第2章機械系統(tǒng)設計技術

1、 第2章 機械系統(tǒng)設計技術機械設計概述1傳動機構的設計支撐導向部件的設計執(zhí)行機構的設計部件應用實例23453 本章學習目標1、了解機械設計的基本知識2、常用機械零件設計的基本理論和基本方法3、相關標準、規(guī)范的選用選擇4、機械零件優(yōu)化設計的思維模式 2.1 機械設計概述n 機電一體化對機械系統(tǒng)的要求 Ø高精度精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，如果機械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機電一體化產(chǎn)品其它系統(tǒng)工作再精確，也無法完成其預定的機械操作。Ø快速響應要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務之間的時間間隔短。Ø良好的穩(wěn)定性要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能

2、力強。 2.1 機械設計概述n 機械系統(tǒng)的組成Ø傳動機構 Ø導向機構 Ø執(zhí)行機構 2.1 機械設計概述n 機械系統(tǒng)的組成Ø傳動機構傳統(tǒng)的機械傳動是一種把動力機產(chǎn)生的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構的中間裝置，是一種扭矩和轉速的變換器，其目的是使驅(qū)動電動機與負載之間在扭矩和轉速上得到合理的匹配。在機電一體化系統(tǒng)中，普遍采用計算機控制和具有動力、變速與執(zhí)行等多重功能的伺服電動機。 2.1 機械設計概述n 機械系統(tǒng)的組成Ø導向機構不僅要支承、固定和聯(lián)接系統(tǒng)中的其它零部件，還要保證這些零部件之間的相互位置要求和相對運動的精度要求，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、

3、準確地完成其特定方向的運動提供保障。Ø執(zhí)行機構最終完成操作任務的部分。執(zhí)行機構根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作。與傳統(tǒng)的執(zhí)行機構相比，機電一體化系統(tǒng)的簡化了機械執(zhí)行機構，而充分發(fā)揮計算機的協(xié)調(diào)和控制功能。 2.1 機械設計概述n 機械參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響Ø剛度：減小產(chǎn)品本體的振動，降低噪聲，保證執(zhí)行精度。Ø慣量：轉動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機械負載增大，系統(tǒng)響應速度降低，靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。Ø摩擦：降低機械系統(tǒng)阻力，提高系統(tǒng)的快速響應性。Ø傳動誤差Ø諧振頻率 2.2 傳動機構的設計n 傳動

4、結構設計要求傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性有重大影響。Ø高精度精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機電一體化產(chǎn)品，其技術性能、工藝水平和功能比普通的機械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。如果機械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機電一體化產(chǎn)品其它系統(tǒng)工作怎樣精確，也無法完成其預定的機械操作。Ø高剛度采用高剛性支撐或架體，以減小產(chǎn)品本體的振動，降低噪聲；為高精度的執(zhí)行機構提供良好的支撐，保證執(zhí)行精度。 2.2 傳動機構的設計n 傳動結構設計要求Ø低摩擦導向和轉動支撐部分采用低摩擦阻力部件，以降低機械

5、系統(tǒng)阻力，提高系統(tǒng)的快速響應性。Ø良好的穩(wěn)定性即要求機械系統(tǒng)的工作性能受外界環(huán)境的影響小，抗干擾能力強。Ø高速化Ø小型化、輕量化 2.2 傳動機構的設計n 機械傳動裝置傳統(tǒng)的機械傳動是一種把動力機產(chǎn)生的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構的中間裝置。常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、高速帶傳動以及各種非線性傳動部件等。實質(zhì)上是轉矩、轉速變換器，使動力元件與負載之間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。 2.2 傳動機構的設計n 傳動結構分類聯(lián)軸器減速器齒輪傳動滾珠絲杠傳動機構帶傳動 2.2 傳動機構的設計n 帶傳動組成及原理主動輪 、從動輪、張緊在兩輪上的環(huán)型傳動帶。原

