第章 机电一体化机械系统设计

第4章机电一体化机械系统设计

4.1机械系统设计概述4.1.1机电一体化的机械系统主要内容在构成机电一体化系统的要素中，几个部分并不是并列的，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

构成：传动机构、支承与导向机构、执行机构、轴系、机座机架

（l）传动机构功能——是传递动力和运动作用——机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。（2）

支承与导向机构作用——为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供支承和导向。（3）执行机构作用——执行机构根据操作指令的要求在动力源的驱动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等。（4）轴系

作用——传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）

（5）机座机架作用——承重、支撑、保证各零部件相对位置的基准作用。

4.1.2机电一体化机械系统设计特点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机电一体化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务的机械和（或）机电部件相互联系的系统组成，其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。机电一体化中的机械系统需使伺服电机和负载之间的转速、转矩及惯量得到匹配，即在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。机械系统设计特点

（1）

机械传动设计的特点

传动链短、转动惯量小、线性传递、无间隙传递等（2）机械结构设计的特点满足伺服系统对其稳、准、快的要求精密化、高速化、小型化和轻量化应综合考虑各个零部件的制造安装精度、结构刚度、稳定性以及动作的灵敏性和易控性，对具体零部件的设计提出了更高、更严的要求

4.2机械传动机构

（1）

无（小）传动间隙开环或闭环之外的传动间隙不影响系统稳定性，但影响伺服精度（逆运行时的回程误差）；闭环之内的传动间隙不影响系统静态精度，但影响稳定性；若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡。

（2）

惯量小大惯量会使系统的机械常数增大，固有频率降低，从而使系统负载大，响应慢，灵敏度低，易产生谐振

4.2.l机械传动机构性能要求（3）

摩擦小大摩擦会造成动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行

（4）

刚度大

大刚度利于：①减小机构弹性变形，从而减小伺服系统动力损失；②提高机构固有频率，避开机构的伺服带宽，不易产生共振；③增加闭环伺服系统的稳定性。

（5）

阻尼适中大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也会使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼要适中

