机电一体化系统中的机械结构

1、第2章 机电一体化系统中的机械结构2.1 机械精度概述2.2 机械系统中的问题2.3 机械传动系统的结构特点2.4 滚珠丝杠与滚动导轨2.1 机械精度 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： (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。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怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。 (2) 快速响应性 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

2、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。2.1 机械精度 精度与误差是一对互相相反的概念。 2.1 机械精度 误差：对某一特点的物理量进行度量时，所测得数值与真值的差值。 精度的高低是以误差的大小来衡量的，误差越大精度越低。包括准确度、精密度、精确度。 准确度：反映系统误差 精密度：反映随机误差 精确度：综合反映2.1 机械精度系统误差：仪器结构不万征或未经很好校准产生的误差。按规律变化随机误差：因为偶然因素产生的误差。时大时小，不超过一定范围 2.1.1 反映整体设备的精度概念 2.1 机械精

3、度（1）机床精度：机床在未受外载作用下的原始精度。以允差形式来描述。（2）几何精度：机床或仪器在不运动或运动速度较低时的精度。规定了相对位置允差。（4）机床定位精度：机床或仪器主要部件在运动终点所能达到的实际位置的精度。分手动定位、自动间歇定位和连续定位。（3）传动精度：机械传动链单项传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。通常以传动误差来衡量。（5）机床加工精度：机床在加工工件时所能达到的精确度。加工时体现出的精度。 2.1 机械精度（6）动态精度：系统的动态参数误差。常用典型零件的加工或测试，间接做出评价。（8）装配精度：不同零件或部件按照特定要求组装成具有一定功能的综合精

4、度。包括相对位置精度、运动精度、接触精度。（7）重复精度：在同一测量方法及测试条件下，在不太长的时间间隔内，连续多次测量同一个物理参数，所得数据的分散程度。（9）运动精度：设备主要零部件在以工作速度运动时的精度。常用运动误差来表示。2.1 机械精度（10）测量精度：计量仪器或测量系统的使用精度。常用测得值与被测值的偏差程度来衡量。注意：重复精度和再现精度的区别。（11）再现精度：在不同的测量方法和测试条件下，以较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量所得数据的接近程度。2.1.2 涉及零件的精度概念2.1 机械精度1、加工精度：零件经机械加工后，它的实际几何参数与理想零件的几何参数相符合的程度。

5、2、定位精度：加工零件放置在机床上的实际加工位置与所要求的加工位置之间的接近程度。3、设计精度：设计者根据零件在产品中的地位和作用提出的满足使用要求的精度。零件精度与产品精度不同，零件精度依据零件在产品中的作用确定，产品精度从该产品的用途要求来确定。2.2 机械系统中的基本问题 2.2.1 材料选择 1、铸铁：耐磨性和减振性好，热稳定性好，易于铸造和切削加工，成本低。常用铸铁:（1）灰铸铁（2）高磷铸铁（3）低合金铸铁（4）稀土铸铁（5）孕育铸铁（2）（5）属于耐磨铸铁2.2 机械系统中的基本问题2、钢 一些零件如齿轮，可采用钢并淬火。3、有色金属 常用有色金属材料有黄铜、锡青铜、铝青铜、锌合

6、金等。4、塑料 抗震性能好，工作温度适应范围广，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低，动、静摩擦系数差别小，可降低低速运动的临界速度，加工型和化学稳定性好，工艺简单，成本低。2.2 机械系统中的基本问题2.2.2 机械传动 1、机械传动的作用某种传动既可以实现运动形式的变换，也可以实现运动速度的变化，同时还可以实现动力的传动。2、传动比分配（传动比=输入速度/输出速度）（1）重量最轻原则对于小功率传动系统，使i1=i2=对于大功率传动系统，各级传动比一般符合“先大后小”的原则。2.2 机械系统中的基本问题（2）输出轴转角误差最小原则为提高齿轮传动系统的传动精度，一般按“先小后大”原则分配。 max

7、:各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差；K：第K个齿轮所具有的转角误差i(kn)：第K个齿轮的转轴至N级输出轴的传动比2.2 机械系统中的基本问题（3）等效转动惯量最小原则 换算到电机轴上的等效转动惯量应最小机械传动设计中，对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出如下要求：（1）对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统，可用重量最轻原则；（2）对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小原则处理。（3）对于传动精度要求较高的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则；（4）对较大传动比传动的齿轮系，一般是将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。 2.

