机电一体化系统设计机械系统设计上课讲义.ppt

机电一体化系统设计机械机电一体化系统设计机械系统设计系统设计机械系统设计机械系统设计第一节第一节 概概 述述一、机械系统的定义一、机械系统的定义2022/11/193 机械系统设计机械系统设计二、机电一体化对机械系统的基本要求二、机电一体化对机械系统的基本要求二、机电一体化对机械系统的基本要求二、机电一体化对机械系统的基本要求 2.2.2.2.快速响应快速响应快速响应快速响应 ：要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务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。之间的时间间隔短。之间的时间间隔短。之间的时间间隔短。3.3.3.3.良好的稳定性：良好的稳定性：良好的稳定性：良好的稳定性：要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。干扰能力强。干扰能力强。干扰能力强。此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。体积小、寿命长。体积小、寿命长。体积小、寿命长。4 机械系统设计机械系统设计 三、机械系统的组成三、机械系统的组成 2.2.2.2.导向机构导向机构导向机构导向机构 ：作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、作用是支承和导向，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。如，滚动导轨、滑动导轨准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，滚动导轨、滑动导轨准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，滚动导轨、滑动导轨准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，滚动导轨、滑动导轨等。等。等。等。3.3.3.3.执行机构执行机构执行机构执行机构 ：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、或机械手等等。或机械手等等。或机械手等等。或机械手等等。要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。5 机械系统设计机械系统设计 进给系统的机械传动结构进给系统的机械传动结构1 1、进给系统的功用进给系统的功用进给系统的功用进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。2 2、进给系统机械部分的组成进给系统机械部分的组成进给系统机械部分的组成进给系统机械部分的组成传动机构传动机构+运动变换机构运动变换机构+导向机构导向机构+执行件（工作台）执行件（工作台）传动机构传动机构:齿轮传动、同步带传动齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）6 机械系统设计机械系统设计工作台导轨副7 机械系统设计机械系统设计 3、主要要求、主要要求(1)减小摩擦力 采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨.(2)提高传动精度和刚度 消除传动间隙,增加传动系统刚度.(3)减小运动惯量 快速响应.减小运动部件质量.8 机械系统设计机械系统设计第二节第二节 常用传动支承系统设计常用传动支承系统设计 传动机构性能要求传动机构性能要求传动机构性能要求传动机构性能要求 1)1)1)1)具有良好的伺服性能；具有良好的伺服性能；具有良好的伺服性能；具有良好的伺服性能；2)2)2)2)传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。9 机械系统设计机械系统设计对传动机构要求对传动机构要求对传动机构要求对传动机构要求 1.1.1.1.