第三章機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)

第三章機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1機(jī)械傳動(dòng)裝置概述一、傳動(dòng)裝置功能及性能要求功能：傳遞運(yùn)動(dòng)（速度、位移）和動(dòng)力（力、力矩）增速或減速；變速；改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律或形式動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)的驅(qū)動(dòng)力(力矩）

機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)的一部分，通過(guò)控制裝置，使機(jī)械傳動(dòng)部分與伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相匹配，并且滿足傳動(dòng)精度、定位精度高，響應(yīng)速度快，速度的穩(wěn)定性好。

性能要求滿足以下幾個(gè)方面：1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（J）小

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，使機(jī)械負(fù)載變大，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降，但是J小不應(yīng)影響機(jī)械系統(tǒng)的剛度。第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、剛度（K）大

剛度是指彈性體抵抗變形的能力，或產(chǎn)生單位彈性變形量所需要的作用力。大的剛度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)是有利的，可增大機(jī)構(gòu)固有頻率，不易產(chǎn)生共振，增加伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3、阻尼（B）合適

系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，B越大，振幅越小，衰減越快，但穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。阻尼比為：過(guò)阻尼系統(tǒng)臨界阻尼系統(tǒng)欠阻尼系統(tǒng)一般取第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、傳動(dòng)裝置的類型按工作原理分為：嚙合傳動(dòng)(齒輪傳動(dòng)、齒形帶傳動(dòng))摩擦傳動(dòng)(帶傳動(dòng)、鋼絲繩傳動(dòng))推動(dòng)傳動(dòng)(凸輪連桿機(jī)構(gòu))機(jī)械傳動(dòng)液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)液力傳動(dòng)流體傳動(dòng)交流電力傳動(dòng)直流電力傳動(dòng)交、直流電力傳動(dòng)電力傳動(dòng)磁力傳動(dòng)第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按輸出速度情況分為：

轉(zhuǎn)速恒定傳動(dòng)轉(zhuǎn)速可調(diào)傳動(dòng)3.2滾珠絲杠（或滾動(dòng)螺旋）傳動(dòng)一、工作原理與結(jié)構(gòu)形式絲杠和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，使絲杠和螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦。在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。結(jié)構(gòu)形式（按滾珠的循環(huán)方式不同）：內(nèi)循環(huán)類型外循環(huán)類型第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

外循環(huán)：多圈一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中一部分滾珠與絲杠脫離接觸內(nèi)循環(huán)：一圈一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中滾珠與絲杠始終不脫離接觸第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、滾珠絲杠的特點(diǎn)1、傳動(dòng)效率高3、傳動(dòng)精度高精度其中：中徑處的螺旋升角當(dāng)量摩擦角（）一般而言，摩擦系數(shù)較小因此，效率很高，可達(dá)90%-95%。2、運(yùn)動(dòng)具有可逆性

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)正傳動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)變回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逆?zhèn)鲃?dòng)軸向定位精度進(jìn)給精度誤差：第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、磨損小，使用壽命長(zhǎng)

滾珠、滾道、絲杠、螺母都經(jīng)過(guò)淬火、硬化處理HRC58-65。5、不能自鎖

垂直安裝時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設(shè)置制動(dòng)裝置，如圖示。第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6、制造工藝復(fù)雜，成本高

三、軸向間隙的調(diào)整軸向間隙包括兩部分

滾珠與螺母原有的間隙承載時(shí)滾珠與滾道彈性變形引起的間隙當(dāng)絲杠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，間隙會(huì)使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法消除間隙，提高剛度。

三種結(jié)構(gòu)形式：

墊片調(diào)隙式螺紋調(diào)隙式齒差調(diào)隙式變位螺距調(diào)隙式第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、墊片調(diào)隙式調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，應(yīng)用廣，但僅適用于一般精度機(jī)構(gòu)。2、螺紋調(diào)隙式通過(guò)圓螺母調(diào)整，消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，再用鎖緊螺母鎖緊，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、齒差調(diào)隙式兩螺母的凸緣上制有圓柱外齒，齒數(shù)Z

