机械系统设计.

CompanyLOGO机械系统设计赵建村指导教师：于金第三章1LOGO目录1.概述2.常用传动机构的设计与选用3.导向支承机构设计4.执行机构设计5.机械设计实例2LOGO机械系统组成：1传动机构2导向支撑机构3执行机构3.1概述3LOGO机电一体化对机械系统的基本要求1高精度2低惯性3稳定性4较大的刚度、良好的可靠性、体积小、寿命长等4LOGO3.2常用传动机构的设计与选用常用的传动机构：1同步带2精密齿轮3谐波齿轮4滚珠丝杠5LOGO3.2.1同步带传动机构设计3.2.1.1同步带传动特点结构特点是在带的工作面及带轮外周上制成齿形，通过带齿与轮齿的啮合实现运动和动力传递与变换，同步带内采用了承载后无弹性伸长的材料做强力层，以保持带的节距不变，使主动带轮、从动带轮能做无滑差的同步传动。6LOGODiagram同步带传动特点缺点：1安装要求高2帯与带轮需要加工成齿形，制造工艺复杂等优点：1传动比准确2传动效率高3传动平稳4使用范围广5维护保养方便7LOGO3.2.1同步带传动机构设计3.2.1.2同步带的分类按用途分为：一般用同步带传动（梯形齿）高转矩同步带传动（圆弧齿）特殊用途同步带传动按尺寸规格分：模数制节距制8LOGO3.2.1.3同步带及带轮结构（1）同步带的结构a强力层它是带的抗拉元件，用来传递动力并保证带的节距不变，故多采用有较高抗拉强度，较小伸长率的材料制造，目前采用的有钢丝、尼龙、玻璃纤维等b带齿与带背带齿为啮合元件，带背用来连接带齿、强力层，并在工作中承受弯曲。因此要求有较好的抗剪切、抗弯曲能力以及较高的耐磨性与弹性。常用的材料有氯丁橡胶，聚氨酯橡胶等c包布层在氯丁橡胶制成的同步带上，其齿面覆盖一层包步，以增加带齿的耐磨性及带的抗拉强度，其材料多用尼龙帆布、锦纶布等制成。9LOGO（2）带轮结构a带轮的齿数带轮齿数和带轮的节距控制带轮的直径b带轮的节线与节圆直径同步带上通过强力层中心、长度不发生变化的线成为节线。当同步带包绕在带轮上时。带轮上与带的节线相切、并与节线作纯滚动的圆称为带轮的节圆。在节圆上度量所得的相邻两齿对应点的距离称为节距（Pb）。三者关系：Z—带轮齿数d—带轮节圆直径Pb—节距/dZPbc带轮齿顶圆d0=d-2a10LOGOd带轮宽度（3）带轮的标记11LOGO3.2.1.4同步带传动设计计算同步带传动计算主要是限制单位宽度拉力，以保证带的使用寿命，当啮合齿数少时，需考虑带齿的剪切和磨损。主要是根据同步带传动所需传递的名义功率、主动带轮转速、传动比、对传动中心距的要求、传动的工作条件等确定同步带的型号、节距、带长、中心距、带宽及主动、从动轮齿数、直径等参数。（1）设计功率的确定按照传动使用的原动机与工作机，考虑到不同的运转时间，将所传递的名义功率诚意相应的修正系数极为设计功率（2）确定带的型号与节距根据设计功率和小带轮转速，有同步带选型图确定所需带的型号。然后查出对应的同步带节距。（3）确定带轮的直径和帯节线长1选择带轮齿数Z1、Z22计算带轮节圆直径3确定同步带的节线长度4计算精确中心距5计算小带轮啮合齿数12LOGO（4）确定带宽1）确定同步带额定功率2）确定实际所需带宽（5）带的工作能力检验13LOGO3.2.2精密齿轮传动机构设计机电一体化齿轮传动系统，要研究它的动力学特性，从而获得高精度、高稳定性、高速性、高可靠性和低噪声的齿轮传动系统。1.总传动比的确定齿轮传动机构总传动比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不同，齿轮传动机构的最佳总传动比有不同的原则。两个原则：按负载加速度最大原则确定总传动比按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比14LOGO（1）按负载加速度最大原则确定传动比用于伺服系统的齿轮系是一种力矩变换器，其输入是电机的高速低转矩，输出为低速高转矩，并借此驱动负载。因此，不但要求齿轮系在传动转矩时有足够的强度；还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时转矩要小。即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。15LOGO设齿轮系的传动效率为η，传动比i＞1，即LmLmLmi......///....mmm式中——分别为电机的转角、角速度、角加速度；——分别为负载的转角、角速度、角加速度。令Tc和Tf换算到电机轴上分别为Tc/i和Tf/i，JL换算到电机轴上Jl/i222....()()()cfLLTTJJmLmmegmegiiiTJJJJi令,0/iL))((2egmLmfcmfcJJJTTTTTTi16LOGO简化之，令η=1，,0egfeJTTmLJJi/上式表明：齿轮系传动比的最佳值就是将负载转动惯量换算到电机轴上的惯量恰好等于电机转子惯量，这就能达到惯性负载和力矩源的最佳匹配。LJmJ左图表示上述计算模型的物理意义。用于加速惯性负载的力矩，就是电机力矩与摩擦力矩之差。事实上，考虑工程实际中的各种意外因素，实际传动比可能比计算值低，这样获得的负载加速度就不会超过其最大值。另外，为减小作用于负载的干扰力矩，可以选用较大的传动比。17LOGO（2）按给定的脉冲当量或伺服电机确定总传动比0360it对于开环控制系统，当系统的脉冲当量及步进电机的步距角已确定时，可计算出相应的传动比：伺服传动系统齿轮的总传动比：t----丝杠导程----步距角---脉冲当量18LOGO对闭环系统，则按照伺服驱动电机的额定转速及所要求的移动部件的速度计算总传动比：maxmaxntivmaxv------最大移动速度,m/minmaxn-----电极额定转速,r/mint-----丝杠导程,m按以上公式确定总传动比时，还需要进行转动惯量方面的验算，以保证折算到电机轴上的负载转动惯量不至于过大，以获得较大的加速能力。