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1、胡红生邮箱：机电一体化系统设计机电一体化系统设计第二章机械系统设计机械系统设计8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束生产加工过程监测生产加工过程监测 切削力传感器，加工噪声切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器器、红外接近开关传感器等。等。密密歇根大学数字化工厂歇根大学数字化工厂8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束流程工业设备运行状态监控流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上在电力、冶金、石化、化工等流
2、程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在小时在线监测系统。线监测系统。 石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。扬子石化扬子石化50MW热电机组监测系统热电机组监测系统阳逻电厂阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统汽轮机组监测系统荆门电厂荆门电厂200MW机组监测系统机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢宝钢30KW以上风机监测系统以上风机监测系统宝钢精轧宝钢精轧F2轧机
3、网络化监测系统轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统武钢风机状态监测系统大型发电机组需要3000台传感器及其配套监测仪表大型石油化工厂需要6000台传感器及其配套监测仪表一个钢铁厂需要20000台传感器及其配套监测仪表一个电站需要5000台传感器及其配套监测仪表一架飞机需要3600台传感器及其配套监测仪表一辆汽车需要30100台传感器及其配套监测仪表8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束知识点知识点2.1机电一体化机械系统设计概述2.2传动系统设计2.3机械系统载荷类型及确定2.4机械系统
4、的动态特性分析基础8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束JVX丝杠丝杠轴承轴承电机电机联轴节联轴节工作台工作台铣刀铣刀导轨导轨工件工件伺伺服服驱驱动动计算机计算机 动力源动力源光栅尺光栅尺数控机床数控机床由动力系统、驱动系统、机械系统、传感由动力系统、驱动系统、机械系统、传感系统和控制系统五个要素组成。系统和控制系统五个要素组成。机电一体化系统：机电一体化系统：8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机电一体化机械系统应包括如下三大部分机构:（1）传动机构（2）支撑导向机构（3）执行机构2
5、.1 机电一体化机械系统设计概述气缸体气缸体连杆连杆曲轴曲轴齿轮齿轮活塞活塞齿轮齿轮8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机电一体化机械系统应包括如下三大部分机构:（1）传动机构机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分。它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。如：常用的各种如：常用的各种减速和变速装置减速和变速装置均可作为传动机构。均可作为传动机构。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束输送链输送链传动链传动链起重
6、链起重链8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束（2）支撑导向机构其作用是支承和导向，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。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束（3）执行机构 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。 它是一部机器中最接近作业工作端的机构，通过执行构件与被作业件相接它是一部机器中最接近作业工作端的机构，通过执行构件与被作业件相接触，来完成作业任务。如：起重机中的触，来完成作业任务。如：起重机中的起重吊运机构起重吊运机构和挖掘
7、机中的和挖掘机中的挖掘机构挖掘机构.8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束微机械执行器种类目前微执行器主要有：目前微执行器主要有： 微电机、微泵、微阀、微开关、微镜、微夹持器等。按驱动原理不同微执行器分为：按驱动原理不同微执行器分为： 静电微执行器静电微执行器步进微电机、同步微电机、直线微电机，谐波式微电机、电悬浮微电机、静电微泵、静电微阀等。 压电微执行器压电微执行器压电微电机，压电微泵、压电微阀、压电微夹持器等。 形状记忆合金微执行器形状记忆合金微执行器形状记忆合金微阀、微泵、微夹持器及主动式内窥镜等。8/26/20248/26/202
8、48/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束各种机械从构思到实现要经过设计和制造两个不同的阶段。机械设计是机械生产的第一道工序。在机电产品的设计制造中，设计人员根据市场对产品的需求和公司对产品的定位，提出机械设计的任务，运用各种先进的设计方法，获得一个满足使用要求的产品设计方案，绘制出全部生产用图。二 传统机械系统与现代机械系统8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束减速器8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束传统机械系统的设计特点机械系统：由控制电机、传动机构、执行机构等组
