第二章 - 机械受控模块
发布时间：2020-02-28 09:31来源：未知
第二章 机械受控模块
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为11分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、简答题和计算题，对于一些公式、概念要加以重视。
二、本章考核知识点
1）机械传动装置在机电一体化系统中的作用及常用机械传动部件；
2）滚珠丝杠螺母副的传动原理和结构，间隙消除及预紧方法；
3）谐波齿轮减速器工作原理及计算；
4）轴系的组成与设计要求；
5）导轨及支承件的功能及设计要求；
6）并联机构的特点和工作原理；
7）传动装置主要结构参数设计计算。
本章近几年考试分值：
机电一体化系统的机械结构主要包括传动机构、导向及支承机构和执行机构。
机电一体化系统中，常用的传动部件：齿轮、蜗杆传动，丝杠螺母传动和谐波传动。
第一节 齿轮系及蜗杆副
齿轮传动的主要精度要求瞬时传动比不变，即主动轮做匀速运动时，从动轮也做匀速运动。蜗轮蜗杆只能用于传动空间垂直交错轴之间的回转运动。蜗杆为主动构件，蜗轮为从动构件。
1.齿轮系传动比最佳分配原则
齿轮系经常用于伺服系统的减速增矩。齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，单级传动比增大将使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。
等效转动惯量最小原则
质量最小原则
输出轴转角误差最小原则
本书按等效转动惯量最小原则确定各级齿轮传动比。对于两级齿轮减速
一般地，齿轮传动总等效惯量随着传动级数的增加而减小，但传动效率随着传动级数的增加而降低。
2.齿轮副间隙消除
消除方法：刚性调整和柔性调整
刚性调整包括调整中心距，选择装配法，带锥度齿轮法和斜齿轮法
柔性调整通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮齿的两侧，以消除间隙。这种方法在齿厚和周节有差异情况下，仍能保持无间隙啮合，但影响其平稳性，降低传动刚度。
对于减速传动的系统，传动比大于1，后级的间隙比前级的间隙影响大，因此最后一级的间隙对系统精度影响最大，因此对减速传动，保证最后一级齿轮精度最重要。
第二节 滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小，便于消除传动间隙的优点。
滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型。
传动刚度计算：传动刚度影响整个机械结构的振动模态和机电一体化系统的性能。滚珠丝杠螺母副传动刚度计算方法：
1） 由图a得到系数
，利用该系数使图b的
标尺扩展；
2） 从图b中，根据外轴向力
与轴向预载荷力
，得到轴向位移；
3） 传动刚度计算公式：
消除间隙及预紧方法：双螺母齿差式，双螺母螺纹式，双螺母垫片式，单螺母变位导程自预紧式。
滚珠丝杠螺母副的支承要求是约束丝杠的轴向窜动和径向摆动。
方法：两端固定，一端固定一端游动，两端均为单向推力，一端固定一端自由
第三节 谐波齿轮传动减速器
谐波齿轮传动时，有多对齿同时啮合传递载荷，承载能力大，同时，由于轮齿的相对位移不大，而且主要发生在载荷小的区域，因此啮合时磨损小，又由于谐波齿轮的特殊形状，波发生器和柔轮运动副中的压力角减小，能力损失小。谐波齿轮主要由波发生器、柔轮和刚轮三个基本构件组成，是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。
从传动原理上，谐波齿轮分为单波和双波。
当波发生器只有一个滚子时，称为单波传动，当波发生器有2个滚子时，称为双波传动。
波发生器分为连续作用式和脉冲作用式。柔轮分为圆柱形和钟形。
谐波齿轮扭转刚度：
为作用在低速负载轴上的扭矩，
为将波发生器抱紧时低速负载轴上的转角。
1.谐波齿轮传动比计算
1）钢轮固定
（1）波发生器输入，柔轮输出。单级减速，结构简单，传动比范围大
（2）柔轮输入，波发生器输出
2）柔轮固定
（1）波发生器输入，钢轮输出
（2）刚轮输入，波发生器输出
3）波发生器固定
（1）柔轮输入，钢轮输出
（2）刚轮输入，柔轮输出
4）两项输入，一项输出
（1）波发生器和柔轮同时输入，钢轮输出，则：
（2）波发生器和刚轮同时输入，柔轮输出，则：
（3）柔轮和刚轮同时输入，波发生器输出，则：
第四节 轴系
1.滚动摩擦支承轴系
