機電一體化系統(tǒng)機械系統(tǒng)

第二章機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)部件的選擇與設計第一節(jié)機電一體化系統(tǒng)對機械系統(tǒng)部件的要求第二節(jié)機械傳動部件的選擇與設計第三節(jié)導向支承部件的選擇與設計第四節(jié)旋轉(zhuǎn)支承部件的選擇與設計第五節(jié)軸系部件的選擇與設計第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的機座或機架第一節(jié)機電一體化系統(tǒng)對機械系統(tǒng)部件的要求一、典型機電一體化系統(tǒng)的組成:控制部件，接口電路，功率放大器，執(zhí)行元件，機械傳動部件，導向支承部件，檢測傳感部件。二、機械系統(tǒng)的組成:線性傳動部件；非線性傳動部件；導向支承部件；旋轉(zhuǎn)支承部件；軸系；機座；機架三、機械系統(tǒng)部件的要求:較高的定位精度；良好的動態(tài)響應特性（響應速度快，穩(wěn)定性好）；無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜鹊?。四、采取的措?1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件；如采用滾珠絲杠副；滾動導向副；動（靜）壓導向支承縮短傳動鏈,提高傳動與支承剛度；如采用大扭矩、寬調(diào)速的伺服電機直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動機構；加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導 軌副的傳動與支承剛度。選用最佳傳動比,以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等 效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量,盡可能提高加速能力；縮小反向死區(qū)誤差,如采取消除傳動間隙,減少支 承變形的措施。改進支承及架體的結構設計以提高剛性、減少振 動、降低噪聲。如采用復合材料等來提高剛度和強度,減輕重量、縮小體積使結構緊密化,以確保系統(tǒng)的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化第二節(jié)機械傳動部件的選擇與設計一、機械傳動部件及其功能要求類型:螺旋傳動，齒輪傳動，同步帶傳動，非線性傳動部件功能:傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；實質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化器。目的:使執(zhí)行元件與負載之間在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。作用:機械傳動部件的傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動可靠性對機電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性有重大影響。設計和選擇要求:傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大。二、絲杠螺母機構（螺旋傳動機構）基本形式傳動功能:旋轉(zhuǎn)運動 直線運動；傳遞能量及運動分類:滑動絲杠螺母機構:結構簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖功能，但摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%-40%）。滾珠絲杠螺母機構:傳動效率高、摩擦阻力矩小、軸向剛度高、運動平穩(wěn)、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長；但結構復雜，制造成本高，不能自鎖（具有傳動的可逆性，在用作升降傳動機構時，需采用制動措施）。在機電一體化系統(tǒng)中應用廣泛。5種基本傳動形式(按絲杠和螺母相對運動的組合情況分):螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動:螺母本身起著支承作用，結構簡 單，傳動精度較高，剛性差，適用于行程較小的場合。絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動:需導向裝置來限制螺母的轉(zhuǎn)動。結構緊 湊、絲杠剛性好，使用于行程較大的場合。螺母轉(zhuǎn)動、絲杠移動:需限制螺母移動和絲杠轉(zhuǎn)動，結構復雜 且占用軸向空間較大，應用較少。絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動:結構簡單、緊湊，使用不方便。差動傳動:多用于各種微動機構三、滾珠絲杠傳動部件簡述:是一種新型螺旋傳動機構；由絲杠、螺母、滾珠、反向 器組成；當絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止?jié)L 珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝 置構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。特點:如前所述3.結構類型:1)按螺紋滾道的截面形狀分單圓弧型:接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化。接觸角增大時，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。雙圓弧型:接觸角在工作過程中基本保持不變（ 45 ）。能存儲一定的潤滑油以減少摩擦；加工成本高2)按滾珠的循環(huán)方式分類:循環(huán)方式代號特點內(nèi)循環(huán)浮動反向器式(p.23圖2.6)F通道流暢性好，摩擦特性好；適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進給系統(tǒng)。固定反向器式(p.23圖2.5)G結構回路短，摩擦小，效率高，徑向尺寸小，反向器加工困難，裝配調(diào)整也不方便。外循環(huán)螺旋槽式(p.24圖2.7)L工藝簡單，徑向尺寸小，易于制造；擋珠器剛性差，易磨損插管式 埋入凸出CMCT結構簡單，容易制造，但徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。端蓋式(p.24圖2.9)D結構簡單，工藝性好，常以單螺母形式用作升降傳動機構。應用較少。主要尺寸參數(shù)：(p.24圖2.10)公稱直徑d0（特征尺寸）：滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑基本導程l0：絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2 弧度時，螺母上基準點的軸向位移。l0根據(jù)機電一體化產(chǎn)品的精度要求確定，精度要求較高時應選取較小的基本導程。導(行)程：絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。滾珠的工作圈數(shù)：一般取2.5~3.5。第一、第二和第三圈滾珠分別承受軸向載荷的50%、30%和20%左右。滾珠總數(shù)N： 150絲杠螺紋大徑d、絲杠螺紋小徑d1螺母螺紋大徑D.螺母螺紋小徑D1絲杠螺紋全長ls滾珠直徑Db5.軸向間隙的調(diào)整與預緊:提高其傳動剛度預緊方式代號說明雙螺母螺紋預緊(p.27圖2.12)L結構簡單，剛性好，預緊可靠，調(diào)整方便，但不能精確定量地進行調(diào)整雙螺母齒差預緊(p.27圖2.13)C調(diào)整精確方便，但結構復雜雙螺母墊片預緊(p.27圖2.14)D結構簡單，剛性高，預緊可靠，調(diào)整不方便，單螺母變位導程

