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机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件认识项目项目一机械系统中的传动机构的特性项目二机械系统中的齿轮传动副项目三机械系统中的滚珠丝杠副项目四滚珠丝杠及设计计算项目五导向及支承结构机械系统部件拓展项目项目一机械执行机构 机械系统部件的选择与设计 机电一体化机械系统的三大结构 传动机构 考虑与伺服系统相关的精度 稳定性 快速响应等伺服特性 导向机构 考虑安全准确现象 执行机构 考虑灵敏度 精确度 重复性 可靠性 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性 通常对机电一体化系统提出以下要求 1 定位精度要高精度直接影响产品的质量 尤其是机电一体化产品 其技术性能 工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高 因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求 如果机械系统的精度不能满足要求 则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确 也无法完成其预定的机械操作 项目一机械系统中的传动机构的特性 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 2 快速响应性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 这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息 下达指令 使其准确地完成任务 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 常常提出 无间隙 低摩擦 低惯量 高刚度 高谐振频率 适当的阻尼比 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 1 传动机构的种类 齿轮传动机构 滚珠丝杠副 滑动丝杠副 同步带传动副 间歇机构 绕性传动机构2 传动机构的特点 传动精度要高 响应速度要快 稳定性高 传动机构的种类及特点了解项目 3 传动机构的基本要求 在不影响系统刚度的条件下 传动机构的质量和转动惯量要小 转动惯量大会对系统造成机械负载增大 T电 T负 J 系统响应速度变慢 灵敏度降低 系统固有频率下降 产生谐振 使电气部分的谐振频率变低 P20 刚度越大 伺服系统动力损失越小 刚度越大 机器的固有频率越高 不易振动 刚度越大 闭环系统的稳定性越高 机械系统产生共振时 系统中阻尼越大 最大振幅就越小 且衰减越快 但阻尼大会使系统损失动量 增大稳态误差 降低精度 故应选合适阻尼 静摩擦力要小 动摩擦力要小的正斜率 或者会出现爬行 机械系统部件的选择与设计 4 摩擦摩擦力可分为三种 静摩擦力 库仑摩擦力和粘性摩擦力 动摩擦力 库仑摩擦力 粘性摩擦力 负载处于静止状态时 摩擦力为静摩擦力 随着外力的增加而增加 最大值发生在运动前的瞬间 运动一开始 静摩擦力消失 静摩擦力立即下降为库仑摩擦力 大小为一常数F mg 随着运动速度的增加 摩擦力成线性的增加 此时的摩擦力为粘性摩擦力 与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼 摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是 降低系统的响应速度 引起系统的动态滞后和产生系统误差 在接近非线性区 即低速时产生爬行 根据经验 克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为0 2TK Tf 0 3TK 机械系统部件的选择与设计 爬行就产生在这非线形区 在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值 并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 机械系统部件的选择与设计 5 爬行当丝杠1作极低的匀速运动时 工作台2可能会出现 快一慢或跳跃式的运动 这种现象称为爬行 机械系统部件的选择与设计 1 产生爬行的原因和过程匀速运动的主动件1 通过压缩弹簧推动静止的运动件3 当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时 3不动 直到弹簧力刚刚大于F时 3才开始运动 动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小 3的速度相应增大 同时弹簧相应伸长 作用在3上的弹簧力逐渐减小 3产生负加速度 速度降低 动摩擦力相应增大 速度逐渐下降 直到3停止运动 主动件1这时再重新压缩弹簧 爬行现象进入下一个周期 机械系统部件的选择与设计 