8、2 机械系统中的基本问题2.2.3 常见支承类型 1、圆柱支承：较大的接触表面，承受载荷较大，方向精度和置中精度较差，摩擦阻力矩较大2、圆锥支承：承载能力较强，方向和置中精度较高，摩擦阻力矩较大，对温度比较敏感，制造成本较高。2.2 机械系统中的基本问题3、填入式滚动支承：摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载能力较大。 4、球面支承：接触面小，适用于低速、轻载场合。5、顶针支承：摩擦半径很小，摩擦阻力矩小，宜用于低速、轻载的场合。2.2 机械系统中的基本问题 2.2.4 动平衡 回转体（转子）:在机械传动中，有许多传动构件是绕固定轴线回转的，这类做回转运动的构件。回转体平衡的目的：调整回转体的质量分布

9、，使回转件工作时离心力系达到平衡，以消除附加动压力，尽可能减轻有害的机械振动。根据组成回转件各质量的不同分布，一般分两种情况。2.2 机械系统中的基本问题 2.2.4 动平衡 回转体（转子）:在机械传动中，有许多传动构件是绕固定轴线回转的，这类做回转运动的构件。回转体平衡的目的：调整回转体的质量分布，使回转件工作时离心力系达到平衡，以消除附加动压力，尽可能减轻有害的机械振动。根据组成回转件各质量的不同分布，一般分两种情况。2.2 机械系统中的基本问题 1、在同一回转平面内的质量平衡分析 在同一回转平面上分布有三个偏心质量M1、M2、M3，各偏心质量的向径为r1、r2、r3，各质量产生的离心力为

10、F1、F2、F3，当F1+F2+F3=0时，力系平衡。若力系不平衡，只要在统一回转面内加以质量Mb，它产生的离心力Fb，使得：Fb+ F1+F2+F3=0，这个力系就平衡了。 2、在不同回转平面内的质量平衡分析 2.2 机械系统中的基本问题 2.2.5 结构工艺性 1、零部件加工的结构工艺性：制造和装配时的可行性和经济性。2.2 机械系统中的基本问题2、毛坯铸造件的结构工艺性：简化外形、减少分型面。垂直于分型面的非加工平面，给出结构斜度，便于起模。零件上配合面设计凸台时，凸台厚度不应大于壁厚；同一平面的几个凸台高度应尽量一致；凸台布置应避免活块起模，便于造型2.2 机械系统中的基本问题3、零部

11、件的焊接结构工艺性：不影响构建使用要求的前提下，相应地在罕见结构设计上采取措施。2.2 机械系统中的基本问题4、锻件的结构工艺性锻件最好采用平直、简单、对称的形状，尽可能由平面和圆柱组成。锻件上应避免带楔形、曲线形、锥形的表面及加强筋等，如椭圆形或工字形界面也应避免。2.3 机械传动系统的结构特点 机械中的各种传动是通过安装在轴上的齿轮、带轮等传动零件实现的。 轴、轴承、联轴器和离合器及轴上的转动两间组合起来成一个系统，常称为轴系零部件。2.3 机械传动系统的结构特点2.3.1 轴与支承按照轴线形状分类：轴可分为直轴、曲轴和软轴(1)直轴：直轴按外形不同可分为光轴、阶梯轴及一些特殊用途的轴，如

12、凸轮轴、花键轴齿轮轴及蜗杆轴等。(2)曲轴：曲轴是内燃机、曲柄压力机等机器上的专用零件，用以将往复运动转变为旋转运动，或作相反转变。( 3)软轴：软轴主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动，也可用于受连续振动的场合，以缓和冲击。2.3 机械传动系统的结构特点按照所受载荷性质分类：轴可分为心轴、转轴和传动轴。(1)心轴：通常指只承受弯矩而不承受转矩的轴。如自行车前、后轮轴，汽车轮轴。(2)转轴：既受弯矩又受转矩的轴。转轴在各种机器中最为常见。(3)传动轴：只受转矩不受弯矩或受很小弯矩的轴。车床上的光轴、连接汽车发动机输出轴和后桥的轴，均是传动轴。2.3 机械传动系统的结构

