机械部件选择与设计.ppt

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1、机电一体化系统设计,第二章机电一体化系统机械部件选择与设计 高等教育出版社讲授：机 电 工 程 系,第二章 机电一体化系统机械系统部件的选择与设计,机电一体化系统的构成基础机械构件及其传动部件 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，而最主要的是机械传动部件，导向支承件部件。,机电一体化机械系统的特殊要求,机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：（1）较高的定位精度。（2）良好的动态响应特性。响应快、稳定性好。（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。这表明了机械系统部件选择与设

2、计时的特点和要求。,在机电一体化机械系统设计中的主要措施和手段,要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施：（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。（2）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。,（3）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。（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向四区误差。（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度

3、、减少振动和噪音。,第2.1节 机械传动部件的选择与设计,2.1.1 机械传动部件及其主要功能 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，其它非线性传动元件。主要功能：传递力/转矩和速度/转速力/转矩、速度/转速变换器。,机械传动部件的作用和要求,主要作用或目的使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。基本要求传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。可按传动部件的用途工作机或信息机的主要功用而确定目标指标和参量。机电一体化机械传动部件的发展方向 精密化，高速化，小型化，轻量化。,2.1.2 丝杠螺母机构传动形式与特点,（1）丝杠螺母机构的主

4、要构成 丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装置）。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。分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。,（2）丝杠螺母机构传递运动的基本条件,1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。,（3）丝杠螺母机构的特点,滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但

5、摩擦阻力较大、传动效率低(30%40%)。滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%98%）、传动精度高。,（4）丝杠螺母传动的类型与特点,丝杠螺母机构差动传动的工作原理,2.1.3 滚珠丝杠传动部件,（1）滚珠丝杠副的组成 由带螺旋槽的丝杆、螺母、滚动元件滚珠/滚柱、回珠装置等组成。各元件的作用：,（2）滚珠丝杠传动的特点,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。,（3）滚珠丝杠副

6、的典型结构类型,主要按螺纹滚道截面形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙的调整与预紧方式三种形式进行分类。1）按螺纹滚道截面形状分类：分单圆弧型和双圆弧型两类。,单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点,单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。,双圆弧滚道,单圆弧滚道,2）按滚珠的循环方式分类：内循环方式和外循环方式两类。a）内循环方式,浮动式反向器内循环方式,b）外循环方式,端盖式外循环

7、插管式外循环,3）消除轴向间隙的调整与预紧方式,无论是滑动丝杠还是滚动丝杠传动，由于在结构上均存在一定的轴向间隙，以及磨损间隙的存在，为了保证运动传递的连续性和可靠性，消除轴向间隙并实施一定预紧，有利于提高丝杠的传递精度和一定的承载能力。消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：主要分为双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整四种方式。,滚珠丝杠的间隙调整与预紧,（3）选择滚珠丝杠副支承方式,为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。,滚珠丝杠副的四种支承方式及其特点,a）单推 单推式结构形式

8、,b）双推 简支式结构形式,c）双推 双推式结构形式,d）双推 自由式结构形式,（4）滚珠丝杠副的制动装置 作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能力）。常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。,超越离合器 双推式电磁离合器,（5）滚珠丝杠副的润滑与密封,润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。密封：接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式密封）。防尘与防护：折叠式防尘套、伸缩式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。,（6）滚珠丝杠副的选择方法,1）滚珠丝杠副结构形式确定 依据预紧条件和防尘条件决定滚珠丝杠副的结构形式。单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副 以

9、动力传动为主，允许传动存在一定间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设备上（导向精度由导轨保证）。单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副 主要用在传递轻载荷、对传递动力的平稳性和丝杆刚度要求比高（预紧力较小）的小型设备上。,双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副,主要用于重载，以传递动力和运动为主，对传递动力和运动的平稳性有较高的要求，传递精度高、丝杠刚度大防尘效果好的高精度机器设备上。,预紧原理 预紧结构,2）滚珠丝杠副基本结构尺寸的选择,主要依据滚珠丝杠副传递的最大载荷、运动特性（传递速度）和范围（有效行程）、传递精度要求，选定滚珠丝杠副的公称直径、基本导程以及传递精度等级。,滚珠丝杠螺母传动机构的规格尺寸举例,

