机电一体化第二章2013

1、机电一体化对机械系统的基本要求 1)高精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性 能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此 机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。 2)快速响应 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的 时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态 信息，下达指令，使其准确地完成任务。 3)良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力 强。 第二章 精密机械技术 机电一体化中机械系统的组成 1)传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转 矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要

2、根据 伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良 好的伺服性能。 2)导向机构 导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动 装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障, 一般指导轨、轴承等。 3)执行机构 执行机构是用来完成操作任务的直接装置。 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动 下完成预定的操作。 4)机座或机架 支撑其他零部件的基础部件。其作用是承受其 他零部件的重量和工作载荷，同时保证各零部 件相对位置的基准作用。 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 阻尼合适阻尼合适 刚度大刚度大 抗振性能好抗振性能好 间隙间隙 小小 转动惯量

3、大会使机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、 固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低。 阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生 爬行；稳态误差大，精度降低。 刚度越大,失动量越小,提高刚度可增加闭环系统的稳定性。 提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施 适当提高零部件本身的精度； 合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响 采用消隙机构以减少或消除空程。 传动系统的总传动比及其分配传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学 特性。特性。 最佳总传动比最

4、佳总传动比 首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综 合为系统的总负载，方法有：合为系统的总负载，方法有： (a) 峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载 的峰值取代数和。的峰值取代数和。 (b) 均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载 的均方根。的均方根。 v 负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负 载转矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩最小载转矩或等效均方根综合负载转矩。

5、使等效负载转矩最小 或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。 齿轮传动系统 一、负载的等效换算 转动部件的下标移动部件的下标；ji 1、等效转动惯量的计算 n j jj m i ii JVME 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 JE n j j j i m i i J V MJ 1 22 1 )()( n j j j i m i i n n J n V MJ 1 22 1 2 )()( 4 1 2、等效负载力矩的计算 1 11 mn iijj ij WFVtTt WTt 1W =W 11 / mn iijj ij TFVT 11 1

6、 / 2 mn iijj ij TFVnTnn 由于所以 采用工程上常用单位时，上式改写为 总传动比的确定 在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总 传动比,以提高伺服系统的响应速度。 Jmi JL M G L mL TLF 电机、传动装置和负载的传动模型 根据传动关系有 式中: 电动机的角位移、角速度、 角加速度； 负载的角位移、角速度、角加速 度。 Jm电动机M的转子的转动惯量； JL负载L的转动惯量； TLF 摩擦阻抗转矩； i齿轮系G的总传动比。 L m L m L m i mmm 、 LLL 、 TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF / i ； JL换算到电动机轴上的转动

7、惯量为JL/i2。设Tm 为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的 前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转 矩Ta为 Lm LFm L L L m m L m LF ma JiJ TiT i i J J i J J i T TT 2 2 2 )( )( 则 若改变总传动比i,则 也随之改变。根据 负载角加速度最大的原则,令 , 则解得 若不计摩擦,即TLF0, 则 L 0/did L m L m LF m LF J J T T T T i 2 m L m L J i T J J i 2 或(2-3) 传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电 动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转

8、动惯 量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速 负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和 转矩的最佳匹配。 实际设计中，要考虑传动装置的惯量影响，总传动 比要根据传动装置的惯量估算适当选择大一点。 各级传动比的分配 1. 等效转动惯量最小原则 齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也有所不同。 1） 小功率传动装置 4 134 4 112 iJJiJJ，厚度相同，则：设各齿轮的材料相同， 等效到电机轴上的总转动惯量为： 22 1 021 0 J ) 1 1 ( 1 )( 2 1 4 1 2 2 2 4 1 1 4 1 2 2 1 2 11 1 2 1 2 2 2 1 1 1 2

9、11 2 1 2 2 4 3 2 1 2 1 ii i ii i i i i iJJ J i i i J JiJ ii J J i J JJ 可解得：令 3/1 1 )2(ii 对于n级齿轮系,则有 由此可见, 各级传动比分配的结果应遵循“前小后大” 原则。 2)大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副的模数、齿 宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮的转动惯量差别很 大。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。 12 2 2 2 2 )1( 2 1 )12(2 12 1 12 n k nk i n i i i nn n 设有i =80,传动级数n= 4的小功率传动,试 按等效转动惯量

