机电一体化设计课件

1、 第二章第二章 机械系统设计机械系统设计第一节 概述 第二节 传动机构设计 第三节 导向机构设计 长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY一、机电一体化对机械系统的基本要求一、机电一体化对机械系统的基本要求 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，也就是说响应要快，稳定性要好。 高精度：精度直接影响产品的质量。 快速响应：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要短。 良好的稳定性：即要求机械系统的工作

2、性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙 、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率，适当的阻尼比等要求，为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施: 采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件。 缩短传动链，提高传动与支承刚度。 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。 缩小反向死区误差。改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声二、机械系统的组成二、机械系统的组成 机电一体化机械系统应包括以下三大部分机构。 传动机构：不仅变换转速和转矩，已成为伺服系统的一部分。 导向机构：支

3、承和导向。 执行机构：用以完成操作任务。2.1 2.1 传动概述传动概述 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转速和转矩。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有很大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。一、传动机构的性能要求一、传动机构的性能要求 机电一体化机械系统应具有良好的伺服性

4、能，从而要求传动机构满足以下几个方面： 1.转动惯量：在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响：机械负载增大；系统响应速度降低；灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。：1）圆柱体：J (m质量d直径)2）直线运动物体：3）齿轮齿条：281md2021)2)(pmmJ2021)(rmmJ 2.刚度大：刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言使有利的：伺服系统动力损失随之减小；机构固有频率高，不易产生共振；增加闭环伺服系统的稳定性。 3.阻尼合适：机械系统产生振动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越

5、快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大、精度降低。 4.摩擦小：1）系统误差 2）爬行（低速运动时的一种现象，内因是摩擦的非线性） ：材料上考虑（材质、加工方法的影响）；结构上考虑；惯量上考虑；缩短传动链 5.间隙小二、影响传动性能的因素（机械参数的影响）二、影响传动性能的因素（机械参数的影响） 伺服系统要求具有良好的响应特性和其他动力学性能，影响机械传动链动力学性能的主要因素有： 1.负载的变化：负载包括工作负载惯性负载和摩擦负载等，如果负载通过传动链折算到电动机轴上的等效负载转矩变化过大，二者就不能匹配。 2.惯性的大小：传动链的惯性主要影响伺服系统的启停特性，也影响运动的快速性及其位移和速

6、度的偏差，在转矩一定的条件下，尽量减小传动链的惯性。 3.固有频率的高低：影响系统谐振和传动精度。 4.摩擦、间隙、温升、润滑等因素 这些因素往往是非线性的，严重影响传动精度和运动平稳性。三、无侧隙齿轮传动机构三、无侧隙齿轮传动机构 由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高等原因，齿轮传动副成为在机电一体化机械系统中目前使用最多的传动机构。机电一体化产品往往要求传动机构具有自动变向功能，这就要求齿轮传动机构必须采取措施消除齿侧间隙，以保证机构的双向传动精度。（一）直齿圆柱齿轮传动机构（二）斜齿轮传动机构（三）锥齿轮传动机构（

7、四）齿轮齿条传动机构四、齿轮传动比分配四、齿轮传动比分配 总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择技术方案，使驱动部件和负载之间的转矩和转速合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等同轴传动方式而采用多级齿轮传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比，分配原则如下： 1.最小等效转动惯量原则（前小后大） 2.重量最轻原则（前大后小） 3.输出轴转角误差最小原则（前小后大） 确定传动级数和分配传动比时，要根据系统的工作条件和功能要求，在考虑上述三个原则的同时，考虑其可行性和经济性，合理分配传动比。 2.2 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 一一. .滚珠丝杠副的组成及特点滚珠丝杠副的组

8、成及特点二二. .滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠副的典型结构类型 四四. .滚珠丝杠副的精度等级及标注方法滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 五五. .轴向间隙调整与预紧轴向间隙调整与预紧 长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY七七. . 滚珠丝杠副的设计计算滚珠丝杠副的设计计算 三三. .滚珠丝杠副的主要尺寸参数滚珠丝杠副的主要尺寸参数 六六. . 滚珠丝杠副支承方式的选择滚珠丝杠副支承方式的选择 长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCH

9、ANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY一、滚珠丝杠副的组成及特点、滚珠丝杠副的组成及特点 1 1、组成：滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之、组成：滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件间装有中间传动元件滚珠。从图可以看出，它由丝杠、螺母、滚珠和反向器滚珠。从图可以看出，它由丝杠、螺母、滚珠和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，

10、面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。从而形成滚珠流动的闭合通路。 2 2、特点：、特点： 1 1）传动效率高）传动效率高效率高达效率高达90%95%90%95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的，耗费的能量仅为滑动丝杠的1/31/3。 2 2）运动具有可逆性）运动具有可逆性 3 3）系统刚度好）系统刚度好 4 4）传动精度高）传动精度高 5 5）使用寿命长）使用寿命长 6 6）不能自锁）不能自锁 （特别是垂直安装的丝杠）（特别是垂直安装的丝杠） 7 7）制造工艺复杂）制造工艺复杂二、滚珠丝杠副的典型结构类型二、滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝

11、杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。1、螺纹滚道型面（法向）的形状及主要尺寸，我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型。 2、滚珠的循环方式，滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。内循环：内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整不方便。外循环：外循环方式中的滚珠在循环返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：a）螺旋槽式 b)插管式 c)端盖式优先选用2.5，

12、5，10，20及40长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY五、轴向间隙调整与预紧五、轴向间隙调整与预紧 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，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，这种空会是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的其轴向间隙会引起空回，这种空会是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴动态性能。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方

13、向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。常用的双螺母消除轴向间隙的结向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：构形式有三种： 垫片调隙式垫片调隙式 螺纹调隙式螺纹调隙式 齿差调隙式齿差调隙式长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY六六. . 滚珠丝杠副支承方式的选择滚珠丝杠副支承方式的选择 2.2 传动机构设计传动机构设计 一一. .同步带同步带 二二. .谐波齿轮传动谐波齿轮传动 长春工业大学 CHANGCHUN

14、 UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 其他典型传动其他典型传动 一一.同步带同步带 长春工业大学同步带传动的特点和分类同步带传动的特点和分类同步带的结构同步带的结构 同步带传动的失效形式同步带传动的失效形式 同步带传动设计准则及计算同步带传动设计准则及计算长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVE

15、RSITY OF TECHNOLOGY 二、谐波齿轮传动二、谐波齿轮传动 长春工业大学工作原理工作原理传动特点传动特点 传动比计算传动比计算 长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1）传动比大：单级为50500，多级和复式传动可达30000以上2）承载能力大3）传动精度高：比一般齿轮至少高一级，齿侧间隙小4）传动平稳，基本上无冲击振动5）传动效率高；单级传动的效率为65%90%6）结构简单、体积小，重量轻：比一般齿轮体积和重量减轻1/21/37）成本高：柔轮材料性能要求高，制造较困难

16、，精度高 第三节第三节 导向机构设计导向机构设计 一一. .导轨的功用导轨的功用 三三. .导轨的基本要求导轨的基本要求 长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY二二. .导轨的分类及特点导轨的分类及特点 五五. .滚动直线导轨的类型与选择滚动直线导轨的类型与选择 四四. .导轨副的设计内容导轨副的设计内容 长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY一、导轨的功用一、导轨的功用：

17、 支承和导向（支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动）二、导轨的分类和特点二、导轨的分类和特点 导轨主要由承导件（静导轨）和运动件（动导轨）两大部分组成。按运动方向分为：直线运动导轨副和回转运动导轨副。按其接触面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨和液体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为：开式（借助重力或弹簧 弹力保证动、静导轨之间的接触）和闭式（只靠导轨本身的结构形状保证动、静导轨之间的接触）长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY三、导轨的基本要求三、导轨的基本要求 1.导向精度：包括垂直、水平平面内的直线度，两导轨面的平行度。 2.刚度 3. 耐磨性 4.疲劳和压溃 5. 低速运动的平稳性 6. 结构工艺性四、导轨副的设计内容四、导轨副的设计内容 1.根据工作条件，选择合适的导轨类型 2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度 3.选择适当的导轨结构及尺寸 4.选择导轨的补偿及调整装置 5.选择合理的耐磨涂料，润滑方法和防护装置 6.指定保证导轨所必需的技术条件长春工业大学 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF T