机电传动模块化设计

1、机电传动模块化设计前言第一章 机电传动设计概论i) 介绍机电传动零件、部件构成与分类ii)机电传动设计步骤与校核内容1-1 机电传动（机构）一、 机电机构含义：组成零件 电 部件 减速器 传动零件 功能 驱动部分 动力源 电气 气动 2、常用零件、机器（1）驱动机器（2）驱动机器用机器 （3）转动轴轴承零件 （4）直动元件 （5）传动元件（6）检测机器：光电开关、电磁开关、接触开关、微开关、限位开关。（7）计测机器（8）控制机器（9）转换机器例：图1 构成机器人的各 机器1-2 机电传动的分类、动作、速度特性一、直线运动机构/旋转运动机构表1-1，特点表1-2，直线运动机构表1-3，转动表1-

2、4，组合例子介绍二、工作特性及速度特性1、工作特性与停止精度按运动方式分为（A）两端停止时在其初终端部通过机器的 销进行定位，可获得 停止数据（B）中间停止式：要求精度时，需要讨论速度特性，机构构造，驱动器及检测方式。 速度特性 在2点之间的运动时， 启动停止时有冲击，为了提高停止精度，必须进行减速控制，有如下减速控制方式表1-5速度特性1-3 机电传动的设计过程和校核一、机电传动的设计顺序（1）传动方式的设计顺序由机构的特性（载荷的尺寸、移动方向、距离、时间、工作特性及停止精度）选择设计合适的机械传动。（2）确定基本条件由所选定的机构的精度、载荷种类、运动方式，确定构成机构的零件、机器的种类

3、。（3）确定运动条件驱动部分-进给构件之间的联结方式、移动量、时间、速度、电机的转速、减速比、进给部分的导程、中心距、传动元件、使用寿命等。（4）确定载荷条件载荷的大小、加速时间、导轨（支持）部分的 系数及预紧，外载荷与方向，翻转力矩，构成元件 的尺寸。（5）载荷计算惯性载荷、摩擦载荷、工作载荷。（6）机器尺寸的选择及校核。检查性能的限制 图2 机电传动的设计过程二、直进* 动机构设计的校核表1.2 给出了各种设计方式。这里，我以机电机构中经常使用的丝杠进给，齿轮齿条进给，带（绳）进给方式的控制电机及进给零件（构件）为例，对中间任意位置停止机构进行讨论。（1）载荷的方向与大小的确定涉及到： 同

4、时还经常考虑机架的刚度是否足够，弯曲是否在许用的情况下，驱动机器、传动件、寻轨等的种类和型号是否合理。（2）有 *程分量（最大行程、一个工作的行程）工作时间，安装方向的确认。a)中与重载，大行程（2000mm以上）可考虑齿轮齿条，进给丝杠固定螺母方式。 仅仅考虑齿条或丝杠的长度，而电机由于安装在平台上，折算的转动惯量G基本不变，加减速性能也不变，而在齿轮齿条进给时，必须考虑间隙的影响。b)行程在小中型时（200-1000mm左右）（1）轻载时皮带（绳）进给方式比较合理，仅仅考虑带（绳）与寻轨的长度就可以，折算的转动惯量G仅仅带的部分增大。这里必须注意皮带的弹性滑动及刚性。（2）中重载，高精度时

5、选择大刚度，间隙易消除的丝杠进给方式。丝杠进给中，行程余量就需要考虑进给丝杠和导轨的长度，G仅在*部分增大，且由于弯曲增大，对应地就必须增大丝杠的外径。一般情况下，注意，由于G对加速度性能及电机尺寸有影响。（3）最大速度，速度加速度特性从加速度时间及工作条件进行讨论a) 轻载、中、高速（502000mm/s）一般采用无给油供给的皮带进给方式b)中重载 低-中速（2001000mm/s）采用进给丝杠，齿轮齿条进给，而齿轮齿条高速时会产生噪音。c)重载，低速（200mm/s以下）丝杠进给方式最好（4）停止精度在考虑可靠性、成本的基础上，选用驱动控制方式，进给方式a)驱动控制方式基本步进电机的开环控

