機(jī)電一體化第2章

第2章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

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第2章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)械設(shè)計(jì)概述1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2支撐導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4部件應(yīng)用實(shí)例5china_54@本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解機(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識(shí)2、常用機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本理論和基本方法3、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的選用選擇4、機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的思維模式china_54@

2.1機(jī)械設(shè)計(jì)概述

2.1.1機(jī)電一體化對機(jī)械系統(tǒng)的要求

（1）采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐部件，如采用滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支撐、動(dòng)（靜）壓導(dǎo)向支撐等。（2）縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支撐剛度，如用加預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)與支撐剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接并減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支撐設(shè)計(jì)中采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支撐結(jié)構(gòu)等。china_54@（3）選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)間隙、減少支撐變形的措施。（5）改進(jìn)支撐及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性，減小振動(dòng)，降低噪聲。如選用復(fù)合材料等來提高剛度和強(qiáng)度，減小質(zhì)量、縮小體積使結(jié)構(gòu)緊密化，以確保系統(tǒng)的小型化、輕量化、高速化和高可靠性。china_54@

2.1.2機(jī)械系統(tǒng)的組成（傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)）

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)—機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)除了要滿足傳動(dòng)精度的要求，還要滿足小型，輕量，高速，低噪聲和高可靠性的要求。

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2.1.2機(jī)械系統(tǒng)的組成導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

——支撐導(dǎo)向作用，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確的完成其待定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。執(zhí)行機(jī)構(gòu)

——用以完成操作任務(wù)的。它根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)期的操作。要求它具有較高的靈敏度、精確度，良好的重復(fù)性和可靠性。china_54@2.1.3機(jī)械參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響剛度—?jiǎng)偠仁侵笝C(jī)械零件或構(gòu)件抵抗變形的能力。是材料彈性變形難易程度的一個(gè)象征(靜剛度、動(dòng)剛度）。剛度越大，失動(dòng)量越小，固有頻率越高，不易產(chǎn)生諧振。

失動(dòng)量在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中很好理解的，把三個(gè)字拆開，失----丟失，動(dòng)----移動(dòng)，量----距離，合起來就是丟失的移動(dòng)距離，是指在傳動(dòng)過程中由于一些常值系統(tǒng)誤差或傳動(dòng)系統(tǒng)彈性變形引起的在傳動(dòng)過程中丟失的移動(dòng)量。以電機(jī)帶動(dòng)絲杠絲母做直線運(yùn)動(dòng)為例，就是在電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)后，由于絲杠絲母的間隙，或者絲杠絲母自身的彈性變形導(dǎo)致在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定量之后絲母才開始沿絲杠方向做直線運(yùn)動(dòng)，在這之間丟失的移動(dòng)量就是失動(dòng)量。

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2.1.3機(jī)械參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

2.慣量—物質(zhì)（物體）運(yùn)動(dòng)的慣性量值。它指的是轉(zhuǎn)子本身的慣量，對于電機(jī)的加減速來說相當(dāng)重要。慣量的大小取決于機(jī)構(gòu)各部件的質(zhì)量和尺寸。3.摩擦—摩擦力是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)名詞，是指兩個(gè)互相接觸的物體有彈力，當(dāng)它們要發(fā)生或有趨勢發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對運(yùn)動(dòng)的力，這種力就叫做摩擦力物體在液體和氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)也受到摩擦力。

china_54@2.1.3機(jī)械參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響4.傳動(dòng)誤差——在機(jī)床傳動(dòng)鏈的輸入軸驅(qū)動(dòng)完全準(zhǔn)確且為剛性的條件下，其輸出軸的實(shí)際位移與理論位移之差。5.諧振頻率—機(jī)械傳動(dòng)部件的彈性系統(tǒng)，若忽略阻尼，可簡化為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)模型，有固有頻率。當(dāng)外界傳來的振動(dòng)的激振頻率接近或等于固有頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振，機(jī)械系統(tǒng)就會(huì)不穩(wěn)定。china_54@2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1機(jī)械傳動(dòng)裝置

常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶、高速帶傳動(dòng)以及各種非線性傳動(dòng)部件等，其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。1帶傳動(dòng)(1)組成：主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、張緊在兩輪上的環(huán)型傳動(dòng)帶。

