机电一体化--机械系统设计.ppt

《机电一体化--机械系统设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化--机械系统设计.ppt（97页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、4/9/2023第二章机械系统设计内容提要内容提要本章是本课程的重点之一，主要介绍：n机电一体化对机械系统的要求，机械系统的组成n传动机构的设计n导向机构的设计4/9/2023第二章机械系统设计第一节概述第二节传动机构设计第三节导向机构设计第四节执行机构设计4/9/2023第一节概述n机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和学任务的机械和(或或)机电部件相互联系的系统。其机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、核心是

2、由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统，它的主要功能是完液压、光学等技术的伺服系统，它的主要功能是完成一系列机械运动。成一系列机械运动。n每一个机械运动可单独由每一个机械运动可单独由控制电动机控制电动机、传动机构传动机构和和执行机构执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其功能要求。因此机电计算机协调和控制，以完成其功能要求。因此机电一体化机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机一体化机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型的合理化和最优化。构选型、结构造型的合理化和最优化。4/9/2023一

3、、机电一体化对机械系统的基本要求n 1.高精度高精度 精度直接影响产品的质量，如果机械精度直接影响产品的质量，如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。作。n 2.快速响应快速响应 即要求机械系统从接到指令到开始即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。这样控制系执行指令指定的任务之间的时间间隔。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统才能及时根据机械系统的运行情况得到信息,下下达指令，使其准确地完成任务。达指令，使

4、其准确地完成任务。n 3.良好的稳定性良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能不即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。受外界环境的影响，抗干扰能力强。n 此外还要求机械系统具有较大的刚度、良好的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。可靠性和重量轻、体积小、寿命长。4/9/2023二、机械系统的组成二、机械系统的组成n三大部分机构三大部分机构 传动机构传动机构 是转速和转矩的变换器，已成为伺服是转速和转矩的变换器，已成为伺服系统的一部分系统的一部分.导向机构导向机构 其作用是支承和导向，为机械系统中其作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安

5、全、准确地完成其特定方向的运动各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。提供保障。执行机构执行机构 它是用以完成操作任务的。它是用以完成操作任务的。4/9/2023第二节传动机构设计一、传动机构性能要求一、传动机构性能要求1转动惯量小转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，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。否则，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大，系统响应速度降低，灵敏度下降，系统固有大，系统响应速度降低，灵敏度下降，系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在

6、设计传动机构频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。时应尽量减小转动惯量。2刚度大刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：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，机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增增加闭环伺服系统的稳定性。加闭环伺服系统的稳定性。4/9/2023 3阻尼合适阻尼合适 机械系统产生振动时，系统的阻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

7、，但大尼越大，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以设计时，传动机构的阻尼要选择适当.此外要求摩擦小此外要求摩擦小(提高机构的灵敏度提高机构的灵敏度)、抗振性好、抗振性好(提高机构的稳定性提高机构的稳定性)、间隙小、间隙小(保证机构的传动保证机构的传动精度精度)，特别是其动态特性应与伺服电动机等其，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它环节的动态特性相匹配.一、传动机构性能要求4/9/2023二、无侧隙齿轮传动机构 由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度由

8、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，结高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高等原因，齿轮传动副成构紧凑，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使用最多的传动机构为在机电一体化机械系统中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。间隙，以保证机构的双向传动精度。4/9/2023(一)直齿圆柱齿轮传动机构 1.偏心轴套调

9、整法偏心轴套调整法 转转动偏心轴套动偏心轴套1可以调整两啮合齿轮的中心距，从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向死区。这种方法结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿。动补偿。2双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 两个啮合的直齿圆柱齿轮中一个采用宽齿轮，另一两个啮合的直齿圆柱齿轮中一个采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时使个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时使一片薄齿轮的齿左侧和另一片的齿右侧分别紧贴在一片薄齿轮的齿左侧和另一片的齿右侧分别

10、紧贴在宽齿轮齿槽的左右两侧宽齿轮齿槽的左右两侧4/9/20234/9/20234/9/2023(二)斜齿轮传动机构 1垫片调整法垫片调整法 H=Cot 间隙间隙,H为垫片厚度为垫片厚度,为为螺旋角螺旋角 4/9/2023(二)斜齿轮传动机构 1垫片调整法垫片调整法 H=Cot 间隙间隙,H为垫片厚度为垫片厚度,为为螺旋角螺旋角 结结构构简单简单，但在使用，但在使用时时往往需要反复往往需要反复测试测试齿轮齿轮的的啮啮合情况，反复合情况，反复调节垫调节垫片的厚度才片的厚度才能达到要求，而且能达到要求，而且齿侧间齿侧间隙不能自隙不能自动补偿动补偿 2轴轴向向压压簧簧调调整法整法(图图2-4)该该方法

