最新机电装备设计6课件PPT.ppt 86页

'机电装备设计6 对于闭环系统，由驱动电动机的最高转速或转矩与机电装备要求的最大进给速度或负载转矩决定传动速i。设计机电装备伺服传动系统时，通过选用最佳传动速比i实现负载特性的更好匹配或降低转动惯量。 2、最佳总传动速比伺服动力驱动要克服的负载力矩有两种典型情况。□峰值力矩：电动机最严重的工作情况；□方均根力矩：电动机长期连续地在变载荷下工况的统计量。 包括：负载加速度最大的总速比等效峰值综合负载转矩最小的总速比等效方均根综合负载转矩最小的总速比2）最佳总速比定义：使传动系统等效负载力矩最小或负载加速度最大的总速比。（i＞1) ◆负载加速度最大的总速比TL和Tf换算到电动机轴上分别为TL/i和Tf/i，JL换算到电动机轴上为JL/i。动力学方程为 若令齿轮系的传动效率η＝1，忽略负载转矩TL和摩擦转矩Tf，同时令Jg＝0，则上式说明，负载加速度最大的总速比与负载转动惯量有关。 ◆等效峰值综合负载转矩最小的总速比上式说明，在最佳总速比上，电动机的输出转矩Tm有一半用于克服负载TL，一半用于电动机的转子和传动装置。 ◆等效方均根综合负载转矩最小的总速比 ☆当伺服电机与负载通过“折算峰值力矩最小”的总速比进行匹配时，电动机克服负载峰值力矩所消耗的能量就最少；☆当伺服电机与负载通过“折算方均根力矩最小”的总速比进行匹配时，电动机克服负载方均根力矩所消耗的能量就最少；☆当通过“角加速度最大”的总速比进行匹配时，电动机的输出转矩有一半用于加速负载，一半用于加速电机转子。最佳总速比实现了功率的最佳传递。 3、总速比的分配伺服系统的总速比较大时，可采用谐波齿轮实现同轴传动；也可采用多级齿轮传动。圆柱齿轮机构具有一系列优点，应用普遍，针对这种机构组成的多级传动链，介绍各级传动速比确定的原则和方法。1）最小等效转动惯量原则（小功率传动系统） 在小功率伺服系统中，一般负载较小，特别是总传动速比较大时,负载转化到电动机轴上的转动惯量可忽略不计，则 对于n级齿轮系作同类分析可得例：有i＝80、n=4的小功率传动系统，按等效转动惯量最小原则分配传动比。 按最小等效转动惯量原则分配小功率传动系统的总速比时，可采用列线图确定各级传动比。按“等效转动惯量最小原则”确定级数和各级传动速比时，由高速级到低速级，各级传动速比是逐级增加的，即传动速比的分配次序是“前小后大”原则。而且级数越多，总等效惯量越小。 2）重量最轻原则（小功率传动系统）按重量最轻原则，小功率传动的各级传动速比相等。 3）输出轴转角误差最小原则 ▲为提高齿轮系的传动精度，由输入端到输出端的各级传动速比应按“前小后大”次序分配；▲使最末一级速比尽可能大，同时提高最末一级齿轮副的精度；即可减小各齿轮副的加工误差、安装误差、回转误差，提高齿轮系统的传动精度。设计伺服传动系统，确定总传动速比时，在满足系统的工作条件和功能要求的同时，综合考虑上述三个原则及其经济性，合理分配传动速比。注意！ 2.3.5齿轮传动间隙的消除进给系统中的减速齿轮本身有很高的运动精度和工作平稳性，但还需尽可能消除传动齿轮副间的传动间隙。问题：齿侧间隙会造成进给系统每次反向运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，对传动精度影响很大。必须采用各种方法去减小或消除齿轮传动间隙。1、直齿圆柱齿轮传动间隙的消除1）偏心套调整通过转动偏心套就能够方便地调整两齿轮的中心距，从而消除齿侧间隙。 2）垫片调整将分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化，装配时只需改变垫片3的厚度，使齿轮2作轴向移动，调整两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的。 3）双齿轮错齿调整由于弹簧6的作用使齿轮1、2错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙。正向或反向旋转，分别只有一个齿轮承受转矩，承载能力受到限制，设计时须计算弹簧6的拉力，使它能克服最大转矩。 