6、動機驅(qū)動主動輪轉動時，由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合），便拖動從動輪一起轉動，并傳遞一定動力。 2.2 傳動機構的設計n 帶傳動類型 2.2 傳動機構的設計n 帶傳動特點（1）優(yōu)點傳動平穩(wěn)，噪聲??；過載時，起安全保護作用；適用于兩軸中心距較大的場合；結構簡單，制造、安裝和維護方便，成本低。（2）缺點帶在帶輪上有相對滑動，不能保證準確的傳動比；傳動效率較低，壽命短；傳動的外廓尺寸大；帶傳動需要張緊，支撐帶輪的軸和軸承受力較大；帶傳動中的摩擦會產(chǎn)生電火花，不宜用于易燃、易爆等場合。動畫動畫 2.2 傳動機構的設計n 帶傳動參數(shù)及計算包角、基準長度Ld、中心距a及帶輪直徑dd1、dd2 。e = v1

7、 -v2 ´100%滑動率e：v1pd n1式中：v1為主動輪圓周速度 v1 =60´1000 m / sd1pd n2v2 = 60´1000m / sv2為從動輪圓周速度d 2nd d 2帶傳動的實際傳動比 i= =1n d d1 (1-e)2 2.2 傳動機構的設計n 帶傳動張緊裝置 2.2 傳動機構的設計n 同步帶傳動同步帶傳動是綜合了帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動特點的一種新型傳動。1940年由美國尤尼羅爾(Unirayal)橡膠公司首先加以開發(fā)。1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機針和纏線管的同步傳動上，取得顯著效益，并被逐漸引用到其他機械傳動上。 2.2

8、傳動機構的設計n 同步帶分類Ø按用途分一般工業(yè)用同步帶傳動即梯形齒同步帶傳動。它主要用于中、小功率的同步帶傳動，如各種儀器、計算機、輕工機械中均采用這種同步帶傳動。大轉矩同步帶傳動又稱HTD帶(High Torque Drive)或STPD帶傳動(Super Torque Positive Drive)。由于其齒形呈圓弧狀，在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動。它主要用于重型機械的傳動中，如運輸機械(飛機、汽車)、石油機械和機床、發(fā)電機等的傳動。 2.2 傳動機構的設計n 同步帶分類Ø按用途分特種規(guī)格的同步帶傳動這是根據(jù)某種機器特殊需要而采用的特種規(guī)格同步帶傳動，如工業(yè)縫紉機用的、

9、汽車發(fā)動機用的同步帶傳動。特殊用途的同步帶傳動即為適應特殊工作環(huán)境制造的同步帶。 2.2 傳動機構的設計n 同步帶分類Ø按規(guī)格制度分模數(shù)制同步帶主要參數(shù)是模數(shù)m(與齒輪相同)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定帶的型號及結構參數(shù)。在60年代該種規(guī)格制度曾應用于日、意、前蘇聯(lián)等國，后隨國際交流的需要，各國同步帶規(guī)格制度逐漸統(tǒng)一到節(jié)距制。目前僅俄羅斯及東歐各國采用模數(shù)制。 2.2 傳動機構的設計n 同步帶分類Ø按規(guī)格制度分節(jié)距制即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應帶、輪有不同的結構尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國際標準。由于節(jié)距制來源于英、美，其計量單位為英制或經(jīng)換算的公制單

10、位。 2.2 傳動機構的設計n 同步帶分類Ø按規(guī)格制度分DIN米制節(jié)距DIN米制節(jié)距是德國同步帶傳動國家標準制定的規(guī)格制度。其主要參數(shù)為齒節(jié)距，但標準節(jié)距數(shù)值不同于ISO節(jié)距制，計量單位為公制。在我國，由于德國進口設備較多，故DIN米制節(jié)距同步帶在我國也有應用。 2.2 傳動機構的設計n 同步帶傳動的優(yōu)缺點Ø傳動比準確，傳動效率高；Ø工作平穩(wěn)，能吸收振動；Ø無需潤滑，耐油、水、高溫、腐蝕、維護保養(yǎng)方便；Ø中心距要求嚴格，安裝精度要求高；Ø制造工藝復雜，成本高。 2.2 傳動機構的設計n 同步帶的結構同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背和包布