10、最小原则分配传动比。 解 验算I= i 1 i 2 i 3 i 480。 9887. 6) 2 80 (2 1438. 3) 2 80 (2 1085. 2) 2 80 (2 7268. 1802 15 8 2 4 15 4 2/4 3 22 )12(2 2/4 2 12 1 )12(2 142 1 4 4 4 4 i i i i 2.质量最小原则 1）小功率传动装置 由 , 得 对于多级传动, 222222 2 31211 1 2 1 2 44444 dddddi Vbbbbbi i 2 1 ii 12 n n iiii 0 1 di dV 回曲式齿轮传动链 对于小功率传动系统，假定各主动小

11、齿轮模数齿数均相等的 特殊条件下,各大齿轮的分度圆直径均相等,因而每级齿轮副的 中心距也相等。按质量最小原则来确定传动比时,通常选择相 等的各级传动比。 2)大功率传动装置 对于大功率传动装置的传动级数确定,主要考虑结 构的紧凑性。在给定总传动比的情况下,传动级数 过少会使大齿轮尺寸过大,导致传动装置体积和质 量增大； 传动级数过多会增加轴、轴承等辅助构 件,导致传动装置质量增加。设计时应综合考虑系 统的功能要求和环境因素,通常情况下传动级数要 尽量地少。各级传动比一般以先大后小的原则。 3.输出轴转角误差最小原则 在减速齿轮传动链中，从输入端到输出端的各级传动 比按“先小后大”的原则排列，则

12、总转角误差较小。 3 i2 4 12 i15i36 i4 7 8 输出 四级减速齿轮传动链 该传动链输出轴的总转动角误差max为 由上可以看出,如果从输入端到输出端的各级传 动比按“前小后大”原则排列,则总转角误差较 小, 而且低速级的误差在总误差中占的比重很 大。因此,要提高传动精度,就应减少传动级数, 并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可 能高。 231 max 1 2 3 42 3 4 4567 8 3 44 ii i ii i i i ii 已知已知 某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误 差差0.005弧度，各级传动比弧度，各级传动比i=4, 求：

13、求：1）传动系统的最大转角误差。）传动系统的最大转角误差。 2）为缩小应采取的措施是什么？）为缩小应采取的措施是什么？ 三种原则的选择 在设计齿轮传动装置时,上述三条原则应根据具 体工作条件综合考虑。 1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按 输出轴转角误差最小原则设计。若为增速传动, 则应在开始几级就增速。 2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好 的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和 输出轴转角误差最小原则设计。 3）对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质 量最小原则设计。 （1）轴向垫片调整法 轴向垫片间隙调整轴向垫片间隙调整 1,2-齿轮；齿轮；3-垫片垫片 齿轮传动间隙的

14、调整方法 (2)偏心轴套调整法 偏心轴套式调整偏心轴套式调整 1-电动机；电动机；2-偏心轴套偏心轴套 1-短柱；2-弹簧；3、4-薄片齿轮 1、2-齿轮；3-凸耳；4-弹簧； 5、6-螺母；7-螺钉 （3）双片薄齿轮错齿调整法 谐波齿轮传动 特点 结构简单、体积小、重量轻； 传动比范围大； 同时啮合的齿数多、运动精度高、承载能力大； 运动平稳、噪声低； 齿侧间隙小,回程误差小； 工作原理 构件1刚轮， 构件2柔轮， 3（H）谐波发生器 谐波齿轮减速器 谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮l、 具有外齿的柔轮具有外齿的柔轮2和波发生器和波

15、发生器3。通常波发生器为主动。通常波发生器为主动 件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。 当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大 于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆 的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区； 同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其 余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，余各处，则视柔轮回转方向的不

16、同，或处于啮合状态， 或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长 短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处 也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相 对位移，从而传递运动。对位移，从而传递运动。 谐波齿轮传动的传动比计算谐波齿轮传动的传动比计算 式中：式中： 、 、 分别为刚轮、柔轮和波形发生分别为刚轮、柔轮和波形发生 器的角速度；器的角速度； 、 分别为刚轮和柔轮的齿数。分别为刚轮和柔轮的齿数。 (1) 当柔轮固定时，当柔轮固定时， ，则，