6、制：低成本、低中速、轻载。基本伺服电机的闭环控制：高精度、高可靠性、低-高速、中-重载b)丝杠进给方式（5）分辨率注意进给精度、检测、控制装置的种类、成本、响应元件。采用编码器进行位置检测时，由于进给方式不同产生 * 。在高速分辨率时，应注意产生脉冲的频率不要超过NC响应频率（最大100-200KHZ）。三.转子运动机构设计校核（1）同直线运动相同（2）转动角度（最大转角，一个动作相交的转角），工作时间.最大转速、角速度及角加速度特性、回转半径、停止精度、空间等，回转半径愈大，G就愈大，加减速特性就恶化，因此所构成的机器尽可能接近于回转中心，控制相关的最小尺寸。（3）起动.停止运转条件的讨论（

7、4）停止精度从可靠性、成本讨论、振子控制方式分度凸轮方式速度、加速度特性好、闵性大、可用于高速。由于高精度、高可靠性，可在轻重载二范围内应用但分度数有限制分度角固定。电机的直接驱动方式任意角度停止，可并用任意加减速控制，无间隙、高精度但是由于载荷G的直接作用，载荷/电机尺寸比小，成本高。伺服电机与减速器的组合方式任意角度停止，任意加减速控制，G位减速比的二次幂，非常小，载荷/电机比大，成本低廉，但是要注意间隙造成的误差与抖动。（5）分辨角一般，采用编码器测量转角，转动半径愈大，分割精度愈粗，必须采用高分辨率型（360万p/r）的编码器。在高速转动高分辨率的要求时产生脉冲的频率数不要超过响应频率

8、（最大100-200KHz）。第二章 计算为了确定构成机电机构的驱动装置的输出型号，必须进行惯量、角加速度、摩擦力矩的讨论与计算，在此进行讨论。2.1惯性载荷一、转动惯量与G（1） 惯性惯量 I= (2-1)（2） 转动惯量与惯性力矩的计算TI=*I(kgfm) (2-2)（3） 转动惯量与角加速度的计算=TI/I(rad/) （2-3）（4） 根据G计算惯性力矩a）G与转动惯量为同一力学性质，它是在重力单位*的量。也叫振动惯量，他与转动惯量的关系为I=m*=G/g*=G/4g (2-4) m-物体的质量m=G/g g-重力加速度g=9.80665(iso) D回转直径 k-回转半径D/2(b

9、)角速度计算 由（2-2）式，= dw/dt,代入，TI = (G/4g)*dw/dt (2-6)dw/dt=4g*TI/ G (2-7)积分上式可得：w=4g*TI*t/ G+C (2-8) =4g*TI*t/ G+ (2-9)t加速时间（s）初角速度t=0时（r/s）转速t=0时，（rpm）w= (2-10)(c)惯性力矩计算由（2-9）和（2-10）TI= G*(N-)/(37.5*t) (2-11)二. 平行轴定理（steiner定理）（1） 关于转动惯量的平行轴定理 I=+m* （2-12）G=G+4w (2-13)通过物体重心的转动惯量两轴间的距离（偏心量）各种物体的G见表三. 运

10、动回转体的等效G1 、G与转动动能 由E=I*/2， E= G*(8g)= G(2N/60)/(8g)= G*/7150 （2-14）(2)两个转动件图示2.2各轴转动动能，=G*/7150，=G*/7150把轴2的G等效到轴1（G），根据能量法则G*/7150=（G）*/7150 (2-15)（G）= G*(/) (2-16)可以看出，相对于轴1的系数G，为轴2的G与轴1的转速比（/）的平方，（轴1和轴2不一定相邻）。（3）多个转动件的场合对于输入轴等价的G图，（2.3）可进一步设各轴的，.，各轴的G为G，G，.G，于是有G= G*(/)+ G*(/)+ G(/) =G*(/) (2-17)

11、四、多个转动件的系数G（1）、G与动能做直线运动图2-4的运动构件的动能为*W-物体重量（kg）V-物件的速度（m/s）另有大小为G旋转构件安装在电机轴上时，旋转构件的能量E为E= G(2n/60)/(8g) (2-19)(2)移动平台及运输带向电机轴折算G与电机回转运动做直线运动时，把（2-18）表示的能量折算城绕电机转动的能量时根据能量守恒法则，*等，于是等价 G为WV/(2g)= G(2n/60)/(8g) (2-20)于是： G=(3600/)*w*(V/N) (2-21)（3）台车，齿轮齿条进向车轴的折算GN=60V/(*D) (2-22)D(m)：车轮的直径N(rpm)：车轮的转速

