機械系統(tǒng)部件的選擇與設計要求

機電一體化系統(tǒng)設計第二章機械系統(tǒng)部件的選擇與設計——郭世偉一、機械系統(tǒng)部件的設計要求1、機械傳動系統(tǒng)的分析與特性 傳統(tǒng)機械一般由動力件、傳動件和執(zhí)行件組成。信息控制等因素的引入，使作為動力源的傳統(tǒng)電機轉換為具有動力、變速和執(zhí)行等多功能的伺服電機，其變速功能可在很大程度上代替機械傳動中的“調速裝置”，取代了幾個執(zhí)行件之間的傳動聯(lián)系，大大減少了傳動件的數(shù)目，縮短了傳動鏈，簡化了機構，使動力件、傳動件與執(zhí)行件朝著合為一體的最小系統(tǒng)進行。典型如控制電機對負載的“直接驅動”等。 機電一體化系統(tǒng)中的機械傳動裝置，不僅是轉矩和轉速的變換器，而是成為伺服系統(tǒng)的組成部分，要根據(jù)伺服控制的要求進行選擇設計。 影響傳動鏈的動力學性能的因素一般有：負載的變化，傳動鏈慣性，傳動鏈的固有頻率，間隙、摩擦、潤滑和溫度變化等。 機電一體化機械系統(tǒng)要求機械傳動部件滿足轉動慣量小、摩擦小、剛度大、振動特性好、阻尼合理、間隙小，還要求機械系統(tǒng)的動態(tài)特性與電機速度環(huán)的動態(tài)特性相匹配等。（1）轉動慣量大的轉動慣量會使機械系統(tǒng)的負載增加，反應靈敏度降低，系統(tǒng)固有頻率下降而容易產(chǎn)生諧振，也使電氣驅動部件的諧振頻率降低，而阻尼增大。各種傳動部件的等效轉動慣量的計算。（2）剛度有構件基本變形的剛度和兩接觸面的接觸剛度。靜剛度和動剛度。系統(tǒng)剛度越大：伺服系統(tǒng)的失動量（傳動死區(qū)）越?。幌到y(tǒng)固有頻率越高，超出系統(tǒng)的頻帶寬度，不易產(chǎn)生共振；增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。（3）諧振頻率包括機械傳動部件在內(nèi)的彈性系統(tǒng)，若不計阻尼，可簡化為質量-彈簧系統(tǒng)，為多自由度系統(tǒng)，有第一諧振頻率和高階諧振頻率等。當外界傳來的激振頻率接近或等于系統(tǒng)固有頻率時，系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，不能正常工作。 還有電氣驅動部件的諧振頻率。（4）摩擦摩擦分為粘性摩擦、庫侖摩擦和靜摩擦。 實際機械導軌的摩擦特性隨材料和表面狀態(tài)的不同有很大的不同。 滑動摩擦導軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，低速運動穩(wěn)定性差；滾動摩擦導軌和靜壓摩擦導軌無爬行，但有微小超程；摩擦力與傳動部件的彈性變形產(chǎn)生位置誤差，運動反向時，位置誤差形成反轉誤差（回差）。（5）阻尼 機械部件振動時，機構材料內(nèi)摩擦、運動副如導軌的摩擦阻尼等。實際的摩擦阻尼一般簡化為粘性摩擦的線性阻尼，精確分析系統(tǒng)動力學時可用非線性阻尼特性。 阻尼對彈性系統(tǒng)的振動特性的影響：黏性阻尼摩擦越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增加，精度降低；粘性阻尼大，可減小振幅和衰減振動。（5）間隙 機械傳動系統(tǒng)中，間隙的存在會產(chǎn)生反轉回差，增加輪廓誤差，影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。間隙類型有： 齒輪傳動的齒側間隙，絲杠螺母的傳動間隙， 絲杠軸承的軸向間隙，聯(lián)軸器的扭轉間隙等。齒輪傳動的齒側間隙的消除，有：剛性消隙法，調整后齒側間隙不能自動補償，但可提高傳動剛度。如調整兩齒輪的中心距來消除齒側間隙；錐度齒輪軸向位移來消隙；斜齒圓柱齒輪消隙等。柔性消隙法，調整后齒側間隙可以自動補償，對齒輪的齒厚、齒距精度要求可下降，但會影響傳動平穩(wěn)性，且傳動剛度低，結構較復雜。如有雙齒輪錯齒式消隙機構，碟形彈簧消隙機構等。 絲杠螺母間隙的調整：2、機械系統(tǒng)部件的設計要求

