机电系统设计

1、第三章第三章机电系统机械设计技术机电系统机械设计技术 机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动 无侧隙齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器 导轨设计 支承装置 主轴组件设计3.1 3.1 机械传动装置概述机械传动装置概述一、传动装置功能及性能要求一、传动装置功能及性能要求 功能功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；变速； 改变运动规律或形式动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）

2、机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性好。 性能要求满足以下几个方面性能要求满足以下几个方面： 1 1、转动惯量（、转动惯量（J J）小）小 转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降，但是 J 小不应影响机械系统的刚度。2 2、刚度（、刚度（ K K ）大）大 刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。 大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的稳定性。 3 3、阻尼（、阻尼（B B ）

3、合适）合适 系统产生振动时，B 越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。 阻尼比为： mKmKB2111过阻尼系统临界阻尼系统欠阻尼系统一般取8 . 04 . 0二、传动装置的类型二、传动装置的类型 按工作原理分为按工作原理分为：啮合传动(齿轮传动、齿形带传动)摩擦传动(带传动、钢丝绳传动)推动传动(凸轮连杆机构)机械传动 液压传动气压传动液力传动流体传动 交流电力传动直流电力传动交、直流电力传动电力传动 磁力传动 一、滚珠丝杠副的工作原理及结构一、滚珠丝杠副的工作原理及结构1.滚珠丝杠副的工作原理 螺旋传动2.丝杠螺母副传动形式 五种传动方式： （1）螺母固定、丝杠转动并移动 （

4、2）丝杠转动、螺母移动 （3）螺母转动、丝杠移动 （4）丝杠固定、螺母转动并移动 （5）差动传动方式3.2 3.2 滚珠丝杠传动装置滚珠丝杠传动装置2SL（e） 图3-1 丝杠螺母副传动方式3.滚珠丝杠螺母副结构类型（1）根据滚道截面形状（a）单圆弧 （b）双圆弧图3-2 丝杠螺母副螺纹滚道法截面形状3.滚珠丝杠螺母副结构类型（2）根据滚珠循环方式图3-3 内循环结构图3-4 外循环结构（a）螺旋槽式外循环（b）插管式外循环 （c）端盖式外循环二、滚珠丝杠的特点二、滚珠丝杠的特点1、传动效率高、传动效率高)(tgtg其中： 中径处的螺旋升角 当量摩擦角 （ ） 一般而言，摩擦系数较小 因此，效

5、率很高，可达90%-95%。 2、运动具有可逆性、运动具有可逆性 回转运动变直线运动 正传动 直线运动变回转运动 逆传动 2180035. 00025. 0tg3、传动精度高、传动精度高 精度精度轴向定位精度轴向定位精度进给精度进给精度mmm 300/4误差：误差：4 4、磨损小，使用寿命长、磨损小，使用寿命长 滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化淬火、硬化处理HRC58-65。 5 5、不能自锁、不能自锁 垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，导致机构在两个方向上的运动特性不同。 解决方法：（1）设置制动装置 （2）加配重平衡运动部分重力图3-5 丝杠垂直安装结构方案6 6、制造

6、工艺复杂，成本高、制造工艺复杂，成本高 三、轴向间隙的调整三、轴向间隙的调整 轴向间隙包括两部分 滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。 通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。 五种结构形式：五种结构形式： v 垫片调隙式 v 螺纹调隙式 v 齿差调隙式 v 变位螺距调隙式v 弹簧自动调隙式1 1、垫片调隙式 调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。图3-6 双螺母垫片调隙式2、螺纹调隙式 通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧

7、凑，调整方便。但不能精确定量调整，可靠性差。图3-7 双螺母螺纹调隙式3、齿差调隙式 两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数Z 1、Z 2 且Z 2 -Z 1=1，分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。 产生的轴向位移（即间隙）为：npZZ)11(21其中：n为螺母同方向转过的齿数p为丝杠的导程图3-8 双螺母齿差调隙式例：若Z1=99，Z2=100，n=1, p=6mm 则=0.6m 该结构复杂，加工和装配工艺性差，但是调整的精度高，工作可靠。 4、变位螺距调隙式 预紧力的大小由L和滚珠直