转动惯量小转动惯量小转动惯量小转动惯量小1)1)1)1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；2)2)2)2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；3)3)3)3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。在不影响机械系统刚度在不影响机械系统刚度在不影响机械系统刚度在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的的前提下，传动机构的的前提下，传动机构的的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量质量和转动惯量应尽量质量和转动惯量应尽量质量和转动惯量应尽量减小。减小。减小。减小。10 机械系统设计机械系统设计 2.2.2.2.刚度大刚度大刚度大刚度大 伺服系统动力损失随之减小；伺服系统动力损失随之减小；伺服系统动力损失随之减小；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，使之不机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振；易产生共振；易产生共振；易产生共振；增加增加增加增加闭环闭环闭环闭环伺服系伺服系伺服系伺服系统统统统的的的的稳稳稳稳定性。定性。定性。定性。刚度是使弹性体产生刚度是使弹性体产生刚度是使弹性体产生刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作单位变形量所需的作单位变形量所需的作单位变形量所需的作用力。用力。用力。用力。3.3.3.3.阻尼合适阻尼合适阻尼合适阻尼合适 阻尼越大，其最大振幅阻尼越大，其最大振幅阻尼越大，其最大振幅阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快；就越小且衰减也越快；就越小且衰减也越快；就越小且衰减也越快；阻尼大使系统的稳态误阻尼大使系统的稳态误阻尼大使系统的稳态误阻尼大使系统的稳态误差增大、精度降低。差增大、精度降低。差增大、精度降低。差增大、精度降低。11 机械系统设计机械系统设计一、无侧隙齿轮传动机构一、无侧隙齿轮传动机构功用：功用：功用：功用：转矩匹配；转矩匹配；转矩匹配；转矩匹配；惯量匹配；脉冲当量匹配；降速惯量匹配；脉冲当量匹配；降速惯量匹配；脉冲当量匹配；降速惯量匹配；脉冲当量匹配；降速12 机械系统设计机械系统设计(一一一一)直齿圆柱齿轮传动机构直齿圆柱齿轮传动机构直齿圆柱齿轮传动机构直齿圆柱齿轮传动机构 消除传动间隙消除传动间隙作用：消除反向间隙，提高传动精度作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状实现：偏心轴调整、轴向垫片调整实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）（刚性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法切向）调隙法13 机械系统设计机械系统设计图图图图2.1 2.1 2.1 2.1 偏心轴套式消隙结构偏心轴套式消隙结构偏心轴套式消隙结构偏心轴套式消隙结构 1.1.1.1.电动机电动机电动机电动机 2.2.2.2.偏心轴套偏心轴套偏心轴套偏心轴套 14 机械系统设计机械系统设计以上以上以上以上两种方法的特点两种方法的特点两种方法的特点两种方法的特点是结构简单，能传递较大扭矩，是结构简单，能传递较大扭矩，是结构简单，能传递较大扭矩，是结构简单，能传递较大扭矩，传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法称为刚性调整法称为刚性调整法称为刚性调整法。15 机械系统设计机械系统设计图图图图2.22.22.22.2 锥度齿轮消隙结构锥度齿轮消隙结构锥度齿轮消隙结构锥度齿轮消隙结构 1 1 1 1、2.2.2.2.齿轮齿轮齿轮齿轮 3.3.3.3.垫片垫片垫片垫片 16 机械系统设计机械系统设计 特点：特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。