與一般的機械系統(tǒng)設計要求相比，機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)要求定位精度高，動態(tài)響應特性好（即響應要快，穩(wěn)定性要好），為達到要求，在設計中常提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜鹊纫?。為達到上述要求，主要從以下幾方面采取措施：1)低摩擦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，滾動導向支承、動（靜）壓導向支承；2)縮短傳動鏈（如電機與絲杠螺母副直接連接，以減少中間傳動機構等），提高傳動與支承剛度（預緊的方法）；3)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動慣量，盡可能提高加速能力；4)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；5)提高剛度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。選材上；結構輕型化、緊密化。這些措施反映了機電一體化系統(tǒng)設計的基本特點。二、機械傳動部件的選擇與設計 機械傳動部件的主要功能是傳遞轉矩和轉速，它實質上是一種轉矩、轉速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負載之間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。（一）機械傳動部件的功能要求及常用的傳動部件 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要影響。機電一體化系統(tǒng)設計時，需要選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳遞轉矩大的傳動部件。具體講有三個方面：1)精密化—要適應產(chǎn)品的高定位精度等性能的要求，對機械傳動機構的精密度要求也越來越高。2)高速化—產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機械傳動部件的運動速度相關。因此，機械傳動機構應能適應高速運動的要求。3)小型化、輕量化—機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)精密化、高速化的發(fā)展，必然要求其傳動機構的小型、輕量化，以提高運動靈敏度(快速響應性)、減小沖擊、降低能耗。為與微電子部件的微型化相適應，也要盡可能做到使機械傳動部件短、小、輕、薄化。 對工作機中的傳動機構，要求實現(xiàn)運動和動力的變換，對信息機中的傳動機構，主要是運動的變換功能。 常用機械傳動部件及其運動、動力變換功能列表如下：（二）絲杠螺母傳動機構1、基本傳動形式 絲杠螺母機構為螺旋傳動機構，主要實現(xiàn)旋轉運動與直線運動間的相互變換，應用于能量傳遞（傳力螺旋）、運動傳遞（傳動螺旋）和零件相對位置的調整（調整螺旋）等。 根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動形式有四種類型：（1）螺母固定、絲杠轉動并移動；（2）絲杠轉動、螺母移動；（3）螺母轉動、絲杠移動；（4）絲杠固定、螺母轉動并移動。 分別見圖a、b、c、d絲杠杠螺螺母母機機構構的的基基本本傳傳動動形形式式差動動傳傳動動方方式式，，多多用用于于微微動動機機構構中中。。2、、滾滾珠珠絲絲杠杠副副絲杠杠螺螺母母機機構構有有滑滑動動摩摩擦擦機機構構和和滾滾動動摩摩擦擦機機構構之之分分。。滾珠珠絲絲杠杠副副為為一一種種新新型型的的螺螺旋旋傳傳動動機機構構，，有有適適當當數(shù)數(shù)目目的的滾滾珠珠作作為為絲絲杠杠與與螺螺母母間間的的中中間間傳傳動動元元件件，，變變滑滑動動摩摩擦擦為為滾滾動動摩摩擦擦。。