8、径决定。 结构最简单、尺寸最紧凑，价格低廉。缺点是不便于随时调整。5、弹簧自动调隙式 能够自动消除使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙，缺点是结构复杂，轴向刚度低。图3-9 单螺母变位调隙式图3-10 弹簧自动调隙式四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法 1、主要尺寸、主要尺寸 公称直径（滚珠中心圆直径） D0（mm） 导程(或螺距) p（mm） 螺旋升角 （） 滚珠直径 d0(mm) 螺纹滚道半径 R (mm) 此外还有：丝杠外径、丝杠内径、螺母外径、螺母内径等。 2、精度等级、精度等级 根据JB316.2-91滚珠丝杠副精度标准规定分为5个等

9、级：1、2、3、4、5级（有的参考书称7个等级，另外有7、10级），1级最高，5级最低。 JB316.2-82标准，分为C、D、E、F、G、H六个精度等级， v 一般动力传动选4、5级或F、G、H v 数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级或C、D、E滚珠丝杠副结构、规格、精度的标注方法如图所示：例：例：1 1、FC1B-606-5-E2 左 (汉江机床厂) 2、FFZD405-3-D3/1400900 （南京工艺装备厂）螺纹旋向，右旋不标检查项目编号精度等级滚珠总圈数基本导程公称直径预紧方式循环方式外形结构特征3、标注方法、标注方法 表表3-1 3-1 滚珠丝杠副主要尺寸及计算公式滚珠丝杠副

10、主要尺寸及计算公式表表3-2 3-2 滚珠丝杠副选用参考滚珠丝杠副选用参考表表3-3 3-3 滚珠丝杠副选用参考滚珠丝杠副选用参考表表3-4 3-4 滚珠丝杠副选用参考滚珠丝杠副选用参考表表3-5 3-5 滚珠丝杠型号含义滚珠丝杠型号含义五、滚珠丝杠支承方式的选择和设计计算五、滚珠丝杠支承方式的选择和设计计算 1、支承方式的选择、支承方式的选择 为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合，一般常用推力轴承和向心球轴承。 四种典型的支承方式：四种典型的支承方式： 固定可以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用圆锥滚子轴承两端都装止推轴承，承受轴向载荷两端都装止推轴承和向心球

11、轴轴承，承受轴、径向载荷固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷，简支端用深沟球轴承径向约束图3-11 滚珠丝杠典型的支承方式典型支承方式图3-12 单推-单推支承方式典型支承方式图3-13 双推-游动支承方式典型支承方式图3-14 双推-自由支承方式31067. 14hnLcaFC其中：61060nLLh小时2、设计计算、设计计算 已知条件是：工作载荷或平均工作载荷（F或Fm）(N); 丝杠副的使用寿命L（百万转）； 丝杠的工作长度（或螺母的有效长度）l; 丝杠的转速n（r/min）; 滚道硬度HRC及运转情况。 设计步骤：1、求出计算载荷Fc Fc=K Fm K为工况系数 2、

12、根据寿命计算出额定动载荷aC3、查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷 ，使 ， 初选几个规格（或型号），列出其主要参数 4、验算传动效率、刚度、稳定性等 aCaaCC3、滚珠丝杠副传动刚度的计算滚珠丝杠副传动刚度的计算 传动刚度由三部分组成： K=1.01.2 K=1.21.5K=1.52.0无冲击平稳运行：一般情况：冲击和振动情况：v 滚珠丝杠的拉压刚度 KCv 滚珠丝杠与螺母接触刚度 KNv 滚珠丝杠轴承与轴承座的支承刚度 KB （1）拉压刚度 KC a、一端固定，一端自由一端固定，一端自由 根据材料力学知识 nLEdlEdKc442121 d1为丝杠螺纹底径；E为弹性模量 MPa其中： 为行程

13、比； Lln Ll LEdKc421minb、两端固定、两端固定MLl5101 . 2刚度最低点在：图3-15 )1 (14)11(42121nnLEdlLlEdKcMLl2Ll 21mincd EKL刚度最低点在： （2）接触刚度KN 根据经验公式： 32025 .2159FddiKbN32027 .2667FddiKbN)11. 1(brR)04. 1(brR其中：i 为滚珠螺母的有效工作圈数 F为轴向载荷 （选最大值） R为滚道半径 rb 、db 为滚珠半径、直径 （指轴向）图3-16 （3）支承刚度 包括三部分内容轴承轴向刚度KB轴承支座刚度KBR螺母支座刚度KNR这三部分刚度，一般难

