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1、第二章 机械系统设计,本章学习目的： 了解机械系统的特点和要求，了解应采取的措施， 掌握机械系统设计的一般规律。 本章内容及其学习路线： 机电一体化机械系统的要求（三要求）-满足要求 应该采取的措施（六措施）-措施的应用方法。 本章学习重点： 传动机构中反向间隙的消除方法、滚珠丝杠、滚动 直线导轨的使用方法。,第二章 机械系统设计,2.1 概述 2.2 传动机构的设计 2.3 导向机构的设计 2.4 支承部件的设计 2.5 执行机构的设计,一、机械系统的组成 机械系统的结构根据运动、力、空间的要求千变万化，但把它们按所起的作用可以仅分成三种(如果包含执行机构可分四种）：传动机构、导向机构、支承
2、机构、（执行机构）,2.1 概述,一、机械系统的组成 1、传动机构：完成运动和力的传递和变换 比如：电机轴的转动通过丝杠部件转换成直线运动、齿轮传动、带轮传动等。,2.1 概述,哪些机构属于传动机构？,机电一体化系统设计,2、导向机构：保证运动正确性 如：机床工作台导轨。,有哪些导轨类型？,常见滑动导轨截面,3、支承机构：保证各部件和零件的空间位置 如：机器之架，机床床身等,4、执行机构：完成主功能 由于它的重要性往往会独立作为一种机构。但是 本质上讲它是由传动、导向、支承三大机构组合而成。,二、机电一体化系统对机械系统的要求 1、高精度 是保证整个机电系统精度的基础。 2、快速响应 接受控制
3、指令快速运行。 3、良好稳定性 抗干扰、长期可靠工作。 什么影响高精度 ？ 什么影响快速响应 ？ 什么影响良好稳定性？,2.1 概述,稳、准、快,如何实现？,二、机电一体化系统对机械系统的要求（续） 影响高精度的主要因素： 1、传动机构的间隙 2、受力元件的变形 3、运动件之间的摩擦 4、制造装配误差 运动传递系数及其分配也会影响精度的大小（如传动比和各级传动比的分配）,2.1 概述,二、机电一体化系统对机械系统的要求（续） 影响快速响应性的主要因素： 1、运动件的惯量 2、运动件间的阻尼 3、机械构件的刚度 4、运动传递系数及其分配（如传动比和各级传动 比的分配）,2.1 概述,二、机电一体
4、化系统对机械系统的要求（续） 影响稳定性的主要因素： 1、机械系统刚度 2、机械系统的阻尼 3、机械系统的惯量,2.1 概述,机械系统不稳定的表现： 爬行、振动,二、机电一体化系统对机械系统的要求（续） 总结：影响机械系统稳态和动态性能的主要因素有： 间隙 摩擦 刚度 惯量 阻尼 传动比 为实现机械系统的高精度、快速响应、稳定性，需采取措施： 消除传动间隙 减小摩擦 提高刚度 减小惯量 阻尼适中 最佳传动比和传动比最佳匹配等。,2.1 概述,针对机电一体化机械系统的几大结构, 传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性 导向机构：考虑导向精度、低速爬行现象 支承机构：考虑刚
5、性 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性,2.1 概述,三、满足三大要求（稳、准、快）在设计时应采取的六条措施 1、消除反向传动间隙 2、采用低摩擦阻尼传动件（滚动摩擦传动件） 3、最佳传动比和传动比最佳匹配 4、缩短传动链（采用直接驱动） 5、提高传动与支承刚度 6、采用现代设计方法 本章将把前5条措施贯穿在传动机构设计和导向机构设计等节中讲解。,2.1 概述,第二章 机械系统设计,2.1 概述 2.2 传动机构的设计 2.3 导向机构的设计 2.4 支承部件的设计 2.5 执行机构的设计,本节学习以下几个内容： 一、传动机构的要求及其类型 二、齿轮传动消除反向间隙方法 三、滚珠丝杠
6、的应用 四、锥环无键连轴器 五、其它传动机构 六、最佳传动比和传动比最佳匹配,2.2 传动机构的设计,一、传动机构的要求及其类型 1、对传动机构的要求 传动机构是机电一体化系统的机械系统中主要组成部分，对机械系统的要求也是对传动机构的要求，即 高精度、快速响应、稳定性三要求，要达到三要求也需采用前面提到的六措施。具体可归纳为： 消除传动间隙 摩擦小 传动比最佳匹配 刚度大（传动链短等） 阻尼适中 转动惯量小且和驱动元件（如电机）惯量匹配。,2.2 传动机构的设计, 在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（T电=T负+J）；系统响应速度变慢，灵
7、敏度降低；系统固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低。 刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机器的固有频率越高，不易振动( )；刚度越大，闭环系统的稳定性越高。 机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，增大稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。 静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现爬行。,1、对传动机构的要求（续）,关于摩擦 摩擦力可分为三种： 静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力+粘性摩擦力）。 负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力
8、消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数F=mg，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。 摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。 根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为0.2TKTf0.3 TK,爬行就产生在这非线形区。 在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值；并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 。,关于爬行 当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会出现快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行。,低