由上述分析可知 低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素 静摩擦力与动摩擦力之差 这个差值越大 越容易产生爬行 进给传动系统的刚度K越小 越容易产生爬行 运动速度太低 机械系统部件的选择与设计 2 不发生爬行的临界速度临界速度可按下式进行估算 m s 式中 F 静 动摩擦力之差 N K 传动系统的刚度 N m 阻尼比 m 从动件的质量 kg 以下两种观点有利于降低临界速度 适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f 有利于改善低速爬行现象 但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低 增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差 设计时应优化处理 机械系统部件的选择与设计 3 消除爬行现象的途径 实际做法 提高传动系统的刚度a 在条件允许的情况下 适当提高各传动件或组件的刚度 减小各传动轴的跨度 合理布置轴上零件的位置 如适当的加粗传动丝杠的直径 缩短传动丝杠的长度 减少和消除各传动副之间的间隙 b 尽量缩短传动链 减小传动件数和弹性变形量 c 合理分配传动比 使多数传动件受力较小 变形也小 d 对于丝杠螺母机构 应采用整体螺母结构 以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度 减少摩擦力的变化a 用滚动摩擦 流体摩擦代替滑动摩擦 如采用滚珠丝杠 静压螺母 滚动导轨和静压导轨等 从根本上改变摩擦面间的摩擦性质 基本上可以消除爬行 b 选择适当的摩擦副材料 降低摩擦系数 c 降低作用在导轨面的正压力 如减轻运动部件的重量 采用各种卸荷装置 以减少摩擦阻力 d 提高导轨的制造与装配质量 采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化 机械系统部件的选择与设计 6 阻尼在系统设计时 考虑综合性能指标 一般取 0 5 0 8之间 7 刚度采用弹性模量高的材料 合理选择零件的截面形状和尺寸 对齿轮 丝杠 轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度 对于伺服机械传动系统 增大系统的传动刚度有以下好处 1 可以减少系统的死区误差 失动量 有利于提高传动精度 2 可以提高系统的固有频率 有利于系统的抗振性 3 可以增加闭环控制系统的稳定性 机械系统部件的选择与设计 8 谐振频率对于闭环系统 要求机械传动系统中的最低固有频率 最低共振频率 必须大于电气驱动部件的固有频率 对于机械传动系统 它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量 因此在机械传动系统的结构设计中 应尽量降低惯量 提高刚度 达到提高传动系统固有频率的目的 一般要求机械传动系统最低固有频率WOI 300rad s 其他机械系统WOI 600rad s 机械系统部件的选择与设计 9 间隙对于系统闭环以外的间隙 对系统稳定性无影响 但影响到伺服精度 对于系统闭环内的间隙 在控制系统有效控制范围内对系统精度 稳定性影响较小 但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大 机械系统部件的选择与设计 2 直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量 转动惯量的计算 单位 kg m2 1 圆柱体转动惯量 机械系统部件的选择与设计 3 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量 4 工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量 机械系统部件的选择与设计 5 相邻两轴 后轴向前轴转动惯量的折算 机械系统部件的选择与设计 例1 丝杠传动时 传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 J总 12 m化v2 J1 12 J2 22 Js 22 mv2 机械系统部件的选择与设计 例2 求系统折算到电机轴上的总转动惯量 J总 12 m化v62 J1 12 J2 22 J3 22 J4 42 Js 42 m6v62 机械系统部件的选择与设计 例题2 2 机械系统部件的选择与设计 等效转动惯量计算如下 装置回转部分对轴O的等效转动惯量 J1 0为 J1 0 JM JB JG1 JG2 JG3 JS1 n1 n0 2 JG4 JS2 n2 n0 2 0 0403 0 0055 0 0028 0 606 0 017 0 0008 180 720 2 0 153 0 0008 102 720 2 0 0907kg m2装置的直线运动部分对轴O的等效转动惯量 J2 0为 J2 0 mAv2 4 2n02 300 902 4 2 7202 0 1187kg