12、V(m/s)：台车的行进速度把（2-21）代入（2-22）有 G=(3600/)*W*V(D/60/V)=W*D (2-23)可以看出G由台车的重量W与车轮的直径D决定然后根据可计算驱动轴的惯性力矩TI图2-5五.转矩与推力的关系1. 一般直线运动物体上作用的惯性力（1） 加速时 惯性力F=a*w/g由速度关系等进一步F=(V-)*W*/(g*t) (2-24)（2）减速时V=-(V-)*W/(t*g ) (2-25)V-t时的速度，-t=0时的速度 采用进给丝杠或齿条齿轮，使滑块平台沿直线移动时，加减速可以采用上二式。2. 推力与力矩的关系 a)直线运动物体由以上（2-14）设=0，=0关于

13、t可得t=2* G *n/(240*g*TI) (2-26)t=V*W/g*F (2-27)设加速时间相等F=1.2*V*W*TI*EI(*N* G) (2-28)EI%：转动直线运动的交换频率然后F=*N*TI*EI/(3000V) (2-29)(b)台车与齿轮齿条进给的场合F=TI*EI/(50D) (2-30)若EI=100%,TI=F*D/2 (2-31)(c)进给丝杠的场合V=L*N/60/1000 (2-32)于是F=20* TI*EI/L (2-33)推力与转矩的关系 2-2.摩擦载荷一. 由工作及平台重量产生的摩擦阻力1、滑动摩擦（1） 水平方向 =*W 静摩擦力 （2-34）

14、=*W 动摩擦力 （2-35），分别为系数斜面方向 （2） 垂直方向 图2-8翻倒力矩引起的压力Tp，Tp=W*/ (2-36)向上 (2-37)向下 （2-38） ：导轨轴中心到平台重心的距离 ：导轨轴之间的距离.2. 滚动摩擦.力矩（1） 转动件图2-9中转动件的滚动摩擦力矩M与压力W成正比比例系数f M=F*r=F*N=f*W (2-39)F=f*N/r=f*w/r (2-40)r-转动件半径N-重压力F-水平力f-滚动摩擦系数（见表）（2） 滚动轴承大家知道，滚动摩擦比滚动摩擦小1/101/50。特别地，起动摩擦小，静默查系数与动摩擦系数的差小，不产生*抖动。 （3） 直线导轨轴承直线

15、导轨轴承的摩擦力随轴承模型、载荷大小、及方向、运动速度，润滑剂的粘度变化，摩擦系数某种程度上*图2-10载荷比与摩擦系数的关系，载荷在基本额定载荷的5%10%以下，润滑阻力及球的相互摩擦，占的比重较大，*阻力较大，在10%以上，与载荷无关。2、预紧力产生的摩擦1)导轨采用直线导轨时，减少间隙，提高刚度，常常要预压紧，预压量与滚动阻力的关系，如图2-11所示，（THK实验）2）支撑转轴的轴承的预压与启动摩擦力矩。角接触球轴承，圆锥滚子轴承通常成对使用，通过预压而调整轴承的刚度。可是，增大预紧，轴承的摩擦力矩也增大。图212中，为角接触球轴承的预压载荷与启动摩擦力矩的关系。3)球面螺旋的螺母部分球

16、面螺旋，有轴向载荷作用，钢球与球沟的接触点弹性位移，而出现间隙。为了消除轴向间隙，进一步最小化相对于轴向载荷的弹性位移量，提高刚度，进行预紧。一般比较合适的预紧载荷为最大轴向载荷的1/3。进行预紧的球面螺旋，比没有预紧的球面螺旋，其位移量为1/2，即刚性为2倍。但是，过大的预紧会产生热量及降低寿命，因此预紧的最大值最好为基本额定动载荷的10%以下。预紧所产生的摩擦力矩可由下式表示=*L/(2) (2-41)L：螺旋的导程：预压力矩系数三、加工、装配精度所引起的摩擦阻力。1、直线导轨部2轴平行度的误差与左右水平误差引起的滚动摩擦阻力，如图2-13，2-14所示。四、弹力引起的动摩擦力矩（1）轴向