（6）

缩短传动链

采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

4.2.2无侧隙齿轮传动机构

齿轮传动消齿侧间隙的方法：中心距调整法双圆柱薄齿轮错齿消隙法齿轮增宽消隙法等。中心距调节消隙法结构简单，但需反复调试双圆柱薄薄齿轮错错齿消隙隙齿侧间隙隙可自动动补偿，，但结构构复杂齿轮增宽宽消隙法法结构简单单，但垫垫片的厚厚度需要要反复调调整4.2.3丝丝杠螺螺母传动动机构丝杠螺母母机构，可实现现旋转运运动直线线运动运运动方式式的转换换：传递能量量为主（（如螺旋旋压力机机、千斤斤顶等））、传递递运动为为主的（（如机床床工作台台的进给给丝杠））、调整整零件之之间相对对位置为为主。根据摩擦擦副不同同：滑动摩擦擦丝杠、、滚动摩摩擦丝杠杠；根据丝杠和螺螺母相对对运动方方式不同：①①螺母母固定、、丝杠转转动并移移动；②丝杠转转动、螺螺母移动动；③③螺母转转动、丝丝杠移动动；④④丝杠固固定、螺螺母转动动并移动动；⑤⑤差动传传动方式式丝杠和螺螺母相对对运动方方式①螺母固固定、丝丝杠转动并移移动②丝杠转转动、螺螺母移动动③螺母转转动、丝丝杠移动动④丝杠固固定、螺螺母转动动并移动动⑤差动传传动方式式微动机构构、快进进机构4.2.3.1滚滚珠丝杠杠副的组组成及特特点滚珠丝杠杠副结构构滚珠丝杠杠副特点点：①传动效率率高：92％～～96％％，耗费的能能量仅为为滑动丝丝打的l/4～～1/3②运动具有有可逆性性：需设置制制动装置置③轴向刚度度好④传动精度度高，使使用寿命命长：低速时无无爬行现现象，能能始终保保持运动动的平稳稳性和灵灵敏性；；摩擦小小，丝杠杠副工作作时温升升和热变变形小，，可获得得较高的的传动精精度；由由于磨损损小，长长期使用用后仍能能保持其其精度，，因而寿寿命长⑤制造工艺艺复杂4.2.3.2滚滚珠丝杠杠副的典典型结构构类型滚珠丝杠杠副结构构螺纹滚道形状单圆弧形接触角随轴向载荷而变化，易加工成精度高，成本低双圆弧形接触角不随轴向载荷而变化，不易加工成精度高，成本高滚珠内循环固定反向器式循环回路短，流畅性好，效率高，螺母径向尺寸小；反向器加工难，装配调整不便，不适合重载浮动反向器式滚珠外循环螺旋槽式结构简单，容易制造，装配调整方便，适合重载；循环回路长，螺母径向尺寸大插管式间隙调整与预紧双螺母垫片预紧结构简单，刚度高，预紧可靠单螺母变位预紧结构简单，相对刚度低，预紧可靠，用于较小直径丝杠单螺母增大滚珠直径预紧结构简单，相对刚度低，预紧可靠，用于较小直径丝杠支承方式一端固定一端自由(F-O)结构简单，轴向刚度较两端固定低，压杆稳定性和临界转速较低，用于较短和竖直的丝杠一端固定一端支承(F-S)两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺较困难，刚度同(F-O)相同，压杆稳定性和临界转速较(F-O)高，用于较长的卧式安装丝杠支承方式两端固定(F-F)两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺较困难，轴承无间隙时刚度为(F-S)的4倍，无压杆稳定性问题，固有频率高，适用于刚度和精度要求较高的场合润滑润滑油，润滑脂90～180透平油，锂基油脂密封丝杠波纹管，伸缩罩螺母,螺母两端用密封圈一端固定定一端自自由式支支承一端固定定一端游游动式支支承两端固定定式支承承丝杠螺母母密封4.2.3.3滚滚珠丝杠杠副传动动系统设设计（1）滚滚珠丝丝杠副的的精度GB/T17587.3-1998标准:定位滚珠珠丝杠幅幅（P））、传动滚珠珠丝杠副副（T））两类精度：1、2、、3、4、5、、6、7、10七个等等级级，，1级最最高，依依次降低低。（2）丝丝杠螺螺母副导导程计算算（mm）——机械械最高运运动速度度（mm/min）——传动动比——电机机的最高高转速（3）丝丝杠转转速计算算（r/min）（4）行行程补补偿值——热膨膨胀系数数（12.0×10-6）；——温升升（一般般取2～～4℃）；Lu———有效行行程或Lx———机械最最大行程程；La———安全行程；Ln———螺母长长度；L1———螺纹全全长；Le———余程（Vi———mm/min）公称导程Ph/mm456810121620余程Le/mm1620243240455060热变形的的补偿行程偏差差与预拉拉伸力行程偏差差C——目标标行程和和公称行行程之差差，为了了补偿热热变形的的影响，，行程偏偏差C=δt并取负值值。