第2章 机械系统部件及其设计

2.3导向与支承机构2.2机械传动机构2.1概述第2章机械系统部件及其设计2.4机械执行机构2.1概述随着机电控制技术的发展，在机电一体化产品中广泛采用了伺服技术和计算机控制技术，每一个机械运动往往可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成子系统来完成，而各个子系统之间的运动协调则由计算机来实现。因此，机械系统往往是整个伺服系统的一部分，其实现的方法、手段和可靠性往往对机电一体化产品的性能有着主要的影响。2.1.1机电一体化产品对机械系统部件的基本要求1）高精度机电一体化产品的精度将直接影响着产品的性能和可靠性。而与普通机械产品相比，机电一体化产品的使用功能、技术性能和工艺水平都有着很大的提高。如果机械系统精度不能满足要求，即便其它组成部分的工作性能很精确，也不可能完成预定的机械操作。因此，机电一体化产品中的机械系统的高精度是首要的、基本的要求。2）快速响应特性快速响应是控制系统的一项重要指标，这就对作为机电一体化伺服系统一部分的机械系统提出了低惯性的要求，具体可分为机械本体的重量轻、转动惯量小和低阻尼特性等。3）高稳定性这是对机械系统的抗干扰能力提出要求，即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响。2.1.2机电一体化产品机械系统的基本组成及其功能一个典型的机电一体化产品，通常由数字控制部件、接口与功率放大电路、机械系统部件、执行元件（步进电机、伺服电机等），以及传感检测元件等组成。其中，按照具体功能及其实现方法的不同，可将机械系统部件分为机械传动机构、导向与支承机构，以及机械执行机构。2.2机械传动机构机械传动机构的主要功能：传递转速和转矩、改变速度大小和范围、改变运动形式(旋转运动变为直线运动或曲线运动等)、改变运动方式(连续运动变为间歇运动等)、单向运动变为往复运动等多种功能。机电一体化产品中的机械传动部件设计要求：精确的传动比、高刚度、低摩擦、低振动、低噪声、高热稳定性、传动链短、转动惯量小、无间隙传递、小型化、轻量化。基本功能常用机构运动变换动力变换形式行程方向速度形式大小丝杠螺母√√√齿轮传动√√√齿轮齿条√√链轮链条√带、带传动√√缆绳、绳轮√√√√√杠杆机构√√√连杆机构√√√凸轮机构√√√√摩擦轮√√√万向节√软轴√涡轮蜗杆√√√间歇机构√表2.1常用传动机构及其功能2.2.1齿轮传动机构及其设计齿轮传动机构的特点：恒定传动比，能传递任意夹角两轴间的运动、并且结构紧凑、传递动力大、传动效率高、工作平稳、可靠性高。齿轮传动的回差：对于齿轮传动来说，回差产生的主要原因是齿轮副的侧隙和加工装配误差，因此在设计时必须采取必要的措施来控制齿轮传动中的间隙。侧隙的大小取决于载荷作用下摩擦温升引起的热变形、制造装配误差和储存润滑油的需要。控制齿轮副侧隙的几种常用方法：1）直齿圆柱齿轮传动机构回差调整方法（1）偏心轴套调整法（2）轴向垫片调整法（3）双片薄齿轮错齿调整法图2.7轴向垫片式调隙结构图2.8双片薄齿轮错齿式调隙结构图2.6偏心轴套式调隙结构2）斜齿轮传动机构回差调整方法（1）垫片调整法（2）轴向压簧调整法图2.9垫片调整式消隙结构图2.10轴向压簧调整式消隙结构3）锥齿轮传动机构回差调整方法（1）轴向压簧调整法（2）周向弹簧调整法图2.11轴向压簧式消隙结构图2.12周向弹簧调整式消隙结构谐波齿轮传动特点：谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十~几百）、传动精度高、回程误差小、噪声小、传动平稳、承载能力大、效率高和可靠性高，以及无需密封元件就可向密闭空间传递运动等优点，现已在空间技术、军事工业、工业机器人等机电一体化产品中得到了日益广泛的应用。图2.14谐波齿轮的结构组成图2.15谐波齿轮结构原理图2.2.2丝杆螺母机构及其选用丝杆螺母机构主要用来将旋转运动变为直线运动。丝杆螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杆螺母:机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能。但其摩擦阻力大、传动效率低（30%~40％）。