17、载荷计算皮带及链传递动力时，带轮和链轮作用的力矩，用下式：=974/N； （2-42）=*/2； （2-43）=*； （2-44）-传递动力N-带轮转速-带轮（链轮）的轴向载荷-带/链的摩擦系数，带：=25，链：=1.251.5；（2）动摩擦力矩计算滚动轴承的摩擦力矩理论上没有一般的计算公式，低速，轴承尺寸小时，忽略润滑剂的粘性力，机械摩擦力矩一般近似为：=* （2-45）-动摩擦系数，=0.0010.003-轴承的内径与外径差五、密封的引起的摩擦（1）直线导轨，作为直线导轨部分的防尘措施，采用密封或安装防尘罩等的专用的机壳。密封阻力大约0.20.5kg左右。因此，在直线步进电机等的推力较小的

18、驱动机器时，特别注意。（2）转动轴转动轴中，多采用O形圈、油密封、机械密封等的密封元件。有时也需要注意密封的阻力矩*与密封效果的关系。五、失稳阻力一般布/*用的电缆，管道用的管子引起的失稳阻力*也由支撑方法，及离支撑点的位置而变化，在设计时，精确的预知是比较困难的。失稳阻力大的情况下，最好是制作实际运转中的类似机构或实物模型，进行实测而设计。2-3 工作载荷（1）工作载荷有机床的切削阻力，计时凸轮驱动时的阻力等。当施加外部载荷时，由翻倒力矩引起的压力，由下式计算=*/ （2-46）-外载荷的大小-到作用点的距离-支撑轴承之间的距离图2-16（2）所需力矩、推力的计算基于以上的计算，我们来计算加

19、减速时所需要的等效力矩或等效推力。进给丝杠、齿轮齿条进给，皮带进给的对应载荷计算看第4章。基本方法如下：（1） 加减速时所需力矩(或推力)为摩擦力矩(或摩擦力)与惯性力矩的和。=+ （2-47）=+ （2-48）（2）、等速时施加外载荷时，所需要的力矩（）为摩擦力矩加上工作力矩（）。=+； （2-49）=+； （2-50）第三章 构成零件、部件介绍各种机械零件、电气、电子元器件、气动元件的特点和选择。设计机电传动时，在充分考虑工作条件、载荷条件的基础上，应该讨论采用什麽样的机械零件，电气、电子机器，气压机械。机械定义上如何才是最优的，如果这些构成零件机器的形式及尺寸的选择有误，实际上就会导致不

20、能正常实现所要的功能。根据合适的工作载荷条件和正确的设计计算，可以选定最佳的形式和型号。本章中，对机械零件，电气、电子机器的设计和选择进行说明。3-1 机械零件机械零件的设计与选择要点机械零件可以分为图3-1所示的几大类各零件分类组成机械零件连接零件小螺钉六角螺栓、螺母 防松螺栓、螺母直动力系零件进给螺杆 直线导轨球面螺旋，导线螺旋，梯形丝杠，圆轴型，轨道型，球（沟型，实心型）转动轴系零件转动轴轴系轴连接联轴器转轴，挠性轴，链，销，挡圈，（轴用，孔用），锁紧挡圈，固定轴，弹性，自由转动轴承零件滑动轴承滚动轴承润滑密封深沟球轴承，油杯，O形圈，油密封传动系统零件齿轮链带减速器齿轮，间歇齿轮，齿轮

21、齿条，锥齿轮，滚子链，无声链，齿形带，V带，平带，刚带力矩限位器凸轮离合器蜗杆，谐波减速器，环形减速器，行星减速器，滑动式，破坏式，分离式，电磁式，转动离合器，方向离合器连杆凸轮机构连杆凸轮活塞曲柄机构，双摇杆机构，涡轮，楔行凸轮，弹簧，缓冲零件弹簧缓冲器压缩，拉伸，扭转，吸振器配管系统零件管，接头，阀管，接头，配线电缆各种配件手柄，滚轮手柄，滚轮，各种夹具夹具及其他导轨，销导轨销，机壳，防尘罩一般情况下，在设计机械零件时，一般过程如下：表3-2 机械零件设计的一般步骤1工作条件的确认2载荷的确认3支撑（安装）方法的讨论与选择转轴，进给丝杠的轴安装4类型的讨论由13，选定最适合的方式5设计计算

