Механические компоненты мехатронных систем

1.

Механические компоненты
мехатронных систем
Ключевые элементы и их роль в обеспечении точности и
надежности систем.

2.

Цели и задачи урока
Рассмотрим основные виды механических
передач, преобразователей движения,
направляющих и соединений. Изучим
параметры и критерии выбора компонентов
для оптимальной работы мехатронных
систем.
2

3.

Зубчатые передачи: типы и
параметры
Основные виды зубчатых передач
Наиболее распространены цилиндрические, конические и
червячные передачи, каждая из которых подходит под
определённые нагрузки и конфигурации механизмов. Их выбор
зависит от условий работы и требований к конструкции.
Ключевые параметры зубчатых передач
Основные параметры включают модуль зубьев, число зубьев и
передаточное отношение, что влияет на точность передачи,
нагрузочную способность и скорость вращения.
3

4.

Ремённые передачи: типы
и особенности
Клиновые, поликлиновые и зубчатые ремни
отличаются по конструкции и применению.
Преимущества включают простоту и низкую
стоимость, что обеспечивает их популярность в
неперегруженных системах.
Однако ремённые передачи подвержены
проскальзыванию и износу, что снижает КПД и
требует регулярного обслуживания.
4

5.

Цепные передачи: типы и
применение
1. Роликовые и зубчатые цепи обеспечивают
высокую передачу мощности и долговечность при
работе в тяжелых условиях. Их надежность
востребована в промышленном оборудовании и
сельском хозяйстве.
2. Основные недостатки — шум и износ,
требующие регулярной смазки и технического
обслуживания для поддержания
работоспособности и точности.
5

6.

Винтовые передачи: виды и характеристики
Основные типы винтовых передач
К основным видам относятся ходовые винты и
шарико-винтовые передачи (ШВП), обеспечивающие
высокую точность и способность самоторможения,
что важно для позиционирования механизмов.
6
Преимущества и ограничения
Основные недостатки — сравнительно низкий
коэффициент полезного действия и износ
компонентов, что ограничивает их применение при
высоких скоростях и мощностях.

7.

Сравнение типов механических передач
Таблица показывает преимущества и ограничения
основных передач, а также их области применения.
Выбор передачи зависит от требований к мощности,
точности и условиям эксплуатации.
7
Отраслевые стандарты и технические публикации

8.

Преобразование
вращательного в
поступательное движение
Ходовые винты с определённым шагом обеспечивают
точное преобразование вращения в линейное
движение, значительно повышая точность
позиционирования в мехатронных системах.
Кулачковые механизмы гарантируют быстрые и
точные переключения, а кривошипно-шатунный
механизм преобразует равномерное вращение в
возвратно-поступательное движение для
разнообразных технических задач.
8

9.

Преобразование поступательного в
вращательное движение
1. Обратимый кривошипно-шатунный механизм
эффективно преобразует линейное движение в
вращательное, применимый в приводах с цикличной
работой.
2. Механизмы с храповым колесом обеспечивают
поэтапное движение вперед с фиксированными
шагами, что необходимо для систем с прерывистым
управлением и подачи.
9

10.

Подшипники в
мехатронных системах
Подшипники качения
Шариковые и роликовые подшипники характеризуются
высокой грузоподъемностью и точностью вращения, а также
способностью работать при больших скоростях, что важно для
динамичных узлов.
Подшипники скольжения
Втулки как подшипники скольжения отличаются простотой
изготовления и низкой стоимостью, но имеют ограниченную
точность и меньший срок службы по сравнению с качением.
10

11.

Линейные
направляющие: типы и
параметры
Направляющие качения состоят из шариковых и
роликовых элементов, обеспечивая высокую точность
перемещения и значительную грузоподъемность в
мехатронных системах с прямолинейным движением.
Направляющие скольжения включают втулки и
рельсы, отличающиеся простой конструкцией и
дешевизной, однако уступают в точности и жесткости,
что важно при выборе под условия эксплуатации.
11

12.