17 机械系统设计机械系统设计图图图图2.3 2.3 2.3 2.3 双圆柱薄片齿轮错齿调整双圆柱薄片齿轮错齿调整双圆柱薄片齿轮错齿调整双圆柱薄片齿轮错齿调整 1 1 1 1、2.2.2.2.薄片齿轮薄片齿轮薄片齿轮薄片齿轮 3 3 3 3、4 4 4 4、9.9.9.9.凸耳凸耳凸耳凸耳 5.5.5.5.螺钉螺钉螺钉螺钉 6 6 6 6、7.7.7.7.螺母螺母螺母螺母 8.8.8.8.弹簧弹簧弹簧弹簧 18 机械系统设计机械系统设计二、滚珠丝杠副传动机构二、滚珠丝杠副传动机构 （一）工作原理、特点及类型（一）工作原理、特点及类型（一）工作原理、特点及类型（一）工作原理、特点及类型 19 机械系统设计机械系统设计图图2.9 滚珠丝杠副的结构原理示意图滚珠丝杠副的结构原理示意图 特点：特点：(1)(1)传动效率高：传动效率高：0.900.90到到0.960.96 ；(2)(2)传动精度高、刚度好：可消除间隙；传动精度高、刚度好：可消除间隙；(3)(3)定位精度和重复定位精度高；定位精度和重复定位精度高；(4)(4)运动平稳；运动平稳；(5)(5)摩擦阻力小摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦阻静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小；力差值小；(6)(6)不能自锁、有可逆性。不能自锁、有可逆性。20 机械系统设计机械系统设计21 机械系统设计机械系统设计22 机械系统设计机械系统设计类型：类型：定位滚珠丝杠副定位滚珠丝杠副定位滚珠丝杠副定位滚珠丝杠副(P(P(P(P类类类类)传动滚珠丝杠副传动滚珠丝杠副传动滚珠丝杠副传动滚珠丝杠副(T(T(T(T类类类类)通过旋转角度和导通过旋转角度和导通过旋转角度和导通过旋转角度和导程来控制轴向位移程来控制轴向位移程来控制轴向位移程来控制轴向位移量的滚珠丝杠副量的滚珠丝杠副量的滚珠丝杠副量的滚珠丝杠副即与旋转角度无关，即与旋转角度无关，即与旋转角度无关，即与旋转角度无关，用于传递动力的滚用于传递动力的滚用于传递动力的滚用于传递动力的滚珠丝杠副珠丝杠副珠丝杠副珠丝杠副外循环式外循环式外循环式外循环式 内循环式内循环式内循环式内循环式单圆弧型面单圆弧型面单圆弧型面单圆弧型面双圆弧型面双圆弧型面双圆弧型面双圆弧型面 23 机械系统设计机械系统设计（二）滚珠丝杠副的结构（二）滚珠丝杠副的结构 图图图图2.10 2.10 2.10 2.10 螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状 24 机械系统设计机械系统设计25 机械系统设计机械系统设计a)a)a)a)插管式外循环方式插管式外循环方式插管式外循环方式插管式外循环方式1.1.1.1.压板压板压板压板 2.2.2.2.弯管（回珠管）弯管（回珠管）弯管（回珠管）弯管（回珠管）3.3.3.3.螺母螺母螺母螺母 4.4.4.4.滚珠滚珠滚珠滚珠b)b)b)b)螺旋槽式外循环方式螺旋槽式外循环方式螺旋槽式外循环方式螺旋槽式外循环方式图图图图2.11 2.11 2.11 2.11 外循环方式原理图外循环方式原理图外循环方式原理图外循环方式原理图26 机械系统设计机械系统设计图图2.12 2.12 内循环方式原理图内循环方式原理图1.1.凸键凸键 2 2、3.3.反向器反向器 27 机械系统设计机械系统设计3 3 3 3滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 减小或消除轴向间隙方法：减小或消除轴向间隙方法：减小或消除轴向间隙方法：减小或消除轴向间隙方法：1)1)1)1)预紧使弹性变形控制在最小预紧使弹性变形控制在最小预紧使弹性变形控制在最小预紧使弹性变形控制在最小限度内；限度内；限度内；限度内；2)2)2)2)提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。分的间隙。分的间隙。分的间隙。