m2因此 与装置的电机轴有关的等效转动惯量为 J 0 J1 0 J2 0 0 0907 0 1187 kg m2 0 2094kg m2 机械系统部件的选择与设计 1 各传动轴上的转动惯量能直接相加吗 2 已知数控机床进给系统各参数如下表 工作台总质量mA为500kg 丝杆导程LO为5mm 试求工作台的进给速度和转化到电动机轴上的等效转动惯量 机械系统部件的选择与设计 课内问题 项目二机械系统中的齿轮传动副齿轮总传动比的设计原则 工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小 等效均方根力矩最小 电机驱动负载加速度最大三种方法计算 重点介绍负载加速度最大原则 结论 机械系统部件的选择与设计 上式表明 齿轮系传动比的最佳值就是 JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量 此时 电动机的输出转矩一半用于加速负载 一半用于加速电动机转子 达到了惯性负载和转矩的最佳匹配 机械系统部件的选择与设计 总传动比分配 1 最小等效转动惯量原则 2 重量最轻原则 3 输出轴转角误差最小原则 机械系统部件的选择与设计 一 最小等效转动惯量原则 小功率传动以两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为J1 轴与轴承的转动惯量不计 各齿轮均为同宽度b同材料的实心圆柱体 结论 机械系统部件的选择与设计 对于n级齿轮系分析可得 各级转动比的分配按 前小后大 次序 机械系统部件的选择与设计 传动级数n确定 机械系统部件的选择与设计 大功率传动确定n 机械系统部件的选择与设计 第一级传动比确定 机械系统部件的选择与设计 各级传动比的确定 机械系统部件的选择与设计 二 重量最轻原则 小功率传动各主动小齿轮转动惯量相同为J1 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 结论 对于n级传动i1 i2 i3 in i1 n 机械系统部件的选择与设计 大功率传动设设b1 b2 b3 b4结论 对于三级齿轮传动 机械系统部件的选择与设计 查表求法 各级传动比是逐渐递减的即满足 前大后小 原则 机械系统部件的选择与设计 三 输出轴转角误差最小原则四级传动比分别为i1 i2 i3 i4 齿轮1 8的转角误差依次为 1 8 该传动链输出轴的总转角误差 为 各级传动比满足 前小后大 原则 机械系统部件的选择与设计 三种原则的选择 对齿轮传动装置的设计 应根据具体的工作条件综合考虑 1 传动精度要求较高时采用输出轴转角误差最小原则设计 2 对于要求运转平稳 频繁启动和动态性能好的传动装置 常用最小等效转动惯量原则和输出轴转角误差最小原则设计 3 对于有质量要求的其它传动装置用重量最轻原则 机械系统部件的选择与设计 齿轮传动间隙的调整1 直齿圆柱齿轮传动副 1 偏心套调整法相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上 并将电机2安装在偏心套1 或偏心轴 上 通过转动偏心套 偏心轴 的转角 就可调节两啮合齿轮的中心距 从而消除圆柱齿轮正 反转时的齿侧间隙 特点是结构简单 但其侧隙不能自动补偿 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 1 偏心套调整法祥图 机械系统部件的选择与设计 2 锥度齿轮调整法齿轮1和2相啮合 其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度 这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动 从而消除两齿轮的齿侧间隙 装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小 运转又灵活 特点同偏心套 轴 调整法 3 双片齿轮错齿调整法 机械系统部件的选择与设计 2 斜齿圆柱齿轮传动副 1 轴向垫片调整法 2 轴向压簧调整法 机械系统部件的选择与设计 3 齿轮齿条传动 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 4 锥齿轮传动 轴向压簧调整法轴向压簧调整法原理如图6 15 在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5 其轴向力大小由螺母6调节 锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动 从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙 机械系统部件的选择与设计 4 锥齿轮传动 周向弹簧调整法将与锥齿轮3啮合的齿轮做成大小两片 1 2 在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8 小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7 