22、刚度，传动力矩，额定载荷，工作频率，寿命，权限转速6其他的设计内容精度间隙，尺寸误差，材料，处理，润滑，密封，防尘，振动等等7最优型号的讨论从16，选择合适的型号8加工，装配，维护保证设计易加工，装配，精度易保证，还需要讨论维修，维护，配线等9最后校核常用的机械零件设计课已学过，这里我们就一些新型的机械零件的设计与选择加以选择。一、直动导轨零件1、进给丝杠 通常大多使用的是球面螺旋，导程螺旋，30度梯形螺旋，为使螺旋轴不受横向载荷和弯曲力矩，应使导轨州与螺旋轴有足够的平行度。图3.3以下对几种情况分别讨论A、球面螺旋 精度等级分为高精度C0C5级，低精度C7C10，与轴的长度和公称直径有关，见

23、图3-4。轴向间隙，分为5类：Z（间隙为0，预紧），T（间隙0.005mm以下），S（0.02mm以下），N（0.05mm以下），L（0.3mm以下）。对应精度C0C2为ZT，C3为ZS，C5为ZN，C7为SN的组合。轴向载荷为0，进一步减少对应载荷的弹性系数，提高刚度，进行预紧，预紧的方法有*预紧，机床预压等。公称直径与导程 公称直径与导程组合如下表3.3，而超大到导程的球面螺旋的公称直径为15，16，20，25，30。这时，导程为直径的2倍，用于高速进给，精度对应C3C7,C8C10,支撑方式。如图3.5，其中，B型是常用的方式，A型是用于重载，高精度，高刚度的场合。图3.5许用轴向载荷与

24、许用转速，按照支撑方式，对应于受压载荷，校核轴的许用载荷，考虑权限转速后再选择合适的型号。图3.6轴端结构如图3.6所示，考虑轴端尺寸的标准比，周期，成本，尽可能选择厂家指定的形状。这样，转动效率一般在90%以上，可以使减少电机的力矩，*如图3.8表示导轨螺旋导程角非常大，45度的进给丝杠，效率75%左右，成本低，由于导程大，适合高速进给。B、直线导轨a)、滚动导轨的分类直线导轨可分为两种，一种是滚动体，循环，可以实现无限直线运动型和无循环有限直线运动型。有限直线运动型仅限于小行程，在机电传动中，一般采用不受行程大小限制的无限直线运动型。不管是哪一种形式，按照滚动体的种类它们又可分为球形和滚子

25、形。轻载高速工作时，采用球形，而重载，高精度，高刚度采用滚子型。一般情况下，摩擦力与滑动导轨相比约小1/101/500，动摩擦系数和静摩擦系数也非常小，不产生slickslip。可以由小的推力*工作。此时，加工润滑及防尘*通常利用密封形。b)、导轨形式同轴形中，用于*动部分时，尺寸增大，为使轻量化，大多采用空心轴，其中有标准型，间隙调整形及开放型3种，图3.9标准型是价格低，适用广泛，适合于轻载，小行程。间隙调整型中，通过预紧，减少与轴的间隙，但预紧调整较难。开放形导轨固定在轨道上，可用于较高导轨轴的刚性，减少弯曲的场合，但减少了轴承*的载荷，预紧调整困难。导轨型中，可分为3种角形轨道，整体轴

26、承，预紧调整与预紧不可调整，市场上有高刚度，低价格，产品如图3.10薄形轨道，整体轴承，不可进行预紧。如照片3.1。微小型，轨道的幅为宽形。对力矩载荷有高的刚度，两轴平行的线性*切换为一轴，图3.11为摩擦固体型轴承与直线型的比较。3.11薄型轨道，分离形轴承，可进行预紧，这种形势可以调整预紧，由于高刚度，极薄的尺寸。可单轴使用，用于机构小，紧凑的场合。图2.13为其装配图选型时，考虑载荷的大小及方向，安装形式，寿命，支撑方法及刚度，是否预紧， ，摩擦系数，密封，加工周期，成本等。c)、滑动轴承滚动轴承两种，这种花键轴，不仅作为传动用，也可以用1轴停止转动，可大大节省空间，采用两个spline

