机电一体化技术(讲稿).ppt

复习 1 提出了机电一体化系统的概念 2 分析了它的五大构成要素和五大功能 3 各要素之间通过接口进行联结 不同的分类有不同的接口 4 讲述了机电一体化系统的设计流程 5 机电一体化系统的评价 6 考虑的方法 3种 和设计的类型 3种 7 机电一体化工程与系统工程的异同8 设计的程序 准则 规律9 机电一体化设计与现代设计方法 6种 本节重点 1 丝杠螺母传动机构的基本传动形式 丝杠螺母副的的组成及特点 2 滚珠丝杠副的典型结构 循环方式 预紧方式 3 滚珠丝杠副的选择方法 实例 X Y工作台的结构 第二章机械系统的部件选择与设计 概述 采取措施 1 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件 2 缩短传动链 提高传动与支承刚度 3 选用最佳传动比 以达到提高系统分辨率 减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量 尽可能提高加速能力 4 缩小反向死区误差 5 改进支承及架体的结构设计以提高刚性 减少振动 降低噪声 2 1传动部件的选择与设计 2 1 1机械传动部件及其功能要求 精密化 高速化 小型化 轻量化 常见的机械传动机构 螺旋传动齿轮传动同步带传动高速带传动非线性传动 2 1 2丝杆螺母机构基本传动形式 5 其它传动方式 例差动传动方式 原理 丝杆上有基本导程 或螺距 不同的 如l01 102 两段螺纹 其旋向相同 当丝杆2转动时 可动螺母1的移动距离为s n 10l l02 如果两基本导程的大小相差较少 则可获得较小的位移s 应用场合 多用于各种微动机构中 2 1 3滚珠丝杠传动部件 1 组成及特点组成 由丝杆3 螺母2 滚珠4和反向器 滚珠循环反向装置 1等四部分组成 3 26 优点 轴向刚度高 运动平稳 传动精度高 不易磨损 使用寿命长等优点 缺点 不能自锁 具有传动的可逆性 结构 运行轨迹 2 滚珠丝杠副的典型结构类型 1 螺纹滚道型面 法向 的形状及主要尺寸滚道型面与滚珠接触点之法线与丝杠轴向之垂线间的夹角被称为接触角 一般为45 单圆弧型 图 a 有 R rb有1 04和1 1l两种 双圆弧型 图 b 2 滚珠的循环方式 3 2 有内循环和外循环二种内循环 如图优点 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 缺点 反向器加工困难 装配调整也不方便 工作原理 在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4 利用反向器引导滚珠3越过丝杆1的螺纹顶部进入相邻滚道 形成一个循环回路 一般在同一螺母上装有2 4个滚珠用反向器 并沿螺母圆周均匀分布 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副 结构特点 反向器1上的安装孔有0 01 0 015mm的配合间隙 反向器弧面上加工有圆弧槽 槽内安装拱形片簧4 外有弹簧套2 籍助拱形片簧的弹力 始终给反向器一个径向推力 使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杆3表面保持一定的压力 从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用 优点 在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接 通道流畅 摩擦特性较好 更适用于高速 高灵敏度 高刚性的精密进给系统 外循环 从结构上看 外循环有三种形式 螺旋槽式 在螺母2的外圆表面上铣出螺纹凹槽 槽的两端钻出二个与螺纹滚道相切的通孔 螺纹滚道内装入二个挡珠器4引导滚珠3通过这二个孔 应用套筒1盖住凹槽 构成滚珠的循环回路 结构的特点 工艺简单 径向尺寸小 易于制造 但是挡珠器刚性差 易磨损 插管式 用一弯管1代替螺纹凹槽 弯管的两端插入与螺纹滚道5相切的两个内孔 用弯管的端部引导滚珠4进入弯管 构成滚珠的循环回路 再用压板2和螺钉将弯管固定 结构简单 容易制造 但是径向尺寸较大 弯管端部用作挡珠器比较容易磨损 端盖式 构造 在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回程滚道 螺母两端装有两块扇形盖板或套筒2 滚珠的回程道口就在盖板上 滚道半径为滚珠直径的1 4 1 6倍 特点 结构简单 工艺性好 但滚道吻接和弯曲处圆角不易做准确而影响其性能 故应用较少 常以单螺母形式用作升降传动机构 3 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 公称直径d0 基本导程l0 或螺距t 行程l 还有丝杆螺纹大径d 丝杆螺纹小径d1 滚珠直径db 螺母螺纹大径D 螺母螺纹小径D1 丝杆螺纹全长ls等 基本导程的大小的确定 根据机电一体化系统的精度要求确定 精度要求高时应选取较小的基本导程 滚珠的工作圈 或列 数和工作滚珠的数量N由试验可知 第一 第二和第三圈 或列 分别承受轴向载荷的50 30 和20 左右 因此 工作圈 或列 数一般取2 5 3 5 滚珠总数N一般不超过150个 5 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧 常用的几种调整预紧方法 1 双螺母螺纹预紧调整式 2 双螺母齿差预紧调整式 3 双螺母垫片调整预紧式 4 弹簧式自动调整预紧式 5 单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式 1 双螺母螺纹预紧调整 如图所示 螺母3的外端有凸缘 而螺母4的外端虽无凸缘 但制有螺纹 并通过二个圆螺母固定 调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力 然后用锁紧螺母1锁紧 预紧后两个螺母中的滚珠相向受力 如图b 从而消除轴向间隙 其特点是结构简单 刚性好 预紧可靠 使用中调整方便 但不能精确定量地调整 工作原理 2 双螺母齿差预紧调整式 结构如图 二个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3 二者齿数相差一个齿 通过二端的二个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销固定在套筒1上 方法 调整时先取下二端的内齿轮2 