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1、第一节 机械系统部件的设计要求,第一章,机械系统设计,第二节 机械传动部件的选择与设计,第三节 导向支承部件的选择与设计,第一节 概述,数控机床：,第一章 机械系统设计,机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。,机械设计技术,机械传动装置设计,机械结构设计,滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器,导轨设计支承装置主轴组件设计,1 概述,一、传动装置功能及性能要求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）,增速或减速；变速；改变运动规律或形
2、式,动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）,机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性好。,性能要求满足以下几个方面： 1、转动惯量（ J ）小 转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降，但是 J 小不应影响机械系统的刚度。,2、刚度（ K ）大 刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。 大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的稳定性。3、阻尼（B ）合适 系统产生振动时，B 越大，振
3、幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。 阻尼比为：,过阻尼系统,临界阻尼系统,欠阻尼系统,一般取,二、传动装置的类型按工作原理分为：,啮合传动(齿轮传动、齿形带传动),摩擦传动(带传动、钢丝绳传动),推动传动(凸轮连杆机构),机械传动,液压传动,气压传动,液力传动,流体传动,交流电力传动,直流电力传动,交、直流电力传动,电力传动,磁力传动,按输出速度情况分为：,转速恒定传动,转速可调传动,2 滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动,一、工作原理与结构形式 丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。 在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与
4、螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。,二、滚珠丝杠副传动部件,1、滚珠丝杠副的组成及特点 （1）组成,滚珠丝杠螺母副的组成：,带螺纹槽的丝杠 带螺纹槽的螺母 滚珠 反向器,滚珠丝杠的特点1、传动效率高,3、传动精度高 精度,其中： 中径处的螺旋升角 当量摩擦角 （ ）一般而言，摩擦系数较小因此，效率很高，可达90%-95%。2、运动具有可逆性 回转运动变直线运动 正传动 直线运动变回转运动 逆传动,轴向定位精度,进给精度,误差：,4、磨损小，使用寿命长 滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化处理HRC58-65。5、不能自锁 垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制
5、动装置，如图示。,2、滚珠丝杠副的典型结构类型,（1）螺纹滚道型面的形状及主要尺寸,主要尺寸：,理想接触角 =450R=1.04rbe=sin(R-rb),单圆弧型,特点：接触角随轴向载荷的变化而变化,双圆弧型,特点：角基本保持不变，加工成本高,（2）滚珠的循环方式,内循环外循环,1）内循环,滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。,浮动式反向器的循环,特点：,滚珠循环回路短，流畅性好，效率高；,螺母的径向尺寸小， 加工困难，装配调整不易；适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统。,2）外循环,滚珠在循环过程中脱离过丝杠,特点：,滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；,工艺简单，螺母的径向尺寸大，易
6、于制造；挡珠器刚性差，易磨损。, 螺旋槽式, 插管式, 端盖式,特点： 应用较少，常以单螺母形式用作升降传动机构。,3、滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径,丝杠大径,丝杠小径,滚珠直径,螺母小径,螺母大径,（1）公称直径do,指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。,（2）基本导程Ph,丝杠相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移;,导程小精度高承载能力小,（3）行程,丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。,（4）滚珠直径 db,滚珠直径大，则承载能力也大。应根据轴承厂提供的尺寸选用,（5）滚珠个数N,N过多，流通不畅，易产生阻塞；
7、 N过少，承载能力小，滚珠自载加距磨损和变形,一般取：N150,（6）滚珠的工作圈（或列）数 j,由于第一、第二、第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50%、30%、15%左右，因此工作圈（或列）数一般取:,j=2.53.5,4、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,（1）精度等级 根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准：将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级,1、2、3、4、5、7、10，1级为最高,按实际使用要求，在每一精度等级内指定了导程精度的验收检验项目，未指定的检验项目其导程误差不得低于下一级精度的规定值。,（2）标注方法,（3）尺寸系列,公称直径系列（mm）