17、则 r g Hg HrH rg z z i g r H g z r z 0 r r g Hg HH rg z z i 0 g rg g r H g z zz z z 1 rg g g H Hg zz z i (2) 当刚轮固定时，当刚轮固定时， ，则，则 设设 、 当柔轮固定时，当柔轮固定时， 当刚轮固定时当刚轮固定时 0 g r g H HrH rg z z i 0 r gr r g H r z zz z z 1 gr r r H Hr zz z i 200 r z202 g z 101 Hg i 100 Hr i 滚动螺旋传动 螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。它 利用螺杆与螺

18、母的相对运动， 将旋转运动变为直线运 动, 或将直线运动变为旋转运动,其运动关系为 L螺杆（或螺母）的位移； Ph导程； 螺杆和螺母间的相对转角。 2 h P L 滚珠丝杠螺母副机构 1.滚珠丝杠副的工作原理 滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽 的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，如图所示。 图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋 槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转 时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上 为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两 端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。

19、滚珠丝杠螺母构成原理滚珠丝杠螺母构成原理 2.滚珠丝杠副的特点 1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率0.920.96，比 常规的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺 母副的1/41/3。 2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空 行程死区，定位精度高，刚度好。 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运 动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 5）磨损小，使用寿命长。 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙 度也要求高，故制造成本高。 7）不

20、能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当 传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。 3.滚珠丝杠副的基本传动形式滚珠丝杠副的基本传动形式 a）螺母固定、丝杠转动并移动。）螺母固定、丝杠转动并移动。 螺母本身起支撑作用，消除了附加轴向窜动，结构简单，传动 精度高。但刚性差，适用于行程较小场合。 b）丝杠转动、螺母移动。）丝杠转动、螺母移动。 需加导向装置限制螺母的转动，结构紧凑，刚性好，适用于行 程较大场合。 c）螺母转动、丝杠移动。）螺母转动、丝杠移动。 需要限制螺母移动和丝杠转动，结构复杂，轴向占用空间较 大，应用较少。 d）丝杠固定、螺母转动并移动。）丝杠固定、螺

21、母转动并移动。 结构简单，紧凑，但使用不方便，应用较少 滚珠丝杠副的基本传动形式滚珠丝杠副的基本传动形式 差动螺旋传动 差动螺旋传动原理 设螺杆3左、右两段螺纹的旋向相同,且导程分别为Ph1 和Ph2 。当螺杆转动角时,可动螺母2的移动距离为 如果Ph1 与Ph2相差很小,则 L很小。因此差动螺旋常用 于各种微动装置中。 若螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反,则当螺杆转动角 时,可动螺母2的移动距离为 此时差动螺旋变成快速移动螺旋,即螺母2相对螺母1快 速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹 具或锁紧装置中。 )( 2 21hh PPL 12 () 2 hh LPP 滚珠循环方式 按滚珠在

22、整个循环过程中与螺杆表面的接触情况, 可将滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。 （1） 内循环 滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环 叫内循环。 （2） 外循环 滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为 外循环。按结构的不同,外循环可分为螺旋槽式、插管 式和端盖式三种。 螺旋槽式外循环 插管式外循环 端盖式外循环 v滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装 丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件 的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精 度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。度都有很大影响，需在设计、安装时

23、认真考虑。 为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主 的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推 力轴承。以下列出了四种典型支承方式及其特点。力轴承。以下列出了四种典型支承方式及其特点。 1轴向刚度较高；轴向刚度较高； 2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案 2低；低； 3适宜中速、精度高，并可用双推适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。单推组合。 v双推双推双推双推 1轴向刚度最高；轴向刚度最高； 2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高预拉伸安装时，须加载

24、荷较小，轴承寿命较高 3适宜高速、高刚度、高精度。适宜高速、高刚度、高精度。 v双推双推简支简支 v双推双推自由自由 1轴向刚度低，与螺母位置有关；轴向刚度低，与螺母位置有关； 2双推端可预拉伸安装；双推端可预拉伸安装； 3适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短 丝杠。丝杠。 消除轴向间隙的调整预紧方法 双螺母预紧 1）垫片调隙式 2）螺纹调隙式 3）齿差调隙式 当两个螺母按同方向转过一个齿时,其相对轴向位移为 Ph为导程。如果z1=99,z2=100,Ph=8mm,则L=0.8 m。 这种方法的特点是调整精度很高,工作可靠, 但结构复 杂,加工工艺和装配

