DOF旋转旋转3 DOF无约束无约束6 DOF约束约束1-5 DOF冗余6自由度l运动运动空间物体的自由度（空间物体的自由度（独立运动的数目独立运动的数目）空间物体的六个自由度空间物体的六个自由度平面运动的构件有三个自由度平面运动的构件有三个自由度自由度和约束（自由度和约束（构件独立运动所加的限制构件独立运动所加的限制 ）关节有关节有: : (a)一个自由度；一个自由度； (b)两个自由度两个自由度运动副运动副运动副：两构件直接接触形成的可动连接；运动副：两构件直接接触形成的可动连接； 球面副转动副平面运动副、空间运动副万向副l运动副的分类运动副的分类通常把面接触的运动副称为通常把面接触的运动副称为低副低副，点接触或线接触的运，点接触或线接触的运动副称为动副称为高副高副。在平面机构中，一个低副有两个约束条件，一个高副有在平面机构中，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束条件。一个约束条件。低副高副l常见平面运动副及其自由度常见平面运动副及其自由度转动副转动副( (低副）低副）( (自由度为自由度为1 1）可以绕铰链轴转动可以绕铰链轴转动转动副移动副移动副( (低副）低副）( (自由度为自由度为1 1）可以沿导路移动可以沿导路移动移动副l常见平面运动副及其自由度常见平面运动副及其自由度 高副齿轮副，凸轮(高副）（自由度为2）可以沿切线移动可以绕接触点或线转动l常见平面运动副及其自由度常见平面运动副及其自由度复合运动副：万向铰或虎克铰 l 常见的空间运动副常见的空间运动副球铰 4.1.2 机构设计基础机构设计基础运动转换器运动转换器连杆 - 复杂的运动凸轮 - 旋转到线性链，齿轮，滑轮 - 力或运动放大机器人机构H机构机构机架 ：构件中的固定构件；原动件 ：机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件；从动件 ：除原动件外其余活动构件。由两个或两个以上构件通过活动联接形成的构件系统。由两个或两个以上构件通过活动联接形成的构件系统。组成机构的各构件都在相互平行的平面内运动的机构称组成机构的各构件都在相互平行的平面内运动的机构称为为平面机构平面机构，否则称为，否则称为空间机构空间机构。机构及其组成机构及其组成F0：超静定桁架，构件间无相对运动；：超静定桁架，构件间无相对运动；F=0：静定刚性桁架，构件间无相对运动；：静定刚性桁架，构件间无相对运动；F0：原动件数F，各构件间无确定相对运动；原动件数F，在机构的薄弱处易遭到破坏。原动件数=F，机构具有确定运动。机构自由度数机构自由度数曲柄滑块机构曲柄滑块机构四连杆机构四连杆机构用国家标准规定的线条和符号表示构件与运动副、按用国家标准规定的线条和符号表示构件与运动副、按比例表示构件的运动尺寸，反映原机构运动情况的简化图比例表示构件的运动尺寸，反映原机构运动情况的简化图形。形。机构运动简图机构运动简图平面高副平面运动副转动副转动副移动副移动副机架机架 两副构件两副构件三副构件三副构件构件颚式破碎机主体机的机构运动简图当偏心轴当偏心轴2 2绕其轴心连续转动时，动颚绕其轴心连续转动时，动颚3 3作往复摆动，从而将处于动颚板作往复摆动，从而将处于动颚板3 3和定颚之间的矿石轧碎。和定颚之间的矿石轧碎。大带轮大带轮5电动机电动机V带带小带轮小带轮肘板肘板4定颚板定颚板动颚板动颚板3偏心轴偏心轴2电动机带传动偏心轴转动 动颚板摆动，与定颚板一起压碎物料工作过程：DCBA1432颚式破碎机主体机的机构运动简图当偏心轴当偏心轴2 2绕其轴心连续转动时，动颚绕其轴心连续转动时，动颚3 3作往复摆动，从而将处于动颚板作往复摆动，从而将处于动颚板3 3和定颚之间的矿石轧碎。和定颚之间的矿石轧碎。运动学运动学不考虑不考虑引起运动的原因引起运动的原因力的作用力的作用，只只从几何从几何方面方面研究研究物体在空间的物体在空间的位置随时间的变化规律，位置随时间的变化规律，确定运动过程中物体的确定运动过程中物体的位置、速度、加速度、位置、速度、加速度、转动角速度和角加速度转动角速度和角加速度等。