9、成。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束传统机械一般认为由动力件、传动件、执行件三部分加上电气和机械控制部分组成。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机械产品的传统设计-制造过程8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束内燃机功用：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器。 气缸体气缸体1活塞活塞2进气阀进气阀3排气阀排气阀4连杆连杆5曲轴曲轴6凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮98/26/20248/26/20248/26/2024开
10、始开始 前页前页 后页后页 结束结束 活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动 活塞上行，排气阀打开，排出废气工作过程：8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2.颚式破碎机功用：压碎物料组成：见右图大带轮大带轮4电动机电动机1V带带3小带轮小带轮2轴板轴板7定颚板定颚板8动颚板动颚板6偏心轴偏心轴58/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 机械设计的一般程序l设计机器的一般程序一般程序 计划阶段方案设计阶段技
11、术设计阶段技术文件编制对所设计的机器需求情况进行充分调查分析，明确机器功能及约束条件，形成设计任务书。分析机器功能，确定功能参数，拟定多种方案并进行综合评价。确定原动机参数及各运动构件的运动参数，确定主要零件上的载荷大小、特性，依工作能力设计准则初步完成零件基本尺寸的确定，作出零部件装配草图及总装配图，完成主要零件的校核计算。编制设计计算说明书、使用说明书及其它技术文件。结 束8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 现代机械的定义为：由计算机信息网络协调与控制的、用以完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或）机电部件一体化的机械
12、系统。 因此，现代机械应是一个机电一体化的机械系统，其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光等技术的伺服系统。 由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电机转换为具有动力、变速与执行等多功能的伺服电机。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束现代机械设计过程8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束三 机电一体化系统对机械本体的基本要求1高精度 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
13、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，则无论机电一体化产品（系统)其它部件工作如何精确，也无法完成其预定的机械操作。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2 快速响应快速响应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情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3 良好的稳定性稳定性要求机械系统的工作性
14、能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。此外还要求机械系统具有较大的刚度，良好的可靠性和重量轻，体积小，寿命长。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振效率、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、采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支撑等；8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2、缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和
15、滚动导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构等；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。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束4、缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施；5、改进支承及机架的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声；如选用复合材料等以提高刚度和强度、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要求。8/26/20248/26/20248/26/2024
16、开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2.2 2.2 常用传动、支撑导向和执行系统设计常用传动、支撑导向和执行系统设计 机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计机械传动装置的设计，一是，一是机械机械结构的设计结构的设计。机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器 导轨设计支承装置主轴组件设计8/26/20
17、248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束齿轮机构8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束谐波传动:由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。谐波齿轮传动具有以下优点：传动比大、范围宽（一级传动传动比范围为50500，二级可达250025000），且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率（单级传动可达69%96%）；结构简单、体积小、重量轻、承载能力强、传动平稳、运动精度高。此外，还能实现密封空间的运动传递。其缺点是柔轮
