机电一体化系统机械系统

第二章机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计第一节机电一体化系统对机械系统部件的要求第二节机械传动部件的选择与设计第三节导向支承部件的选择与设计第四节旋转支承部件的选择与设计第五节轴系部件的选择与设计第六节机电一体化系统（产品）的机座或机架第一节机电一体化系统对机械系统部件的要求一、典型机电一体化系统的组成:控制部件，接口电路，功率放大器，执行元件，机械传动部件，导向支承部件，检测传感部件。二、机械系统的组成:线性传动部件；非线性传动部件；导向支承部件；旋转支承部件；轴系；机座；机架三、机械系统部件的要求:较高的定位精度；良好的动态响应特性（响应速度快，稳定性好）；无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等。四、采取的措施:1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；如采用滚珠丝杠副；滚动导向副；动（静）压导向支承缩短传动链,提高传动与支承刚度；如采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导 轨副的传动与支承刚度。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,如采取消除传动间隙,减少支 承变形的措施。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。如采用复合材料等来提高刚度和强度,减轻重量、缩小体积使结构紧密化,以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化第二节机械传动部件的选择与设计一、机械传动部件及其功能要求类型:螺旋传动，齿轮传动，同步带传动，非线性传动部件功能:传递转矩和转速；实质上是一种转矩、转速变化器。目的:使执行元件与负载之间在转矩和转速方面得到最佳匹配。作用:机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。设计和选择要求:传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大。二、丝杠螺母机构（螺旋传动机构）基本形式传动功能:旋转运动 直线运动；传递能量及运动分类:滑动丝杠螺母机构:结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁功能，但摩擦阻力矩大、传动效率低（30%-40%）。滚珠丝杠螺母机构:传动效率高、摩擦阻力矩小、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长；但结构复杂，制造成本高，不能自锁（具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需采用制动措施）。在机电一体化系统中应用广泛。5种基本传动形式(按丝杠和螺母相对运动的组合情况分):螺母固定、丝杠转动并移动:螺母本身起着支承作用，结构简 单，传动精度较高，刚性差，适用于行程较小的场合。丝杠转动、螺母移动:需导向装置来限制螺母的转动。结构紧 凑、丝杠刚性好，使用于行程较大的场合。螺母转动、丝杠移动:需限制螺母移动和丝杠转动，结构复杂 且占用轴向空间较大，应用较少。丝杠固定、螺母转动并移动:结构简单、紧凑，使用不方便。差动传动:多用于各种微动机构三、滚珠丝杠传动部件简述:是一种新型螺旋传动机构；由丝杠、螺母、滚珠、反向 器组成；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。特点:如前所述3.结构类型:1)按螺纹滚道的截面形状分单圆弧型:接触角随轴向载荷大小的变化而变化。接触角增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。双圆弧型:接触角在工作过程中基本保持不变（ 45 ）。能存储一定的润滑油以减少摩擦；加工成本高2)按滚珠的循环方式分类:循环方式代号特点内循环浮动反向器式(p.23图2.6)F通道流畅性好，摩擦特性好；适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。固定反向器式(p.23图2.5)G结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，反向器加工困难，装配调整也不方便。外循环螺旋槽式(p.24图2.7)L工艺简单，径向尺寸小，易于制造；挡珠器刚性差，易磨损插管式 埋入凸出CMCT结构简单，容易制造，但径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。端盖式(p.24图2.9)D结构简单，工艺性好，常以单螺母形式用作升降传动机构。应用较少。主要尺寸参数：(p.24图2.10)公称直径d0（特征尺寸）：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径基本导程l0：丝杠相对于螺母旋转2 弧度时，螺母上基准点的轴向位移。l0根据机电一体化产品的精度要求确定，精度要求较高时应选取较小的基本导程。导(行)程：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。滚珠的工作圈数：一般取2.5~3.5。第一、第二和第三圈滚珠分别承受轴向载荷的50%、30%和20%左右。滚珠总数N： 150丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1螺母螺纹大径D.螺母螺纹小径D1丝杠螺纹全长ls滚珠直径Db5.轴向间隙的调整与预紧:提高其传动刚度预紧方式代号说明双螺母螺纹预紧(p.27图2.12)L结构简单，刚性好，预紧可靠，调整方便，但不能精确定量地进行调整双螺母齿差预紧(p.27图2.13)C调整精确方便，但结构复杂双螺母垫片预紧(p.27图2.14)D结构简单，刚性高，预紧可靠，调整不方便，单螺母变位导程