(2)原理：原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合），便拖動(dòng)從動(dòng)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳遞一定動(dòng)力。

china_54@(3)類型china_54@(4)特點(diǎn)1）優(yōu)點(diǎn)帶具有良好的彈性，可以緩和沖擊，吸收振動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲??；過載時(shí)，帶在帶輪上打滑，可防止其他零件損壞，起安全保護(hù)作用；適用于兩軸中心距較大的場合；結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和維護(hù)方便，成本低。2）缺點(diǎn)帶在帶輪上有相對滑動(dòng)，不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；傳動(dòng)效率較低，帶的壽命較短；傳動(dòng)的外廓尺寸大；帶傳動(dòng)需要張緊，支撐帶輪的軸和軸承受力較大；帶傳動(dòng)中的摩擦?xí)a(chǎn)生電火花，不宜用于易燃、易爆等場合。china_54@(5)主要參數(shù)：包角α、基準(zhǔn)長度Ld、中心距a及帶輪直徑dd1、dd2。

(6)滑動(dòng)率和傳動(dòng)比的計(jì)算

滑動(dòng)率

式中v1為主動(dòng)輪圓周速度

v2為從動(dòng)輪圓周速度

帶傳動(dòng)的實(shí)際傳動(dòng)比

（一般傳動(dòng)中，

=1%-2%可忽略不計(jì)）

china_54@2諧波齒輪傳動(dòng)(1)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)比大（幾十到幾百）、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高。(2)工作原理：諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)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(cuò)齒來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的，因此它與一般齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別，如下圖所示，諧波齒輪傳動(dòng)由波形發(fā)生器3（H）和剛輪l、柔輪2組成。(3)應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)機(jī)器人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)。china_54@3（H)波形發(fā)生器；1剛輪；2柔輪china_54@3滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠絲杠副（以球?yàn)闈L動(dòng)體）：應(yīng)用十分廣泛。(1)組成：滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)部件，它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或相反。d0－公稱直徑；Dpw－節(jié)圓直徑；α－接觸角；Ph－導(dǎo)程；φ－螺旋角節(jié)圓直徑是兩個(gè)齒輪的交接點(diǎn)（切點(diǎn)）。導(dǎo)程—圓柱面上的一條螺旋線與該圓柱面的一條直母線的兩個(gè)相鄰交點(diǎn)之間的距離。單線螺紋的導(dǎo)程等于螺距，多線螺紋的導(dǎo)程等于頭數(shù)（n）乘于螺距，即S=nPchina_54@(2)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。

china_54@2.3支撐導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)組成：導(dǎo)向支撐部件、軸系支撐部件、旋轉(zhuǎn)支撐部件和機(jī)座機(jī)架。2.3.1導(dǎo)向支撐部件作用：支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，并承受運(yùn)動(dòng)部件上的載荷，即導(dǎo)向和承載的作用。通常被標(biāo)為導(dǎo)軌副。1、導(dǎo)軌副組成：主要由承導(dǎo)件1和運(yùn)動(dòng)件2兩部分組成。china_54@2、導(dǎo)軌副的分類

（按接觸面的摩擦性質(zhì)）china_54@3、導(dǎo)軌副的截面形狀及特點(diǎn)（1）三角形導(dǎo)軌：在垂直載荷作用下，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生間隙，導(dǎo)向精度高。導(dǎo)軌水平與垂直方向誤差相互影響，制造、檢測、修理困難。（2）矩形導(dǎo)軌：結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢測、修理方便承載能力大，剛度好。導(dǎo)軌水平與垂直方向位置各不相關(guān)，安裝調(diào)整方便。精度沒有三角形導(dǎo)軌高，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償。但同等條件下摩擦阻力和接觸變形比三角形導(dǎo)軌小。（3）燕尾形導(dǎo)軌：磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙必須設(shè)有間隙調(diào)整裝置。可以承受顛覆力矩，但剛度差，摩擦力大，制造、檢測、修理都不方便。用于受力不大，高度尺寸受限制的場所。（4）圓形導(dǎo)軌：制造方便，配合精密，但磨損后很難調(diào)整和補(bǔ)償間隙。china_54@china_54@4、導(dǎo)軌副間隙的調(diào)整調(diào)整原因：間隙過小，會(huì)增加摩擦阻力；間隙過大，會(huì)降低導(dǎo)向精度。調(diào)整方法：壓板法、鑲條法。適用范圍：燕尾形導(dǎo)軌可采用鑲條（墊片）方法同時(shí)調(diào)整垂直和水平兩個(gè)方向的間隙。矩形導(dǎo)軌可采用修刮壓板、調(diào)整墊片的厚度或調(diào)整螺釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行間隙的調(diào)整。圓形導(dǎo)軌的間隙不能調(diào)整。china_54@2.3.2軸系支撐部件軸系支撐機(jī)構(gòu)由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動(dòng)部件組成。china_54@

