陈前红机电一体化系统中第三章机械设计解析

1、第第3章章 机电一体化系统中的机械设计机电一体化系统中的机械设计n3.1 概述概述n3.2 传动传动部件设计部件设计n3.3 支撑部件支撑部件设计设计n3.4 精密机械的精度设计和误差分配精密机械的精度设计和误差分配机电一体化系统中的机械系统机电一体化系统中的机械系统 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成的，而机电一体化中的机械系统是由计液压和机械控制等部分组成的，而机电一体化中的机械系统是由计算机协调控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任算机协调控制的，用于完成包括机械力、运动

2、和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统组成的。务的机械和（或）机电部件相互联系的系统组成的。n在构成机电一体化系统的要素中，机械部分是主体，而且系统的主功能必在构成机电一体化系统的要素中，机械部分是主体，而且系统的主功能必须由机械装置来完成，并且是在控制系统的协调控制下完成主功能的。须由机械装置来完成，并且是在控制系统的协调控制下完成主功能的。3.1 概述概述 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出以下要求：通常对机电一体化系统提出以下要求：(1)(1)高精度高精度 精度精度直接影响产品的质量直接影响产品的质量，尤

3、其是机电，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功一体化产品，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此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。(2)(2)高刚度高刚度 采用高刚性支撑或架体，以减小产品本体的振动，降低噪采用高刚性支撑或架体，以减小产品本体的振动，降低噪声；为高精度的执行

4、机构提供良好的支撑，保证执行精度。声；为高精度的执行机构提供良好的支撑，保证执行精度。(3) (3) 低摩擦低摩擦 导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件，以降低机械导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件，以降低机械系统阻力，提高系统的快速响应性。系统阻力，提高系统的快速响应性。 (4) (4) 良好的稳定性良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能受外界环境的影响小，抗干即要求机械系统的工作性能受外界环境的影响小，抗干扰能力强。扰能力强。此外要求：惯量小（提高机构响应速度和灵敏度）、摩擦小此外要求：惯量小（提高机构响应速度和灵敏度）、摩擦小(提高机构的提高机构的灵敏度灵敏度)、抗振性好、抗振性好(提

5、高机构的稳定性提高机构的稳定性)、间隙小、间隙小(保证机构的传动精保证机构的传动精度度)，适当阻尼等。，适当阻尼等。机械部分的组成机械部分的组成n电一体化机械系统功能上可以分为传动、导向和执行三大机电一体化机械系统功能上可以分为传动、导向和执行三大机构。构。n 传动机构传动机构 机电一体化机械系统传动机构的主要功能是传递动力和运动。因机电一体化机械系统传动机构的主要功能是传递动力和运动。因此，它实际上是一种力、速度、加速度等的变换器。此，它实际上是一种力、速度、加速度等的变换器。支撑与导向机构支撑与导向机构 其作用是为机械系统中其作用是为机械系统中各运动装置安全、准确地完各运动装置安全、准确地

6、完成其特定方向的运动提供支成其特定方向的运动提供支撑和导向。撑和导向。机械部分的组成机械部分的组成机械部分的组成机械部分的组成 执行机构执行机构 根据操作指令的要求，在动根据操作指令的要求，在动力源的驱动下，完成预定的操作。力源的驱动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等。精确度、重复性和可靠性等。实际上机械系统的组成包括：减速装置、实际上机械系统的组成包括：减速装置、丝杆螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传丝杆螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转

7、支承性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及机架或箱体等。部件、轴系及机架或箱体等。3.2 机械传动部件设计机械传动部件设计（棉绳索、麻绳索、涤纶绳索、钢丝绳索）（棉绳索、麻绳索、涤纶绳索、钢丝绳索）机机械械传传动动带传动带传动绳传动绳传动（定传动比和变传动比摩擦轮、（定传动比和变传动比摩擦轮、 定传动比摩擦轮又分圆柱平、定传动比摩擦轮又分圆柱平、 圆柱槽和圆锥摩擦轮）圆柱槽和圆锥摩擦轮）摩擦轮传动摩擦轮传动齿轮传动齿轮传动 （短节距滚子链、双节距滚子链、（短节距滚子链、双节距滚子链、链传动链传动 套筒链、重载传动用弯板滚子链、套筒链、重载传动用弯板滚子链、 齿形链、销合链、无级变速链）

