机电系统设计 02

1、1,第二章,机械系统的部件选择与设计,2,1,概述,一、机电一体化中机械系统的特点及要求,?,机电一体化系统的机械系统特点：,有较高的定位精度,有好的动态响应特性,响应快、稳定性好,?,要求：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、,高谐振频率、适当的阻尼比等,2,措施：,?,（,1,）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，,滚珠副、（静）压导向支承等。,?,（,2,）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如预紧、,滚动导轨副；大扭矩宽调速电机,?,（,3,）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率，,减少等效转动惯量，提高加速能力,?,（,4,）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、,减少支承变形的措施。,

2、?,（,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。复合材料等,目标：系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。,3,?,一、机械传动部件及其功能要求,?,机械传动部件,螺旋传动、齿轮传动、,同步带、高速带传动，非线性传动部件等。,?,主要功能,传递转矩和转速。因此，它,实质上是一种转矩、转速变换器。,?,目的,使执行元件与负载之间在转矩与,转速方面得到最佳匹配。,?,要求,传动间隙小、精度高、体积小、,重量轻、运动平稳、传递转矩大。,4,?,精密化,某种特定的机电一体化产品来,说，应根据其性能的需要提出适当的精密度,要求,?,高速化,机械传动机构应能适应高速运,动的要求。

3、,?,小型化、轻量化,提高运动灵敏度（响,应性）、减小冲击、降低能耗。为与电子部,件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械,传动部件短小轻薄化。,5,?,1,折合问题,?,提法：将不同的转速折算到同一转速，折算,到某一根轴上。,?,脚标：,m,电机,L,负载,e,等效,（折算）,6,注意折合的方向,（既向被动轴转换，也可向主动轴转换,）,（,1,）传动比（广义）,主动转速,/,被动转速,L,m,L,m,m,L,L,m,v,n,v,v,i,z,z,n,n,i,?,?,?,?,7,?,（,2,）驱动力,(,矩,),的折合,原则：功（虚功）不变,j,j,eN,e,T,T,?,?,?,),/,1,(,i

4、,Ti,T,T,e,j,j,e,?,?,?,?,),/,1,(,i,i,v,v,e,j,e,j,?,?,?,?,8,?,（,3,）转动惯量（质量）的折合,原则：能量（动能）不变,?,?,?,?,?,?,N,j,j,j,M,i,i,i,J,v,m,E,1,2,1,2,2,1,2,1,?,2,2,1,e,e,e,J,E,?,?,?,?,?,?,?,?,N,j,e,i,j,M,i,e,i,i,e,J,v,m,J,1,2,1,2,),(,),(,?,?,?,9,?,根据运动关系计算得到,?,或,?,（,4,）效率问题,由主动端向被动端折合除以效率,由被动端向主动端折合乘以效率,i,T,T,i,J,J,

5、i,m,e,m,e,m,e,?,?,?,2,/,?,?,i,T,T,i,J,J,i,L,e,L,e,L,e,/,/,2,?,?,?,?,?,10,?,（,5,）疲劳强度载荷或寿命折合,?,基准：疲劳曲线,0,0,N,P,Const,N,P,m,m,?,?,0,0,0,P,k,P,N,N,P,N,m,?,?,11,?,其他还有,?,如：刚度折合,基本频率不变,?,弹簧串并联计算,?,阻尼折合,?,?,相似理论与相似设计,12,?,二、丝杆螺母机构基本传动形式,(,机构调查,),（,l,）螺母固定、丝杆转动并移动,（,2,）丝杆转动、螺母移动,（,3,）螺母转动、丝杆移动,（,4,）丝杆固定、螺母