2、斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除1）垫片调整斜齿轮1和2间加厚度为t的垫片。用螺母拧紧，使两齿轮1和2的螺旋线产生错位，其后两齿面分别与宽齿轮4的齿面紧贴消除间隙，垫片3的厚度和齿侧间隙⊿的关系可由下式出。 斜齿轮1和2用键滑套在轴上，相互间无相对转动。斜齿轮1和2同时与宽齿轮5啮合，螺母3调节蝶形弹簧4，使齿轮1和2的齿侧分别贴紧宽齿轮5的齿槽左右两侧，消除了间隙。弹簧压力的调整大小应适当，压力过小则起不到消隙的作用，压力过大会使齿轮磨损加快，缩短使用寿命。齿轮内孔有较长的导向长度，轴向尺寸较大，结构不紧凑，优点是可以自动补偿间隙。2）轴向压簧调整 3、锥齿轮传动间隙的消除1）周向压簧调整将大锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1开有三个圆弧槽8，内圈2的端面带有三个凸爪4，套装在圆弧槽内。弹簧6的两瑞分别顶在凸爪4和镶块7上，使内外齿圈1、2的锥齿错位与小锥齿轮啮合达到消除间隙的作用。螺钉5将内外齿圈相对固定是为了安装方便，安装完毕后即刻卸去。 如图所示，锥齿轮1、2相互啮合。在锥齿轮1的轴5上装有压簧3，用螺母4调整压簧3的弹力。锥齿轮1在弹力作用下沿轴向移动，可消除锥齿轮1和2的间隙。2）轴向压簧调整 4、齿轮齿条传动间隙的消除进给运动由轴1输入，通过两对斜齿轮将运动传给轴2和轴5，由两个直齿轮3和4去传动齿条，带动工作台移动。轴1上两个斜齿轮的螺旋线的方向相反。在轴1上作用一个轴向力F，弹簧力使斜齿轮产生微量的轴向移动。轴2和轴5以相反的方向转过一个角度，使直齿轮3和4分别与齿条两齿面贴紧，消除了间隙。工作行程大的大型数控机床，采用齿轮齿条传动来实现进给运动。当载荷较小，齿轮齿条可采用双片薄齿轮错齿调整，分别与齿条的齿槽左、右二侧贴紧来消除间隙。当载荷较大时，采用双厚齿轮的传动结构。 2.4微量进给装置设计2.4.1设计要求高精度微量进给装置是超精密机床的一个关键装置。目前高精度微量进给装置达到0.001～0.010μm分辨率，对实现超薄切削、实现高精度加工和实现在线误差补偿十分有用。精密和超精密微位移机构应满足下列设计要求：1）精微进给和粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨和稳定性；2）运动部分必须是低摩擦，以实现高的重复精度；3）刀具处必须足够高的刚度；4）微量进给机构应具有好的动特性，即具有高的频响；5）微量进给机构应能实现微进给的自动控制。 最小进给量大于1μm的装置：有蜗杆传动、丝杆螺母、齿轮齿条传动、液压传动等，适用于大行程，进给量、进给速度变化范围宽的机床；最小进给量小于1μm的进给装置：①弹性变形式；②热变形式；③流体膜变形式；④磁致伸缩式；⑤电致伸缩式。上述都是利用材料的物理性能实现微进给。五种类型中，仅有弹性变形式和电致伸缩式微量进给机构较适用和成熟。尤其是电致伸缩微量进给装置，可进行自动控制，有较好的动态特性，可用于误差在线补偿。微量进给装置分类： 2.4.2机械结构弹性变形微量进给装置机械结构弹性变形微量进给装置，工作稳定可靠，精度重复性好，在手动操作时很适用。图中为双T形弹性变形微进给装置。当驱动螺钉前进时，T形弹簧1变直伸长，因B端固定，C端压向T形弹簧2。T形弹簧2的D端固定，推动E端可位移刀夹作微位移前进。 特点：○微量进给装置分辨率为0.01μm；○重复精度0.02μm；○最大输出位移是20μm；○输出位移方向的静刚度为70N/μm。实际切削刚度足够。实现自动微量进给和进给装置有较好动特性时，目前都采用压电或电致伸缩微量进给装置。电致伸缩传感器、微量进给装置的机械结构和驱动电源是电致伸缩微量进给装置的三大关键技术。2.4.3压电和电致伸缩传感器微量进给装置 电致伸缩陶瓷有逆压电效应和电致伸缩效应，是电介质在电场作用下产生变形的基本电耦合效应。电致伸缩效应的变形量与电场强度的平方成正比。