18、易发生疲劳损坏；起动力矩大。近年来谐波齿轮传动技术得到了迅速的发展。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束膜片联轴器是一种新型、高性能的金属弹性元件挠性联轴器，靠膜片的弹性变形来补偿所连两轴的相对位移，其结构特点如下：1、承载能力大，适用范围广，传递扭矩范围可达308100000N.m；2、使用寿命长，工作温度范围大(最高可达+280)，可在腐蚀介质中工作；3、结构简单，易于加工制造，没有磨损件，不需润滑，易于维修，震动小、无噪声；4、安装、拆卸方便，拆卸时主机可不作轴向移动，具有很高的装配重复性。8/26/20248/26/20248/2
19、6/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束双动式棘轮机构钩头双动式棘轮机构直头双动式棘轮机构8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束带传动大理石切割机8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束桑塔纳轿车发动机8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束传动带类型普通普通V V带传动带传动窄窄V V带传动带传动宽宽V V带传动带传动平带平带传动传动多
20、楔带多楔带传动传动同步带传动同步带传动8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束内燃机配气凸轮机构内燃机配气凸轮机构8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 支撑件是机电一体化系统中的重要部件，它不支撑件是机电一体化系统中的重要部件，它不仅要支撑、固定和联接系统中的其他零部件，还要仅要支撑、固定和联接系统中的其他零部件，还要保证这些零部件之间的相对位置要求和相对运动精保证这些零部件之间的相对位置要求和相对运动精度的要求。机电一体化系统对支撑件的要求是精度度的要求。机电一体化系统对支撑件的要求是
21、精度高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并且具有良好的摩擦特性和结构工艺性。且具有良好的摩擦特性和结构工艺性。一一 支承件支承件8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束导轨副的组成1承导件2运动件8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1铸铁铸铁 铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在于铸铁中铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在于铸铁中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性比钢高的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性比钢高3倍。但生产铸铁支承件
22、需要制作木模、芯盒等，制倍。但生产铸铁支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期长，成本高，故适宜于成批生产。造周期长，成本高，故适宜于成批生产。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2天然和人造花岗岩天然和人造花岗岩 天然花岗岩的优点很多：性能稳定，精度保持性好。由于经天然花岗岩的优点很多：性能稳定，精度保持性好。由于经历长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定；抗振性好，历长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定；抗振性好，阻尼比钢大阻尼比钢大15倍；耐磨性比铸铁高倍；耐磨性比铸铁高510倍；导热系数和线膨胀倍；导热系数和线膨胀系数小，热
23、稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；与金属不粘系数小，热稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等，用作气浮导轨度。目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等，用作气浮导轨的基底很理想。主要缺点是，结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击的基底很理想。主要缺点是，结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性较大，油和水等液体易渗入晶界中，使岩石局部变性能差，脆性较大，油和水等液体易渗入晶界中，使岩石局部变形胀大，难于制作形状复杂的零件。形胀大，难于制作形
24、状复杂的零件。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 3预应力钢筋混凝土预应力钢筋混凝土 主要用于制造不常移动的大型机械的机身、底座、主要用于制造不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大尼比铸铁大5倍，抗振性好，成本较低。但钢筋的配倍，抗振性好，成本较低。但钢筋的配置对支承件影响较大，应按弹性理论或有限元法所得置对支承件影响较大，应按弹性理论或有限元法所得的主应力方向进行钢筋的配置。制作时混凝土的保养的主应力方向进行钢筋的配置。制作时混凝土的保养方
25、法也影响性能，混凝土耐腐蚀性差，油渗导致疏松，方法也影响性能，混凝土耐腐蚀性差，油渗导致疏松，表面应喷漆或喷涂塑料，脆性也较大。使用条件较为表面应喷漆或喷涂塑料，脆性也较大。使用条件较为严格方能保持工作寿命。严格方能保持工作寿命。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 钢：用钢材焊接的机座造型简单，对改型和单件钢：用钢材焊接的机座造型简单，对改型和单件小批量生产适应性强；在同样载荷下，壁厚做的比铸小批量生产适应性强；在同样载荷下，壁厚做的比铸铁的薄，重量轻；铁的薄，重量轻； 大理石、花岗岩等，如金刚石车床的床身采用了大理石、花岗岩等，如金刚
