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1、第二章 机电一体化系统的机械系统部 件的选择与设计 第一节 机电一体化系统对机械系统部件的要求 第二节 机械传动部件的选择与设计 第三节 导向支承部件的选择与设计 第四节 旋转支承部件的选择与设计 第五节 轴系部件的选择与设计 第六节 机电一体化系统（产品）的机座或机架第一节 机电一体化系统对机械系统部件的要求一、典型机电一体化系统的组成： 控制部件，接口电路，功率放大器，执行元件， 机械传动部件，导向支承部件，检测传感部件。 二、机械系统的组成：线性传动部件；非线性传动部件；导向支承部件 ；旋转支承部件；轴系；机座；机架 三、机械系统部件的要求： 较高的定位精度；良好的动态响应特性（响应速
2、度快，稳定性好）；无间隙、低摩擦、低惯量、 高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等。 四、采取的措施： 1）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；滚动导向副；动（静）压导向支承 2）缩短传动链，提高传动与支承刚度；如采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠螺母副连接以 减少中间传动机构；加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导 轨副的传动与支承刚度。 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； 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）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。如
3、采用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积 使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可 靠性化第二节 机械传动部件的选择与设计一、机械传动部件及其功能要求 1. 类型：螺旋传动，齿轮传动，同步带传动，非线 性传动部件 2.功能：传递转矩和转速；实质上是一种转矩、转 速变化器。 3.目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面 得到最佳匹配。 4.作用：机械传动部件的传动类型、传动方式、传 动刚性以及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大影响。 5.设计和选择要求：传动间隙小、精度高、体积小 、重量轻、运动平稳、传递转矩大。 二、丝杠螺母机构（螺旋传动机构
4、）基本形式 1.传动功能：旋转运动直线运动；传递能量及运动 2.分类： 1)滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、制造成本低，具 有自锁功能，但摩擦阻力矩大、传动效率低（30%-40%）。 2) 滚珠丝杠螺母机构：传动效率高、摩擦阻力矩小、轴向刚 度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长； 但结构复杂，制造成本高，不能自锁（具有传动的可逆性 ，在用作升降传动机构时，需采用制动措施）。在机电一 体化系统中应用广泛。 3. 5种基本传动形式(按丝杠和螺母相对运动的组合情况分)： 1)螺母固定、丝杠转动并移动：螺母本身起着支承作用，结构 简单，传动精度较高，刚性差，适用于行程较小的场合。 2
5、)丝杠转动、螺母移动：需导向装置来限制螺母的转动。结构 紧凑、丝杠刚性好，使用于行程较大的场合。 3)螺母转动、丝杠移动：需限制螺母移动和丝杠转动，结构复 杂且占用轴向空间较大，应用较少。 4)丝杠固定、螺母转动并移动：结构简单、紧凑，使用不方便 。 5)差动传动：多用于各种微动机构 三、滚珠丝杠传动部件 1.简述：是一种新型螺旋传动机构；由丝杠、螺母、滚珠、反 向器组成；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，在螺母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，从而形成滚珠流 动的闭合通路。 2.特点：如前所述3.结构类型： 1) 按螺纹滚道的截面形状分
6、 单圆弧型：接触角随轴向载荷大小的变化而变化。 接触角增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也 随之增大。 双圆弧型：接触角在工作过程中基本保持不变（ 45）。能存储一定的润滑油以减少摩擦；加工成本高 2) 按滚珠的循环方式分类： 循环方式 代号 特点内循环浮动反向器式 ( p.23 图2.6)F 通道流畅性好，摩擦特性好；适用于高 速、高灵敏度、高刚性的精密进给 系 统。 固定反向器式 ( p.23 图2.5)G结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺 寸小，反向器加工困难，装配调整也不 方便。 外循环螺旋槽式 ( p.24 图2.7)L工艺简单 ，径向尺寸小，易于制造； 挡珠器刚性差，易磨损 插
7、管式 埋入 凸出 CM CT结构简单 ，容易制造，但径向尺寸较 大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨 损。 端盖式 ( p.24 图2.9)D结构简单 ，工艺性好，常以单螺母形 式用作升降传动 机构。应用较少。 4.主要尺寸参数：( p.24 图2.10) 1)公称直径d0（特征尺寸）：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 2)基本导程l0：丝杠相对于螺母旋转2弧度时，螺母上基准 点的轴向位移。 l0根据机电一体化产品的精度要求确定，精 度要求较高时应选取较小的基本导程。 3)导(行)程：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。 4) 滚珠的工作圈数：一般取2
8、.53.5。第一、第二和第三圈 滚珠分别承受轴向载荷的50%、30%和20%左右。 5)滚珠总数N：150 6)丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1 7)螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1 8)丝杠螺纹全长ls 9)滚珠直径Db5.轴向间隙的调整与预紧：提高其传动刚度 预紧 方式代号说明双螺母螺纹预紧 (p.27图2.12)L结构简单 ，刚性好，预紧 可靠，调整 方便，但不能精确定量地进行调整 双螺母齿差预紧 (p.27图2.13)C调整精确方便，但结构复杂 双螺母垫片预紧 (p.27图2.14) D结构简单 ，刚性高，预紧 可靠，调整 不方便， 单螺母变位导程 预紧 (p.27图 2.16)B结构
