机电一体化系统设计(第二章)

机电一体化系统设计第二章机电一体化系统机械部件选择与设计张建民编著高等教育出版社讲授：何庆中机电工程系厚德达理励志勤工第二章机电一体化系统机械系统部件的选择与设计机电一体化系统的构成基础——机械构件及其传动部件控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承件以及传感元件等部分均与机械部分相关，而最主要的是机械传动部件，导向支承件部件。厚德达理励志勤工机电一体化机械系统的特殊要求机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：（1）较高的定位精度。（2）良好的动态响应特性。——响应快、稳定性好。（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。这表明了机械系统部件选择与设计时的特点和要求。厚德达理励志勤工在机电一体化机械系统设计中的主要措施和手段要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施：（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。厚德达理励志勤工（3）合理（最佳）选择传动比，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，尽可能的提高系统的加速能力。（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向传递误差。（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。厚德达理励志勤工第2.1节机械传动部件的选择与设计2.1.1机械传动部件及其主要功能常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，其它非线性传动元件。主要功能：传递力/转矩和速度/转速——力/转矩、速度/转速变换器。厚德达理励志勤工机械传动部件的作用和要求主要作用或目的——使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。基本要求——传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。可按传动部件的用途——工作机或信息机的主要功用而确定目标指标和参量。机电一体化机械传动部件的发展方向——精密化，高速化，小型化，轻量化。厚德达理励志勤工2.1.2丝杠螺母机构传动形式与特点（1）丝杠螺母机构的主要构成丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装置）。功能：实现旋转运动与直线运动之间相互转换或调整。作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的传递。分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。厚德达理励志勤工（2）丝杠螺母机构传递运动的基本条件1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。厚德达理励志勤工（3）丝杠螺母机构的特点滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%）、传动精度高。厚德达理励志勤工a)螺母固定、丝杆转动并移动特点：结构简单、传动精度较高、螺母支承丝杆可消除附加轴向窜动，刚性较差特点：结构紧凑、丝杆刚性较高、要限制螺母转动，故需导向装置b)丝杆转动，螺母移动c)螺母转动、丝杆移动特点：结构复杂、站用空间较大、传动时需限制螺母移动和丝杆转动但使用不方便，故应用较少。特点：结构简单、紧凑、丝杆刚性较高d)丝杆固定，螺母转动并移动厚德达理励志勤工（4）丝杠螺母传动的类型与特点丝杠螺母机构差动传动的工作原理0102S厚德达理励志勤工2.1.3滚珠丝杠传动部件（1）滚珠丝杠副的组成由带螺旋槽的丝杆、螺母、滚动元件滚珠/滚柱、回珠装置等组成。各元件的作用：1234厚德达理励志勤工（2）滚珠丝杠传动的特点具有传动阻力小；传动效率高（92%~98%）；轴向刚度高（适当预紧消除丝杠与螺母之间的轴向间隙或预拉丝杠）；传动平稳；传动精度高；不易磨损、使用寿命长等优点；但不能自锁；因而用于高精度传动和升降传动时，需制动定位装置。厚德达理励志勤工（3）滚珠丝杠副的典型结构类型主要按螺纹滚道截面形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙的调整与预紧方式三种形式进行分类。1）按螺纹滚道截面形状分类：分单圆弧型和双圆弧型两类。bba)单圆弧型滚道bb)双圆弧型滚道b厚德达理励志勤工单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。双圆弧滚道单圆弧滚道厚德达理励志勤工2）按滚珠的循环方式分类：内循环方式和外循环方式两类。a）内循环方式浮动式反向器内循环方式24315厚德达理励志勤工b）外循环方式端盖式外循环插管式外循环14324厚德达理励志勤工3）消除轴向间隙的调整与预紧方式无论是滑动丝杠还是滚动丝杠传动，由于在结构上均存在一定的轴向间隙，以及磨损间隙的存在，为了保证运动传递的连续性和可靠性，消除轴向间隙并实施一定预紧，有利于提高丝杠的传递精度和一定的承载能力。消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：主要分为双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整四种方式。厚德达理励志勤工滚珠丝杠的间隙调整与预紧特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、调整方便，但无法定量调整。a)双螺母螺纹预紧调整特点：结构较复杂、刚性好、预紧可靠、c)双螺母齿差预紧调整但结构复杂、轴向刚度较差、适合清载场合。可定量调整（0.002mm/齿），精度高、方便。d)弹簧式自动预紧调整使用调整不方便，但无法定量调整。b)双螺母垫片预紧调整特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、厚德达理励志勤工（3）选择滚珠丝杠副支承方式为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。丝杆安装刚度最高，预拉力随温度变化而变化，两端轴承预紧力不均。