11、是用方法是用弹弹簧簧3的的轴轴向力来向力来获获得薄片斜得薄片斜齿轮齿轮l、2之之间间的的错错位，位，错错齿齿消除间隙消除间隙.4/9/20234/9/20231轴向压簧调整法(图25)2周向弹簧调整法(图26)(四)齿轮齿条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。如图27.(三)锥齿轮传动机构4/9/20234/9/20234/9/20234/9/2023三、滚珠丝杠副传动机构(一一)工作原理及结构工作原理及结构 丝杠丝杠4和螺母和螺母1的螺纹滚道间置有滚珠的螺纹滚道间置有滚珠2，当

12、丝杠或螺母转，当丝杠或螺母转动时，滚珠动时，滚珠2沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置螺旋槽两端设有回程引导装置3，如图，如图2-8a的反向器和图的反向器和图b的挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环问路，使滚珠在螺母的挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环问路，使滚珠在螺母滚道内循环。滚道内循环。4/9/20231传传动动效效率率高高 效效率率高高达达90%95%，耗耗费费的的能能力仅为滑动丝杠的力仅为滑动丝杠的1/3。2运运动动具具有有可可逆

13、逆性性 既既可可将将回回转转运运动动变变为为直直线线运运动动，又又可可将将直直线线运运动动变变为为回回转转运运动动，且且逆逆传传动效率几乎与正传动效率相同。动效率几乎与正传动效率相同。3系系统统刚刚度度好好 通通过过给给螺螺母母组组件件内内施施加加预预压压来来获获得得较较高高的的系系统统刚刚度度，可可满满足足各各种种机机械械传传动动要要求求，无无爬爬行行现现象象，始始终终保保持持运运动动的的平平稳稳性性和和灵灵敏性。敏性。4传传动动精精度度高高 经经过过淬淬硬硬并并精精磨磨螺螺纹纹滚滚道道后后的的滚滚珠珠丝丝杠杠副副本本身身就就具具有有很很高高的的制制造造精精度度，又又由由于于摩摩擦擦小小，丝

14、丝杠杠副副工工作作时时温温升升和和热热变变形形小小，容易获得较高的传动精度。容易获得较高的传动精度。(二二)滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点 4/9/2023 5使使用用寿寿命命长长 滚滚珠珠是是在在淬淬硬硬的的滚滚道道上上作作滚滚动动运运动动，磨磨损损极极小小，长长期期使使用用后后仍仍能能保保持持其其精精度度。其其寿命一般比滑动丝杠要高寿命一般比滑动丝杠要高56倍。倍。6不不能能自自锁锁 特特别别是是垂垂直直安安装装的的丝丝杠杠，当当运运动动停停止止后后，螺螺母母将将在在重重力力作作用用下下下下滑滑，故故常常需需设设置制动装置。置制动装置。7制造工艺复杂制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工

15、精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。度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，因而成为数控机床、精密机械、各种因而成为数控机床、精密机械、各种省力机械设备省力机械设备 及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。(二二)滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点 4/9/2023滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的轴轴向向间间隙隙是是承承载载时时在在滚滚珠珠与与滚滚道道型型面面接接触触点点的的弹弹性性变变形形所所引引起起的的螺螺母母位位移移量量和和螺螺母母原原有有间间隙隙的的

16、总总和和。通通常常采采用用双双螺螺母母预预紧紧的的方方法法，把把弹弹性性变变形形控控制制在在最最小小限限度度内内，以以减减小小或或消消除除轴轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm0.05mm。双螺母预紧消除轴向间隙时应注意以下两点：双螺母预紧消除轴向间隙时应注意以下两点：1 1）预预紧紧力力大大小小必必须须合合适适，预预紧紧力力应应不不超超过过最最大大轴轴向负载的向负载的1/31/3。2 2）要要特特别别注注意意减减小小丝丝杠杠安安装装部部分分和和驱驱动动部部分分的的间间隙隙。(三)滚珠

