第四章 機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

1、第四章第四章 機(jī)械一體化系統(tǒng)中的機(jī)械一體化系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容：4.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配4.3 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇與設(shè)計(jì)4.4 支承部件的選擇與設(shè)計(jì)4.5 軸系部件的選擇與設(shè)計(jì)4.6 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)座或機(jī)架4.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述一、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械部分的特點(diǎn)一、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械部分的特點(diǎn)一般的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)較高的定位精度響應(yīng)快、穩(wěn)定性好較高的定位精度良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性4.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述二、機(jī)械部分設(shè)計(jì)要求二、機(jī)械部分設(shè)計(jì)要求（1）高精度（2）高剛度（3）低摩擦（7）良

2、好的穩(wěn)定性（4）短傳動(dòng)鏈（5）最佳傳動(dòng)比（6）反向死區(qū)誤差小4.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述機(jī)械部分設(shè)計(jì)概述三、機(jī)械部分的組成三、機(jī)械部分的組成（1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力滿足要求：滿足要求：小型、高速、低噪聲、高可靠性小型、高速、低噪聲、高可靠性4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配 精度分配精度分配精度設(shè)計(jì)精度設(shè)計(jì) 誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配一、產(chǎn)品精度分配依據(jù)和步驟一、產(chǎn)品精度分配依據(jù)和步驟1、 精度分配依據(jù)（1）使用性能要求和有關(guān)精度標(biāo)準(zhǔn)（2）工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖及有關(guān)零部

3、件圖（3）技術(shù)水平，使用的環(huán)境條件（4）經(jīng)濟(jì)性要求（5）公差技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配一、產(chǎn)品精度分配依據(jù)和步驟一、產(chǎn)品精度分配依據(jù)和步驟2、 精度分配步驟（1）明確總精度指標(biāo)（2）理論誤差和方案誤差（3）原理誤差（4）總精度計(jì)算；確定誤差補(bǔ)償方法（5）編寫技術(shù)設(shè)計(jì)說明書 4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配二、誤差分配方法二、誤差分配方法產(chǎn)品總誤差s= 總系統(tǒng)誤差e+總隨機(jī)誤差 4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配二、誤差分配方法二、誤差分配方法1. 總系統(tǒng)誤差如果系統(tǒng)僅是某個(gè)變量的函數(shù)，可

4、用產(chǎn)品的如果系統(tǒng)僅是某個(gè)變量的函數(shù)，可用產(chǎn)品的誤差方程表示。誤差方程表示?？傁到y(tǒng)誤差總系統(tǒng)誤差1/3產(chǎn)品容許的總誤差產(chǎn)品容許的總誤差4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配二、誤差分配方法二、誤差分配方法2. 隨機(jī)誤差一般按均方根法。一般按均方根法。（1）等作用分配原則）等作用分配原則mni（2）不等作用分配原則）不等作用分配原則nm12aiiPi4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配二、誤差分配方法二、誤差分配方法3. 公差調(diào)整（1）經(jīng)濟(jì)公差極限）經(jīng)濟(jì)公差極限（2）生產(chǎn)公差極限）生產(chǎn)公差極限（3）技術(shù)公差極限）技術(shù)公差極限當(dāng)系統(tǒng)誤差的公差等級(jí)

5、比隨機(jī)誤差的高，補(bǔ)償環(huán)節(jié)當(dāng)系統(tǒng)誤差的公差等級(jí)比隨機(jī)誤差的高，補(bǔ)償環(huán)節(jié)少而經(jīng)濟(jì)效果顯著時(shí)，即認(rèn)為是合格的。少而經(jīng)濟(jì)效果顯著時(shí)，即認(rèn)為是合格的。4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配二、誤差分配方法二、誤差分配方法4. 誤差補(bǔ)償 工藝補(bǔ)償方法誤差補(bǔ)償 設(shè)計(jì)補(bǔ)償方法 誤差值補(bǔ)償 誤差傳遞系統(tǒng)補(bǔ)償綜合補(bǔ)償分級(jí)補(bǔ)償連續(xù)補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)償4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析1. 加工前的誤差源2. 機(jī)床本身的誤差3. 運(yùn)行時(shí)的誤差4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配三、數(shù)

6、控機(jī)床的誤差源和精度分析三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析1. 加工前的誤差源（1）編程誤差（2）機(jī)床調(diào)整誤差（3）自動(dòng)換刀誤差圓整誤差、近似計(jì)算誤差和過去值誤差構(gòu)成在數(shù)控機(jī)床調(diào)“零點(diǎn)”及“機(jī)外”調(diào)刀時(shí)產(chǎn)生的。換刀原理、換刀裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及它們的制造、裝配質(zhì)量4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析2. 機(jī)床本身的誤差（1）機(jī)床幾何形狀誤差（幾何精度）（2）彈性變形引起的誤差綜合反映該機(jī)床關(guān)鍵機(jī)械零部件和組裝后的幾何形狀誤差。剛度不足造成的誤差。例如，立式加工中心有下列幾何精度指標(biāo)例如，立式加工中心有下列幾何精度指