14、以精确计算，根据结构而定。4、滚珠丝杠副传动的力学模型滚珠丝杠副传动的力学模型 传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图3-17 丝杠副传动系统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：传动系统的传动刚度为：minmin1111112BBRcNNRKKKKKK一、齿轮传动的特点一、齿轮传动的特点 作用：作用：用来传递转矩和转速。 优点：优点： 1、瞬时传动比恒定，传动精确度高； 2、强度大能承受重载，结构较紧凑； 3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。 缺点：缺点：1、齿侧间隙对传动精度影响； 2、齿轮

15、的磨损引起反转误差的逐渐扩大。 二、齿轮传动的类型二、齿轮传动的类型 1 1、直齿圆柱齿轮传动、直齿圆柱齿轮传动 a a 偏心轴套调整法偏心轴套调整法 结构简单，刚性好，只能补偿齿厚误差和中心距误差，不能补偿齿轮制造误差。常用于电机轴和丝杠之间传动。1221ZZnni3.3 3.3 （无侧隙）齿轮传动（无侧隙）齿轮传动中心距a图3-18 直齿圆柱齿轮偏心轴套调整法 b 双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 （1）可调拉簧式：）可调拉簧式： 齿侧隙可以自动补偿，可以根据实际情况调整弹簧拉力，但结构复杂，轴向尺寸大。图3-19 可调拉簧式调整法 （2）周向弹簧式：）周向弹簧式： 可以自动补偿侧

16、隙，但拉力不便调整，承载能力小，不适合驱动装置，主要用于读数装置。图3-20 周向弹簧式调整法 （1）垫片错齿调整）垫片错齿调整（2）轴向压簧错齿调整）轴向压簧错齿调整图3-21 斜齿圆柱齿轮调隙法 2. 斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动 (a) 垫片错齿调整 (b) 轴向弹簧错齿调整 3、齿轮齿条传动 存在齿侧间隙，应加以消除，常用的方法： a、双片薄齿轮错齿调整法 用于传动较小负载 b、双齿轮调整法 用于传动较大负载，如右图所示 图3-22 齿轮齿条双齿轮调隙法 三、齿轮传动传动链的级数和级比的选择三、齿轮传动传动链的级数和级比的选择 总原则：尽量采用较大传动比的单级传动 多级传动时，遵循

17、如下的原则： 1、最小等效转动惯量原则、最小等效转动惯量原则 使折算到电机轴上的等效转动惯量最小。 传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的加工精度，使输出轴转角误差最小。 3、重量最轻原则 小功率传动时， i 的分配各级相等； 大功率传动时， i 的分配先大后小。 对数减少 传动精度提高max1nkkknkknikikn-第 个齿轮的转角误差第 个齿轮转轴至第 级输出轴的传动比3.4 3.4 谐波齿轮传动谐波齿轮传动一、谐波齿

18、轮传动原理波形发生器是行星轮系的转臂(3(H)刚轮是中心轮(1)柔轮是行星轮(2)图3-23 谐波齿轮传动原理(a) 一个转臂和几个辊子组成谐波发生器 (b) 有椭圆盘和柔性球轴承组成波形发生器 利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力。 由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮，其实质是一种新型减速器。二、谐波齿轮传动特点1、传动比大：1.0021.02 或50500； 2、承载能力高； 3、传动平稳，精度高； 4、体积小，噪声低 优点优点1、柔轮周期性变形，易疲劳破坏； 2、转动惯量和启动力矩大，不适宜于小

19、功率传动； 3、不能用于传动比较小场合（i 小于35）； 4、散热差 缺点缺点三、谐波齿轮型号五、应用 广泛应用于机电一体化产品中，如机器人、机器仪表、雷达中用作运动传递；在冶金、化工、起重运输设备中传递运动和转矩。 有标准系列规格可供选择。图3-24 单级谐波齿轮减速器型号四、传动比 波形发生器和柔轮之间传动比：波形发生器和刚轮之间传动比：/()/()HrHrrrgHgHgggrinnZZZinnZZZ3.5 3.5 同步齿形带传动同步齿形带传动一、同步齿形带传动的特点 综合了带传动、链传动、齿轮传动特点的一种新型传动，如下图示。二、同步齿形带的结构、主要参 数和尺寸规格 1、结构和材料1、

