機(jī)電一體化設(shè)計(jì)

第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)概述第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

第三節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的基本要求機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的定位精度外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，也就是說(shuō)響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。

高精度：精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

快速響應(yīng)：即要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔要短。

良好的穩(wěn)定性：即要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)。為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中，常提出無(wú)間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率，適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫?，為達(dá)到上述要求，主要從以下幾方面采取措施:采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向部件?？s短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度。選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)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(dòng)慣量，盡可能提高加速能力?？s小反向死區(qū)誤差。改進(jìn)支承及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性、減少振動(dòng)、降低噪聲二、機(jī)械系統(tǒng)的組成機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)包括以下三大部分機(jī)構(gòu)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：不僅變換轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，已成為伺服系統(tǒng)的一部分。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：支承和導(dǎo)向。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用以完成操作任務(wù)。2.1傳動(dòng)概述

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(xiàn)性傳動(dòng)部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器。其目的是使執(zhí)行元件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是其傳動(dòng)類(lèi)型、傳動(dòng)方式、傳動(dòng)剛性以及傳動(dòng)的可靠性對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有很大影響。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動(dòng)部件。一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能要求

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能，從而要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面：

1.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：在不影響機(jī)械系統(tǒng)剛度的前提下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡量減小。否則，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響：機(jī)械負(fù)載增大；系統(tǒng)響應(yīng)速度降低；靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。<將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的折算方法>：1）圓柱體：J＝(m—質(zhì)量d—直徑)2）直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體：3）齒輪齒條：

2.剛度大：剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。大剛度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)而言使有利的：伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失隨之減小；機(jī)構(gòu)固有頻率高，不易產(chǎn)生共振；增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.阻尼合適：機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰減也越快，但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大、精度降低。

4.摩擦?。?）系統(tǒng)誤差2）爬行（低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的一種現(xiàn)象，內(nèi)因是摩擦的非線(xiàn)性）

<克服爬行的措施>：材料上考慮（材質(zhì)、加工方法的影響）；結(jié)構(gòu)上考慮；慣量上考慮；縮短傳動(dòng)鏈5.間隙小

二、影響傳動(dòng)性能的因素（機(jī)械參數(shù)的影響）伺服系統(tǒng)要求具有良好的響應(yīng)特性和其他動(dòng)力學(xué)性能，影響機(jī)械傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)性能的主要因素有：

1.負(fù)載的變化：負(fù)載包括工作負(fù)載慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載等，如果負(fù)載通過(guò)傳動(dòng)鏈折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化過(guò)大，二者就不能匹配。

2.慣性的大?。簜鲃?dòng)鏈的慣性主要影響伺服系統(tǒng)的啟停特性，也影響運(yùn)動(dòng)的快速性及其位移和速度的偏差，在轉(zhuǎn)矩一定的條件下，盡量減小傳動(dòng)鏈的慣性。

3.固有頻率的高低：影響系統(tǒng)諧振和傳動(dòng)精度。

4.摩擦、間隙、溫升、潤(rùn)滑等因素這些因素往往是非線(xiàn)性的，嚴(yán)重影響傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。三、無(wú)側(cè)隙齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)，傳動(dòng)精確度高，可做到零側(cè)隙無(wú)回差，強(qiáng)度大能承受重載，結(jié)構(gòu)緊湊，摩擦力小和效率高等原因，齒輪傳動(dòng)副成為在機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中目前使用最多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)電一體化產(chǎn)品往往要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)變向功能，這就要求齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須采取措施消除齒側(cè)間隙，以保證機(jī)構(gòu)的雙向傳動(dòng)精度。（一）直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（二）斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（三）錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（四）齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四、齒輪傳動(dòng)比分配總傳動(dòng)比確定后，根據(jù)對(duì)傳動(dòng)鏈的技術(shù)要求，選擇技術(shù)方案，使驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速合理匹配。若總傳動(dòng)比較大，又不準(zhǔn)備采用諧波、少齒差等同軸傳動(dòng)方式而采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)，需要確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比，分配原則如下：

1.最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則（前小后大）

2.重量最輕原則（前大后?。?/p>

3.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則（前小后大）確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)和分配傳動(dòng)比時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)的工作條件和功能要求，在考慮上述三個(gè)原則的同時(shí)，考慮其可行性和經(jīng)濟(jì)性，合理分配傳動(dòng)比。

2.2滾珠絲杠傳動(dòng)一.滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn)二.滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類(lèi)型

四.滾珠絲杠副的精度等級(jí)及標(biāo)注方法五.軸向間隙調(diào)整與預(yù)緊

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY七.滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算三.滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)

六.滾珠絲杠副支承方式的選擇

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY、滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn)

1、組成：滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)元件——滾珠。從圖可以看出，它由絲杠、螺母、滾珠和反向器等四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通路。

2、特點(diǎn)：

1）傳動(dòng)效率高——效率高達(dá)90%~95%，耗費(fèi)的能量?jī)H為滑動(dòng)絲杠的1/3。

2）運(yùn)動(dòng)具有可逆性

3）系統(tǒng)剛度好

4）傳動(dòng)精度高

5）使用壽命長(zhǎng)

6）不能自鎖（特別是垂直安裝的絲杠）

7）制造工藝復(fù)雜二、滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類(lèi)型滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以從螺紋滾道的截面形狀、滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙的調(diào)整方法進(jìn)行區(qū)別。1、螺紋滾道型面（法向）的形狀及主要尺寸，我國(guó)生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型。