滚动轴承的精度分为B、C、D、E、G五级，B最高
在轴承承受轴向负荷时，应对其实现轴向限位
2.滑动摩擦支承轴系
1）液体动压支承
若两平面之间的油液成楔形，二者相对运动时产生压力，从而可以承载。液体动压支承分为球头浮动式，薄壁弹性变形式，加工形成式。
2）气体动压支承
利用空气作润滑剂的一种轴承，它通过空气的弹性起支承作用，避免固体面之间的直接接触。根据结构不同，分为悬臂式，波箔式和张紧式。
3）液体静压支承
在油压作用下，轴套内孔壁上的油腔与运动表面之间形成油膜。
4）气体静压支承
气膜压力由外部气源供给。
第五节 导轨及支撑件
1.导轨：导轨用于引导运动部件的运动方向，保证执行机构的正确运动轨迹。
分类：
1）按运动导轨轨迹：直线运动导轨和旋转运动导轨
2）按导轨面间的摩擦性质：滑动导轨，滚动导轨，液体静压导轨，气浮导轨，磁浮导轨
滚动导轨按其滚动的类型分为滚珠式和滚柱/滚针式。滚珠式结构简单紧凑，但承载能力低，滚柱/滚针式刚度和承载能力大，导向性好，但易磨损
按滚动体在导轨副中的运动形式分为循环式和非循环式
3）按导轨副结构：开式导轨和闭式导轨
2.支承件：包括机身，基座，支柱和横梁等
第六节 并联机构
具有多个自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构称为并联机构
并联机器优点：
1） 刚度高，承载能力与整机质量比大
2） 移动部件质量轻，可获得较高的动态特性，容易实现高速、高加速度运到
3） 不存在误差累计，可获得较高的运动精度
4） 零件标准化程度高，易于实现模块化设计
5） 作业空间与机器尺寸比小。
缺点：
1） 灵活性差，运动平台的倾斜角度小
2） 在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形的危险。
第七节 数学模型和设计要求
参数设计原则：
1）足够高的谐振频率2）高刚度和低转动惯量3）适当的阻尼比4）尽可能小的传动间隙5）良好的摩擦特性
本章在考试中占11分，2个选择，1个简答，1个计算！
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为11分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、简答题和计算题，对于一些公式、概念要加以重视。
二、本章考核知识点
1）机械传动装置在机电一体化系统中的作用及常用机械传动部件；
2）滚珠丝杠螺母副的传动原理和结构，间隙消除及预紧方法；
3）谐波齿轮减速器工作原理及计算；
4）轴系的组成与设计要求；
5）导轨及支承件的功能及设计要求；
6）并联机构的特点和工作原理；
7）传动装置主要结构参数设计计算。
本章近几年考试分值：
| 选择题 | 简答题 | 计算题 | 简单应用 | 综合应用 | 合计 |
| 2（1、4） | 4（2） | 5（3） | 11 | ||
| 2（1、1） | 4（2） | 5（3） | 11 | ||
| 2（1、3） | 4（4） | 5（2） | 11 | ||
| 2（1、5） | 4（1） | 5（3） | 11 | ||
| 2（2、5） | 4（3） | 5（2） | 11 | ||
| 2（1、2） | 4（4） | 5（1） | 11 |
机电一体化系统的机械结构主要包括传动机构、导向及支承机构和执行机构。
机电一体化系统中，常用的传动部件：齿轮、蜗杆传动，丝杠螺母传动和谐波传动。
第一节 齿轮系及蜗杆副
齿轮传动的主要精度要求瞬时传动比不变，即主动轮做匀速运动时，从动轮也做匀速运动。蜗轮蜗杆只能用于传动空间垂直交错轴之间的回转运动。蜗杆为主动构件，蜗轮为从动构件。
1.齿轮系传动比最佳分配原则
齿轮系经常用于伺服系统的减速增矩。齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，单级传动比增大将使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。
等效转动惯量最小原则
质量最小原则
输出轴转角误差最小原则
本书按等效转动惯量最小原则确定各级齿轮传动比。对于两级齿轮减速
一般地，齿轮传动总等效惯量随着传动级数的增加而减小，但传动效率随着传动级数的增加而降低。
2.齿轮副间隙消除
消除方法：刚性调整和柔性调整
刚性调整包括调整中心距，选择装配法，带锥度齿轮法和斜齿轮法