17、丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 4/9/2023n（1）垫片调隙式（图）垫片调隙式（图2-9）结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不很结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不很准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换准确，并且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垫圈。故适用于一般精度的传动机构常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种（1）4/9/2023（2）螺纹调隙式（图）螺纹调隙式（图2-10）结构紧凑、工作可靠、调整方便，缺点是不很精确。结构紧凑、工作可靠、调整方便，缺点是不很精确。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种（2）4/9/20

18、23（3）齿差调隙式（图2-11）在两个螺母的凸缘上个制有圆柱外齿轮（齿数为在两个螺母的凸缘上个制有圆柱外齿轮（齿数为z1，z2，且，且z2z1=1）分别与内齿圈啮合，内齿圈用螺钉分别与内齿圈啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。当两个螺母按同方向转过一或定位销固定在套筒上。当两个螺母按同方向转过一个齿时，所产生的相对轴向位移为个齿时，所产生的相对轴向位移为式中，式中，p为导程。若为导程。若z1=99，z2=100，p=6mm，则则s=0.6mm。可见，该形式的调整精度很高，工作可可见，该形式的调整精度很高，工作可靠，但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。靠，但结构复杂，加工和装配工艺性能较差

19、。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种（3）4/9/2023（3）齿差调隙式常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种（常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种（3）4/9/2023n1主要尺寸n滚珠丝杠副的主要尺寸如图2-12所示，图中(四四)滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法 4/9/20231主要尺寸滚珠丝杠副的主要尺寸如图2-12所示，图中D0为公称直径，又称为标称直径；D1为螺母内径；D为螺母外径；d为丝杠外径；d1为丝杠内径；d0为滚珠直径；p为丝杠导程；为螺旋升角；R为螺纹滚道半径；e为偏心距；a为接触角，一般为45；r3为螺纹牙顶

20、圆角半径。各尺寸间的相互关系详见书中表2-1。(四四)滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法 4/9/2023 2精度等级 JB316.282 滚珠丝杠副精度标准规定分为六个等级：C、D、E、F、G、HC级最高，H级最低。滚珠丝杠副精度包括各元件的制造精度和装配后的综合精度。为提高经济性，按实际使用的精度要求，在每一精度等级内再分项，用以规定各精度等级的检查项目。表2-3列出导程精度的检验项目。未指定的检验项目，其误差值不超过下一等级的规定值，H级不作规定。设计选用时，应根据传动机构的精度（如定位精度、重复精度等）要求，选择滚珠丝杠副的精度等级。各类型

21、机械精度等级的要求可参考表2-4。(四)滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法 4/9/2023 JB3162.2-91JB3162.2-91滚滚珠珠丝丝杠杠副副精精度度标标准准规规定定分分为为7 7个等级：个等级：1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，7 7，1010。1 1级最高。级最高。滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的标标注注采采用用汉汉语语拼拼音音字字母母、数数字字及及汉汉字字，各各制制造造厂厂略略有有不不同同。例例如如：FFZD405-3-D31400900（南南京京工工艺艺制制造造设设备备厂厂），表表示示浮浮动动式式内内循循环环、法法兰兰与与直直筒筒螺螺母母组组合合垫垫片片预预紧紧、标

22、标称称直直径径40mm，基基本本导导程程5mm、承承载载滚滚珠珠总总圈圈数数为为3圈圈、D级级精精度度、检检验验13项项，右右旋旋、丝丝杠杠全全长长1400mm、螺纹长度螺纹长度900mm。(四)滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法 4/9/2023 1 1、支支承承方方式式的的选选择择 为为了了保保证证滚滚珠珠丝丝杠杠副副传传动动的的刚刚度度和和精精度度，应应选选用用高高刚刚度度、小小摩摩擦擦力力矩矩、高高运运转转精精度度的的轴轴承承，并并保保证证支支承承座座有有足足够的刚度。够的刚度。n滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的支支承承按按其其限限制制丝丝杠杠轴轴的的轴轴向向窜窜动情况，分为三种形式：动

23、情况，分为三种形式：一端固定、一端自由（一端固定、一端自由（F-OF-O）一端固定、一端游动一端固定、一端游动（F-SF-S）两端固定（两端固定（F-FF-F）表表2-52-5分别列出各形式的特点。分别列出各形式的特点。(五)滚珠丝杠副的支承 4/9/2023(五五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 n（1）一端固定、一端自由（FO）如图2-13所示，其固定端轴向、径向都需要有约束，采用圆锥滚子轴承3、5。轴承外圈由支承座4的台肩轴向限位，内圈由螺母1、2及轴肩轴向限位。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。这种结构