电致伸缩传感器微量进给机构的优点：①能够实现高刚度无间隙位移；②能实现极精细的微量位移，分辨率可达1.0～2.5nm；③变形系数较大；④有很高的响应频率，其响应时间达100μS；⑤无空耗电流发热问题。电致伸缩陶瓷微量进给机构是国内外研究的热点。1、材料 常用压电材料： 压电原件的串并联 压电陶瓷传感器二维微量进给机构的试验研究 切削实验在数控车床上对研制的二维微量进给机构进行了实验研究。实验中加工一个长度100mm、大端直径50mm和锥度10°的棒料,工件材料是铝,车床转速为600r/min。在同样的切削条件下，对采用补偿和不采用补偿的情况进行了试验,并用圆度仪测试了这两种情况下加工出来工件的圆度。从图中可以看出采用压电陶瓷传感器二维微量进给机构进行误差补偿能有效的提高工件的加工精度。 物质在磁场中尺寸会发生变化，这一现象称为磁致伸缩。磁致伸缩效应是1842年由焦耳发现的，又称为焦耳效应。传统的磁致伸缩材料有铁、镍等，其磁致伸缩系数均很小，如铁为，镍为。发现具有很好的磁致伸缩性能和低磁晶各向异性。并发现该材料制备成单晶或晶粒取向的多晶后在压应力作用下在低磁场中磁致伸缩系数大大提高，这种材料的磁致伸缩系数为，为传统磁致伸缩材料的几十倍到上百倍，称为超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial，简称GMM)。2.4.4稀土超磁致伸缩材料 由于超磁致伸缩材料应变值高、能量密度大、响应快、精度高、频带宽且具有智能响应，它的应用使得电（磁）~机械（声）转换产品产生了巨大的突破性进展。◇应用于军事和海洋工程的水声声纳显示出目前世界上最好的性能；◇用于飞机机翼控制可使反映灵敏度、可靠性大幅度提高；◇在高精密度控制方面的应用，如超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等；◇在民用应用领域有：照相机快门、编织驱动器、助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等。1、超磁致伸缩材料的应用 电磁波在液体和固体中衰减很快故无法应用。声信号在液体和固体中衰减较小，因而广泛用于液体与固体中的探测、通信、侦察等。在水中发射声信号的器件称为水声换能器，是声纳的核心部分。水声换能器发射的声波频率越低，声信号在水中的衰减就越小，传送的距离越远，同时频率低受潜艇涂层噪音的干扰也较小。为了提高声信号的分辨率，还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性。由于超磁致伸缩材料具有应变大、低频响应好、频带宽等特点，是制作大功率、低频、宽频带水声换能器的理想材料，因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料。2、超磁致伸缩材料在磁（电）声换能器中的应用 其电---机转换效率具有其它材料无法比拟的优势，在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床的进给系统方面，用精密致动器，位移精确度可达到纳米级，响应速度快，输出力大，设计简单。○采用超磁致伸缩棒可制成驱动元件的燃料注入阀，它由超磁致伸缩棒、驱动线圈、阀壳、预应力弹簧、燃料管、法兰盘、燃料注入管、喷嘴等组成。燃料注入阀由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针，当驱动线圈中的电流为零时，燃料注入阀中的阀针将燃料流关闭；当驱动线圈中通有电流时，燃料注入阀中的阀针打开允许燃料流通过。这种燃料注入阀可实现对燃料的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减少污染．它在汽车和飞机等内燃机中已得到应用。3、超磁致伸缩材料在磁（电）机械致动器中的应用 超磁致伸缩智能传感器是利用超磁致伸缩材料的压磁特性：当对其施加外力作用时，所形成的磁场将发生相应的变化。