預緊(p.27圖2.16)B結構簡單緊湊，但使用中不能調(diào)整，且制造困難。單螺母無預緊方式不標(或標W)精度等級及標注方法精度等級:JB/T3162.2-1991:七個等級:1，2，3，4，5，7，101級最高，依次遞減。數(shù)控機床、精密機床和精密儀器等用于開環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)可選用1，2，3級；一般動力傳動可選用4，5級；全閉環(huán)系統(tǒng)可選用2，3，4級。尺寸系列:ISO/DIS3408-2-1991公稱直徑d0(mm):6,8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125,160基本導程l0(mm):1,2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,32,40。盡可能選用2.5,5,10,20,40標注方法及示例支承方式的選擇滾珠絲杠的支承,主要是約束絲杠的軸向竄動,其次才是徑向約束支承方式支承方式特點支承系數(shù)fk支承系數(shù)f2單推-單推(J-J)p.29圖

2.17軸向剛度較高，預緊力較大，但軸承壽命比F-F式低14.73雙推-雙推(F-F)p.29圖2.18軸向剛度最高，適合于高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。43.927雙推-簡支(F-S)p.29圖2.19軸向剛度較高，適合于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)23.142雙推-自由(F-O)p.29圖2.20軸向剛度及承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動系統(tǒng)。0.251.8758.制動裝置超越離合器:體積小、重量輕、易于安裝。P.31圖2.25電磁-摩擦制動裝置:P.31圖2.26密封與潤滑防塵密封圈或防護套密封來防止灰塵及雜質(zhì)進入滾珠絲杠副非接觸式密封圈(迷宮式密封圈):由聚氯乙烯等塑料組成，其內(nèi)孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙接觸式密封圈:用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產(chǎn)生一定的摩擦力矩，但防塵效果好防護套:折疊式密封套、伸縮套管、伸縮擋板 P.32圖2.27使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精 度、延長其使用壽命。潤滑脂:在裝配時放進滾珠螺母滾道內(nèi)定期潤滑潤滑油:應經(jīng)常通過注油孔注油選擇計算四、齒輪傳動部件轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器常用齒輪傳動裝置的傳動形式:一級、二級、三級要求:足夠的剛度，轉(zhuǎn)動慣量盡量小，齒側(cè)間隙較小， 精度較高（用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來代替）。最佳總傳動比:1)負載的綜合:工作負載Tc、慣性負載、摩擦負載Tf綜合為系統(tǒng)的總負載。方法有:峰值綜合:各種負載為非隨機性負載，將各負載的峰值取代數(shù)和方和根綜合:各種負載為隨機性負載，取各負載的方和根2)最佳總傳動比:使負載轉(zhuǎn)矩值最小或負載加速度最大的總傳動比目的:達到最高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量,盡可能提高加速能力（1）負載加速度最大的總傳動比（2）