為為防防止止?jié)L滾珠珠從從滾滾道道端端面面掉掉出出，，螺螺母母螺螺旋旋槽槽兩兩端端設設置置滾滾珠珠回回程程引引導導裝裝置置，，構構成成滾滾珠珠循循環(huán)環(huán)返返回回流流動動的的閉閉合合通通道道。。滾珠絲杠杠螺母機機構具有有以下特特點：（1）摩摩擦阻力力矩小，，摩擦損損失小，，傳動效效率高，，功率消消耗是常常規(guī)的滑滑動絲杠杠螺母副副的1/4～～1/3；；（2）適適當預緊緊，可消消除絲杠杠和螺母母的螺紋紋間隙，，反向時時就可以以消除空空程死區(qū)區(qū)，定位位精度高高，剛度度好；（3）啟啟動力矩矩小，運運動平穩(wěn)穩(wěn)，無爬爬行現(xiàn)象象，傳動動精度高高；（4）有有運動可可逆性，，絲杠、、螺母均均可作為為主動件件；（5）不不易磨損損，使用用壽命長長等優(yōu)點點，精度度保持好好。在機電一一體化系系統(tǒng)中應應用廣泛泛。同時它結結構復雜雜，加工工精度要要求高，，制造成成本高；；無自鎖鎖功能，，作升降降傳動機機構時，，需采取取制動措措施。3、滾珠珠絲杠副副的典型型結構類類型滾珠絲杠杠副的結結構形式式可以從從螺紋滾滾道的截截面形狀狀、滾珠珠的循環(huán)環(huán)方式和和消除軸軸向間隙隙的調整整方法進進行區(qū)別別。（1）螺螺紋滾道道型面形形狀單圓弧型型雙雙圓圓弧型滾道圓弧弧半徑R，滾道圓圓弧偏心心距e，接觸角角α（2）滾滾珠的循循環(huán)方式式有內(nèi)循環(huán)環(huán)和外循循環(huán)兩種種方式。。①內(nèi)循循環(huán)方式式時，滾滾珠在循循環(huán)過程程中始終終與絲杠杠表面保保持接觸觸。利用用反向器器引導滾滾珠越過過絲杠的的螺紋頂頂部進入入相鄰滾滾道，形形成一個個循環(huán)回回路。內(nèi)循環(huán)固固定式；；內(nèi)循環(huán)浮浮動式（（借助碟碟簧片的的彈力，，始終給給反向器器一個徑徑向推力力）。②外循循環(huán)方式式時，滾滾珠在循環(huán)返向向時，離離開絲杠杠螺紋滾滾道，在在螺母體體內(nèi)或體體外作循循環(huán)運動動。a）螺旋旋槽式循環(huán)回路路由螺母母2上的的螺紋凹凹槽3，，經(jīng)兩個個通孔，，與螺紋紋滾道相相通。擋珠器4，套筒筒1b）插管管式循環(huán)回路路由彎管管1，經(jīng)經(jīng)彎管端端部，與與螺紋滾滾道5相相通。彎管端部部作擋珠珠器，壓壓板2c）端蓋式：：循環(huán)回路路由螺母母體1上上的縱向向孔，經(jīng)經(jīng)螺母端端蓋2上上的回程程道口，，與螺紋紋滾道相相通。滾珠絲杠杠副的型型號格式式（舊標標準標識識）：包含其結結構、規(guī)規(guī)格、精精度和螺螺紋旋向向等特征征。4、滾珠絲絲杠副副的主主要尺尺寸參參數(shù)公稱直直徑（（d0）:它指滾滾珠與與螺紋紋滾道道在理理論接接觸角角狀態(tài)態(tài)時包包絡滾滾珠球球心的的圓柱柱直徑徑。它它是滾滾珠絲絲杠副副的特特征（（或名名義））尺寸寸?；緦С?Ph)(或或螺距距t)：它指絲絲杠相相對于于螺母母旋轉轉6.28弧度度時，，螺母母上基基準點點的軸軸向位位移。。行程λλ：它指絲絲杠相相對于于螺母母旋轉轉任意意弧度度時，，螺母母上基基準點點的軸軸向位位移。。此外還還有絲絲杠螺螺紋大大徑d1、絲桿桿螺紋紋底徑徑d2、滾珠珠直徑徑DW、螺母母螺紋紋底徑徑D2、螺母母螺紋紋內(nèi)徑徑D3、絲杠杠螺紋紋全長長λ1等。精度要要求高高應選選用較較小的的基本本導程程；一一個循循環(huán)回回路的的滾珠珠工作作圈數(shù)數(shù)一般般取2.5～3.5；滾滾珠總總數(shù)N一般般不超超過150個。。尺寸系系列，，國際際標準準化組組織(ISO／／DIS3408-2-1991)和和GB/T17587.2-1998中中規(guī)定定：公稱直直徑(mm)：：6，，8，，10，12，，16，20，，25，32，，40，50，，63，80，，100，，125，，160及及200。。公稱基基本導導程(mm)：：1，，2，，2.5，，3，，4，，5，，6，，8，，10，12，，16，20，，25，32，，40。優(yōu)先選選用：：2.5，，5，，10，20及及40。