机电一体化第2章

第2章机械系统设计技术

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第2章机械系统设计技术

机械设计概述1传动机构的设计2支撑导向部件的设计3执行机构的设计4部件应用实例5china_54@本章学习目标1、了解机械设计的基本知识2、常用机械零件设计的基本理论和基本方法3、相关标准、规范的选用选择4、机械零件优化设计的思维模式china_54@

2.1机械设计概述

2.1.1机电一体化对机械系统的要求

（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支撑、动（静）压导向支撑等。（2）缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支撑刚度；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并减少中间传动机构；丝杠的支撑设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。china_54@（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。（5）改进支撑及架体的结构设计以提高刚性，减小振动，降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度，减小质量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。china_54@

2.1.2机械系统的组成（传动机构导向机构执行机构）

传动机构—机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。传动机构除了要满足传动精度的要求，还要满足小型，轻量，高速，低噪声和高可靠性的要求。

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2.1.2机械系统的组成导向机构

——支撑导向作用，为机械系统中各运动装置能安全、准确的完成其待定方向的运动提供保障。执行机构

——用以完成操作任务的。它根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预期的操作。要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。china_54@2.1.3机械参数对系统性能的影响刚度—刚度是指机械零件或构件抵抗变形的能力。是材料弹性变形难易程度的一个象征(静刚度、动刚度）。刚度越大，失动量越小，固有频率越高，不易产生谐振。

失动量在机械传动系统中很好理解的，把三个字拆开，失----丢失，动----移动，量----距离，合起来就是丢失的移动距离，是指在传动过程中由于一些常值系统误差或传动系统弹性变形引起的在传动过程中丢失的移动量。以电机带动丝杠丝母做直线运动为例，就是在电机开始旋转后，由于丝杠丝母的间隙，或者丝杠丝母自身的弹性变形导致在电机旋转一定量之后丝母才开始沿丝杠方向做直线运动，在这之间丢失的移动量就是失动量。

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2.1.3机械参数对系统性能的影响

2.惯量—物质（物体）运动的惯性量值。它指的是转子本身的惯量，对于电机的加减速来说相当重要。惯量的大小取决于机构各部件的质量和尺寸。3.摩擦—摩擦力是经典力学的一个名词，是指两个互相接触的物体有弹力，当它们要发生或有趋势发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力物体在液体和气体中运动时也受到摩擦力。

china_54@2.1.3机械参数对系统性能的影响4.传动误差——在机床传动链的输入轴驱动完全准确且为刚性的条件下，其输出轴的实际位移与理论位移之差。5.谐振频率—机械传动部件的弹性系统，若忽略阻尼，可简化为质量-弹簧系统模型，有固有频率。当外界传来的振动的激振频率接近或等于固有频率时，就会产生谐振，机械系统就会不稳定。china_54@2.2传动机构的设计

2.2.1机械传动装置

常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等，其主要功能是传递转矩和转速。1带传动(1)组成：主动轮、从动轮、张紧在两轮上的环型传动带。

(2)原理：原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。

china_54@(3)类型china_54@(4)特点1）优点带具有良好的弹性，可以缓和冲击，吸收振动，传动平稳，噪声小；过载时，带在带轮上打滑，可防止其他零件损坏，起安全保护作用；适用于两轴中心距较大的场合；结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。2）缺点带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比；传动效率较低，带的寿命较短；传动的外廓尺寸大；带传动需要张紧，支撑带轮的轴和轴承受力较大；带传动中的摩擦会产生电火花，不宜用于易燃、易爆等场合。china_54@(5)主要参数：包角α、基准长度Ld、中心距a及带轮直径dd1、dd2。

