机械系统部件的选择与设计+

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1、 机械系统部件的选择与设计机械系统部件认识项目 项目一 机械系统中的传动机构的特性 项目二 机械系统中的齿轮传动副 项目三 机械系统中的滚珠丝杠副 项目四 滚珠丝杠及设计计算 项目五 导向及支承结构 机械系统部件拓展项目 项目一 机械执行机构 机械系统部件的选择与设计机电一体化机械系统的三大结 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：考虑安全准确现象 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复 性、可靠性n n为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通 常对机电一体化系统提出以下要求：常对机电一体化系统提出以下要求：n n(

2、1) (1)定位精度要高定位精度要高n n精度直接影响产品的质量，尤其是机电一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怎样精确，也无法完成其化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其 预定的机械操作。预定的机械操作。项目一 机械系统中的传动机构的特性机械系统

3、部件的选择与设计机械系统部件的选择与设计 (2) 快速响应性 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状态信息，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。常常提出：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率 、适当的阻尼比机械系统部件的选择与设计机械系统部件的选择与设计1、传动机构的种类： 齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同 步带传动副、间歇机构、绕性传动机构2、传动机构的特点： 传动精度要高、 响应速度要快、稳定性高传动机构的种类及特点了解项目3

4、、传动机构的基本要求： 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(P20)。 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。机械系统部件的选择与设计4、摩擦 摩擦力可分为三种：静摩擦力

5、、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机械系统部件的选择与设计爬行就产生在这

6、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 。机械系统部件的选择与设计5、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。机械系统部件的选择与设计1）产生爬行的原因和过程 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

7、运动，主动件1这时再 重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。机械系统部件的选择与设计由上述分析可知，低速进给爬行现象的 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。机械系统部件的选择与设计2）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

8、数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。机械系统部件的选择与设计3）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。 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

9、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。机械系统部件的选择与设计6、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 。 7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

10、振性；（3）可以增加闭环控制系统的稳定性。机械系统部件的选择与设计8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。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。机械系统部件的选择与设计9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

11、上的间 隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。机械系统部件的选择与设计(2) 直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量 转动惯量的计算： （单位：kgm2） (1) 圆柱体转动惯量机械系统部件的选择与设计(3) 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量(4) 工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量机械系统部件的选择与设计(5) 相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算机械系统部件的选择与设计例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量J总12 =m化v2J112+J222+Js22+mv2 机械系统部件的选择与设计例2：求系统折算到电机轴上的总转动惯量J总12 =m化v62J112+J22

12、2+J322+J442+Js42+m6v62 机械系统部件的选择与设计例题2-2机械系统部件的选择与设计等效转动惯量计算如下： （） 装置回转部分对轴O的等效转动惯量J10为 J10JM+JB+JG1+(JG2+JG3+JS1) (n1/n0)2+(JG4+JS2)(n2/n0)20.0403+0.0055+0.0028+(0.606+0.017+0.0008)（180/720 ）2+（0.153+0.0008）（102/720）20.0907kgm2 装置的直线运动部分对轴O的等效转动惯量J20为 J20mAv2/(42n02)300902/（427202）0.1187 kgm2 因此，与装

13、置的电机轴有关的等效转动惯量为 J0J10+J20（0.0907+0.1187）kgm2 0.2094 kgm2机械系统部件的选择与设计1.各传动轴上的转动惯量能直接相加 吗? 2、已知数控机床进给系统各参数如下表，工作台总质量 mA为500kg，丝杆导程LO为5mm，试求工作台的进给速度和 转化到电动机轴上的等效转动惯量。 机械系统部件的选择与设计 课内问题名称 参数齿 轮轴丝 杆电动 机 G1G2G3G4CMn(rmin-1)800400400200800400200800J (kgm2)0.0120.0180.0220.0350.0230.0050.0140.022项目二 机械系统中的齿

14、轮传动副 齿轮总传动比的设计原则:工作时折算到电动机轴上的峰值转矩最小；等效均方根力矩最 小；电机驱动负载加速度最大三种方法计算。重点介绍负载加速度最大原则: 结论:机械系统部件的选择与设计上式表明：齿轮系传动比的最佳值就是，JL换算到电 动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量 ，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半 用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳 匹配。机械系统部件的选择与设计总传动比分配(1)最小等效转动惯量原则 (2)重量最轻原则 (3)输出轴转角误差最小原则机械系统部件的选择与设计一、最小等效转动惯量原则 小功率传动以两级齿轮传动系统为例。假设传动效率为

15、100； 各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承的转动惯量 不计；各齿轮均为同宽度b同材料的实心圆柱体。结论：机械系统部件的选择与设计对于n级齿轮系分析可得：各级转动比的分配按“前小后大”次序机械系统部件的选择与设计传 动 级 数 n 确 定 ：机械系统部件的选择与设计大功率传动 确定n机械系统部件的选择与设计第 一 级 传 动 比 确 定机械系统部件的选择与设计各 级 传 动 比 的 确 定机械系统部件的选择与设计二、重量最轻原则小功率传动 各主动小齿轮转动惯量相同为J1；轴与轴承 的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同材料 的实心圆柱体。 结论：对于n级传动 i1i2i3ini1/n机械系统

16、部件的选择与设计大功率传动 设 设b1b2 ，b3b4 结论：对于三级齿轮传动 机械系统部件的选择与设计查表求法：各级传动比是逐渐递减的 即满足”前大后小”原则.机械系统部件的选择与设计三、输出轴转角误差最小原则 四级传动比分别为i1 、i2 、i3 、i4；齿轮1 8的转角误差 依次为18，该传动链输出轴的总转角误差为：各级传动比满足”前小后大”原则.机械系统部件的选择与设计三种原则的选择：对齿轮传动装置的设计，应根据具体 的工作条件综合考虑。1.传动精度要求较高时采用输出轴转 角误差最小原则设计；2.对于要求运转平稳、频繁启动和动 态性能好的传动装置，常用最小等效转动 惯量原则和输出轴转角误差