预拉伸——固定定-固定定安装方方式时，，还可以以采用预预拉伸丝丝杠的方方法来进进一步补补偿热变变形，预预拉伸力力Ft：：E——弹弹性模量量2.1×105Mpa（即2.1×105N/mm2）；d2———丝杠底底径（mm）；；Δt——温温升（一一般取2～4℃℃）（5）基基本额额定载荷荷Coa轴向基本本额定静静载荷Coa——滚珠丝杠杠副在承承受最大接触触应力处处产生不不大于0.0001倍倍的钢球球直径的的永久变变形时，所能能承受的的最大轴轴向载荷荷轴向基本本额定动动载荷Ca——一组（相相当数量量）相同同参数的的滚珠丝丝杠副，，在相同的的条件下下，运转转10e6转时时，90%的滚滚珠丝杠杠副的螺螺纹滚道道的表面面或钢球球的表面面不发生生疲劳点点蚀所能能承受的的最大轴轴向载荷荷。（6）滚珠珠丝杠副的轴轴向载荷计算算①水平安装装②铅垂安装装（7）预期期寿命—用预期运行行时间表示（（h）。—用预期运行行距离表示（（km）表4-3常用设备推荐寿命（小时）机床20000生产机械10000自动化设备15000测试设备15000（8）滚珠珠丝杠副的当当量载荷Fm及当量转速速nm（9）额定定动载荷下限限值Cam的的计算按滚珠丝杠副副的预期工作作时间Lh按滚珠丝杠副副的预期运行行距离LsFm——当量量载荷fa——精度度系数fw——载荷荷系数表4-4精度系数fa精度等级1、2、3、4、56、710精度系数fa1.00.90.7表4-5载荷系数fw负荷性质平稳冲击振动载荷系数fw1～1.21.2～1.51.5～2（10）额额定静载荷下下限值Coamfs——安全全系数，一般般为1.2～～2，有冲击击、震动的运运动1.5～～3Fmax———是外加在滚滚珠丝杠副上上的最大轴向向载荷（11）滚滚珠丝杠副的的预紧与轴向向接触刚性①滚珠丝杠杠副的预紧滚珠丝杠轴向向载荷与弹性性变形：1——无预紧紧；2——有预紧紧预紧——就是在滚滚珠丝杠副内内，预先施加加轴向载荷表4-6轴向载荷与弹性变形有无预紧Faδ轴向刚度K（以Fp/δ为1）无Fpδ01增大而减小约3Fp2δ03/2有Fpδ0/33是常数约3Fpδ03②滚珠丝杠杠副的轴向接接触刚性a.不预紧紧的滚珠丝杠杠副轴向接触触刚性b.预紧滚滚珠丝杠副的的轴向接触刚刚性预紧力Ka不是样本本上的数值时时(12)滚滚珠丝杠副副的转矩（13）滚滚珠丝杠副的的安装方式（14）滚滚珠丝杠副传传动系统的轴轴向刚性（15）滚滚珠丝杠副的的许用转速、、Dn值（16）滚滚珠丝杠副的的临界压缩载载荷、强度计计算（17）滚滚珠丝杠副传传动系统转矩矩计算（18）交交流伺服电机机选择（19）步步进电机选择择（20）设设计计算流程程设计计算流程程4.2.4同同步带传传动机构特点：（1）传动动比准确，传传动效率高；；（2）工作作平稳，能吸吸收振动；（3）不需需润滑，耐油油、耐水、耐耐高温、耐腐腐蚀，维护保保养方便；（4）中心心距要求严格格，安装精度度要求高；（5）制造造工艺复杂，，成本高。可参考国家标标准GB11616-89和相关参参考资料4.2.5联联轴器传传动机构常见新型联轴轴器：弹性膜片联轴轴器波波纹纹管联轴器交交错切口联联轴器弹性膜片联轴轴器——传递递较大扭矩；；波纹管联轴器器和交错切口口联轴器———传递较小扭扭矩（a）Z1型（（b）Z14型弹性胀紧联结结套Z1型：结构最简简单，它由两两个分别带内内、外锥面的的薄壁环组成成，通过多套套锥环的串联联即可适应传传递不同扭矩矩的要求。这这种胀紧套所所占的径向尺尺寸最小，但但轴向加压结结构需要自行行设计；Z14型：内套带有有法兰凸缘，，只要在轮毂毂端面设置相相应的螺孔即即可实现联结结套的胀紧，，结构相对比比较紧凑4.3支支承与导向机机构可分为：回转转运动支承、、直线运动导导向支承4.3.1回回转运动动支承的性能能及特点作用——是支承做回转转运动的轴或或丝杠；常用——滚动轴承、静静压轴承，也也用磁轴承和和特制的滑动动轴承机电一体化系系统常用轴承承性能及特点点种类性能滚动轴承静压轴承磁轴承液体静压轴承气体静压轴承精度无预紧时一般；在预紧无间隙的情况下较高，可达1～1.5μm高，可达0.1μm,精度保持性好高，可达0.02～0.12μm，精度保持性好一般，精度可达到1.5～3μm刚性滚珠轴承预紧后较高，短圆柱和圆锥轴承预紧后高高较差较差抗震性较差，阻尼比ζ＝0.02～0.04好好较好速度性能用于低中速，特殊轴承可用于较高速使用于各种速度适用于超高速80000～160000r/min用于高速30000～50000r/min摩擦损耗较小，η＝0.002～0.008小小很小寿命抗疲劳强度较低长长长制造难易轴承生产专业化、标准化需复杂供油系统，工业要求高需复杂供气系统，工业要求高结构相对较大，系统复杂使用维护简单，用油脂润滑供油系统要清洁，较难供气系统清洁度高，但使用维护容较难成本低较高较高高4.3.2直直线运动动导向支承的的性能及特点点主要是指直线运动动导轨副。