軸1、軸的分類：轉(zhuǎn)軸、芯軸、傳動(dòng)軸。轉(zhuǎn)軸：既支撐傳動(dòng)部件又傳遞動(dòng)力，承受彎矩和扭矩。芯軸：起支撐旋轉(zhuǎn)部件作用不傳遞動(dòng)力，即承受彎矩。分為固定芯軸和轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸。傳動(dòng)軸：主要傳遞動(dòng)力，即承受扭矩作用。2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：盡量減少應(yīng)力集中，受力合理，有良好的工藝性，使軸上零件定位可靠，裝拆方便。china_54@

軸3、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。

軸肩和軸環(huán)：固定簡單可靠，可承受較大的軸向力，但加大了軸的直徑，軸剖面有突變且產(chǎn)生應(yīng)力集中。

套筒：對兩個(gè)零件起相對固定作用。結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，固定可靠但配合較松，不適宜用在高轉(zhuǎn)速的軸上。

圓螺母：能承受較大的軸向力，但軸上螺紋處應(yīng)力集中嚴(yán)重，對軸強(qiáng)度削弱較大，常用于固定軸端零件。

彈性擋圈：彈性擋圈結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆方便，但只能承受較小的軸向力。因軸上開環(huán)形槽削弱了軸的強(qiáng)度，常用于滾動(dòng)軸承的軸向固定或軸向力不大時(shí)軸向零件的軸向固定。軸端擋圈：又稱軸端壓板，與軸肩相結(jié)合，使零件得到軸向定位和雙向固定。結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，適用于軸端零件的固定。china_54@

軸4、軸的周向固定：緊定螺釘固定、銷釘固定、過盈配合固定（如下圖）。china_54@

軸轂聯(lián)結(jié)軸轂聯(lián)結(jié)主要是使軸上零件與軸周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩。常用：鍵聯(lián)結(jié)、過盈聯(lián)結(jié)、無鍵聯(lián)結(jié)、銷聯(lián)結(jié)、螺紋聯(lián)結(jié)。鍵聯(lián)結(jié)包括普通平鍵連接、導(dǎo)鍵連接滑鍵連接等。平鍵連接按端部形狀不同可分為A型（方頭）、B型（圓頭）、C型（單圓頭）如下圖。china_54@

軸承軸承是機(jī)械傳動(dòng)中的關(guān)鍵部件，在機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)，要能夠根據(jù)軸承手冊選用合理的軸承。軸承可分為滑動(dòng)摩擦軸承（簡稱滑動(dòng)軸承）和滾動(dòng)摩擦軸承（簡稱滾動(dòng)軸承）。1、適用范圍滾動(dòng)軸承：中、低速及精度要求較高的場合?；瑒?dòng)軸承：軋鋼機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、雷達(dá)、天文望遠(yuǎn)鏡及各類儀表中。2、失效形式（1）滑動(dòng)軸承的失效形式：磨粒磨損、疲勞剝落、刮傷、腐蝕、膠合。china_54@磨粒磨損----進(jìn)入軸承間隙的硬顆粒有的隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，對軸承表面起研磨作用。疲勞剝落----在載荷得反復(fù)作用下，軸承表面出現(xiàn)與滑動(dòng)方向垂直的疲勞裂紋，擴(kuò)展后造成軸承材料剝落。刮傷----進(jìn)入軸承間隙的硬顆?；蜉S徑表面粗糙的微觀輪廓尖峰，在軸承表面劃出線狀傷痕。腐蝕----潤滑劑在使用中不斷氧化，所生成的酸性物質(zhì)對軸承材料有腐蝕，材料腐蝕易形成點(diǎn)狀剝落。膠合----當(dāng)瞬時(shí)溫升過高，載荷過大，油膜破裂時(shí)或供油不足時(shí)，軸承表面材料發(fā)生粘附和遷移，造成軸承損傷。china_54@（2）滾動(dòng)軸承的失效形式：疲勞點(diǎn)蝕、塑性變形、滾動(dòng)軸承的密封。疲勞點(diǎn)蝕----滾動(dòng)軸承工作時(shí)，軸上的受力通過軸承內(nèi)圈-滾動(dòng)體-外圈-基座和相鄰元件間的接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值后會(huì)在某一元件上形成表面金屬金屬脫落現(xiàn)象，即疲勞點(diǎn)蝕。塑性變形材料----在外力作用下產(chǎn)生形變而在外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形。