26、石车床的床身采用了高精度的花岗岩。高精度的花岗岩。 国外还出现了陶瓷材料制作的机座、架体等。国外还出现了陶瓷材料制作的机座、架体等。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束二、传动装置功能及性能要求二、传动装置功能及性能要求功能功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；变速；改变运动规律或形式动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩） 机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性好。8/26/20248/26/2024
27、8/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 1 1、转动惯量（、转动惯量（ J J ）小小 在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量越小越好。转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降；但是 J 小，不应影响机械系统的刚度。 性能要求满足以下几个方面：性能要求满足以下几个方面：8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2 2、刚度（、刚度（ K K ）大大 刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服
28、系统的稳定性（闭环）。但是刚度的提高往往伴随转动惯量、摩擦和成本的增加，在方案设计中要综合考虑。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3 3、阻尼（、阻尼（B B ）合适合适 系统产生振动时，B 越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。且系统的静摩擦阻尼越大，系统的失动量和反转误差越大，使定位精度降低，容易产生爬行，降低机械的性能。 阻尼比为：过阻尼系统临界阻尼系统欠阻尼系统一般取8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束随着机电一体化技术革命的发展，要求传动机构不断适应新的技术
29、要求。具体讲包含三个方面：（1）精密化：对于某些特定的机电一体化产品来说，根据其性能的需要提出适当的精密度要求；（2）高速化：产品效率的高低，直接与机械传动部分的运动速度相关；（3）小型化、轻量化：随着机电一体化系统（产品）的精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构小型化和轻量化。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束三、传动装置的类型三、传动装置的类型 按工作原理分为按工作原理分为：啮合传动(齿轮传动、齿形带传动)摩擦传动(带传动、钢丝绳传动)推动传动(凸轮连杆机构)机械传动 液压传动气压传动液力传动流体传动 交流电力传动直流电力传动交、
30、直流电力传动电力传动 磁力传动 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束按输出速度情况分为按输出速度情况分为： 转速恒定传动转速可调传动8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束四四 滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反。 丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始
31、 前页前页 后页后页 结束结束滚动螺旋传动简介 在丝杆和螺母之间设有封闭循环的滚道，在滚道间填充滚珠，使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高传动效率，这种传动称为螺旋传动，又称为滚珠丝杠副。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束滚珠丝杠的分类、特点和应用1.滚珠丝杠的分类按用途定位滚珠丝杠传动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。用于传动动力的滚珠丝杠，称为T类滚珠丝杠。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束按循环方式内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠滚动螺旋传动简介8/2
32、6/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2. 工作原理与结构工作原理与结构滚珠丝杆副结构滚珠丝杆副结构滚珠丝杆副结构滚珠丝杆副结构端盖循环端盖循环端盖循环端盖循环 插管循环插管循环插管循环插管循环8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束滚珠丝杆副传动机构机构组成：丝杆、螺母、滚珠和反向器。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机构组成8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束8/26/20248
33、/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3、滚珠丝杠副的结构及精度等级（1）螺纹滚道型面的（法向）形状及主要尺寸单圆弧型面：滚道半径大于滚珠半径接触角增大，传动效率、轴向刚度以及承载能力随之增大。双圆弧型面：滚珠与滚道滚道内向切滚刀内只在滚道内相切的两点接触，接触角不变。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束（2）滚珠的循环方式。滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。8/26/20248/26/20248/2