弹簧5装在槽8中 一端顶在凸爪7上 另一端顶在镶在槽8中的镶块4上 止动螺钉6装配时用 安装完毕将其卸下 则大小片锥齿轮1 2在弹簧力作用下错齿 从而达到消除间隙的目的 齿轮传动最佳传动比分配原则是什么 输出轴转角误差最小原则的含义是什么 齿轮传动的齿侧间隙调整方法有哪些 机械系统部件的选择与设计 课内问题 项目三机械系统中的滚珠丝杠副滚珠螺旋传动滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力 传动效率低 磨损快 精度不高 使用寿命短 已不能适应机电一体化设备在高速度 高效率 高精度等方面的要求 滚珠螺旋传动则是为了适应机电一体化机械系统的要求而发展起来的一种新型传动机构 机械系统部件的选择与设计 滚珠丝杠副的特点 1 传动效率高 摩擦损失小 传动效率很高 可达0 92 0 96 滑动丝杠为0 2 0 4 2 2 运动平稳滚动摩擦系数接近常数 启动与工作摩擦力矩差别很小 启动时无冲击 预紧后可消除间隙产生过盈 提高接触刚度和传动精度 3 工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 HRC58 62 高精度 具有较长的工作寿命和精度保持性 寿命约为滑动丝杆副的4 10倍以上 4 定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杆副摩擦小 温升小 无爬行 无间隙 通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀 因此可达到较高的定位精度和重复定位精度 机械系统部件的选择与设计 滚珠丝杠副的特点 5 同步性好用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件 可得到较好的同步运动 6 可靠性高润滑密封装置结构简单 维修方便 7 不能自锁用于垂直传动时 必须在系统中附加自锁或制动装置 8 制造工艺复杂滚珠丝杆和螺母等零件加工精度 表面粗糙度要求高 故制造成本较高 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 工作原理与结构 机械系统部件的选择与设计 丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠 当丝杠或螺母转动时 滚珠沿螺纹滚道滚动 则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦 为防止滚珠从滚道中滚出 在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置 它们与螺纹滚道形成循环回路 使滚珠在螺母滚道内循环 2 滚珠循环的方式 1 内循环 2 外循环 机械系统部件的选择与设计 3 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧 1 双螺母螺纹预紧调整式 机械系统部件的选择与设计 2 双螺母齿差预紧调整式 机械系统部件的选择与设计 3 双螺母垫片调整预紧式 机械系统部件的选择与设计 4 弹簧式自动调整预紧式 机械系统部件的选择与设计 5 单螺母变位导程自预紧式 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0 05mm 而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙 应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点 1 预紧力大小必须合适 过小不能保证无隙传动 过大将使驱动力矩增大 效率降低 寿命缩短 预紧力应不超过最大轴向负载的1 3 2 要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙 这些间隙用预紧的方法是无法消除的 而它对传动精度有直接影响 丝杠的轴承组合及轴承座 螺母座以及其它零件的连接刚性 对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响 需在设计 安装时认真考虑 为了提高轴向刚度 丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合 仅当轴向载荷很小时 才用向心推力轴承 以下列出了四种典型支承方式及其特点 滚珠丝杠副的安装 四 滚珠螺旋传动 1 轴向刚度较高 2 预拉伸安装时 须加载荷较大 轴承寿命比方案2低 3 适宜中速 精度高 并可用双推 单推组合 单推 单推 机械系统部件的选择与设计 四 滚珠螺旋传动 1 轴向刚度最高 2 预拉伸安装时 须加载荷较小 轴承寿命较高3 适宜高速 高刚度 高精度 双推 双推 机械系统部件的选择与设计 四 滚珠螺旋传动 1 轴向刚度不高 与螺母位置有关 2 双推端可预拉伸安装 3 适宜中速 精度较高的长丝杠 双推 简支 机械系统部件的选择与设计 四 滚珠螺旋传动 