8、 6、8、10、12、16、20、25、32、40公称导程系列（mm） 1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12.,注意： 尽可能优先选用公称导程为4、5、6、8系列的滚珠丝杠螺母副,（4）推荐采用的精度等级,数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级；一般传动可选用4、5级；全闭环系统可选用2、3、4级。,5、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧,采用方法：,（1）双螺母螺纹预紧调整法,特点： 结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量调整,（2）双螺母齿差预紧调整法,特点：,可实现定量调整，使用中调整方便；,两
9、边齿轮同向旋转一个齿时，螺母的轴向位移量为：,（3）双螺母垫片预紧调整法,结构简单，刚性高，预紧可靠，但使用中调整不方便,1-垫片； 2-螺母,（4）弹簧式自动调整预紧式,能消除在使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙，但结构复杂，轴向刚度低 ；适用于轻载场合。,（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难,6、滚珠丝杠副支承方式的选择,采用推力轴承为主的轴承组合来提高轴向刚度。,1）双推-自由式,特点： 轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装时，必须采用制动装置。,（1）支承方式,2）双推-简支式,特点：
10、预紧力小，轴承寿命较高， 适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统,3）单推-单推式,特点： 轴向刚度较高，预紧力大，寿命低,4）双推-双推式,特点： 适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠传动系统。,轴承的组合安装支承示例简易单推-单推式支承,双推-简支支承方式,双推-自由式支承,四种支承方式的比较：,（2）制动装置,因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。,超越离合器 1-外圈 ； 2-星轮 ； 3-滚柱：4-活销 ； 5-弹簧,（2）制动装置,7、滚珠丝杠副的密封
11、与润滑,（1）密封 1）丝杠的密封,伸缩套筒,（2）润滑,一般采用脂润滑或滴油润滑，丝杠高速运转时采用喷雾润滑。,8、滚珠丝杠副的选择方法,（1）滚珠丝杠副结构的选择,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构型式。,（2）滚珠丝杠副结构尺寸的选择,1）公称直径d0,公称直径应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择；,公称直径的大小与承载能力有关，一般推荐,2）基本导程Ph,Ph应按承载能力及传动精度、传动速度选取；,要求传动速度快时，可选用较大导程的滚珠丝杠副。,Ph大，承载能力大Ph小，传动精度高,基本导程的选择原则：,在满足数控机床加工精度的条件下，导程应尽可能取大些.,（
12、3）滚珠丝杠副的选择步骤,已知条件：最大工作载荷F（N）或平均工作载荷Fm；使用寿命T；丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L（m）；丝杠的转速n（平均转速nm或最大转速nmax）（r/min）；滚道硬度HRC和运转情况。,1）承载能力选择,计算作用于丝杠轴向最大动载荷Q，然后根据Q值选择丝杠副的型号。,式中： L-滚珠丝杠寿命系数,T-使用寿命时间（h）普通机械为500010000，数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000航空机械为1000,fw-运转系数 fH-硬度系数 Pmax-最大工作载荷,从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动载荷Qa的滚珠丝杠螺母副的尺寸
13、规格和结构类型，选用时应使QaQ,注意：,当丝杠转速n10r/min时，以最大静载荷Q0为设计依据。,2）传动效率的验算,3）刚度验算,刚度的验算主要是确定丝杠的变形量,丝杠的变形量包括：, 丝杠的拉伸或压缩变形量1 滚珠与螺纹滚道间接触变形2 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3 滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量4 螺母座及轴承支座的变形5,因此:,滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算1 、2 、3之和不应大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。,在实际设计中，由于预紧的作用，可将原机床的刚度提高4倍。因此只要,1 +2 +3=机床精度要求,即可认为该丝杠刚度合格。,4）稳定性验算,对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。,产生失稳的临界负载PK可用下式计算：,式中：,丝杠的支承方式,临界负载PK与最大工作负载Pm之比称为稳定性安全系数nk。,nK-许用稳定性安全系数 一般取：nk=2.54,已知一数控机床上丝杠螺母副上的最大工作载荷为2670N，丝杠的转速为1500rpm,丝杠硬度HRC=60，传动系统的定位精度为0.015mm。试确定适合该机床的滚珠丝杠螺母副型号。,作用于丝杠上的最大动载荷为：,假设：各型号的滚珠丝杆副的公称直径相同,