6、转动并移动,13,?,差动方式,?,移动距离,s=n,（,l,0l,l,02,）应用于微调机构中,（如自行车轴承间隙调整）。,14,?,三、滚珠丝杠传动部件,?,1,滚珠丝杠副的组成及特点,组成：丝杆、螺母、滚珠，反向器（滚珠循环,反向装置）。,结构特点：,具有螺旋糟的,丝杆与螺母之,间装有中间传,动元件,滚珠。,15,?,特点：,?,轴向刚度高（即通过适当预紧可消除丝杠,?,螺母之间的轴向间隙）,?,运动平稳,?,传动精度高,?,不易磨损,?,使用寿命长,?,不能自锁。,16,?,2,滚珠丝杠副的典型结构类型,（,1,）螺纹滚造型面（法向）的形状及主要尺寸,接触角：=45,单圆弧滚道：,R/

7、r,b,=1.04,及,R/r,b,=1.11,双单圆弧滚道，效果好，成本高。,17,?,（,2,）滚珠的循环方式,?,内循环,多个单圈,?,外循环,多圈,?,内循环结构,?,浮动式反向器,18,?,外循环结构形式：,?,螺旋槽式,?,插管式,?,端盖式,19,?,3,滚珠丝杠副的主要尺寸参数,?,公称直径,d,0,：滚珠与螺纹滚道在理论接触,角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。,?,基本导程,l,0,（或螺距,t,）：丝杆相对于螺母,旋转,2,弧度时，螺母上基准点的轴向位移。,20,?,4,滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,?,（,1,）精度等级,JB3162.2,91,分为,1,2,3,4,5,

8、7,10,共七个等级，,1,级最高，,10,级最低,?,（,2,）标注方法,不同生产厂家其标注方法,略有不同，如：,21,（,3,）尺寸系列，国际标准化组织中规定：,（,ISO,DIS3408,2,1991,）,?,公称直径：,6,，,8,，,10,，,12,，,16,，,20,，,25,，,32,，,40,，,50,，,63,，,80,，,100,，,125,，,160,及,200mm,。,?,基本导程：,1,，,2,，,2.5,，,3,，,4,，,5,，,6,，,8,，,10,，,12,，,16,，,20,，,25,，,32,，,40mm,。,尽可能优先选用,2.5,，,5,，,10,，,

9、20,及,40mm,。,?,优先数系列,R5,，,R10,，,R20,，,R40,四组,R5 10,1/5,=1.584893,R10 10,1/10,=1.258925,22,?,优先数系,23,?,5,滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧,?,预紧的作用：消除因轴向间隙引起的空回,（轴向间隙影响传动精度和系统的动态性能）,?,方法很多，如：,?,（,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,24,?,（,1,）双螺母螺纹预紧调整式,?,采用两副

10、滚动螺旋产生轴向力的方法,?,如下图调整,3,和,4,之间的距离，产生附加轴向力,25,?,（,2,）双螺母齿差预紧调整式,?,两对内外啮合齿轮有齿数相差很小，如分别,为,100,，,101,，同向移动一个齿时，相对移,动距离为,1/100-1/101=1/10100,26,?,（,3,）双螺母垫片调整预紧式,27,?,（,4,）弹簧式自动调整预紧式,28,?,（,5,）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚,珠过盈预紧式,（结构简单，加工、调整不方便）,29,6,滚珠丝杠副支承方式的选择,（,1,）支承方式,?,单推,-,单推式,双推,-,双推式,?,双推,-,简支式,双推,-,自由式,30,（,

11、2,）轴承组合支承安装示例,（,3,）制动装置,防止重力造,成自行运动,（垂直使用时）,31,?,7.,滚珠丝杠副的密封与润滑,32,?,8,滚珠丝杠副的选择计算,?,承载能力选择。计算作用于丝杠轴向最,大动载荷,Q,。,式中,L,滚珠丝杠寿命系数（单位为,1X10,6,转，如,l.5,则为,150,万转），,L=60nT/10,6,（其中,T,为使用寿命时间,(h),，,（普通机械为,5000,10000,、数控机床及其它机电一体化,设备及仪器装置为,15000,、航空机械为,1000,）；,f,w,载荷系数（平稳或轻度冲击时为,1.0,1.2,，中等,冲击时为,1.2,1.5,，较大冲击或