设计时一般需要改变有关参数，按上述公式及要求反复验算。19LOGO2.齿轮传动的级数和各级传动比的分配多级圆柱齿轮传动链级数和各级传动比的分配，可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。最小等效转动惯量原则重量最轻原则输出轴转角误差最小原则20LOGO2.1最小等效转动惯量原则对于伺服传动系统，要求其启动、停止和逆转快。当力矩一定时，转动惯量越小，角加速度越大，运转越灵敏。这样可使过渡过程短、响应快、启动功率小。因此可以按照转动惯量最小原则确定分配齿轮传动链级数和分配各级的传动比。（1）小功率传动装置以图示为例：简化假设传动效率为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村料的实心圆柱体。21LOGO该齿轮系中各转动惯量换算到电动机轴上的等效转动惯量Je为：2221321211iiJiJJeJJ4213411221,,iJJiJJiii)1(412211211iiieiJJ0/1iJe令21241ii得当411i6/123/121212)2()2()2(2/21iiiiii22LOGO对于n级齿轮系作同类分析可得：)~2()(2212)1(22/121)12(21221nKiiinKnnnnniK各级传动比的分配按“前小后大”次序，级数越多，总折算的转动惯量越小。但级数加到一定值后，转动惯量减小并不显著，反而会增加积累间隙和角度传动误差。高速轴上的惯量对总折算惯量的影响最大。23LOGO(2)大功率传动装置大功率传动装置的转矩较大，小功率传动中的各项简化假设大多不合适。可用图3-21中的曲线确定传动级数，用图3-22中的曲线确定第一级传动比,用图3-23中的曲线确定随后各级传动比iK（K=2～n）。24LOGO2.2重量最轻原则])()()()[(222222224321DDDDbW212212142iipbiDW（1）小功率传动仍以图3-19所示电机驱动的两级齿轮系为例，简化假设同前外，另假各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽均相等，则各齿轮的重量之和W为：式中b——各齿轮宽度；p——村料密度D1、D2、D3、D4——各齿轮的计算直径由于D1=D3，i=i1、i2，则令0/1iW2121iii25LOGO同理，对于n级传动，可得如下结果：niiii32131313131313////iTTbbDDmm由此可见，对于小功率传动装置，按“质量最轻”原则来确定传动比时，其各级传动比是相等的。（2）大功率传动假设所有主动小齿轮的模数m与所在轴上转矩T的三次方根成正比，其分度圆直径D、齿宽b也与转矩的三次方根成正比。即26LOGO)]1(1[2121212114iipiiDbW0/1iW12121211iiiii2）b1=b2，b3=b4可得：令27LOGO(3)输出轴转角误差最小原则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k个齿轮所具有的转角误差；—第k个齿轮的转轴至第n级输出轴的传动比。)/(1maxnkknkimax综上所述，设计定轴齿轮传动系统，在确定总传动比，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。28LOGO2.3齿轮传动间隙的调整方法21435齿轮传动间隙的调整目的：提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差。常用直齿圆柱齿轮传动齿侧间隙的调整方法：偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法29LOGO双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。30LOGO斜齿轮传动齿侧间隙调整（1）垫片调整法消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。（2）轴向压簧调整法利用弹簧的轴向力来使薄片斜齿轮错位。特点是齿侧间隙可以自动补偿。但轴向尺寸较大，结构不紧凑。31LOGO3.2.3谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点。故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。32LOGO（1）工作原理钢轮柔轮波发生器33LOGO1谐波齿轮传动的工作原理谐波齿轮传动是利用机械波来工作的，其传动机构主要由波形发生器、柔轮和刚轮组成。其中波形发生器是主动件，柔轮和刚轮之一是从动件，另一则固定不动。柔轮为外齿轮，刚轮为内齿轮，他们具有三角形的齿形，其齿距相等，而齿数不同，刚轮的齿数多于柔轮。由于谐波齿轮采用了一部分柔性构件，传动时有多对齿啮合来传递载荷，故承载能力大。由于齿轮相对位移不大，而且主要发生载荷小的区域，故啮合摩擦损失小，轮齿的磨损也小。34LOGO谐波减速器中三大部件35LOGO（2）谐波齿轮传动的传动比rgHgHrHrgZZi柔轮的齿数刚轮的齿数波形发生器的角速度柔轮的角速度刚轮的角速度rgHrgZZ36LOGO1）当柔轮固定时（ωr=0）设zr=200,zg=202时，iHg=101说明刚轮与波发生器转向相同。rgHgHHrgZZirgggHHgzzzi：波发生器与钢轮传动比37LOGO2）当刚轮固定时（ωg=0）设zr=200,zg=202时，iHg=-101说明柔轮与波发生器转向相反。rgHHgZZ0grrrHHrzzzi比