(6)滑动率和传动比的计算

滑动率

式中v1为主动轮圆周速度

v2为从动轮圆周速度

带传动的实际传动比

（一般传动中，

=1%-2%可忽略不计）

china_54@2谐波齿轮传动(1)特点：结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高。(2)工作原理：谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的，因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别，如下图所示，谐波齿轮传动由波形发生器3（H）和刚轮l、柔轮2组成。(3)应用领域：工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统。china_54@3（H)波形发生器；1刚轮；2柔轮china_54@3滚珠螺旋传动滚珠丝杠副（以球为滚动体）：应用十分广泛。(1)组成：滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反。d0－公称直径；Dpw－节圆直径；α－接触角；Ph－导程；φ－螺旋角节圆直径是两个齿轮的交接点（切点）。导程—圆柱面上的一条螺旋线与该圆柱面的一条直母线的两个相邻交点之间的距离。单线螺纹的导程等于螺距，多线螺纹的导程等于头数（n）乘于螺距，即S=nPchina_54@(2)循环方式

滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。

china_54@2.3支撑导向部件的设计组成：导向支撑部件、轴系支撑部件、旋转支撑部件和机座机架。2.3.1导向支撑部件作用：支撑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，并承受运动部件上的载荷，即导向和承载的作用。通常被标为导轨副。1、导轨副组成：主要由承导件1和运动件2两部分组成。china_54@2、导轨副的分类

（按接触面的摩擦性质）china_54@3、导轨副的截面形状及特点（1）三角形导轨：在垂直载荷作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，导向精度高。导轨水平与垂直方向误差相互影响，制造、检测、修理困难。（2）矩形导轨：结构简单，制造、检测、修理方便承载能力大，刚度好。导轨水平与垂直方向位置各不相关，安装调整方便。精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿。但同等条件下摩擦阻力和接触变形比三角形导轨小。（3）燕尾形导轨：磨损后不能自动补偿间隙必须设有间隙调整装置。可以承受颠覆力矩，但刚度差，摩擦力大，制造、检测、修理都不方便。用于受力不大，高度尺寸受限制的场所。（4）圆形导轨：制造方便，配合精密，但磨损后很难调整和补偿间隙。china_54@china_54@4、导轨副间隙的调整调整原因：间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。调整方法：压板法、镶条法。适用范围：燕尾形导轨可采用镶条（垫片）方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。矩形导轨可采用修刮压板、调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。圆形导轨的间隙不能调整。china_54@2.3.2轴系支撑部件轴系支撑机构由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。china_54@

轴1、轴的分类：转轴、芯轴、传动轴。转轴：既支撑传动部件又传递动力，承受弯矩和扭矩。芯轴：起支撑旋转部件作用不传递动力，即承受弯矩。分为固定芯轴和转动芯轴。传动轴：主要传递动力，即承受扭矩作用。2、轴的结构设计：尽量减少应力集中，受力合理，有良好的工艺性，使轴上零件定位可靠，装拆方便。china_54@

轴3、轴上零件常用的轴向固定方法：轴肩和轴环、套筒、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈。

轴肩和轴环：固定简单可靠，可承受较大的轴向力，但加大了轴的直径，轴剖面有突变且产生应力集中。

套筒：对两个零件起相对固定作用。结构简单，装拆方便，固定可靠但配合较松，不适宜用在高转速的轴上。

圆螺母：能承受较大的轴向力，但轴上螺纹处应力集中严重，对轴强度削弱较大，常用于固定轴端零件。

弹性挡圈：弹性挡圈结构紧凑，装拆方便，但只能承受较小的轴向力。因轴上开环形槽削弱了轴的强度，常用于滚动轴承的轴向固定或轴向力不大时轴向零件的轴向固定。轴端挡圈：又称轴端压板，与轴肩相结合，使零件得到轴向定位和双向固定。结构简单，拆装方便，适用于轴端零件的固定。china_54@

轴4、轴的周向固定：紧定螺钉固定、销钉固定、过盈配合固定（如下图）。china_54@

轴毂联结轴毂联结主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。常用：键联结、过盈联结、无键联结、销联结、螺纹联结。键联结包括普通平键连接、导键连接滑键连接等。平键连接按端部形状不同可分为A型（方头）、B型（圆头）、C型（单圆头）如下图。china_54@