12、振动时为,1.5,2.5,）；,f,H,硬度系数（,HRC58,时为,1.0,，等于,55,时为,1.11,，,52.5,时为,l.35,，,50,时为,1.56,，,45,时为,2.40,）。,),(,max,3,N,P,f,f,L,Q,W,H,?,33,?,压杆稳定性核算：,式中,P,k,实际承受载荷的能力；,f,k,压杆稳定的支承系数,（双推,-,双推时为,4,，单推,-,单推时为,1,，,双推,-,简支时为,2,，双推,-,自由式时为,0.25,）；,E,钢的弹性模量,2.1X10,5,（,MPa,）；,I,丝杠小径,d1,的截面惯性矩（,I=d,4,/32,）；,K,压杆稳定安全系数

13、,一般取为,2.5,4,，垂直安装时取小值。,),(,),/(,max,2,2,N,P,Kl,EI,f,P,s,k,k,?,?,?,34,?,最大静载荷验算,?,Q,0,P,max,?,低速运转,(n,10r/min,）的滚珠丝杠,。,?,Q,0,最大静载荷（其塑性变形量不超过滚,珠直径,d,b,的,1,10000,）,35,?,刚度的验算：在工作负载,P,和扭矩,M,共同作用下，,所引起的每一导程的变形量为：,式中,E,钢的弹性模量为,2.1X10,5,（,MPa,）；,S,丝杠的最小截面积（,cm,2,）；,M,扭矩（,Ncm,）,;,I,丝杠的小径,d,1,的截面惯性矩；,“”号用于拉伸

14、时，“”号用于压缩时。,?,在丝杠副精度标准中一般规定每一米弹性变形所,允许的基本导程误差值。,),(,2,2,0,0,cm,IE,Ml,ES,Pl,L,?,?,?,?,?,36,?,四、齿轮传动部件,?,1,齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择,?,传动形式：定轴传动，行星传动,37,?,负载加速度最大的原则：,?,（,公式推导,）,?,无负载时,T,L,=0,M,L,J,J,i,/,?,m,L,m,L,m,L,m,m,m,m,m,L,m,L,m,J,J,T,T,T,T,T,J,T,J,J,T,J,T,J,i,?,?,?,?,?,?,2,2,2,2,),(,2,4,4,2,38,?,2,各级

15、传动比的最佳分配原则（控制机械）,?,（,1,）重量最轻原则（,m=const,，模数）,?,i,j,=(i),1/n,=const,?,（,2,）输出轴转角误差最小原则,?,总转角误差主要取决于最末上级齿轮的转角,误差和传动比的大小,?,?,?,?,n,i,kn,k,i,),(,max,/,39,?,（,3,）等效转动惯量最小原则（注意条件）,?,要根据实际情况提出不同的原则：,?,（,1,）重量最轻,体积小,?,（,2,）转动惯量最小,运动变化大，交流伺服,?,（,3,）运动精度高,总转角误差最小,),4,3,2,(,),2,(,2,2,1,2,2,2,/,1,2,1,),1,2,(,2,

16、1,2,1,),1,(,n,k,i,i,i,i,n,k,n,n,n,n,k,n,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,40,?,3,谐波齿轮传动,（,1,）谐波齿轮传动的工作原理,组成：,?,波形发生器,3,（,H,）,?,刚轮,1,?,柔轮,2,一般,Z,g,-Z,r,=2,?,原理：长轴啮合，短轴分离。波形发生器转一圈，,两轮相对位移为二个齿距（方向）。,41,?,（,2,）谐波齿轮传动的传动比,应用行星轮系求传动比的方式来计算。,?,设,g,、,r,和,H,分别为刚轮、柔轮和波形发,生器的角速度，则,r,g,H,g,H,r,H,rg,Z,Z,i,?,?,?,?,?,?,?,?,42,?