7、標(biāo) l工作臺(tái)面的平面度l各坐標(biāo)方向移動(dòng)的相互垂直度lX坐標(biāo)方向移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)面的平行度lY坐標(biāo)方面移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)面的平行度lX坐標(biāo)方面移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)面T形槽側(cè)面的平行度l主軸的軸向竄動(dòng)l主軸孔的徑向跳動(dòng)l主軸箱沿Z坐標(biāo)方面移動(dòng)時(shí)，主軸軸心線的平行度l主軸回轉(zhuǎn)軸心線對(duì)工作臺(tái)面的垂直度l主軸箱在Z坐標(biāo)方面移動(dòng)的直線度 對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)大部件對(duì)執(zhí)行切削運(yùn)動(dòng)主要部件主軸的工作臺(tái)面平面度與T形槽側(cè)面的平行度4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析三、數(shù)控機(jī)床的誤差源和精度分析3. 運(yùn)行時(shí)的誤差 定位誤差運(yùn)行誤差 運(yùn)行速度下誤差 快速運(yùn)行過程中速運(yùn)行過程緩

8、慢速度運(yùn)動(dòng)過程4.2 精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)精密機(jī)械的精度設(shè)計(jì)和誤差分配和誤差分配應(yīng)該掌握的內(nèi)容：1. 精度設(shè)計(jì)中的主要原理與原則2. 精度設(shè)計(jì)中的基本概念3. 隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差4. 誤差的綜合和分配5. 數(shù)控機(jī)床的精度分析和精度指標(biāo)4.3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容：1. 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)2. 滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)3. 諧波齒輪傳動(dòng)4. 同步帶傳動(dòng)5. 間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求精密化；高速化；小型、輕量化；1. 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)特點(diǎn)傳遞功率范圍大；傳動(dòng)效率高；傳動(dòng)比準(zhǔn)確；使用壽命長；工作安全可靠等。1. 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)一、常用齒輪傳動(dòng)方式（1）平面齒輪機(jī)構(gòu)u直齒圓柱齒輪傳動(dòng)122112iz

9、znnu斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)u人字齒輪傳動(dòng)u圓弧齒輪傳動(dòng)1. 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)一、常用齒輪傳動(dòng)方式（2）空間齒輪機(jī)構(gòu)u直齒圓錐齒輪傳動(dòng)u交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)u蝸輪蝸桿傳動(dòng)u斜齒圓錐齒輪傳動(dòng)1. 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)一、常用齒輪傳動(dòng)方式（3）輪系傳動(dòng)u定軸輪系傳動(dòng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中每個(gè)齒輪的幾何軸線均固定不變的輪系，又稱普通輪系（3）輪系傳動(dòng)u周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中至少有一個(gè)齒輪幾何軸線的位置不固定， 而是繞其它齒輪軸線回轉(zhuǎn)的輪系。（3）輪系傳動(dòng)u行星輪系傳動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的自由度為1的周轉(zhuǎn)輪系。（3）輪系傳動(dòng)u差動(dòng)輪系傳動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的自由度為2的周轉(zhuǎn)輪系。（3）輪系傳動(dòng)u復(fù)合輪系傳動(dòng)（A）（3）輪系傳動(dòng)u復(fù)合輪系傳動(dòng)（B）在

10、主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速不變的條件下，從動(dòng)軸可以得到若干種不同的轉(zhuǎn)速，這種傳動(dòng)成為變速傳動(dòng)。（3）輪系傳動(dòng)u擺線針輪傳動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)兩平行軸之間運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的傳遞。（3）輪系傳動(dòng)u諧波齒輪傳動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)兩平行軸之間運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的傳遞。二、齒輪傳動(dòng)比的最佳匹配選擇二、齒輪傳動(dòng)比的最佳匹配選擇41244113iJJiJJ，厚度相同，則：設(shè)各齒輪的材料相同，三、各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則1. 重量最輕原則2. 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則3. 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則niiii321各級(jí)傳動(dòng)比一般應(yīng)以“先小后大”的原則)(nmax/kniki在設(shè)計(jì)中，最末兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高最末一級(jí)齒輪副的加工精度。結(jié)論對(duì)于要求體積小，

11、重量輕的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可用重量最輕原則。對(duì)于要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)的減速齒輪系統(tǒng)個(gè)，可按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪聲和振動(dòng)。三、各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則對(duì)于以提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系，可按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則。對(duì)于增速運(yùn)動(dòng)，由于增速時(shí)容易皮歡傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級(jí)就增速，并且要求每級(jí)增速比最好小于1:3，以有利于增加輪系剛度、減小傳動(dòng)誤差。對(duì)按較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系統(tǒng)，往往需要將定軸輪系和行星輪系巧妙結(jié)合為混合輪系。對(duì)于相當(dāng)大的傳動(dòng)比，并且要求傳

