第三章机械系统1

第三章机械系统的设计机械系统的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其功能要求。因此机电一体化机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型的合理化和最优化。机电一体化对机械系统的基本要求

1．高精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。

2．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短。这样控制系统才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务3．良好的稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。此外还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。在机电一体化机械系统设计中

的主要措施和手段

要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施：

（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。

（3）选择合理（最佳）传动比，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，尽可能的提高系统的加速能力。（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向四区误差。（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。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无侧隙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机械系统的组成

概括地讲，机电一体化机械系统应包括如下三大部分机构。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短的变换器，而是已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。

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．执行机构它是用以完成操作任务的。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。一圾要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大地简化了传动和执行机构。3.1机械传动部件的选择与设计一、传动装置功能及性能要求功能：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，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：1、转动惯量（J）小

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、刚度（K）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。3、阻尼（B）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：过阻尼系统临界阻尼系统欠阻尼系统一般取二、传动装置的类型按工作原理分为：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传动机构及其功能（▲：为选择）3.1.1滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动一、工作原理与结构形式丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。结构形式（按滚珠的循环方式不同）：内循环类型外循环类型1.工作原理与结构滚珠丝杆副结构二、滚珠丝杠的特点1、传动效率高3、传动精度高精度其中：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

回转运动变直线运动正传动直线运动变回转运动逆传动

轴向定位精度进给精度误差：4、磨损小，使用寿命长

滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化处理HRC58-65。5、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，故需设置制动装置，如图示。6、制造工艺复杂，成本高

轴向间隙包括两部分

滚珠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。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。

三种结构形式：

垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式变位螺距调隙式三、轴向间隙的调整与预紧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，但仅适用于一般精度机构。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。3、齿差调隙式两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数Z

1、Z2

且Z

2-Z1=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）δ为：其中：n为螺母同方向转过的齿数p为丝杠的导程例：若Z1=99，Z2=100，n=1,p=6mm则δ=0.6μm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（不常用）四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法1、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λ（°）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。一般动力传动选4、5级数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级3、标注方法滚珠丝杠副结构、规格、精度的标注方法如图所示：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例：1、FC1B-60×6-5-E2左

(汉江机床厂)2、FFZD40×5-3-D3/1400×900（南京工艺装备厂）×五、滚珠丝杠的安装丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。

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：

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，承受轴向、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轴承的组合安装支承示例

1)简易单推-单推式支承

2)双推-简支支承方式

3)双推-自由式支承五、滚珠丝杠副的选择方法和设计计算例3-1试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm＝3800N，丝杠工作长度l＝1.2m，平均转速nm＝100r/min，最大转速nmax＝10000r/min，使用寿命＝15000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58~62HRC，传动精度要求解：(1)求计算载荷Fc

(2)根据寿命条件计算额定动载荷(3)根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查表，得如下规格：规格型号公称导程p丝杠外径d钢球直径dW丝杠底径d1循环圈数动负荷Ca(KN)FFZD3210-3321032.57.14427.3325.7FFZD5006-550648.9445.9526.4考虑各种因素，选FFZD5006-5，其中：公称直径：D0=50mm

导程：p=6mm

螺旋角：λ=arctan(6/(50π))=2°11′

滚珠直径：d0=4mm

滚道半径：R=0.52d0=0.52×4=2.08mm

偏心距：丝杠内径：d1=45.9mm(4)稳定性验算：

①假设为双推—简支（F—S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷式中：E—丝杠的弹性模量，对钢

—丝杠危险截面的轴惯性矩

—长度系数，两端用铰接时，m丝杠是安全的，不会失稳。支承方式有关系数双推—自由F—O双推—简支F—S双推—双推F—F3~42.5~3.3—22/3—1.8753.9274.730②临界转速验证高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。临界转速可按公式计算：（5）刚度验算：

滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量（m）为式中：A—丝杠的截面积，(m2)；

—丝杠的极惯性矩，(m4)；

G—钢的切变模量，对于钢G=83.3GPa；

T—转矩（Nm）按最不利的情况，即取F=Fm，则

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1/2，即

（6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求在90%~95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。经上述计算验证，FFZD5006-5各项性能指标均符合题目要求，可选用。3.1.2精密齿轮传动一、齿轮传动的特点作用：用来传递转矩和转速。优点：1、瞬时传动比恒定，传动精确度高；

2、强度大能承受重载，结构较紧凑；

3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。缺点：1、齿侧间隙对传动精度影响；

2、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。二、齿轮传动传动链的级数和级比的选择

总原则：尽量采用较大传动比的单级传动多级传动时，遵循如下的原则：1、最小等效转动惯量原则传动比i的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则传动比i的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时，i的分配各级相等；大功率传动时，i

的分配先大后小。对数减少传动精度提高(2)输出轴转角误差最小的原则（3）重量最轻原则

小功率传动时，i的分配各级相等；

大功率传动时，i的分配先大后小。适用于航空航天领域对重量要求较高的场合三、提高齿轮传动精度的措施3.1.3谐波齿轮传动1、柔轮周期性变形，易疲劳破坏；2、转动惯量和启动力矩大，不适宜于小功率传动；3、不能用于传动比较小场合（i小于35）；4、散热差

缺点三、谐波齿轮型号速谐波齿轮传动的传动比计算分别为钢轮和柔轮的齿数（１）当柔轮固定时ωr=0,则

四、应用广泛应用于机电一体化产品中，如机器人、机器仪表、雷达中用作运动传递；在冶金、化工、起重运输设备中传递运动和转矩。

既需要传递运动准确还需要动力的远距离传输选用什么样的传动？3.1.4同步齿形带传动一、同步齿形带传动的特点

综合了带传动、链传动、齿轮传动特点的一种新型传动。1、同步带的结构二、同步带结构和主要参数同步带由强力层和带齿、带背组成。带的抗拉元件，保证工作时节距不变传递带轮间的动力粘结强力层基体材料：钢丝、玻璃纤维、芳纶聚氨脂橡胶、氯丁橡胶2、主要参数和规格主要参数是带齿的节距t(或pb

):相邻两个齿中心间沿节线距离，t=πm节线(Lp)：强力层的中心线。节线长度为齿形带的公称长度。按GB11616-89规定，同步带有单面齿（仅一面有齿）和双面齿（两面都有齿）两种形式，根据节距不同分为七种规格：型号MXLXXLXLLHXHXXH节距（mm）2.0323.1755.089.52512.722.22531.753、同步带的标记带的标记包括长度代号、型号、宽度代号等。例：420L050宽度代号（带宽12.7mm）型号（节距9.525mm）节线长度代号（节线长度1066.8mm）三、同步带轮1、带轮的结构、材料结构如右图示材料：铸铁或钢（一般情况）塑料或铝合金（高速小功率）2、带轮的参数及尺寸规格（1）齿形3、带轮的标记带轮的标记由带轮齿数、带的型号、轮宽代号表示。例：30L075轮宽（19.05mm）带型号（节距9.525mm）带轮齿数（30个）与梯形齿同步带匹配，齿形有直线形和渐开线形两种。（2）齿数齿数少则结构紧凑，但齿数太少易产生弯曲和疲劳破坏，按国标GB11361-89规定，小带轮应有许用最小齿数（参阅有关标准）。四、同步带传动的设计计算1、设计准则

根据齿形带的强度准则进行，限制齿形带单位宽度的拉力，防止强力层的疲劳破坏、断裂以及节距改变而爬齿等。根据强度准则计算齿形带宽度的公式为：

其中：Nj为齿形带传递的计算功率（kW）

[P]为齿形带单位宽度的许用应力（N/mm）

Pc为齿形带单位宽度的离心应力（N/mm）：

v为带速（m/s）

q为单位长度、单位宽度的带重（N/m.mm）

g为重力加速度（m/s2）2、已知条件及设计内容初始数据：功率N、转速n、传动比i、空间位置尺寸及工作条件等。计算内容为：（1）确定计算功率Nj：（2）确定模数mKg为工况系数（取决于载荷性质）N为传递的额定功率查表得到根据Nj、n查表选取m，尽可能选用小模数（因为齿形带柔性好、啮合齿多、工作平稳）。（3）确定小带轮齿数Z1、大带轮齿数Z2及节圆直径D1、D2