预紧(p.27图2.16)B结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。单螺母无预紧方式不标(或标W)精度等级及标注方法精度等级:JB/T3162.2-1991:七个等级:1，2，3，4，5，7，101级最高，依次递减。数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统可选用1，2，3级；一般动力传动可选用4，5级；全闭环系统可选用2，3，4级。尺寸系列:ISO/DIS3408-2-1991公称直径d0(mm):6,8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125,160基本导程l0(mm):1,2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,32,40。尽可能选用2.5,5,10,20,40标注方法及示例支承方式的选择滚珠丝杠的支承,主要是约束丝杠的轴向窜动,其次才是径向约束支承方式支承方式特点支承系数fk支承系数f2单推-单推(J-J)p.29图

2.17轴向刚度较高，预紧力较大，但轴承寿命比F-F式低14.73双推-双推(F-F)p.29图2.18轴向刚度最高，适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。43.927双推-简支(F-S)p.29图2.19轴向刚度较高，适合于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统23.142双推-自由(F-O)p.29图2.20轴向刚度及承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。0.251.8758.制动装置超越离合器:体积小、重量轻、易于安装。P.31图2.25电磁-摩擦制动装置:P.31图2.26密封与润滑防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副非接触式密封圈(迷宫式密封圈):由聚氯乙烯等塑料组成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙接触式密封圈:用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但防尘效果好防护套:折叠式密封套、伸缩套管、伸缩挡板 P.32图2.27使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精 度、延长其使用寿命。润滑脂:在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑润滑油:应经常通过注油孔注油选择计算四、齿轮传动部件转矩、转速和转向的变换器常用齿轮传动装置的传动形式:一级、二级、三级要求:足够的刚度，转动惯量尽量小，齿侧间隙较小， 精度较高（用调整齿侧间隙的方法来代替）。最佳总传动比:1)负载的综合:工作负载Tc、惯性负载、摩擦负载Tf综合为系统的总负载。方法有:峰值综合:各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和方和根综合:各种负载为随机性负载，取各负载的方和根2)最佳总传动比:使负载转矩值最小或负载加速度最大的总传动比目的:达到最高系统分辨率、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（1）负载加速度最大的总传动比（2）