24、只能用于短丝杠或竖直安装的丝杠，在水平安装时，两轴承3、5之间的距离要尽量大一些。4/9/2023(五五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 4/9/2023(五五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 n（2）一端固定、一端游动（FS）如图2-14所示，固定端采用深沟球轴承2和双向推力球轴承4，可分别承受径向和轴向负载，螺母1、挡圈3、轴肩、支承座5台肩、端盖7提供轴向限位，垫圈6可调节推力轴承4的轴向预紧力。游动端需要径向约束，轴向无约束。采用深沟球轴承8，其内圈由挡圈9限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。4/9/2023(五五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 4/9/2023(五

25、五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 n（3）两端固定（）两端固定（FF）如图如图2-15所示，两所示，两端固定方式的支承为减少丝杠因自重的下垂端固定方式的支承为减少丝杠因自重的下垂和补偿热膨胀，应进行预拉伸。两端各采用和补偿热膨胀，应进行预拉伸。两端各采用一个推力角接触球轴承，外圈限位，内圈分一个推力角接触球轴承，外圈限位，内圈分别用螺母进行限位和预紧；调节轴承的间隙，别用螺母进行限位和预紧；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，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。这

26、种支承方式就不会产生轴向间隙。4/9/2023(五五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 4/9/2023n2、制制动动装装置置由由于于滚滚动动丝丝杠杠副副的的传传动动效效率率高高，又又无无自自锁锁能能力力，故故需需安安装装制制动动装装置置以以满满足足其其传传动动要要求求，特别是当其处于垂直传动时。特别是当其处于垂直传动时。n图图2-162-16所所示示为为数数控控卧卧式式铣铣镗镗床床主主轴轴箱箱进进给给丝丝杠杠的的制制动动示示意意图图。当当机机床床工工作作时时，电电磁磁铁铁线线圈圈4 4通通电电吸吸住住压压簧簧3 3，打打开开摩摩擦擦离离合合器器5 5。此此时时步步进进申申动动机机1 1接接受

27、受指指令令脉脉冲冲，将将旋旋转转运运动动通通过过减减速速齿齿轮轮2 2传传动动，滚滚珠珠丝丝杠杠6 6旋旋转转，转转换换为为主主轴轴箱箱7 7的的垂垂直直方方向向的的移移动动。当当步步进进电电动动机机1 1停停止止转转动动时时，电电磁磁铁铁线线圈圈也也同同时时断断电电，在在压压簧簧3 3作作用用下下摩摩擦擦离离合合器器5 5被被正正紧紧，使使滚滚珠珠丝丝杠杠不不能能自自由由转动，则主轴箱就不会因自重而下滑。转动，则主轴箱就不会因自重而下滑。(五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承 4/9/2023(五五)滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠副的支承4/9/20233 3、润滑和密封润滑和密封(1)(1)润滑

28、润滑 润滑剂可提高滚珠丝杠副的耐磨性和传动效润滑剂可提高滚珠丝杠副的耐磨性和传动效率率。润润滑滑剂剂分分为为润润滑滑油油、润润滑滑脂脂两两大大类类。润润滑滑油油为为一一般般机机油油或或9018090180号号透透平平油油或或140140号号主主轴轴油油，可可通通过过螺螺母母上上的的油油孔孔将将其其注注入入螺螺纹纹滚滚道道；润润滑滑脂脂可可采采用用锂锂基基油油脂脂，它加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。它加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。（2 2）密封）密封 滚珠丝杠副在使用时常采用一些密封装置滚珠丝杠副在使用时常采用一些密封装置进行防护。为防止杂质和水进入丝杠（否则会增加摩进行防护。为防止杂

