第四章機電一體化機械傳動系統(tǒng)

第四章機械一體化系統(tǒng)中的機械設(shè)計本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容：4.1機械部分設(shè)計概述4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配4.3機械傳動部件的選擇與設(shè)計4.4支承部件的選擇與設(shè)計4.5軸系部件的選擇與設(shè)計4.6機電一體化系統(tǒng)的機座或機架4.1機械部分設(shè)計概述一、機電一體化系統(tǒng)中的機械部分的特點一般的機械系統(tǒng)設(shè)計機電一體化的機械系統(tǒng)較高的定位精度響應(yīng)快、穩(wěn)定性好較高的定位精度良好的動態(tài)響應(yīng)特性4.1機械部分設(shè)計概述二、機械部分設(shè)計要求（1）高精度（2）高剛度（3）低摩擦（7）良好的穩(wěn)定性（4）短傳動鏈（5）最佳傳動比（6）反向死區(qū)誤差小4.1機械部分設(shè)計概述三、機械部分的組成（1）傳動機構(gòu)（2）導(dǎo)向機構(gòu)（3）執(zhí)行機構(gòu)動力機執(zhí)行機構(gòu)運動、動力滿足要求：小型、高速、低噪聲、高可靠性4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配精度分配精度設(shè)計

誤差補償4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配一、產(chǎn)品精度分配依據(jù)和步驟1、精度分配依據(jù)（1）使用性能要求和有關(guān)精度標準（2）工作原理、機械結(jié)構(gòu)裝配圖及有關(guān)零部件圖（3）技術(shù)水平，使用的環(huán)境條件（4）經(jīng)濟性要求（5）公差技術(shù)標準4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配一、產(chǎn)品精度分配依據(jù)和步驟2、精度分配步驟（1）明確總精度指標（2）理論誤差和方案誤差（3）原理誤差（4）總精度計算；確定誤差補償方法（5）編寫技術(shù)設(shè)計說明書4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配二、誤差分配方法產(chǎn)品總誤差△s=總系統(tǒng)誤差△e+總隨機誤差△

∑4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配二、誤差分配方法1.總系統(tǒng)誤差如果系統(tǒng)僅是某個變量的函數(shù)，可用產(chǎn)品的誤差方程表示?？傁到y(tǒng)誤差≦1/3產(chǎn)品容許的總誤差4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配二、誤差分配方法2.隨機誤差一般按均方根法。（1）等作用分配原則（2）不等作用分配原則4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配二、誤差分配方法3.公差調(diào)整（1）經(jīng)濟公差極限（2）生產(chǎn)公差極限（3）技術(shù)公差極限當系統(tǒng)誤差的公差等級比隨機誤差的高，補償環(huán)節(jié)少而經(jīng)濟效果顯著時，即認為是合格的。4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配二、誤差分配方法4.誤差補償工藝補償方法誤差補償

設(shè)計補償方法

誤差值補償

誤差傳遞系統(tǒng)補償綜合補償分級補償連續(xù)補償自動補償4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配三、數(shù)控機床的誤差源和精度分析1.加工前的誤差源2.機床本身的誤差3.運行時的誤差4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配三、數(shù)控機床的誤差源和精度分析1.加工前的誤差源（1）編程誤差（2）機床調(diào)整誤差（3）自動換刀誤差圓整誤差、近似計算誤差和過去值誤差構(gòu)成在數(shù)控機床調(diào)“零點”及“機外”調(diào)刀時產(chǎn)生的。換刀原理、換刀裝置的結(jié)構(gòu)特點及它們的制造、裝配質(zhì)量4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配三、數(shù)控機床的誤差源和精度分析2.機床本身的誤差（1）機床幾何形狀誤差（幾何精度）（2）彈性變形引起的誤差綜合反映該機床關(guān)鍵機械零部件和組裝后的幾何形狀誤差。剛度不足造成的誤差。例如，立式加工中心有下列幾何精度指標