Конструкционные материалы для мехатронных компонентов
Представлена сравнительная таблица
основных материалов по ключевым
параметрам, важным для выбора в
мехатронных системах: прочность,
жесткость, масса, коррозионная
стойкость и стоимость.
Выбор материала зависит от требуемых
эксплуатационных свойств и стоимости,
где металлы обеспечивают прочность, а
полимеры — легкость и коррозионную
устойчивость.
Промышленная спецификация материалов, 2023
12

13.

Разъемные механические соединения
Болтовые и винтовые соединения
13
Болтовые и винтовые соединения обеспечивают
удобство разборки и ремонта, применяются при
необходимости периодического обслуживания
конструкций, подходят для различных нагрузок и
технических требований.
Шпоночные и шлицевые соединения
Шпоночные и шлицевые соединения обеспечивают
точное позиционирование и передачу крутящего
момента, широко используются в узлах с значительными
нагрузками и требуют высокой точности изготовления.

14.

Неразъемные механические
соединения
1. Сварка и пайка обеспечивают прочное и
жесткое соединение, устойчивое к вибрациям и
динамическим нагрузкам, что особенно важно
для ответственных конструкций.
2. Склеивание и прессовая посадка
применяются для соединения деталей с учетом
материала и условий эксплуатации, обеспечивая
долговечность и стабильность формы узла.
14

15.

Вопросы для закрепления материала
Типы зубчатых передач
Какие существуют основные виды зубчатых передач и какие
параметры определяют их работу и эффективность в мехатронных
системах?
Ремённые и цепные передачи
В чем заключаются преимущества и ограничения ременных и
цепных передач, и для каких условий эксплуатации они наиболее
подходят?
Конструкционные материалы
Какие материалы используются для деталей мехатронных систем,
и какие критерии важны при выборе материала для конкретных
задач?
Механические соединения
В чем основные различия между разъемными и неразъемными
соединениями, и как эти типы влияют на ремонтопригодность и
надежность конструкции?
15

16.

Роль механической части
в мехатронной системе
Механические компоненты выполняют функцию
преобразования и передачи сил и движений,
критично влияя на точность и стабильность
работы мехатронных устройств.
Без адекватного выбора механической части
невозможно обеспечить надежность,
долговечность и эффективность мехатронной
системы в целом.
16

17.

Передаточное отношение и крутящий момент
зубчатых передач
График отражает рост крутящего момента с
увеличением передаточного отношения при
постоянном модуле зубьев для различных типов
зубчатых передач.
Наблюдается линейная зависимость, что позволяет
оптимально подбирать передачу под требования по
моменту и скорости.
17
Экспериментальные данные машиностроения, 2022

18.

Сравнительный анализ КПД механических
передач
Бар-чарт демонстрирует, что цилиндрические
передачи обладают наивысшим КПД, а червячные
— наименьшим, что важно учитывать при выборе
типа передачи.
Оптимальный выбор передачи зависит от
требований к эффективности и эксплуатационным
характеристикам систем.
18
Техническая литература по мехатронике, 2023

19.

Области применения
зубчатых передач
Промышленное оборудование и робототехника
Зубчатые передачи применяются в современных станках с ЧПУ
и робототехнических комплексах, где необходима высокая
точность и надежность механизмов.
Автомобильная и станочная отрасли
В автомобилях и промышленном оборудовании передачи
способствуют долговечности и устойчивой работе узлов под
значительными динамическими нагрузками.
19

20.

Области применения
ременных передач
Ремённые передачи широко используют в бытовой
технике и легких станках, где важна бесшумность и
простота конструкции. Они идеально подходят для
низко- и средненагруженных механизмов.
Периодическая замена ремней и регулировка
натяжения необходимы для сохранения стабильной
работы и предотвращения проскальзывания в
системах с такими передачами.
20

21.

Области применения цепных передач
Цепные передачи широко используются в тяжелом
машиностроении и сельскохозяйственной технике
благодаря высокой передаваемой мощности и
надежности. Их конструкция обеспечивает
эффективную работу в тяжелых условиях
эксплуатации.
В велосипедах и мотоциклах цепи обеспечивают
надежную и долговечную передачу крутящего
момента. Для поддержания оптимальной работы
необходимы регулярное техническое обслуживание и
качественная смазка.
21

22.