28 机械系统设计机械系统设计预紧的基本思想29 机械系统设计机械系统设计（2 2 2 2）双螺母预紧方法）双螺母预紧方法）双螺母预紧方法）双螺母预紧方法 1)1)1)1)垫片调隙式垫片调隙式垫片调隙式垫片调隙式 图图图图2.132.132.132.13所示结构，通过改变垫片厚度，所示结构，通过改变垫片厚度，所示结构，通过改变垫片厚度，所示结构，通过改变垫片厚度，使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，但调使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，但调使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，但调使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，但调整费时，不能在工作中随意调整。整费时，不能在工作中随意调整。整费时，不能在工作中随意调整。整费时，不能在工作中随意调整。图图图图2.13 2.13 2.13 2.13 双螺母垫片调隙式结构图双螺母垫片调隙式结构图双螺母垫片调隙式结构图双螺母垫片调隙式结构图 30 机械系统设计机械系统设计2)2)2)2)螺母调隙式螺母调隙式螺母调隙式螺母调隙式 图图图图2.142.142.142.14所示结构，利用螺帽实现预紧，两所示结构，利用螺帽实现预紧，两所示结构，利用螺帽实现预紧，两所示结构，利用螺帽实现预紧，两个螺母个螺母个螺母个螺母1 1 1 1、2 2 2 2以平键与外套相联，平键可限制螺母在外套以平键与外套相联，平键可限制螺母在外套以平键与外套相联，平键可限制螺母在外套以平键与外套相联，平键可限制螺母在外套内转动。用两个锁紧螺母内转动。用两个锁紧螺母内转动。用两个锁紧螺母内转动。用两个锁紧螺母3 3 3 3、4 4 4 4能使螺母相对丝杠作轴向能使螺母相对丝杠作轴向能使螺母相对丝杠作轴向能使螺母相对丝杠作轴向移动。结构既紧凑工作又可靠，调整也方便。但调整移动。结构既紧凑工作又可靠，调整也方便。但调整移动。结构既紧凑工作又可靠，调整也方便。但调整移动。结构既紧凑工作又可靠，调整也方便。但调整位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。图图图图2.14 2.14 2.14 2.14 双螺母螺帽式结构图双螺母螺帽式结构图双螺母螺帽式结构图双螺母螺帽式结构图 1 1 1 1、2.2.2.2.螺母螺母螺母螺母 3 3 3 3、4.4.4.4.锁紧螺帽锁紧螺帽锁紧螺帽锁紧螺帽 31 机械系统设计机械系统设计3)3)3)3)齿差调隙式齿差调隙式齿差调隙式齿差调隙式 图图图图2.152.152.152.15所示结构。在两个螺母的凸缘所示结构。在两个螺母的凸缘所示结构。在两个螺母的凸缘所示结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为上分别有齿数为上分别有齿数为上分别有齿数为z z z z1 1 1 1、z z z z2 2 2 2的齿轮分别与相应的内齿圈的齿轮分别与相应的内齿圈的齿轮分别与相应的内齿圈的齿轮分别与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间隙的调整和施加预紧力。隙的调整和施加预紧力。隙的调整和施加预紧力。隙的调整和施加预紧力。图图图图2.15 2.15 2.15 2.15 双螺母齿差式结构图双螺母齿差式结构图双螺母齿差式结构图双螺母齿差式结构图 32 机械系统设计机械系统设计4 4 4 4滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装 滚珠丝杠螺母副的安装滚珠丝杠螺母副的安装滚珠丝杠螺母副的安装滚珠丝杠螺母副的安装 一般要求：一般要求：一般要求：一般要求：滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨 能方便地进行间隙调整或预紧能方便地进行间隙调整或预紧能方便地进行间隙调整或预紧能方便地进行间隙调整或预紧33 机械系统设计机械系统设计1.1.同同F-SF-S的的1 12.2.若若轴轴承承无无间间隙隙，丝丝杠杠的的轴轴向向刚刚度度为为一一端端固固定定的的4 4倍倍3.3.丝丝杠杠不不会会受受压压，无无压压杆杆稳稳定定问问题题，固固有有频频率率比一端固定高比一端固定高4.4.