8、齿形链、销合链、无级变速链）螺旋传动螺旋传动 （滑动螺旋传动、滚动螺旋传动）（滑动螺旋传动、滚动螺旋传动）谐波传动谐波传动 （波发生器（波发生器+ +柔轮柔轮+ +刚轮）刚轮）多点啮合柔性传动多点啮合柔性传动摩摩擦擦传传动动啮啮合合传传动动（直齿（直齿、斜齿斜齿、人字齿人字齿、曲线齿）曲线齿）（V V带传动、平带传动、同步带传动、多楔带传动）带传动、平带传动、同步带传动、多楔带传动）3.2 机械传动部件设计机械传动部件设计n一、一、齿轮传动齿轮传动n二、二、滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动n三、三、同步带传动同步带传动n四、四、谐波齿轮传动谐波齿轮传动3.2.1、齿轮传动、齿轮传动由于齿轮传动的瞬时传

9、动比为常由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高等结构紧凑，摩擦力小和效率高等原因，齿轮传动副成为在机电一原因，齿轮传动副成为在机电一体化机械系统中使用最多的传动体化机械系统中使用最多的传动机构。机构。两个最基本要求：两个最基本要求：1、齿轮传动比齿轮传动比 i 应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求。转速的匹配要求。传动比：传动比：2、当齿轮传动系统传递转矩时，要求要有足够的刚度，其当齿轮传动系统传递转矩时，要求要有

10、足够的刚度，其转动惯量尽量小，精度要求较高。转动惯量尽量小，精度要求较高。主从从主zznni齿轮传动设计应满足的基本要求齿轮传动设计应满足的基本要求3.2.1、齿轮传动设计、齿轮传动设计机电一体化系统的齿轮传动设计主要包机电一体化系统的齿轮传动设计主要包括括传动比及其分配传动比及其分配两部分。两部分。1. 齿轮传动系统的总传动比齿轮传动系统的总传动比（所有主动轮积）所有从动轮积）zznnik(13.2.1、齿轮传动设计、齿轮传动设计1.总传动比的确定总传动比的确定 在伺服系统中，通常采用在伺服系统中，通常采用负载角加速度负载角加速度最大最大原则选择总传动比，以提高伺服系统原则选择总传动比，以提

11、高伺服系统的响应速度。的响应速度。 不计摩擦有：JJmLi 电机转子转动惯量负载转动惯量:mLJJ转动惯量：转动惯量：转动惯量是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。它与刚体转动惯量是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。它与刚体的形状、质量分布以及转轴的位置有关。表达示：的形状、质量分布以及转轴的位置有关。表达示：2mrJ 2传动链的级数和各级传动比的分配传动链的级数和各级传动比的分配 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术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：要求，选择传动方案：若若i小：可单级传动。小：可单级传动。若若i大：需要多级传动。大：需要多级传动。 多

12、级传动，则需确定传动级数，并在各级多级传动，则需确定传动级数，并在各级之间分配传动比。使驱动部件和负载之间的转之间分配传动比。使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。矩、转速达到合理匹配。分配原因：分配原因：n 2传动链的级数和各级传动比的分配传动链的级数和各级传动比的分配n传动比的三种分配方法：传动比的三种分配方法： (1) 等效转动惯量最小原则等效转动惯量最小原则 (2) 质量最小原则质量最小原则 (3) 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则n(1) 等效转动惯量最小原则等效转动惯量最小原则n 小功率传动装置小功率传动装置n 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电利用该原则

13、所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。机轴上的等效转动惯量为最小。2221421321iiJiJJJJe电动机驱动的两级齿轮系电动机驱动的两级齿轮系 413132dgBJJ42232dgBJ44432dgBJ4141212iddJJ41424344141434)/(iiiddddJJJJ 4112iJJ4114214)/( iiJiJJ)11 (41221211iiiiJJe01iJe21412iin对于n级齿轮系作同类分析可得：n 1211221212nnniin1222122nknkii（K=2n） 确定小功率传动级数的曲线确定小功率传动级数的曲线 为减小齿轮为减小齿轮

