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1、1,第一节 概 述,一、机电一体化对机械系统的基本要求：,1高精度 首要的要求。因为精度直接影响产品的质量。,2快速响应 要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。这样控制系统才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。,3良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能受外界环境的影响很小或不受影响，要求系统抗干扰能力很强。,具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。,2,二、机械系统的组成,机电一体化机械系统一般由如下三大部分组成：,1传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分，它要根据伺
2、服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。 要求：除传动精度的要求外，还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。,2导向机构 支承和导向的作用，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。,3,3执行机构 用于完成操作任务。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。 要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。,由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大地简化了传动和执行机构。,4,第二节 传动机构设计,机电一体化机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠，这
3、不仅仅是机械传动和结构所能解决的问题，而是要通过控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，所以在设计过程中要综合考虑传动机构与控制装置、伺服电动机的相互影响。,一、传动机构性能要求,机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能(即精度高、快速响应性和稳定性好)，从而要求传动机构满足以下几个方面：,5,1转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。 (1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；(2)系统响应速度降低，灵敏度下降； (3)系统固有频率减小，容易产生谐振。,2刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。 保持刚度足够大，其原因为：
4、 伺服系统动力损失随之减小。 机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。 增加闭环伺服系统的稳定性。,6,3阻尼合适 机械系统产生振动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大、精度降低。所以设计时，传动机构的阻尼要选择适当。,除以上3点外，还要求摩擦小(提高机构的灵敏度)、抗振性好(提高机构的稳定性)、间隙小(保证机构的传动精度)，特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。,7,几种常用的传动机构及其设计计算方法：,一、无侧隙齿轮传动机构,由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结
5、构紧凑，摩擦力小和效率高等原因，齿轮传动副成为在机电一体化机械系统中目前使用最多的传动机构。,机电一体化产品往往要求传动机构具有自动变向功能，这就要求齿轮传动机构必须采取措施消除齿侧间隙，以保证机构的双向传动精度。,8,无侧隙啮合：,侧隙：一对齿轮传动时，一个齿轮节圆上的齿槽宽与另一个齿轮节圆上的齿槽厚之差称为齿间侧隙，简称侧隙。齿轮啮合传动时，为了在啮合齿廓之间形成润滑油膜，避免因轮齿摩檫发热膨胀而卡死，齿廓之间必须留有间隙。但是，齿侧间隙的存在会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性。因此，这个间隙只能很小，通常由齿轮公差来保证。对于齿轮运动设计仍按无齿侧间隙（侧隙为零）进行设计。,9,无侧隙
6、啮合,无侧隙啮合时，齿轮油起不到充分的保护、润滑、降温作用，很容易造成研死。除非齿轮加工精度极高，安装精度极高的情况下能正常使用。,10,(一)直齿圆柱齿轮传动机构,1偏心轴套调整法 转动偏心轴套1可以调整两啮合齿轮的中心距，从而消除直齿圆柱齿轮传动的齿侧间隙及其造成的换向死区。 这种方法结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿。,11,2双片薄齿轮错齿调整法,通过两薄片齿轮的错齿，消除齿侧间隙，反向时不会出现死区，可以自动补偿，但是结构复杂,12,(二) 斜齿轮传动机构,1垫片调整法 采用两薄片齿轮与宽齿轮啮合，只是两薄片与斜齿轮之间的错位由两者之间的轴向距离获得。调2的厚度，使3和4在轴向分开一
7、段距离，螺旋线错开，消除齿间侧隙。垫片的厚度H与齿侧间隙的关系为：,13,该方法结构简单，但在使用时往往需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度才能达到要求，而且齿侧间隙不能自动补偿。,14,2轴向压簧调整法 方法是用弹簧3的轴向力来获得薄片斜齿轮1、2之间的错位，使其齿侧面分别紧贴宽齿轮7的齿槽的两侧面。特点：是齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,15,(三) 锥齿轮传动机构,1轴向压簧调整法,方法：在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其余啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。,16,2周向弹簧调整法,方法：
