机械系统部件的选择与设计要求

机电一体化系统(xìtǒng)设计第二章机械系统部件(bùjiàn)的选择与设计——郭世伟第一页，共52页。一、机械系统部件的设计要求1、机械传动系统的分析(fēnxī)与特性 传统机械一般由动力件、传动件和执行件组成。信息控制等因素的引入，使作为动力源的传统电机转换为具有动力、变速和执行等多功能的伺服电机，其变速功能可在很大程度上代替机械传动中的“调速装置”，取代了几个执行件之间的传动联系，大大减少了传动件的数目，缩短了传动链，简化了机构，使动力件、传动件与执行件朝着合为一体的最小系统进行。典型如控制电机对负载的“直接驱动”等。 机电一体化系统中的机械传动装置，不仅是转矩和转速的变换器，而是成为伺服系统的组成部分，要根据伺服控制的要求进行选择设计。 影响传动链的动力学性能的因素一般有：负载的变化，传动链惯性，传动链的固有频率，间隙、摩擦、润滑和温度变化等。第二页，共52页。 机电一体化机械系统要求机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、刚度(ɡānɡdù)大、振动特性好、阻尼合理、间隙小，还要求机械系统的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配等。（1）转动惯量大的转动惯量会使机械系统的负载增加，反应灵敏度降低，系统固有频率下降而容易产生谐振，也使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。各种传动部件的等效转动惯量的计算。（2）刚度(ɡānɡdù)有构件基本变形的刚度(ɡānɡdù)和两接触面的接触刚度(ɡānɡdù)。静刚度(ɡānɡdù)和动刚度(ɡānɡdù)。系统刚度(ɡānɡdù)越大：伺服系统的失动量（传动死区）越小；系统固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振；增加闭环系统的稳定性等。（3）谐振频率包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。 还有电气驱动部件的谐振频率。第三页，共52页。（4）摩擦摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。 实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很大的不同。 滑动摩擦导轨易产生爬行现象(xiànxiàng)，低速运动稳定性差；滚动摩擦导轨和静压摩擦导轨无爬行，但有微小超程；摩擦力与传动部件的弹性变形产生位置误差，运动反向时，位置误差形成反转误差（回差）。（5）阻尼 机械部件振动时，机构材料内摩擦、运动副如导轨的摩擦阻尼等。实际的摩擦阻尼一般简化为粘性摩擦的线性阻尼，精确分析系统动力学时可用非线性阻尼特性。 阻尼对弹性系统的振动特性的影响：黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差增加，精度降低；粘性阻尼大，可减小振幅和衰减振动。第四页，共52页。（5）间隙 机械传动系统中，间隙的存在会产生反转回差，增加轮廓误差，影响伺服系统的稳定性。间隙类型有： 齿轮传动的齿侧间隙，丝杠螺母的传动间隙， 丝杠轴承的轴向间隙，联轴器的扭转间隙等。齿轮传动的齿侧间隙的消除，有：刚性消隙法，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但可提高(tígāo)传动刚度。如调整两齿轮的中心距来消除齿侧间隙；锥度齿轮轴向位移来消隙；斜齿圆柱齿轮消隙等。柔性消隙法，调整后齿侧间隙可以自动补偿，对齿轮的齿厚、齿距精度要求可下降，但会影响传动平稳性，且传动刚度低，结构较复杂。如有双齿轮错齿式消隙机构，碟形弹簧消隙机构等。 丝杠螺母间隙的调整：第五页，共52页。2、机械系统部件的设计要求 与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统的机械系统要求定位精度高，动态响应(xiǎngyìng)特性好（即响应(xiǎngyìng)要快，稳定性要好），为达到要求，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：1)低摩擦采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副，滚动导向支承、动（静）压导向支承；2)缩短传动链（如电机与丝杠螺母副直接连接，以减少中间传动机构等），提高传动与支承刚度（预紧的方法）；3)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；第六页，共52页。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；5)提高刚度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。选材上；结构轻型化、紧密化。这些措施反映了机电一体化系统设计的基本特点。二、机械传动部件的选择与设计 机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，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。（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件 机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及(yǐjí)传动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。第七页，共52页。具体讲有三个方面：1)精密化—要适应产品的高定位精度等性能的要求，对机械传动机构的精密度要求也越来越高。2)高速化—产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关。因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。3)小型化、轻量化—机电一体化系统(或产品)精密化、高速化的发展，必然(bìrán)要求其传动机构的小型、轻量化，以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为与微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。 