第三章機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計技術(shù)

1、第三章第三章機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計技術(shù)機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計技術(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)計要遵循機(jī)電結(jié)合、機(jī)電互補(bǔ)的原則，滿足高精度、快速響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求。具體包括兩大部分的內(nèi)容：一是機(jī)械傳動裝置的設(shè)計，一是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。機(jī)械設(shè)計技術(shù)機(jī)械傳動裝置設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計滾珠絲杠傳動無側(cè)隙齒輪傳動諧波齒輪傳動同步齒形帶傳動膜片彈性聯(lián)軸器 導(dǎo)軌設(shè)計支承裝置主軸組件設(shè)計3.1 3.1 機(jī)械傳動裝置概述機(jī)械傳動裝置概述一、傳動裝置功能及性能要求一、傳動裝置功能及性能要求功能功能：傳遞運(yùn)動（速度、位移）和動力（力、力矩）增速或減速；變速；改變運(yùn)動規(guī)律或形式動力機(jī)的動力傳遞給執(zhí)行機(jī)的驅(qū)動力(力矩） 機(jī)電一體化系統(tǒng)的

2、傳動裝置是伺服系統(tǒng)的一部分，通過控制裝置，使機(jī)械傳動部分與伺服電動機(jī)的動態(tài)特性相匹配，并且滿足傳動精度、定位精度高，響應(yīng)速度快，速度的穩(wěn)定性好。 性能要求滿足以下幾個方面性能要求滿足以下幾個方面： 1 1、轉(zhuǎn)動慣量（、轉(zhuǎn)動慣量（ J J ）小小 轉(zhuǎn)動慣量大對系統(tǒng)造成不良影響，使機(jī)械負(fù)載變大，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降，但是 J 小不應(yīng)影響機(jī)械系統(tǒng)的剛度。2 2、剛度（、剛度（ K K ）大大 剛度是指彈性體抵抗變形的能力，或產(chǎn)生單位彈性變形量所需要的作用力。 大的剛度對機(jī)械系統(tǒng)是有利的，可增大機(jī)構(gòu)固有頻率，不易產(chǎn)生共振，增加伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3 3、阻尼（、阻尼（B B ）合適合適 系統(tǒng)產(chǎn)生

3、振動時，B 越大，振幅越小，衰減越快，但穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。 阻尼比為：mKmKB2111過阻尼系統(tǒng)臨界阻尼系統(tǒng)欠阻尼系統(tǒng)一般取8 . 04 . 0二、傳動裝置的類型二、傳動裝置的類型按工作原理分為按工作原理分為：嚙合傳動(齒輪傳動、齒形帶傳動)摩擦傳動(帶傳動、鋼絲繩傳動)推動傳動(凸輪連桿機(jī)構(gòu))機(jī)械傳動 液壓傳動氣壓傳動液力傳動流體傳動 交流電力傳動直流電力傳動交、直流電力傳動電力傳動 磁力傳動 按輸出速度情況分為按輸出速度情況分為： 轉(zhuǎn)速恒定傳動轉(zhuǎn)速可調(diào)傳動3.2 3.2 滾珠絲杠（或滾動螺旋）傳動滾珠絲杠（或滾動螺旋）傳動一、工作原理與結(jié)構(gòu)形式一、工作原理與結(jié)構(gòu)形式 絲杠和螺母的螺

4、紋滾道間置滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠沿螺紋滾道滾動，使絲杠和螺母作相對運(yùn)動時為滾動摩擦。 在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。結(jié)構(gòu)形式（按滾珠的循環(huán)方式不同）：內(nèi)循環(huán)類型外循環(huán)類型 外循環(huán)：多圈一個循環(huán)，在循環(huán)過程中一部分滾珠與絲杠脫離接觸內(nèi)循環(huán)：一圈一個循環(huán)，在循環(huán)過程中滾珠與絲杠始終不脫離接觸二、滾珠絲杠的特點(diǎn)二、滾珠絲杠的特點(diǎn)1、傳動效率高、傳動效率高3、傳動精度高、傳動精度高 精度精度)(tgtg其中： 中徑處的螺旋升角 當(dāng)量摩擦角 （ ）一般而言，摩擦系數(shù)較小因此，效率很高，可達(dá)90%-95%。2、運(yùn)動具有可逆性、運(yùn)動具有可逆性 回