12、動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小重量輕時(shí)，可選用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。四、齒輪副間隙的調(diào)整1、剛性調(diào)整法、剛性調(diào)整法調(diào)整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法和斜齒輪法。調(diào)整中心距法結(jié)構(gòu)帶錐度齒輪法結(jié)構(gòu)斜齒輪法結(jié)構(gòu)2、柔性調(diào)整法、柔性調(diào)整法 通過雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪的兩側(cè)，以消除齒輪的間隙。拉簧消除間隙結(jié)構(gòu)碟形彈簧消除間隙結(jié)構(gòu)壓簧消除間隙結(jié)構(gòu)單面接觸消除間隙結(jié)構(gòu)齒輪齒條傳動(dòng)消除間隙原理2. 滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)一、特點(diǎn)一、特點(diǎn)磨損小、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)壽命長、精度高、溫升低等優(yōu)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；傳動(dòng)的距離和速度有限。二、結(jié)構(gòu)類型a)b)滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型a)外

13、循環(huán)插管式b)內(nèi)循環(huán)反向器式端蓋式外循環(huán)三、螺紋滾到型面（法向）的形狀螺紋滾道法向截面形狀四、滾柱絲杠副間隙的消除及預(yù)緊方法雙螺母齒差式預(yù)緊結(jié)構(gòu)雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)1、2螺母 3絲杠 4套筒 5平鍵 6圓螺母a)b)雙螺母墊片式預(yù)緊結(jié)構(gòu)a)壓緊式b)拉緊式單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊結(jié)構(gòu)1螺母 2絲杠 3滾球五、精度等級(jí)精度等級(jí) 滾珠絲杠副的精度根據(jù)JB3162-91,可以分為7個(gè)精度等級(jí)：1、2、3、4、5、7、10，其中1級(jí)最高，依次遞減。精度等級(jí)12345710300mm行程 68121623522102弧度行程45678-不同精度等級(jí)參數(shù)不同精度等級(jí)參數(shù)(m)六、標(biāo)注方法七、滾珠絲杠副的主要結(jié)

14、構(gòu)參數(shù)及計(jì)算主要參數(shù)：公稱直徑、基本導(dǎo)程、小徑、大徑、滾動(dòng)體直徑1、承載能力的計(jì)算承載能力的計(jì)算 3maxQ=H WL f f P 對(duì)于低速運(yùn)轉(zhuǎn)(n10rmin)的滾珠絲杠，無需計(jì)算其最大動(dòng)載荷Q值，而只考慮最大靜負(fù)載是否充分大于最大工作負(fù)載即可。 計(jì)算作用于絲杠軸向最大動(dòng)載荷Q，選擇絲杠的型號(hào)HfWfmaxP式中，L滾珠絲杠壽命系數(shù)載荷系數(shù)硬度系數(shù)最大的工作載荷（或平均工作載荷）2、壓桿穩(wěn)定性核算 22max/()( )kksPfEIKlPN式中，kPkfEIKsl實(shí)際承受載荷的能力壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)鋼的彈性模量絲杠小徑d1的截面慣性矩壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)基本導(dǎo)程3、剛度的驗(yàn)算20 (cm)2P

15、lMlLESIe 在工作負(fù)載P和扭矩M的共同作用下，引起每一導(dǎo)程的變形量為：式中， E鋼的彈性模量為52.1 10S絲杠的最小截面積（cm2）M扭矩（N.cm）I 絲杠的最小直徑d1的截面慣性矩表示“+”受拉伸，“-”受壓縮八、滾珠絲杠副支承方式單推單推式雙推雙推式雙推簡(jiǎn)支式九、滾珠絲杠副的密封防護(hù)套示例3. 諧波齒輪傳動(dòng) 一、特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；傳動(dòng)比范圍大；同時(shí)嚙合的齒數(shù)多、運(yùn)動(dòng)精度高、承載能力大；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低；實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng)；二、工作原理構(gòu)件1剛輪，構(gòu)件2柔輪，3（H）諧波發(fā)生器 諧波齒輪減速器三、諧波齒輪傳動(dòng)速比的計(jì)算諧波齒輪傳動(dòng)速比的計(jì)算21121221ZZiHHHHH21111zzznniHH21222zzznniHH四、諧波齒輪減速器的標(biāo)注方法例如，XBD 100-125-250-表示柔輪小徑為100mm，傳動(dòng)比為125，輸出轉(zhuǎn)矩為250Nm，精度等級(jí)為普通級(jí)，臥式雙軸伸出型諧波減速器。4. 同步帶傳動(dòng) 它是一種在帶的工作面及帶輪的外周上均制有嚙合齒，由帶齒與輪齒的相互嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng) 。 傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高； 工作平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)； 不需要潤滑、耐油水、耐高溫、耐腐蝕，維護(hù)保養(yǎng)方便；中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高； 制造工藝復(fù)雜，成本