第3章--机电一体化机械系统设计

第三章机电一体化系统中的机械设计机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动导轨设计支承装置设计床身设计第一节机械部分设计概述机电一体化系统的机械部分主要用来实现执行和构造两大功能。在一个机电系统中，机械部分惯性和阻力最大，直接影响整个系统的精度和动态特性。一、机电一体化系统对机械部分的基本要求1、高精度机械传动精度主要是由传动件的制造误差、装配误差，传动间隙和弹性变形所引起的。2、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短。机械系统的响应主要取决于加速度。3、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。此外，还要求机械系统具有较大的刚度，良好的可靠性和重量轻，体积小和寿命长。为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚动丝杠副，滚动导向支承等；（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧力的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；（3）选用最佳传动比，以减小等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速度；（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙，减小支承变形等措施；（5）改进支承及架体的结构设计，以提高刚性，减少振动，降低噪音，如采用复合材料等。二、机械系统的组成1．传动机构机电一体化机械系统中的传动机构要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．因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还要满足小型、高速、低噪声和高可靠性的要求。2．导向机构其作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，3．执行机构它是用以完成操作任务的．执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作．一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。三、机电一体化系统中常用机械传动装置（一）齿轮传动1．总传动比的确定齿轮传动系统总传动比i应满足伺服电机与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求。由于负载特性和工作条件的不同，齿轮传动系统的最佳总传动比有不同的确定原则。通常按“负载加速度最大”的原则确定总传动比。用于伺服系统的齿轮传动一般是减速系统，其输入是高速、小转矩，输出是低速、大转矩，用以使负载加速。因此，不但要求齿轮传动系统要有足够的强度和刚度，还要有尽可能小的转动惯量，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。下图所示为传动系统的计算模型。额定转矩为Tm、转子转动惯量为Jm的直流伺服电机，通过减速比为i的齿轮减速器，带动转动惯量为JL、负载转矩为TLF的负载。2．齿轮传动链的级数及各级传动比的分配总传动比确定后，就可根据具体要求在伺服电机与负载之间配置传动机构，以实现转矩、转速的匹配。从减少传动级数和零件的数量出发，应尽量采用单级齿轮传动，这样结构紧凑，传动精度和效率高。但伺服电机跟负载之间的总传动比一般较大，若一级的传动比过大，就会使整个传动装置的结构尺寸过大，并使小齿轮磨损加剧。虽然各种周转轮系可以满足总传动比的要求且结构紧凑，但由于效率等原因，常用多级圆柱齿轮传动副串联组成齿轮系。确定齿轮副的级数和分配各级传动比，按不同原则有三种方法。（1）等效转动惯量最小原则①小功率传动装置以右图所示的电机驱动的二级齿轮传动系统为例。假设传动效率为100％，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，分度圆直径分别为d1、d2、d3，齿宽为b，密度为ρ。例：设i=80,传动级数n=4的小功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。验算i=i1i2i3i4≈80小功率传动级数曲线小功率传动跟大功率传动有何不同？②大功率传动装置大功率传动装置传递的转矩大，各级齿轮副的的模数、齿宽、直径等参数逐级增加。这时，小功率传动的假设不适用，可用下图a、b、c来确定传动级数及各级传动比。各级传动比的分配原则仍然是“前小后大”。用于大功率传动确定传动级数的曲线用于大功率传动确定第一级传动比的曲线用于大功率传动确定第一级齿轮以后各级传动比的曲线•例设有i=256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。通过分析计算，可以得出下列结论：1.按折算转动惯量最小的原则确定级数和各级传动比，从电机到负载，各级传动比按“前小后大”的次序分配；2.级数越多，总折算惯量越小。3.但是级数增加到一定值后，总折算惯量减小并不显著，反而会增大传动误差，并使结构复杂化。另外还要注意，高速轴上的惯量对总折算惯量的影响最大。(2)质量最小原则①小功率传动装置仍以电机驱动的两级齿轮传动为例，假定各主动小齿轮的模数、齿数均相同，轴与轴承的质量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽与材料均相同。•由此可见，对于小功率传动装置，按“质量最小”原则来确定传动比时，其各级传动比是相等的。在假设各主动小齿轮模数、齿数均相等这样的特殊条件下，各大齿轮的分度圆直径均相等，因而每级齿轮副的中心距也相等。这样就能设计成图示的回曲式齿轮传动链，其总传动比为39000。其结构十分紧凑。②大功率传动装置仍以二级齿轮传动为例。假定各主动小齿轮的模数用m1、m3、分度圆直径Dl、D3、齿宽b1、b3都与所在轴上的转矩T1、T3的三次方根成正比。二级传动比分配线图（i10时查图中的虚线）三级传动比分配线图（i100时查图中的虚线）•例设n=2，i=40，求各级传动比。查左图可得i1=9.1，i2=4.4•例设n=3，i=202，求各级传动比。查右图可得i1=12，i2=5，i3=3.4可见，大功率传动装置按“质量最小”原则确定的各级传动比是逐级递减的，即“前大后小”。(3)输出轴转角误差最小原则设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到输出轴上的总转角误差为△φmax，则式中,△φk为第k个齿轮的转角误差；ikn为第k个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。