第四章 机电一体化机械传动系统

1、第四章第四章 机械一体化系统中的机械一体化系统中的机械设计机械设计本章的学习内容：4.1 机械部分设计概述4.2 精密机械的精度设计和误差分配4.3 机械传动部件的选择与设计4.4 支承部件的选择与设计4.5 轴系部件的选择与设计4.6 机电一体化系统的机座或机架4.1 机械部分设计概述机械部分设计概述一、机电一体化系统中的机械部分的特点一、机电一体化系统中的机械部分的特点一般的机械系统设计机电一体化的机械系统较高的定位精度响应快、稳定性好较高的定位精度良好的动态响应特性4.1 机械部分设计概述机械部分设计概述二、机械部分设计要求二、机械部分设计要求（1）高精度（2）高刚度（3）低摩擦（7）良

2、好的稳定性（4）短传动链（5）最佳传动比（6）反向死区误差小4.1 机械部分设计概述机械部分设计概述三、机械部分的组成三、机械部分的组成（1）传动机构（2）导向机构（3）执行机构动力机执行机构运动、动力满足要求：满足要求：小型、高速、低噪声、高可靠性小型、高速、低噪声、高可靠性4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配 精度分配精度分配精度设计精度设计 误差补偿误差补偿4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配一、产品精度分配依据和步骤一、产品精度分配依据和步骤1、 精度分配依据（1）使用性能要求和有关精度标准（2）工作原理、机械结构装配图及有关零部

3、件图（3）技术水平，使用的环境条件（4）经济性要求（5）公差技术标准4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配一、产品精度分配依据和步骤一、产品精度分配依据和步骤2、 精度分配步骤（1）明确总精度指标（2）理论误差和方案误差（3）原理误差（4）总精度计算；确定误差补偿方法（5）编写技术设计说明书 4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配二、误差分配方法二、误差分配方法产品总误差s= 总系统误差e+总随机误差 4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配二、误差分配方法二、误差分配方法1. 总系统误差如果系统仅是某个变量的函数，可

4、用产品的如果系统仅是某个变量的函数，可用产品的误差方程表示。误差方程表示。总系统误差总系统误差1/3产品容许的总误差产品容许的总误差4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配二、误差分配方法二、误差分配方法2. 随机误差一般按均方根法。一般按均方根法。（1）等作用分配原则）等作用分配原则mni（2）不等作用分配原则）不等作用分配原则nm12aiiPi4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配二、误差分配方法二、误差分配方法3. 公差调整（1）经济公差）经济公差极限极限（2）生产公差极限）生产公差极限（3）技术公差极限）技术公差极限当系统误差的公差等级

5、比随机误差的高，补偿环节当系统误差的公差等级比随机误差的高，补偿环节少而经济效果显著时，即认为是合格的。少而经济效果显著时，即认为是合格的。4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配二、误差分配方法二、误差分配方法4. 误差补偿 工艺补偿方法误差补偿 设计补偿方法 误差值补偿 误差传递系统补偿综合补偿分级补偿连续补偿自动补偿4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配三、数控机床的误差源和精度分析三、数控机床的误差源和精度分析1. 加工前的误差源2. 机床本身的误差3. 运行时的误差4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配三、数

6、控机床的误差源和精度分析三、数控机床的误差源和精度分析1. 加工前的误差源（1）编程误差（2）机床调整误差（3）自动换刀误差圆整误差、近似计算误差和过去值误差构成在数控机床调“零点”及“机外”调刀时产生的。换刀原理、换刀装置的结构特点及它们的制造、装配质量4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配三、数控机床的误差源和精度分析三、数控机床的误差源和精度分析2. 机床本身的误差（1）机床几何形状误差（几何精度）（2）弹性变形引起的误差综合反映该机床关键机械零部件和组装后的几何形状误差。刚度不足造成的误差。例如，立式加工中心有下列几何精度指标例如，立式加工中心有下列几何精度指

7、标 l工作台面的平面度l各坐标方向移动的相互垂直度lX坐标方向移动时，工作台面的平行度lY坐标方面移动时，工作台面的平行度lX坐标方面移动时，工作台面T形槽侧面的平行度l主轴的轴向窜动l主轴孔的径向跳动l主轴箱沿Z坐标方面移动时，主轴轴心线的平行度l主轴回转轴心线对工作台面的垂直度l主轴箱在Z坐标方面移动的直线度 对机床各运动大部件对执行切削运动主要部件主轴的工作台面平面度与T形槽侧面的平行度4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配三、数控机床的误差源和精度分析三、数控机床的误差源和精度分析3. 运行时的误差 定位误差运行误差 运行速度下误差 快速运行过程中速运行过程缓

8、慢速度运动过程4.2 精密机械的精度设计精密机械的精度设计和误差分配和误差分配应该掌握的内容：1. 精度设计中的主要原理与原则2. 精度设计中的基本概念3. 随机误差和系统误差4. 误差的综合和分配5. 数控机床的精度分析和精度指标4.3 机械传动系统机械传动系统学习内容：1. 齿轮传动系统2. 滚珠丝杠螺母传动3. 谐波齿轮传动4. 同步带传动5. 间歇运动机构 传动机构的技术要求精密化；高速化；小型、轻量化；1. 齿轮传动系统特点特点传递功率范围大；传动效率高；传动比准确；使用寿命长；工作安全可靠等。1. 齿轮传动系统一、常用齿轮传动方式（1）平面齿轮机构u直齿圆柱齿轮传动122112iz