34、6/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 外循环：多圈一个循环，在循环过程中一部分滚珠与丝杠脱离接触内循环：一圈一个循环，在循环过程中滚珠与丝杠始终不脱离接触8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束外循环：外循环：外循环使用较广，制造工艺简单，其缺点是滚道接缝很难做得平滑，影响滚珠传动的平稳性。内循环：内循环：结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂，制造困难，且不能用于多头螺旋传动。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页
35、结束结束4、滚珠丝杠的特点、滚珠丝杠的特点其中： 中径处的螺旋升角 当量摩擦角 （ ）一般而言，摩擦系数较小因此，效率很高，可达90%-95%。（2）运动具有可逆性）运动具有可逆性回转运动变直线运动正传动直线运动变回转运动逆传动（1 1）传动效率高）传动效率高8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(3)(3) 传动精度高传动精度高 精度精度轴向定位精度轴向定位精度进给精度进给精度误差：误差：(4) (4) 磨损小，使用寿命长磨损小，使用寿命长 滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化淬火、硬化处理HRC58-65。8/26/20248/26/
36、20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(5)(5)、不能自锁、不能自锁 垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制动装置，如图示。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(6)(6)、制造工艺复杂，成本高、制造工艺复杂，成本高 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束5、轴向间隙的调整、轴向间隙的调整 轴向间隙包括两部分 滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。通常采
37、用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。 四种结构形式：四种结构形式：v 垫片调隙式v 螺纹调隙式v 齿差调隙式v 变位螺距调隙式8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(1)(1)、垫片调隙式 调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。(2)、螺纹调隙式 通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(3)、齿差调隙式 两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数Z 1、Z 2 且Z
38、2 -Z 1=1，分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。产生的轴向位移（即间隙）为：其中：n为螺母同方向转过的齿数p为丝杠的导程该结构复杂，加工和装配工艺性差，但是调整的精度高，工作可靠。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束4、变位螺距调隙式（不常用）8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6 6、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法(1
39、)、主要尺寸、主要尺寸公称直径（滚珠中心圆直径） D0（mm）导程(或螺距) p（mm）螺旋升角 （）滚珠直径 d0(mm)螺纹滚道半径 R (mm)此外还有：丝杠外径、丝杠内径、螺母外径、螺母内径等。(2)、精度等级、精度等级 根据JB316.2-91滚珠丝杠副精度标准规定分为5个等级：1、2、3、4、5级（有的参考书称7个等级，另外有7、10级），1级最高，5级最低。v 一般动力传动选4、5级v 数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(3)(3)、标注方法、标注方法滚珠丝杠副结构、规格、精度的标注方
40、法如图所示：螺纹旋向（右旋不标）导程精度检验项目精度等级承载钢珠圈数基本导程公称直径结构特征预紧方式循环方式 按照实际需要，在每一精度等级内指定了导程精度检验项目。包括：任意30mm螺纹长度导程公差、螺纹全长内导程公差、导程误差曲线带宽公差、基本导程极限偏差、360弧度内导程公差。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束例：例：FFZD405-3-D3/1400900 （南京工艺装备厂）FF：内循环浮动反相器法兰单螺母无预紧；公称直径：40；公称导程：5承载滚珠圈数：3 D级精度检查1-3项 右旋 丝杠全长：1400 螺纹：900 8/26/
41、20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(1)、支承方式的选择、支承方式的选择 为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合，一般常用推力轴承和向心球轴承。推力轴承是用来专门承受轴向力的专用轴承,就是轴垂直的方向的力的轴承.推力轴承也称作止推轴承.向心轴承主要用于承受径向载荷的滚动轴承。7、支承方式的选择和设计计算、支承方式的选择和设计计算8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动单推单推单推单推单推单推单推单推1轴向刚度较高；轴向刚度较高；2预拉伸安装
42、时，须加载荷较大，轴承寿命比方案预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案2低；低；3适宜中速、精度高，并可用双推适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。单推组合。 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束双推双推双推双推 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动1轴向刚度最高；轴向刚度最高；2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高3适宜高速、高刚度、高精度。适宜高速、高刚度、高精度。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束双推双推简支简支 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动1
