機(jī)電一體化中機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計課件

第2章機(jī)電一體化中機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計

2.1概述

2.2傳動機(jī)構(gòu)

2.3導(dǎo)向及支撐結(jié)構(gòu)

2.4機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

與一般機(jī)械系統(tǒng)比較，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的要求：①定位精度要高②響應(yīng)速度要快③穩(wěn)定性高

常常提出：無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜?/p>

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的三大結(jié)構(gòu)①傳動機(jī)構(gòu)：考慮與伺服系統(tǒng)相關(guān)的精度、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)等伺服特性②導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：考慮低速爬行現(xiàn)象③執(zhí)行機(jī)構(gòu)：考慮靈敏度、精確度、重復(fù)性、可靠性

2.2傳動機(jī)構(gòu)1、傳動機(jī)構(gòu)的種類：齒輪傳動機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠副、滑動絲杠副、同步帶傳動副、間歇機(jī)構(gòu)、繞性傳動機(jī)構(gòu)2、傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：傳動精度要高、響應(yīng)速度要快、穩(wěn)定性高

3、傳動機(jī)構(gòu)的基本要求：①在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量要?。晦D(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成機(jī)械負(fù)載增大（T電=T負(fù)+Jε）；系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產(chǎn)生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低P20。②剛度越大，伺服系統(tǒng)動力損失越?。粍偠仍酱?，機(jī)器的固有頻率越高，不易振動()；剛度越大，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。③機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但阻尼大會使系統(tǒng)損失動量，增大穩(wěn)態(tài)誤差，降低精度，故應(yīng)選合適阻尼。④靜摩擦力要小，動摩擦力要小的正斜率；或者會出現(xiàn)爬行。

4、摩擦摩擦力可分為三種：靜摩擦力、庫侖摩擦力和粘性摩擦力（動摩擦力=庫侖摩擦力+粘性摩擦力）。

負(fù)載處于靜止?fàn)顟B(tài)時，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的增加而增加，最大值發(fā)生在運(yùn)動前的瞬間。運(yùn)動一開始，靜摩擦力消失，靜摩擦力立即下降為庫侖摩擦力，大小為一常數(shù)F=μmg，隨著運(yùn)動速度的增加，摩擦力成線性的增加，此時的摩擦力為粘性摩擦力（與速度成正比的阻尼稱為粘性阻尼）。

摩擦對機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的主要影響是：降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度；引起系統(tǒng)的動態(tài)滯后和產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；在接近非線性區(qū)，即低速時產(chǎn)生爬行。根據(jù)經(jīng)驗，克服摩擦力所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tf與電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TK的關(guān)系為0.2TK＜Tf＜0.3TK

爬行就產(chǎn)生在這非線形區(qū)。在使用中應(yīng)盡可能減小靜摩擦力與動摩擦力的差值；并使動摩擦力盡可能小且為正斜率較小的變化。

5、爬行當(dāng)絲杠1作極低的勻速運(yùn)動時，工作臺2可能會出現(xiàn)—快一慢或跳躍式的運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為爬行。

1）產(chǎn)生爬行的原因和過程

勻速運(yùn)動的主動件1，通過壓縮彈簧推動靜止的運(yùn)動件3，當(dāng)運(yùn)動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動。直到彈簧力剛剛大于F時，3才開始運(yùn)動，動摩擦力隨著動摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應(yīng)增大，同時彈簧相應(yīng)伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負(fù)加速度，速度降低，動摩擦力相應(yīng)增大，速度逐漸下降，直到3停止運(yùn)動，主動件1這時再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進(jìn)入下一個周期。

由上述分析可知，低速進(jìn)給爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于下列因素：

①靜摩擦力與動摩擦力之差，這個差值越大，越容易產(chǎn)生爬行。②進(jìn)給傳動系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產(chǎn)生爬行。③運(yùn)動速度太低。

2）不發(fā)生爬行的臨界速度

臨界速度可按下式進(jìn)行估算

（m/s）式中ΔF-----靜、動摩擦力之差（N）；K------傳動系統(tǒng)的剛度（N／m）；ξ------阻尼比；m------從動件的質(zhì)量（kg）。

以下兩種觀點(diǎn)有利于降低臨界速度：適當(dāng)?shù)脑黾酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f，有利于改善低速爬行現(xiàn)象，但慣性增加會引起伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能降低；增加粘性摩擦系數(shù)也會增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)化處理。