当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定后 则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移 使二个滚珠螺母产生相对移动 从而消除间隙并产生一定的预紧力 特点 可实现定量调整 即可进行精密微调 如0 002mm 使用中调整较方便 3 双螺母垫片调整预紧式 如图所示 调整垫片1的厚度 可使两螺母2产生相对位移 以达到消除间隙 产生预紧拉力之目的 其特点是结构简单刚度高 预紧可靠 但使用中调整不方便 4 弹簧式自动调整预紧式 如图所示 双螺母中一个活动另一个固定 用弹簧使其之间产生轴向位移并获得预紧力 特点 能消除使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙 但其结构复杂 轴向刚度低 5 单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式 图为变位导程自预紧方式 它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间 使内螺纹滚道在轴向制作一个 l0的导程突变量 从而使二列滚珠在轴向错位而实现预紧 预紧力的大小取决于 l0和单列滚珠的径向间隙 特点 结构简单紧凑 但使用中不能调整 且制造困难 6 滚珠丝杠副支承方式的选择 1 支承方式 单推一单推式 如图所示 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力 特点 轴向刚度较高 预拉伸安装时 预紧力较大 轴承寿命比双推一双推式低 双推一双推式 如图所示 两端装止推轴承及向心轴承的组合 并施加预紧力 其刚度最高 该方式适合于高刚度 高速度 高精度的精密丝杠传动系统 由于随温度的升高会使丝杠的预紧力增大 故易造成两端支承的预紧力不对称 双推一简支式 如图所示 一端装止推轴承 另一端装向心球轴承 轴向刚度不太高 使用时应注意减少丝杠热变形的影响 双推端可预拉伸安装 预紧力小 轴承寿命较高 适用于中速 精度较高的长丝杠传动系统 双推一自由式 如图所示 一端装止推轴承 另一端悬空 因其一端是自由状态 故轴向刚度和承载能力低 多用于轻载 低速的垂直安装丝杠传动系统 2 制动装置 垂直安装时 因其传动效率高 无自锁作用 故必须设置当驱动力中断后防止被驱动部件因自重发生逆传动的自锁或制动装置或重力平衡装置 常用的制动装置有体积小 重量轻 易于安装的超越离合器 选购滚珠丝杠副时可同时选购相宜的超越离合器 如图所示 如图所示的制动装置 当主轴7作上 下进给运动时 电磁线圈2通电并吸引铁芯1 从而打开摩擦离合器4 此时电机5通过减速齿轮 滚珠丝杠副6托动上 下运动部件7作垂直上下运动 当电机停止运动或断电时 电磁线圈2也同时断电 在弹簧3的作用下摩擦离合器4压紧制动轮 使滚珠丝杠不能自由转动 从而防止因上 下运动部件的自重而自动下降 7 滚珠丝杠副的密封与润滑12 7 密封圈有接触式和非接触式二种 1 非接触式 密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成 其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙 故又称迷宫式密封圈 2 接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成 因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩 但其防尘效果好 常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类 润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母滚道内 因此为定期润滑 使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油 8 滚珠丝杠副的选择方法 1 滚珠丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求 可选择适当的结构型式 2 滚珠丝杠副结构尺寸的选择 主要选择丝杠的公称直径d0和基本导程l0 公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择 3 滚珠丝杠副的选择步骤 在选用滚珠丝杠副时 必须知道实际的工作条件 包括 最大的工作载荷Pmax 或平均工作载荷Pcp N 作用下的使用寿命T h 丝杠的工作长度 或螺母的有效行程 l mm 丝杠的转速n 或平均转速ncp r min 滚道的硬度HRC及丝杠的工况 3 滚珠丝杠副的选择步骤 承载能力选择 压杆稳定性核算 对于低速运转 nFmax 刚度的验算 设计流程 使用条件 载荷 速度 加速度 最大行程 位置精度 寿命 P型 定位型 T型 传动型 确定滚珠丝杠副的导程 滚珠丝杠副的载荷及速度计算 确定预期的额定动载荷Cam 按精度要求确定丝杠的最小螺纹底径d2 按强度计算确定丝杠的最小螺纹底径d2 确定滚珠丝杠副的螺母形式及规格代号 确定预紧力Fp 基本额定静载荷验算 对预拉伸滚珠丝杠 计算行程补偿值C和预拉紧力Ft 确定滚珠丝杠副支撑所用轴承的型号 规格 设计流程 传动刚度的计算 传动刚度的验算 滚珠丝杠副精度的选择 订货代号的确定 滚珠丝杠副精度按经验选择 订货代号的确定 滚珠丝杠副支临界压缩载荷Fc的校验 滚珠丝杠副支极限转速nc的校验 滚珠丝杠副dn值的校验 滚珠丝杠副形位公差的标注 滚珠丝杠副工作图的设计 各种传动力矩的计算 电机的选择 举例 已知某工程机械中传动用T型滚珠丝杠副 工作是有轻微振动 丝杠轴向工作载荷Fmax为15680N Fmin为9800N 丝杠的转速nmax为100r min nmin为2r min 丝杠的精度等级为3级 可靠性为90 总结 1 滚珠丝杠副轴向间隙调整预紧的方法 1 双螺母螺纹预紧调整式 2 双螺母齿差预紧调整式 3 双螺母垫片调整预紧式 4 弹簧式自动调整预紧式 5 单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式2 滚珠丝杠副的支撑方式的选择 1 单推单推式 2 双推双推式 3 双推简支式 4 双推自由式3 滚珠丝杠副的密封与润滑 4 滚珠丝杠副的制动装置 5 滚珠丝杠副的选择方法 课后习题 1 丝杠螺母的基本传动形式根据螺母与丝杠相对运动的组合情况分为四种类型 分别是 丝