装备自动化工程设计与实践课件522.ppt

1、装备自动化工程设计与实践装备自动化工程设计与实践机机电电一体化系一体化系统统硬件的精准配置硬件的精准配置驱动机构的转动惯量系统选型流程及注意事项n 驱动机构n 明确驱动机构全部组件的设计细节，例如，惯量、效率、扭矩、结构尺寸等 运动曲线、规律及载荷谱n依据系统应用的类型，确定其运动曲线、规律及载荷谱。对于取放的应用，例如，龙门机器人，移动时间、峰值速度、加速度和减速度是关键需求指标；对于连续运行的应用，例如，造纸机中的放料辊，速度是唯一的关键需求。n确定运动轨迹和规律考虑的因素有：距离、速度、加速度、减速度、加速度的变化率、停顿、有效载荷及加速、等速、减速时的推力和停顿 运动曲线、规律及载荷谱

2、 减速器n减速器的选择通常是一个反复权衡的设计过程，要综合考虑负载需求的输出转矩、速度及电机的输出转矩、速度限制，在它们之间取得平衡。减速器n减速器选型考虑的因素有：n减速器类型、减速器效率、最大输出扭矩、最大输入速度、负载的转速范围、负载需求的转矩区间、负载工况、制动力矩、载荷方向（单向或双向）、启动次数的频繁度、减速器安装方式 减速器n、减速比、输出轴/输入轴径向力及轴向力、输出轴形式（实心平键、空心平键、空心轴紧缩盘、空心轴花键、实心轴加强），如果减速器和电机直连，要考虑电机与减速器接口，要确保电机轴端与减速器输入接口匹配 减速器n减速器通常是按照恒转矩和非频繁启动工况设计的，若是应用于

3、频繁启动的系统，就必须考虑使用工况的加权系数，这个系数与启动频率，负载的变化次数，惯性加速系数，每日运行时间有关n选型时，减速器的许用输出转矩应该大于等于计算转矩 驱动电机n驱动电机的选型要考虑的因素有：电机类型、电机特性、运动方式、最大输出转矩扭矩、最大速度、过载倍数，额定转矩、额定转速、额定电压、额定电流、额定频率、功率因数、输出功率、电机效率、控制方式、精度要求、绝缘强度n、最高允许温升、转动惯量、惯量匹配、环境因素引起的降额（环境温度、海拔、电压等）、联轴器、电机轴端与减速器的匹配、安装形式、防护等级、冷却方式、温度保护方式、轴键的类型及动平衡、编码器、线盒位置及出线口方向、重量及体积

4、的限制、防振动防噪声措施、电机风扇的参数、轴向力、径向力等 驱动电机 驱动器n驱动器的选型需根据逆变器、内部制动电阻以及多轴共享母线电源来选择。对于多轴共母线的配置，母线电源的只能在所有轴都加入模型后再计算。在进行驱动器配置时，要确保以下四个参数满足系统应用需求n 逆变器：满足驱动电机的持续和峰值电流的需求；n 制动电阻：满足持续和峰值功率、能量消耗（散热）的需求；n 母线电源：满足输出持续和峰值电能的需求，n 降额：考虑环境因素（温度、海拔等）引起的降额。驱动器 供电系统n供电系统的选择要计算母线功率与制动电阻功率需求，对于多轴共母线系统，母线电源的功率要能够满足所有轴的持续输出功率和峰值功

5、率应用需求，设计时还要考虑环境因素引起的降额 外部制动电阻n如果驱动器及馈电电源没有配置内部制动电阻，或其内部制动电阻不能满足制动需求，则需添加外部制动电阻。制动电阻的配置要满足制动性能及制动时间的需求 外部电容模块n使用外部电容模块增加系统母线电容可以减少母线和制动电阻的功率要求，提高系统效率。值得注意的是，受供电模块允许的最大浪涌电流的限制，连接到母线上的电容容量是受限的 电缆、滤波器和熔断器n电缆、滤波器和熔断器的选型与电源的额定值及峰值相关转动惯量n转动惯量是对刚体绕轴转动时惯性的量度，转动惯量只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置n借助于转动惯量，可以建立描述角动量、角速度、力矩和

6、角加速度之间关系的动力学方程转动惯量n进行机电一体化系统硬件的选型设计，首先就应该分析并计算驱动机构各个部件及负载的转动惯量转盘转盘n转盘是驱动系统中最简单的负载机构n转盘负载常见于金属加工、印刷机械、包装机械行业的转台、搬运机械、机器人等应用领域转盘与负载转盘质量与旋转角度示意图不平衡旋转转盘受力转盘转盘驱动机构扭矩)sin()sin(11MgrTJJTThrustDMDMCouplingDM（2）皮带与皮带轮皮带与皮带轮n皮带传动通常由主动轮、从动轮、张紧轮或者托辊和张紧在两轮上的环形带组成。利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递。由动力驱动的带轮成为主动轮，无动力的带轮称为从动轮，主

7、从轮之间为带提供张紧力的轮为张紧轮或者托辊。（2）皮带与皮带轮皮带与皮带轮n负载特指的是位于从动轮上的旋转负载。皮带传动应用领域广泛，当主动轴与从动轴相距较远时，常用这种传动方式（2）皮带与皮带轮（2）皮带与皮带轮驱动机构扭矩DnPDPThrustDMDMDPDMrrTJJT112221)(DnPDPLoadDnPIPDPIPDPBeltrrJJrrJrmJ（2）皮带与皮带轮（3）输送带n输送带系统包含两个或两个以上的带轮及套在带轮上连续旋转的承载输送带n其传动结构和带传动一致，与前述的带传动比较，区别在于带传动驱动从动轮上的旋转负载，而输送带直线运送和传输带上负载。（3）输送带n常见应用如生

