机电一体化（第二章）.doc

第二章 机械系统部件机电一体化机械系统一般应包括如下机构：1传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分。2导向机构 其作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。3执行机构 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。机电一体化对机械系统的要求：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。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。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。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。为确保传动精度和工作稳定性，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。丝杆螺母机构：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（9095)，因此在机电一体化产品设计中得到广泛应用。滚珠丝杠螺母副： 滚珠丝杠螺母副则是为了克服普通螺旋传动的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。但是，它不能自锁，用于升降传动时需要另加锁紧装置，结构复杂、成本偏高。滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧：滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杠副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法。消除轴向间隙！(1)双螺母螺纹预紧调整式 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，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，但不能精确定量地进行调整。(2)双螺母齿差预紧调整式两个螺母的两端分别制有圆柱齿，二者齿数相差一个齿，调整时先取下二端的内齿轮，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。其特点是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) 双螺母垫片调整式(4) 单螺母变位导程自顶紧式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，从而使二列滚珠产生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。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。滚珠丝杠副支承方式丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠。当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。支承的主要要求是约束丝杠的轴向窜动和径向摆动。支承结构形式有以下几种 ： （1） 单推单推式（两端均为单向推力）：因力较小，采用角接触球轴承，轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。（2） 双推双推式（两端受双向推力）两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。（3）双推简支式（一端固定，一端游动）一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，丝杠有膨胀的余地。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、传动精度较高的长丝杠传动系统。（4）双推自由式一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态（轴向、径向均无约束），故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装及较短丝杠传动系统。润滑 密封润滑剂可提高滚珠丝杠副的耐磨性和传动效率。润滑剂分为润滑油、润滑脂两大类。润滑油为一般机油或90180号透平油或，可通过螺母上的油孔将其注入螺纹滚道，润滑脂可采用锂基油脂，它加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。丝杠密封：为防止杂质和水进入丝杠，对于预计会带进杂质之处使用波纹管(右侧)或伸缩罩(左侧)，以完全盖住丝杠轴。螺母端部密封：应在其两端进行密封，材料必须具有防腐蚀和耐油性能。例 试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。已知平均载荷Fm3600N，丝杠工作长度l1.25m，平均转速nm120r/min，每天开机6h，每年250个工作日计，要求工作10年以上。丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，丝杠传动精度要求为0.03mm。（1）求计算载荷由题设条件，查表2.6取KF1.2，查表2.7取KH1.0，假设丝杠为D级精度，查表2.8，取KA1.0。则计算载荷 FcKFKHKAFm1.21.01.036004320N（2）计算所要求的额定动载荷Ca预期使用寿命 Lh62501015000h并代入 nm120r/min，FC4320N（3）根据Ca的值选择滚珠丝杠副设选用FCI型号系列，按照满足CaCa的原则，并考虑各种因素，查上表选出合用的滚珠丝杠型号规格为FCI-5006-3（额定动载荷Ca21379N) ，其主要参数尺寸：公称直径 D050mm导程 l06mm螺旋角 211滚珠直径 d03.969mm丝杠小径 d145.63mm选用：江汉机床厂滚珠丝杠（序号第18行数据）齿轮传动比最佳分配条件齿轮系常用于机电伺服系统的减速增矩。传动比i如何分配？为了达到驱动负载的高加速度，要求减速器转动惯量尽可能小。由最小等效转动惯量原则推导出最佳速比分配条件为： 对于多级减速装置，可使相邻各级速比 均满足上述条件。例 总传动比为i256，进行速比分配由图a，当传动级数n3时，JGJP70；当n4时，JGJP 35；当n5时，JGJP 26。为了兼顾JGJP值的大小与传动机构的紧凑性，宜选择n4，即4级传动。再由图b，得第一级传动比i1=3.3。进而在图c中，A曲线上对应横坐标i=3.3，由纵坐标得第二级传动比i2=3.7；过A曲线该点作水平线，与B曲线相交，由横坐标得第三级传动比i3=4.3；过B曲线该点作垂直线，与A曲线相交，由纵坐标得第四级传动比i4=4.9。此时，i=i1i2i3i4=257.2647，与设计值相近，稍作修正即可。齿轮间隙的消除：齿轮传动的回差 回差产生的主要原因是齿轮副的侧隙和加工装配误差，必须采取必要的措施来控制齿轮传动中的间隙加偏心套 将电动机安装在偏心套 上，通过转动偏心套的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮啮合的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个作成宽齿轮。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。斜齿轮传动回差调整（1）垫片调整法（2）轴向压簧调整法锥齿轮传动机构回差调整（1）轴向压簧调整法（2）周向弹簧调整法谐波齿轮传动 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、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动工作原理 圆环形的柔轮1在刚轮内，且柔轮的齿数少于刚轮。外装柔性轴承的波发生器凸轮2装入柔轮，使之产生弹性变形而呈椭圆状，长轴两端的齿与刚轮4的齿完全啮合，短轴两端的齿与刚轮的齿完全脱开。当刚轮固定，高速轴带动波发生器凸轮和柔性轴承连续转动时，柔轮上原来与刚轮啮合的齿对啮出后脱开，再转向啮入，然后重新啮合，这样柔轮就相对于刚轮沿着与波发生器相反的方向低速旋转，通过低速轴输出。若将柔轮固定，由刚轮输出低速运动，原理相同，只是刚轮的转向与波发生器的转向相同。传动机构等效转动惯量计算传动机构的转动惯量是一种惯性负载，在电机选用时必须加以考虑。由于传动机构的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。转动惯量计算的基本公式对于轴、轴承、齿轮、联轴节、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为齿轮转动惯量折算1）一对齿轮传动2）二对齿轮传动滚珠丝杠转动惯量Js折算工作台质量折算：工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴(见图)上的转动惯量 JG可按下式进行传动系统等效转动惯量计算1）一对齿轮减速传动2）二对齿轮减速传动二 导向机构1 导轨的功用机电体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。其作用是支承和导向。2 导轨的分类和特点一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨，另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨(或滑座)。根据导轨副(简称导轨)之间的摩擦情况。导轨分为：滑动导轨 两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。滚动导轨 两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。这种导轨磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可靠，但结构复杂，几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高，制造困难，成本高。在高精密的机电一体化产品中应用广泛。3 导轨的基本要求：A导向精度 主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量等。B耐磨性 是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。C疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性，D刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。E低速运动平稳性 低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。F结构工艺性 设计导轨时，要注意到制造、调整和维修方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。4 滚动直线导轨的特点1、承载能力大 其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力。2、刚性强 在该导轨制作时，常需要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提高。所以滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。3、寿命长 由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的150左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。4、传动平稳可靠 由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。5、具有结构自调整能力 装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求