5、轉(zhuǎn)運(yùn)動變直線運(yùn)動 正傳動 直線運(yùn)動變回轉(zhuǎn)運(yùn)動 逆?zhèn)鲃?2180035. 00025. 0tg軸向定位精度軸向定位精度進(jìn)給精度進(jìn)給精度mmm 300/4誤差：誤差：4 4、磨損小，使用壽命長、磨損小，使用壽命長 滾珠、滾道、絲杠、螺母都經(jīng)過淬火、硬化淬火、硬化處理HRC58-65。5 5、不能自鎖不能自鎖 垂直安裝時，當(dāng)運(yùn)動停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設(shè)置制動裝置，如圖示。6 6、制造工藝復(fù)雜，成本高、制造工藝復(fù)雜，成本高 三、軸向間隙的調(diào)整三、軸向間隙的調(diào)整 軸向間隙包括兩部分 滾珠與螺母原有的間隙承載時滾珠與滾道彈性變形引起的間隙 當(dāng)絲杠改變轉(zhuǎn)動方向時，間隙會使運(yùn)動產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)

6、構(gòu)的傳動精度。 通常采用雙螺母預(yù)緊的方法消除間隙，提高剛度。 三種結(jié)構(gòu)形式：三種結(jié)構(gòu)形式：v 墊片調(diào)隙式v 螺紋調(diào)隙式v 齒差調(diào)隙式v 變位螺距調(diào)隙式1 1、墊片調(diào)隙式 調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，該形式結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，應(yīng)用廣，但僅適用于一般精度機(jī)構(gòu)。2、螺紋調(diào)隙式 通過圓螺母調(diào)整，消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，再用鎖緊螺母鎖緊，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。3、齒差調(diào)隙式 兩螺母的凸緣上制有圓柱外齒，齒數(shù)Z 1、Z 2 且Z 2 -Z 1=1，分別與內(nèi)齒輪嚙合，調(diào)整時先取下內(nèi)齒輪，使兩螺母產(chǎn)生相對位移（即在同方向轉(zhuǎn)過一個齒或幾個齒，根據(jù)間隙大小），然后將內(nèi)齒輪復(fù)位固定，達(dá)到消除間隙的目的。產(chǎn)生的軸向

7、位移（即間隙）為：npZZ)11(21其中：n為螺母同方向轉(zhuǎn)過的齒數(shù)p為絲杠的導(dǎo)程例：若Z1=99，Z2=100，n=1, p=6mm 則=0.6m 該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性差，但是調(diào)整的精度高，工作可靠。4、變位螺距調(diào)隙式（不常用）四、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級和標(biāo)注方法四、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級和標(biāo)注方法1、主要尺寸、主要尺寸公稱直徑（滾珠中心圓直徑） D0（mm）導(dǎo)程(或螺距) p（mm）螺旋升角 （）滾珠直徑 d0(mm)螺紋滾道半徑 R (mm)此外還有：絲杠外徑、絲杠內(nèi)徑、螺母外徑、螺母內(nèi)徑等。2、精度等級、精度等級 根據(jù)JB316.2-91滾珠絲杠副精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為5

8、個等級：1、2、3、4、5級（有的參考書稱7個等級，另外有7、10級），1級最高，5級最低。v 一般動力傳動選4、5級v 數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械或儀器選1、2、3級3、標(biāo)注方法、標(biāo)注方法滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度的標(biāo)注方法如圖所示：螺紋旋向，右旋不標(biāo)檢查項目編號精度等級滾珠總?cè)?shù)基本導(dǎo)程公稱直徑預(yù)緊方式循環(huán)方式外形結(jié)構(gòu)特征例：例：1 1、FC1B-606-5-E2 左 (漢江機(jī)床廠) 2、FFZD405-3-D3/1400900 （南京工藝裝備廠）四、支承方式的選擇和設(shè)計計算四、支承方式的選擇和設(shè)計計算1、支承方式的選擇、支承方式的選擇 為保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用

9、軸承組合，一般常用推力軸承和向心球軸承。 四種典型的支承方式：四種典型的支承方式： 固定可以用深溝球軸承和雙向推力軸承組合或用圓錐滾子軸承兩端都裝止推軸承，承受軸向載荷兩端都裝止推軸承和向心球軸軸承，承受軸向、徑向載荷固定端裝深溝球軸承和雙向推力軸承，承受徑向、軸向載荷，簡支端用深溝球軸承徑向約束2、設(shè)計計算、設(shè)計計算 已知條件是：工作載荷或平均工作載荷（F或Fm）; 絲杠副的使用壽命L； 絲杠的工作長度（或螺母的有效長度）l; 絲杠的轉(zhuǎn)速n; 滾道硬度HRC及運(yùn)轉(zhuǎn)情況。 設(shè)計步驟：1、求出計算載荷Fc Fc=K Fm K為工況系數(shù) 2、根據(jù)壽命計算出額定動載荷31067. 14hnLcaFC