11、層組成。帶背和包布層承載繩帶齒工業(yè)用同步帶帶輪形狀 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動特點及應用特點：結構簡單、傳動比大（幾十到幾百）、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強、效率高 。應用領域：工業(yè)機器人、航空、火箭等機電一體化系統(tǒng)。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動工作原理諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似。它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力和運動的。諧波齒輪傳動由波形發(fā)生器（H）和剛輪、柔輪組成。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動工作原理諧波傳動由三個主要構件所組成，即具有內(nèi)齒的剛輪l、具有外齒的柔輪2和波發(fā)生器3。通常波發(fā)生

12、器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個為固定件。當波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時，由于前者的總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區(qū)；同時在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當波發(fā)生器連續(xù)轉動時，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對位移，從而傳遞運動。在波發(fā)生器轉動一周期間，柔輪上一點變形的循環(huán)次數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱為波數(shù)。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉

13、，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應等于波發(fā)生器波數(shù)(即波發(fā)生器上的滾輪數(shù))的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù)。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動主要優(yōu)點Ø傳動速比大單級諧波齒輪傳動速比范圍為70320，在某些裝置中可達到1000，多級傳動速比可達30000以上。它不僅可用于減速，也可用于增速的場合。Ø承載能力高這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動同時嚙合的齒數(shù)可達總齒數(shù)的30%以上，而且柔輪采用了高強度材料，齒與齒之間是面接觸。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動主要優(yōu)點Ø傳動精度高這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒嚙合對誤差有相互補償作

14、用，故傳動精度高。在齒輪精度等級相同的情況下，傳動誤差只有普通圓柱齒輪傳動的1/4左右。同時可采用微量改變波發(fā)生器的半徑來增加柔輪的變形使齒隙很小，甚至能做到無側隙嚙合，故諧波齒輪減速機傳動空程小，適用于反向轉動。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動主要優(yōu)點Ø傳動效率高、運動平穩(wěn)由于柔輪輪齒在傳動過程中作均勻的徑向移動，因此，即使輸入速度很高，輪齒的相對滑移速度仍是極低(故為普通漸開線齒輪傳動的百分之)，所以，輪齒磨損小，效率高(可達69%96%)。又由于嚙入和嚙出時，齒輪的兩側都參加工作，因而無沖擊現(xiàn)象，運動平穩(wěn)。Ø結構簡單、零件數(shù)少、安裝方便僅有三個基本構件，且輸入

15、與輸出軸同軸線，所以結構簡單，安裝方便。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動主要優(yōu)點Ø體積小、重量輕與一般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。Ø可向密閉空間傳遞運動利用柔輪的柔性特點，輪傳動的這一可貴優(yōu)點是現(xiàn)有其他傳動無法比擬的。 2.2 傳動機構的設計n 諧波齒輪傳動主要缺點Ø柔輪周期性地發(fā)生變形，因而產(chǎn)生交變應力，使之易于產(chǎn)生疲勞破壞。Ø轉動慣量和起動力矩大，不宜用于小功率的跟蹤傳動。Ø不能用于傳動速比小于35的場合。Ø采用滾子波發(fā)生器(自由變形波)的諧波傳動，其瞬時傳動比不是常數(shù)。

16、Ø散熱條件差。 2.2 傳動機構的設計n RV(Rot-Vector)擺線針輪傳動減速器是20世紀80年代日本研制用于機器人關節(jié)的傳動裝置。由漸開線圓柱齒輪行星減速機構和擺線針輪行星減速機構二部分組成。漸開線行星輪2與曲柄軸3連成一體，作為擺線針輪傳動部分的輸入。 2.2 傳動機構的設計n RV減速器優(yōu)點Ø傳動比范圍大 i =31-171Ø運動精度高、回差小、剛度大、抗沖擊能力強Ø體積小、結構緊湊Ø傳動效率高（h=0.85-0.92）RV減速器的缺點是重量重，外形尺寸較大日本住友重機械株式會社（Sumitomo Drive Technologi

17、es）是目前世界上生產(chǎn)擺線針輪減速器規(guī)模最大的企業(yè)之一。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠螺旋傳動滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設有返向器，與螺紋滾道構成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠螺旋傳動特點滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其它直線運動副相比，有下列特點：Ø傳動效率高一般滾珠絲杠副的傳動效率達8598。Ø運動平穩(wěn)滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊。&