1、Z2

且Z

2-Z1=1，分別與內(nèi)齒輪嚙合，調(diào)整時(shí)先取下內(nèi)齒輪，使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)位移（即在同方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒或幾個(gè)齒，根據(jù)間隙大小），然后將內(nèi)齒輪復(fù)位固定，達(dá)到消除間隙的目的。產(chǎn)生的軸向位移（即間隙）δ為：其中：n為螺母同方向轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)p為絲杠的導(dǎo)程第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：若Z1=99，Z2=100，n=1,p=6mm則δ=0.6μm該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性差，但是調(diào)整的精度高，工作可靠。4、變位螺距調(diào)隙式（不常用）第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級(jí)和標(biāo)注方法1、主要尺寸公稱直徑（滾珠中心圓直徑）D0（mm）導(dǎo)程(或螺距)p（mm）螺旋升角λ（°）滾珠直徑d0(mm)螺紋滾道半徑R(mm)此外還有：絲杠外徑、絲杠內(nèi)徑、螺母外徑、螺母內(nèi)徑等。2、精度等級(jí)根據(jù)JB316.2-91《滾珠絲杠副精度》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為5個(gè)等級(jí)：1、2、3、4、5級(jí)（有的參考書(shū)稱7個(gè)等級(jí)，另外有7、10級(jí)），1級(jí)最高，5級(jí)最低。一般動(dòng)力傳動(dòng)選4、5級(jí)數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械或儀器選1、2、3級(jí)第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、標(biāo)注方法滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度的標(biāo)注方法如圖所示：螺紋旋向，右旋不標(biāo)檢查項(xiàng)目編號(hào)精度等級(jí)滾珠總?cè)?shù)基本導(dǎo)程公稱直徑預(yù)緊方式循環(huán)方式外形結(jié)構(gòu)特征例：1、FC1B-60×6-5-E2左

(漢江機(jī)床廠)2、FFZD40×5-3-D3/1400×900（南京工藝裝備廠）×第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、支承方式的選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算1、支承方式的選擇

為保證滾珠絲杠副傳動(dòng)的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用軸承組合，一般常用推力軸承和向心球軸承。

四種典型的支承方式：

固定可以用深溝球軸承和雙向推力軸承組合或用圓錐滾子軸承兩端都裝止推軸承，承受軸向載荷兩端都裝止推軸承和向心球軸軸承，承受軸向、徑向載荷固定端裝深溝球軸承和雙向推力軸承，承受徑向、軸向載荷，簡(jiǎn)支端用深溝球軸承徑向約束第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、設(shè)計(jì)計(jì)算

已知條件是：工作載荷或平均工作載荷（F或Fm）;

絲杠副的使用壽命L；絲杠的工作長(zhǎng)度（或螺母的有效長(zhǎng)度）l;

絲杠的轉(zhuǎn)速n;

滾道硬度HRC及運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

設(shè)計(jì)步驟：1、求出計(jì)算載荷FcFc=KFmK為工況系數(shù)

2、根據(jù)壽命計(jì)算出額定動(dòng)載荷其中：小時(shí)3、查滾珠絲杠副系列中的額定動(dòng)載荷，使，初選幾個(gè)規(guī)格（或型號(hào)），列出其主要參數(shù)4、驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度、穩(wěn)定性等3、滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度的計(jì)算

傳動(dòng)剛度由三部分組成：第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滾珠絲杠的拉壓剛度KC滾珠絲杠與螺母接觸剛度KN滾珠絲杠軸承與軸承座的支承剛度KB（1）拉壓剛度KCa、一端固定，一端自由根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)其中：為行程比；

d1為絲杠螺紋底徑；E為彈性模量MPab、兩端固定MLl剛度最低點(diǎn)在：第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MLl剛度最低點(diǎn)在：（2）接觸剛度KN

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：其中：i為滾珠螺母的有效工作圈數(shù)

F為軸向載荷R為滾道半徑

rb

、db為滾珠半徑、直徑（指軸向）第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）支承剛度

包括三部分內(nèi)容軸承軸向剛度KB軸承支座剛度KBR螺母支座剛度KNR這三部分剛度，一般難以精確計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。4、滾珠絲杠副傳動(dòng)的力學(xué)模型傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度為：第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2（無(wú)側(cè)隙）齒輪傳動(dòng)一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)作用：用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：1、瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)精確度高；

2、強(qiáng)度大能承受重載，結(jié)構(gòu)較緊湊；

3、滿足主軸進(jìn)給速度要求，增大主軸轉(zhuǎn)矩。缺點(diǎn)：1、齒側(cè)間隙對(duì)傳動(dòng)精度影響；

2、齒輪的磨損引起反轉(zhuǎn)誤差的逐漸擴(kuò)大。二、齒輪傳動(dòng)的類型1、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)a偏心軸套調(diào)整法中心距a第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（1）可調(diào)拉簧式：2、斜齒輪傳動(dòng)a墊片調(diào)整法第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）周向彈簧式：b軸向（壓簧）調(diào)整法第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、齒輪齒條傳動(dòng)存在齒側(cè)間隙，應(yīng)加以消除，常用的方法：a、雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法用于傳動(dòng)較小負(fù)載b、雙齒輪調(diào)整法

用于傳動(dòng)較大負(fù)載，如右圖所示第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和級(jí)比的選擇

總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，遵循如下的原則：1、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則傳動(dòng)比i的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低不明顯。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則傳動(dòng)比i的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、重量最輕原則小功率傳動(dòng)時(shí)，i的分配各級(jí)相等；大功率傳動(dòng)時(shí)，i

