091125第4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。中心距调节消隙法偏心轴套电机结构简单，但需反复调试双圆柱薄齿轮错齿消隙•齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂凸耳薄齿轮薄齿轮凸耳凸耳螺钉螺母弹簧齿轮增宽消隙法•结构简单，但垫片的厚度需要反复调整斜齿轮垫片薄斜齿轮薄斜齿轮sinH4.2.3丝杠螺母传动机构•丝杠螺母机构，可实现旋转运动直线运动运动方式的转换：传递能量为主（如螺旋压力机、千斤顶等）、传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠）、调整零件之间相对位置为主。•根据摩擦副不同：滑动摩擦丝杠、滚动摩擦丝杠；•根据丝杠和螺母相对运动方式不同：①螺母固定、丝杠转动并移动；②丝杠转动、螺母移动；③螺母转动、丝杠移动；④丝杠固定、螺母转动并移动；⑤差动传动方式丝杠和螺母相对运动方式①螺母固定、丝杠转动并移动②丝杠转动、螺母移动③螺母转动、丝杠移动④丝杠固定、螺母转动并移动⑤差动传动方式•微动机构、快进机构0102()Snll4.2.3.1滚珠丝杠副的组成及特点•滚珠丝杠副结构反向器螺母丝杠滚珠滚珠丝杠副特点：•①传动效率高：92％～96％，耗费的能量仅为滑动丝打的l/4～1/3•②运动具有可逆性：需设置制动装置•③轴向刚度好•④传动精度高，使用寿命长：低速时无爬行现象，能始终保持运动的平稳性和灵敏性；摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，可获得较高的传动精度；由于磨损小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长•⑤制造工艺复杂4.2.3.2滚珠丝杠副的典型结构类型•滚珠丝杠副结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一端自由式支承螺母轴承轴承支承座工作台一端固定一端游动式支承螺母深沟球轴承深沟球轴承轴套推力球轴承支承座垫圈端盖工作台挡圈两端固定式支承丝杠螺母密封波纹管伸缩罩密封圈4.2.3.3滚珠丝杠副传动系统设计•（1）滚珠丝杠副的精度•GB/T17587.3-1998标准:定位滚珠丝杠幅（P）、传动滚珠丝杠副（T）两类•精度：1、2、3、4、5、6、7、10七个等级级，1级最高，依次降低。•（2）丝杠螺母副导程计算maxhjIVPn（mm）IjnmaxV——机械最高运动速度（mm/min）——传动比——电机的最高转速（3）丝杠转速计算iihjnVnPI（r/min）（4）行程补偿值tutLt——热膨胀系数（12.0×10-6）；——温升（一般取2～4℃）；Lu——有效行程uxan2LLLLu12eLLL或Lx——机械最大行程；La——安全行程；Ln——螺母长度；L1——螺纹全长；Le——余程（Vi——mm/min）公称导程Ph/mm456810121620余程Le/mm1620243240455060热变形的补偿•行程偏差与预拉伸力•行程偏差C——目标行程和公称行程之差，为了补偿热变形的影响，行程偏差C=δt并取负值。•预拉伸——固定-固定安装方式时，还可以采用预拉伸丝杠的方法来进一步补偿热变形，预拉伸力Ft：424ttuAEtEFdLE——弹性模量2.1×105Mpa（即2.1×105N/mm2）；d2——丝杠底径（mm）；Δt——温升（一般取2～4℃）（5）基本额定载荷Coa轴向基本额定静载荷Coa——滚珠丝杠副在承受最大接触应力处产生不大于0.0001倍的钢球直径的永久变形时，所能承受的最大轴向载荷轴向基本额定动载荷Ca——一组（相当数量）相同参数的滚珠丝杠副，在相同的条件下，运转10e6转时，90%的滚珠丝杠副的螺纹滚道的表面或钢球的表面不发生疲劳点蚀所能承受的最大轴向载荷。