机电系统机械设计技术

1、 机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动 齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器 导轨设计 支承装置 主轴组件设计3.1 3.1 机械传动装置概述机械传动装置概述一、传动装置功能及性能要求一、传动装置功能及性能要求 功能功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；变速； 改变运动规律或形式动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩） 机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，

2、使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性好。 性能要求满足以下几个方面性能要求满足以下几个方面： 1 1、转动惯量（、转动惯量（J J）小）小转动惯量是在转动过程中一个刚体表现出来的惯性转动惯量是在转动过程中一个刚体表现出来的惯性 转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降，但是 J 小不应影响机械系统的刚度。2 2、刚度（、刚度（ K K ）大）大 刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。 大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的稳定性。 增

3、大系统的传动刚度有以下好处：增大系统的传动刚度有以下好处： （1）可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度； （2）可以提高系统的固有频率，有利于提高系统的抗振性； （3）可以增加闭环控制系统的稳定性。 提高系统的刚度的方法： 1）采用弹性模量高的材料； 2）合理选择零件的截面形状和尺寸； 3）对齿轮、丝杠、轴承等施加预紧力。mK=w 3、阻尼（、阻尼（B ）合适）合适 系统产生振动时，B 越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。 阻尼比为：mKB2=x过阻尼系统临界阻尼系统欠阻尼系统一般取1x1=x1x8 . 04 . 0 x使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我

4、们称之为阻尼 阻尼对机械系统的动态特性的影响: 阻尼越大,系统的回程误差增大,定位精度降低.低速运行的滑动导轨容易产生爬行现象.降低机械性能. 系统的粘性阻尼摩擦越大,使系统稳态误差增大,精度降低. 系统的阻尼摩擦对系统快速响应性产生不利影响 如果系统刚度低而质量大,则系统固有频率较低,此时应增大系统粘性阻尼,以减小振幅和衰减振动.欠阻尼:系统的输出响应的速度快,但振幅大,振荡衰减慢.临界阻尼:系统输出响应不发生振荡,且达到稳定状态的速度较快.四、摩擦四、摩擦减小静摩擦和动摩擦的差值五、固有频率五、固有频率提高固有频率（提高刚度、降低惯性）六、间隙六、间隙减小间隙，避免死区误差七、传动精度传动

5、链的传动误差影响系统的精度和稳定性.减小传动链误差措施 提高零件本身制造精度 合理设计传动链合理选择传动类型合理确定传动级数,合理分配传动比合理布置传动链采用消除间隙机构)/(1max=nkknki例已知齿轮传动比iba=6,蜗轮蜗杆机构传动比idc=60，试分析两种传动方案的传动精度ABC DCDAB二、机械传动系统的主要特性计算在选择电机、设计伺服控制系统时，往往要根据负载转动惯量进行选取和设计。 等效转动惯量：传动系统中的各运动部件的转动惯量折算到特定轴上的转动惯量。一般计算折算到电机轴上的转动惯量。 等效转动惯量计算的基本原理：动能相等原则1.转动惯量的计算:22eLJm= 218Jm

6、d=c) 齿轮齿条中，工作台折算到齿轮轴上的转动惯量2Jm R=2221 2eJJi=e钢带传动工作台等效转动惯量m2vJ=mw 当丝杠2作较低的匀速运动时，工作台3可能会出现一快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行爬行。1）产生爬行的原因和过程）产生爬行的原因和过程 主动件1做匀速运动时，在弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。 当弹簧力大于静摩擦力F时，3开始运动，此时，静摩擦变为动摩擦，摩擦阻力突然降低，使得3加速向前，产生跳跃式运动。 同时弹簧伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3的速度降低，动摩擦力增大，直到3停止运动。 由于，主动件1在做匀速运动，从动件的这种反复跳跃、静止的现象就称为爬行

7、现象。由上述分析可知，由上述分析可知，低速进给爬行现象的产生主要取决于下低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：列因素： 静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。产生爬行。 进给传动系统的刚度进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。越小、越容易产生爬行。 运动速度太低。运动速度太低。2）消除爬行现象的途径）消除爬行现象的途径 提高传动系统的刚度提高传动系统的刚度a提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。 如适当的加粗传动丝杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。b尽量缩短传动链，减小

8、传动件数和弹性变形量。c合理分配传动比，使多数传动件受力小，变形小。 减少摩擦力的变化减少摩擦力的变化a用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦。 如采用滚珠丝杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。b选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。c降低作用在导轨面的正压力。 如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。d提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化。三、传动装置的类型三、传动装置的类型 按工作原理分为按工作原理分为：啮合传动(齿轮传动、齿形带传动)摩擦传动(带传动、钢丝绳传动)推动传动(凸轮连杆机构)机械传动 液压传动