14、系的转动惯系的转动惯量，过多增量，过多增加传动级数加传动级数n是没有意义是没有意义的，反而会的，反而会增大传动误增大传动误差，并使结差，并使结构复杂化。构复杂化。 n大功率传动装置大功率传动装置 大功率传动装置传递扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、大功率传动装置传递扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加。直径等参数逐级增加。 n 传动比分配的基本原则仍为传动比分配的基本原则仍为“前小后大前小后大”。 根据下面两图根据下面两图确定传动级数及各级传动比。确定传动级数及各级传动比。用于大功用于大功率传动确率传动确定传动级定传动级数的曲线数的曲线 1005010256100010010n=5

15、n=4n=3n=2n=1Je/J1ii1in=5n=4n=3n=2n=11000100101086420ikBA246886421ik-110123468 1010864321用于大功率传动用于大功率传动确定确定第一级第一级传动传动比的曲线比的曲线 用于大功率传动用于大功率传动确定确定第一级齿轮第一级齿轮副以后各级副以后各级传动传动比的曲线比的曲线 例题例题3-2n设有设有i=256 的大功率传动装置，试按等效转动惯的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。量最小原则分配传动比。 解：查图3-4，得n= 3，70/1JJen= 4， 35/1JJen= 5， 26/1JJe（确定传

16、动级数）（确定传动级数）查图3-5，得 1i =3.3。 查图3-6，2i=3.7； 3i=4.24； 4i=4.95。 （确定各级传动比）（确定各级传动比）验算： 4321iii ii =256.26。可用可用 小结n无论传递的功率大小如何，按无论传递的功率大小如何，按等效转动等效转动惯量最小惯量最小原则分配，从高速级到低速级，原则分配，从高速级到低速级，各级各级传动比总是逐级增加的传动比总是逐级增加的，而且级数，而且级数越多，总等效惯量越小。但级数增加到越多，总等效惯量越小。但级数增加到一定数量后，总等效惯量的减少并不明一定数量后，总等效惯量的减少并不明显，而从结构紧凑、传动精度和经济性显

17、，而从结构紧凑、传动精度和经济性等方面考虑，等方面考虑，级数不能太多级数不能太多。 n(2) 质量最小原则质量最小原则n小功率传动装置小功率传动装置n 各齿轮的质量之和为各齿轮的质量之和为 242322212222DDDDbW假设D1=D3，而 21iii 212212124iiiDbW令 0/iW得 2211iii同理，对于n级传动，可得如下结果： niiii321大功率传动装置大功率传动装置n以例以例3-3、例、例3-4 介绍介绍 各级传动比的分配各级传动比的分配例3-3、例3-4 大功率装置各级传动比的分配n=3,i3n=3,i2n=3,i1n=3,i3n=3,i2n=3,i123576

18、8910203010020030050010001005040302010iikn=2,i2n=2,i1n=2,i2n=2,i1iik213457102030 40 50701001075432110二级传动比分配线图二级传动比分配线图 三级传动比分配线图三级传动比分配线图 （i10时，查图中的虚线）时，查图中的虚线） （i1001500.901502000.732002500.60cf二、导轨二、导轨每根导轨上的滑块数每根导轨上的滑块数11.0020.8130.7240.6650.61cf二、导轨二、导轨af精度精度系数系数CDEFGH1.01.00.90.90.80.7二、导轨二、导轨wf

19、工作条件工作条件无外部冲击或振动的低速运动场无外部冲击或振动的低速运动场合，速度小于合，速度小于15m/min11.5无明显冲击或振动的中速运动场无明显冲击或振动的中速运动场合，速度小于合，速度小于60m/min1.52有外部冲击或振动的高速运动场有外部冲击或振动的高速运动场合，速度大于合，速度大于60m/min23.5wfn（一）支承件设计的基本要求（一）支承件设计的基本要求n1应具有足够的刚度和抗振性应具有足够的刚度和抗振性n 刚度是抵抗载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变刚度是抵抗载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称为形的能力称为静刚度静刚度；抵抗交变载荷变形的能力；抵抗交变载荷变形的能力

20、称为称为动刚度动刚度。n 机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构刚度和接触刚度。动刚度与静刚度、材料阻尼及刚度和接触刚度。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振动频率有关。固有振动频率有关。三、支承件（床身）三、支承件（床身）n 2应具有较小的热变形和热应力应具有较小的热变形和热应力n 设备在工作时由于传动系统中的齿轮、轴承，设备在工作时由于传动系统中的齿轮、轴承，以及导轨等因摩擦而发热，电动机、强光灯、加以及导轨等因摩擦而发热，电动机、强光灯、加热器等热源散发出的热量，都将传到支承件上，热器等热源散发出的热量，都将传到支承件上，由于热量分布、散发的不均匀，支承