等效峰值綜合負載轉(zhuǎn)矩（Temp）最小的總傳動比Tc

Tcp

；

Tf

Tfp

；（3）

等效方和根綜合負載轉(zhuǎn)矩（TemR）最小的總傳動比Tc

TcR；

Tf

TfR

；(4)總傳動比i的實際選擇原則上總傳動比i取在（iA，iB）范圍內(nèi)，用于產(chǎn)生加速度的轉(zhuǎn)矩為(Tm-TemL)。為提高其抗干擾力矩的能力常用較大的傳動比。實際工作中，若考慮電機的額定轉(zhuǎn)矩Tnm或許用過載轉(zhuǎn)矩 Tnm，則總傳動比i取在(iD，iB)或(iC，iB)范圍內(nèi)考慮工程實際中的各種以外因素，總傳動比I的選取可以偏大偏大的總傳動比提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但影響系統(tǒng)的快速響應。V.偏大的總傳動比改善系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性，但傳動級數(shù)增多，傳動精度、效率、剛度與系統(tǒng)固有頻率降低。VI.當選定步進電動機的步距角 、系統(tǒng)脈沖當量 和絲杠基本導程l0后，總傳動比應滿足匹配關系:5．各級傳動比的最佳分配原則1）等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則:(1)小功率傳動:以兩級齒輪傳動系統(tǒng)為例。假設各主動小齒輪轉(zhuǎn)動慣量相同；軸與軸承的轉(zhuǎn)動慣量不計；各齒輪均為同寬度同材料的實心圓柱體。則等效到電動軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為:各級傳動比的分配按“前小后大”次序，結構較緊湊。過多增加傳動級數(shù)沒有意義，反而會增大傳動誤差，并使結構復雜化(2)大功率傳動:小功率傳動中的各項假設不適用，其計算公式不能通用，按相關的經(jīng)驗曲線（見趙松年的《機電一體化機械系統(tǒng)設計》p.52的圖3-21至圖3-23）確定各級傳動比。各級傳動比的分配仍按“前小后大”次序2）重量最輕原則(1)小功率傳動:以兩級齒輪傳動系統(tǒng)為例。假定各主動小齒輪模數(shù)m、齒數(shù)Z、齒寬b均相等，故所有大齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒寬均相等；每級齒輪副的中心距離也相同。則各齒輪的重量之和W為::材料密度；b:各齒輪寬度；Di:各齒輪的計算直徑齒輪傳動系統(tǒng)可設計成曲回式傳動鏈(2)大功率傳動:以兩級傳動為例假定:(1)(2)b1=b2，b3=b4各級傳動比按“前大后小”的原則進行分配的。3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則以四級齒輪傳動系統(tǒng)為例,四級傳動比分別為i1,i2,i3,i4。齒輪1~8的轉(zhuǎn)角誤差依次為 1~ 8。該傳動鏈輸出軸總轉(zhuǎn)角誤差max為n級齒輪系輸出軸總轉(zhuǎn)角誤差為:k為第k個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；ik為第k個齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動比。各級傳動比按“前小后大”的次序進行分配。在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高最末一級齒輪副的加工精度。4）說明: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，可按最小等小轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。對于提高傳動精度和減少回程誤差為主的傳動齒輪系，可按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則。合理布置傳動鏈可以提高齒輪傳動鏈的傳動精度，措施如下:縮短齒輪傳動鏈，減少傳動副數(shù)齒輪傳動鏈的總傳動比確定后，各級傳動比的分配應“前小后大”。特別是末級傳動比增大后，傳動鏈內(nèi)所有齒輪的轉(zhuǎn)角誤差在綜合時都響應減小。同時提高末級傳動副的精度，整個齒輪傳動鏈的精度就得以提高。增大齒輪齒數(shù)。傳動比確定后，在不影響整體結構尺寸的前提下，增大小齒輪齒數(shù)，可以使重合度增大。對以較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系巧妙結合為混和輪系。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。6.諧波齒輪傳動1)諧波齒輪傳動的組成和工作原理組成:波形發(fā)生器（主動件）；剛輪、柔輪（從動件）工作原理:柔輪彈性變形，柔輪長軸兩端的齒與剛輪齒槽完全嚙合，而柔輪短軸兩端的齒與剛輪齒槽完全脫開。當主動件轉(zhuǎn)動時嚙合，嚙出，脫開，嚙入，嚙合 從動件轉(zhuǎn)動。特點:結構簡單、傳動比大、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。用途:工業(yè)機器人、航空、航天等機電一體化系統(tǒng)中傳動比計算: g， r， H分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度；Zg和Zr分別為剛輪和柔輪的齒數(shù)–剛輪固定(g=0)，柔輪輸出:若Zr=200,Zg=202,iHr=-100；負值說明柔輪與波形發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反柔輪固定(r=0)，剛輪輸出:若Zr=200，Zg=202,iHr=101。正值說明剛輪與波形發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相同。5)主要參數(shù)的設計計算(1)齒形:漸開線，齒形角為20 。應用廣泛為防止嚙合干涉，采用短齒和徑向變位XR:柔輪徑向變位系數(shù)XG:剛輪徑向變位系數(shù)0:徑向變形量系數(shù)；0=0.8-1.2其他有關齒形的因素有:齒廓工作段高度hn:hn=(1.3-1.6)m齒頂不變尖:保證齒頂厚Sa0.25m頂隙不小于0.2m不產(chǎn)生過渡曲線和其他嚙合干涉。(2)柔輪內(nèi)徑d:恒定載荷、長期壽命的工作條件下:經(jīng)驗公式:Trd:為經(jīng)驗系數(shù)， Trd=0.1-0.3(N/mm2)6)單級諧波齒輪減速器簡介原電子工業(yè)部SJ2604-85<<單級諧波齒輪減速器>>標準。10個機型43個品種；柔輪內(nèi)徑表示機型號。型號標注:產(chǎn)品代號，規(guī)格代號，精度等級三部分組成7.齒輪傳動間隙的調(diào)整方法偏心套（軸）調(diào)整法:p.39圖2.35結構簡單，側(cè)隙不能自動補償軸向墊片調(diào)整法 p.39圖2.36結構簡單，側(cè)隙不能自動補償雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 p.39圖2.35反向時不會出現(xiàn)死區(qū)周向彈簧式: p.39圖2.37受到周向圓弧槽及彈簧尺寸限制，僅適用于讀數(shù)裝置而不適用于功率驅(qū)動裝置可調(diào)拉簧式: p.39圖2.38五、同步帶傳動