等。运动的研究运动的研究( (不考虑力)动力学动力学机械动力学是研究机械在力机械动力学是研究机械在力作用下的运动和机械在运动作用下的运动和机械在运动中产生的力的科学。中产生的力的科学。动力学反问题（已知运动求力）动力学正问题（已知力求运动）分为分析和综合两个方面：分为分析和综合两个方面：分析：研究现有机械；综合：设计新机械使之达到给定的运动学、动力学要求。动力学反问题：动力学反问题：首先对机器人手部进首先对机器人手部进行轨迹规划，即给定手部的运动路径及行轨迹规划，即给定手部的运动路径及轨迹上各点的速度及加速度，然后，求轨迹上各点的速度及加速度，然后，求出应施加于各关节处的广义驱动力的变出应施加于各关节处的广义驱动力的变化规律。化规律。动力学正问题动力学正问题：已知各关节的驱动力已知各关节的驱动力矩，求解手部的真实运动。矩，求解手部的真实运动。4.1.3 4.1.3 连杆机构连杆机构连杆机构：连杆机构：用销轴等零件将细长的杆件连接起来组用销轴等零件将细长的杆件连接起来组成的机构称为连杆机构。由四根杆件组成的机构称为成的机构称为连杆机构。由四根杆件组成的机构称为四连杆机构。四连杆机构。曲柄：曲柄：杆与杆之间构成转动副或者滑动副，其中作杆与杆之间构成转动副或者滑动副，其中作为旋转运动的杆件称为曲柄，为旋转运动的杆件称为曲柄，摇杆摇杆：只能在一定角度内作往复摆动的杆称为摇杆。只能在一定角度内作往复摆动的杆称为摇杆。基本概念基本概念 四连杆四连杆格拉斯霍夫条件（杆长和条件）格拉斯霍夫条件（杆长和条件）1.1.最短和最长的总和最短和最长的总和另外两杆之和另外两杆之和 曲柄存在的必要条件曲柄存在的必要条件最短和最长的总和最短和最长的总和 另外两杆之和另外两杆之和 两杆都不周转的双摇杆两杆都不周转的双摇杆曲柄滑块曲柄滑块用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构偏置曲柄机构具有急回特性偏置曲柄机构具有急回特性对心曲柄机构没有急回特性对心曲柄机构没有急回特性常用机构常用机构剪剪 刀刀 机机以曲柄为主动件：以曲柄为主动件： 将曲柄的回转运动转将曲柄的回转运动转换成从动杆的往复摆动换成从动杆的往复摆动连杆机构选型与设计连杆机构选型与设计 以曲柄为主动件：以曲柄为主动件： 将曲柄的回转运动转换成将曲柄的回转运动转换成 从动杆的往复摆动从动杆的往复摆动当主动曲柄连续等速转动时，当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般不等速转动从动曲柄一般不等速转动惯性筛惯性筛鹤式起重机鹤式起重机 当主动摇杆摆动时，从动摇杆也随之摆动，同时在连当主动摇杆摆动时，从动摇杆也随之摆动，同时在连杆上也可获得预期的运动轨迹。杆上也可获得预期的运动轨迹。摄影平台升降机构摄影平台升降机构平行双曲柄机构（运动的同向性）平行双曲柄机构（运动的同向性）铸造用大型造型机翻箱机构铸造用大型造型机翻箱机构碎碎 石石 机机用电动机带动的用电动机带动的曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构：（以曲柄为主动件）（以曲柄为主动件）加工核岛蒸汽发生器水室封头重载变位器加工核岛蒸汽发生器水室封头重载变位器连杆机构应用实例连杆机构应用实例毛坯毛坯: :200T200T最终产品最终产品: : 43.5T43.5T直径直径 : :4.3 m4.3 m水室封头重载变位器水室封头重载变位器任务分析任务分析目标目标：设计核岛蒸发器下封头机械加工用变位机。设计核岛蒸发器下封头机械加工用变位机。目的目的: : 配合数控落地铣镗床（具有三维移动自由度，刀具的轴配合数控落地铣镗床（具有三维移动自由度，刀具的轴 线方向始终保持不变）完成下封头零件上接管口的精加工而线方向始终保持不变）完成下封头零件上接管口的精加工而设计的机床辅具。设计的机床辅具。任务任务：实现依次将蒸发器下封头上的接管口变位到刀具的轴线实现依次将蒸发器下封头上的接管口变位到刀具的轴线方向，并在机械加工过程中始终保持工件的位姿不变。