可可以以预预拉拉伸伸，预预拉拉伸伸后后可可减减少少丝丝杠杠自自重重的的下下垂垂和和热热补补偿偿膨膨胀胀，但但需需一一套套预预拉拉伸伸机机构构，结结构构及工艺都比较困难及工艺都比较困难5.5.要要进进行行预预拉拉伸伸的的丝丝杠杠，其其目目标标行行程程应应略略小小于于公称行程，减少量等于拉伸量公称行程，减少量等于拉伸量两端固定两端固定(F-F)(F-F)1.1.需需保保持持螺螺母母与与两两端端支支承承同同轴轴，故故结结构构较较复复杂杂，工艺较困难工艺较困难2.2.丝杠的轴向刚度和丝杠的轴向刚度和F-OF-O相同相同3.3.压杆稳定性和临界转速比同长度的压杆稳定性和临界转速比同长度的F-OF-O型高型高4.4.丝杠有热膨胀的余地丝杠有热膨胀的余地5.5.适用于较长的卧式安装丝杠适用于较长的卧式安装丝杠 一端固定一端固定一端游动一端游动(F-S)(F-S)1.1.结构简单结构简单2.2.丝杠的轴向刚度比两端固定低丝杠的轴向刚度比两端固定低3.3.丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低4.4.设计时尽量使丝杠受拉伸设计时尽量使丝杠受拉伸5.5.适用于较短和竖直的丝杠适用于较短和竖直的丝杠 一端固定一端固定一端自由一端自由(F-O)(F-O)支承形式支承形式 简简 图图 特特 点点 34 机械系统设计机械系统设计图图图图2.16 2.16 2.16 2.16 一端固定一端自由式支承一端固定一端自由式支承一端固定一端自由式支承一端固定一端自由式支承1 1 1 1、2.2.2.2.螺母螺母螺母螺母 3 3 3 3、5.5.5.5.轴承轴承轴承轴承 4.4.4.4.支承座支承座支承座支承座 35 机械系统设计机械系统设计图图图图2.17 2.17 2.17 2.17 一端固定一端游动式支承一端固定一端游动式支承一端固定一端游动式支承一端固定一端游动式支承 1.1.1.1.螺母螺母螺母螺母 2 2 2 2、8.8.8.8.深沟球轴承深沟球轴承深沟球轴承深沟球轴承 3.3.3.3.挡圈挡圈挡圈挡圈 4.4.4.4.双向推力球轴承双向推力球轴承双向推力球轴承双向推力球轴承5.5.5.5.支承座支承座支承座支承座 6.6.6.6.垫圈垫圈垫圈垫圈 7.7.7.7.端盖端盖端盖端盖 9.9.9.9.挡圈挡圈挡圈挡圈 36 机械系统设计机械系统设计图图图图2.18 2.18 2.18 2.18 两端固定式支承两端固定式支承两端固定式支承两端固定式支承 37 机械系统设计机械系统设计38 机械系统设计机械系统设计工作时：在线圈7作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩；当停机或停电时：7失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动。39 机械系统设计机械系统设计图图图图2.19 2.19 2.19 2.19 滚珠丝杠处于垂直传动时滚珠丝杠处于垂直传动时滚珠丝杠处于垂直传动时滚珠丝杠处于垂直传动时制动装置示意图制动装置示意图制动装置示意图制动装置示意图 40 机械系统设计机械系统设计 5 5 5 5、滚珠丝杠副的设计及选用、滚珠丝杠副的设计及选用、滚珠丝杠副的设计及选用、滚珠丝杠副的设计及选用41 机械系统设计机械系统设计42 机械系统设计机械系统设计 设计步骤及方法：设计步骤及方法：设计步骤及方法：设计步骤及方法：1)1)1)1)计算载荷的计算计算载荷的计算计算载荷的计算计算载荷的计算 式中，式中，式中，式中，K K K KF F F F 载荷系数，见载荷系数，见载荷系数，见载荷系数，见表表表表2-62-62-62-6；K K K KH H H H 硬度系数，见硬度系数，见硬度系数，见硬度系数，见表表表表2-72-72-72-7；K K K KA A A A 精度系数，精度系数，精度系数，精度系数，见表见表见表见表2-82-82-82-8；F F F Fm m m m 平均工作载荷。平均工作载荷。平均工作载荷。平均工作载荷。