（撓性傳動部件）?

11.定義:封閉環(huán)形帶的工作面有等間距的齒形，與外周有相應齒形的帶輪作嚙合傳動，傳遞運動和動力。綜合了普通帶傳動和鏈輪、鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動2.特點:傳動比準確；嚙合傳動，工作時無滑動傳動效率高（可達98%）。與V形帶相比，可節(jié)能10％以上傳動平穩(wěn)，能吸收振動，噪音低能高速傳動（傳動比可達10）；結構緊湊（帶輪直徑?。┚S護保養(yǎng)方便，能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質(zhì)的惡劣環(huán)境中工作，不需潤滑。安裝精度要求高、帶輪中心距要求嚴格。安裝不當易生干涉、爬齒、跳齒等現(xiàn)象。同步帶具有一定的蠕變性。帶和帶輪的制造工藝較復雜，成本受批量影響大。同步帶傳動分類按齒形分（1）梯形齒:ISO及國標； （2）圓弧齒:企業(yè)標準按規(guī)格制分（1）模數(shù)制 (2)節(jié)距制:ISO及國標4．同步帶結構:承載繩（加強筋）:傳遞動力和保持節(jié)距不變。采用抗拉強度較高、 伸長率較小的材料制造。鋼絲、玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維帶齒:直接和帶輪嚙合；要求剪切強度和耐磨性高，耐熱性和耐油 性好。氯丁橡膠、聚氨酯橡膠帶背:用于連接和包復承載繩。要求柔韌性和抗彎強度高，與承載 繩的粘結性好。氯丁橡膠、聚氨酯橡膠包布層:保護帶齒。要求抗拉強度和耐磨性好，與氯丁膠基體的粘 結性好。尼龍、錦綸絲5.同步帶的型號:GB11616-89《節(jié)距制同步帶》MXL:MinimaleXtraLightXXL:eXtraextraLightXL:eXtraLightL:LightH:HeavyXH:eXtralHeavyXXH:eXtraeXtraHeavy最輕型。節(jié)距為2.032mm超輕型。節(jié)距為3.175mm