20、传动比比准确，传动效率高； 2、工作平稳，能吸收振动； 3、传动比范围大； 4、中心距严格，成本高； 5、不需润滑，耐油、耐高温，维护方便。 与一般带传动相比的特点：图3-25同步带由和组成。带的抗拉元件，保证工作时节距不变传递带轮间的动力粘结强力层材料：钢丝、玻璃纤维、芳纶 聚氨脂橡胶、氯丁橡胶图3-262、主要参数和规格 主要参数是带齿的节距节距t t( (或或p pb b ) ):相邻两个齿中心间沿节线节线距离，t=m 节线节线( (LpLp) )：强力层的中心线。节线长度为齿形带的公称长度。 按GB11616-89规定，同步带有单面齿（仅一面有齿）和双面齿（两面都有齿）两种形式，根据节

21、距不同分为七种规格：型号MXLXXLXLLHXHXXH节距（mm）2.0323.1755.089.52512.722.22531.753、同步带的标记 带的标记包括长度代号、型号、宽度代号等。 例： 420 L 050宽度代号（带宽12.7mm）型号（节距9.525mm）节线长度代号（节线长度1066.8mm）三、同步带轮 1、带轮的结构、材料 结构如图示 材料： 铸铁或钢（一般情况） 塑料或铝合金（高速小功率） 2、带轮的参数及尺寸规格 （1）齿形 与梯形齿同步带匹配，齿形有直线形和渐开线形两种。（2）齿数 齿数少则结构紧凑，但齿数太少易产生弯曲和疲劳破坏，按国标GB11361-89规定，小

22、带轮应有许用最小齿数（参阅有关标准）。图3-273、带轮的标记 带轮的标记由带轮齿数、带的型号、轮宽代号表示。 例： 30 L 075轮宽（19.05mm）带型号（节距9.525mm）带轮齿数（30个）四、同步带传动的设计计算1、设计准则 根据齿形带的强度准则进行，限制齿形带单位宽度的拉力，防止强力层的疲劳破坏、断裂以及节距改变而爬齿等。 根据强度准则计算齿形带宽度的公式为：)1000cPPvjNb 其中：Nj 为齿形带传递的计算功率（kW） P为齿形带单位宽度的许用应力（N/mm） Pc 为齿形带单位宽度的离心应力（N/mm）： v 为带速（m/s） q 为单位长度、单位宽度的带重（N/m.

23、mm） g 为重力加速度（m/s2）21qvgPc2、已知条件及设计内容 初始数据： 功率N、转速n、传动比i、空间位置尺寸及工作条件等。 计算内容为： （1）确定计算功率Nj：NgKjN（2）确定模数mKg为工况系数（取决于载荷性质）N为传递的额定功率查表得到 由图5-46，根据Nj、n查表选取m，尽可能选用小模数（因为齿形带柔性好、 啮合齿多、工作平稳）。（3）确定小带轮齿数Z1、大带轮齿数Z2及节圆直径D1、D2 根据小带轮转速n1及所选模数，查有关标准（带轮最少许用齿数表）,选取小带轮的齿数Z1，使Z1Zmin，则iZZ1211ZmD22ZmD（4）校核带的速度vmax11100060

24、vnDvmaxv为带的最大允许带速（m/s）, 可根据模数m查表确定，表5-11 （5）确定中心距a、带长Lp和带齿数Z 根据传动结构要求，初定中心距a0：)(27 . 0(210DDa 初定带长L0：021221004)()(22aDDDDaL再根据L0，查表5-8，定实际带长LP及齿数Z 最后根据实际带长Lp计算实际中心距a200LLaap)(8)(2)(28121222121DDDDLDDLapp（中心距可调）（中心距不可调） 要求Zn4 当m2时 Zn6 当m2时112)621(ZaDDZn（7）根据设计准则定齿形带宽度b （8）定作用在轮轴上的力Fs vNFjS1000（9）定带轮的结构尺寸（结构、参数、材料、尺寸等） 根据小带轮包角原理Zn的计算公式：一、弹性联轴器的选用A.单膜片弹性联轴器单膜片弹性联轴器特点：1.定位方便可靠；2.无反向间隙，传动精度高，可不用键和锥销，传递扭矩大，能承受冲击载荷和振动；3.装卸方便；4.可补偿轴角度偏差、偏心、轴向串动；5.无噪音，无磨损。缺点： 当主动轴匀速运转时，从动轴转速不均匀。1.压套2.联轴