10、其中：61060nLLh小時aC3、查滾珠絲杠副系列中的額定動載荷 ，使 ，初選幾個規(guī)格（或型號），列出其主要參數(shù)4、驗算傳動效率、剛度、穩(wěn)定性等aCaaCC3、滾珠絲杠副傳動剛度的計算滾珠絲杠副傳動剛度的計算 傳動剛度由三部分組成：傳動剛度由三部分組成：v 滾珠絲杠的拉壓剛度 KCv 滾珠絲杠與螺母接觸剛度 KNv 滾珠絲杠軸承與軸承座的支承剛度 KB （1）拉壓剛度 KCa、一端固定，一端自由一端固定，一端自由根據(jù)材料力學(xué)知識nLEdlEdKc442121其中： 為行程比； d1為絲杠螺紋底徑；E為彈性模量 MPaLln Ll LEdKc421minb、兩端固定、兩端固定MLl5101 .

11、 2剛度最低點(diǎn)在：)1 (14)11(42121nnLEdlLlEdKcMLl2Ll LEdKc421min剛度最低點(diǎn)在： （2）接觸剛度KN 根據(jù)經(jīng)驗公式： 32025 .2159FddiKbN32027 .2667FddiKbN)11. 1(brR)04. 1(brR其中：i 為滾珠螺母的有效工作圈數(shù) F為軸向載荷 R為滾道半徑 rb 、db 為滾珠半徑、直徑 （指軸向）（3）支承剛度 包括三部分內(nèi)容軸承軸向剛度KB軸承支座剛度KBR螺母支座剛度KNR這三部分剛度，一般難以精確計算，根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。4、滾珠絲杠副傳動的力學(xué)模型滾珠絲杠副傳動的力學(xué)模型傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡化成如下圖所示的彈

12、簧質(zhì)量系統(tǒng)傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示圖示 絲杠副傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型絲杠副傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動系統(tǒng)的傳動剛度為：傳動系統(tǒng)的傳動剛度為：NRNCBRBKKKKKK1111211minmin3.2 3.2 （無側(cè)隙）齒輪傳動（無側(cè)隙）齒輪傳動一、齒輪傳動的特點(diǎn)一、齒輪傳動的特點(diǎn) 作用：作用：用來傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1、瞬時傳動比恒定，傳動精確度高； 2、強(qiáng)度大能承受重載，結(jié)構(gòu)較緊湊； 3、滿足主軸進(jìn)給速度要求，增大主軸轉(zhuǎn)矩。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1、齒側(cè)間隙對傳動精度影響； 2、齒輪的磨損引起反轉(zhuǎn)誤差的逐漸擴(kuò)大。二、齒輪傳動的類型

13、二、齒輪傳動的類型1、直齒圓柱齒輪傳動a 偏心軸套調(diào)整法偏心軸套調(diào)整法1221ZZnni中心距ab 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法（1）可調(diào)拉簧式：）可調(diào)拉簧式：2、斜齒輪傳動a 墊片調(diào)整法墊片調(diào)整法 （2）周向彈簧式：）周向彈簧式：b 軸向（壓簧）調(diào)整法軸向（壓簧）調(diào)整法 3、齒輪齒條傳動存在齒側(cè)間隙，應(yīng)加以消除，常用的方法：a、雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 用于傳動較小負(fù)載b、雙齒輪調(diào)整法 用于傳動較大負(fù)載，如右圖所示三、齒輪傳動傳動鏈的級數(shù)和級比的選擇三、齒輪傳動傳動鏈的級數(shù)和級比的選擇 總原則：盡量采用較大傳動比的單級傳動多級傳動時，遵循如下的原則：1、最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則、最小等效

14、轉(zhuǎn)動慣量原則 傳動比 i 的分配先小后大，級數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動慣量越小，但級數(shù)太多時，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動慣量降低不明顯。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 傳動比i 的分配先小后大，并且提高末一級齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、重量最輕原則小功率傳動時， i 的分配各級相等；大功率傳動時， i 的分配先大后小。對數(shù)減少傳動精度提高3.3 3.3 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動一、諧波齒輪傳動原理 利用行星輪系傳動原理，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動，迫使柔性齒輪產(chǎn)生可控制的變形波（近似諧波），并和剛輪作用引起齒間相對位移，傳遞運(yùn)動和動力。 由三個基本構(gòu)件組成：波發(fā)生器、柔輪、剛輪，其實質(zhì)是一

15、種新型減速器。二、諧波齒輪傳動特點(diǎn)1、傳動比大：1.0021.02 或50500；2、承載能力高；3、傳動平穩(wěn)，精度高；4、體積小，噪聲低 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)波發(fā)生器是行星輪系的轉(zhuǎn)臂剛輪是中心輪柔輪是行星輪1、柔輪周期性變形，易疲勞破壞；2、轉(zhuǎn)動慣量和啟動力矩大，不適宜于小功率傳動；3、不能用于傳動比較小場合（i 小于35）；4、散熱差 缺點(diǎn)缺點(diǎn)三、諧波齒輪型號四、應(yīng)用 廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如機(jī)器人、機(jī)器儀表、雷達(dá)中用作運(yùn)動傳遞；在冶金、化工、起重運(yùn)輸設(shè)備中傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩。 有標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)格可供選擇3.5 3.5 同步齒形帶傳動同步齒形帶傳動一、同步齒形帶傳動的特點(diǎn) 綜合了帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動

16、特點(diǎn)的一種新型傳動，如下圖示。二、同步齒形帶的結(jié)構(gòu)、主要參 數(shù)和尺寸規(guī)格1、結(jié)構(gòu)和材料1、傳動比比準(zhǔn)確，傳動效率高；2、工作平穩(wěn)，能吸收振動；3、傳動比范圍大；4、中心距嚴(yán)格，成本高；5、不需潤滑，耐油、耐高溫，維護(hù)方便。 與一般帶傳動相比的特點(diǎn)：同步帶由強(qiáng)力層和組成。帶的抗拉元件，保證工作時節(jié)距不變傳遞帶輪間的動力粘結(jié)強(qiáng)力層基體材料：鋼絲、玻璃纖維、芳綸 聚氨脂橡膠、氯丁橡膠2、主要參數(shù)和規(guī)格主要參數(shù)是帶齒的:相鄰兩個齒中心間沿節(jié)線節(jié)線距離，t=m節(jié)線節(jié)線( (LpLp) )：強(qiáng)力層的中心線。節(jié)線長度為齒形帶的公稱長度。 按GB11616-89規(guī)定，同步帶有單面齒（僅一面有齒）和雙面齒（兩面

17、都有齒）兩種形式，根據(jù)節(jié)距不同分為七種規(guī)格：型號MXLXXLXLLHXHXXH節(jié)距（mm）2.0323.1755.089.52512.722.22531.753、同步帶的標(biāo)記帶的標(biāo)記包括長度代號、型號、寬度代號等。例： 420 L 050寬度代號（帶寬12.7mm）型號（節(jié)距9.525mm）節(jié)線長度代號（節(jié)線長度1066.8mm）三、同步帶輪1、帶輪的結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)如右圖示材料：鑄鐵或鋼（一般情況）塑料或鋁合金（高速小功率）2、帶輪的參數(shù)及尺寸規(guī)格（1）齒形3、帶輪的標(biāo)記帶輪的標(biāo)記由帶輪齒數(shù)、帶的型號、輪寬代號表示。例： 30 L 075輪寬（19.05mm）帶型號（節(jié)距9.525mm）帶輪齒

18、數(shù)（30個）與梯形齒同步帶匹配，齒形有直線形和漸開線形兩種。（2）齒數(shù)齒數(shù)少則結(jié)構(gòu)緊湊，但齒數(shù)太少易產(chǎn)生彎曲和疲勞破壞，按國標(biāo)GB11361-89規(guī)定，小帶輪應(yīng)有許用最小齒數(shù)（參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）。四、同步帶傳動的設(shè)計計算1、設(shè)計準(zhǔn)則 根據(jù)齒形帶的強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行，限制齒形帶單位寬度的拉力，防止強(qiáng)力層的疲勞破壞、斷裂以及節(jié)距改變而爬齒等。根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則計算齒形帶寬度的公式為：)1000cPPvjNb 其中：Nj為齒形帶傳遞的計算功率（kW） P為齒形帶單位寬度的許用應(yīng)力（N/mm） Pc為齒形帶單位寬度的離心應(yīng)力（N/mm）： v為帶速（m/s） q為單位長度、單位寬度的帶重（N/m.mm） g為重力加速度（m/s2）21qvgPc2、已知條件