特輕型。節(jié)距為5.080mm

輕型。節(jié)距為9.525mm

重型。節(jié)距為12.700mm特重型。節(jié)距為22.225mm最重型。節(jié)距為31.75mm6.同步帶的帶齒分布:單面齒、對稱雙面齒(DA)、交錯雙面齒(DB)同步帶的尺寸:長度:以節(jié)線長度為公稱帶長，為節(jié)線上齒數(shù)與節(jié)距的乘積。寬度:各種型號的標準帶寬系列中，最大尺寸的標準帶寬為該型 號同步帶的基準寬度。標號:包括長度代號、型號和寬度代號。雙面齒帶還在標號最前面表示型式代號8.同步帶輪尺寸規(guī)格:GB11361-89《節(jié)距制同步帶輪》帶輪齒數(shù)Z:齒數(shù)不宜過少。過少使同時嚙合的齒數(shù)減少，導致帶齒 承載過大，并使帶的彎曲應力增大。許用最小齒數(shù)應根據(jù)帶型號和 小帶輪轉(zhuǎn)速進行確定。帶輪寬度:同一種型號的帶輪有不同的寬度代號帶輪直徑:由型號和帶輪齒數(shù)進行確定標號:同步帶的失效形式承載繩斷裂:原因是帶型號過小和小帶輪直徑過小等 爬齒和跳齒:原因是同步帶傳遞的圓周力過大、帶與帶輪間的節(jié)距差值過大、帶的初拉力過小等。帶齒的磨損:原因是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的張緊力過大等。 其他失效方式:帶側(cè)棱邊磨損（帶和帶輪的制造安裝誤差引起）；帶齒剪切破壞（帶與帶輪間的節(jié)距差值過大和嚙合齒數(shù)過少引起）；帶背的龜裂；承載繩抽出；包布層脫落等10.設計準則:在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，保證帶齒的一定耐磨性。設計計算：參見趙松年的《機電一體化機械系統(tǒng)設計》p.43-46已知條件：需要傳遞的名義功率Pm；主、從動輪的轉(zhuǎn)速n1.n2或傳動比i；傳動部件的用途、工作條件和安裝位置。確定帶的設計功率Pd：Pd=K1(1+K2)(1+K3)PmK1：考慮載荷性質(zhì)和運轉(zhuǎn)時間的工況修正系數(shù)；K2：考慮增速的修正系數(shù)；K3：考慮張緊輪配置的修正系數(shù)。選擇帶型和節(jié)距Pb：由設計功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1在同步帶選型圖上進行選擇帶輪齒數(shù)z和節(jié)圓直徑d：根據(jù)帶型號和小帶輪轉(zhuǎn)速進行確定小帶輪齒數(shù)Z1。大帶輪齒數(shù)Z2=Z1i。小帶輪的節(jié)圓直徑d1=PbZ1/ (mm)。大帶輪的節(jié)圓直徑的d2=d1i(mm)。5）直徑初定后驗算帶速v:v=d1n1

/(60 1000)

(m/s)MXL~L:vmax=40~50m/s；H:vmax=35~40m/s；XH、XXH:vmax=25~30m/s；6）同步帶的節(jié)線長度Lp、齒數(shù)zb及傳動中心距C校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)zm確定實際所需同步帶寬度bs(1)計算所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率P0:P0=(Ta-mv2)v/103 (kW)式中，Ta為各種型號同步帶在基準寬度下的許用圓周力(N)；m為各種型號同步帶的單位長度質(zhì)量(kg/m)；v為同步帶的傳動速度(m/s)計算嚙合系數(shù)Kz:當zm 6，Kz=1；當zm<6，Kz=1-0.2(6-zm)計算齒寬系數(shù)Kw:Kw=(bs/bs0)1.14。bs0為基準帶寬確定