8、产线上的物品输送，输送带是物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的组成部分输送带-驱动机构扭矩DPThrustCBLoadDMDMDPDMrFgmmJJTsin11输送带-驱动机构扭矩输送带-驱动机构扭矩（4）两级输送带-驱动机构扭矩n两级输送带是两个单级输送带系统的结合。但是仅在第一级的输送带有主动轮，第二级的输送带是通过与第一级的输送带连接后进行传动n这样的设计通常用在那些无法直接在第二级输送安装主动驱动轮的机构中（4）两级输送带-驱动机构扭矩DPDMDPDMrFgmgmJT121111cossin1（4）两级输送带-驱动机构扭矩（4）两级输送带-驱动机构扭矩（5）滚珠丝杠n滚珠丝杠是将旋转运

9、动转化为直线运动，或将直线运动转化为旋转运动的机械产品，作为精密机械上经常使用的传动元件，同时具有精度高、摩擦阻力小、传动可逆、轴向刚度高、传动效率高的特点，能够实现高速进给和微进给，广泛应用于各种工业设备和精密仪器中（5）滚珠丝杠n将旋转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为旋转运动的机械产品n具有精度高、摩擦阻力小、传动可逆、轴向刚度高、传动效率高的特点，能够实现高速进给和微进给滚珠丝杠驱动机构扭矩PgmFgmmJJTThrustCBDMDMDM2cossin11112（5）滚珠丝杠（5）滚珠丝杠（5）滚珠丝杠（6 6）齿轮齿条齿轮齿条n齿轮齿条是齿轮传动的一种形式，圆形的齿轮和直线型的齿

10、条相互啮合，将加载在齿轮上的旋转运动转换为齿轮与齿条间相互的直线运动（6 6）齿轮齿条齿轮齿条n齿轮齿条传动与同步带传动及滚珠丝杠传动对比，齿轮齿条传动的承载力大，传动精度较高，可无限长度对接延续，传动速度可以很高。但是其缺点是若加工安装精度差，传动噪音就大，磨损也大。（6 6）齿轮齿条齿轮齿条n典型用途有：大版面钢板、玻璃数控切割机。而同步带传动的特点是承载力较大，加宽皮带可以提高负载承力，传动精度较高，但传动长度不可太大，因为较长的传送带会产生弹性变形和振动。（6 6）齿轮齿条齿轮齿条n滚珠丝杠不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是水平传动跨距若较大时要考虑极限转速和

11、自重下垂变形，或采用齿轮齿条传动（6 6）齿轮齿条齿轮齿条n齿轮齿条传动的承载力大，传动精度较高，可无限长度对接延续，传动速度很高。n其缺点是若加工安装精度差，传动噪音就大，磨损也大齿轮齿条传动原理齿轮齿条传动原理-驱动机构扭矩PinionThrustCBDMDMPinionDMrgmFgmmJJTcossin1111（6 6）双级齿条和双级齿条和输输送带送带-驱动机构扭矩n双级齿条和输送带是齿轮齿条系统与输送带系统的结合。第二级的输送带是通过连接到第一级齿轮齿条系统上的齿条来进行传动。这样的设计通常用在那些无法直接在第二级输送带系统上直接安装主动驱动轮的机构中（6 6）双级齿条和双级齿条和输

12、输送带送带-驱动机构扭矩PDMDPDMrFgmgmJT121111cossin1（6 6）双级齿条和双级齿条和输输送带送带-驱动机构扭矩（6 6）双级齿条和双级齿条和输输送带送带-驱动机构扭矩（7）夹夹送送辊辊n夹送辊也称为压送辊，它与驱动辊配合成对使用n夹送辊下压与材料间产生摩擦力，驱动辊旋转使两者之间的材料产生直线运动，多用于传送薄片或线形的连续材料（7 7）夹送辊夹送辊n夹送辊也称为压送辊，它与驱动辊配合成对使用。夹送辊下压与材料间产生摩擦力，驱动辊旋转使两者之间的材料产生直线运动。多用于传送薄片或线形的连续材料。在金属加工、造纸、印刷、木材加工等行业用途广泛n在金属加工、造纸、印刷、木

13、材加工等行业用途广泛（7 7）夹送辊夹送辊夹送辊传送-驱动机构扭矩DRThrustLoopDMDMDRDRDMrFgmJJnT11（7 7）夹送辊夹送辊（7 7）夹送辊夹送辊（8）中心收卷n中心轴提供收卷动力的成为中心收卷RThrustTensionDMDMRDMrFFJJT11（8）中心收卷（8）中心收卷（9）表面收卷n利用辊子与被卷取材料的表面摩擦来实现对膜卷的驱动表面收卷表面收卷-驱动机构扭矩驱动机构扭矩RThrustTensionDMDMRDMrFFJJT11（9）表面收卷（9）表面收卷（1010）曲柄滑块曲柄滑块n曲柄滑块也称曲柄连杆机构，它用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换。曲柄

14、滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的设备中。（1010）曲柄滑块曲柄滑块n偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性，例如，锯床就是利用这一特性达到锯条的慢进和空程急回。对于任何给定的运动曲线，曲柄滑块机构需考虑动态变化的惯量、推力和曲柄的重力效应（1010）曲柄滑块曲柄滑块n广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的设备中曲柄滑块机构（11）直线电机n直线电机与旋转电机相比，结构简单，重量和体积下降，定位精度高，对于需要直线运动的应用n直线电机无需中间环节实现直接传动，因而可以消除各种定位误差直线电机传动-系统推力AttThrustCBDMCBDMFgmFgmmammFcossin111（11）直线电机（11）直线电机