43 机械系统设计机械系统设计44 机械系统设计机械系统设计2)2)2)2)额定动载荷计算值的计算额定动载荷计算值的计算额定动载荷计算值的计算额定动载荷计算值的计算 3)3)3)3)确定滚珠丝杠副的规格确定滚珠丝杠副的规格确定滚珠丝杠副的规格确定滚珠丝杠副的规格 根据根据根据根据 等于或大于等于或大于等于或大于等于或大于 的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷 值从滚珠丝杠副系列中选所需要值从滚珠丝杠副系列中选所需要值从滚珠丝杠副系列中选所需要值从滚珠丝杠副系列中选所需要，并列出其主要参数值。，并列出其主要参数值。，并列出其主要参数值。，并列出其主要参数值。4)4)4)4)稳定性验算稳定性验算稳定性验算稳定性验算 失稳性验算失稳性验算失稳性验算失稳性验算 由于一端固定自由的丝杠在工作时由于一端固定自由的丝杠在工作时由于一端固定自由的丝杠在工作时由于一端固定自由的丝杠在工作时可能发生失稳，应验算其安全系数。可能发生失稳，应验算其安全系数。可能发生失稳，应验算其安全系数。可能发生失稳，应验算其安全系数。45 机械系统设计机械系统设计 不发生失稳的最大临界载荷为不发生失稳的最大临界载荷为不发生失稳的最大临界载荷为不发生失稳的最大临界载荷为式中，式中，式中，式中，E E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，为丝杠材料的弹性模量，对于钢，为丝杠材料的弹性模量，对于钢，为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GpaE=206Gpa；l l为为为为丝杠工作长度丝杠工作长度丝杠工作长度丝杠工作长度(m)(m)；I Ia a为丝杠危险截面的轴惯性矩为丝杠危险截面的轴惯性矩为丝杠危险截面的轴惯性矩为丝杠危险截面的轴惯性矩(m(m4 4)，为为为为长度系数，见长度系数，见长度系数，见长度系数，见表表表表2-102-10。其安全系数为其安全系数为其安全系数为其安全系数为当当当当时，丝杠安全。时，丝杠安全。时，丝杠安全。时，丝杠安全。46 机械系统设计机械系统设计临临临临界界界界转转转转速速速速验验验验算算算算 高高高高速速速速长长长长丝丝丝丝杠杠杠杠工工工工作作作作时时时时可可可可能能能能发发发发生生生生共共共共振振振振，因因因因此此此此需需需需验验验验算算算算其其其其不不不不会会会会发发发发生生生生共共共共振振振振的的的的最最最最高高高高转转转转速速速速临临临临界界界界转转转转速速速速n ncrcr，要要要要求求求求丝丝丝丝杠杠杠杠的最大转速的最大转速的最大转速的最大转速n nmaxmaxn ncrcr。临界转速临界转速临界转速临界转速n ncrcr(r(rmin)min)可按下式计算：可按下式计算：可按下式计算：可按下式计算：式中，式中，式中，式中，f f f fc c c c为临界转速系数，见表为临界转速系数，见表为临界转速系数，见表为临界转速系数，见表2-102-102-102-10。47 机械系统设计机械系统设计工工工工作作作作稳稳稳稳定定定定性性性性验验验验算算算算 此此此此外外外外滚滚滚滚珠珠珠珠丝丝丝丝杠杠杠杠副副副副还还还还受受受受D D D D0 0 0 0n n n n值值值值的的的的限限限限制制制制，通常要求通常要求通常要求通常要求D D D D0 0 0 0n710n710n710n7104 4 4 4mmmmmmmm r r r rminminminmin。式中，式中，式中，式中，A A A A为丝杠截面积为为丝杠截面积为为丝杠截面积为为丝杠截面积为 5)5)5)5)刚度验算刚度验算刚度验算刚度验算滚滚滚滚珠珠珠珠丝丝丝丝杠杠杠杠在在在在工工工工作作作作负负负负载载载载F(N)F(N)F(N)F(N)和和和和转转转转矩矩矩矩T(NT(NT(NT(N m)m)m)m)共共共共同同同同作作作作用用用用下下下下引引引引起起起起每每每每个导程的变形量个导程的变形量个导程的变形量个导程的变形量L L L L0 0 0 0(m)(m)(m)(m)为为为为 J J J Jc c c c为丝杠的极惯性矩：为丝杠的极惯性矩：为丝杠的极惯性矩：为丝杠的极惯性矩：48 机械系统设计机械系统设计G G G G为为为为丝丝丝丝杠杠杠杠切切切切变变变变模模模模量量量量，对对对对钢钢钢钢G G G G838383833GPa3GPa3GPa3GPa；T(NT(NT(NT(N m)m)m)m)为转为转为转为转矩矩矩矩 式中，式中，式中，式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；F F F Fmmmm为平均工为平均工为平均工为平均工作负载。