3）消除爬行現(xiàn)象的途徑（實際做法）①提高傳動系統(tǒng)的剛度a．在條件允許的情況下，適當(dāng)提高各傳動件或組件的剛度，減小各傳動軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當(dāng)?shù)募哟謧鲃咏z杠的直徑，縮短傳動絲杠的長度，減少和消除各傳動副之間的間隙。b．盡量縮短傳動鏈，減小傳動件數(shù)和彈性變形量。c．合理分配傳動比，使多數(shù)傳動件受力較小，變形也小。d．對于絲杠螺母機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用整體螺母結(jié)構(gòu)，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動剛度。②減少摩擦力的變化a．用滾動摩擦、流體摩擦代替滑動摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質(zhì)，基本上可以消除爬行。b．選擇適當(dāng)?shù)哪Σ粮辈牧?，降低摩擦系?shù)。c．降低作用在導(dǎo)軌面的正壓力，如減輕運(yùn)動部件的重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力。d．提高導(dǎo)軌的制造與裝配質(zhì)量，采用導(dǎo)軌油等都可以減少摩擦力的變化。

6、阻尼在系統(tǒng)設(shè)計時，考慮綜合性能指標(biāo)，一般取ξ＝0.5~0.8之間。7．剛度采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對齒輪、絲杠、軸承施加預(yù)緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。對于伺服機(jī)械傳動系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動剛度有以下好處：（1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動量），有利于提高傳動精度；（2）可以提高系統(tǒng)的固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性；（3）可以增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8．諧振頻率

對于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機(jī)械傳動系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅(qū)動部件的固有頻率。

對于機(jī)械傳動系統(tǒng)，它的固有頻率取決于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的剛度及慣量，因此在機(jī)械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)盡量降低慣量，提高剛度，達(dá)到提高傳動系統(tǒng)固有頻率的目的。

一般要求機(jī)械傳動系統(tǒng)最低固有頻率WOI≥300rad／s，其他機(jī)械系統(tǒng)WOI≥600rad／s。

9．間隙

對于系統(tǒng)閉環(huán)以外的間隙，對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響到伺服精度。

對于系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的間隙，在控制系統(tǒng)有效控制范圍內(nèi)對系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性影響較小，但反饋通道上的間隙要比前向通道上的間隙對系統(tǒng)影響較大。

轉(zhuǎn)動慣量的計算：（單位：kg·m2）

(1)圓柱體轉(zhuǎn)動慣量

(2)直線移動工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量

(3)齒輪齒條傳動時工作臺折算到小齒輪軸上的轉(zhuǎn)動慣量

(4)工作臺折算到鋼帶傳動驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)動慣量

(5)相鄰兩軸，后軸向前軸轉(zhuǎn)動慣量的折算

例1：絲杠傳動時，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量

例2：求系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量

例題2-2

2.2.4齒輪傳動副

齒輪總傳動比的設(shè)計原則:

工作時折算到電動機(jī)軸上的峰值轉(zhuǎn)矩最??；等效均方根力矩最?。浑姍C(jī)驅(qū)動負(fù)載加速度最大三種方法計算。

重點(diǎn)介紹負(fù)載加速度最大原則:

結(jié)論:

上式表明：齒輪系傳動比的最佳值就是，JL換算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量正好等于電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，此時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載，一半用于加速電動機(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。總傳動比分配

(1)最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則

(2)重量最輕原則

(3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則一、最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則

①小功率傳動

以兩級齒輪傳動系統(tǒng)為例。假設(shè)傳動效率為100％；各主動小齒輪轉(zhuǎn)動慣量相同為J1；軸與軸承的轉(zhuǎn)動慣量不計；各齒輪均為同寬度b同材料的實心圓柱體。

結(jié)論：對于n級齒輪系分析可得：

各級轉(zhuǎn)動比的分配按“前小后大”次序

傳動級數(shù)n確定：

②大功率傳動

確定n

第一級傳動比確定

各級傳動比的確定

二、重量最輕原則

①小功率傳動

各主動小齒輪轉(zhuǎn)動慣量相同為J1；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。

結(jié)論：對于n級傳動

i1＝i2＝i3＝…in＝i1/n

②大功率傳動

設(shè)

設(shè)b1＝b2

，b3＝b4

結(jié)論：

對于三級齒輪傳動

查表求法：

各級傳動比是逐漸遞減的

即滿足”前大后小”原則.