8、大小片锥齿轮1、2在弹簧力的作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。,17,(四)齿轮齿条传动机构 -用于大行程传动机构,当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽两相应侧面，以消除齿侧间隙。,当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。,18,双齿轮调整；,小齿轮1、6分别与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反的方向转动，同时带动小齿轮1、6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右两侧，消除了齿侧间隙。,19,三、滚珠丝杠副传动机构,(一)工作原理及结构,20,(一)滚珠丝杠副
9、的特点,1传动效率高 效率高达9095，能耗为滑动丝杠的13。,2运动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，逆传动效率几乎与正传动效率相同。,3系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。,4传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。,5使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长，且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠要高56倍。,21,6
10、不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。,7制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。,主要应用：数控机床、精密机械、各种省力机械设备及各种机电一体化产品中。,22,(三)滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法,滚珠丝杠副的轴向间隙：承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。 通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。,消除轴向间隙时注意事项：,1)预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动，过大将使驱动力矩增大，
11、效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的13。,2) 特别要减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。原因：这些间隙无法用预紧的方法消除，而它对传动精度有直接影响。,23,24,常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：,(1)垫片调隙式,特点：,结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不很准确，当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈。故适用于一般精度的传动机构。,25,(2)螺纹调隙式,键：防止两螺母相对转动。,特点：结构紧凑、工作可靠、调整方便，缺点不是很精确,26,(3)齿差调隙式,两螺母中的滚珠分别紧贴在螺旋滚道的两个相反的侧面上，达到消除间隙，产生预紧力的目的。,27,当两个螺母按同
12、方向转过一个齿时，所产生的相对轴向位移为s：,式中，p为导程。若z199，z2100，p6mm，则S0.6m。,结构特点：调整精度很高，工作可靠。但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。,28,(四)滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法,1主要尺寸,29,2精度等级 标准规定分为六个等级：C、D、E、F、G、H。,30,31,3标注方法 滚珠丝杠副的标注采用汉语拼音字母、数字及汉字,FFZD40 5-3-D3/1400 x900,32,浙 江 穗 特 机 械 有 限 公 司,33,(五)滚珠丝杠副的安装,1支承方式的选择为保证传动的刚度和精度，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支
13、承座有足够的刚度。,34,按限制丝杠轴的轴向窜动情况：,35,(1)一端固定、一端自由(FO),36,两轴承采用背靠背组配方式，可增大轴承间的有效支点距离，可承受双向的轴向载荷和径向载荷，并有较大的承受倾斜力矩的能力。,37,(2)一端固定、一端游动(FS),38,(3)两端固定(FF) 为减少丝杠因自重的下垂和补偿热膨胀，应进行预拉伸。调节轴承的间隙，并根据预计温升产生的热膨胀量对丝杠进行预拉伸。只要实际温升不超过预计的温升，这种支承方式就不会产生轴向间隙。,39,2制动装置 由于滚动丝杠副的传动效率高，又无自锁能力，需安装制动装置以满足其传动要求，特别是当其处于垂直传动时。,40,3润滑和
14、密封,(1)润滑 润滑剂可提高耐磨性和传动效率。 润滑剂分为润滑油、润滑脂两大类。 1.润滑油为一般机油或90180号透平油或140号主轴油，可通过螺母上的油孔将其注入螺纹滚道； 2.润滑脂可采用锂基油脂，它加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。,透平就是汽轮发动机，透平油就是汽轮发动机用的一种机油，适合高速机械润滑使用。,41,(2)密封 对于螺母，应在其两端进行密封，密封防护材料必须具有防腐蚀和耐油性能。,42,(六)滚珠丝杠副的设计计算,已知条件：1.工作载荷F(N)或平均工作载荷Fm(N)，2.使用寿命Lh (h)，3.丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)L(m)，4.丝杠的转速n(平均转