等效峰值综合负载转矩（Temp）最小的总传动比Tc

Tcp

；

Tf

Tfp

；（3）

等效方和根综合负载转矩（TemR）最小的总传动比Tc

TcR；

Tf

TfR

；(4)总传动比i的实际选择原则上总传动比i取在（iA，iB）范围内，用于产生加速度的转矩为(Tm-TemL)。为提高其抗干扰力矩的能力常用较大的传动比。实际工作中，若考虑电机的额定转矩Tnm或许用过载转矩 Tnm，则总传动比i取在(iD，iB)或(iC，iB)范围内考虑工程实际中的各种以外因素，总传动比I的选取可以偏大偏大的总传动比提高系统的稳定性，但影响系统的快速响应。V.偏大的总传动比改善系统的低速稳定性，但传动级数增多，传动精度、效率、刚度与系统固有频率降低。VI.当选定步进电动机的步距角 、系统脉冲当量 和丝杠基本导程l0后，总传动比应满足匹配关系:5．各级传动比的最佳分配原则1）等效转动惯量最小原则:(1)小功率传动:以两级齿轮传动系统为例。假设各主动小齿轮转动惯量相同；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同材料的实心圆柱体。则等效到电动轴上的等效转动惯量为:各级传动比的分配按“前小后大”次序，结构较紧凑。过多增加传动级数没有意义，反而会增大传动误差，并使结构复杂化(2)大功率传动:小功率传动中的各项假设不适用，其计算公式不能通用，按相关的经验曲线（见赵松年的《机电一体化机械系统设计》p.52的图3-21至图3-23）确定各级传动比。各级传动比的分配仍按“前小后大”次序2）重量最轻原则(1)小功率传动:以两级齿轮传动系统为例。假定各主动小齿轮模数m、齿数Z、齿宽b均相等，故所有大齿轮模数、齿数、齿宽均相等；每级齿轮副的中心距离也相同。则各齿轮的重量之和W为::材料密度；b:各齿轮宽度；Di:各齿轮的计算直径齿轮传动系统可设计成曲回式传动链(2)大功率传动:以两级传动为例假定:(1)(2)b1=b2，b3=b4各级传动比按“前大后小”的原则进行分配的。3)输出轴转角误差最小原则以四级齿轮传动系统为例,四级传动比分别为i1,i2,i3,i4。齿轮1~8的转角误差依次为 1~ 8。该传动链输出轴总转角误差max为n级齿轮系输出轴总转角误差为:k为第k个齿轮所具有的转角误差；ik为第k个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。各级传动比按“前小后大”的次序进行分配。在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。4）说明: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。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，可按最小等小转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于提高传动精度和减少回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。合理布置传动链可以提高齿轮传动链的传动精度，措施如下:缩短齿轮传动链，减少传动副数齿轮传动链的总传动比确定后，各级传动比的分配应“前小后大”。特别是末级传动比增大后，传动链内所有齿轮的转角误差在综合时都响应减小。同时提高末级传动副的精度，整个齿轮传动链的精度就得以提高。增大齿轮齿数。传动比确定后，在不影响整体结构尺寸的前提下，增大小齿轮齿数，可以使重合度增大。对以较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混和轮系。对于相当大的传动比、并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。6.谐波齿轮传动1)谐波齿轮传动的组成和工作原理组成:波形发生器（主动件）；刚轮、柔轮（从动件）工作原理:柔轮弹性变形，柔轮长轴两端的齿与刚轮齿槽完全啮合，而柔轮短轴两端的齿与刚轮齿槽完全脱开。当主动件转动时啮合，啮出，脱开，啮入，啮合 从动件转动。特点:结构简单、传动比大、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。用途:工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中传动比计算: g， r， H分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度；Zg和Zr分别为刚轮和柔轮的齿数–刚轮固定(g=0)，柔轮输出:若Zr=200,Zg=202,iHr=-100；负值说明柔轮与波形发生器的转向相反柔轮固定(r=0)，刚轮输出:若Zr=200，Zg=202,iHr=101。正值说明刚轮与波形发生器的转向相同。5)主要参数的设计计算(1)齿形:渐开线，齿形角为20 。应用广泛为防止啮合干涉，采用短齿和径向变位XR:柔轮径向变位系数XG:刚轮径向变位系数0:径向变形量系数；0=0.8-1.2其他有关齿形的因素有:齿廓工作段高度hn:hn=(1.3-1.6)m齿顶不变尖:保证齿顶厚Sa0.25m顶隙不小于0.2m不产生过渡曲线和其他啮合干涉。(2)柔轮内径d:恒定载荷、长期寿命的工作条件下:经验公式:Trd:为经验系数， Trd=0.1-0.3(N/mm2)6)单级谐波齿轮减速器简介原电子工业部SJ2604-85<<单级谐波齿轮减速器>>标准。10个机型43个品种；柔轮内径表示机型号。型号标注:产品代号，规格代号，精度等级三部分组成7.齿轮传动间隙的调整方法偏心套（轴）调整法:p.39图2.35结构简单，侧隙不能自动补偿轴向垫片调整法 p.39图2.36结构简单，侧隙不能自动补偿双片薄齿轮错齿调整法 p.39图2.35反向时不会出现死区周向弹簧式: p.39图2.37受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制，仅适用于读数装置而不适用于功率驱动装置可调拉簧式: p.39图2.38五、同步带传动