18、#216;能夠預緊預緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠螺旋傳動特點Ø工作壽命長滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲桿副的410倍以上。Ø定位精度和重復定位精度高由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預緊進行預拉伸以補償熱膨脹。因此可達到較高的定位精度和重復定位精度。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠螺旋傳動特點Ø同步性好用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部件，可得到較好的同步運動。Ø可靠性高潤滑密封裝置結構簡單，維修方便。Ø不能

19、自鎖用于垂直傳動時，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。Ø成本較高滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠螺旋傳動組成滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動部件，它可將旋轉運動變?yōu)橹本€運動。d0公稱直徑；Dpw節(jié)圓直徑；接觸角；Ph導程；螺旋角 2.2 傳動機構的設計n 滾珠螺旋傳動滾珠的循環(huán)方式滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種在循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸的方式。制造工藝簡單，應用廣泛；螺母徑在循環(huán)過程中滾珠始終保持和絲杠接觸的方式。結構緊湊，定位可靠，剛性好，不易磨向尺寸較大；但因用彎管端部作擋珠器，

20、損，返回滾道短，不易產(chǎn)生滾珠堵塞，摩擦故剛性差、易磨損，且噪聲較大。損失小。缺點是結構復雜、制造較困難。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預緊力的方法滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格要求，以保證其反向傳動精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預緊或單螺母（大滾珠、大導程）的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。 2.2 傳動機構的設計n 雙螺母預緊原理墊片預拉方向預拉方向調(diào)整墊片預緊方向預緊方向螺母A螺母B絲杠

21、側根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式，當墊片厚度較厚時即產(chǎn)生“預拉應力”，而當墊片厚度較薄時即產(chǎn)生“預壓應力”以消除軸向間隙。 2.2 傳動機構的設計n 單螺母預緊原理（增大滾珠直徑法）承載滾珠間隔鋼球螺母側螺母側絲杠側絲杠側為了補償滾道的間隙，設計時將滾珠的尺寸適當增大，使其4點接觸，產(chǎn)生預緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。 2.2 傳動機構的設計n 單螺母預緊原理（偏置導程法）預拉方向預拉方向?qū)С虒С?導程螺母側絲杠側偏置導程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中部將其導程增加一個預壓量，以達到預緊的目的。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠絲杠副的安裝絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座

22、以及其它零件的連接剛性，對滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響，需在設計、安裝時認真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，僅當軸向載荷很小時，才用向心推力軸承。以下列出了四種典型支承方式及其特點。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠絲杠副的安裝Ø單推單推1.軸向剛度較高；2預拉伸安裝時，須加載荷較大，軸承壽命比方案2低；3適宜中速、精度高，并可用雙推單推組合。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠絲杠副的安裝Ø雙推雙推1軸向剛度最高；2預拉伸安裝時，須加載荷較小，軸承壽命較高3適宜高速、高剛度、高精度。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠絲杠副的安裝Ø

23、;雙推簡支1軸向剛度不高，與螺母位置有關；2雙推端可預拉伸安裝；3適宜中速、精度較高的長絲杠。 2.2 傳動機構的設計n 滾珠絲杠副的安裝Ø雙推自由1軸向剛度低，與螺母位置有關；2雙推端可預拉伸安裝；3適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短絲杠。 2.3 支撐導向部件的設計n 支撐部件分類導向支撐部件、軸系支撐部件、旋轉支撐部件和機座機架?？蚣苤谓Y構導向支撐結構旋轉支撐結構 2.3 支撐導向部件的設計n 支撐部件設計要求支撐部件起著定位、承受其它零部件的重量、確保部件間的相對位置以及保持零部件的相對運動等作用。Ø足夠的剛度Ø足夠的抗振性Ø較小的熱變形&

24、#216;穩(wěn)定性Ø結構工藝性等其他要求 2.3 支撐導向部件的設計n 支撐部件設計原則首先必須保證自身的剛度，同時考慮安裝方式、材料選擇、結構工藝性以及節(jié)省材料、降低成本和縮短生產(chǎn)周期等問題。Ø合理選擇截面形狀Ø合理布置隔板和加強筋Ø提高連接處的局部剛度和接觸剛度Ø控制熱源 2.3 支撐導向部件的設計n 導向支撐部件組成主要由承導件和運動件兩部分組成。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副的種類及基本要求各種機械運行時，由導軌副保證執(zhí)行件的正確運動軌跡，并影響執(zhí)行件的運動特性。導軌副包括運動導軌和支承導軌兩部分。支承導軌用以支承和約束運動導軌，