10、确定基本参数的原则,公称直径大，承载能力强；反之，承载能力弱。基本导程大，承载能力强，传动速度快，传动精度降低；反之，承载能力减弱，传动速度慢，传动精度高。传递精度：决定设备静态定位和运动精度、动态响应特性、动态稳定特性。,3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤,依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择 在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。压杆稳定性

11、验算或校核 压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。刚度验算 结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。*由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。,2.1.4 齿轮传动部件,齿轮传动部件的作用：转矩、转速和转向的变换器。（1）机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：定轴传动轮系、行星齿轮传动轮系、谐波齿轮传动轮。1）定轴轮系传动,齿轮传动 齿轮齿条传动,2）行星齿轮传动轮系,主要由传动齿轮、定位齿轮、行星齿轮和行星架等组成。,行星齿轮传动轮系的组成与工作原理,3）谐波齿轮传动,工作原理,主要组成元件,工作过程,实用产品,谐波齿轮传动过程,（

12、2）齿轮传动最佳传动比配置的基本要求,配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的位移、速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。由于，机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动精度、工作条件差异很大，齿轮传动部件传动比的配置应主要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。在一般情况下，可重点考虑如下几方面内容：运动参量匹配 传递形式与类型 功率/力/力矩匹配 结构强度与刚度 转动惯量 系统响应特性（静态/动态）传递精度传递间隙、平稳性、低速震荡（爬行现象）,（3）各级传动比最佳分配原则,1）重量最轻原则 小功率传动装置各级传动比（等传动比分配，等模数原则）,大功率传动装置 各级传动比确定

13、，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。（不等传动比分配，不等模数原则）,2）输出转角误差最小原则,为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则：式中：第个齿轮所具有的转角误差；第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。,3）等效转动惯量最小原则 各传动轴转动惯量等效到电机轴上的等效转动惯量最小。(机械传动部分响应特性最佳原则)。,如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等

14、效到电机轴上的等效转动惯量为：,归纳起来，减速传动装置传动比的分配原则是设计减速器的指导思想和基本方法。在实际减速器设计中，应结合减速器的具体要求，认真分析、论证方案实现的可行性、经济性、可靠性等指标，并对减速器的转动惯量、结构尺寸、精度要求等进行合理协调，尽可能达到合理的匹配，达到减速器具有体积小、重量轻、运转平稳、启动频繁和动态特性好，传动精度高、误差最小等基本要求。,（4）齿轮传动间隙的调整方法,齿轮传动间隙的调整目的：提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差。常用圆柱齿轮传动齿侧间隙的调整方法偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法,如图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴

15、上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。,轴向垫片齿侧间隙调整法,如图所示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。,双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法,这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿

16、槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。,斜齿轮传动齿侧间隙调整,消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。,2.1.5 挠性传动部件,在机电一体化系统中，除滚珠丝杠副、齿轮传动副外，同步齿形带传动、纲带传动、链条传动、钢丝绳/尼龙绳传动等。特点：结构简单、可实现高速传动、传动功率较低、传动效率高、传动平稳、吸振且噪音低、维修使用方便，但安装精度要求高。应用：主要应用在高速、低载、运转平稳、低噪的环境中。,同步齿形带传动,同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零

17、件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。,同步带传动的优缺点：工作时无滑动，有准确的传动比 传动效率高，节能效果好 传动比范围大，结构紧凑 维护保养方便，运转费用低 恶劣环境条件下仍能正常工作,同步带传动与类型,第2.2节 导向支承部件的选择与设计,导轨支承部件的作用：支承和限制运动部件按给定运动规律要求和规定运动方向作直线或回转运动。2.2.1 导轨副的组成、种类及应满足要求 组成：主要由定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成。（1）导轨副的种类 按运动方式可分为：直线运动导轨、回转运动导轨。按接触表面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩

18、擦导轨等。,（2）常见导轨副的结构形式,导轨副的结构形式是多种多样的，依据不同的要求可设计或选用不同形式的导轨副。常见导轨副的结构形式如下。,（3）导轨副应满足的基本要求,基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好，热温变形小以及结构工艺性好等。在高精度导轨副中，可采用卸荷装置等方法减小导轨面的承载载荷，提高导向精度。1）导向精度要求及影响因素 导向精度（要求）：指动导轨沿给定方向作直线运动时应保证的准确程度，主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。,因此，在设计或选用导轨副时，重点考虑影响导向精度的主要因素有：,导轨结构类型。导向精度（直线度）和接触精度（平面度和接触面积）。导