2、滾珠的循環(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)二種。內(nèi)循環(huán)：內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終與絲杠表面保持接觸。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難、裝配調(diào)整不方便。外循環(huán)：外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)返回時(shí)，離開(kāi)絲杠螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上看，外循環(huán)有以下三種形式：a）螺旋槽式b)插管式c)端蓋式優(yōu)先選用2.5，5，10，20及40長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY五、軸向間隙調(diào)整與預(yù)緊

滾珠絲杠副在負(fù)載時(shí)，其滾珠與滾道面接觸點(diǎn)處將產(chǎn)生彈性變形。換向時(shí)，其軸向間隙會(huì)引起空回，這種空會(huì)是非連續(xù)的，既影響傳動(dòng)精度，又影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動(dòng)精度。常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式有三種：

墊片調(diào)隙式螺紋調(diào)隙式齒差調(diào)隙式長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY六.滾珠絲杠副支承方式的選擇

支承方式：滾珠絲杠副的支承，主要是約束絲杠的軸向竄動(dòng)，其次才是徑向約束。

單端支承形式和兩端支承形式。兩端支承形式有：一端固定、一端自由（F-O）；一端固定、一端游動(dòng)（F-S）；兩端固定（F-F）

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一.同步帶二.諧波齒輪傳動(dòng)

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY——其他典型傳動(dòng)

一.同步帶

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGYtext5text61.2.3.同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)和分類(lèi)同步帶的結(jié)構(gòu)

同步帶傳動(dòng)的失效形式

4.同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及計(jì)算長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)和分類(lèi)

同步帶傳動(dòng)如圖2-24所示，封閉環(huán)形帶的工作面有等間距的齒形，與外界有相應(yīng)齒形的帶輪作嚙合傳動(dòng)，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。它兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。<與其他傳動(dòng)相比，同步帶有下列特點(diǎn)>：

1）傳動(dòng)比準(zhǔn)確，同步帶是嚙合傳動(dòng)，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)。

2）傳動(dòng)效率高，可達(dá)98%，與V帶相比，可節(jié)能10%以上。

3）傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)，噪聲小。

4）使用范圍廣，傳動(dòng)比可達(dá)10，且?guī)л喼睆奖萔帶小得多，也不需要大的張緊力，結(jié)構(gòu)緊湊。高速達(dá)50m/s，傳遞功率達(dá)300kW。

5）維護(hù)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(rùn)滑。

6）安裝要求高。要求兩帶輪軸線(xiàn)平行。

7）帶與帶輪的制造工藝較復(fù)雜，成本受批量影響大。<分類(lèi)>：

1）按用途分：一般工業(yè)用、高轉(zhuǎn)矩、特種規(guī)格和特殊用途等

2）按齒形分：有梯形齒、圓弧齒

3）按規(guī)格制分：模數(shù)制、節(jié)距制和DIN米制節(jié)距制等

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2.同步帶的結(jié)構(gòu)：同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背和包布層組成。承載繩：用于傳遞動(dòng)力和保持節(jié)距不變。采用抗拉強(qiáng)度較高、伸長(zhǎng)率較小的材料制造。帶齒和帶背：帶齒直接與帶輪嚙合，要求剪切強(qiáng)度和耐磨性高，耐熱性和耐油性好。帶背用于連接和包復(fù)承載繩，要求柔韌性和抗彎強(qiáng)度高，與承載繩的粘結(jié)性好。包布層：一般用尼龍或錦綸絲織成。要求包布的抗拉強(qiáng)度和耐磨性好。3.同步帶傳動(dòng)的失效形式

1）承載繩斷裂

2）爬齒和跳齒

3）帶齒的磨損

4）其他的失效形式4.同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及計(jì)算

二、諧波齒輪傳動(dòng)

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGYtext4text5text61.2.3.工作原理傳動(dòng)特點(diǎn)

傳動(dòng)比計(jì)算

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY傳動(dòng)特點(diǎn)1）傳動(dòng)比大：?jiǎn)渭?jí)為50——500，多級(jí)和復(fù)式傳動(dòng)可達(dá)30000以上2）承載能力大3）傳動(dòng)精度高：比一般齒輪至少高一級(jí)，齒側(cè)間隙小4）傳動(dòng)平穩(wěn)，基本上無(wú)沖擊振動(dòng)5）傳動(dòng)效率高；單級(jí)傳動(dòng)的效率為65%——90%6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，重量輕：比一般齒輪體積和重量減輕1/2——1/37）成本高：柔輪材料性能要求高，制造較困難，精度高

第三節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一.導(dǎo)軌的功用

三.導(dǎo)軌的基本要求

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY二.導(dǎo)軌的分類(lèi)及特點(diǎn)

五.滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的類(lèi)型與選擇

四.導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)內(nèi)容長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、導(dǎo)軌的功用：

支承和導(dǎo)向（支承和限制運(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)）二、導(dǎo)軌的分類(lèi)和特點(diǎn)

導(dǎo)軌主要由承導(dǎo)件（靜導(dǎo)軌）和運(yùn)動(dòng)件（動(dòng)導(dǎo)軌）兩大部分組成。按運(yùn)動(dòng)方向分為：直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副。按其接觸面的摩擦性質(zhì)可分為：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和液體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：開(kāi)式（借助重力或彈簧彈力保證動(dòng)、靜導(dǎo)軌之間的接觸）和閉式（只靠導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)形狀保證動(dòng)、靜導(dǎo)軌之間的接觸）長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY三、導(dǎo)軌的基本要求1.導(dǎo)向精度：包括垂直、水平平面內(nèi)的直線(xiàn)