机电一体化设计

第二章机械系统设计第一节概述第二节传动机构设计

第三节导向机构设计

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，也就是说响应要快，稳定性要好。

高精度：精度直接影响产品的质量。

快速响应：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要短。

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。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率，适当的阻尼比等要求，为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施:采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件。缩短传动链，提高传动与支承刚度。选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。缩小反向死区误差。改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声二、机械系统的组成机电一体化机械系统应包括以下三大部分机构。

传动机构：不仅变换转速和转矩，已成为伺服系统的一部分。

导向机构：支承和导向。

执行机构：用以完成操作任务。2.1传动概述

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速和转矩。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。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机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有很大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。一、传动机构的性能要求

机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，从而要求传动机构满足以下几个方面：

1.转动惯量：在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响：机械负载增大；系统响应速度降低；灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。<将转动惯量折算到电动机轴上的折算方法>：1）圆柱体：J＝(m—质量d—直径)2）直线运动物体：3）齿轮齿条：

2.刚度大：刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言使有利的：伺服系统动力损失随之减小；机构固有频率高，不易产生共振；增加闭环伺服系统的稳定性。3.阻尼合适：机械系统产生振动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大、精度降低。

4.摩擦小：1）系统误差2）爬行（低速运动时的一种现象，内因是摩擦的非线性）

<克服爬行的措施>：材料上考虑（材质、加工方法的影响）；结构上考虑；惯量上考虑；缩短传动链5.间隙小

二、影响传动性能的因素（机械参数的影响）伺服系统要求具有良好的响应特性和其他动力学性能，影响机械传动链动力学性能的主要因素有：

1.负载的变化：负载包括工作负载惯性负载和摩擦负载等，如果负载通过传动链折算到电动机轴上的等效负载转矩变化过大，二者就不能匹配。

2.惯性的大小：传动链的惯性主要影响伺服系统的启停特性，也影响运动的快速性及其位移和速度的偏差，在转矩一定的条件下，尽量减小传动链的惯性。

3.固有频率的高低：影响系统谐振和传动精度。

4.摩擦、间隙、温升、润滑等因素这些因素往往是非线性的，严重影响传动精度和运动平稳性。三、无侧隙齿轮传动机构由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高等原因，齿轮传动副成为在机电一体化机械系统中目前使用最多的传动机构。机电一体化产品往往要求传动机构具有自动变向功能，这就要求齿轮传动机构必须采取措施消除齿侧间隙，以保证机构的双向传动精度。（一）直齿圆柱齿轮传动机构（二）斜齿轮传动机构（三）锥齿轮传动机构（四）齿轮齿条传动机构四、齿轮传动比分配总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择技术方案，使驱动部件和负载之间的转矩和转速合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等同轴传动方式而采用多级齿轮传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比，分配原则如下：

1.最小等效转动惯量原则（前小后大）

2.重量最轻原则（前大后小）

3.输出轴转角误差最小原则（前小后大）确定传动级数和分配传动比时，要根据系统的工作条件和功能要求，在考虑上述三个原则的同时，考虑其可行性和经济性，合理分配传动比。

2.2滚珠丝杠传动一.滚珠丝杠副的组成及特点二.滚珠丝杠副的典型结构类型

四.滚珠丝杠副的精度等级及标注方法五.轴向间隙调整与预紧

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY七.滚珠丝杠副的设计计算三.滚珠丝杠副的主要尺寸参数

六.滚珠丝杠副支承方式的选择

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY、滚珠丝杠副的组成及特点

1、组成：滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件——滚珠。从图可以看出，它由丝杠、螺母、滚珠和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。

2、特点：

1）传动效率高——效率高达90%~95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。

2）运动具有可逆性

3）系统刚度好

4）传动精度高

5）使用寿命长

6）不能自锁（特别是垂直安装的丝杠）

7）制造工艺复杂二、滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。1、螺纹滚道型面（法向）的形状及主要尺寸，我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型。

2、滚珠的循环方式，滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。内循环：内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整不方便。外循环：外循环方式中的滚珠在循环返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：a）螺旋槽式b)插管式c)端盖式优先选用2.5，5，10，20及40长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY五、轴向间隙调整与预紧

滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空会是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：

垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY六.滚珠丝杠副支承方式的选择

支承方式：滚珠丝杠副的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。

单端支承形式和两端支承形式。两端支承形式有：一端固定、一端自由（F-O）；一端固定、一端游动（F-S）；两端固定（F-F）

2.2传动机构设计

一.同步带二.谐波齿轮传动

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY——其他典型传动

一.同步带

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGYtext5text61.2.3.同步带传动的特点和分类同步带的结构

同步带传动的失效形式

4.同步带传动设计准则及计算长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.同步带传动的特点和分类

同步带传动如图2-24所示，封闭环形带的工作面有等间距的齿形，与外界有相应齿形的带轮作啮合传动，传递运动和动力。它兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点。<与其他传动相比，同步带有下列特点>：

1）传动比准确，同步带是啮合传动，工作时无滑动。

2）传动效率高，可达98%，与V带相比，可节能10%以上。

3）传动平稳，能吸收振动，噪声小。

4）使用范围广，传动比可达10，且带轮直径比V带小得多，也不需要大的张紧力，结构紧凑。高速达50m/s，传递功率达300kW。

5）维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀介质的恶劣环境中工作，不需润滑。

6）安装要求高。要求两带轮轴线平行。

7）带与带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影响大。<分类>：

1）按用途分：一般工业用、高转矩、特种规格和特殊用途等

2）按齿形分：有梯形齿、圆弧齿

3）按规格制分：模数制、节距制和DIN米制节距制等

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2.同步带的结构：同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。承载绳：用于传递动力和保持节距不变。采用抗拉强度较高、伸长率较小的材料制造。带齿和带背：带齿直接与带轮啮合，要求剪切强度和耐磨性高，耐热性和耐油性好。带背用于连接和包复承载绳，要求柔韧性和抗弯强度高，与承载绳的粘结性好。包布层：一般用尼龙或锦纶丝织成。要求包布的抗拉强度和耐磨性好。3.同步带传动的失效形式

1）承载绳断裂

2）爬齿和跳齿

3）带齿的磨损

4）其他的失效形式4.同步带传动设计准则及计算

二、谐波齿轮传动

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGYtext4text5text61.2.3.工作原理传动特点

传动比计算

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY传动特点1）传动比大：单级为50——500，多级和复式传动可达30000以上2）承载能力大3）传动精度高：比一般齿轮至少高一级，齿侧间隙小4）传动平稳，基本上无冲击振动5）传动效率高；单级传动的效率为65%——90%6）结构简单、体积小，重量轻：比一般齿轮体积和重量减轻1/2——1/37）成本高：柔轮材料性能要求高，制造较困难，精度高

第三节导向机构设计

一.导轨的功用

三.导轨的基本要求

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY二.导轨的分类及特点

五.滚动直线导轨的类型与选择

四.导轨副的设计内容长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、导轨的功用：

支承和导向（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）二、导轨的分类和特点

导轨主要由承导件（静导轨）和运动件（动导轨）两大部分组成。按运动方向分为：直线运动导轨副和回转运动导轨副。按其接触面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨和液体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为：开式（借助重力或弹簧弹力保证动、静导轨之间的接触）和闭式（只靠导轨本身的结构形状保证动、静导轨之间的接触）长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY三、导轨的基本要求1.导向精度：包括垂直、水平平面内的直线