由于该材料的高抗压强度、高应变、高反应速度等使得采用该材料研制的冲击、振动、加速度、压力等传感器与同类传感器相比有大载荷、高强度、高灵敏度等特点，适于在各种恶劣环境下工作，信号处理简单方便，体积小、稳定性高。采用超磁致伸缩材料作为换能元件，制造磁致伸缩泵、磁致伸缩转动马达等新型器件。4、超磁致伸缩材料在传感器中的应用 传统的电致伸缩致动器，伸缩量小、输出力小、反应慢，须高电压驱动、设计复杂、存在极化失效问题，可靠性差，不能满足高新技术迅速发展的需要。而超磁致伸缩精密致动器不仅能克服上述电磁致伸缩致动器的缺点，而且其电/机转换效率具有其他材料无法比拟的优势，如在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床的进给系统方面，用GMM精密致动器，位移达到0.1~0.5mm，精确度可达到纳米级，响应速度快，输出力大，工作电压低，只需几伏至几十伏，设计简单。5、超磁致伸缩精密致动器 粗进给由丝杠-螺母实现,微进给由磁致伸缩材料来完成。沿压电陶瓷极化方向施加电压时,每个圆盘型压电陶瓷会沿应变方向发生变形,且产生一定的力,变形取决于压电陶瓷片的数目,其最大变形可达到0.1mm。 习题1：设计一自动换刀数控镗铣床的主传动系统。已知，主轴转速试设计1）计算转速和调速范围；2）拟定系统结构式并计算变速组的齿数；3）设计传动系统图、转速图和主轴功率特性图。 骨筋膜室综合征Osteofascialcompartmentsyndrome徐州医学院附属医院创伤外科刘凯47 一、定义由骨、骨间膜、肌间隔和深筋膜形成的骨筋膜室内的肌肉和神经因急性缺血而产生的一系列早期症状和体征。48 二、病因由骨筋膜室内压力增高所致骨筋膜室容积骤减骨筋膜室内容物体积骤增49 骨筋膜室容积骤减敷料包扎过紧严重的局部压迫50 骨筋膜室内容物体积骤增缺血后水肿损伤小腿的激烈运动出血51 三、病理缺血—水肿—缺血的恶性循环52 53 筋膜下血肿肌肉组织水肿骨筋膜室内容物体积增加骨筋膜室内压力增加肢体挤压伤外包扎过紧骨筋膜室内容积减少静脉被压毛细血管压上升渗出增加水肿动脉痉挛休克抬高患肢小动脉压下降小动脉壁内外压力差下降组织灌注压下降组织灌注减少小动脉关闭（早期大动脉搏动仍可存在）毛细血管通透性增加肌肉及神经组织进行性坏死肌球蛋白尿肾功能衰竭大量渗出液休克酸中毒高钾血症心律不齐54 根据缺血的不同程度分为濒临缺血性肌挛缩缺血性肌挛缩坏疽55 濒临缺血性肌挛缩严重缺血的早期，经积极处理，及时恢复血液供应，可不发生或仅发生极小量肌肉坏死。可不影响肢体功能。56 缺血性肌挛缩较短时间或程度较重的不完全缺血，恢复血液供应后大部分肌肉坏死，由纤维组织修复，因瘢痕挛缩而形成特有的畸形，严重影响患肢功能。如：爪形手、爪形足57 坏疽广泛、长时间完全缺血，大量肌肉坏疽，无法修复，常需截肢。58 当组织压力达到一定程度[前臂8.7kPa(65mmHg),小腿7.3kPa(55mmHg)]，可使供应肌肉的小动脉关闭。59 缺血30分钟，即可出现神经功能异常，完全缺血12~24小时，将发生永久性神经功能丧失；肌肉缺血2~4小时，即可出现功能改变，8~12小时后发生不可逆性损害。60 如果有大量毒素进入血液循环，可导致休克心律不齐急性肾功能衰竭61 四、临床表现早期临床表现以局部为主，只在肌肉缺血较久，已发生广泛坏死时，才出现全身症状。如体温升高、脉率增快、血压下降，血中白细胞增多，血沉加快，尿中出现肌球蛋白。62 疼痛为本征最早期的症状是骨筋膜室内神经受压和缺血的重要表现。至晚期缺血严重可无疼痛63 指或趾呈屈曲状态，肌力减弱。被动牵伸指或趾时，可引起剧烈疼痛，为肌肉缺血的早期表现。64 患室表面皮肤略红，温度稍高，肿胀，有严重压痛，触诊可感到室内张力增高。65 远侧脉搏和毛细血管充盈时间正常。肢体远侧动脉搏动存在并不是安全的指标66 随着缺血加重，发展为缺血性肌挛缩和坏疽，可出现5P征Painless疼痛转为无痛Pallor苍白或紫绀、大理石花纹Paresthesia感觉异常Paralysis肌肉瘫痪Pulselessness无脉67 五、诊断依据临床症状及体征诊断金标准：测定室内压（ICP）68 Whitesides测定组织压力的方法69 应用灯芯导管监测间室压力的方法70 ICP测量的评估绝对ICP：明确筋膜室流通的关键压力非常重要。