9、速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素： 静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。 进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。 运动速度太低。,不发生爬行的临界速度 临界速度可按下式进行估算 （m/s） 式中 F-静、动摩擦力之差（N）； K-传动系统的刚度（Nm）； -阻尼比； m-从动件的质量（kg）。 以下两种观点有利于降低临界速度： 适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。,消除爬行现象的途径（实际做法） 提高传动系统的刚度 a在条件允许的情况下，适当提
10、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，使多数传动件受力较小，变形也小。 d对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。,消除爬行现象的途径（实际做法） 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
11、，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。,关于阻尼 在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取0.5 0.8之间。 关于刚度 采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度。 对于伺服机械传动系统，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，有利于系统的抗振性； （3）可以增加闭环控制系统的稳定性。,关于谐振频率 对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部件的固有频率
12、。 对于机械传动系统，它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。 一般要求机械传动系统最低固有频率WOI300rads，其他机械系统WOI600rads。,关于间隙 对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定性无影响，但影响到伺服精度。 对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。,2、传动机构的类型 （1）齿轮传动（直齿、斜齿、锥齿、蜗轮蜗杆、齿轮齿 条、谐波齿轮） （2）丝杆螺母传动（T 型螺纹、滚珠丝杠） （3）带轮传动（同
13、步齿形带、三角带、平带等） （4）链轮传动 （5）非线性杆件传动（曲柄连杆、凸轮挺杆等） 齿轮、滚珠丝杠、同步齿形带是最常用的传动,2.2 传动机构的设计,2、传动机构的类型（续）,2.2 传动机构的设计,机电一体化系统设计,一、传动机构的要求及其类型 二、齿轮传动消除反向间隙方法 三、滚珠丝杠的应用 四、锥环无键连轴器 五、其它传动机构 六、最佳传动比和传动比最佳匹配,2.2 传动机构的设计,二、齿轮传动消除反向间隙方法 1、圆柱齿轮,A,B,2.2 传动机构的设计,a.偏心轴套消隙法 转动偏心套1使电机的 轴心上下调整从而改变 两齿轮的中心距 特点： 结构简单 不能自动调整 间隙不能完全消
14、除 仅适合直齿轮,2.2 传动机构的设计,b. 轴线垫片调整法 1,2两齿轮相互啮合，其分度圆弧齿厚沿着轴线方向略有锥度。,2.2 传动机构的设计,c.双片薄齿轮错齿调整法,2.2 传动机构的设计,c.双片薄齿轮错齿调整法,2、斜齿轮,2.2 传动机构的设计,2、斜齿轮,2.2 传动机构的设计,3.锥齿轮,2.2 传动机构的设计,4.齿轮齿条,2.2 传动机构的设计,机电一体化系统设计,本节学习以下几个内容： 一、传动机构的要求及其类型 二、齿轮传动消除反向间隙方法 三、滚珠丝杠的应用 四、锥环无键连轴器 五、其它传动机构 六、最佳传动比和传动比最佳匹配,2.2 传动机构的设计,丝杠螺母机构的
15、传动形式,丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。 A、按功能分为： 有传递能量（千斤顶，螺旋压力机）； 有传递运动（工作台的进给丝杠）； 调整位置（螺旋测微器）。 B、按运动副分为： 滑动摩擦机构：结构简单，成本低，具有自锁功能，但摩擦力大，传动效率低； 滚动摩擦机构：结构复杂，成本高，摩擦力小，传动效率高。,三、滚珠丝杠的应用 在传动机构中需要把转动转换为直线运动时采 用丝杠传动是一种精度高、功率大、刚度大的好方法。传统的机械传动系统往往多采用梯形螺纹滑动摩擦副丝杠，而在机电一体化系统中为了达到“三要求”常采用滚珠丝杠副。因为滑动摩擦副丝杠摩擦系数
16、大且静、动摩擦系数差别大，在小运动量控制时会产生爬行现象，严重影响精度和快速响应性。而滚动摩擦副丝杠摩擦系数小，静、动摩擦系数差别小，因此不会产生爬行现象，能快速跟随控制指令运行，具有良好的伺服性。滚珠丝杠副还有很多优点。是目前数控机床必不可少的传动件。,2.2 传动机构的设计,两种不同摩擦副丝杠特点比较 滑动摩擦副丝杠： 优点 缺点 结构简单 摩擦阻力大 加工方便 传动效率低（3040） 具有自锁功能 适于低速传动机构 滚珠丝杠： 摩擦阻力小 结构复杂 传动效率高（9298） 制造成本高 运动具有可逆性 不能自锁 传动精度高 刚度好 使用寿命长,2.2 传动机构的设计,滚珠丝杠简介,2.2 传动机构的设计,滚珠丝杠副的