29、质和水进入丝杠（否则会增加摩擦擦或或造造成成损损坏坏），对对于于预预计计会会带带进进杂杂质质之之处处按按图图2-172-17所所示示使使用用波波纹纹管管（右右侧侧）或或伸伸缩缩罩罩（左左侧侧），以以完完全全盖盖住住丝丝杠杠轴轴。对对于于螺螺母母，应应在在其其两两端端进进行行密密封封，如如图图2-182-18所示。密封防护材料必须具有防腐蚀和耐油性能。所示。密封防护材料必须具有防腐蚀和耐油性能。(五)滚珠丝杠副的支承 4/9/20233、润滑和密封、润滑和密封4/9/2023已知条件是：工作载荷F（N）或平均工作载荷Fm（N），使用寿命Lh（h），丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L（m），丝杠

30、的转速n（平均转速nm或最大转速nmax）（rmin），以及滚道硬度HRC和运转情况。设计步骤及方法如下：（1）计算载荷Fc（N）的计算 Fc=KF KH KA Fm 式中，KF为载荷系数，按表2-6选取；KH为硬度系数，按表2-7选取；KA为精度系数，按表2-8选取；Fm（N）为平均工作载荷。(六六)滚珠丝杠副的设计计算滚珠丝杠副的设计计算 4/9/2023(六)滚珠丝杠副的设计计算2）额定动载荷计算值Ca（N）的计算3）初选滚珠丝杠副根据Ca值从滚珠丝杠副系列中选所需要的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷Ca值等于或大于Ca，并列出其主要参数值。4）验算传动效率、刚度及工作性是否满足要求

31、（参见例2-1），如不能，则应另选其它规格并重新验算。对于低速（n10r/min）传动，只按额定静载荷计算即可。4/9/2023四、四、链环无键联轴器链环无键联轴器（一）工作原理及特点 该机构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。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。这种联轴器定心性好，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。4/9/2023图图2-l92-l9所示为采用锥环（锥形夹紧环）无键消隙联轴所示为采用锥环（锥

32、形夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉5 5通过压圈通过压圈3 3施施加轴向力，由于锥环之间的楔紧作用，内外环加轴向力，由于锥环之间的楔紧作用，内外环2 2分别产分别产生径向弹性变形，消除轴生径向弹性变形，消除轴4 4与套筒与套筒1 1之间的配合间隙，之间的配合间隙，并产生接触压力，通过摩擦传递转矩，而且套筒并产生接触压力，通过摩擦传递转矩，而且套筒1 1与轴与轴4 4之间的角度位置可以任意调节。之间的角度位置可以任意调节。（一）工作原理及特点四、链环无键联轴器四、链环无键联轴器4/9/2023四、链环无键联轴器四、链环无键联轴器4/9/20

33、23五、五、其它传动机构其它传动机构 n（一）软轴传动机构（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，如图钢丝层构成的，相邻钢丝层的缠绕方向相反，如图2-23所示。工作时，相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一所示。工作时，相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。软轴传动机构主要用于两个传动机构的轴线不在同软轴传动机构主要用于两个传动机构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。它可一直线上，或工

34、作时彼此要求有相对运动的传动。它可以弯曲地绕过个种障碍件，远距离传递回转运动。适合以弯曲地绕过个种障碍件，远距离传递回转运动。适合于受连续冲击的场合，也适用于高速、小转矩的场合，于受连续冲击的场合，也适用于高速、小转矩的场合，其转速可达其转速可达20000r/min，传递效率不超过传递效率不超过5.5kW，不适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，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。扭转刚度无法保证。4/9/2023（一）软轴传动机构（一）软轴传动机构4/9/2023n 同步齿形带传动机构（图同步齿形带传动机构（图2-242-24）利用齿形带的）

35、利用齿形带的齿形与带轮的齿轮依次相啮合传递传动和动力。它齿形与带轮的齿轮依次相啮合传递传动和动力。它兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便的兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便的实现较远中心距的传动，传动过程无相对滑动，平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，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，故可用于低速及高速传动；齿形厚度小，重量轻，故可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，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，因此在数控机床、工业机器人等伺服传动效率高，

36、因此在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。传动中得到广泛应用。（二）同步齿形带传动机构（二）同步齿形带传动机构4/9/2023（二）同步齿形带传动机构（二）同步齿形带传动机构4/9/2023n 如图如图2-252-25所示，波发生器凸轮所示，波发生器凸轮2 2（H H），），在高速轴在高速轴1 1的带动下，经柔性轴承的带动下，经柔性轴承3 3使柔轮使柔轮5 5的齿在产生弹性变形的齿在产生弹性变形时，与刚轮时，与刚轮4 4的齿相互作用，完成减速功能。的齿相互作用，完成减速功能。（三）谐波齿轮减速器（三）谐波齿轮减速器4/9/2023n谐波齿轮传动的工作原理如图2-26所示。该机构传动的