工作臺面的平面度各坐標方向移動的相互垂直度X坐標方向移動時，工作臺面的平行度Y坐標方面移動時，工作臺面的平行度X坐標方面移動時，工作臺面T形槽側(cè)面的平行度主軸的軸向竄動主軸孔的徑向跳動主軸箱沿Z坐標方面移動時，主軸軸心線的平行度主軸回轉(zhuǎn)軸心線對工作臺面的垂直度主軸箱在Z坐標方面移動的直線度

對機床各運動大部件對執(zhí)行切削運動主要部件主軸的工作臺面平面度與T形槽側(cè)面的平行度4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配三、數(shù)控機床的誤差源和精度分析3.運行時的誤差定位誤差運行誤差

運行速度下誤差

快速運行過程中速運行過程緩慢速度運動過程4.2精密機械的精度設(shè)計和誤差分配應(yīng)該掌握的內(nèi)容：1.精度設(shè)計中的主要原理與原則2.精度設(shè)計中的基本概念3.隨機誤差和系統(tǒng)誤差4.誤差的綜合和分配5.數(shù)控機床的精度分析和精度指標4.3機械傳動系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容：1.齒輪傳動系統(tǒng)2.滾珠絲杠螺母傳動3.諧波齒輪傳動4.同步帶傳動5.間歇運動機構(gòu)

傳動機構(gòu)的技術(shù)要求精密化；高速化；小型、輕量化；1.齒輪傳動系統(tǒng)特點傳遞功率范圍大；傳動效率高；傳動比準確；使用壽命長；工作安全可靠等。1.齒輪傳動系統(tǒng)一、常用齒輪傳動方式（1）平面齒輪機構(gòu)直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動人字齒輪傳動圓弧齒輪傳動1.齒輪傳動系統(tǒng)一、常用齒輪傳動方式（2）空間齒輪機構(gòu)直齒圓錐齒輪傳動交錯軸斜齒輪傳動蝸輪蝸桿傳動斜齒圓錐齒輪傳動1.齒輪傳動系統(tǒng)一、常用齒輪傳動方式（3）輪系傳動定軸輪系傳動在運轉(zhuǎn)過程中每個齒輪的幾何軸線均固定不變的輪系，又稱普通輪系（3）輪系傳動周轉(zhuǎn)輪系傳動在運轉(zhuǎn)過程中至少有一個齒輪幾何軸線的位置不固定，而是繞其它齒輪軸線回轉(zhuǎn)的輪系。（3）輪系傳動行星輪系傳動整個系統(tǒng)的自由度為1的周轉(zhuǎn)輪系。（3）輪系傳動差動輪系傳動整個系統(tǒng)的自由度為2的周轉(zhuǎn)輪系。（3）輪系傳動復(fù)合輪系傳動（A）（3）輪系傳動復(fù)合輪系傳動（B）在主動軸轉(zhuǎn)速不變的條件下，從動軸可以得到若干種不同的轉(zhuǎn)速，這種傳動成為變速傳動。（3）輪系傳動擺線針輪傳動主要實現(xiàn)兩平行軸之間運動與動力的傳遞。（3）輪系傳動諧波齒輪傳動主要實現(xiàn)兩平行軸之間運動與動力的傳遞。二、齒輪傳動比的最佳匹配選擇二、齒輪傳動比的最佳匹配選擇三、各級傳動比的最佳分配原則1.重量最輕原則2.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則3.等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則各級傳動比一般應(yīng)以“先小后大”的原則在設(shè)計中，最末兩級的傳動比應(yīng)取大一些，并盡量提高最末一級齒輪副的加工精度。結(jié)論對于要求體積小，重量輕的齒輪傳動系統(tǒng)可用重量最輕原則。對于要求運動平穩(wěn)、起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)的減速齒輪系統(tǒng)個，可按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪聲和振動。三、各級傳動比的最佳分配原則對于以提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系，可按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則。對于增速運動，由于增速時容易皮歡傳動齒輪系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好小于1:3，以有利于增加輪系剛度、減小傳動誤差。對按較大傳動比傳動的齒輪系統(tǒng)，往往需要將定軸輪系和行星輪系巧妙結(jié)合為混合輪系。對于相當大的傳動比，并且要求傳動精度與傳動效率高、傳動平穩(wěn)、體積小重量輕時，可選用新型的諧波齒輪傳動。四、齒輪副間隙的調(diào)整1、剛性調(diào)整法調(diào)整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法和斜齒輪法。調(diào)整中心距法結(jié)構(gòu)帶錐度齒輪法結(jié)構(gòu)斜齒輪法結(jié)構(gòu)2、柔性調(diào)整法