柔性调整通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮齿的两侧，以消除间隙。这种方法在齿厚和周节有差异情况下，仍能保持无间隙啮合，但影响其平稳性，降低传动刚度。
对于减速传动的系统，传动比大于1，后级的间隙比前级的间隙影响大，因此最后一级的间隙对系统精度影响最大，因此对减速传动，保证最后一级齿轮精度最重要。
第二节 滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小，便于消除传动间隙的优点。
滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型。
传动刚度计算：传动刚度影响整个机械结构的振动模态和机电一体化系统的性能。滚珠丝杠螺母副传动刚度计算方法：
1） 由图a得到系数
，利用该系数使图b的标尺扩展；2） 从图b中，根据外轴向力
与轴向预载荷力，得到轴向位移；3） 传动刚度计算公式：
消除间隙及预紧方法：双螺母齿差式，双螺母螺纹式，双螺母垫片式，单螺母变位导程自预紧式。
滚珠丝杠螺母副的支承要求是约束丝杠的轴向窜动和径向摆动。
方法：两端固定，一端固定一端游动，两端均为单向推力，一端固定一端自由
第三节 谐波齿轮传动减速器
谐波齿轮传动时，有多对齿同时啮合传递载荷，承载能力大，同时，由于轮齿的相对位移不大，而且主要发生在载荷小的区域，因此啮合时磨损小，又由于谐波齿轮的特殊形状，波发生器和柔轮运动副中的压力角减小，能力损失小。谐波齿轮主要由波发生器、柔轮和刚轮三个基本构件组成，是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。
从传动原理上，谐波齿轮分为单波和双波。
当波发生器只有一个滚子时，称为单波传动，当波发生器有2个滚子时，称为双波传动。
波发生器分为连续作用式和脉冲作用式。柔轮分为圆柱形和钟形。
谐波齿轮扭转刚度：
为作用在低速负载轴上的扭矩，为将波发生器抱紧时低速负载轴上的转角。1.谐波齿轮传动比计算
1）钢轮固定
（1）波发生器输入，柔轮输出。单级减速，结构简单，传动比范围大
（2）柔轮输入，波发生器输出
2）柔轮固定
（1）波发生器输入，钢轮输出
（2）刚轮输入，波发生器输出
3）波发生器固定
（1）柔轮输入，钢轮输出
（2）刚轮输入，柔轮输出
4）两项输入，一项输出
（1）波发生器和柔轮同时输入，钢轮输出，则：
（2）波发生器和刚轮同时输入，柔轮输出，则：
（3）柔轮和刚轮同时输入，波发生器输出，则：
第四节 轴系
1.滚动摩擦支承轴系
滚动轴承的精度分为B、C、D、E、G五级，B最高
在轴承承受轴向负荷时，应对其实现轴向限位
2.滑动摩擦支承轴系
1）液体动压支承
若两平面之间的油液成楔形，二者相对运动时产生压力，从而可以承载。液体动压支承分为球头浮动式，薄壁弹性变形式，加工形成式。
2）气体动压支承
利用空气作润滑剂的一种轴承，它通过空气的弹性起支承作用，避免固体面之间的直接接触。根据结构不同，分为悬臂式，波箔式和张紧式。
3）液体静压支承
在油压作用下，轴套内孔壁上的油腔与运动表面之间形成油膜。
4）气体静压支承
气膜压力由外部气源供给。
第五节 导轨及支撑件
1.导轨：导轨用于引导运动部件的运动方向，保证执行机构的正确运动轨迹。
分类：
1）按运动导轨轨迹：直线运动导轨和旋转运动导轨
2）按导轨面间的摩擦性质：滑动导轨，滚动导轨，液体静压导轨，气浮导轨，磁浮导轨
滚动导轨按其滚动的类型分为滚珠式和滚柱/滚针式。滚珠式结构简单紧凑，但承载能力低，滚柱/滚针式刚度和承载能力大，导向性好，但易磨损
按滚动体在导轨副中的运动形式分为循环式和非循环式
3）按导轨副结构：开式导轨和闭式导轨
2.支承件：包括机身，基座，支柱和横梁等
第六节 并联机构
具有多个自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构称为并联机构
并联机器优点：
1） 刚度高，承载能力与整机质量比大
2） 移动部件质量轻，可获得较高的动态特性，容易实现高速、高加速度运到
3） 不存在误差累计，可获得较高的运动精度
4） 零件标准化程度高，易于实现模块化设计
5） 作业空间与机器尺寸比小。
缺点：
1） 灵活性差，运动平台的倾斜角度小
2） 在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形的危险。
第七节 数学模型和设计要求
参数设计原则：
1）足够高的谐振频率2）高刚度和低转动惯量3）适当的阻尼比4）尽可能小的传动间隙5）良好的摩擦特性
本章在考试中占11分，2个选择，1个简答，1个计算！