1 轴向刚度低 与螺母位置有关 2 双推端可预拉伸安装 3 适宜中小载荷与低速 更适宜垂直安装 短丝杠 双推 自由 机械系统部件的选择与设计 制动装置 1 试述滚珠丝杠副工作原理 2 滚珠丝杠副的常用循环方式有哪两种 3 试述滚珠丝杠副安装时的支承方式及其特点 4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整预紧方法有哪些 机械系统部件的选择与设计 课内问题 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 例如 当允许有间隙存在时 如垂直运动 可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副 当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时 应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构 当具备良好的防尘条件 且只需在装配时调整间隙及预紧力时 可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构 机械系统部件的选择与设计 项目四滚珠丝杠及设计计算 2 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 此外还有丝杆螺纹大径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 3 滚珠丝杠副结构尺寸的选择公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选样 螺纹长度LS在允许的情况下要尽量短 一般取LS d0小于30为宜 基本导程L0 或螺距t 的大小应根据机电一体化系统的承载能力 传动精度要求确定 L0大承载能力也大 L0小传动精度较高 要求传动速度快时 可选用大导程滚珠丝扛副 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 机械系统部件的选择与设计 4 滚珠丝杠副的精度等级JB3162 2 91 ISO3408 3 1992 滚珠丝杠副的验收技术条件 将滚珠丝杠副的精度分为7个精度等级 即1 2 3 4 5 7 10级 1级精度最高 依次递减 标准中对各级精度的滚珠丝杠副的行程偏差有多个项目的规定 型号 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 强度计算 刚度校核 稳定性校核及临界转速校核对于传递扭矩大 传动精度要求高的滚珠丝杠 应校核其刚度 即验算滚珠丝杠满载时的变形量 对于细长受压的滚珠丝杠 应核算其压杆稳定性 即在给定的支承条件下承受最大轴向压缩载荷时 是否会产生纵向弯曲 对于转速较高 支承距离较大的滚珠丝杠 应核算其临界转速 即核算其最高转速是否接近其横向固有频率而产生共振 一般丝杠工作转速低于100r min时无需核算 机械系统部件的选择与设计 一般情况下 设计选用滚珠丝杠时必须知道下列条件 最大工作载荷 max 或平均工作载荷 m 作用下的使用寿命 丝杠的工作长度 或螺母的有效行程 丝杠的转速n 或平均转速nm 滚道的硬度HRC值及丝杠的运转情况 然后按下列步骤进行设计 由公式Cm mL 1 3 fw fa计算出作用在滚珠丝杠上的当量动载荷 m的数值 从滚珠丝杠系列表 或产品样本 中找出额定动载荷 a大于当量动载荷 m 并与其相近值 同时考虑刚度要求 初选滚珠丝杠副的型号和有关参数 根据具体工作类型 定位或传动型 循环方式 预紧方法及结构特征等方面的要求 从初选的几个型号中再挑选出比较合适的公称直径d0 导程 及负荷钢球圈数 确定某一型号 根据所选出的型号 算出其主要参数的数值 验算其刚度及稳定性等是否满足要求 如不满足要求 则需另选其他型号 再作上述的计算和验算直至满足要求为止 对于低速运转 n 10r min 的滚珠丝杠 无需计算其当量动载荷Cm值 而只考虑其额定静载荷Coa是否充分地超过了最大工作负载Fmax 一般取Coa Fmax 机械系统部件的选择与设计 实例 1试计算一数控铣床工作台进给用滚动螺旋传动 已知平均工作载荷 m 3800 螺杆工作长度 1 2m 平均转速nm 100r min 要求使用寿命 0 15000h左右 螺杆材料为 rWMn钢 滚道硬度58 62HRC 解 1 求出滚珠丝杠上的当量动载荷Cm的数值平均载荷Fm 3800N使用寿命T 15000h工作寿命L 60nmT 106 60 100 15000 106 90取fa 1 fw 1 3则滚珠丝杠当量动载荷Cm FmL1 3fw fa 3800 901 3 1 3 1 22138 1N 2 从滚珠丝杠系列表中找出其相近值 可选的规格有 1 D0 50mm 公称直径 d0 3 969mm 滚珠直径 L0 6mm 螺距 2011 螺旋升角 Ca 24000N 额定动载荷 圈数 列数 1 3 机械系统部件的选择与设计 2 D0 40mmd0 3 969mmL0 