三、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

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ф1~ф8，該傳動鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)角誤差ф為：

各級傳動比滿足”前小后大”原則.三種原則的選擇：

對齒輪傳動裝置的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)具體的工作條件綜合考慮。

1.傳動精度要求較高時采用輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計；

2.對于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、頻繁啟動和動態(tài)性能好的傳動裝置，常用最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計；

3.對于有質(zhì)量要求的其它傳動裝置用重量最輕原則。

齒輪傳動間隙的調(diào)整

1．直齒圓柱齒輪傳動副

（1）偏心套調(diào)整法

（2）錐度齒輪調(diào)整法

（3）雙片齒輪錯齒調(diào)整法

2．斜齒圓柱齒輪傳動副

（1）軸向墊片調(diào)整法

（2）軸向壓簧調(diào)整法

3．齒輪齒條傳動

滾珠螺旋傳動

滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的滑動摩擦阻力，傳動效率低，磨損快、精度不高，使用壽命短，已不能適應(yīng)機(jī)電一體化設(shè)備在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滾珠螺旋傳動則是為了適應(yīng)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的要求而發(fā)展起來的一種新型傳動機(jī)構(gòu)。

滾珠絲杠副的特點(diǎn):

(1)傳動效率高、摩擦損失小，傳動效率很高，可達(dá)0.92~0.96（滑動絲杠為0.2~0.4）

(2)傳動的可逆性、不可自鎖性

(3)傳動精度高

(4)磨損小、使用壽命長

螺紋滾道截面的形狀、滾珠循環(huán)的方式、軸向間隙的調(diào)整及施加預(yù)緊力的方法三個方面介紹：

1．滾珠絲杠螺母副螺紋滾道的截面形狀

2．滾珠循環(huán)的方式

（1）內(nèi)循環(huán)

（2）外循環(huán)

3．滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整與預(yù)緊

（1）雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式

（2）雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式

（3）雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式

（4）彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式

（5）單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式

滾珠絲杠副支承方式的選擇

滾珠絲杠副的選擇

1．滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式。例如：

當(dāng)允許有間隙存在時(如垂直運(yùn)動)可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；

當(dāng)必須有預(yù)緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；

當(dāng)具備良好的防塵條件，且只需在裝配時調(diào)整間隙及預(yù)緊力時，可采用結(jié)構(gòu)簡單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。2．滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)

公稱直徑d0、基本導(dǎo)程L0（或螺距t）、行程L；

此外還有絲桿螺紋大徑d、絲桿螺紋小徑d1、滾珠直徑db、螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、絲桿螺紋全長LS等。

3．滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸的選擇

公稱直徑d0應(yīng)根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選樣；螺紋長度LS在允許的情況下要盡量短，一般取LS／d0小于30為宜；基本導(dǎo)程L0

（或螺距t）的大小應(yīng)根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的承載能力、傳動精度要求確定。L0大承載能力也大，L0小傳動精度較高。要求傳動速度快時，可選用大導(dǎo)程滾珠絲扛副。

滾珠的工作圈（或列）數(shù)和工作滾珠的數(shù)量N由試驗可知：第一、第二和第三圈（或列）分別承受軸向載荷的50％、30％和20％左右。因此，工作圈（或列）數(shù)一般取2.5—3.5。滾珠總數(shù)N一般不超過150個。4．滾珠絲杠副的精度等級

JB3162.2—91（ISO3408—3：1992）《滾珠絲杠副的驗收技術(shù)條件》，將滾珠絲杠副的精度分為7個精度等級，即1，2，3，4，5，7，10級。1級精度最高，依次遞減。標(biāo)準(zhǔn)中對各級精度的滾珠絲杠副的行程偏差有多個項目的規(guī)定。

5．滾珠絲杠副的選擇步驟

（1）承載能力選擇

（2）壓桿穩(wěn)定性核算

（3）剛度的驗算

同步齒形帶傳動

同步齒形帶，是一種新型的帶傳動。

（一）同步齒形帶的特點(diǎn)：

1、傳動過程中無相對滑動，因而可以保持恒定的傳動比，傳動精度較高。

2、同步帶傳動工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，無噪音，有良好的減振性能，無需潤滑。

3、同步帶無需特別緊張，故作用在軸和軸承上的載荷較小，傳動效率較高。

4、同步帶傳動的缺點(diǎn)是制造工藝較復(fù)雜，傳遞功率較小，壽命較低。（二）同步齒形帶的結(jié)構(gòu)