25、使之按功能要求作正確的運動。Ø按導軌副運動導軌的軌跡分類直線運動導軌副支承導軌約束了運動導軌的五個自由度，僅保留沿給定方向的直線移動自由度。旋轉運動導軌副支承導軌約束了運動導軌的五個自由度，僅保留繞給定軸線的旋轉運動自由度。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副的種類及基本要求Ø按導軌副導軌面間的摩擦性質(zhì)分類滑動摩擦導軌副；滾動摩擦導軌副；流體摩擦導軌副。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副的種類及基本要求Ø按導軌副結構分類開式導軌必須借助運動件的自重或外載荷，才能保證在一定的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導軌和支承導軌的工作面保持可靠的接觸，從而保證運動導軌的規(guī)定

26、運動。開式導軌一般受溫度變化的影響較小。閉式導軌借助導軌副本身的封閉式結構，保證在變化的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導軌和支承導軌的工作面都能保持可靠的接觸，從而保證運動導軌的規(guī)定運動。閉式導軌一般受溫度變化的影響較大。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副的種類及基本要求Ø按直線運動導軌副的基本截面形狀分類對稱三角 不對稱三形 角形矩形燕尾槽 圓形凸形凹形 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副應滿足的基本要求Ø導向精度導向精度主要是指動導軌沿支承導軌運動的直線度或圓度。影響它的因素有：導軌的幾何精度、接觸精度、結構形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導軌的油膜厚度

27、、油膜剛度等。Ø耐磨性是指導軌在長期使用過程中能否保持一定的導向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免有所磨損，所以應力求減小磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副應滿足的基本要求Ø疲勞和壓潰導軌面由于過載或接觸應力不均勾而使導軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復運行多次后就會形成疲勞點，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動導軌失效的主要原因，為此應控制滾動導軌承受的最大載荷和受載的均勻性。Ø剛度導軌受力變形會影響導軌的導向精度及部件之間的相對位置，因此要求導軌應有足夠的剛度。為減輕或平衡外力的影響，可采用

28、加大導軌尺寸或添加輔助導軌的方法提高剛度。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副應滿足的基本要求Ø低速運動平穩(wěn)性低速運動時，作為運動部件的動導軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運動的平穩(wěn)性與導軌的結構和潤滑，動、靜摩擦系數(shù)的差值，以及導軌的剛度等有關。Ø結構工藝性設計導軌時，要注意制造、調(diào)整和維修的方便，力求結構簡單，工藝性及經(jīng)濟性好。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副間隙的調(diào)整為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。導軌的間隙如依靠刮研來保證，要費很大的勞動量，而且導軌經(jīng)長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整

29、，故導軌應有間隙調(diào)整裝置。矩形導軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副間隙的調(diào)整常用的調(diào)整方法有壓板和鑲條法兩種方法。對燕尾形導軌可采用鑲條(墊片)方法同時調(diào)整垂直和水平兩個方向的間隙。 2.3 支撐導向部件的設計n 導軌副間隙的調(diào)整對矩形導軌可采用修刮壓板、修刮調(diào)整墊片的厚度或調(diào)整螺釘?shù)姆椒ㄟM行間隙的調(diào)整 2.3 支撐導向部件的設計n 滾動導軌副Ø滾動導軌的特點滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉?，使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得：l動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好。驅(qū)動功率大幅度下降，

30、只相當于普通機械的十分之一；l能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度；l適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍；l能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 2.3 支撐導向部件的設計n 滾動導軌副Ø滾動導軌的特點承載能力大其滾道采用圓弧形式，增大了滾動體與圓弧滾道接觸面積，從而大大地提高了導軌的承載能力，可達到平面滾道形式的13倍。剛性強在該導軌制作時，常需要預加載荷，這使導軌系統(tǒng)剛度得以提高。壽命長由于是純滾動，摩擦系數(shù)為滑動導軌的l50左右，磨損小，因而壽命長，功耗低。 2.3 支撐導向部件的設計n 滾動導軌副Ø滾動導軌的特點成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”