对工作机中的传动机构，要求实现运动和动力的变换，对信息机中的传动机构，主要是运动的变换功能。 常用机械传动部件及其运动、动力变换功能列表如下：第八页，共52页。第九页，共52页。（二）丝杠螺母传动机构1、基本传动形式 丝杠螺母机构为螺旋传动机构，主要实现旋转运动与直线运动间的相互变换(biànhuàn)，应用于能量传递（传力螺旋）、运动传递（传动螺旋）和零件相对位置的调整（调整螺旋）等。 根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有四种类型：（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。 分别见图a、b、c、d第十页，共52页。丝杠螺母机构(jīgòu)的基本传动形式第十一页，共52页。差动传动(chuándòng)方式，多用于微动机构中。第十二页，共52页。2、滚珠丝杠副 丝杠螺母机构(jīgòu)有滑动摩擦机构(jīgòu)和滚动摩擦机构(jīgòu)之分。 滚珠丝杠副为一种新型的螺旋传动机构(jīgòu)，有适当数目的滚珠作为丝杠与螺母间的中间传动元件，变滑动摩擦为滚动摩擦。为防止滚珠从滚道端面掉出，螺母螺旋槽两端设置滚珠回程引导装置，构成滚珠循环返回流动的闭合通道。第十三页，共52页。第十四页，共52页。 滚珠丝杠螺母机构具有以下特点：（1）摩擦阻力矩小，摩擦损失小，传动效率高，功率消耗是常规的滑动丝杠螺母副的1/4～1/3；（2）适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好；（3）启动力矩小，运动(yùndòng)平稳，无爬行现象，传动精度高；（4）有运动(yùndòng)可逆性，丝杠、螺母均可作为主动件；（5）不易磨损，使用寿命长等优点，精度保持好。 在机电一体化系统中应用广泛。 同时它结构复杂，加工精度要求高，制造成本高；无自锁功能，作升降传动机构时，需采取制动措施。第十五页，共52页。3、滚珠丝杠副的典型结构类型 滚珠丝杠副的结构形式可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除(xiāochú)轴向间隙的调整方法进行区别。（1）螺纹滚道型面形状单圆弧型双圆弧型滚道圆弧半径(bànjìng)R，滚道圆弧偏心距e，接触角α第十六页，共52页。（2）滚珠的循环方式 有内循环和外循环两种方式。 ①内循环方式时，滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹(luówén)顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。内循环固定式；内循环浮动式（借助(jièzhù)碟簧片的弹力，始终给反向器一个径向推力）。第十七页，共52页。 ②外循环方式时，滚珠(gǔnzhū)在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。a）螺旋槽式循环回路由螺母(luómǔ)2上的螺纹凹槽3，经两个通孔，与螺纹滚道相通。挡珠器4，套筒1第十八页，共52页。b）插管式循环回路(huílù)由弯管1，经弯管端部，与螺纹滚道5相通。弯管端部作挡珠器，压板2第十九页，共52页。第二十页，共52页。c）端盖式：循环(xúnhuán)回路由螺母体1上的纵向孔，经螺母端盖2上的回程道口，与螺纹滚道相通。第二十一页，共52页。第二十二页，共52页。滚珠丝杠副的型号格式（旧标准(biāozhǔn)标识）： 包含其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征。第二十三页，共52页。4、滚珠丝杠副的主要(zhǔyào)尺寸参数第二十四页，共52页。公称直径（d0）:它指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。它是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸(chǐcun)。基本导程(Ph)(或螺距t)：它指丝杠相对于螺母旋转6.28弧度时，螺母上基准点的轴向位移。行程λ：它指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。此外还有丝杠螺纹大径d1、丝杆螺纹底径d2、滚珠直径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杠螺纹全长λ1等。 精度要求高应选用较小的基本导程；一个循环回路的滚珠工作圈数一般取2.5～3.5；滚珠总数N一般不超过150个。第二十五页，共52页。尺寸系列，国际标准化组织(ISO／DIS3408-2-1991)和GB/T17587.2-1998中规定：公称(gōngchēng)直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公称(gōngchēng)基本导程(mm)：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。 优先选用：2.5，5，10，20及40。第二十六页，共52页。5、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法1)精度等级：根据GB/T17587.3-1998（与ISO3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。按实际使用要求，在每一精度等级内指定(zhǐdìng)了导程精度的验收检验项目，未指定(zhǐdìng)的检验项目其导程误差不得低于下一级精度的规定值。推荐采用的精度等级： 数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级，一般动力传动可选用4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。第二十七页，共52页。新标准(biāozhǔn)标识符号 2)标注(biāozhù)方法：GB/T17587.1-1998规定滚珠丝杠的标识符号应按下图给定顺序排列的内容标注(biāozhù)。第二十八页，共52页。6、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 滚珠丝杠副在有负载作用下，滚珠和滚道面接触点处会产生弹性变形(biànxíng)，换向时轴向间隙会引起非连续空回，影响传动精度和系统稳定性。