9、简单紧 凑，但使用中不能调整， 且制造困难。 单螺母无预紧 方 式 不标(或 标W)6.精度等级及标注方法 1) 精度等级： JB/T3162.2-1991: 七个等级：1，2，3，4，5，7，10 1级最高，依次递减。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；全闭环系统可选用2，3，4级。2) 尺寸系列：ISO/DIS 3408-2-1991 公称直径d0(mm) : 6,8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125,160,200 基本导程l0(mm) :1,2,2.5,3,4,5,6,8,1
10、0,12,16,20,25,32,40。尽可能优 选选用2.5, 5, 10,20, 40 3)标注方法及示例7. 支承方式的选择 1) 滚珠丝杠的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才 是径向约束 2) 支承方式 支承方式 特点 支承系数fk 支承系数f2 单推-单推(J -J) p.29 图 2.17轴向刚度较高，预紧 力较 大，但轴承寿命比F-F式低 14.73双推-双推(F -F) p.29 图 2.18轴向刚度最高，适合于高刚 度、高转速、高精度的精密 丝杠传动 系统。 43.927双推-简支 (F-S) p.29 图2.19轴向刚度较高，适合于中速 、传动 精度较高的长丝 杠 传动
11、 系统 23.142双推-自由(F -O) p.29 图 2.20轴向刚度及承载能力低，多 用于轻载 、低速的垂直安装 的丝杠传动 系统。 0.251.8758. 制动装置 1) 超越离合器：体积小、重量轻、易于安装。P.31 图2.25 2) 电磁-摩擦制动装置： P.31 图2.26 9. 密封与润滑 1) 防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠 副 非接触式密封圈(迷宫式密封圈)：由聚氯乙烯等塑料 组成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙 接触式密封圈：用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料 制成， 因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但防尘效果 好 防护套：折叠式密封套、伸缩套
12、管、伸缩挡板 P.32 图2.27 2) 使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动 精 度、延长其使用寿命。 润滑脂：在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑 润滑油：应经常通过注油孔注油 10. 选择计算四、齿轮传动部件 1.转矩、转速和转向的变换器 2.常用齿轮传动装置的传动形式：一级、二级、三级 3.要求：足够的刚度，转动惯量尽量小，齿侧间隙较小 ，精度较高（用调整齿侧间隙的方法来代替）。 4.最佳总传动比： 1) 负载的综合： 工作负载Tc、惯性负载、摩 擦负载Tf综合为系统的总负载 。方法有： (1) 峰值综合：各种负载为非随 机性负载，将各负载的峰值取代数和 (2) 方和根综合
13、：各种负载为随机性负载，取各负载的方和根2) 最佳总传动比：使负载转矩值最小或负载加速度最大的总传动 比 目的：达到最高系统分辨率、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 （1） 负载加速度最大的总传动比（2） 等效峰值综合负载转矩（Temp）最小的总传动比 Tc Tcp ； Tf Tfp ；（3） 等效方和根综合负载转矩（TemR）最小的总传动比 Tc TcR； Tf TfR ；(4)总传动比i的实际选择 I. 原则上总传动比i取在（iA，iB）范 围内，用于产生加速度的转矩为(Tm- TemL)。为提高其抗干扰力矩的能力常 选用较大的传动比。 II. 实际工作中，若
14、考虑电机的额定转矩Tnm或许用过载转矩Tnm ，则总传 动比i取在 (iD，iB)或(iC，iB)范围内 III. 考虑工程实际中的各种以外因素 ，总传动比I的选取可以偏大IV. 偏大的总传动比提高系统的稳定性，但影响系统的快速响应。 V.偏大的总传动比改善系统的低速稳定性，但传动级数增多，传动 精度、效率、刚度与系统固有频率降低。 VI. 当选定步进电动机的步距角、系统脉冲当量和丝杠基本导程 l0后，总传动比应满足匹配关系：5各级传动比的最佳分配原则 1）等效转动惯量最小原则：(1)小功率传动：以两级齿轮 传动系统为例。假设各主动小齿 轮转动惯量相同；轴与轴承的转 动惯量不计；各齿轮均为同宽
15、度同 材料的实心圆柱体。则等效到电动机轴上的等效转动惯量为： 各级传动比的分配按“前小后大”次序，结构较紧凑。 过多增加传动级数没有意义，反而会增大传动误差，并使结 构复杂化(2)大功率传动：小功率传动中的各项假设不适用，其计算 公式不能通用，按相关的经验曲线（见赵松年的机电一体化机 械系统设计 p.52的图3-21至图3-23）确定各级传动比。 各级传动比的分配仍按“前小后大”次序2）重量最轻原则 (1)小功率传动：以两级齿轮传动系统为例。假定各主动小齿轮 模数m、齿数Z、齿宽b均相等，故所有大齿轮模数、齿数、齿 宽均相等；每级齿轮副的中心距离也相同。则各齿轮的重量之 和W为：材料密度；b：
16、各齿轮宽度；Di：各齿轮的计算直径齿轮传动系统可设计成曲回式传动链 (2)大功率传动：以两级传动为例 假定: (1) (2)b1=b2，b3=b4 各级传动比按“前大后小”的原则进行分配的。 3)输出轴转角误差最小原则以四级齿轮传动系统为例，四级传动比分别为i1，i2，i3，i4。齿轮 18的转角误差依次为18。该传动链输出轴总转角误差max 为：n级齿轮系输出轴总转角误差为：k为第k个齿轮所具有的转角误差；ik为第k个齿轮的转轴至n级输 出轴的传动比。 各级传动比按“前小后大”的次序进行分配。在设计中最末两级的 传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。4）说明：(1)对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则 。 (2)对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减 速齿轮系，可按最小等小转动惯量和总转角误差最小的原则来 处理。 (3)对于提高传动精度和减少回程误差为主的传动齿轮系，可按 总转角误差最小原则。 (