的分配先大后小。對(duì)數(shù)減少傳動(dòng)精度提高第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3諧波齒輪傳動(dòng)一、諧波齒輪傳動(dòng)原理利用行星輪系傳動(dòng)原理，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔性齒輪產(chǎn)生可控制的變形波（近似諧波），并和剛輪作用引起齒間相對(duì)位移，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。由三個(gè)基本構(gòu)件組成：波發(fā)生器、柔輪、剛輪，其實(shí)質(zhì)是一種新型減速器。二、諧波齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)1、傳動(dòng)比大：1.002～1.02或50～500；2、承載能力高；3、傳動(dòng)平穩(wěn)，精度高；4、體積小，噪聲低

優(yōu)點(diǎn)波發(fā)生器是行星輪系的轉(zhuǎn)臂剛輪是中心輪柔輪是行星輪第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、柔輪周期性變形，易疲勞破壞；2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和啟動(dòng)力矩大，不適宜于小功率傳動(dòng)；3、不能用于傳動(dòng)比較小場(chǎng)合（i小于35）；4、散熱差

缺點(diǎn)三、諧波齒輪型號(hào)四、應(yīng)用廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如機(jī)器人、機(jī)器儀表、雷達(dá)中用作運(yùn)動(dòng)傳遞；在冶金、化工、起重運(yùn)輸設(shè)備中傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。有標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)格可供選擇第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5同步齒形帶傳動(dòng)一、同步齒形帶傳動(dòng)的特點(diǎn)綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，如下圖示。二、同步齒形帶的結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)和尺寸規(guī)格1、結(jié)構(gòu)和材料1、傳動(dòng)比比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高；2、工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)；3、傳動(dòng)比范圍大；4、中心距嚴(yán)格，成本高；5、不需潤(rùn)滑，耐油、耐高溫，維護(hù)方便。與一般帶傳動(dòng)相比的特點(diǎn)：第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同步帶由強(qiáng)力層和帶齒、帶背組成。帶的抗拉元件，保證工作時(shí)節(jié)距不變傳遞帶輪間的動(dòng)力粘結(jié)強(qiáng)力層基體材料：鋼絲、玻璃纖維、芳綸聚氨脂橡膠、氯丁橡膠2、主要參數(shù)和規(guī)格主要參數(shù)是帶齒的節(jié)距t(或pb

):相鄰兩個(gè)齒中心間沿節(jié)線距離，t=πm節(jié)線(Lp)：強(qiáng)力層的中心線。節(jié)線長(zhǎng)度為齒形帶的公稱長(zhǎng)度。按GB11616-89規(guī)定，同步帶有單面齒（僅一面有齒）和雙面齒（兩面都有齒）兩種形式，根據(jù)節(jié)距不同分為七種規(guī)格：型號(hào)MXLXXLXLLHXHXXH節(jié)距（mm）2.0323.1755.089.52512.722.22531.75第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、同步帶的標(biāo)記帶的標(biāo)記包括長(zhǎng)度代號(hào)、型號(hào)、寬度代號(hào)等。例：420L050寬度代號(hào)（帶寬12.7mm）型號(hào)（節(jié)距9.525mm）節(jié)線長(zhǎng)度代號(hào)（節(jié)線長(zhǎng)度1066.8mm）三、同步帶輪1、帶輪的結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)如右圖示材料：鑄鐵或鋼（一般情況）塑料或鋁合金（高速小功率）2、帶輪的參數(shù)及尺寸規(guī)格（1）齒形第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、帶輪的標(biāo)記帶輪的標(biāo)記由帶輪齒數(shù)、帶的型號(hào)、輪寬代號(hào)表示。例：30L075輪寬（19.05mm）帶型號(hào)（節(jié)距9.525mm）帶輪齒數(shù)（30個(gè)）與梯形齒同步帶匹配，齒形有直線形和漸開(kāi)線形兩種。（2）齒數(shù)齒數(shù)少則結(jié)構(gòu)緊湊，但齒數(shù)太少易產(chǎn)生彎曲和疲勞破壞，按國(guó)標(biāo)GB11361-89規(guī)定，小帶輪應(yīng)有許用最小齒數(shù)（參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）。四、同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算1、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)齒形帶的強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行，限制齒形帶單位寬度的拉力，防止強(qiáng)力層的疲勞破壞、斷裂以及節(jié)距改變而爬齒等。根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算齒形帶寬度的公式為：第30頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

其中：Nj為齒形帶傳遞的計(jì)算功率（kW）

[P]為齒形帶單位寬度的許用應(yīng)力（N/mm）

Pc為齒形帶單位寬度的離心應(yīng)力（N/mm）：

v為帶速（m/s）

q為單位長(zhǎng)度、單位寬度的帶重（N/m.mm）

g為重力加速度（m/s2）