17、,当柔轮固定时，,r,=0,?,设,Rr=200,、,Zg=202,时，则,i,Hh,=101,。结,果为正值说明刚轮与波形发生器转向相同。,?,当刚轮固定时，,g,=0,?,设,Zr=200,、,Zg=202,，则,i,Hr,=,100,，负,值说明柔轮与波形发生器的转向相反。,r,g,g,g,H,Hg,Z,Z,Z,i,?,?,?,?,?,g,r,r,r,H,Hr,Z,Z,Z,i,?,?,?,?,?,43,?,（,3,）谐波齿轮减速器产品及选用,44,?,45,?,4,齿轮传动间隙的调整方法,?,（,1,）圆柱齿轮传动,偏心套（轴）调整法,46,轴向垫片调整法,齿面略有斜度,47,?,双片薄

18、齿轮错齿调整法,48,?,（,2,）斜齿轮传动,49,?,5,行星齿轮传动（动力机械）,动力机械上有独到之处，可不停车换档，例：,50,?,五、挠性传动部件,1,同步带传动,（和普通带相比，无积累误差）,51,?,2,钢带传动,?,（钢带，传动控制精确，范围较小）,52,?,3,绳轮传动,（柔性，误差较大）,53,?,六、间歇传动部件,1,棘轮传动机构,54,?,2,槽轮传动机构,设计时注意无冲击进出,55,?,3,蜗形凸轮传动机构,（可实现任意运动规律，凸轮理论）,56,2,3,导向交承部件的设计与选择,?,一、导轨副的组成、种类及其应满足的要求,?,1,导轨副的种类,57,?,导轨副结构,

19、58,?,2,导轨副应满足的基本要求,（,l,）导向精度,几何精度,垂直直线度,水平直线度,平行度,59,?,（,2,）刚度,截面尺寸、加工精度,?,变形：自身变形、局部变形、接触变形,?,（,3,）精度的保持性,耐磨,?,（,4,）运动的灵活性和低速运动的平稳性,高速无振动，低速无爬行,低速爬行现象,原因：,f,f,0,，,P=Q-F=ma,，,F=fN,方法：降低摩擦系数,?,（,5,）对温度的敏感性,温度变化时不对运动产生影响,?,（,6,）结构工艺性,加工制造方便，装拆容易,60,?,3,导轨副的设计内容,?,根据工作条件，选择合适的导轨类型；,?,选择导轨的截面形状，以保证导向精度；

20、,?,选择适当的导轨结构及尺寸，刚度、耐磨、运,动轻便、低速平稳。,?,选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，,通过调整能保持所需要的导向精度；,?,选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置，,使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损；,?,制订保证导轨所必需的技术条件，如选择适当,的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。,61,?,二、滑动导轨副的结构及其类型选择,?,1,导轨副的截面形状及其特点,（,l,）三角形导轨,V,形导轨,（,2,）矩形导轨,（,3,）燕尾形导轨,（,4,）圆形导轨,无补偿,62,?,2,导轨副的组合形式,（,1,）双三角形导轨,精度高，能自动补偿，但实现全接触困难

21、,63,?,（,2,）矩形和矩形组合,?,制造、调整方便,64,?,（,3,）三角形和矩形组合,?,（,4,）三角形和平面导轨组合,65,?,（,5,）燕尾形导轨及其组合,?,制造、调整方便,66,3,导轨副间,隙的调整,67,?,4,导轨副材料的选择,?,（,1,）铸铁,耐压、耐磨、减振。首选材,料之一,?,（,2,）钢,配对材料之一。一般要用热,处理保证性能,?,（,3,）有色金属,性能好，价格较高。,铜、锡、锌等合金,?,（,4,）塑料,种类繁多，发展方向,?,（,5,）导轨材料的搭配,?,原则：不同材料，不同硬度，保护重要,68,?,5,提高导轨副耐磨性的措施,?,（,1,）采用镶装导