37、侧隙小，空程小，传动精度高，体积小，噪声低，因此广泛用于各种机电一体化产品中，如机器人、机床、仪器仪表、雷达、通讯设备等。（三）谐波齿轮减速器（三）谐波齿轮减速器4/9/2023第三节导向机构设计一、导轨的功用一、导轨的功用 机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。这个到安全的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作导轨，其作用是支承和导向。用是支承和导向。二、导轨的分类和特点二、导轨的

38、分类和特点 一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨（或导动轨），另一部分相对支承导轨动，称为支承导轨（或导动轨），另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨（或滑座）。根据导轨作直线或回转运动，称为动导轨（或滑座）。根据导轨副（简称导轨）之间的摩擦情况，导轨分为副（简称导轨）之间的摩擦情况，导轨分为4/9/2023 1滑滑动动导导轨轨 两两导导轨轨工工作作面面的的摩摩擦擦性性质质为为滑滑动动摩摩擦擦。滑滑动动导导轨轨结结构构简简单单，制制造造方方便便，刚刚度度好好，抗抗振性高，振性高，最广泛使用的导轨形式。最广泛使用的

39、导轨形式。为为减减小小磨磨损损，提提高高定定位位精精度度，改改善善摩摩擦擦特特性性，通通常常选选用用合合适适的的导导轨轨材材料料，采采用用适适当当热热处处理理和和加加工工方方法法，如如采采用用优优质质铸铸铁铁，合合金金耐耐磨磨铸铸铁铁或或镶镶淬淬火火钢钢导导轨轨，采采用用导导轨轨表表面面滚滚轧轧强强化化，表表面面淬淬硬硬、涂涂铬铬、涂涂钼钼等等方方法法提提高高导导轨轨的的耐耐磨磨性性。另另外外采采用用新新型型工工程程塑塑料料可可满满足足导导轨轨低低摩摩擦擦、耐耐磨磨、无无爬爬行行的要求。的要求。二、导轨的分类和特点二、导轨的分类和特点4/9/20232滚动导轨滚动导轨两导轨表面之间为滚动摩擦，

40、导向面两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。滑动地相对运动。这种导轨磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，这种导轨磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可靠，但结构复杂，几何精度要求高，运动平稳可靠，但结构复杂，几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高，制造困难，成本高。抗振性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀，动作灵敏它适用于工作部件要求移动均匀，动作灵敏以及定位精度高的场合以及定位精度高的场合，因此在高精密的机电一体化，因此在高精密的机电一体化产品中应用

41、广泛。产品中应用广泛。二、导轨的分类和特点二、导轨的分类和特点4/9/20231导向精度导向精度导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。2耐耐磨磨性性 是是指指导导轨轨在在长长期期使使用用过过程程中中能能否否保保持持一一定定的的导导向向精精度度。因因导导轨轨在在工工作作过过程程中中难难免免有有所

42、所磨磨损损，所所以以应应力力求求减减少少磨磨损损量量，并并在在磨磨损损后后能能自自动动补补偿偿或或便便于于调调整。整。三、导轨的基本要求三、导轨的基本要求4/9/2023 3疲劳和压溃疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触力不均匀而使导轨面由于过载或接触力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载要原因，为此应

43、控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀的均匀性。性。4刚度刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。辅助导轨的方法提高刚度。三、导轨的基本要求三、导轨的基本要求4/9/20235低速运动平稳性低速运动平稳性低速运动时，作为运动部件的动低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的

44、结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。等有关。6结构工艺性结构工艺性设计导轨时，要注意到制造、调整和设计导轨时，要注意到制造、调整和维修方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。维修方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。三、导轨的基本要求三、导轨的基本要求4/9/2023（一）滚动直线导轨的特点（一）滚动直线导轨的特点 1承载能力大承载能力大其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力，可达到平面滚道形式的13倍。2刚性强刚性强在该导轨制作时，常需要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提高。所以滚动直线