压力差：造成肌肉组织缺血性损伤的ICP水平与灌注压相关。时间因素：孤立测量压力是否高于筋膜切开界限并不能完全诊断骨筋膜室综合征。71 六、治疗本征一经确诊，应立即切开筋膜减压。早期彻底切开筋膜减压是防止肌肉、神经发生缺血性坏死的唯一有效方法。72 筋膜切开减压指征血压正常，有明确临床表现，筋膜间室压力超过30mmHg，组织受压迫时间不清楚或推测超过8小时的病人；筋膜间室内压力超过30mmHg的不合作或昏迷病人；筋膜间室内压力高于20mmHg的低血压病人。总的原则是，如果有怀疑，就应该开放筋膜间室。如果事后证明筋膜切开术是不必要的，添一条伤疤是其唯一后果，但如果应该行筋膜切开术而未施行时，将可能发生肌肉功能丧失或更坏的后果。73 筋膜腔切口部位上臂前侧肱二头肌腋前皱襞至肱骨后侧肱三头肌内上髁切口可同时减压前后侧筋膜腔前臂屈侧屈肌腹隆起伸侧肱桡肌或桡侧伸腕肌大腿前侧髂前上棘至髌骨外上角连线后侧股二头肌小腿前侧胫前肌腓骨前2cm处切开外侧腓骨长、短肌可同时减压前侧和外侧筋膜腔后浅腓肠肌后深胫骨内侧后缘筋膜腔切开常用部位74 应用甘露醇，可以防止或减轻并发症。甘露醇的作用可减少血管的阻力，增加血流及氧的利用，使组织压力尽快降低并促进组织功能恢复。并且可以清除再通血后产生的羟自由基，有利于防止缺血--再灌注损伤。应用甘露醇对早期病人有效，但不能使一些不可逆的病理变化发生逆转。甘露醇的应用问题75 应用甘露醇应注意以下问题:①早期使用，最多不超过10h;②明确诊断为主要血管损伤和严重软组织损伤者不用;③密切观察病情变化。无效的表现是疼痛、肿胀未缓解，尿量未增加;④与654-2合用有协同作用;⑤对筋膜减压术的患者，术中、术后应用甘露醇，可以防止或减轻并发症。76 低分子右旋糖酐的应用可以提高血浆胶体渗透压、增加血流量、降低周围循环阻力、改善微循环。77 罂粟碱能扩张血管、改善微循环，并能预防肢体挤压伤后血管内膜损伤引起的血栓形成。78 骨筋膜室综合征的早期监护观察疼痛特点观察肢体感觉功能观察局部肢体肿胀程度与皮肤色泽观察和监测肢体远端脉搏及毛细血管充盈时间监测筋膜室内压力79 医源性筋膜室综合征的预防首先医务人员必须熟悉产生筋膜间室综合征的原因，对肢体的创伤、尤其是闭合性创伤的患者必须有充分的认识，在骨折复位时要轻柔稳妥，切勿反复而粗暴地进行整复而加重软组织损伤。禁止抬高、按摩、热敷患肢，以免增加渗出及组织对无氧代谢产物的吸收。80 对施行外固定，如应用石膏、绷带、夹板、牵引的患者，应严密观察，注意末稍血运的情况，应向其交待注意事项，24小时内复查。在应用止血带时最长时限不应超过1.5小时，反复应用必须间隔5-10分钟。81 对某些疾病所致意识丧失者应注意了解当时的姿势，肢体受压的时间及局部的表现，2小时翻身一次，避免长时间的压迫而引起本征。82 对于某些手术，如前臂和小腿择期手术，在手术后缝合间室筋膜过紧，使筋膜间室容量缩小；开放性损伤关闭伤口时，皮肤及筋膜缺损时强行将伤口闭合，减少了间室容量，限制了创伤后组织因水肿而产生的肿胀，引起间室内压力急剧上升。所以，对这类病例一般不宜将缺损的皮肤或筋膜缝合过紧，必要时可闭合一部分，其它部分敞开。83 在动脉和静脉中输液、输血时因操作不慎，护理不仔细，使液体或血液外渗，特别是一些刺激性药物渗到筋膜间室内，使其内容体积增加，毛细血管通透性增强，组织液渗透压上升。这些因素共同作用的结果促使筋膜间室内压力上升，引起本综合症。所以我们在操作时应特别注意避免在同一部位反复穿刺，发现液体外渗时及时处理、更换部位。84 在严重的烧伤，特别是手部的烧伤，可使血管的通透性剧增，水肿组织内压升高，静脉回流受限，此外烧伤后皮肤瘢痕和深部组织纤维化粘连，这些因素都可使筋膜间室内压力增高。所以我们必须及时切除焦痂以增加深部组织血流量，减轻皮肤瘢痕，避免由于认识不足延误时机而发生本综合征。85 谢谢！86'