机电系统设计_02

1、1第二章 机械系统的部件选择与设计21概述 一、机电一体化中机械系统的特点及要求 n机电一体化系统的机械系统特点： 有较高的定位精度 有好的动态响应特性响应快、稳定性好n要求：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等2 措施：n（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，滚珠副、（静）压导向支承等。n（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如预紧、滚动导轨副；大扭矩宽调速电机n（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率，减少等效转动惯量，提高加速能力n（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施。n（5）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声

2、。复合材料等目标：系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。3n 一、机械传动部件及其功能要求n 机械传动部件螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动，非线性传动部件等。n 主要功能传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。n 目的使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。n 要求传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大。4n 精密化某种特定的机电一体化产品来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求n高速化机械传动机构应能适应高速运动的要求。n小型化、轻量化提高运动灵敏度（响应性）、减小冲击、降低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件

3、短小轻薄化。5n 1折合问题n提法：将不同的转速折算到同一转速，折算到某一根轴上。n脚标：m电机L负载e等效 （折算） 6注意折合的方向 （既向被动轴转换，也可向主动轴转换 ）（1）传动比（广义） 主动转速/被动转速 LmLmmLLmvnvvizznni7n（2）驱动力(矩)的折合 原则：功（虚功）不变 jjeNeTT)/1 (iTiTTejje)/1 (iivvejej8n（3）转动惯量（质量）的折合 原则：能量（动能）不变NjjjMiiiJvmE12122121221eeeJENjeijMieiieJvmJ1212)()(9n根据运动关系计算得到n或n（4）效率问题 由主动端向被动端折合除

4、以效率 由被动端向主动端折合乘以效率iTTiJJimememe2/iTTiJJiLeLeLe/210n（5）疲劳强度载荷或寿命折合n 基准：疲劳曲线00NPConstNPmm000PkPNNPNm11n其他还有n如：刚度折合基本频率不变n 弹簧串并联计算n 阻尼折合n n相似理论与相似设计12n 二、丝杆螺母机构基本传动形式 (机构调查) （l）螺母固定、丝杆转动并移动 （2）丝杆转动、螺母移动 （3）螺母转动、丝杆移动 （4）丝杆固定、螺母转动并移动13n 差动方式n移动距离s=n（l0ll02）应用于微调机构中（如自行车轴承间隙调整）。14n 三、滚珠丝杠传动部件n 1滚珠丝杠副的组成及特

5、点组成：丝杆、螺母、滚珠，反向器（滚珠循环反向装置）。结构特点： 具有螺旋糟的 丝杆与螺母之 间装有中间传 动元件 滚珠。15n特点：n 轴向刚度高（即通过适当预紧可消除丝杠n 螺母之间的轴向间隙）n 运动平稳n 传动精度高n 不易磨损n 使用寿命长n 不能自锁。16n 2滚珠丝杠副的典型结构类型（1）螺纹滚造型面（法向）的形状及主要尺寸 接触角：=45 单圆弧滚道：R/rb=1.04及R/rb=1.11 双单圆弧滚道，效果好，成本高。17n （2）滚珠的循环方式n 内循环多个单圈n 外循环多圈n内循环结构n 浮动式反向器18n 外循环结构形式：n 螺旋槽式n 插管式n 端盖式19n 3滚珠丝

6、杠副的主要尺寸参数n 公称直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。n 基本导程l0（或螺距t）：丝杆相对于螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。20n 4滚珠丝杠副的精度等级及标注方法n （1）精度等级 JB3162.291分为1,2,3,4,5,7,10共七个等级，1级最高，10级最低n （2）标注方法 不同生产厂家其标注方法略有不同，如：21（3）尺寸系列，国际标准化组织中规定： （ISODIS340821991）n公称直径：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200mm。n基本导程：1，2，2.5，3，

7、4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40mm。 尽可能优先选用 2.5，5，10，20及40mm。 n优先数系列 R5，R10，R20 ，R40四组 R5 101/5=1.584893 R10 101/10=1.25892522n优先数系23n 5滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧n 预紧的作用：消除因轴向间隙引起的空回（轴向间隙影响传动精度和系统的动态性能）n方法很多，如：n （1）双螺母螺纹预紧调整式n （2）双螺母齿差预紧调整式n （3）双螺母垫片调整预紧式n （4）弹簧式自动调整预紧式n （5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式24n（1）双螺母螺纹预紧调整式n采用

8、两副滚动螺旋产生轴向力的方法n如下图调整3和4之间的距离，产生附加轴向力25n （2）双螺母齿差预紧调整式n两对内外啮合齿轮有齿数相差很小，如分别为100，101，同向移动一个齿时，相对移动距离为 1/100-1/101=1/1010026n（3）双螺母垫片调整预紧式27n（4）弹簧式自动调整预紧式28n （5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式 （结构简单，加工、调整不方便）29 6滚珠丝杠副支承方式的选择（1）支承方式n 单推-单推式 双推-双推式n 双推-简支式 双推-自由式30 （2）轴承组合支承安装示例（3）制动装置 防止重力造 成自行运动（垂直使用时）31n 7.滚珠丝杠