9、znnu斜齿圆柱齿轮传动u人字齿轮传动u圆弧齿轮传动1. 齿轮传动系统一、常用齿轮传动方式（2）空间齿轮机构u直齿圆锥齿轮传动u交错轴斜齿轮传动u蜗轮蜗杆传动u斜齿圆锥齿轮传动1. 齿轮传动系统一、常用齿轮传动方式（3）轮系传动u定轴轮系传动在运转过程中每个齿轮的几何轴线均固定不变的轮系，又称普通轮系（3）轮系传动u周转轮系传动在运转过程中至少有一个齿轮几何轴线的位置不固定， 而是绕其它齿轮轴线回转的轮系。（3）轮系传动u行星轮系传动整个系统的自由度为1的周转轮系。（3）轮系传动u差动轮系传动整个系统的自由度为2的周转轮系。（3）轮系传动u复合轮系传动（A）（3）轮系传动u复合轮系传动（B）在

10、主动轴转速不变的条件下，从动轴可以得到若干种不同的转速，这种传动成为变速传动。（3）轮系传动u摆线针轮传动主要实现两平行轴之间运动与动力的传递。（3）轮系传动u谐波齿轮传动主要实现两平行轴之间运动与动力的传递。二、齿轮传动比的最佳匹配选择二、齿轮传动比的最佳匹配选择41244113iJJiJJ，厚度相同，则：设各齿轮的材料相同，三、各级传动比的最佳分配原则1. 重量最轻原则2. 输出轴转角误差最小原则3. 等效转动惯量最小原则niiii321各级传动比一般应以“先小后大”的原则)(nmax/kniki在设计中，最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。结论1.对于要求体积

11、小，重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。2.对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系统个，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。三、各级传动比的最佳分配原则3.对于以提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速运动，由于增速时容易皮欢传动齿轮系统工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好小于1:3，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。4.对按较大传动比传动的齿轮系统，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传

12、动比，并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。四、齿轮副间隙的调整1、刚性调整法、刚性调整法调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法和斜齿轮法。调整中心距法结构带锥度齿轮法结构斜齿轮法结构2、柔性调整法、柔性调整法 通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。拉簧消除间隙结构碟形弹簧消除间隙结构压簧消除间隙结构单面接触消除间隙结构齿轮齿条传动消除间隙原理2. 滚珠丝杠螺母传动一、特点一、特点磨损小、传动效率高、传动平稳寿命长、精度高、温升低等优点；结构复杂、成本高；传动的距离和速度有限。二、结构类型a)b)滚珠丝杠螺母

13、副结构类型a)外循环插管式b)内循环反向器式端盖式外循环三、螺纹滚到型面（法向）的形状螺纹滚道法向截面形状四、滚柱丝杠副间隙的消除及预紧方法双螺母齿差式预紧结构双螺母螺纹式预紧结构1、2螺母 3丝杠 4套筒 5平键 6圆螺母a)b)双螺母垫片式预紧结构a)压紧式b)拉紧式单螺母变位导程自预紧结构1螺母 2丝杠 3滚球五、精度等级精度等级 滚珠丝杠副的精度根据JB3162-91,可以分为7个精度等级：1、2、3、4、5、7、10，其中1级最高，依次递减。精度等级12345710300mm行程 68121623522102弧度行程45678-不同精度等级参数不同精度等级参数(m)六、标注方法七、滚

14、珠丝杠副的主要结构参数及计算主要参数：公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径1、承载能力的计算承载能力的计算 3maxQ=H WL f f P 对于低速运转(n10rmin)的滚珠丝杠，无需计算其最大动载荷Q值，而只考虑最大静负载是否充分大于最大工作负载即可。 计算作用于丝杠轴向最大动载荷Q，选择丝杠的型号HfWfmaxP式中，L滚珠丝杠寿命系数载荷系数硬度系数最大的工作载荷（或平均工作载荷）2、压杆稳定性核算 22max/()( )kksPfEIKlPN式中，kPkfEIKsl实际承受载荷的能力压杆稳定的支承系数钢的弹性模量丝杠小径d1的截面惯性矩压杆稳定安全系数基本导程3、刚度的验算2

15、0 (cm)2PlMlLESIe 在工作负载P和扭矩M的共同作用下，引起每一导程的变形量为：式中， E钢的弹性模量为52.1 10S丝杠的最小截面积（cm2）M扭矩（N.cm）I 丝杠的最小直径d1的截面惯性矩表示“+”受拉伸，“-”受压缩八、滚珠丝杠副支承方式单推单推式双推双推式双推简支式九、滚珠丝杠副的密封防护套示例3. 谐波齿轮传动 一、特点结构简单、体积小、重量轻；传动比范围大；同时啮合的齿数多、运动精度高、承载能力大；运动平稳、噪声低；实现差速运动；二、工作原理构件1刚轮，构件2柔轮，3（H）谐波发生器 谐波齿轮减速器三、谐波齿轮传动速比的计算谐波齿轮传动速比的计算21121221ZZiHHHHH21111zzznniHH21222zzznniHH四、谐波齿轮减速器的标注方法例如，XBD 100-125-250-表示柔轮小径为100mm，传动比为125，输出转矩为250Nm，精度等级为普通级，卧式双轴伸出型谐波减速器。4. 同步带传动 它是一种在带的工作面及带轮的外周上均制有啮合齿，由带齿与轮齿的相互啮合实现传动 。 传动比准确，传动效率高； 工作平稳，能吸收振动； 不需要润滑、耐油水、耐高温、耐腐蚀，维护保养方便；中心距要求严格，安装精度要求高； 制造工艺复杂，成