3、軸承的潤滑非常重要。china_54@2.3.3旋轉(zhuǎn)支撐部件1、旋轉(zhuǎn)支撐的種類及基本要求（1）按相互摩擦的性質(zhì)分：滑動(dòng)、滾動(dòng)、彈性、氣體摩擦支撐。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：填入式滾珠支撐和刀口支撐。（2）對支撐的要求：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(bǔ)償?shù)目赡苄?、抗振性及成本。china_54@2.3.3旋轉(zhuǎn)支撐部件2、圓柱支撐支撐表面大，承受載荷大。方向精度和置中精度差，摩擦阻力力矩大。china_54@3圓錐支撐

分向精度和置中精度高，承受能力強(qiáng)，摩擦阻力力矩也較大。置中精度比圓柱支撐好。china_54@2.3.4機(jī)架與機(jī)座1．機(jī)座機(jī)架的作用及基本要求剛度與抗振性熱變形穩(wěn)定性china_54@2.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用：實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品主要功能的重要環(huán)節(jié)。特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好、動(dòng)靜態(tài)精度高、動(dòng)作靈敏度高。要求：體積小、質(zhì)量輕、自控性強(qiáng)、可靠性高。2.4.1微動(dòng)機(jī)構(gòu)

1、定義：微動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。2、作用：精確、微量的調(diào)節(jié)某些部位的相對位置。3、特點(diǎn)：靈敏度高，最小移動(dòng)量達(dá)到使用要求；傳動(dòng)靈活、平穩(wěn)，無空程與爬行，制動(dòng)后能保持穩(wěn)定的位置；抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)快速；結(jié)構(gòu)工藝性良好。

china_54@4、分類：機(jī)械式、電氣-機(jī)械式、彈性變形式、熱變形式、磁致伸縮式、壓電式等。機(jī)械式舉例：萬能工具顯微鏡工作臺(tái)的微動(dòng)機(jī)構(gòu)（手動(dòng)機(jī)械式）螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu)1-測微套；2-緊定螺母；3-調(diào)節(jié)螺母；4-微動(dòng)手輪；5-螺桿；6-鋼珠china_54@磁致伸縮式：該機(jī)構(gòu)是利用某些材料在磁場作用下具有改變尺寸的磁致伸縮效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)微量位移。線圈的通電電流變化→磁場強(qiáng)度變化→棒1伸縮變形→運(yùn)動(dòng)件發(fā)生位移。

△L=±λL

λ：磁致伸縮系數(shù)；λ>0表示沿著磁化方向上的尺寸伸長，稱為正磁致伸縮，例如鐵；反之稱為負(fù)磁致伸縮，例如鎳。china_54@

特點(diǎn)：重復(fù)精度高，無間隙，剛度好，轉(zhuǎn)動(dòng)損量小，工作穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但提供的位移量小，適用于精確位移調(diào)整、切削刀具的磨損補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償及自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1-磁致伸縮棒；2-運(yùn)動(dòng)件china_54@2.4.2定位機(jī)構(gòu)

定位機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中一種確保移動(dòng)件占據(jù)準(zhǔn)確位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常采用分度機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)組合的形式來實(shí)現(xiàn)精確定位的要求。分度工作臺(tái)作用：完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，在加工中實(shí)現(xiàn)工件一次安裝完成幾個(gè)面的加工。但不能實(shí)現(xiàn)0--360范圍內(nèi)的任意角度的分度。只能完成分度運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給。定位組件常用的定位方式：插銷定位、反靠定位、齒盤定位、鋼球定位。china_54@特點(diǎn)：插銷定位分度工作臺(tái)的定位元件由定位銷和定位套孔組成，定位精度取決