基本要求：导向精度高刚度大耐磨运动灵活和平平稳等直线滚动导轨轨分类按滚动体的形状状：滚珠式、滚滚柱式按导轨截面形状状：矩形、梯形形按轨道沟槽形状状：单圆弧、双双圆弧直线滚动导轨轨形式（a）滚珠式式、（（b）滚滚柱式导轨截面形状状（a）矩形、（b）梯形直线滚动导轨轨沟槽形状（a）单圆弧弧（（b）双圆弧4.3.3直直线滚动动导轨选择计计算4.3.3.1载荷荷计算4.3.3.2计算算静态安全系系数4.3.3.3计算算平均载荷4.3.3.4额定定寿命计算静态安全系数数参考值使用导轨副设备类型载荷条件静态安全系数下限一般工业设备无外部振动或冲击1～1.3有外部振动或冲击2～3机床无外部振动或冲击1～1.5有外部振动或冲击2.5～74.4机机座机架特点——尺寸较大，结结构复杂，常常有较多的加加工面和加工工孔；作用——支承和连接一一定的零部件件，使这些零零部件之间保保持规定的尺尺寸和形位公公差要求4.4.1机机座机架架的基本要求求（1）保证证刚度：动动刚度、静刚刚度（2）减少少热变形：：①减少发热热；②散散热良好；；③恒温控控制；④选选择热变形形对称的结构构形式；（3）提高高抗震性：：①提高静刚刚度；②增增加阻尼；；③减轻轻重量；④④隔振（4）良好好的结构工艺艺性：机械械加工工艺性性和装配工艺艺性4.4.2材材料和热热处理机座机架的常常用材料：铸铁合金铸铁钢板花岗岩石等；；4.5数数控机床机械械系统设计4.5.1主轴轴系统设计计（1）主主轴系统主主要参数（2）数数控机床常常用主轴系系统主轴传动驱驱动调速机机械：主轴轴齿轮传动动、带传动动变频电机机驱动调速速机械主轴轴齿轮传动动、带传动动交流伺服服主轴电机机驱动调速速电主轴无无变频驱动动调速磁浮浮主轴无变变频或交流流伺服驱动动调速（3）主主轴系统设设计(a)机机械主轴(b)电主主轴图4-32主轴轴电主轴技术术参数速度范围最高40000(rpm)（采用高压油气润滑）功率13(kW)（连续负载）转矩m)（连续负载）静刚度径向130(N/μm)，轴向106(N/μm)主轴润滑方式轴承润滑脂，最高速度低于40000(rpm)（也可以采用高压油气润滑）安装方式法兰垂直或水平安装编码器内嵌编码器，用于主轴矢量控制和定向刀具装卸液压装夹4.5.2进给给传动系统统设计（1）主主轴系统主主要参数4.5.1主轴轴系统设计计（2）数数控机床常常用主轴系系统主轴传动驱动调速机械主轴齿轮传动、带传动变频电机驱动调速机械主轴齿轮传动、带传动交流伺服主轴电机驱动调速电主轴无变频驱动调速磁浮主轴无变频或交流伺服驱动调速机械主轴由由专业制造造商生产，，配以主轴轴箱体、传传动系统及及驱动调速速系统。而而电主轴和和磁浮主轴轴则完全由由专业制造造商生产（3）主主轴系统设设计(a)机机械主轴(b)电主主轴高速机械主主轴需要高高速交流主主轴伺服电电机、伺服服电机驱动动器配以同同步带传动动机构，其其优点是较较为经济，，但结构较较为复杂；；电主轴需要要配以变频频驱动调速速器，其优优点是主轴轴系统结构构简单，但但经济性稍稍差，最高高速度有富富余瑞士IBAG公司的的HF120.2A32CVFHP型型电主轴，，其主要技技术参数速度范围最高40000(rpm)（采用高压油气润滑）功率13(kW)（连续负载）转矩4.2(N.m)（连续负载）静刚度径向130(N/μm)，轴向106(N/μm)主轴润滑方式轴承润滑脂，最高速度低于40000(rpm)（也可以采用高压油气润滑）安装方式法兰垂直或水平安装编码器内嵌编码器，用于主轴矢量控制和定向刀具装卸液压装夹4.5.2进给给传动系统统设计详见P1264.5.3导轨轨系统设计计导轨系统设设计主要是是根据导轨轨系统所承承受的质量量、工作载载荷、导轨轨配置、工工作速度、、行程等计计算导轨系系统的作用用载荷和工工作寿命，，从而选择择导轨系统统。1、滑座受受力计算2、径向载载荷和横向向载荷的等等效载荷3、静态安安全系数计计算4、平均载载荷计算5、额定寿寿命计算导轨承受的的质量导轨工作条条件参数工件质量m1(kg)200匀速行程s2(mm)575夹具和工作台质量m2(kg)220减速行程s3(mm)12.5进给速度V(m/s)0.17导轨行程ls(mm)600加速时间t1(s)0.15X向切削力F1(N)800匀速时间t2(s)3.38Y向切削力F3(N)800减速时间t3(s)0.15Z向切削力F2(N)200加减速度a1、a3