19、轨运动配合精度（间隙）。油膜厚度和油膜刚度。导轨和机架的结构刚度和接触刚度。导轨和机架的热变形（热敏感性）。装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。,2）导轨的刚度要求,导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。通常分为：静刚度 抵抗恒定载荷的能力。动刚度 抵抗交变载荷的能力。每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部刚度。在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。,3）精度保持性要求（耐磨性）,精度保持性要求：指导轨副表面的耐磨性（耐磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。主要包括：初期耐磨性和耐

20、磨精度保持性两部分，以及耐磨精度失效特性。初期耐磨性摩擦副初期磨损阶段特性。耐磨精度保持性摩擦副正常磨损阶段特性。耐磨精度失效特性摩擦副剧烈磨损阶段特性。,4）导轨运动灵活性和低速运动平稳性要求,主要包括：灵活性和低速运动平稳性。灵活性 指对系统控制指令的反映能力。低速运动平稳性 指平稳匀速运动时运动部件的波动误差（低速“爬行现象”）。5）温度敏感性和结构工艺性要求 温度敏感性 指导轨在环境温度和导轨运动摩擦发热的影响下，导轨运动灵活性、平稳性、导向精度产生变化的反映程度。工艺性要求 结构简单、制造容易、装配调整、维修维护、检测方便，生产成本低。注意：以上这些导轨运动副应达到的要求仅是导轨设计

21、中最基本的要求，在导轨设计中，还应依据导轨应用的实际情况，采取相应的措施，尽可能的满足。,（3）导轨副的设计内容与步骤,1）依据导轨副使用的工作条件，选择合理的结构形式。2）选择导轨副的截面形状，保证导轨的导向精度。3）依据导轨的载荷和工作温度范围，选择导轨的具体结构及尺寸参数，保证具有足够的刚度、良好的耐磨性、运动灵活性、平稳性。,4）具有合理的误差自动补偿或调整装置，在导轨长期使用后（超过导轨规定的平均无故障工作时间MTBF可靠性指标），通过调整进一步的保持导轨的导向精度。5）选用合理的耐磨材料、润滑方法以及防护装置，使导轨尽可能的处于良好工作状态，减少导轨副的磨损。6）制定必要的技术条件

22、（关重件的制造工艺规范、装配调整技术条件、检测验收技术条件、使用维护操作规范、维修维护工艺流程与规范等）。,2.2.2 滑动导轨副的结构及其选择,（1）滑动导轨副的截面形状和特点 常见滑动导轨副的截面形状,1）三角形导轨的特点,分对称型和非对称型三角形导轨。特点：在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高。为防止因振动或倾翻载荷引起两导向面较长时间脱离接触，应有辅助导向面并具备间隙调整能力。但存在导轨水平与垂直误差的相互影响，为保证高的导向精度（直线度），导轨面加工、检验、维修困难。对称型导轨 随顶角增大，导轨承载能力增大，但导向精度降低。非对称导轨 主要用在载荷不对称的

23、时候，通过调整不对称角度，使导轨左右面水平分力相互抵消，提高导轨刚度。,2）矩形导轨的特点,特点：结构简单，制造、检验、维修方便，导轨面宽、承载能力大，刚度高，但无磨损量自动补偿功能。由于导轨在水平和垂直面位置互不影响，因而在水平和垂直两方向均须间隙调整装置，安装调整方便。3）燕尾形导轨的特点 特点：无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置，燕尾起压板作用，镶条可调整水平垂直两方向的间隙，可承受颠覆载荷，结构紧凑，但刚度差，摩擦阻力大、制造、检验、维修不方便。4）圆形导轨的特点 特点：结构简单，制造、检验、配合方便，精度易于保证，但摩擦后很难调整，结构刚度较差。,（2）常见导轨副组合与间隙调整、特

