机械系统部件的选择与设计要求.ppt

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1、机电一体化系统设计,第二章 机械系统部件的选择与设计,郭世伟,一、机械系统部件的设计要求 1、机械传动系统的分析与特性 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。

2、 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。,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 有构件基本变形的刚度和两接触面的接触刚度。静刚度和动刚度。系统刚度越大：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

3、，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。,（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，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

4、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。,（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。

5、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：,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，动态响应特性好（即响应要快，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

6、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；,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

7、动部件 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。,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

8、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：,（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，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

9、a、b、c、d,丝杠螺母机构的基本传动形式,差动传动方式，多用于微动机构中。,2、滚珠丝杠副 丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。 滚珠丝杠副为一种新型的螺旋传动机构，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。,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，运动平稳，无爬行现

10、象，传动精度高； （4）有运动可逆性，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。,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R，滚道圆弧偏心距e，接触角,（2）滚珠的循环方式 有内循环和外循环两种方式。 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顶部进入相邻滚道

11、，形成一个循环回路。,内循环固定式； 内循环浮动式（借助碟簧片的弹力，始终给反向器一个径向推力）。, 外循环方式时，滚珠在循环返向时，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,b）插管式,循环回路由弯管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,c）端盖式：,循环回路由螺母体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。,滚珠丝杠副的型号格式（旧标准标识）： 包含其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征。,4、滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径（d0）:它指滚珠与螺纹滚道在

12、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。 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：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1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2.53.5；滚珠总数N一般不超过150个。,尺寸系列，国际标准化组织(ISODIS3408-2-1991)和GB/T 17587.2-1998中规定： 公称直径(mm)：6，8，10

13、，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。 公称基本导程(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。,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ISO 3408-3：1992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了导程精度的验收检验项目，未指定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

14、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。,新标准标识符号,2) 标注方法：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。,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，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。,双螺母螺纹预紧调整式 1锁紧螺母，2调整螺母，3、4滚珠螺母,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

15、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。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。,7、滚珠丝杠副的支承方式 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。,简易单推-单推式支承,（1）单推-单推式,可预拉伸安装，预紧

16、力大， 轴向刚度较高。,（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。对丝杠热变形敏感。,（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。注意丝杠热变形影响。,（4）双推-自由式,承载能力小，轴向刚度低，多用于短程、轻载、低速的垂直安装。,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，易于安装。,超越离合器 1-外圈 ； 2-星轮 ； 3-滚柱：4-活销 ； 5-弹簧,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-单推式支承的简易制动装置,1-铁心；2-电磁线圈；3-弹簧； 4-摩擦离合器；5-电动机； 6-滚珠丝杠副；7-主轴头,9