43、 1轴向刚度不高，与螺母位置有关；轴向刚度不高，与螺母位置有关；轴向刚度不高，与螺母位置有关；轴向刚度不高，与螺母位置有关；2 2双推端可预拉伸安装；双推端可预拉伸安装；双推端可预拉伸安装；双推端可预拉伸安装；3 3适宜中速、精度较高的长丝杠。适宜中速、精度较高的长丝杠。适宜中速、精度较高的长丝杠。适宜中速、精度较高的长丝杠。 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束双推双推自由自由 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动1轴向刚度低，与螺母位置有关；轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；双推端可预拉伸安装；3适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装
44、，短丝杠。适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束固定可以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用圆锥滚子轴承两端都装止推轴承，承受轴向载荷两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受轴向、径向载荷固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷，简支端用深沟球轴承径向约束8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 已知条件是：工作载荷或平均工作载荷（F或Fm）; 丝杠副的使用寿命L； 丝杠的工作长度（或螺母的有效长度）l; 丝杠的转速n; 滚道硬度HRC及
45、运转情况。 设计步骤：a、求出计算载荷Fc Fc=K Fm K为工况系数 b、根据寿命计算出额定动载荷其中：小时(2)(2)、设计计算、设计计算8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束c、查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷 ，使 ，初选几个规格（或型号），列出其主要参数;d、验算传动效率、刚度、稳定性等.(2)(2)、设计计算、设计计算8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(3)、滚珠丝杠副传动刚度的计算滚珠丝杠副传动刚度的计算 传动刚度由三部分组成：传动刚度由三部分组成：v 滚珠丝杠的拉压刚
46、度 KCv 滚珠丝杠与螺母接触刚度 KNv 滚珠丝杠轴承与轴承座的支承刚度 KB 拉压刚度 KCa、一端固定，一端自由一端固定，一端自由根据材料力学知识MLl8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束其中： 为行程比； d1为丝杠螺纹底径；E为弹性模量 MPab、两端固定两端固定刚度最低点在：MLl刚度最低点在： 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 接触刚度KN 根据经验公式： 其中：i 为滚珠螺母的有效工作圈数 F为轴向载荷 R为滚道半径 rb 、db 为滚珠半径、直径 （指轴向）8/
47、26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 包括三部分内容轴承轴向刚度KB轴承支座刚度KBR螺母支座刚度KNR这三部分刚度，一般难以精确计算，根据结构而定。支承刚度8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束（4）、滚珠丝杠副传动的力学模型滚珠丝杠副传动的力学模型传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图示图示 丝杠副传动系统的力学模型丝杠副传动系统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：传动系统的传动刚度为：8
48、/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束滚珠丝杠设计选用选择步骤（1）确定计算载荷Fc；（2）计算额定动载荷Ca；（3）根据Ca值选择规格；（4）验算传动效率、刚度、工作平稳性。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2.3机械系统载荷的类型及确定一载荷的类型 载荷的种类很多，作用方式也不一样。 1 按零件发生变形的不同分类 拉伸(压缩)载荷、弯曲载荷和扭转载荷 2按载荷的作用方式分类 直接作用载荷载荷以力或力矩的形式直接作用在机械上，如由工作阻力产生 的载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力
49、等。 间接作用载苘以变形的形式间接作用在机械上。如温度、地震的作用引起的 载荷。 对于绝大多数的机械来说，直接作用载荷是主要载荷8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3、按载荷是否随时间变化分类静载荷载荷的大小、作用位置和方向不随时间而变，或者变化的量值不大、变化速度缓慢的载荷，如结构的自重。动载荷载荷的大小和方向随时间而变，工程中大多数机械承受的都是动载荷。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束工程上常把动载荷的载荷值随时间变化的规律称为载荷时间历程，或简称载荷历程，对于一般机械承受的
50、动载荷主要有周期载荷、冲击载荷和随机载荷等几种。 (1)周期载荷 这种载荷的大小是随时间作周期性变化的。它可用幅值、频率和相位三个要素来描述。以正弦规律变化的载荷是最简单的一种周期载荷，又称简谐载荷。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 简谐载荷 复杂周期载荷8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束在周期载荷中，有一种复杂周期的载荷，对于这类载荷的幅值可用傅立叶级数展开式表示：由上可知，凡属周期载荷都可用一定的函数来描述，并有一定的周期8/26/20248/26/20248/26/202