作负载。作负载。作负载。49 机械系统设计机械系统设计6)6)6)6)效率验算效率验算效率验算效率验算 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为为为为 要求在要求在要求在要求在9090909095959595之间才合格。之间才合格。之间才合格。之间才合格。50 机械系统设计机械系统设计三、导向机构设计三、导向机构设计 51 机械系统设计机械系统设计工作台导轨副52 机械系统设计机械系统设计53 机械系统设计机械系统设计54 机械系统设计机械系统设计55 机械系统设计机械系统设计滚动导轨滚动导轨滚动导轨滚动导轨 工作原理：工作原理：在导轨工作面之间安排滚动体在导轨工作面之间安排滚动体,将滑动摩擦替换为滚动将滑动摩擦替换为滚动摩擦。摩擦。结构形式及组成：结构形式及组成：滚动导轨块滚动导轨块 直线滚动导轨直线滚动导轨56 机械系统设计机械系统设计滚动导轨块滚动导轨块镶钢导轨镶钢导轨滚动导轨块滚动导轨块上导轨上导轨下导轨下导轨57 机械系统设计机械系统设计58 机械系统设计机械系统设计（二）滚动直线导轨的分类（二）滚动直线导轨的分类（二）滚动直线导轨的分类（二）滚动直线导轨的分类 1.1.1.1.按导轨截面形状按导轨截面形状按导轨截面形状按导轨截面形状（1)1)1)1)矩形截面矩形截面矩形截面矩形截面 导轨截面导轨截面导轨截面导轨截面为矩形见图为矩形见图为矩形见图为矩形见图1.24a1.24a1.24a1.24a所示，所示，所示，所示，四方向等载荷式，即承四方向等载荷式，即承四方向等载荷式，即承四方向等载荷式，即承载时各方向受力大小相载时各方向受力大小相载时各方向受力大小相载时各方向受力大小相等；等；等；等；（2)2)2)2)梯形截面梯形截面梯形截面梯形截面 如图如图如图如图1.24b1.24b1.24b1.24b所示，垂直载承载能力所示，垂直载承载能力所示，垂直载承载能力所示，垂直载承载能力大，其它方向的承载能大，其它方向的承载能大，其它方向的承载能大，其它方向的承载能力较低，但对于安装基力较低，但对于安装基力较低，但对于安装基力较低，但对于安装基准的误差调节能力较强。准的误差调节能力较强。准的误差调节能力较强。准的误差调节能力较强。图图图图1.24 1.24 1.24 1.24 滚动滚动滚动滚动直直直直线导轨线导轨线导轨线导轨的截面形式的截面形式的截面形式的截面形式59 机械系统设计机械系统设计 2.2.2.2.按滚道沟槽形状分按滚道沟槽形状分按滚道沟槽形状分按滚道沟槽形状分(1)(1)(1)(1)单圆弧单圆弧单圆弧单圆弧 二点接触，运动摩擦小、对安装基准的二点接触，运动摩擦小、对安装基准的二点接触，运动摩擦小、对安装基准的二点接触，运动摩擦小、对安装基准的误差平均作用小、静刚度差，见图误差平均作用小、静刚度差，见图误差平均作用小、静刚度差，见图误差平均作用小、静刚度差，见图1.25a1.25a1.25a1.25a；（2)2)2)2)双圆弧双圆弧双圆弧双圆弧 四点接触，运动摩擦大、对安装基准四点接触，运动摩擦大、对安装基准四点接触，运动摩擦大、对安装基准四点接触，运动摩擦大、对安装基准的误差平均作用大、静刚度好，如图的误差平均作用大、静刚度好，如图的误差平均作用大、静刚度好，如图的误差平均作用大、静刚度好，如图1.25b1.25b1.25b1.25b所示。所示。所示。所示。3.3.3.3.按滚动体的形状分按滚动体的形状分按滚动体的形状分按滚动体的形状分1)1)1)1)钢珠式钢珠式钢珠式钢珠式 （2)2)2)2)滚柱式滚柱式滚柱式滚柱式滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。