27、螺母，进行预紧，可以抑制间隙量。 图3-131、同步齿形带 角速度变化的波动小，适合中、高速，有缓冲振动和冲击的作用，不需润滑，常用于传动或直线进给。正反转时，需要精确角度传动时，采用采用无间隙齿形带轮，特别是减少惯性力矩时，最好采用铝合金带轮。必须度量皮带的张力，调节机构。目前，一些新型的低速、大力矩传动型已商品化。二、减速器机电传动用的减速器，要求，间隙小，高精度，高效率，高刚度，可靠性，容易维护。1、蜗轮蜗杆减速器特点是小间隙，可取的大的减速比，但是一般间隙大，效率为50%60%，双线蜗杆中间隙可调整，效率提高70%80%。2、谐波减速器一般谐波减速器由发生器、柔性花键轴，*构成，可获得

28、高达1/3201/80的高一级减速器，重量轻，高速轴的折算G小，间隙小。Lost motion是固定高速轴（输入）的回转方向，低速轴正反转施加微小的测定力矩时，所产生的低速轴的转角位移。主体一般为65%85%，常常用于机器人的转动台的驱动或关节的驱动等，使用实例3、环形减速器少齿差（齿数差为1）的内接式行星齿轮机构与具有圆弧齿形的等速内齿轮组合的减速器，专门用于机电传动所开发的型式，减速比1/1191/59，高速的G非常小，间隙也小，lost motion 3分以下，效率达75%85%，大刚度，用于机电减速器。4、*减速器 原理与弧形减速器相近，是齿形变形，减速比1/711/11，高速轴折算的

29、G非常小，无间隙型，间隙在6分以下，效率75%85%，大刚度，作为机电减速器用。3-225、行星滚子减速器 基本上，把行星齿轮的齿轮传动改变为滚子转动。由太阳轮，行星轮，滚子组成，由于滚动运动，相对于质量的力矩传递容量比行星齿轮减速器差。可是，间隙在1分以下，非常小，振动惯量小，转动系数高，减速比1/1001/5，效率为65%90%，已实用化。3-236、无间隙的减速器 图3-24，是正反转时动力的传递路线，消除间隙的行星齿轮及非行星齿轮方式的减速器。减速比，行星方式为1/1451/5，非行星方式为1/251/5，效率是60%90%，间隙在3分以下。3-24三、力矩限位器 力矩限位器用于防止分

30、度凸轮及电机的破坏、烧毁。一般，尽可能在分度凸轮的输出轴与载荷之间。图3-25选择力矩限位器时，注意，输出力矩的大小，力矩调整与难易性，既不平稳的程度。四、连杆凸轮零件 主要介绍评分度凸轮可分为滚子齿形凸轮、平行分度凸轮、高精度、停止时无间隙、刚度大，因此，可高速分度、可靠性高，从轻载重载的各种类型都有。各种分度凸轮的特点如下：滚子齿形凸轮：分度数224，分度角69330度，用于超小型中型，分度精超小型1.5以下，而普通型+-30s以下。平行分度凸轮：分度数15左右（3.5也可），分度角270度330度。小型用，分度精度+-1分以下。3-25选择时考虑分度数，分度角，分度精度，凸轮曲线，输入轴转速，寿命与载荷等。一般讲，为了发挥分度凸轮的性能，等速转动时，选择刚度大、间隙小的传动零件。如输入*：电机与减速机之间采用V形带或计时带。减速器选择间隙可以调整的螺旋齿轮，双线蜗杆传动或间隙小的环形减速器coronet减速器。五、防振，缓冲。 高速工作时，汽缸，摆动伺服器，停止时的冲击缓冲常常采用弹簧，缓冲器，吸振器等。除吸振器外，其余会产生不能消耗所吸收的能量的反力，应特别注意。 产生振动等的机构，安装防尘*，防振台，进一步，安装耐冲击性好的*纤维强化塑料，防尘罩等。3-2 电气、电子元件一、电气电子元件及其特性电气电子元件，由于其操作性、响应性、控制性、安全性较