22、轨,?,（,2,）提高导轨的精度与改善表面粗糙度,?,（,3,）减小导轨单位面积上的压力（即比压）,69,?,三、静压导轨副,?,用压力油支承，节流阀分配流量,70,?,四、滚动导轨副的类型与选择,?,1,直线运动滚动导轨副的特点及要求,?,特点：摩擦系数小（,0.003,0.005,），,运动灵活。动、静摩擦系数基本相同，因,而启动阻力小，而不易产生爬行。可以预,紧，刚度高。寿命长。精度高。润滑,方便，可以采用脂润滑。一次装填，长期使,用。,由专业厂生产，可以外购选用。因此,滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控,机床、测量机和测量仪器等。,71,?,对滚动导轨副的要求：,（,1,）导向精度

23、,（,2,）耐磨性,（,3,）刚度,（,4,）工艺性,72,?,2,滚动导轨副的分类,?,（,l,）滚动体不循环的滚动导轨副,结构,简单，移动距离有限。,?,（,2,）滚动体循环的滚动导轨副,承载,能力较大，已形成定型产品。,?,（,3,）滚动轴承导轨,用轴承作移动副，,结构紧凑，承载能较小（汽车）。,73,?,（,l,）滚动体不循环的滚动导轨副,结构简,单，移动距离有限。,74,?,（,2,）滚动体循环的滚动导轨副,承载能力,较大，已形成定型产品。,75,76,?,（,3,）滚动轴承导轨,用轴承作移动副，结,构紧凑，承载能较小（汽车）。,77,2,4,旋转支承的类型与选择,?,一、旋转支承的

24、种类及基本要求,78,?,二、圆柱支承,79,?,摩擦：,（,1,）,f,0,f,静摩擦系数大于动摩擦系数,（,2,）,F=fN T=RfN,（,3,）,fv=f/sin,斜面、锥面,（,4,）,fv=f,1.57f(/2),圆柱面,（,5,）,圆柱面端面,Rv=2(R,3,-r,3,)/(3(R,2,-r,2,) p=const,（新）,Rv=(R+r)/2 p=const,（磨合后）,（,6,）圆球面与平面,3,2,1,),1,1,(,88,.,0,16,3,r,E,E,Q,a,fQa,T,?,?,?,?,80,接触问题（徐芝纶：弹性力学（第二版）上册,P295,）,两球接触，接触半径,半

25、球与平面接触,应力为球体分布,2,2,2,2,1,2,1,1,3,2,1,2,1,2,1,1,1,),(,4,),(,3,E,k,E,k,R,R,R,R,k,k,P,a,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,2,1,2,1,3,2,2,1,1,1,1,1,88,.,0,88044,.,0,3,.,0,1,4,3,3,.,0,R,R,E,E,P,a,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,取,3,2,1,2,),1,1,(,88,.,0,R,E,E,P,a,R,?,?,?,?,?,2,2,u,a,k,q,?,?,81,?,三、圆锥支承,?,圆锥支承的方,向精度和置中精度,较

26、高，承载能力较,强，但摩擦阻力矩,也较大。其置中精,度比圆柱支承好，,轴磨损后，可借助,轴向位移，自动补,偿间隙。其缺点是,摩擦阻力矩大，对,温度变化比较敏感，,制造成本较高。,82,?,四、填入式滚动支承,?,滚动支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载能力较,大，温度剧烈变化时影响小，以及能在振动条件下,工作，故可在高速度、重载情况下使用，但成本较,高。当标准滚珠轴承不能满足结构上的使用要求时，,常采用非标准滚珠轴承（即填入式滚珠支承）。,83,84,?,五、其它支承,?,1,球面支承,85,?,2,顶针支承,86,3,刀口支承,4,弹性支承,87,?,2,5,轴系部件的设计与选择,?,一、轴系设计的基本要求,?,（,l,）旋转精度,?,（,2,）刚度,?,（,3,）抗振性,?,（,4,）热变形,?,（,5,）轴上零件的布置,88,?,二、轴（主轴）系用轴承的类型与选择,?,1,标准滚动轴承,?,（,1,）向心球轴承,?,（,2,）双列向心短圆柱滚子轴承,?,（,3,）圆锥滚子轴承,?,（,4,）推力轴承,?,（,5,）几种常见机床主轴轴承配置,?,双列向心球面滚子轴承,89,?,2,非标滚动轴承