9、副的密封与润滑32n 8滚珠丝杠副的选择计算n 承载能力选择。计算作用于丝杠轴向最大动载荷Q。式中 L滚珠丝杠寿命系数（单位为 1X106转，如 l.5则为150万转），L=60nT/106（其中T为使用寿命时间(h)，（普通机械为500010000、数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000、航空机械为1000）； fw载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2，中等冲击时为1.21.5，较大冲击或振动时为1.52.5）； fH硬度系数（HRC58时为 1.0，等于 55时为 1.11， 52.5时为 l.35，50时为1.56，45时为2.40）。)(max3NPffLQWH33n

10、压杆稳定性核算： 式中 Pk实际承受载荷的能力； fk压杆稳定的支承系数 （双推-双推时为4，单推-单推时为1， 双推-简支时为2，双推-自由式时为0.25）； E钢的弹性模量 2.1X105（MPa）； I丝杠小径d1的截面惯性矩（I=d4/32）； K压杆稳定安全系数 一般取为2.54，垂直安装时取小值。)()/(max22NPKlEIfPskk34n 最大静载荷验算n Q0Pmaxn低速运转(n10r/min）的滚珠丝杠 。n Q0最大静载荷（其塑性变形量不超过滚珠直径db的110000）35n 刚度的验算：在工作负载P和扭矩M共同作用下，所引起的每一导程的变形量为：式中 E钢的弹性模量

11、为 2.1X105（MPa）； S丝杠的最小截面积（cm2）； M扭矩（Ncm）; I丝杠的小径d1的截面惯性矩； “”号用于拉伸时，“”号用于压缩时。n 在丝杠副精度标准中一般规定每一米弹性变形所允许的基本导程误差值。)(2200cmIEMlESPlL36n 四、齿轮传动部件n1齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择n传动形式：定轴传动，行星传动37n负载加速度最大的原则：n （公式推导）n无负载时TL=0 MLJJi/mLmLmLmmmmmLmLmJJTTTTTJTJJTJTJi2222)(244238n 2各级传动比的最佳分配原则（控制机械）n（1）重量最轻原则（m=const，模数）n

12、ij=(i)1/n=constn（2）输出轴转角误差最小原则 n 总转角误差主要取决于最末上级齿轮的转角误差和传动比的大小niknki)(max/39n （3）等效转动惯量最小原则（注意条件）n要根据实际情况提出不同的原则：n（1）重量最轻体积小n（2）转动惯量最小运动变化大，交流伺服n（3）运动精度高总转角误差最小), 4 , 3 , 2()2(2,21222/121)12(2121)1(nkiiiinknnnnkn40n3谐波齿轮传动（1）谐波齿轮传动的工作原理组成：n波形发生器3（H）n刚轮1n柔轮2 一般Zg-Zr=2n 原理：长轴啮合，短轴分离。波形发生器转一圈，两轮相对位移为二个齿

13、距（方向）。41n （2）谐波齿轮传动的传动比 应用行星轮系求传动比的方式来计算。n设g、r和H分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度，则 rgHgHrHrgZZi42n 当柔轮固定时，r=0n设Rr=200、Zg=202时，则iHh=101。结果为正值说明刚轮与波形发生器转向相同。n 当刚轮固定时，g=0 n 设Zr=200、Zg=202，则iHr=100，负值说明柔轮与波形发生器的转向相反。rgggHHgZZZigrrrHHrZZZi43n （3）谐波齿轮减速器产品及选用44n 45n 4齿轮传动间隙的调整方法n（1）圆柱齿轮传动 偏心套（轴）调整法46 轴向垫片调整法齿面略有斜度47n 双

14、片薄齿轮错齿调整法 48n（2）斜齿轮传动49n 5行星齿轮传动（动力机械）动力机械上有独到之处，可不停车换档，例：50n 五、挠性传动部件1同步带传动 （和普通带相比，无积累误差）51n 2钢带传动n （钢带，传动控制精确，范围较小）52n 3绳轮传动 （柔性，误差较大）53n 六、间歇传动部件1棘轮传动机构 54n2槽轮传动机构 设计时注意无冲击进出 55n3蜗形凸轮传动机构 （可实现任意运动规律，凸轮理论）5623 导向交承部件的设计与选择n一、导轨副的组成、种类及其应满足的要求n1导轨副的种类57n导轨副结构58n 2导轨副应满足的基本要求（l）导向精度 几何精度 垂直直线度 水平直线

15、度 平行度 59n（2）刚度 截面尺寸、加工精度n 变形：自身变形、局部变形、接触变形n（3）精度的保持性 耐磨n（4）运动的灵活性和低速运动的平稳性 高速无振动，低速无爬行 低速爬行现象 原因： ff0，P=Q-F=ma，F=fN 方法：降低摩擦系数n（5）对温度的敏感性 温度变化时不对运动产生影响n（6）结构工艺性 加工制造方便，装拆容易60n 3导轨副的设计内容n 根据工作条件，选择合适的导轨类型；n 选择导轨的截面形状，以保证导向精度；n 选择适当的导轨结构及尺寸，刚度、耐磨、运动轻便、低速平稳。n 选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持所需要的导向精度；n 选择合理的