设四级齿轮传动系统各级齿轮的转角误差分别为△φ1,△φ2,△φ3，…，△φ8，则换算到末级输出轴上的总传动比为由此可知，总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。在设计中，为提高齿轮系的传动精度，从电机到负载，各级传动比应按“前小后大”的次序分配，而且要使最末一级传动比尽可能大，同时提高最末一级齿轮副的精度。另外，应尽量减少传动级数，从而减少零件数量和误差来源。（4）三种原则的选择①对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统，可用质量最小原则。②对于要求运动平稳、启动频繁和动态性能要求好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合，以降低噪声和振动。③对于要求提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则来处理。④对传动比较大的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。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。3、齿轮传动的消隙1)刚性消隙法刚性消隙法是在严格控制轮齿齿厚和齿距误差的条件下进行的，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但能提高传动刚度。偏心轴套调整法偏心轴套式消隙机构如图所示。电动机1通过偏心轴套2装在箱体上。转动偏心轴套可调整两齿轮中心距，消除齿侧间隙。这种方法简单，但调整后齿侧间隙不能自动补偿。锥齿轮调整法锥齿轮消除间隙的结构如图所示。将齿轮1、2的分度圆柱改为带锥度的圆锥面，使齿轮的齿厚在轴向产生变化。装配时通过改变垫片3的厚度，来改变两齿轮的啮合的松紧程度，以消除侧隙。•斜齿轮垫片调整法：用两个薄片齿轮与一个宽斜齿轮啮合，两个薄片齿轮在键的作用下不能作轴向相对运动，且两薄片齿轮中间用垫片隔开了一小段距离，这样两个薄片齿轮的螺旋线就错开了。2)柔性消隙法柔性消隙法指调整后齿侧间隙可以自动补偿。采用这种消隙方法时，对齿轮齿厚和齿距的精度要求可适当降低，但对影响传动平稳性有负面影响，且传动刚度低，结构也较复杂。双齿轮错齿调整法碟形弹簧消除斜齿圆柱齿轮侧隙的机构压力弹簧消隙机构双圆柱齿轮消隙机构双齿轮调整机构3.2.2滚珠螺旋传动滚珠丝杠传动是在丝杠和螺母之间放入一定量的滚珠，使丝杠和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动的滑动摩擦变为滚动摩擦。•滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和反向器(滚珠循环反向装置)等四部分组成。丝杠转动，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母上装有反向器，构成滚珠的循环通道，使滚珠从通道的一端滚出后，沿着通道进入另一端，重新进入滚道，形成一闭合回路。与普通滑动丝杠相比，滚珠丝杠传动具有下列特点：(1)传动效率高滚珠丝杠副传动的效率η=0.92～0.96，比常见的丝杠螺母副提高3～4倍（滑动丝杠效率为0.2～0.4）。因此，功率消耗只相于常见丝杠螺母副的1/4～1/3。(2)传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副，本身就具有很高的传动精度，由于摩擦小，启动时无冲击，低速时无爬行，工作时温升变形小，容易获得较高的传动精度。(3)磨损小、寿命长钢球是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，工作寿命一般要比滑动丝杠高5～6倍。(4)运动的可逆性逆传动效率几乎与正传动效率相同，既可把回转运动变成直线运动，又可把直线运动变成回转运动，以用于一些特殊要求的场合。但在需要防止逆向传动的场合，需设置防逆转装置。(5)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。(6)结构复杂，工艺性差，成本高。(7)不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。1、滚珠丝杠副的结构形式滚珠丝杠副的结构形式很多，其主要区别在于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预紧方法等三个方面。（1）螺纹滚道法向截面形状•螺纹滚道法向截面的形状，常见的有单圆弧(图a)和双圆弧(图b)两种。在螺纹滚道法向截面内，滚珠与滚道接触点的公法线和丝杠轴线垂直线之间的夹角刀称为接触角，一般取45°。单圆弧滚道用砂轮加工成型较简单，容易得到较高的加工精度，但其接触角随间隙及载荷变化而变化，故传动效率、承载能力和轴向刚度均不稳定。双圆弧滚道的接触角在工作过程中基本保持不变，故传动效率、承载能力和轴向刚度均比较稳定。滚道底部与滚珠不接触，其空隙可存储一定的润滑油和脏物，以减小摩擦和磨损。(2)滚珠循环方式按滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，可分为内循环和外循环两种。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。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。但精度要求高，否则误差对循环的流畅性和传动平稳性有影响。上图中的反向器为圆形带凸键，不能浮动，称为固定式反向器。若反向器为圆形，可在孔中浮动，外加弹簧片令反向器压向滚珠，称为浮动式反向器，可以做到无间隙有预紧，刚度较高，回珠槽进出口自动对接，通道流畅，摩擦特性好，但制造成本高。外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。插管式外循环结构简单，制造容易，但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。若在螺母外表面上开槽与切向孔连接，在螺纹滚道内装入两个挡珠器，代替弯管，则为螺旋槽式外循环，径向尺寸较小，但槽与孔的接口为非圆滑连接，滚珠经过时易产生冲击。若在螺母两端加端盖，端盖上开槽引导滚珠沿螺母上轴向孔返回，则为端盖式外循环，这种方式结构简单，但滚道衔接和弯曲处不易做准确而影响其性能，故应用较少。(3)消除轴向间隙的调整预紧方法通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间