45、导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。四、滚动直线导轨四、滚动直线导轨4/9/20233寿命长寿命长由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的1/50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。4传动平稳可靠传动平稳可靠由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。5具有结构自调整能力具有结构自调整能力 装配调整容易，因而降低了对配件加工精度要求。四、滚动直线导轨四、滚动直线导轨4/9/2023（二）滚动直线导轨的分类（二）滚动直线导轨的分类 1按滚动体的形状分按滚动体的形状分有钢珠式和滚柱式两种，有钢珠式和滚柱式两种，滚滚柱柱式式由由于于为为线线接接触触，故故其其有有较较高高的的承承

46、载载能能力力，但但摩摩擦擦力力也也较较高高，同同时时加加工工装装配配也也相相对对复复杂杂。目目前前使使用用较较多的是钢珠式。多的是钢珠式。四、滚动直线导轨四、滚动直线导轨4/9/20232按导轨截面形状分有矩形和梯形两种，a为四方向等载荷式，导轨截面为矩形，承载时各方向受力大小相等。b为梯形截面导轨能承受较大的垂直载荷，而其它方向的承载能力较低，但对于安装基准的误差调节能力较强。四、滚动直线导轨四、滚动直线导轨4/9/20233按滚道沟槽形状分有单圆弧和双圆弧二种。单圆弧沟槽为二点接触，如图2-30a所示。双圆弧沟槽为四点接触，如图2-30b所示。前者的运动摩擦和对安装基准的误差平均作用比后者

47、要小，但其静刚度比后者稍差。四、滚动直线导轨四、滚动直线导轨4/9/20231额定动载荷额定动载荷Ca 是指滚动直线导轨的额定长度寿命是指滚动直线导轨的额定长度寿命Ts=50km时，作用时，作用在滑座上大小和方向均不变化的载荷。在滑座上大小和方向均不变化的载荷。其值可按下式计算：其值可按下式计算：Ca=111.57db2.1ls1/30Z2/3式中式中db为钢球直径（为钢球直径（mm）；）；ls为滑座有效长度（为滑座有效长度（mm）；）；Z为有效接触的钢球数；为有效接触的钢球数；Ca为额定动载荷（为额定动载荷（N）。）。（三）滚动直线导轨的有关计算（三）滚动直线导轨的有关计算4/9/20232

48、额定静载荷额定静载荷Coa Coa=K0 iZdb2cos 式中Ko为适应比系数，可按表2-14确定，其中R为圆弧滚道半径（mm）；i 为钢球循环列数；为接触角，常取450；为倾斜角，常取00；Coa为额定静载荷（N）（三）滚动直线导轨的有关计算（三）滚动直线导轨的有关计算4/9/20233额定行程长度寿命Ts（km）式中，K为寿命系数，一般取K=50km；F为滑座工作载荷（N）；fH为硬度系数，按表2-15选取；fT为温度系数，按表2-16选取；fc为接触系数，按表2-17选取；fw为负荷系数，按表2-18选取；Ca为额定动载荷（N）（三）滚动直线导轨的有关计算（三）滚动直线导轨的有关计算4

49、/9/2023额定工作时间寿命Th（h）为。Ls为工作单行程长度（m）；n为每秒往复次数（次/s）当滑座运动速度低于15mmin时，若工作温度在1000C以下，导轨滚道硬度为60HRC，无明显冲击和振动，并且按每根导轨上滑座配置数为2，则Ts可简化。（三）滚动直线导轨的有关计算（三）滚动直线导轨的有关计算4/9/2023 在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均作用、阻尼特征等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。（五）滚动直线导轨的其它形式 1圆柱形滚动直线导轨副 2滚珠

50、花键副 （四）滚动直线导轨的选择程序（四）滚动直线导轨的选择程序4/9/2023（一）塑料导轨软带 材材料料以以聚聚四四氟氟乙乙烯烯为为基基体体，加加入入青青铜铜粉粉、二二硫硫化化铝铝和和石墨等填充剂混合烧结，做成软带状。石墨等填充剂混合烧结，做成软带状。1塑料导轨软带的特点塑料导轨软带的特点（1）摩擦系数低而稳定）摩擦系数低而稳定 其摩擦系数比铸铁导轨低一其摩擦系数比铸铁导轨低一个数量级。个数量级。（2）动动静静摩摩擦擦系系数数相相近近 其其低低速速运运动动平平稳稳性性较较铸铸铁铁导导轨好。轨好。五、塑料导轨五、塑料导轨4/9/2023（3）吸收振动）吸收振动 由于材料良好的阻尼性，其抗振性