第二十九页，共52页。双螺母(luómǔ)螺纹预紧调整式1—锁紧螺母(luómǔ)，2—调整螺母(luómǔ)，3、4—滚珠螺母(luómǔ)第三十页，共52页。右图为单螺母变位导程自预紧方式。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个∆Ph的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于∆Ph和单列滚珠的径向间隙(jiànxì)。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。第三十一页，共52页。第三十二页，共52页。7、滚珠丝杠副的支承(zhīchénɡ)方式 丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚度不足，会严重影响滚珠丝杠副的传动刚度和精度。为提高轴向刚度，常用以推力轴承为主的轴承组合来支承(zhīchénɡ)丝杠。简支端——仅有球轴承，自由端——悬空呈自由状态，单推——单个推力轴承，双推——推力轴承与球轴承的组合 推力轴承可施加预紧力，实现预拉伸安装。 丝杠热变形问题，轴承安装注意远离马达热源和丝杠常用段，以减小丝杠热变形的影响。第三十三页，共52页。简易(jiǎnyì)单推-单推式支承（1）单推-单推式可预拉伸安装(ānzhuāng)，预紧力大，轴向刚度较高。第三十四页，共52页。（2）双推-双推式轴向刚度最高，适于高刚度、高速、高精度的丝杠传动(chuándòng)。对丝杠热变形敏感。第三十五页，共52页。（3）双推-简支式预紧力小，寿命长，常用于中速、高精度的长丝杠传动系统。注意丝杠热变形(biànxíng)影响。第三十六页，共52页。（4）双推-自由式承载能力小，轴向刚度低，多用于短程(duǎnchénɡ)、轻载、低速的垂直安装。第三十七页，共52页。8、滚珠丝杠副的制动方式 自锁、制动或重力平衡装置。选购滚珠丝杠时可同时选购相宜的超越离合器，体积小、重量轻，易于(yìyú)安装。超越(chāoyuè)离合器1-外圈；2-星轮；3-滚柱：4-活销；5-弹簧第三十八页，共52页。当主轴7作上、下进给运动时，电磁线圈2通电并吸引铁心1，从而打开摩擦离合器4，此时电动机5通过(tōngguò)减速齿轮、滚珠丝杠副6托动运动部件（主轴头）7作垂直上下运动。当电动机断电时，电磁线圈2也同时断电，在弹簧3的作用下摩擦离合器4压紧制动轮，使滚珠丝杠不能自由转动，从而防止运动部件因自重而下降。单推-单推式支承的简易(jiǎnyì)制动装置1-铁心；2-电磁线圈；3-弹簧(tánhuáng)；4-摩擦离合器；5-电动机；6-滚珠丝杠副；7-主轴头第三十九页，共52页。9、滚珠丝杠副的密封与润滑 防尘密封圈，防护套密封，防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。密封圈有接触式、非接触式。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管(tàoɡuǎn)和伸缩挡板。下图为防护套示例： 润滑剂提高丝杠副的耐磨性和传动效率，维持其精度，延长寿命。润滑油、润滑脂。1-螺旋弹簧钢带式伸缩套管(tàoɡuǎn)；2-波纹管密封套第四十页，共52页。10、滚珠丝杠副的选择（1）丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如： 当允许有间隙存在时(如垂直运动)，可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副； 当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构； 当具备良好(liánghǎo)的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。第四十一页，共52页。（2）丝杠副尺寸的选择 选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称直径(zhíjìng)d0和基本导程。 公称直径(zhíjìng)d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择； 螺纹长度l1在允许的情况下要尽量短，一般取l1/d0小于30为宜； 基本导程Ph(或螺距t)应按承载能力、传动精度及传动速度选取，导程大承载能力也大，导程小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。第四十二页，共52页。（3）滚珠丝杠副的选择步骤 在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工作载荷Fmax(或平均工作载荷Fcp)(N)作用下的使用寿命T(h)；丝杠的工作长度(chángdù)(或螺母的有效行程)l(mm)；丝杠的转速n(或平均转速ncp)(r/min)；滚道的硬度HRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。承载能力选择:第四十三页，共52页。压杆稳定性核算(hésuàn)式：第四十四页，共52页。刚度(ɡānɡdù)的验算： 滚珠丝杠在轴向力下会产生伸缩，在扭矩下产生扭转，对丝杠导程、传动精度、定位精度等产生影响。验算满载时的变形量：丝杠工作负载为F，扭矩T，每导程的变形量△L（cm）：第四十五页，共52页。（三）齿轮(chǐlún)传动部件 齿轮(chǐlún)传动部件是转矩、转速和转向的变换器。 齿轮传动比i应满足(mǎnzú)驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，用于伺服系统的齿轮减速器，其输入电动机为高转速、低转矩，而输出则为低转速、高转矩。第四十六页，共52页。 齿轮传动系统传递(chuándì)转矩时，要求有高的刚度，惯性尽量小，精度高。齿间啮合间隙会造成传动死区，精度受影响，在闭环系统中，会造成系统不稳定。 除了采用精度高，齿侧间隙小的齿轮传动副外，还可采用多种方法消除或减小啮合间隙，提高传动精度和系统稳定性。先求总的传动比： 因负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种选择方法。 步进电机步距角α，系统脉冲当量δ，丝杠基本(jīběn)导程Ph，则满足匹配关系的减速比为：第四十七页，共52页。 直流伺服电机的额定(édìng)转