机电一体化系统设计课件——第2章(5)：机械系统的部件选择与设计(轴系)

第五节轴系部件的选择与设计 轴系由轴及安装在轴上的齿轮 带轮等传动部件组成 有主轴轴系和中间传动轴轴系 轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动 它直接承受外力 力矩 对于中间传动轴系一般要求不高 而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度 刚度 热变形及抗振性等的要求较高 一 轴系设计的基本要求 旋转精度是指在装配之后 在无负载 低速旋转的条件下 轴前端的径向跳动和轴向窜动量 轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静 动载荷变形的能力 轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式 其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡 轴的刚度及单向受力等 它们直接影响旋转精度和轴承寿命 轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化 影响整个传动系统的传动精度 旋转精度及位置精度 又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化 使滑动或滚动轴承的承载能力降低 机床主轴传动齿轮空间布置比较 二 轴 主轴 系用轴承的类型与选择 标准滚动轴承深沟球轴承双列向心短圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承推力轴承 双列向心短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 双列推力球轴承图 配套应用例 上图为其配套应用实例 双列向心短圆柱滚子轴承的径向间隙调整 是先将螺母6松开 转动螺母1 拉主轴7向左推动轴承内圈 利用内圈涨大以消除间隙或预紧 这种轴承只能承受径向裁荷 轴向载荷由双列推力球轴承2承受 用螺母1调整间隙 轴向力的传递见图中箭头所示 轴向刚度较高 这种推力轴承的制造精度已达B级 适用于各种精度的主轴轴系 其预紧力和间隙大小调整用隔套3来实现 外围开有油槽和油孔4 以利于润滑油进入轴承 微型滚动轴承 精密分度头主轴系统 上图为一精密分度头主轴系统 它采用的是密珠轴承 主轴由止推密珠轴承2 4和径向密珠轴承1 3组成 这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋排列 由于密集的钢珠有误差平均效应 减小了局部误差对主轴轴心位置的影响 故主轴回转精度有所提高 每个钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不相重复 减小了滚道的磨损 主轴回转精度可长期保持 实践证明 提高钢珠的密集度有利于主轴回转精度的提高 但过多地增加钢珠会增大摩擦力矩 因此 应在保证主轴运转灵活的前提下 尽量增多钢珠数量 图b为推力密珠轴承保持架孔分布情况 图c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况 液体静压轴承工作原理 液体静压轴承工作原理1 2 3 4 油腔 5 金属薄膜 6 圆盒 7 回油槽 8 轴套 磁悬浮轴承工作原理 磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦 无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承 其工作原理如下图所示 径向磁悬浮轴承由转子 转动部件 6和定子 固定部件 5两部分组成 定子部分装上电磁体 保持转子悬浮在磁场中 转子转动时 由位移传感器4检铡转子的偏心 并通过反馈与基准信号l 转子的理想位置 进行比较 调节器2根据偏差信号进行调节 并把调节信号送到功率放大器3以改变电磁体 定子 的电流 从而改变磁悬浮力的大小 使转子恢复到理想位置 径向磁悬浮轴承的转轴 如主轴一般要配备辅助轴承 工作时辅助轴承不与转轴接触当断电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴 起到完全保护作用 辅助轴承与转子之间的间隙一般等于转子与电磁体气隙的一半 轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 磁悬浮轴承工作原理1 信号输入 2 调节器 3 功率放大器 4 位移传感器 5 定子 6 转子 三 提高轴系性能的措施1 提高轴系的旋转精度 轴承 如主轴 的旋转精度中的径向跳动主要由 被测表面的几何形状误差 被测表面对旋转轴线的偏心 旋转轴线在旋转过程中的径向漂移等因素引起 轴系轴端的轴向窜动主要由 被测端面的几何形状误差 被测端面对轴心线的不垂直度 旋转轴线的轴向窜动等三项误差引起 提高其旋转精度的主要措施有 提高轴颈与架体 或箱体 支承的加工精度 用选配法提高轴承装配与预紧精度 