6mm 2044 圈数 列数 1 4Ca 26450N3 D0 32mmd0 3 969mmL0 6mm 3025 圈数 列数 1 4Ca 24000N4 D0 63mmd0 4 763mmL0 6mm 2019 圈数 列数 1 2Ca 25650N 3 考虑各种因素选用1 滚道半径R为R 0 52d0 0 52 3 969mm 2 064mm偏心距为 e 0 07 R d0 2 0 07 2 064 3 969 2 mm 5 6 10 2mm螺杆内径为 d1 D0 2e 2R 50 0 112 4 128 mm 45 76mm 4 稳定性计算 机械系统部件的选择与设计 因螺杆较长 所以稳定性验算应以下式求临界载荷Fcr 2EIa l 2式中 螺杆材料的弹性模量 对于钢 206 a Ia 螺杆危险截面的轴惯性矩 长度系数 两端用铰接时 机械系统部件的选择与设计 刚度验算按最不利情况考虑 螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的 故有 机械系统部件的选择与设计 每米螺纹长度上的螺纹距离的弹性变形为 滚动螺旋 p可按滑动螺旋 同精度等级 的一半定 根据有关表得出 15 m m 所以 机械系统部件的选择与设计 1 试述滚珠丝杠副主要尺寸参数及其涵义 2 试述滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 CDM5010 3 P3 机械系统部件的选择与设计 课内问题 同步齿形带传动同步齿形带 是一种新型的带传动 一 同步齿形带的特点 1 传动过程中无相对滑动 因而可以保持恒定的传动比 传动精度较高 2 同步带传动工作平稳 结构紧凑 无噪音 有良好的减振性能 无需润滑 3 同步带无需特别紧张 故作用在轴和轴承上的载荷较小 传动效率较高 4 同步带传动的缺点是制造工艺较复杂 传递功率较小 寿命较低 机械系统部件的选择与设计 二 同步齿形带的结构根据齿形的不同 同步齿形带可以分成两种 一种是梯形齿同步带 另一种是圆弧齿同步带 1 梯形齿应力集中在齿根部位 与带轮是圆弧形接触 当小带轮直径较小时 将使梯形齿同步带的齿形变形 影响与带轮齿的啮合 易产生噪声和振动 这对于速度较高的主传动来说是很不利的 因此 梯形齿同步带在数控机床特别是加工中心的主传动中很少使用 一般仅在转速不高的运动传动或小功率传动的动力传动中使用 2 圆弧齿同步齿形带克服了梯形齿同步带的缺点 均化了应力 改善了啮合 因此 在加工中心上 无论是主传动还是伺服进给传动 当需要用带传动时 总是优先考虑采用圆弧齿同步齿形带 机械系统部件的选择与设计 齿形带的结构 1 带背 2 强力层 3 包布层 4 带齿 包布层材料 3 尼龙布带齿材料 4 氯丁橡胶为基体强力层材料 2 钢丝 玻璃纤维 芳香族聚酰胺纤维 芳纶 机械系统部件的选择与设计 对齿形带的要求 1 有高的抗剪强度和耐磨性 2 有高的耐油性和耐热性 3 背带有良好的韧性和耐弯曲疲劳能力 机械系统部件的选择与设计 三 主要参数与规格1 节线长 强力层中心线 2 节距t 相邻两齿在节线上的距离 3 模数m 是节距t与 之比 即m t 4 规格 单面齿 双面齿 DI型 DII型 机械系统部件的选择与设计 四 同步带标记例 800DIH300800 长度代号 节线长度查表2032mm DI 双面齿的对称齿形 H 查表2 8 型号 节距12 7mm 300 宽度代号 查表 带宽76 2mm 机械系统部件的选择与设计 五 同步带轮1 带轮的结构材料一般 铸铁或钢 高速 小功率 塑料或轻合金 2 带轮的标记例 30L07530 齿数L 型号 节距9 525mm075 轮宽代号 带宽19 05mm 机械系统部件的选择与设计 谐波齿轮减速器1 基本组成柔轮 刚轮 波形发生器 机械系统部件的选择与设计 2 特点 1 传动比大 2 承载能力强 3 传动精度高 4 齿轮测隙小 5 传动平稳 结构简单 机械系统部件的选择与设计 3 谐波齿轮传动比的计算设波形发生器相当于形星轮系的转臂H 柔轮相当于行星轮r 刚轮相当于中心轮g 则 机械系统部件的选择与设计 项目五导向及支承结构滑动摩擦导轨由机械运动学原理可知 一个刚体在空间有6个自由度 即沿x y z轴移动和绕它们转动 见图 a 对于直线运动导轨 必须限制运动件的5个自由度 仅保留沿一个方向移动的自由度 以棱柱面相接触的零件只有沿一个方向移动的自由度 如图 b c d 所示的棱柱面导轨 运动件只能沿x方向移动 以圆柱面相配合的两个零件 有绕圆柱面轴线转动及沿此轴线移动的两个自由度 在限制转动这一自由度后 则只有沿其轴线方向移动的自由度 如图 e 所示 机械系统部件的选择与设计 1 导轨的基本要求导向精度高 2 运动轻便 平稳 低速时无爬行现象 3 耐磨性好 4 对温度变化的不敏感性 5 足够的刚度 6 结构工艺性好 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 2 滑动摩擦导轨的类型及结构特点按导轨承导面的截面形状 可将滑动导轨分为圆柱面导轨和棱柱面导轨 1 圆柱面导轨 a b c 