提高了丝杆安装刚度，预拉力越大，轴承寿命降低。特点：两端止推轴承可使滚珠丝杆产生预拉伸力，特点：一端固定，另一端自由，丝杠刚度较差，承载能力低。常用于轻载、低速、垂直安装的丝杠传动。d)双推--自由式支承另一端简支可适当的提高丝杆安装刚度，丝杆无热变形应力。b)双推--简支式支承特点：滚珠丝杆一端固定并产生一定预拉伸力，特点：两端止推轴承可使滚珠丝杆产生较大的预拉伸力，c)双推--双推式支承a)单推--单推式支承滚珠丝杠副的四种支承方式及其特点厚德达理励志勤工a）单推——单推式结构形式厚德达理励志勤工b）双推——简支式结构形式厚德达理励志勤工c）双推——双推式结构形式厚德达理励志勤工厚德达理励志勤工d）双推——自由式结构形式（4）滚珠丝杠副的制动装置作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能力）。常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。超越离合器双推式电磁离合器12345123467厚德达理励志勤工摩擦/电磁离合器的工作原理基本工作原理厚德达理励志勤工机电或气（液）动离合器工作过程与结构厚德达理励志勤工非接触盘式电磁离合器/制动器厚德达理励志勤工非接触式导轨式电磁制动器厚德达理励志勤工（5）滚珠丝杠副的润滑与密封润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。密封：接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式密封）。防尘与防护：折叠式防尘套、伸缩式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。厚德达理励志勤工（6）滚珠丝杠副的选择方法1）滚珠丝杠副结构形式确定依据预紧条件和防尘条件决定滚珠丝杠副的结构形式。单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副——以动力传动为主，允许传动存在一定间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设备上（导向精度由导轨保证）。单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副——主要用在传递轻载荷、对传递动力的平稳性和丝杆刚度要求比高（预紧力较小）的小型设备上。厚德达理励志勤工双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副——主要用于重载，以传递动力和运动为主，对传递动力和运动的平稳性有较高的要求，传递精度高、丝杠刚度大防尘效果好的高精度机器设备上。丝杠侧螺母A螺母B调整垫片预拉方向预拉方向预紧方向垫片预紧方向厚德达理励志勤工预紧原理预紧结构2）滚珠丝杠副基本结构尺寸的选择主要依据滚珠丝杠副传递的最大载荷、运动特性（传递速度）和范围（有效行程）、传递精度要求，选定滚珠丝杠副的公称直径、基本导程以及传递精度等级。厚德达理励志勤工厚德达理励志勤工滚珠丝杠螺母传动机构的规格尺寸举例确定基本参数的原则·公称直径大，承载能力强；反之，承载能力弱。·基本导程大，承载能力强，传动速度快，传动精度降低；反之，承载能力减弱，传动速度慢，传动精度高。·传递精度：决定设备静态定位和运动精度、动态响应特性、动态稳定特性。厚德达理励志勤工3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。·承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。·压杆稳定性验算或校核压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。·刚度验算结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。**由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。厚德达理励志勤工2.1.4齿轮传动部件齿轮传动部件的作用：转矩、转速和转向的变换器。（1）机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：定轴传动轮系、行星齿轮传动轮系、谐波齿轮传动轮。1）定轴轮系传动i=ii12i12iZZZZi=1-2132H2213Z2当柔轮固定时，Z-Zgi=r=gZgZrHng+2ZZ=ngr齿轮传动齿轮齿条传动厚德达理励志勤工变速箱传动结构厚德达理励志勤工2）行星齿轮传动轮系主要由传动齿轮、定位齿轮、行星齿轮和行星架等组成。i=ii12i12iZZZZi=1-2132H2213Z2当柔轮固定时，Z-Zgi=r=gZgZrHng+2ZZ=ngr行星齿轮传动轮系的组成与工作原理厚德达理励志勤工行星差速变速器厚德达理励志勤工3）谐波齿轮传动厚德达理励志勤工工作原理主要组成元件工作过程实用产品谐波齿轮传动过程厚德达理励志勤工（2）齿轮传动最佳传动比配置的基本要求配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的位移、速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。由于，机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动精度、工作条件差异很大，齿轮传动部件传动比的配置应主要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。在一般情况下，可重点考虑如下几方面内容：运动参量匹配——传递形式与类型功率/力/力矩匹配——结构强度与刚度转动惯量——系统响应特性（静态/动态）传递精度——传递间隙、平稳性、低速震荡（爬行现象）厚德达理励志勤工（3）各级传动比最佳分配原则1）重量最轻原则•小功率传动装置各级传动比（等传动比分配，等模数原则）niiii321厚德达理励志勤工•大功率传动装置各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。（不等传动比分配，不等模数原则）2）输出转角误差最小原则为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则：式中：—第个齿轮所具有的转角误差；—第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。)/(1maxn