轴系组件装配后对输出端轴的外径 端面及内孔通过互为基准进行精加工 轴系组件有强迫振动和自激振动 前者是由轴系组件的不平衡 齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的 后者是由传动系统本身的失稳引起的 提高其抗振性的主要措施有 提高轴系组件的固有振动频率 刚度和阻尼 通过计算或试验来预测其固有振动频率 当阻尼很小时 应使其固有振动频率远离强迫振动频率 以防止共振 一般讲 刚度越高 阻尼越大 则激起的振幅越小 消除或减少强迫振动振源的干扰作用 构成轴系的主要零部件均应进行静态和动态平衡 选用传动平稳的传动件 对轴承进行合理预紧等 采用吸振 隔振和消振装置 2 提高轴系组件的抗振性 第六节机电一体化系统 产品 的机座或机架 机座或机架是支承其他零部件的基础部件 其基本要求是 1 刚度与抗振性刚度是抵抗裁荷变形的能力 动刚度是衡量抗振性的主要指标 为提高机架或机座的抗振性 可采取如下措施 提高静刚度 即从提高固有振动频率入手 以避免产生共振 增加阻尼 增加阻尼对提高动刚度的作用很大 如液 气 动 静压导轨的阻尼比滚动导轨大 故抗振性能好 在不降低机架或机座静刚度的前提下 减轻重量可提高固有振动频率 如适当减薄壁厚 增加筋和隔板 采用钢材焊接代替铸件等 采取隔振措施 如加减振橡胶垫脚 用空气弹簧隔板等 2 热变形减小热变形 3 提高稳定性除上述要求之外 还应考虑工艺性 经济性及人机工程等方面的要求 一 机座或机架的作用及基本要求 二 机座或机架的结构设计要点 机座或机架的结构设计必须保证其自身刚度 连接处刚度和局部刚度 同时要考虑安装方式 材料选择 结构工艺性以及节省材料 降低成本和缩短生产周期等问题 肋板及加强肋的形式 机座的结构工艺性机座一般体积较大 结构复杂 成本高 尤其要注意其结构工艺性 以便于制造和成本低 在保证刚度的条件下 应力求铸件形状简单 拔模容易 泥芯要少 便于支掌和制造 机座壁厚应尽量均匀 力求避免截面的急剧变化 凸起过大 壁厚过薄 过长的分型线和金属的局部堆积等 铸件要便于清砂 为此 必须开有足够大的清砂口 或几个清砂口 在同一侧面的加工表面 应处于同一个平面上 以便一起刨出或铣出 如下图所示 图b的结构比图a的好 机座必须有可靠的加工工艺基面 若因结构原因没有工艺基准 必须铸出四个或两个 工艺凸台 A 如下图所示 图b的结构比图a的好 加工时 先把凸台加工平 然后以凸台作基面来加工B面 加工完毕后把凸台割去 机座的结构工艺性 A为工艺凸台 焊接机架的设计焊接机架具有许多优点 在刚度相同的情况下可减轻重量30 左右 改型快 废品极少 生产周期短 成本低 机架常用普通碳素结构钢材 钢板 角钢 槽钢 钢管等 焊接制造 轻型机架也可用铝制型材连结制成 对于轻载焊接机架 由于其承受载荷较小 故常用型材焊成立体框架 再装上面板 底板及盖板 板料型材制成的框架接头型式如图1所示 槽钢制成的框架的接头型式见图2所示 角铁构成机架的接头形式如图3所示 图4 a 是用薄钢板折弯成型后 焊接而成的机箱 顶板的连接可采用图b c所示的接头形式 习题与思考题2 1设计机械传动部件时 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性 常提出哪些要求 2 2机电一体化系统传动机构的作用是什么 2 3机电一体化系统 产品 对传动机构的基本要求是什么 2 4简述丝杠螺母机构的分类及其特点 2 5丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么 2 6丝杠螺母副的组成要素有哪些 2 7滚珠丝杠副的传动特点有哪些 2 8珠丝杠副的典型结构类型有哪些 各有何特点 2 9滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些 2 10现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠 其基本导程为6mm 一端的齿轮齿数为100 另一端的齿轮齿数为98 当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时 试问 两个螺母之间相对移动了多大距离 2 11简述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义 2 12简述滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 2 13简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点 2 14电磁制动装置的工作原理是什么 2 15齿轮传动部件的作用有哪些 2 16各级传动比的分配原则是什么 输出轴转角误差最小原则是什么 2 17已知 4级齿轮传动系统 各齿轮的转角误差为0 005rad 各级减速比相同 即1 5 求 1 该传动系统的最大转角误差 2 为缩小其最大转角误差 应采取何种措施 2 18谐波齿轮传动有何特点 传动比的计算方法是什么 2 19设有一谐波齿轮减速器 其减速比为100 柔轮齿数