16、耐磨涂料、润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损；n 制订保证导轨所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。61n 二、滑动导轨副的结构及其类型选择n 1导轨副的截面形状及其特点（l）三角形导轨 V 形导轨（2）矩形导轨（3）燕尾形导轨（4）圆形导轨 无补偿62n 2导轨副的组合形式（1）双三角形导轨 精度高，能自动补偿，但实现全接触困难 63n（2）矩形和矩形组合n制造、调整方便64n（3）三角形和矩形组合n（4）三角形和平面导轨组合 65n（5）燕尾形导轨及其组合n制造、调整方便663导轨副间 隙的调整67n 4导轨副材料的选择n （1）铸铁

17、耐压、耐磨、减振。首选材料之一n （2）钢配对材料之一。一般要用热处理保证性能n （3）有色金属性能好，价格较高。铜、锡、锌等合金n （4）塑料种类繁多，发展方向n （5）导轨材料的搭配 n原则：不同材料，不同硬度，保护重要68n 5提高导轨副耐磨性的措施n（1）采用镶装导轨n（2）提高导轨的精度与改善表面粗糙度n（3）减小导轨单位面积上的压力（即比压）69n 三、静压导轨副n 用压力油支承，节流阀分配流量70n 四、滚动导轨副的类型与选择 n 1直线运动滚动导轨副的特点及要求n特点：摩擦系数小（0.0030.005），运动灵活。动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行。可以预紧

18、，刚度高。寿命长。精度高。润滑方便，可以采用脂润滑。一次装填，长期使用。 由专业厂生产，可以外购选用。因此滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。 71n对滚动导轨副的要求： （1）导向精度 （2）耐磨性 （3）刚度 （4）工艺性72n 2滚动导轨副的分类n （l）滚动体不循环的滚动导轨副结构简单，移动距离有限。n （2）滚动体循环的滚动导轨副承载能力较大，已形成定型产品。n （3）滚动轴承导轨用轴承作移动副，结构紧凑，承载能较小（汽车）。73n（l）滚动体不循环的滚动导轨副结构简单，移动距离有限。74n（2）滚动体循环的滚动导轨副承载能力较大，已形成定型产品。 757

19、6n（3）滚动轴承导轨用轴承作移动副，结构紧凑，承载能较小（汽车）。7724 旋转支承的类型与选择n一、旋转支承的种类及基本要求78n 二、圆柱支承79n摩擦：（1） f0f 静摩擦系数大于动摩擦系数（2） F=fN T=RfN（3） fv=f/sin 斜面、锥面（4） fv=f1.57f(/2) 圆柱面（5） 圆柱面端面 Rv=2(R3-r3)/(3(R2-r2) p=const（新） Rv=(R+r)/2 p=const（磨合后）（6）圆球面与平面 321)11(88. 0,163rEEQafQaT80接触问题（徐芝纶：弹性力学（第二版）上册P295） 两球接触，接触半径 半球与平面接触

20、应力为球体分布 2222121132121211,1)(4)(3EkEkRRRRkkPa321213221111188. 088044. 03 . 01433 . 0RREEPa取3212)11(88. 0REEPaR22uakq81n 三、圆锥支承n 圆锥支承的方向精度和置中精度较高，承载能力较强，但摩擦阻力矩也较大。其置中精度比圆柱支承好，轴磨损后，可借助轴向位移，自动补偿间隙。其缺点是摩擦阻力矩大，对温度变化比较敏感，制造成本较高。 82n 四、填入式滚动支承n 滚动支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载能力较大，温度剧烈变化时影响小，以及能在振动条件下工作，故可在高速度、重载情况下使用，但成

21、本较高。当标准滚珠轴承不能满足结构上的使用要求时，常采用非标准滚珠轴承（即填入式滚珠支承）。 8384n五、其它支承n1球面支承 85n2顶针支承 863刀口支承4弹性支承87n25轴系部件的设计与选择n 一、轴系设计的基本要求n （l）旋转精度n （2）刚度n （3）抗振性n （4）热变形n （5）轴上零件的布置88n 二、轴（主轴）系用轴承的类型与选择n 1标准滚动轴承n （1）向心球轴承n （2）双列向心短圆柱滚子轴承n （3）圆锥滚子轴承n （4）推力轴承n （5）几种常见机床主轴轴承配置n双列向心球面滚子轴承89n 2非标滚动轴承 非标滚动轴承是适应轴承精度要求较高，结构尺寸较小或因特殊要求而不能采用标准轴承时自行设计的。如：微型滚动轴尺寸小 密珠轴承磨损小9091n 3静压轴承n 滑动轴