轴承轴承是机械传动中的关键部件，在机械零件设计时，要能够根据轴承手册选用合理的轴承。轴承可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）。1、适用范围滚动轴承：中、低速及精度要求较高的场合。滑动轴承：轧钢机、内燃机、雷达、天文望远镜及各类仪表中。2、失效形式（1）滑动轴承的失效形式：磨粒磨损、疲劳剥落、刮伤、腐蚀、胶合。china_54@磨粒磨损----进入轴承间隙的硬颗粒有的随轴一起转动，对轴承表面起研磨作用。疲劳剥落----在载荷得反复作用下，轴承表面出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹，扩展后造成轴承材料剥落。刮伤----进入轴承间隙的硬颗粒或轴径表面粗糙的微观轮廓尖峰，在轴承表面划出线状伤痕。腐蚀----润滑剂在使用中不断氧化，所生成的酸性物质对轴承材料有腐蚀，材料腐蚀易形成点状剥落。胶合----当瞬时温升过高，载荷过大，油膜破裂时或供油不足时，轴承表面材料发生粘附和迁移，造成轴承损伤。china_54@（2）滚动轴承的失效形式：疲劳点蚀、塑性变形、滚动轴承的密封。疲劳点蚀----滚动轴承工作时，轴上的受力通过轴承内圈-滚动体-外圈-基座和相邻元件间的接触面产生接触应力，当应力循环次数达到一定值后会在某一元件上形成表面金属金属脱落现象，即疲劳点蚀。塑性变形材料----在外力作用下产生形变而在外力去除后不能恢复的那部分变形。

3、轴承的润滑非常重要。china_54@2.3.3旋转支撑部件1、旋转支撑的种类及基本要求（1）按相互摩擦的性质分：滑动、滚动、弹性、气体摩擦支撑。按结构特点分：填入式滚珠支撑和刀口支撑。（2）对支撑的要求：方向和置中精度、摩擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、耐磨性以及磨损后补偿的可能性、抗振性及成本。china_54@2.3.3旋转支撑部件2、圆柱支撑支撑表面大，承受载荷大。方向精度和置中精度差，摩擦阻力力矩大。china_54@3圆锥支撑

分向精度和置中精度高，承受能力强，摩擦阻力力矩也较大。置中精度比圆柱支撑好。china_54@2.3.4机架与机座1．机座机架的作用及基本要求刚度与抗振性热变形稳定性china_54@2.4执行机构设计

执行机构作用：实现机电一体化产品主要功能的重要环节。特点：响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高。要求：体积小、质量轻、自控性强、可靠性高。2.4.1微动机构

1、定义：微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。2、作用：精确、微量的调节某些部位的相对位置。3、特点：灵敏度高，最小移动量达到使用要求；传动灵活、平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定的位置；抗干扰能力强，响应快速；结构工艺性良好。

china_54@4、分类：机械式、电气-机械式、弹性变形式、热变形式、磁致伸缩式、压电式等。机械式举例：万能工具显微镜工作台的微动机构（手动机械式）螺旋微动机构1-测微套；2-紧定螺母；3-调节螺母；4-微动手轮；5-螺杆；6-钢珠china_54@磁致伸缩式：该机构是利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应，来实现微量位移。线圈的通电电流变化→磁场强度变化→棒1伸缩变形→运动件发生位移。

△L=±λL

λ：磁致伸缩系数；λ>0表示沿着磁化方向上的尺寸伸长，称为正磁致伸缩，例如铁；反之称为负磁致伸缩，例如镍。china_54@

特点：重复精度高，无间隙，刚度好，转动损量小，工作稳定性好，结构简单、紧凑。但提供的位移量小，适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿、温度补偿及自动调节。

1-磁致伸缩棒；2-运动件china_54@2.4.2定位机构

定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。分度工作台作用：完成回转分度运动，在加工中实现工件一次安装完成几个面的加工。但不能实现0--360范围内的任意角度的分度。只能完成分度运动，不能实现圆周进给。定位组件常用的定位方式：插销定位、反靠定位、齿盘定位、钢球定位。china_54@特点：插销定位分度工作台的定位元件由定位销和定位套孔组成，定位精度取决