（挠性传动部件）•

11.定义:封闭环形带的工作面有等间距的齿形，与外周有相应齿形的带轮作啮合传动，传递运动和动力。综合了普通带传动和链轮、链条传动优点的一种新型传动2.特点:传动比准确；啮合传动，工作时无滑动传动效率高（可达98%）。与V形带相比，可节能10％以上传动平稳，能吸收振动，噪音低能高速传动（传动比可达10）；结构紧凑（带轮直径小）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。安装精度要求高、带轮中心距要求严格。安装不当易生干涉、爬齿、跳齿等现象。同步带具有一定的蠕变性。带和带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影响大。同步带传动分类按齿形分（1）梯形齿:ISO及国标； （2）圆弧齿:企业标准按规格制分（1）模数制 (2)节距制:ISO及国标4．同步带结构:承载绳（加强筋）: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。钢丝、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维带齿:直接和带轮啮合；要求剪切强度和耐磨性高，耐热性和耐油 性好。氯丁橡胶、聚氨酯橡胶带背: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。氯丁橡胶、聚氨酯橡胶包布层:保护带齿。要求抗拉强度和耐磨性好，与氯丁胶基体的粘 结性好。尼龙、锦纶丝5.同步带的型号:GB11616-89《节距制同步带》MXL:MinimaleXtraLightXXL:eXtraextraLightXL:eXtraLightL:LightH:HeavyXH:eXtralHeavyXXH:eXtraeXtraHeavy最轻型。节距为2.032mm超轻型。节距为3.175mm

特轻型。节距为5.080mm

轻型。节距为9.525mm

重型。节距为12.700mm特重型。节距为22.225mm最重型。节距为31.75mm6.同步带的带齿分布:单面齿、对称双面齿(DA)、交错双面齿(DB)同步带的尺寸:长度:以节线长度为公称带长，为节线上齿数与节距的乘积。宽度:各种型号的标准带宽系列中，最大尺寸的标准带宽为该型 号同步带的基准宽度。标号:包括长度代号、型号和宽度代号。双面齿带还在标号最前面表示型式代号8.同步带轮尺寸规格:GB11361-89《节距制同步带轮》带轮齿数Z:齿数不宜过少。过少使同时啮合的齿数减少，导致带齿 承载过大，并使带的弯曲应力增大。许用最小齿数应根据带型号和 小带轮转速进行确定。带轮宽度:同一种型号的带轮有不同的宽度代号带轮直径:由型号和带轮齿数进行确定标号:同步带的失效形式承载绳断裂:原因是带型号过小和小带轮直径过小等 爬齿和跳齿:原因是同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。带齿的磨损:原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。 其他失效方式:带侧棱边磨损（带和带轮的制造安装误差引起）；带齿剪切破坏（带与带轮间的节距差值过大和啮合齿数过少引起）；带背的龟裂；承载绳抽出；包布层脱落等10.设计准则:在不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下，保证带齿的一定耐磨性。设计计算：参见赵松年的《机电一体化机械系统设计》p.43-46已知条件：需要传递的名义功率Pm；主、从动轮的转速n1.n2或传动比i；传动部件的用途、工作条件和安装位置。确定带的设计功率Pd：Pd=K1(1+K2)(1+K3)PmK1：考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数；K2：考虑增速的修正系数；K3：考虑张紧轮配置的修正系数。选择带型和节距Pb：由设计功率Pd和小带轮转速n1在同步带选型图上进行选择带轮齿数z和节圆直径d：根据带型号和小带轮转速进行确定小带轮齿数Z1。大带轮齿数Z2=Z1i。小带轮的节圆直径d1=PbZ1/ (mm)。大带轮的节圆直径的d2=d1i(mm)。5）直径初定后验算带速v:v=d1n1

/(60 1000)

(m/s)MXL~L:vmax=40~50m/s；H:vmax=35~40m/s；XH、XXH:vmax=25~30m/s；6）同步带的节线长度Lp、齿数zb及传动中心距C校验带与小带轮的啮合齿数zm确定实际所需同步带宽度bs(1)计算所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率P0:P0=(Ta-mv2)v/103 (kW)式中，Ta为各种型号同步带在基准宽度下的许用圆周力(N)；m为各种型号同步带的单位长度质量(kg/m)；v为同步带的传动速度(m/s)计算啮合系数Kz:当zm 6，Kz=1；当zm<6，Kz=1-0.2(6-zm)计算齿宽系数Kw:Kw=(bs/bs0)1.14。bs0为基准带宽确定