方向，并在机械加工过程中始终保持工件的位姿不变。要求要求：足够的刚度、定位精度和精度保持能力。足够的刚度、定位精度和精度保持能力。 变位机的构型设计与分析变位机的构型设计与分析两自由度旋转变位机构结构两自由度旋转变位机构结构原理图原理图 数控落地铣镗床的刀具轴线方向固定，变位机需要将蒸发器下数控落地铣镗床的刀具轴线方向固定，变位机需要将蒸发器下封头的接管口轴线变换到刀具的轴线方向，为了完成变位工作，封头的接管口轴线变换到刀具的轴线方向，为了完成变位工作，变位机变位机至少需要两个旋转自由度至少需要两个旋转自由度。三自由度旋转变位机构结构三自由度旋转变位机构结构原理图原理图变位机的构型设计与分析变位机的构型设计与分析变位机的构型设计与分析变位机的构型设计与分析变位机机构尺寸优化变位机机构尺寸优化水室封头重载变位器水室封头重载变位器水室封头重载变位器水室封头重载变位器水室封头重载变位器水室封头重载变位器4.1.4 4.1.4 凸轮机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构将旋转运动转变为比将旋转运动转变为比较短的直线往复运动较短的直线往复运动凸轮凸轮从动件从动件功用功用基于凸轮的轮廓基于凸轮的轮廓主动件分类主动件分类盘形盘形圆柱形圆柱形从动件分类从动件分类顶尖式顶尖式滚子式滚子式平底式平底式盘形凸轮和平底从动件盘形凸轮和平底从动件几种常见的凸轮机构几种常见的凸轮机构几种常见的凸轮机构几种常见的凸轮机构圆柱凸轮和滚子从动件圆柱凸轮和滚子从动件盘形凸轮和滚子从动件盘形凸轮和滚子从动件顶尖从动件的盘形凸轮顶尖从动件的盘形凸轮心形凸轮机构心形凸轮机构 (a) (a)心形机构心形机构 (b) (b)机械手的驱动机械手的驱动凸轮机构选型与设计凸轮机构选型与设计凸轮机构选型与设计凸轮机构选型与设计4.1.5 4.1.5 齿轮机构齿轮机构齿轮系是历史悠久，至齿轮系是历史悠久，至今应用也是最为广泛的一种今应用也是最为广泛的一种机械传动机构。机械传动机构。功用：是按规定的速比传递运动和动力特点：工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。齿轮传动的类型与特点齿轮传动的类型与特点正齿轮（直齿圆柱齿轮正齿轮（直齿圆柱齿轮正齿轮（直齿圆柱齿轮正齿轮（直齿圆柱齿轮 ）较常见，价格低廉，高效较常见，价格低廉，高效平行轴间传动平行轴间传动回转运动到回转运动回转运动到回转运动在中、低速精密传动中优先采用。在中、低速精密传动中优先采用。 斜齿轮斜齿轮斜齿轮斜齿轮平行轴间传动平行轴间传动回转运动到回转运动回转运动到回转运动在中、高速传动中优先采用。在中、高速传动中优先采用。 圆锥齿轮圆锥齿轮圆锥齿轮圆锥齿轮相交轴之间传输动力相交轴之间传输动力适用于低速的直角传动。适用于低速的直角传动。齿轮齿条齿轮齿条旋转运动转化为旋转运动转化为直线运动直线运动蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动不相交的轴不相交的轴高传动比高传动比“自锁自锁”非反转非反转高摩擦损失高摩擦损失应用实例应用实例应用实例应用实例-变位机的旋转运动系统变位机的旋转运动系统变位机的旋转运动系统变位机的旋转运动系统变位机的旋转运动系统变位机的旋转运动系统应用实例应用实例应用实例应用实例-机械手手腕机械手手腕机械手手腕机械手手腕应用实例应用实例应用实例应用实例3 3 3 3翻转机构的运动系统翻转机构的运动系统翻转机构的运动系统翻转机构的运动系统转台转台底座底座传动系统传动系统适配器适配器回转支承回转支承三级减速传动系统弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器蜗杆减速机蜗杆减速机偏心盘偏心盘驱动小齿轮驱动小齿轮回转支承回转支承行星减速器行星减速器随动小齿轮随动小齿轮伺服电机伺服电机应用实例应用实例应用实例应用实例3 3 3 3翻转机构的运动系统翻转机构的运动系统翻转机构的运动系统翻转机构的运动系统