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1、2020 2 22 1 第2章机械系统部件选择与设计 2 1机械系统部件的设计要求 2 2机械传动部件的选择与设计 2 3导向支承部件的选择与设计 2 1机械系统部件的设计要求 2 4旋转支承部件的类型与选择 2 5轴系部件的选择与设计 2 6机电一体化系统的机座或机架 2020 2 22 2 数控机床 2020 2 22 3 机电一体化系统的构成基础 控制部件 接口电路 功率放大电路 执行元件 机械传动部件 导向支承件以及传感元件等部分均与机械部分相关 2 1 1机械部件及其功能要求 2020 2 22 4 传动精度工作稳定性 支承部件 机架 轴系 传动装置 机械部件及其功能要求 2020
2、2 22 5 1 传动机构2 导向机构3 执行机构 机械系统的组成 不仅是转速和转矩的变换器 为伺服系统的一部分 根据伺服控制的要求进行选择设计 以满足整个机械系统的无传动间隙 惯量和摩擦小 刚度大及阻尼适中的要求 体现良好的伺服性能 作用是支承和导向 用以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 它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 一般指导轨 轴承等 用来完成操作任务的直接装置 根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作 2020 2 22 6 类型 螺旋传动 齿轮传动 同步带传动 高速带传动 各种非线性传动部件等 功能 传递转矩和转速 转
3、矩 转速变换器目的 执行元件与负载在转矩与转速方面的匹配 2 1 2机械传动部件及其功能要求 2020 2 22 7 对机械系统的要求 无间隙 低摩擦 低惯量 高刚度 高谐振频率 适当的阻尼比 2020 2 22 8 2 1 3机电一体化机械系统的特殊要求 1 低摩擦 2 短传动链 3 最佳传动比 4 反向死区误差小 5 高刚度 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件 缩短传动链 提高传动与支承刚度 选用最佳传动比 提高系统分辨率 减小等效转动惯量 提高加速能力 改进支承和架体的结构设计以提高刚性 减小振动 降低噪声 2020 2 22 9 2 1 2从以下几方面采取措施 采用低摩擦阻力的传动
4、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 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 2020 2 22 10 2 1 2从以下几方面采取措施 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 尽可能地减小或消除传动误差和反转误差 减少支承变形 最终缩小反向死区误差 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 2020 2 22 11 2 2 1机械传动部件 常用传动部件 螺旋传动齿轮传动同步齿形传动高速带传动其它
5、非线性传动元件 2020 2 22 12 表2 1传动机构及其功能 2020 2 22 13 2 2 1机械传动部件及其功能要求 动静特性的影响因素动特性的影响因素 惯性 刚度 摩擦 间隙 静特性的影响因素 刚度 摩擦 间隙 应设计和选择转动惯量小 摩擦小 阻尼合理 刚度大 抗振动性能好 间隙小的传动部件 要求机械部分的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配 2020 2 22 14 1 精密化 由于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3 小型化 轻量化 以提高运动灵敏度 减小冲击 降低能耗 与微电子部件的微型化相适应 机械传动部件的功能要求 20