31、。傳動平穩(wěn)可靠由于摩接力小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準確。具有結構自調(diào)整能力裝配調(diào)整容易，因此降低了對配件加工精度要求。導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的耐磨性；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結構的設計和制造。 2.3 支撐導向部件的設計n 軸系支撐部件軸系支撐機構由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成。9810711121256341、4軸頭； 2軸肩； 3、6軸頸； 5軸環(huán)； 7軸承蓋；8滾動軸承； 9齒輪； 10套筒； 11帶輪； 12軸端擋圈 2.3 支撐導向部件的設計n 軸系支撐部件軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成，有主軸軸系和中間傳動軸軸系。

32、通常在設計軸系時要求：l旋轉精度l剛度l抗振性l熱變形l軸上零件的布置合理 2.3 支撐導向部件的設計n 軸系用軸承的類型與選擇在設計軸系選擇軸承時，我們應該考慮以下幾點：l滿足使用性能要求，包括承載能力、旋轉精度、剛度及轉速等；l滿足安裝空間要求；l維護保養(yǎng)方便；l使用環(huán)境，如溫度、環(huán)境氣氛對軸承的影響；l性價比。 2.3 支撐導向部件的設計n 在選擇軸承時，一般的選擇流程如圖下: 2.3 支撐導向部件的設計n 軸1、軸的分類：轉軸 、芯軸 、傳動軸 。2、軸上零件常用的軸向固定方法 ：軸肩和軸環(huán)、套筒 、圓螺母 、彈性擋圈 、軸端擋圈 。3、 軸的周向固定 ：緊定螺釘固定 、銷釘固定、過盈

33、配合固定 。 2.3 支撐導向部件的設計n 軸轂聯(lián)結軸轂聯(lián)結主要是使軸上零件與軸周向固定以傳遞轉矩。常用：鍵聯(lián)結、過盈聯(lián)結、無鍵聯(lián)結、銷聯(lián)結、螺紋聯(lián)結 。bLA型 B型 C型 2.3 支撐導向部件的設計n 軸承軸承是機械傳動中的關鍵部件。軸承可分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）。 2.3 支撐導向部件的設計n 旋轉支撐部件1、旋轉支撐的種類及基本要求方向和置中精度、摩擦阻力矩的大小、許用載荷、對溫度變化的敏感性、耐磨性以及磨損后補償?shù)目赡苄浴⒖拐裥约俺杀?。2、圓柱支撐41213（b）（a） 2.3 支撐導向部件的設計n 旋轉支撐部件 2.3 支撐導向部件的設計n

34、機架與機座機座機架的作用及基本要求剛度與抗振性熱變形穩(wěn)定性 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件設計的基本要求Ø應具有足夠的剛度和抗振性剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載荷變形的能力稱為靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力稱為動剛度。機座或機架的靜剛度，主要是指它們的結構剛度和接觸剛度。動剛度與靜剛度、材料阻尼及固有振動頻率有關。 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件設計的基本要求Ø應具有較小的熱變形和熱應力設備在工作時由于傳動系統(tǒng)中的齒輪、軸承，以及導軌等因摩擦而發(fā)熱，電動機、強光燈、加熱器等熱源散發(fā)出的熱量，都將傳到支承件上，由于熱量分布、散發(fā)的不均勻，支承件各處溫度不同，

35、由此產(chǎn)生熱變形、影響系統(tǒng)原有精度。對于數(shù)控機床及其它精密機床，熱變形對機床的加工精度有極其重要的影響。在設計這類設備時，應予以足夠的重視。 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件設計的基本要求Ø耐磨性為了使設備能持久地保持其精度，支承件上的導軌應具有良好的耐磨性。因此對導軌的材料、結構和形狀，熱處理及保護和潤滑等應作周密的考慮。Ø結構工藝性及其它要求設計支承件時，還應考慮毛坯制造、機械加工和裝配的結構工藝性。正確地進行結構設計和必要的計算以保證用最少的材料達到最佳的性能指標，并達到縮短生產(chǎn)周期，降低造價，操作方便，搬運裝吊安全等要求。 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件的材