51、4开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2、冲击载菏 这种载荷的特点是载荷作用时间短，而且幅值较大。例如，锻锤在锤打坯料时所受的载荷就属于冲击载荷。设计中对于量值较小、频平较高的多次冲击载菏，常按一般的周期载荷来处理。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 3、随机载荷 这种载荷的幅值和颇率都是随时间而变化的，它不可能用一个函数确切地进行描述。在工程中有许多机械，如汽车，拖拉机，水轮机，飞机等的工作载荷都是无规则的随机载菏。由于随机载荷具有不确定性，因而只能应用数理统计方法才能获得它们的统计规律。一般对随机的载荷时间历程要进行频谱分析，从幅
52、值域、时间域和频率域三个方面分析它的统计规律，以此来对随机载荷进行描述。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 由于机械承受各种载荷的作用，在机械零部件中必然会产生各种应力，同理，应力也可分为静应力和动应力两大类。 8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束应力分类8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 对于不同类型的载荷在机械设计时需要采用不同的强度计算准则。对于静载荷需要采用静强度判据；对于动载荷就需应用疲劳强度的计算方法。 根据静载
53、荷进行设计方法简单，一些机械虽然受有动载荷的作用，但经常采用名义载荷乘以动载系数，而用静载荷的设计方法进行计算。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束载荷分类8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 载荷的种类很多，各种载荷也不一定同时作用在机器或机器的某个构件上。设计时，若按最坏工作条件和最大应力的方法去计算机器的零部件，会导致机器的自重和成本的增加，不经济。反之，又会导致机器失效。因此，对机器作各种计算时，要针对不同情况，将载荷作适当的分类和组合，然后作相应的计算。8/26/20248
54、/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1） 寿命寿命(耐久性耐久性)计算载荷计算载荷(第第类载荷类载荷)这是用来计算零部件或构件的疲劳(耐久性)、磨损或发热的计算载荷，通过计算，使产品获得一定寿命。在确定这类载荷时。只需考虑正常工作状态下的载荷即可，这种载荷，不仅要计算载荷大小，还要计算它们的作用时间。如果正常工作状态下的载荷是变化的，不应按载荷的最大值计算，而应取等效值。按第类载荷计算时，应根据零部件在实际工作中最为常见的情况确定载荷的组合。2）强度计算载荷）强度计算载荷(第第类载荷类载荷)这是用来计算零部件或金属结构的强度、稳定性以及机器整体稳定性的载荷。
55、它是机器正常工作状态下可能产生的最大载荷。确定强度计算载荷时，应按照最坏的但又是实际可能的载荷组合。第类载荷的最大值受到若干因素限制，例如摩擦离合器或带传动打滑，安全溢流阀，电器保护装置起作用等，计算时应予考虑。3） 验算载荷验算载荷(第第类载荷类载荷)验算载荷是指机器处于非工作状态时可能出现的最大载荷(如户外作业的起重运输机械遭受风暴的袭击)，或工作时发生的事故载荷(如起重机全速碰撞产生的载荷)。产生这类载荷时机器是不工作的，或虽在工作但出现的机会极少，因此按此类载荷验算时，可取较小的安全系数。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束工作载
56、荷的确定方法在设计机械时，一般需预先给定载荷，应根据具体机械要完成的功能来确定。确定载荷通常有三种方法：类比法，计算法和实测法。对于一些复杂的难以确定的载荷，也可以把上述几种方法结合起来使用。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1、类比法参照同类或相近的机械。根据经验或简单的计算确定所设计机械的载荷，这种方法称为类比法。它主要应用在载荷较难确定的情况或初步设计阶段。例如，在设计一台新型汽车时，常因载荷复杂而只能先根据同类产品进行类比确定，当汽车制造出来以后再进行实际的试验测定。类比法还可以应用在不需要精确确定载荷的情况下。特别是设计一些以
57、传递运动为主的机械，如些仪器仪表的设计。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 使用类比法确定载荷一般需要一定的实际经验。否则容易出现确定的载荷过大或过小的情况。 应用类比法时常可采用相似原理进行推断，其中常用的有几何类比法和动力类比法等。 几何类比是在设计新机械时，首先需要确定能表征该设备能力的几何尺寸，并根据现有这类机械的尺寸与载荷之间的关系，确定设计载荷大小。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2、 计算法计算法即根据机械的功率要求和结构特点，运用各种力学原理、经验公式或图表等计
58、算，确定载荷的方法。不同机械所受的载荷是不同的。当用计算法确定载荷时，必须对机械的作业特点、负载情况及其有关影响因素进行认真的分析。运用静力学或动力学方法确定其工作载荷，并根据力的传递原理汁算各零部件的载荷，或按照有关设汁规范进行计算。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3、实测法实测法是指用实验分析的方法测定机械及其零件的载荷。它具有直接准确等优点。电阻应变计测量法是目前最常用的一种实测载荷的方法，它利用电阻应变片、电阻应变仪和显示或记录仪器组成的测量系统进行载荷值的测量。先将电阻应变片粘贴在零件或弹性元件上，零件或弹性元件受载变形后电阻应变片的电阻值随之发生变化，经电阻应变仪组成的测量电桥，使电阻值的变化转换成电压信号的变化，经过放大处理，在显示或记录仪中记录或显示出与载荷成比例变化的曲线，通过标定就可以得到载荷值的大小。8/26/20248/26/20248/26/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束思考练习思考练习1、机电一体化产品对机械系统的要求有哪些？2、机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么？3、滚珠丝杠传动机构的优缺点及结构组成？