6、20 2 22 15 1 滚珠丝杠副的组成及特点 1 组成 2 2 2丝杠螺母机构基本传动形式 2020 2 22 16 2020 2 22 17 2020 2 22 18 滚珠丝杠螺母副的组成 丝杠 丝杠螺母 减摩介质 滚动体 回珠装置 2020 2 22 19 2 2 2丝杠螺母机构基本传动形式 功能 实现旋转运动与直线运动之间相互转换或调整 作用 用于机构之间能量的传递和运动形式的传递 2020 2 22 20 分类 1 按功能分a 传递力 能量为主 传力螺旋 千斤顶 压力机 2020 2 22 21 特点 低速 间歇工作 传递轴向力大 能自锁 2020 2 22 22 b 传递运动为主
7、 传动螺旋 机床工作台的进给丝杠 特点 速度高 连续工作 精度高 2020 2 22 23 c 调整位置 调整螺旋 特点 受力较小且不经常转动 虎钳 微调螺旋 2020 2 22 24 2 按摩擦方式分滑动丝杠螺母机构滚动丝杠螺母机构 2020 2 22 25 2 2 2丝杠螺母机构基本传动形式 图2 1基本传动形式 螺母固定 丝杆转动并移动 传动精度高 但刚性差 行程小 螺母移动 丝杆转动 需导向装置限制螺母转动 结构紧凑 刚性好 行程大 丝杆固定 螺母转动并移动 结构简单紧凑 使用不方便 丝杆移动 螺母转动 需要限制丝杆的转动和螺母移动 结构复杂 少用 2020 2 22 26 特点 结构
8、简单 传动精度较高 螺母支撑杆可消除附加轴向窜动 刚性较差 3 按丝杠和螺母相对运动情况分 丝杠螺母机构基本传动形式 1 螺母固定 丝杠转动并移动 2020 2 22 27 2 丝杠转动 螺母移动 特点 结构紧凑 丝杆刚性高 要限制螺母转动 故需导向装置 2020 2 22 28 3 螺母转动 丝杠移动 特点 结构复杂 占用空间大 传动时需限制螺母移动和丝杠转动 2020 2 22 29 4 丝杠固定 螺母转动并移动 特点 结构简单 紧凑 丝杆刚性较高 但使用不方便 应用较少 2020 2 22 30 5 差动传动 特点 调节方便 可实现微动或快速移动 应用广泛 图2 2差动传动原理 2020
9、 2 22 31 设螺杆2左 右两段螺纹的旋向相同 且导程分别为Ph1和Ph2 当螺杆2转动 角时 可动螺母1的移动距离L为 如果Ph1与Ph2相差很小 则L很小 因此差动螺旋常用于各种微动装置中 2020 2 22 32 若螺杆2左 右两段螺纹的旋向相反 则当螺杆2转动 角时 可动螺母1的移动距离为 可见 此时差动螺旋变成快速移动螺旋 即螺母1相对固定端快速趋近或离开 用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中 2020 2 22 33 图2 2差动传动原理 工作原理 丝杠上有基本导程不同 Ph1 Ph2 的两段螺纹 其旋向相同 当丝杠2转动 可动螺母1的移动距离 l为 如果两基本导程相差较小 则可
10、获得较小的位移 多用于各种微动机构 l n Ph1 Ph2 2020 2 22 34 丝杠螺母机构传递运动的基本条件 1 滑动丝杠螺母机构 a 足够的滑移间隙b 充分地润滑c 足够的热胀冷缩补偿空间因而 存在一定的空回间隙 2020 2 22 35 2 滚珠丝杠螺母机构 a 足够的润滑储油空间b 足够的热胀冷缩弹性补偿能力c 滚珠的回珠装置 内或外 可实现无间隙工作 2020 2 22 36 结构简单加工方便成本低有自锁功能摩擦阻力较大传动效率低 30 40 3 丝杠螺母机构的特点 滑动丝杠螺母机构 2020 2 22 37 传动效率高 0 9 轴向刚度高运动平稳 传动精度高磨损小 寿命长不能
11、自锁结构复杂 3 丝杠螺母机构的特点 滚动丝杠螺母机构 2020 2 22 38 1 滚珠丝杠副的组成及特点 2 2 3滚珠丝杠传动部件 图2 3滚珠丝杠副构成原理 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 在螺纹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 从而形成滚珠滚动的闭合通道 2020 2 22 39 具有传动阻力小 传动效率高 92 98 轴向刚度高 适当预紧消除丝杠与螺母之间的轴向间隙或预拉丝杠 传动平稳 传动精度高 不易磨损 使用寿命长等优点 但不能自锁 因而用于高精度传动和升降传动时 需制动定位装置 2 滚珠丝杠传动的特点 2020 2 22