通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側(cè)，以消除齒輪的間隙。拉簧消除間隙結(jié)構(gòu)碟形彈簧消除間隙結(jié)構(gòu)壓簧消除間隙結(jié)構(gòu)單面接觸消除間隙結(jié)構(gòu)齒輪齒條傳動消除間隙原理2.滾珠絲杠螺母傳動一、特點磨損小、傳動效率高、傳動平穩(wěn)壽命長、精度高、溫升低等優(yōu)點；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；傳動的距離和速度有限。二、結(jié)構(gòu)類型a)b)滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型a)外循環(huán)插管式b)內(nèi)循環(huán)反向器式端蓋式外循環(huán)三、螺紋滾到型面（法向）的形狀螺紋滾道法向截面形狀四、滾柱絲杠副間隙的消除及預(yù)緊方法雙螺母齒差式預(yù)緊結(jié)構(gòu)雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)1、2—螺母3—絲杠4—套筒5—平鍵6—圓螺母a)b)雙螺母墊片式預(yù)緊結(jié)構(gòu)a)壓緊式b)拉緊式單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊結(jié)構(gòu)1—螺母2—絲杠3—滾球五、精度等級

滾珠絲杠副的精度根據(jù)JB3162-91,可以分為7個精度等級：1、2、3、4、5、7、10，其中1級最高，依次遞減。精度等級12345710300mm行程68121623522102π弧度行程45678--不同精度等級參數(shù)(μm)六、標注方法七、滾珠絲杠副的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及計算主要參數(shù)：公稱直徑、基本導(dǎo)程、小徑、大徑、滾動體直徑1、承載能力的計算

對于低速運轉(zhuǎn)(n<10r／min)的滾珠絲杠，無需計算其最大動載荷Q值，而只考慮最大靜負載是否充分大于最大工作負載即可。

計算作用于絲杠軸向最大動載荷Q，選擇絲杠的型號式中，——滾珠絲杠壽命系數(shù)——載荷系數(shù)——硬度系數(shù)——最大的工作載荷（或平均工作載荷）2、壓桿穩(wěn)定性核算

式中，——實際承受載荷的能力——壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)——鋼的彈性模量——絲杠小徑d1的截面慣性矩——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)——基本導(dǎo)程3、剛度的驗算在工作負載P和扭矩M的共同作用下，引起每一導(dǎo)程的變形量為：式中，E——鋼的彈性模量為S——絲杠的最小截面積（cm2）M——扭矩（N.cm）I——絲杠的最小直徑d1的截面慣性矩±——表示“+”受拉伸，“-”受壓縮八、滾珠絲杠副支承方式單推—單推式雙推—雙推式雙推—簡支式九、滾珠絲杠副的密封防護套示例3.諧波齒輪傳動

一、特點結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；傳動比范圍大；同時嚙合的齒數(shù)多、運動精度高、承載能力大；運動平穩(wěn)、噪聲低；實現(xiàn)差速運動；二、工作原理構(gòu)件1——剛輪，構(gòu)件2——柔輪，3（H）——諧波發(fā)生器諧波齒輪減速器三、諧波齒輪傳動速比的計算四、諧波齒輪減速器的標注方法例如，XBD100-125-250-Ⅱ表示柔輪小徑為100mm，傳動比為125，輸出轉(zhuǎn)矩為250Nm，精度等級為普通級，臥式雙軸伸出型諧波減速器。4.同步帶傳動

它是一種在帶的工作面及帶輪的外周上均制有嚙合齒，由帶齒與輪齒的相互嚙合實現(xiàn)傳動。

傳動比準確，傳動效率高；工作平穩(wěn)，能吸收振動；不需要潤滑、耐油水、耐高溫、耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便；中心距要求嚴格，安裝