13、特点2.3.2 轴上零件的固定（1）零件沿轴向固定1）轴肩2）定位套筒1、定位套筒2、底座2.3 机械传动系统的结构特点3）圆螺母4）轴端挡圈和弹性挡圈5）紧定螺钉2.3 机械传动系统的结构特点（2）零件在轴上的周向固定1）键：分为平键、半圆键、楔键、切向键2）花键定位2.3 机械传动系统的结构特点常用于轴与轮毂的连接。采用加热冷却的方法。结构简单，同轴性好，对轴削弱少、耐冲击性能好。但对配合表面的制造精度要求高。3）过盈配合定位2.4 滚珠丝杠与滚动导轨2.4.1 滚珠丝杠1、滚珠丝杠副的组成滚珠丝杆副结构端盖循环 2.4 滚珠丝杠与滚动导轨1、滚珠的循环方式（2）外循环滚珠在循环过程中始终

14、与丝杠表面保持接触，一般在同一螺母上装有24个滚珠会助其，并沿螺母圆周均匀分布。1为回珠器（1）内循环1）螺旋槽式1为外滚道，2为内滚道2.4 滚珠丝杠与滚动导轨1）插管式 插管循环2.4 滚珠丝杠与滚动导轨3、滚珠丝杠副间隙调整与预紧（1）双螺母螺纹预紧调整式旋转调整螺母2使丝杠左螺母向左，并用锁紧产生拉伸预紧。调整方便，但预紧量不易掌握。2.4 滚珠丝杠与滚动导轨（2）双螺母齿差预紧调整式两端丝杠螺母3上分别有齿数为Z1、Z2的圆柱齿轮，并分别与相应的内齿圈2相啮合，一般Z1与Z2相差一个齿，若两螺母同向各转一个齿，则两螺母的相对轴向位移为s=l*|Z1-Z2|/Z1*Z2，其中l为丝杠导

15、程，可实现定量精密微调。2.4 滚珠丝杠与滚动导轨（3）双螺母垫片调整预紧式2.4 滚珠丝杠与滚动导轨（4）弹簧式自动调整预紧式用弹簧使两螺母间产生轴向位移。其特点是能在使用过程中自动补偿因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。2.4 滚珠丝杠与滚动导轨（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式2.4 滚珠丝杠与滚动导轨4、滚珠丝杠副的密封与润滑（1）密封防护：滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封，上图为使用波纹管（右侧）或螺旋弹簧钢套管对丝杠轴进行密封；下图为使用密封圈对螺母进行密封。密封材料选用防腐蚀合耐油的聚四氟乙烯或尼龙等。 （2）润滑：滚珠丝杠

16、副使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂可采用锂基油脂，在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑；润滑油可采用机油，通过注油孔注入润滑。2.4 滚珠丝杠与滚动导轨2.4.2 导轨副的组成、种类及其应满足的要求导轨副（导轨）：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。1、导轨副的种类1)按导轨副运动导轨的轨迹分类（a）直线运动导轨副 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。（b）旋转运动导轨副 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。2)按导轨副导轨面间的摩擦性质分类（a）滑动摩擦导轨副；（

17、b）滚动摩擦导轨副；（c）流体摩擦导轨副。3)按导轨副结构分类（a）开式导轨 必须借助运动件的自重或外载荷，才能保证在一定的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。开式导轨一般受温度变化的影响较小。（b）闭式导轨 借助导轨副本身的封闭式结构，保证在变化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。闭式导轨一般受温度变化的影响较小。2.4 滚珠丝杠与滚动导轨4)按直线运动导轨副的基本截面形状分类2.4 滚珠丝杠与滚动导轨矩形对称三角形不对称三角形燕尾槽圆形凸形凹形2.4 滚珠丝杠与滚动导轨2、

18、 导轨副应满足的基本要求（a）导向精度 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、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。（b）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。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。（c）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。（d）刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，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导轨的方法提高刚度。（e）低速运动平稳性 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滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。（f）结构工艺性 设计导轨时，要注意制造、调整和维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。2.4 滚珠丝杠与滚动导轨2.4 滚珠丝杠与滚动导轨2.4.3 滚动导轨副的类型1、滚动体不循环的滚动导轨副形式：因为滚动