（6）滚珠丝杠副的轴向载荷计算•①水平安装•②铅垂安装hP质量m轴向载荷Fx铅垂载荷Fz正向运动max()azxFmgFmFf（7）预期寿命hLsL—用预期运行时间表示（h）。—用预期运行距离表示（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）滚珠丝杠副的当量载荷Fm及当量转速nm33311221231122iiimiiFntFntFntFntntnt112212iimintntntnttt（9）额定动载荷下限值Cam的计算360(/100)aammhmWaCCnLFff3smWaamhaLFfCCPf按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh按滚珠丝杠副的预期运行距离LsFm——当量载荷fa——精度系数fw——载荷系数表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）额定静载荷下限值Coam•fs——安全系数，一般为1.2～2，有冲击、震动的运动1.5～3•Fmax——是外加在滚珠丝杠副上的最大轴向载荷maxoaoamsCCfF（11）滚珠丝杠副的预紧与轴向接触刚性①滚珠丝杠副的预紧OpFp22F002022平行12pF滚珠丝杠轴向载荷与弹性变形：1——无预紧；2——有预紧预紧——就是在滚珠丝杠副内，预先施加轴向载荷表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3Fpδ03322②滚珠丝杠副的轴向接触刚性a.不预紧的滚珠丝杠副轴向接触刚性1/30.3aaaFKKCb.预紧滚珠丝杠副的轴向接触刚性pmax/3FF预紧力pFKa不是样本上的数值时1/3paaFKKC(12)滚珠丝杠副的转矩•（13）滚珠丝杠副的安装方式•（14）滚珠丝杠副传动系统的轴向刚性•（15）滚珠丝杠副的许用转速、Dn值•（16）滚珠丝杠副的临界压缩载荷、强度计算•（17）滚珠丝杠副传动系统转矩计算•（18）交流伺服电机选择•（19）步进电机选择•（20）设计计算流程设计计算流程列表：负载速度时间最大行程位置精度寿命电机转速1确定导程Ph≥IVmax/nj2计算丝杠各级转速ni=Vi/Ph3计算Fm、nm4估算Ca下限值56按位置精度估算d2下限值7按样本选择滚珠丝杠副的型号规格8计算Dn值9确定预紧力Fp对固定-固定安装情况确定形成补偿C和预拉伸力Ft1011计算轴承载荷，确定型号规格工作图设计1213验算nc≥nmax14验算Pc≥Fmax15验算传动精度，选定精度等级16确定滚珠丝杠副的形位公差1718确定订货代号各种力矩计算，电机选择改用滚动导轨增大Ca增大Ph增大d2改变安装方式改用滚动导轨YESYESYESYESYES171761NONONONONO4.2.4同步带传动机构•特点：•（1）传动比准确，传动效率高；•（2）工作平稳，能吸收振动；•（3）不需润滑，耐油、耐水、耐高温、耐腐蚀，维护保养方便；•（4）中心距要求严格，安装精度要求高；•（5）制造工艺复杂，成本高。可参考国家标准GB11616-89和相关参考资料4.2.5联轴器传动机构•常见新型联轴器：弹性膜片联轴器波纹管联轴器交错切口联轴器弹性膜片联轴器——传递较大扭矩；波纹管联轴器和交错切口联轴器——传递较小扭矩（a）Z1型（b）Z14型弹性胀紧联结套1Z14ZZ1型：结构最简单，它由两个分别带内、外锥面的薄壁环组成，通过多套锥环的串联即可适应传递不同扭矩的要求。这种胀紧套所占的径向尺寸最小，但轴向加压结构需要自行设计；Z14型：内套带有法兰凸缘，只要在轮毂端面设置相应的螺孔即可实现联结套的胀紧，结构相对比较紧凑4.3支承与导向机构•可分为：回转运动支承、直线运动导向支承4.3.1回转运动支承的性能及特点作用——是支承做回转运动的轴或丝杠