25、性能较差。 2121 12 21 )( ) 11 ( zz P P zz zz P zz L h hh 一般的设计步骤及方法如下：一般的设计步骤及方法如下： 1.丝杠副的计算载荷丝杠副的计算载荷Fc(N) KF 载荷系数，按表选取；载荷系数，按表选取； KH 硬度系数，按表选取；硬度系数，按表选取； KA 精度系数，按表选取；精度系数，按表选取； Fm 平均工作载荷（平均工作载荷（N）。）。 CFHAm FK K K F 载载 荷荷 性性 质质 无冲击平稳运无冲击平稳运 转转 一般运转一般运转 有冲击和振动有冲击和振动 运转运转 KF11.21.21.51.52.5 滚道实际硬度滚道实际硬度

26、HRC 5855504540 KH1.01.111.562.43.85 精度系数精度系数C、DE、FGH KA1.01.11.251.43 2.计算额定动载荷计算额定动载荷 nm 丝杠副的平均转速；丝杠副的平均转速； Lh 运转寿命；运转寿命； FC 计算载荷；计算载荷； 3.根据在滚珠丝杠系列中选择所需要的规格，使根据在滚珠丝杠系列中选择所需要的规格，使 所选规格的丝杠副的额定动载荷大于计算额定所选规格的丝杠副的额定动载荷大于计算额定 动载荷动载荷 4 1.67 10 mh aC n L CF aa CC 4.对于低速运转对于低速运转(n10 r/min)的滚珠丝杠，无需计算其最的滚珠丝杠，

27、无需计算其最 大动载荷，只需考虑最大静负载是否充分大于工作负大动载荷，只需考虑最大静负载是否充分大于工作负 载。这是因为，若最大接触应力超过材料的弹性极限载。这是因为，若最大接触应力超过材料的弹性极限 就要产生塑性变形，塑性变形超过一定限度就会破坏就要产生塑性变形，塑性变形超过一定限度就会破坏 滚珠丝杠副的正常工作滚珠丝杠副的正常工作。 5. 验算传动效率、刚度及工作稳定性，如不满足要求则验算传动效率、刚度及工作稳定性，如不满足要求则 应另选其它型号并重新验算。应另选其它型号并重新验算。 机械导向机构机械导向机构 导轨副的基本要求：导轨副的基本要求： 导向精度导向精度 导向精度主要是指动导轨沿

28、支承导轨运动的直线度或导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或 圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、 刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、 油膜刚度等。油膜刚度等。 耐磨性耐磨性 是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。 因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并 在磨损后能自动补偿或便于调整。在磨损后能自动补

29、偿或便于调整。 疲劳和压溃疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产导轨面由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产 生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表 面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃 是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载 荷和受载的均匀性。荷和受载的均匀性。 刚度刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之

30、间 的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻 或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助 导轨的方法提高刚度。导轨的方法提高刚度。 低速运动平稳性低速运动平稳性 低速运动时，作为运动部件的动导轨易低速运动时，作为运动部件的动导轨易 产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润 滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。 结构工艺性结构工艺性 设计导轨时，要注意制造、调整和维修的方设计导轨时，要

31、注意制造、调整和维修的方 便，力求结构简单，工艺性及经济性好。便，力求结构简单，工艺性及经济性好。 导轨副的种类导轨副的种类 1)按导轨副运动导轨的轨迹分类按导轨副运动导轨的轨迹分类 直线运动导轨副直线运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五支承导轨约束了运动导轨的五 个自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。个自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。 旋转运动导轨副旋转运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五支承导轨约束了运动导轨的五 个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。 2)按导轨副导轨面间的摩擦性质分类按导轨副导轨面间的摩擦性质分类 滑动摩擦导轨副；滑动摩擦导轨副； 滚动摩擦导轨副；滚动摩擦导轨副； 流