Области применения винтовых передач
22
Прецизионное машиностроение и
автоматизация
Робототехника и позиционирование
Винтовые передачи, благодаря высокой точности и
способности предотвращать обратное движение,
применяются в станках и линейных приводах систем
автоматизации. Это позволяет достичь точного
перемещения без потерь энергии.
В робототехнике шарико-винтовые механизмы
обеспечивают точное и плавное позиционирование
компонентов. Их высокая жесткость и устойчивость к
нагрузкам делают их ключевыми для сложных
мехатронных устройств.

23.

Критерии выбора типа механической передачи
Анализируются требования по
крутящему моменту и скорости
вращения, а также условия
эксплуатации для выбора
подходящего типа передачи.
Определение рабочих
нагрузок
Учитывается КПД передачи и
затраты на техобслуживание,
включая требования к смазке
и изнашиваемости деталей.
Точность и динамические
характеристики
Оцениваются требования к
точности передачи движения
и плавности работы, что
влияет на выбор конструкции
и типа механизма.
23
Эффективность и
стоимость обслуживания
Экономическая
целесообразность
Принимаются во внимание
стоимость производства и
эксплуатации, а также срок
службы и надежность
выбранного решения.

24.

Примеры кулачковых
механизмов в
мехатронике
Кулачковые механизмы широко применяются для
обеспечения точного фазирования и быстрого
переключения рабочих позиций в автоматизированных
станках и упаковочном оборудовании.
Типичные конструкции включают кулачки с различным
профилем и исполнительные элементы, которые
позволяют реализовать сложные программы движения
и обеспечить высокую повторяемость операций.
24

25.

Применение кривошипношатунного механизма
Кривошипно-шатунные механизмы преобразуют
циклическое движение поршня во вращательное,
что характерно для двигателей внутреннего
сгорания и компрессоров. Такой принцип
обеспечивает стабильную работу и надежность.
В насосах и других приводных устройствах
механизм применяется для обеспечивания
возвратно-поступательного движения с учетом
динамических нагрузок и требований к
долговечности компонентов.
25

26.

Технические характеристики
подшипников качения
Параметры грузоподъемности и скорости
Подшипники качения способны выдерживать нагрузки от
нескольких ньютонов до нескольких тонн, работают на частотах до
300 тысяч об/мин при сохранении стабильной работы и снижении
износа.
Точность и области применения
Стандарты точности варьируются от классов P0 до P5, что
позволяет использовать их в высокоточных шпиндельных узлах и
робототехнических системах с высокими требованиями к
плавности движения.
26

27.

Применение линейных
направляющих качения и
скольжения
Направляющие качения обеспечивают очень низкое
сопротивление движения и высокую точность
позиционирования, что делает их оптимальным
выбором для станков и промышленных роботов.
Направляющие скольжения — экономичное решение с
более простой конструкцией, подходящее для систем,
где высокая точность не является критичной, но важна
надежность при невысоких нагрузках.
27

28.

Преимущества и недостатки типов соединений
Сравнение ключевых характеристик разъемных и
неразъемных соединений для выбора оптимального
варианта в механических конструкциях.
Выбор типа соединения зависит от требований к
надежности, возможности ремонта и экономической
эффективности для конкретной задачи.
28
Стандарты машиностроения РФ

29.

Онлайн инструменты и каталоги для
проектирования
Современные калькуляторы позволяют быстро
рассчитать параметры механических передач с учетом
нагрузок и условий работы, что значительно экономит
время проектирования.
Каталоги производителей содержат подробные
технические характеристики комплектующих,
обеспечивая правильный выбор компонентов и
упрощая процесс подбора для специфических задач.
29

30.

Основные выводы по
механическим компонентам
Механические компоненты являются фундаментом точных и надежных
мехатронных систем. Комплексный подход к их выбору позволяет
успешно решать задачи автоматизации и повышать эффективность
устройств.