(m/s2)10重力加速度g(m/s2)9.8加行程s1(mm)12.54.6机机电一体体化新机械械装置4.6.1钢带带传动——实现旋旋转—直线线运动的变变换链轮链条传传动工作不不平稳、运运动部件质质量大；同步齿形带带工作质量量比链轮有有了很大的的提高，但但仍属“有有齿啮合””传动的范范畴，诸如如齿距误差差、齿形误误差等因素素还是对传传动过程的的平稳性有有一定影响响。另外，，同步齿形形带自身的的弹性也使使其传动刚刚度有所减减弱。高强度的钢钢带承受张张拉力大，，厚度最薄薄、柔韧性性最好、质质量最轻，，比较适合合高速、重重载传动。。现代钢带传传动产品的的特点①强度高，，纵向弹性性变形小，，传动刚度度大、精度度高；②抗高温，，耐腐蚀，，具有导电电性，容易易结合，适适用于高温温、有腐蚀蚀性，或者者环境洁净净度要求十十分严格（（如医药、、半导体集集成电路制制造）的场场合；③运运动动质质量量极极轻轻，，空空间间体体积积极极小小，，工工作作平平稳稳无无振振动动；；④可可以以直直接接在在钢钢带带上上冲冲压压出出定定位位孔孔和和各各种种附附带带或或输输送送专专用用物物品品的的空空及及型型腔腔，，使使钢钢带带同同时时具具有有准准确确定定位位、、物物品品输输送送等等功功能能。。4.6.2谐谐波波减减速速器器谐波波传传动动是是依依靠靠柔柔性性齿齿轮轮所所产产生生的的可可控控制制弹弹性性变变形形，，引引起起齿齿间间的的相相对对位位移移来来传传递递动动力力和和运运动动的的。。柔柔轮轮的的变变形形是是一一个个基基本本对对称称的的和和谐谐波波，，故故称称为为谐谐波波传传动动。。3个基本本构件：：波发生生器H、、柔轮1和刚轮轮2。刚轮的齿齿数柔轮轮齿数多多。波发发生器、、柔轮、、钢轮三三构件中中可任意意固定一一个，其其余两个个一个为为主动，，另一个个为从动动，可实实现减速速或增速速（固定定