根据小带轮转速n1及所选模数，查有关标准（带轮最少许用齿数表）,选取小带轮的齿数Z1，使Z1>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

（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，定实际带长LP及齿数Z最后根据实际带长Lp计算实际中心距a（中心距可调）（中心距不可调）要求Zn≥4当m≤2时

Zn≥6当m>2时（7）根据设计准则定齿形带宽度b（8）定作用在轮轴上的力Fs（9）定带轮的结构尺寸（结构、参数、材料、尺寸等）根据小带轮包角原理Zn的计算公式：第3节导向支承部件的选择与设计导轨的爬行现象机理

（弹簧-阻尼系统）

传动系统2带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。由此来分析下图所示的运动系统是：匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件l这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。

弹簧-阻尼系统图1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨

为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。

防止爬行现象采取以下几项措施常用导轨性能比较导轨副的设计内容三、滚动导轨副对滚动导轨副的基本要求

滚动直线导轨的分类

（1）按滚动体的形状分

有钢珠式和滚柱式两种宽式直线运动导轨齿条一体化直线运动导轨

(四)滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦持性及误差平均作用、阻尼持征等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。例巳知作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座个数M＝4，单向行程长度ls＝0.6m，每分钟往复次数为4，用于轻型铣床的工作台，每天开机6h，一年按300个工作日计，寿命要求为5年以上，试设计选择滚动直线导轨解:由已知条件得，该导轨的额定工作时间寿命为将Ts折合成行程长度，即额定行程长度寿命为根据直线滚动导轨额定行程长度寿命Ts的计算式

即：得到：第四节执行机构设计一、执行机构的特点及要求机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等待点，另外为便于集中控制，它还应满足效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。机电一体化产品具有信息处理系统，物流系统，加工系统，是以能量、物质或信息的传递、处理、转换、保存等为目的的技术系统，为实现不同的目的功能，需采用不同形式执行机构，其中有电动的、机械的、电子的、激光的，本节主要介绍几种在机电—体化机械系统今常用的执行机构。二、微动机构微动机构是—种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。在机电—体化产品中，它一般用于精确、微量地调节某些部件的相对位置。如在仪器的读数系统中，利用微动机构调整刻度尺的零位；在磨床个，用螺旋微动机构调整砂轮架的微量进给；在医学领域中各种微型手术器械均采用微动机构。微动机构的性能好坏在一定程度上影响系统的精确性和操作性能，因而要求它应满足如下基本要求：

微动机构的性能好坏在一定程度上影响系统的精确性和操作性能基本要求：1)灵敏度高，最小移动量达到使用要求。2)传动灵活、平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定的位置。3)抗干扰能力强，快速响应性好。4)良好的结构工艺性。(一)手动机械式(二)热变形式该类机构利用电热元件作为动力源，靠电热元件通电后产生的热变形实现微小位移，

热变形微动机构可利用变压器、变阻器等来调节传动杆的加热速度，以实现对位移速度和微进给量的控制。为了使传动件恢复到原来的位置(或使运动件复位)，可利用压缩空气或乳化液流经传动杆的内腔使之冷却。

图2-4l所示为机床的微动机构，传动杆2与托架4、8联接，托架4固定在运动件5上，托架8固定在机座上。传动杆内装有加热件3和高频感应线圈，套筒1与传动杆2之间形成一个空腔，供冷却液流过。传动杆2和加热件3之间有绝缘体7隔离。当高频电流经导线6通入线圈后，加热件3被加热，传动杆因此受热伸长，经托架4使运动件5产生微量位移。热变形极动机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过控制加热电流来得到所需微量位移。但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因，这种微动机构只适用于行程较短、频率不高