滚动丝杠螺母:机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力小、传动效率高（92％~98％)，因此在机电一体化产品设计中得到广泛应用。图2.18滚珠丝杠副结构示意图a）为单圆弧型b）为双圆弧型图2.19螺纹滚道法向截面形状2.2.3同步带传动同步带传动的主要优点：（1）同步带属于啮合传动，传动过程中无相对滑动，传动比恒定。（2）传动效率高，效率可达98%，节能效果显著。（3）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低。（4）速比范围可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦。（5）耐油、耐磨性好，抗老化性能好，维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等恶劣环境中使用，且不需要润滑。（6）可用于长距离传动，中心距可达10m以上。图2.37同步带传动结构2.3导向与支承机构导向与支承机构的主要功用是保证机电一体化产品中各零、部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证产品整机具有足够的静刚度、抗振性、热稳定性、精度保持性和结构工艺性。导向与支承机构种类：回转运动支承、直线运动支承、框架类支承。2.3.1回转运动支承回转运动支承的作用是支承作回转运动的主轴、传动轴或丝杠。随着刀具材料和加工自动化的发展，主轴的转速越来越高，变速范围也越来越大。因此，机电一体化系统对回转运动支承的精度、承载能力、刚度、抗振性、寿命、转速等提出了更高的要求。回转运动支承种类：滚动轴承、滑动轴承、空气静压轴承、陶瓷滚动轴承、自调磁力悬浮轴承等。2.3.2直线运动支承直线运动支承主要是指直线运动导轨副，其作用是支承和限制运动部件按确定的运动方向和规定的运动要求往复移动。在导轨副中，运动的导轨叫做动导轨，不动的导轨叫做支承导轨。滑动导轨：普通滑动导轨、液体动压导轨和液体静压导轨。滚动导轨：滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨。导轨副应满足的基本要求：导向精度高、刚度好、运动轻便平稳、热变形小、耐磨性好等。对精度要求高的直线运动导轨副，可分设承载面和导向面，特别是当运动部件较重时，可设置卸荷机构。导轨副的材料及选择：铸铁、钢、有色金属和塑料。导轨副材料的搭配：在导轨副中，动导轨和支承导轨应分别采用不同的材料，提高耐磨性和防止咬焊撕伤。一般动导轨采用较软的材料，以方便维修。若选用相同的材料，则应采取不同的热处理方式使两者具有不同的硬度。典型搭配如动导轨采用不淬火的铸铁，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁，或者动导轨采用粘贴塑料软带，支承导轨用淬火钢或淬火铸铁等。a)b)c)d)图2.56滚动直线导轨副的滚动体（1.动导轨2.滚珠3.支承导轨4.滚柱5.滚针）a)b)图2.57滚动直线导轨副的循环方式2.4机械执行机构执行机构种类：机械机构、电动机构、电子机构、液动机构、气动机构、电液机构等，本节主要介绍几种在机电一体化系统中常用的机械执行机构。2.4.1机械执行机构的功能机械执行机构的功能种类：（1）夹持（2）搬运（3）输送（4）分度与转位（5）检测（6）施力2.4.2机械执行机构的分类（1）执行轴机构（2）连杆机构（3）凸轮机构（4）间歇运动机构（5）差动机构（6）增力机构（7）行程增大机构复习思考题2.1机电一体化产品对机械系统部件的基本要求有哪几方面？2.2常用的机械传动机构有哪些？各有何特点？分别应用于什么场合？2.3机电一体化系统中为什么要控制齿轮副的侧隙？常用的消隙方法有哪些？2.4滚珠丝杠副传动的性能特点是什么？为什么要进行预紧？消除其轴向间隙的方法有哪几种？2.5同步带传动的工作原理是什么？有何性能特点？2.6陶瓷轴承有哪几种类型？有哪些性能特点？一般用于什么场合？2.7简述磁力悬浮轴承的工作原理，并分析其性能特点。2.8直线运动导轨副应满足的基本要求有哪些？其磨损方式有哪几种？2.9机械卸荷导轨的原理和功用是什么？2.10直线运动滚动导轨副有何性能特点？并举例说明其典型应用。2.11框架类支承构件可用于提高整体静刚度的方法有哪些？2.12机械执行机构的功能可分为哪几种？