5、滾珠絲絲杠副的精精度等級及及標注方法法1)精度等等級：根據(jù)據(jù)GB/T17587.3-1998（與ISO3408-3：1992同）標標準，將滾滾珠絲杠副副的精度分分成為1、、2、3、、4、5、、7、10共七個等等級，最高高級為1級級，最低級級為10級級。按實際際使用要求求，在每一一精度等級級內(nèi)指定了了導程精度度的驗收檢檢驗項目，，未指定的的檢驗項目目其導程誤誤差不得低低于下一級級精度的規(guī)規(guī)定值。推薦采用的的精度等級級：數(shù)控機床、、精密機床床和精密儀儀器等用于于開環(huán)和半半閉環(huán)進給給系統(tǒng)，根根據(jù)定位精精度和重復復定位精度度的要求可可選用1、、2、3級級，一般動動力傳動可可選用4、、5級，全全閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)可選2、、3、4級級。新標準標識識符號2)標標注方法：：GB/T17587.1-1998規(guī)定滾珠珠絲杠的標標識符號應應按下圖給給定順序排排列的內(nèi)容容標注。6、滾珠絲絲杠副軸向向間隙的調調整與預緊緊滾珠絲杠副副在有負載載作用下，，滾珠和滾滾道面接觸觸點處會產(chǎn)產(chǎn)生彈性變變形，換向向時軸向間間隙會引起起非連續(xù)空空回，影響響傳動精度度和系統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定性。雙螺母螺紋紋預緊調整整式1—鎖緊螺螺母，2——調整螺母母，3、4—滾珠螺螺母右圖為單螺螺母變位導導程自預緊緊方式。它它是在滾珠珠螺母體內(nèi)內(nèi)的兩列循循環(huán)滾珠鏈鏈之間，使使內(nèi)螺紋滾滾道在軸向向制作一個個?Ph的導程突變變量，從而而使二列滾滾珠產(chǎn)生軸軸向錯位而而實現(xiàn)預緊緊，預緊力力的大小取取決于?Ph和單列滾珠珠的徑向間間隙。其特特點是結構構簡單緊湊湊，但使用用中不能調調整，且制制造困難。。7、滾珠絲絲杠副的支支承方式絲杠的軸承承組合及軸軸承座以及及其它零件件的連接剛剛度不足，，會嚴重影影響滾珠絲絲杠副的傳傳動剛度和和精度。為為提高軸向向剛度，常常用以推力力軸承為主主的軸承組組合來支承承絲杠。簡支端———僅有球軸軸承，自由由端——懸懸空呈自由由狀態(tài)，單推——單單個推力軸軸承，雙推推——推力力軸承與球球軸承的組組合推力軸承可可施加預緊緊力，實現(xiàn)現(xiàn)預拉伸安安裝。絲杠熱變形形問題，軸軸承安裝注注意遠離馬馬達熱源和和絲杠常用用段，以減減小絲杠熱熱變形的影影響。簡易單推-單推式支支承（1）單推推-單推式式可預拉伸安安裝，預緊緊力大，軸向剛度較較高。（2）雙推推-雙推式式軸向剛度最最高，適于于高剛度、、高速、高高精度的絲絲杠傳動。。對絲杠熱熱變形敏感感。（3）雙推推-簡支式式預緊力小，，壽命長，，常用于中中速、高精精度的長絲絲杠傳動系系統(tǒng)。注意意絲杠熱變變形影響。。（4）雙推推-自由式式承載能力小小，軸向剛剛度低，多多用于短程程、輕載、、低速的垂垂直安裝。。8、滾珠絲絲杠副的制制動方式自鎖、制動動或重力平平衡裝置。。選購滾珠珠絲杠時可可同時選購購相宜的超超越離合器器，體積小小、重量輕輕，易于安安裝。超越離合器器1-外圈；；2-星輪；；3-滾滾柱：4-活銷；；5-彈彈簧當主主軸軸7作作上上、、下下進進給給運運動動時時，，電電磁磁線線圈圈2通通電電并并吸吸引引鐵鐵心心1，，從從而而打打開開摩摩擦擦離離合合器器4，，此此時時電電動動機機5通通過過減減速速齒齒輪輪、、滾滾珠珠絲絲杠杠副副6托托動動運運動動部部件件（（主主軸軸頭頭））7作作垂垂直直上上下下運運動動。。當當電電動動機機斷斷電電時時，，電電磁磁線線圈圈2也也同同時時斷斷電電，，在在彈彈簧簧3的的作作用用下下摩摩擦擦離離合合器器4壓壓緊緊制制動動輪輪，，使使?jié)L滾珠珠絲絲杠杠不不能能自自由由轉轉動動，，從從而而防防止止運運動動部部件件因因自自重重而而下下降降。。