根據(jù)齒形的不同，同步齒形帶可以分成兩種。一種是梯形齒同步帶，另一種是圓弧齒同步帶。

1、梯形齒應(yīng)力集中在齒根部位，與帶輪是圓弧形接觸，當(dāng)小帶輪直徑較小時，將使梯形齒同步帶的齒形變形，影響與帶輪齒的嚙合，易產(chǎn)生噪聲和振動，這對于速度較高的主傳動來說是很不利的。因此，梯形齒同步帶在數(shù)控機(jī)床特別是加工中心的主傳動中很少使用，一般僅在轉(zhuǎn)速不高的運(yùn)動傳動或小功率傳動的動力傳動中使用。

2、圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步帶的缺點(diǎn)，均化了應(yīng)力，改善了嚙合。因此，在加工中心上，無論是主傳動還是伺服進(jìn)給傳動，當(dāng)需要用帶傳動時，總是優(yōu)先考慮采用圓弧齒同步齒形帶。

齒形帶的結(jié)構(gòu)

1-帶背，2-強(qiáng)力層，3-包布層，4-帶齒。

包布層材料（3）：尼龍布

帶齒材料（4）：氯丁橡膠為基體

強(qiáng)力層材料（2）：鋼絲，玻璃纖維，芳香族聚酰胺纖維（芳綸）

對齒形帶的要求：

1、有高的抗剪強(qiáng)度和耐磨性；

2、有高的耐油性和耐熱性；

3、背帶有良好的韌性和耐彎曲疲勞能力；（三）主要參數(shù)與規(guī)格

1、節(jié)線長：強(qiáng)力層中心線；

2、節(jié)距t：相鄰兩齒在節(jié)線上的距離；

3、模數(shù)m：是節(jié)距t與π之比，即m=t/π；

4、規(guī)格：單面齒、雙面齒（DI型、DII型）；

（四）同步帶標(biāo)記

例：800DIH300

800：長度代號，節(jié)線長度查表2032mm;

DI:雙面齒的對稱齒形；

H：查表2-8,型號,節(jié)距12.7mm;

300:寬度代號,查表,帶寬76.2mm.

(五)同步帶輪

1、帶輪的結(jié)構(gòu)材料

一般：鑄鐵或鋼；高速、小功率：塑料或輕合金。

2、帶輪的標(biāo)記

例：30L075

30：齒數(shù)

L：型號，節(jié)距9.525mm

075:輪寬代號,帶寬19.05mm諧波齒輪減速器

1、基本組成

柔輪、剛輪、波形發(fā)生器

2、特點(diǎn)

（1）傳動比大；

（2）承載能力強(qiáng)；

（3）傳動精度高；

（4）齒輪測隙??；

（5）傳動平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)簡單

3、諧波齒輪傳動比的計算

設(shè)波形發(fā)生器相當(dāng)于形星輪系的轉(zhuǎn)臂H，柔輪相當(dāng)于行星輪r，剛輪相當(dāng)于中心輪g，則

滾珠花鍵

1、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。7月-237月-23Tuesday,July18,20232、成功源于不懈的努力，人生最大的敵人是自己怯懦。09:24:5109:24:5109:247/18/20239:24:51AM3、每天只看目標(biāo)，別老想障礙。7月-2309:24:5109:24Jul-2318-Jul-234、寧愿辛苦一陣子，不要辛苦一輩子。09:24:5109:24:5109:24Tuesday,July18,20235、積極向上的心態(tài)，是成功者的最基本要素。7月-237月-2309:24:5109:24:51July18,20236、生活總會給你另一個機(jī)會，這個機(jī)會叫明天。18七月20239:24:51上午09:24:517月-237、人生就像騎單車，想保持平衡就得往前走。七月239:24上午7月-2309:24July18,20238、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2023/7/189:24:5109:24:5118July20239、我們必須在失敗中尋找勝利，在絕望中尋求希望。9:24:51上午9:24上午09:24:517月-2310、一個人的夢想也許不值錢，但一個人的努力很值錢。7/18/20239:24:51A