12、 40 40 2020 2 22 41 按用途和制造工艺不同 滚珠螺旋传动的结构型式有多种 它们的主要区别在于用途 螺纹滚道法向截形 滚珠循环方式 消除轴向间隙的调整预紧的方法等四方面 2 滚珠丝杠副的典型的结构类型 2020 2 22 42 1 按用途 a 定位滚珠丝杠 通过旋转角度和导程控制轴向位移量 称为P类滚珠丝杠 2020 2 22 43 b 传动滚珠丝杠 用于传动动力的滚珠丝杠 称为T类滚珠丝杠 2020 2 22 44 2 按螺纹滚道截面形状分类 2020 2 22 45 滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角 叫接触角 理想接触角 450 理想接触角
13、450 2020 2 22 46 单圆弧型 特点 成型比较简单 易于得到较高的精度 接触角转动中不断变化 因此 效率 承载能力和轴向刚度均不够稳定 一般在轻载条件下工作 2020 2 22 47 双圆弧型 特点 接触角在工作过程中基本保持不变 效率 承载能力和轴向刚度稳定 磨损较小 传递精度高 但双圆弧形砂轮修整 加工 检验比较困难 2020 2 22 48 内循环外循环 3 滚珠的循环方式 2020 2 22 49 1 内循环 滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环 内循环的工作圈数是一列只有一圈 因而回路短 滚珠少 滚珠的流畅性好 效率高 此外 它的径向尺寸小 零件少 装配简单 内循环的
14、缺点是反向器的回珠槽具有空间曲面 加工较复杂 2020 2 22 50 1 反向器 2 弹簧套 3 丝杆 4 碟簧片 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副 反向器l上的安装孔有0 01 0 015mm的配合间隙 反向器弧面上加工有圆弧槽 槽内安装拱形片簧4 外有弹簧套2 借助拱形片簧的弹力 始终给反向器一个径向推力 使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠3表面保持一定的压力 从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用 2020 2 22 51 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副 优点 在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接 通道流畅 摩擦特性较好 更适用于高速 高灵敏度 高刚性的精密进给系统 202
15、0 2 22 52 优点 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 不足 反向器加工困难 装配调整也不方便 适用于高速 高灵敏度 高刚度的精密进给系统 2020 2 22 53 2 外循环 滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环 2020 2 22 54 特点 滚珠循环回路长 流畅性差 效率低 2020 2 22 55 工艺简单 螺母的径向尺寸大 易于制造 挡珠器刚性差 易磨损 2020 2 22 56 螺旋槽式 1 螺母2 套筒3 滚珠4 挡珠器 特点 结构工艺简单 易于制造 螺母径向尺寸小 缺点是挡珠器刚度较差 容易磨损 2020 2 22 57 插管式 插管 特点 结
16、构简单 工艺性好 适于批量生产 缺点是弯管突出在螺母的外部 径向尺寸较大 若用弯管端部作挡珠器 则耐磨性较差 2020 2 22 58 端盖式 特点 结构紧凑 工艺性好 缺点是滚珠通过短槽时容易卡住 常以单螺母形式用作升降传动机构 2020 2 22 59 3 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 图2 10主要尺寸参数 公称直径 丝杠大径 丝杠小径 滚珠直径 螺母小径 螺母大径 2020 2 22 60 1 公称直径do 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尺寸 2020 2 22 61 2 螺距与导程 螺距 相邻的两条螺纹相对应的两点间的轴向距离导程 丝杠旋转一周在轴线方向上前进的距离导程 螺距 螺纹头数 2020 2 22 62 导程与螺距相等的丝杠称为单线螺纹 与之相对应 导程是螺距2倍的丝杠称为双线螺纹导程小 精度高 承载能力小 2020 2 22 63 3 行程 丝杠相对螺母旋转任意弧度时 螺母上基准点的轴向位移 2020 2 22 64 4 滚珠直径db 滚珠直径大 则承载能力也大 应根据轴承厂提供的尺寸选用 2020 2 22 65 5 滚