單推推-單單推推式式支支承承的的簡簡易易制制動動裝裝置置1-鐵鐵心心；；2-電電磁磁線線圈圈；；3-彈彈簧簧；；4-摩摩擦擦離離合合器器；；5-電電動動機機；；6-滾滾珠珠絲絲杠杠副副；；7-主主軸軸頭頭9、、滾滾珠珠絲絲杠杠副副的的密密封封與與潤潤滑滑防塵塵密密封封圈圈，，防防護護套套密密封封，，防防止止灰灰塵塵及及雜雜質質進進入入滾滾珠珠絲絲杠杠副副。。密密封封圈圈有有接接觸觸式式、、非非接接觸觸式式。。防護護套套的的形形式式有有折折疊疊式式密密封封套套、、伸伸縮縮套套管管和和伸伸縮縮擋擋板板。。下下圖圖為為防防護護套套示示例例：：潤滑滑劑劑提提高高絲絲杠杠副副的的耐耐磨磨性性和和傳傳動動效效率率，，維維持持其其精精度度，，延延長長壽壽命命。。潤潤滑滑油油、、潤潤滑滑脂脂。。1-螺螺旋旋彈彈簧簧鋼鋼帶帶式式伸伸縮縮套套管管；；2-波波紋紋管管密密封封套套10、、滾滾珠珠絲絲杠杠副副的的選選擇擇（1））絲絲杠杠副副結結構構的的選選擇擇根據(jù)據(jù)防防塵塵防防護護條條件件以以及及對對調調隙隙及及預預緊緊的的要要求求，，可可選選擇擇適適當當?shù)牡慕Y結構構型型式式。。例例如如：：當允允許許有有間間隙隙存存在在時時(如如垂垂直直運運動動)，，可可選選用用具具有有單圓圓弧弧形形螺螺紋紋滾滾道道的的單單螺螺母母滾滾珠珠絲絲杠杠副副；當必必須須有有預預緊緊或或在在使使用用過過程程中中因因磨磨損損而而需需要要定定期期調調整整時時，，應應采采用用雙螺母螺螺紋預緊緊或齒差差預緊式式結構；當具備良良好的防防塵條件件，且只只需在裝裝配時調調整間隙隙及預緊緊力時，，可采用用結構簡簡單的雙螺母墊墊片調整整預緊式式結構。（2）絲絲杠副尺尺寸的選選擇選用滾珠珠絲杠副副時通常常主要選選擇絲杠杠的公稱稱直徑d0和基本導導程。。公稱直徑徑d0應根據(jù)軸向最大大載荷按滾珠絲絲杠副尺寸系列列選擇；螺紋長度度l1在允許的的情況下下要盡量量短，一一般取l1/d0小于30為宜；；基本導程程Ph(或螺距距t)應按承承載能力力、傳動動精度及及傳動速速度選取取，導程程大承載載能力也也大，導導程小傳傳動精度度較高。。要求傳傳動速度度快時，，可選用用大導程程滾珠絲絲杠副。。（3）滾滾珠絲杠杠副的選選擇步驟驟在選用滾滾珠絲杠杠副時，，必須知知道實際際的工作作條件：：最大的工工作載荷荷Fmax(或平均均工作載載荷Fcp)(N)作用下下的使用用壽命T(h)；；絲杠的工工作長度度(或螺螺母的有有效行程程)l(mm)；絲杠的轉轉速n(或平均均轉速ncp)(r/min)；滾道的硬硬度HRC及絲絲杠的工工況，然然后按下下列步驟驟進行選選擇。承載能力力選擇:壓桿穩(wěn)定定性核算算式：剛度的驗驗算：滾珠絲杠杠在軸向向力下會會產(chǎn)生伸伸縮，在在扭矩下下產(chǎn)生扭扭轉，對對絲杠導導程、傳傳動精度度、定位位精度等等產(chǎn)生影影響。驗驗算滿載載時的變變形量：：絲杠工工作負載載為F，，扭矩T，每導導程的變變形量△△L（cm）：：（三）齒齒輪傳動動部件齒輪傳動動部件是是轉矩、、轉速和和轉向的的變換器器。齒輪傳動動比i應滿足驅驅動部件件與負載載之間的的位移及及轉矩、、轉速的的匹配要要求，用用于伺服服系統(tǒng)的的齒輪減減速器，，其輸入入電動機機為高轉轉速、低低轉矩，，而輸出出則為低低轉速、、高轉矩矩。齒輪傳動動系統(tǒng)傳傳遞轉矩矩時，要要求有高的剛度度，慣性盡量量小，精精度高。齒間嚙合間隙隙會造成傳傳動死區(qū)區(qū)，精度度受影響響，在閉閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)中，會會造成系統(tǒng)不穩(wěn)穩(wěn)定。除了采用用精度高高，齒側側間隙小小的齒輪輪傳動副副外，還還可采用用多種方方法消除除或減小小嚙合間間隙，提提高傳動動精度和和系統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定性。。先求總的的傳動比比：因負載特特性和工工作條件件的不同同，最佳佳傳動比比有各種種選擇方方法。步進電機機步距角角α，系統(tǒng)脈脈沖當量量δ，絲杠基基本導程程Ph，則滿足足匹配關關系的減減速比為為：直流伺服服電機的的額定轉轉矩Tm，轉子轉轉動慣量量為Jm；負載轉轉動慣量量JL，負載轉轉矩TLF；中間的的齒輪減減速器減減速比為