21、件各处温度由于热量分布、散发的不均匀，支承件各处温度不同，由此产生热变形、影响系统原有精度。对不同，由此产生热变形、影响系统原有精度。对于数控机床及其它精密机床，热变形对机床的加于数控机床及其它精密机床，热变形对机床的加工精度有极其重要的影响。在设计这类设备时，工精度有极其重要的影响。在设计这类设备时，应予以足够的重视。应予以足够的重视。三、支承件三、支承件n3耐磨性耐磨性n 为了使设备能持久地保持其精度，支承件上的为了使设备能持久地保持其精度，支承件上的导轨应具有良好的耐磨性。因此对导轨的材料、导轨应具有良好的耐磨性。因此对导轨的材料、结构和形状，热处理及保护和润滑等应作周密的结构和形状，热

22、处理及保护和润滑等应作周密的考虑。考虑。n 4结构工艺性及其它要求结构工艺性及其它要求n 设计支承件时，还应考虑毛坯制造、机械加工设计支承件时，还应考虑毛坯制造、机械加工和装配的结构工艺性。正确地进行结构设计和必和装配的结构工艺性。正确地进行结构设计和必要的计算以保证用最少的材料达到最佳的性能指要的计算以保证用最少的材料达到最佳的性能指标，并达到缩短生产周期，降低造价，操作方便，标，并达到缩短生产周期，降低造价，操作方便，搬运装吊安全等要求。搬运装吊安全等要求。三、支承件三、支承件n（二）支承件的材料选择（二）支承件的材料选择n 支承件的材料，除应满足上述要求外，还应保支承件的材料，除应满足上

23、述要求外，还应保证足够的强度、冲击韧性和耐磨性等。目前常用证足够的强度、冲击韧性和耐磨性等。目前常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然和人造花岗岩、的材料有铸铁、钢板和型钢、天然和人造花岗岩、预应力钢筋混凝土等。预应力钢筋混凝土等。n 1铸铁铸铁n 铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在于铸铁铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在于铸铁中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性比钢高比钢高3倍。但生产铸铁支承件需要制作木模、倍。但生产铸铁支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期长，成本高，故适宜于成批生芯盒等，制造周期长，成本高，故适宜于成批生产。产。 三、支承件三、

24、支承件n 2钢板与型钢钢板与型钢n 用钢板与型钢焊接成支承件，生产周期比铸用钢板与型钢焊接成支承件，生产周期比铸造快造快1.73.5倍，钢的弹性模量约为铸铁的倍，钢的弹性模量约为铸铁的2倍，承受同样载荷，壁厚可做得比铸件薄，重倍，承受同样载荷，壁厚可做得比铸件薄，重量也轻。但是，钢的阻尼比只为铸铁的约量也轻。但是，钢的阻尼比只为铸铁的约1/3，抗振性差，结构和焊缝上要采取抗振指施。抗振性差，结构和焊缝上要采取抗振指施。三、支承件三、支承件n3天然和人造花岗岩天然和人造花岗岩n 天然花岗岩的优点很多：性能稳定，精度保持天然花岗岩的优点很多：性能稳定，精度保持性好。由于经历长期的自然时效，残余应力

25、极小，性好。由于经历长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定；抗振性好，阻尼比钢大内部组织稳定；抗振性好，阻尼比钢大15倍；耐倍；耐磨性比铸铁高磨性比铸铁高510倍；导热系数和线膨胀系数倍；导热系数和线膨胀系数小，热稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；小，热稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等。用作气浮导轨的基测量机和印刷板数控钻床等。用作气浮导轨的基底很理想。底很理想。主要缺点是：主要缺点是：结晶颗粒粗于钢铁的晶结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性较大，油和水等液体易粒，抗冲击性能差，脆性较大，油和水等液体易渗入晶界中，使岩石局部变形胀大，难于制作形渗入晶界中，使岩石局部变形胀大，难于制作形状复杂的零件。状复杂的零件。三、支承件三、支承件n 4预应力钢筋混凝土预应力钢筋混凝