36、料選擇支承件的材料，除應滿足上述要求外，還應保證足夠的強度、沖擊韌性和耐磨性等。目前常用的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然和人造花崗巖、預應力鋼筋混凝土等。Ø鑄鐵鑄造可以鑄出形狀復雜的支承件，存在于鑄鐵中的片狀或球狀石墨在振動時形成阻尼，抗振性比鋼高3倍。但生產(chǎn)鑄鐵支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期長，成本高，故適宜于成批生產(chǎn)。 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件的材料選擇Ø鋼板與型鋼用鋼板與型鋼焊接成支承件，生產(chǎn)周期比鑄造快1.73.5倍，鋼的彈性模量約為鑄鐵的2倍，承受同樣載荷，壁厚可做得比鑄件薄，重量也輕。但是，鋼的阻尼比只為鑄鐵的約1/3，抗振性差，結構和焊縫上要采

37、取抗振指施。 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件的材料選擇Ø天然和人造花崗巖天然花崗巖的優(yōu)點很多：性能穩(wěn)定，精度保持性好。由于經(jīng)歷長期的自然時效，殘余應力極小，內(nèi)部組織穩(wěn)定；抗振性好，阻尼比鋼大15倍；耐磨性比鑄鐵高510倍；導熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好；抗氧化性強；不導電；抗磁；與金屬不粘合，加工方便，通過研磨和拋光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐標測量機和印刷板數(shù)控鉆床等。用作氣浮導軌的基底很理想。主要缺點是：結晶顆粒粗于鋼鐵的晶粒，抗沖擊性能差，脆性較大，油和水等液體易滲入晶界中，使巖石局部變形脹大，難于制作形狀復雜的零件。 2.3 支撐導向部件的設計n 支

38、承件的材料選擇Ø預應力鋼筋混凝土主要用于制造不常移動的大型機械的機身、底座、立柱等支承件。預應力鋼筋混凝土支承件的剛度和阻尼比較之鑄鐵大5倍，抗振性好，成本較低。但鋼筋的配置對支承件影響較大，應按彈性理論或有限元法所得的主應力方向進行鋼筋的配置。制作時混凝土的保養(yǎng)方法也影響性能，混凝土耐腐蝕性差，油滲導致疏松，表面應噴漆或噴涂塑料，脆性也較大。使用條件較為嚴格方能保持工作壽命。 2.3 支撐導向部件的設計n 支承件的結構設計1選取有利的截面形狀2設置隔板和加強筋3選擇合理的壁厚 4選擇合理的結構以提高聯(lián)接處的局部剛度和接觸剛度5提高阻尼比6用模擬剛度試驗類比法設計支承 7支承件的結構

39、工藝性 2.3 支撐導向部件的設計n 焊接支承件的設計1采用減振接頭2為了制造方便，焊接結構應盡量避免圓角。3布置焊接支承件的筋板，除局部截面考慮強度外，主要從剛度的角度進行設計。 2.4 執(zhí)行機構設計n 一、執(zhí)行機構的特點和要求Ø特點響應速度快、動態(tài)特性好、動靜態(tài)精度高、動作靈敏度Ø要求效率高、體積小、質(zhì)量輕可靠性高。 2.4 執(zhí)行機構設計n 微動機構微動機構是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進給運動的機構。 2.4 執(zhí)行機構設計n 微動機構微動機構按執(zhí)行件的運動原理不同分為機械式、電氣機械式、彈性變形式、熱變形式、磁致伸縮式、壓電式等多種形式。 2.4 執(zhí)行機構設計n 微動機構Ø手動機械式為提高螺旋微動機構的靈敏度，可增大手輪或減小螺距。但手輪太大，將使機構的空間體積增大，操作不靈便；若螺距太小，則加工困難，使用時易磨損。因此該機構的靈敏度不會太好。 2.4 執(zhí)行機構設計n 微動機構Ø熱變形式該類機構利用電熱元件作為動力源，靠電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形實現(xiàn)微小位移 2.4 執(zhí)行機構設計n 微動機構Ø熱變形式調(diào)節(jié)方式利用變壓器、變阻器等來調(diào)節(jié)傳動桿的加熱速度，以實現(xiàn)對位移速度和微進給量的控制。復位可利用壓縮空氣或乳化液流經(jīng)傳動