24、点,特点：两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高，但工艺性差，热敏感性较大。主要用于高精机床。,1）双三角形组合导轨组合,2）矩形与矩形导轨组合,特点：承载面与导向面分离，制造调整简单、导向面间隙用调整镶条保证，接触刚度较抵。闭式结构时，有辅助导向面，间隙由调整压板保证。在导轨副同样热变形条件下，L1越大，导向间隙要求越大。,3）三角形导轨与矩形或平面导轨组合,特点：兼有三角形导轨导向精度好、矩形导轨制造方便、刚性好的优点，可避免热变形产生的配合间隙变化；但是，存在两导轨导向平面磨损不均并使导轨产生位置变化；另外，两导轨的摩擦阻力不同，因而布置驱动力时，

25、驱动力应与两摩擦阻力的和力同向为宜。当采用闭式压板结构时，可承受颠覆力矩。,4）燕尾形导轨与矩形导轨组合,特点：整体式燕尾导轨导向精度高，调整方便，承载能力强，制造困难；装配式导轨，制造调整方便，承载能力与整体式燕尾导轨相比较弱；燕尾导轨与矩形导轨相比，兼有调整方便，承载能力较强等。,（3）导轨副材料的选择,导轨副材料选择的基本要求：导轨副材料应具有高的耐磨性、减振性、热稳定性以及易于生产制造。导轨副材料选用与组合：常用铸铁、钢、有色金属、塑料。通常为软硬材料组合。如：铸铁铸铁、铸铁钢导轨、有色金属钢导轨、塑料钢导轨等。1）铸铁的特点 2）钢的特点 3）有色金属的特点 4）塑料的特点,（4）提

26、高导轨副耐磨性的措施,注意：除了考虑导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法以及使用维护操作规范外，在导轨副结构设计时，还可采取下述措施进一步提高导轨副的耐磨性。1）采用镶装导轨2）提高导轨精度、改善导轨表面粗糙度、采取合理的润滑措施 3）减少导轨单位面上的压力（比压）、采用必要的卸荷装置,2.2.3 滚动导轨副的类型与选择,组成：带沟槽的静导轨和动导轨、滚动体以及滚动体隔离元件等组成。类型：按运动形式 直线导轨和回转导轨。按滚动体形状滚珠滚动导轨副、圆柱（滚针）滚动导轨副、圆锥滚动导轨副等。按滚道截面形状 平面导轨、三角形导轨、圆弧形（或钢丝滚道）导轨等。按滚动体的循环方式非循环导轨和循环导轨

27、。,滚动导轨副的特点：,1）低摩擦系数和动/静摩擦系数基本相等。2）可实现传动和支承预紧，无间隙传动精度高和结构刚度好，易于消除正反转传动误差。3）专业化生产，质量易于保证。4）滚动体与滚道为点或线接触，接触应力较大，抗振性较差。5）为保证传动精度，滚道表面硬度、形状/位置精度，滚动体尺寸精度、形状/位置精度均有严格的要求。6）结构复杂、制造困难，生产成本高。综上所述，滚动导轨副应达到的基本要求：高的导向精度、高的耐磨性、足够的刚度、良好的工艺性。,（1）直线运动滚动导轨副,1）滚动体循环工作方式的基本工作原理 组成：动导轨、滚动体与隔离元件组成动导轨副，并在定导轨副上移动。特点：可实现无限长

28、导轨的直线运动。,（2）回转运动滚动导轨副,工作原理基本与滚动轴承相似，只是在滚道直径和滚道截面形状和结构设计上与滚动轴承有所不同。（3）滚动轴承导轨副 目前已标准化生产，选用时应根据实际情况而定。,滚动导轨副的选用原则：依据传动部件的承载能力、导向精度、耐磨性、刚度（结构/接触）、工艺性等要求。综合评价合理选用。,本章小结,本章重点学习了机电一体化系统的机械系统机械传动部件和导向支承部件的选用与设计。重点掌握丝杠传动和齿轮传动的选用与设计的基本要求、原则和设计方法以及了解相关结构的工作原理；重点掌握滑动导轨和滚动导轨的选用与设计的基本要求、原则和设计方法，了解相关结构的工作原理以及其他导向装置的特点。,课外作业：,1 题：机电一体化系统中传动机构的作用是什么？2 题：机电一体化系统对传动元件的基本要求是什么？3 题：滚珠丝杠副的主要构成元件、传动特点以及支承方式（特点）有哪些？4 题：已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差弧度，各级传动比i=4，求：1）传动系统的最大转角误差。2）为缩小应采取的措施是什么？,