9、气压传动液力传动流体传动 交流电力传动直流电力传动交、直流电力传动电力传动 磁力传动 一、滚珠丝杠副的工作原理及结构一、滚珠丝杠副的工作原理及结构1.滚珠丝杠副的工作原理 螺旋传动2.丝杠螺母副传动形式 五种传动方式： （1）螺母固定、丝杠转动并移动 （2）丝杠转动、螺母移动 （3）螺母转动、丝杠移动 （4）丝杠固定、螺母转动并移动 （5）差动传动方式3.2 3.2 滚珠丝杠传动装置滚珠丝杠传动装置2SLa=（e） 图3-1 丝杠螺母副传动方式3.滚珠丝杠螺母副结构类型（1）根据滚道截面形状（a）单圆弧 （b）双圆弧图3-2 丝杠螺母副螺纹滚道法截面形状单圆弧滚道：结构简单，磨削螺纹滚道的砂轮

10、成型比较简易,易于获得较高的加工精度,但其接触角随着轴向负载的大小不同,因此传动效率,承载能力、刚度不稳定双圆弧滚道：接触角基本保持不变，因此传动效率、承载能力和轴向刚度较稳定。3.滚珠丝杠螺母副结构类型（2）根据滚珠循环方式图3-3 内循环结构图3-4 外循环结构（a）螺旋槽式外循环（b）插管式外循环 （c）端盖式外循环二、滚珠丝杠的特点二、滚珠丝杠的特点1、传动效率高、传动效率高其中： 中径处的螺旋升角 当量摩擦角 （ ） 一般而言，摩擦系数较小 因此，效率很高，可达90%-95%。 2、运动具有可逆性、运动具有可逆性 回转运动变直线运动 正传动 直线运动变回转运动 逆传动 3、传动精度高

11、、传动精度高 精度精度轴向定位精度轴向定位精度进给精度进给精度误差：误差：j)(jllh+=tgtg0035. 00025. 0=jmtg218mmm 300/4m4 4、磨损小，使用寿命长、磨损小，使用寿命长 滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化淬火、硬化处理HRC58-65。 5 5、不能自锁、不能自锁 垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，导致机构在两个方向上的运动特性不同。 解决方法：（1）设置制动装置 （2）加配重平衡运动部分重力图3-5 丝杠垂直安装结构方案6 6、制造工艺复杂，成本高、制造工艺复杂，成本高 三、轴向间隙的调整三、轴向间隙的调整 轴向间隙包括两部分 滚珠

12、与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。 通常采用以下方法消除间隙，提高刚度。 五种结构形式：五种结构形式： v 垫片调隙式 v 螺纹调隙式 v 齿差调隙式 v 变位螺距调隙式v 弹簧自动调隙式1 1、垫片调隙式 调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整方便，应用广，但仅适用于高刚度、重载荷一般精度机构。图3-6 双螺母垫片调隙式2、螺纹调隙式 通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。但不能精确定量调整，可靠性差。图3-7 双螺母螺纹调隙式3、齿差调隙式 两螺母的凸

13、缘上制有圆柱外齿，齿数Z 1、Z 2 且Z 2 -Z 1=1，分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。 产生的轴向位移（即间隙）为：其中：n为螺母同方向转过的齿数p为丝杠的导程图3-8 双螺母齿差调隙式npZZ)11(21=d例：若Z1=99，Z2=100，n=1, p=6mm 则=0.6m 该结构复杂，加工和装配工艺性差，但是调整的精度高，工作可靠。 4、变位螺距调隙式 预紧力的大小由L和滚珠直径决定。 结构最简单、尺寸最紧凑，价格低廉。缺点是不便于随时调整。5、弹簧自动调隙式 能够自

14、动消除使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙，缺点是结构复杂，轴向刚度低。图3-9 单螺母变位调隙式图3-10 弹簧自动调隙式四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法 1、主要尺寸、主要尺寸 公称直径（滚珠中心圆直径） D0（mm） 导程(或螺距) p（mm） 螺旋升角 （） 滚珠直径 d0(mm) 螺纹滚道半径 R (mm) 此外还有：丝杠外径、丝杠内径、螺母外径、螺母内径等。 2、精度等级、精度等级 根据JB316.2-91滚珠丝杠副精度标准规定分为5个等级：1、2、3、4、5级（有的参考书称7个等级，另外有7、10级），1级最高，5级最低。 J

15、B316.2-82标准，分为C、D、E、F、G、H六个精度等级， v 一般动力传动选4、5级或F、G、H v 数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级或C、D、E滚珠丝杠副结构、规格、精度的标注方法如图所示：例：例：1 1、FFB-606-5-E2 左 (汉江机床厂) 螺纹旋向，右旋不标检查项目编号精度等级滚珠总圈数基本导程公称直径预紧方式循环方式外形结构特征3、标注方法、标注方法 表表3-1 3-1 滚珠丝杠副主要尺寸及计算公式滚珠丝杠副主要尺寸及计算公式表表3-3 3-3 滚珠丝杠副选用参考滚珠丝杠副选用参考表表3-4 3-4 滚珠丝杠副选用参考滚珠丝杠副选用参考表表3-5 3-5 滚珠丝杠

16、型号含义滚珠丝杠型号含义五、滚珠丝杠支承方式的选择和设计计算五、滚珠丝杠支承方式的选择和设计计算 1、支承方式的选择、支承方式的选择 为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合，一般常用推力轴承和向心球轴承。 四种典型的支承方式：四种典型的支承方式： 固定可以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用圆锥滚子轴承两端都装止推轴承，承受轴向载荷两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受轴、径向载荷固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷，简支端用深沟球轴承径向约束图3-11 滚珠丝杠典型的支承方式典型支承方式图3-12 单推-单推支承方式典型支承方式图3-13 双推-游动