是这种防转结构的几个例子 利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动 见 d 适当增大辅助导向面与基本导向面之间的距离 可减小由导轨间的间隙所引起的转角误差 当辅助导向面也为圆柱面时 即构成双圆柱面导轨 见 e 它既能保证较高的导向精度 又能保证较大的承载能力 机械系统部件的选择与设计 2 棱柱面导轨常用的棱柱面导轨有三角形导轨 矩形导轨 燕尾形导轨以及它们的组合式导轨 1 双三角形导轨 如图 a 所示 2 三角形 平面导轨 如图 b 所示 3 矩形导轨 图所示结构是将矩形导轨的导向面A与承载面B C分开 从而减小导向面的磨损 有利于保持导向精度 图 a 中的导向面A是同一导轨的内外侧 两者之间的距离较小 热膨胀变形较小 可使导轨的间隙相应减小 导向精度较高 图 b 所示结构以两导轨面的外侧作为导向面 克服了上述缺点 但因导轨面间距离较大 容易受热膨胀的影响 要求间隙不宜过小 从而影响导向精度 机械系统部件的选择与设计 2 棱柱面导轨常用的棱柱面导轨有三角形导轨 矩形导轨 燕尾形导轨以及它们的组合式导轨 3 矩形导轨 图所示结构是将矩形导轨的导向面A与承载面B C分开 从而减小导向面的磨损 有利于保持导向精度 图 a 中的导向面A是同一导轨的内外侧 两者之间的距离较小 热膨胀变形较小 可使导轨的间隙相应减小 导向精度较高 图 b 所示结构以两导轨面的外侧作为导向面 克服了上述缺点 但因导轨面间距离较大 容易受热膨胀的影响 要求间隙不宜过小 从而影响导向精度 机械系统部件的选择与设计 2 棱柱面导轨常用的棱柱面导轨有三角形导轨 矩形导轨 燕尾形导轨以及它们的组合式导轨 4 燕尾导轨 图 c 所示结构的特点是把燕尾槽分成几块 便于制造 装配和调整 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 3 导轨间隙的调整 1 采用磨 刮相应的结合面或加垫片的方法 以获得合适的间隙 2 采用平镶条调整间隙 3 导轨间隙的调整 3 采用斜镶条调整间隙 斜镶条的侧面磨成斜度很小的斜面 导轨间隙是用镶条的纵向移动来调整的 为了缩短镶条长度 一般将其放在运动件上 机械系统部件的选择与设计 4驱动力的方向和作用点对导轨工作的影响设驱动力作用在通过导轨轴线的平面内 驱动力F的方向与导轨运动方向的夹角为 作用点离导轨轴线的距离为h 导轨受力情况如图所示 由于驱动力F将使运动件倾转 因此可认为运动件与承导件的两端点压紧 正压力分别为N1 N2 相应的摩擦力为N1fv和N2fv 载荷为Fa 忽略运动件与承导件间的配合间隙和运动件重力的影响 且当d L很小时 保证运动件不被卡住的条件是 机械系统部件的选择与设计 式中 f 滑动摩擦系数 燕尾轮廓角或三角形底角 对于不同截面形状的组合导轨 由于两根导轨的摩擦力不同 因此驱动运动件的驱动元件 螺旋副 齿轮 齿条或其他传动装置 的位置应随之不同 例如对图所示的三角形 平面组合导轨 因三角形导轨上的摩擦力要比平面导轨大 摩擦力的合力作用在O点 且c b 因此 驱动元件的位置应该设在O点 从而消除运动件移动时转动的趋势 使运动件移动平稳而灵活 机械系统部件的选择与设计 5温度变化对导轨间隙的影晌 滑动摩擦导轨对温度变化比较敏感 由于温度的变化 可能使自封式导轨卡住或造成不能允许的过大间隙 为减小温度变化对导轨的影响 承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料 如果导轨在温度变化大的条件下工作 如大地测量仪器或军用仪器等 在选定精度等级和配合以后 应对温度变化的影响进行验算 为了保证导轨在工作时不致卡住 导轨中的最小间隙值 min应大于或等于零 导轨的最小间隙可用下式计算 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 6导轨的刚度计算 导轨的接触变形可按经验公式估算 对于接触面积不超过100 150cm2 的钢和铸铁的接触 其接触变形 单位为 m 为 p 接触面间的平均压力 N cm2 c 系数 对于精刮导轨面 每25mm 25mm在16点以上 和磨削导轨面 粗糙度Ra为0 16 0 32 m 为1 47 1 94 研磨表面 粗糙度Ra为0 01 0 02 m 为0 69 7提高导轨耐磨性的措施 合理选择导轨的材料及热处理 用于导轨的材料 应具有耐磨性好 摩擦系数小 并具有良好的加工和热处理性质 常用的材料有 1 铸铁 2 钢 3 有色金属 4 塑料 减小导轨面压强 1 静压卸载导轨 机械系统部件的选择与设计 7提高导轨耐磨性的措施 2 水银卸载导轨 机械系统部件的选择与设计 7提高导轨耐磨性的措施 3 机械卸载导轨 机械系统部件的选择与设计 8 保证导轨良好的润滑保证导轨良好的润滑 是减小导轨摩擦和磨损的另一个有效措施 这主要是润滑油的分子吸附在导轨接触表面 形成厚度约为0 005 0 008mm的一层极薄的油膜 从而阻止或减少导轨面间直接接触的缘故 选择导轨润滑油的主要原则是 载荷越大 速度越低 则油的粘度应越大 垂直导轨的润滑油粘度 应比水平导轨润滑油的粘度大些 在工作温度变化时 润滑油的粘度变化要小 润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度 不浸蚀机件 油中的杂质应尽 量少 4 提高导轨的精度 提高导轨精度主要指保证导轨的直线度和各导轨面间的相对位置精度 导轨的直线度误差都规定在对导轨精度有利的方向上 如精密车床的床身导轨在垂直面内的直线度误差只允许上凸 以补偿导轨中间部分经常使用而产生向下凹的磨损 适当减小导轨工作面的粗糙度 可提高耐磨性 但过小的粗糙度不易储存润滑油 甚至产生 分子吸力 以致撕伤导轨面 粗糙度一般要求Ra 0 32 m 9 导轨主要尺寸的确定 导轨的主要尺寸有运动件和承导件的长度 导轨宽度 两导轨之间的距离及三角形导轨的顶角等 增大导轨运动件长度L 有利于提高导轨的导向精度和运动灵活性 但却使工作台的尺寸和重量加大 因此 设计时一般取L 1 2 1 8 a 其中 a为两导轨之间的距离 如结构允许 则可取L 2a 承导件的长度则主要取决于运动件的长度及工作行程 导轨宽度B可根据载荷F和允许压强p求出 两导轨之间的距离减小 则导轨尺寸减小 但导轨稳定性变差 设计时应在保证导轨工作稳定的前提下 减小两导轨之间的距离 三角形导轨的顶角一般取为90 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 滚珠导轨 1 预先在V形槽与滚珠接触处研磨出一窄条圆弧面的浅槽 从而增加了滚珠与滚道的接触面积 提高了承载能力和耐磨性 但这时导轨中的摩擦力略有增加 力封式滚珠导轨自封式滚珠导轨 滚珠导轨 2 采用双圆弧滚珠导轨 见图 a 这种导轨是把V形导轨的V形滚道改为圆弧形滚道 以增大滚动体与滚道接触点的综合曲率半径 从而提高导轨的承载能力 刚度和使用寿命 双圆弧导轨的缺点是形状复杂 工艺性较差 摩擦力较大 当精度要求很高时不易满足使用要求 为使双圆弧滚珠导轨既能发挥接触面积较大 变形较小的优点 又不致于过分增大摩擦力 应合理确定双圆弧滚珠导轨的主要参数 见 b 根据使用经验 滚珠半径r与滚道圆弧半径R之比常取为r R 0 90 0 95 接触角 45 导轨两圆弧的中心距C为 机械系统部件的选择与设计 滚珠导轨由运动件1 滚珠2 承导件3和返回器4组成 运动件上有工作滚道5和返回滚道6 与两端返回器的圆弧槽面滚道接通 滚珠在滚道中循环滚动 行程不受限制 机械系统部件的选择与设计 滚珠花键 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 滚柱导轨和滚动轴承导轨滚动导轨块 这是一种用滚动体进行循环运动的滚动导轨 移动部件运动时 滚动体沿封闭轨道进行循环运动 滚动体为滚珠或滚柱 数控机床上采用的滚柱式单元滚动导轨块如图所示 它多用于中等负荷导轨 滚动导轨块由专业厂家生产 有各种规格 形式供用户选用 使用时 导轨块装在运动部件上 每一导轨应至少用两块或更多块 导轨块的数目取决于导轨的长度和负载的大 小 与之相应的导轨多用镶钢淬火导轨 机械系统部件的选择与设计 1 静压螺旋传动的工作原理 2 静压螺旋传动的特点 1 摩擦阻力小 效率高 可达99 2 寿命长 螺纹表面不直接接触 能长期保持工作精度 3 传动平稳 低速时无爬行现象 4 传动精度和定位精度高 5 具有传动可逆性 必要时应设置防止逆转机构 6 需要一套可靠的供油系统 并且螺母结构复杂 加工比较困难 机械系统部件的选择与设计 机械系统部件的选择与设计 3 液体静压导轨 根据结构特点 液体静压导轨分为开式静压导轨和闭式静压导轨两类 机械系统部件的选择与设计 3 液体静压导轨 根据结构特点 液体静压导轨分为开式静压导轨和闭式静压导轨两类 当动导轨受到颠覆力矩T后 油腔1 4的间隙h1 h4增大 油腔2 3的间隙h2 h3减小 由于各相应节流器的作用 使P1 P4压力减小 P2 P3增大 由此在动导轨上形成一个与颠覆力矩方向相反的力矩 从而使运动部件保持平衡 而在承受载荷F时 油腔1 2的间隙h1 h2减小 油腔3 4的间隙h3 h4增大 由于各节流器的作用 P1 P2增大 P3 P4减小 由此形成与F相反的F1以平衡载荷F 液体静压导轨的优点是 1 摩擦系数很小 启动摩擦系数可小至0 0005 可使驱动功率大大降低 运动轻便灵活 低速时无爬行现象 2 导轨工作表面不直接接触 基本上没有磨损 能长期保持原始精度 寿命长 3 承载能力大 刚度好 4 摩擦发热小 导轨温升小 5 油液具有吸振作用 抗振性好 2 气体静压导轨负压吸浮式气垫的工作原理如图 机械系统部件的选择与设计 1 贴塑导轨 金属对塑料的摩擦形式 滑动导轨 它是在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其他化学材料组成的塑料薄膜软带 以提高导轨的耐磨性 降低摩擦系数 而支承导轨则是淬火钢导轨 塑料软带是以聚四氟乙烯为基体 加入青铜粉 二硫化铝和石墨等填充剂混合烧结并做成软带状 国内已生产有牌号为TSF的导轨软带 以及配套用的DJ胶合剂 导轨软带使用的工艺简单 只要将导轨粘贴面做半精加工至表面粗糙度Ra