图图图图1.251.251.251.25导轨导轨导轨导轨的截面形式的截面形式的截面形式的截面形式60 机械系统设计机械系统设计图图图图1.26 1.26 1.26 1.26 滚动直线导轨的滚动体形式滚动直线导轨的滚动体形式滚动直线导轨的滚动体形式滚动直线导轨的滚动体形式 61 机械系统设计机械系统设计 滚动导轨组件滚动导轨组件结构、形式结构、形式直直 线线 滚滚 动动 导导 轨轨62 机械系统设计机械系统设计弧弧 形形 滚滚 动动 导导 轨轨63 机械系统设计机械系统设计两两 维维 直直 线线 滚滚 动动 导导 轨轨64 机械系统设计机械系统设计直直 线线 滚滚 动动 导导 轨轨 单单 元元65 机械系统设计机械系统设计组成结构组成结构66 机械系统设计机械系统设计67 机械系统设计机械系统设计68 机械系统设计机械系统设计 安装组合形式标准组合69 机械系统设计机械系统设计倒装组合70 机械系统设计机械系统设计侧装组合之一71 机械系统设计机械系统设计侧装组合之二72 机械系统设计机械系统设计混装组合73 机械系统设计机械系统设计 导轨防护专用软式防护罩大型软式防护罩叠层式护罩74 机械系统设计机械系统设计（三）（三）（三）（三）滚动滚动滚动滚动直直直直线导轨线导轨线导轨线导轨的有关的有关的有关的有关计计计计算算算算 1.1.1.1.额额额额定定定定动载动载动载动载荷荷荷荷C C C Ca a a a 额额额额定定定定动载动载动载动载荷是指荷是指荷是指荷是指滚动滚动滚动滚动直直直直线导轨线导轨线导轨线导轨的的的的额额额额定定定定长长长长度寿命度寿命度寿命度寿命T T T Ts s s s50km50km50km50km时时时时，作用在滑座上大小和方向均不，作用在滑座上大小和方向均不，作用在滑座上大小和方向均不，作用在滑座上大小和方向均不变变变变化化化化的的的的载载载载荷。荷。荷。荷。式中，式中，式中，式中，d d d db b b b为钢球直径为钢球直径为钢球直径为钢球直径(mm)(mm)(mm)(mm)；l l l ls s s s为滑座有效长度为滑座有效长度为滑座有效长度为滑座有效长度(mm)(mm)(mm)(mm)；Z Z Z Z为有为有为有为有效接触的钢球数。效接触的钢球数。效接触的钢球数。效接触的钢球数。75 机械系统设计机械系统设计 (2)(2)(2)(2)额定静载荷额定静载荷额定静载荷额定静载荷C C C C0a0a0a0a 式中，式中，式中，式中，K K K K0 0 0 0为适应比系数，可按表为适应比系数，可按表为适应比系数，可按表为适应比系数，可按表1.21.21.21.2确定，其中确定，其中确定，其中确定，其中R R R R为圆弧为圆弧为圆弧为圆弧滚道半径滚道半径滚道半径滚道半径(mm)(mm)(mm)(mm)；i i i i为钢球循环列数；为钢球循环列数；为钢球循环列数；为钢球循环列数；为接触角，常取为接触角，常取为接触角，常取为接触角，常取45454545；为倾斜角，常取为倾斜角，常取为倾斜角，常取为倾斜角，常取0 0 0 0；C C C C0a0a0a0a为额定静载荷为额定静载荷为额定静载荷为额定静载荷(N)(N)(N)(N)。R R/d db b0.520.520.530.530.540.540.550.550.560.56 K K0 072.172.159.459.4525246.946.943.243.2表表表表1.2 1.2 1.2 1.2 适应比系数适应比系数适应比系数适应比系数 76 机械系统设计机械系统设计（3)3)3)3)额定行程长度寿命额定行程长度寿命额定行程长度寿命额定行程长度寿命T T T Ts s s s式中，式中，式中，式中，K K K K为寿命系数，一般取为寿命系数，一般取为寿命系数，一般取为寿命系数，一般取K=50kmK=50kmK=50kmK=50km；F F F F为滑座工作载荷为滑座工作载荷为滑座工作载荷为滑座工作载荷(N)(N)(N)(N)；f f f fH HH H为硬度系数，按表为硬度系数，按表为硬度系数，按表为硬度系数，按表1.31.31.31.3选取；选取；选取；选取；f f f fT T T T为温度系数，按表为温度系数，按表为温度系数，按表为温度系数，按表1.41.41.41.4选取；选取；选取；选取；f f f fC C C C为接触系数，按表为接触系数，按表为接触系数，按表为接触系数，按表1.51.51.51.5选取；选取；选取；选取；f f f fWWWW为负荷系数，按表为负荷系数，按表为负荷系数，按表为负荷系数，按表1.61.61.61.6选取，选取，选取，选取，CaCaCaCa为额定动载荷为额定动载荷为额定动载荷为额定动载荷(N)(N)(N)(N)；77 机械系统设计机械系统设计表