17、支承方式典型支承方式图3-14 双推-自由支承方式其中：小时2、设计计算、设计计算 已知条件是：工作载荷或平均工作载荷（F或Fm）(N); 丝杠副的使用寿命L（百万转）； 丝杠的工作长度（或螺母的有效长度）l; 丝杠的转速n（r/min）; 滚道硬度HRC及运转情况。 设计步骤：1、求出计算载荷Fc Fc=K Fm K为工况系数 2、根据寿命计算出额定动载荷3、查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷 ，使 ， 初选几个规格（或型号），列出其主要参数 4、验算传动效率、刚度、稳定性等 3、滚珠丝杠副传动刚度的计算滚珠丝杠副传动刚度的计算 传动刚度由三部分组成： K=1.01.2 K=1.21.5K=1.

18、52.0无冲击平稳运行：一般情况：冲击和振动情况：61060=nLLh31067. 14=hnLcaFCaCaaCCaCv 滚珠丝杠的拉压刚度 KCv 滚珠丝杠与螺母接触刚度 KNv 滚珠丝杠轴承与轴承座的支承刚度 KB （1）拉压刚度 KC a、一端固定，一端自由、一端固定，一端自由 根据材料力学知识 d1为丝杠螺纹底径；E为弹性模量 MPa其中： 为行程比； b、两端固定、两端固定MLl刚度最低点在：图3-15 nLEdlEdKc442121=Lln =5101 . 2Ll =LEdKc421min=MLl刚度最低点在： （2）接触刚度KN 根据经验公式： 其中：i 为滚珠螺母的有效工作圈

19、数 F为轴向载荷 （选最大值） R为滚道半径 rb 、db 为滚珠半径、直径 （指轴向）图3-16 )1 (14)11(42121nnLEdlLlEdKc=+=2Ll =21mincdEKL=32025 .2159FddiKbN=32027 .2667FddiKbN=)11. 1(=brR)04. 1(=brR（3）支承刚度 包括三部分内容轴承轴向刚度KB轴承支座刚度KBR螺母支座刚度KNR这三部分刚度，一般难以精确计算，根据结构而定。4、滚珠丝杠副传动的力学模型滚珠丝杠副传动的力学模型 传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图

20、3-17 丝杠副传动系统的力学模型传动系统的传动刚度为：传动系统的传动刚度为：NRNCBRBKKKKKK1111211minmin+=m2KBKCminKBRKNKNR5、压杆稳定性核算6、临界转速的验证高速运转时是否发生共振要求丝杠最高转速nmax=Smcf支承方式支承方式有关系数有关系数双推双推自由自由FO双推双推简支简支FS双推双推双推双推FF安全系数安全系数342.53.3长度系数长度系数22/3临界转速系数临界转速系数1.8753.9274.730 临界转速临界转速 验证验证 高速运转时，需验算其是否会发生共振的临界转速，高速运转时，需验算其是否会发生共振的临界转速，要求丝杠的最高转

21、速要求丝杠的最高转速 。 临界转速临界转速可按公式计算：可按公式计算：crncrnnmax221223.9270.04599910991010960 /min2( )(1.2)3ccrf dnrlm=max10000 /min10960 /mincrnrnr=所以不会发生共振所以不会发生共振 。（5）刚度验算：）刚度验算： 滚珠丝杠在工作负载滚珠丝杠在工作负载F和转矩和转矩T共同作用下，引起共同作用下，引起每个导每个导程的变形量程的变形量 为：为： 式中：式中：A丝杠的截面积，丝杠的截面积， (m2)； 丝杠的极惯性矩，丝杠的极惯性矩， (m4)； G钢的切变模量，对于钢钢的切变模量，对于钢G

22、=83.3GPa; F 工作载荷工作载荷 ( N ) P 丝杠的导程丝杠的导程(mm) T转矩（转矩（Nm）0L202cpFp TLEAGJ=+214dA=4132dJc=cJ3050tan()380010 tan(211840 )3.822mDTFNml=+=+取工作载荷取工作载荷F等于平均工作载荷等于平均工作载荷Fm，即即 F = Fm ，则，则 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：通常，要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的通常，要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即，即 mGdTpEdpFGJTpEApFLcm2492232

23、934122212010752. 60459. 0103 .83)14. 3(8 . 3)106(160459. 01020614. 338001064 1642+=+=+=mpLlLm5 .1310610752. 62 . 1320=mmmm1503. 02121L=Zmin，则（4）校核带的速度v为带的最大允许带速（m/s）, 可根据模数m查表确定，表5-11 （5）确定中心距a、带长Lp和带齿数Z 根据传动结构要求，初定中心距a0： 初定带长L0：再根据L0，查表5-8，定实际带长LP及齿数Z11ZmD=iZZ=1222ZmD=max11100060vnDv=maxv)(27 . 0(210DDa+=0212