15、速nm或最大转速nmax)(rmin)，5.滚道硬度HRC（洛氏硬度）和运转情况。,43,设计步骤及方法：1)计算载荷Fc(N)的计算,KF为载荷系数；KH为硬度系数；KA为精度系数；Fm(N)为平均工作载荷。,44,4)验算传动效率、刚度及工作平稳性是否满足要求（表2.1），如不能，则应另选其它规格并重新验算。,对于低速(n10rmin)传动，只按额定静载荷计算,2)额定动载荷计算值Ca (N)的计算,3)根据Ca值选择额定动载荷Ca= Ca，并列出主要的参数。,45,例21 试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm3800N，丝杠工作长度l1.2m，平均转速nm100r
16、min，最大转速nmax10000rmin，使用寿命上Lh15000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，传动精度要求0.03mm。,解：1)求计算载荷Fc(N),46,47,2)计算额定动载荷计算值Ca,3)根据Ca的值选择滚珠丝杠副， 保证Ca= Ca，查表29,FCl50063，Ca21379NFCl50082.5，Ca22556N选用FCl50063 由表29得丝杠副数据：公称直径 D050mm 导程 p6mm 螺旋角 211 滚珠直径 d03.969mm,48,49,滚道半径 R0.52d02.064mm 偏心距 e0.07(Rd0 /2)5.610-2mm 丝杠
17、内径 d1D02e2R45.76mm,(4)稳定性验算,1) 一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S,E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E206GPa；l为丝杠工作长度(m) ；为长度系数。,丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)按下式计算：,50,2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此还需验算丝杠不会发生共振的最高转速临界转速ncr，要求丝杠的最大转速nmax ncr,51,3) 滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要D0n 7104mmrmin。,(5)刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同
18、作用下引起每个导程的变形量L0(m)为：,A为丝杠截面积；Jc为丝杠的极惯性矩；G为丝杠的切变模量，对钢G83.3GPa；T(Nm)为转矩。,为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；Fm为平均工作负载,52,本题取摩擦系数为tan0.0025，则得840。,53,按最不利的情况取(其中FFm),通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即,(6)效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为,要求在9095之间，所以该丝杠副合格。,54,四、锥环无键联轴器,(一)工作原理及特点,利用锥环对之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联接传递转矩，且可任意调节两联接件之间的角度位置。传递转矩的大小可以通过锥环的对数来实
19、现。,55,优点：定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。,(二)设计计算,1一对锥环的传递转矩Tt的计算，锥环与联接套筒接触面的正压力FN(N)为：,式中，FA为轴向力(N)；F0为使锥环与轴以及轮毂内壁接触时所加的预压紧力(N)；为锥面半角(。)；为摩擦系数。,56,57,锥环传递的转矩为Tt(Nm)：,式中，d为轴直径(m)。,2选择锥环对数,若用n对锥环，则各接触面正压力FN将依次等比递减，n对锥环能传递的转矩Ttn(Nm)为：,式中，n为锥环对数；为接触面正压
20、 力递减的公比,58,称为n对锥环转矩增加系数。,F /A=FA-F0为锥环工作时所受的轴向负载。,注：取1640,59,例22 如图222所示为采用锥环无键联接的纵向进给系统。直流伺服电动机1经锥环2无键联接精密十字滑块联轴器3，驱动滚珠丝杠4实现进给。已知伺服电动机额定转矩Ttn1.3Nm，输出轴直径d为20mm，锥环工作时所受的轴向负载FA380N，试问该锥环无键联接机构应采用几对锥环?,60,解：设0.15,因而确定锥环对数n2。,查表得,61,五、其它传动机构,(一)软轴传动机构,软轴又称钢丝软轴，是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的，相邻钢丝层的缠绕方向相反，工作时，相邻两层钢丝
21、中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。,62,用途与优点：主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的传动。1.可以弯曲地绕过各种障碍件，远距离传递回转运动。 2.适合于受连续冲击的场合，也适用于高速、小转矩的场合，其转速可达20000rmin，传递功率不超过5.5kW。 3.不适于低速大转矩的传动，因为这将使从动轴的转速不均匀，扭转刚度无法保证。,63,(二)同步齿形带传动机构,优点：有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，用于低速及高速传动；齿形带无需特别张紧，作用在轴和轴承等处的载荷小，传动效率高。,用途：在数控机床、工业机器人等伺服传动系统中应用广 泛。,64,(三)谐波齿轮减速器,波发生器凸轮2(H)，在高速轴1的带动下，经柔性轴承3使柔轮5的齿在产生弹性变形同时，与刚轮4的齿相互作用，完成减速功能。,65,传动的侧隙小，空程小，传动精度高，体积小，噪声低。 广泛用于各种机电一体化产品中，例如机器人、机床、仪器仪表、雷达、通讯设备等。,用途与优点：,
