第3章机电一体化机械系统设计(机电一体化系统设计 冯浩)ppt课件.ppt

第三章机电一体化系统中的机械设计,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,导轨设计支承装置设计床身设计,第一节 机械部分设计概述,机电一体化系统的机械部分主要用来实现执行和构造两大功能。在一个机电系统中，机械部分惯性和阻力最大，直接影响整个系统的精度和动态特性。,一、机电一体化系统对机械部分的基本要求 1、高精度 机械传动精度主要是由传动件的制造误差、装配误差，传动间隙和弹性变形所引起的。 2、快速响应 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短。机械系统的响应主要取决于加速度。 3、良好的稳定性 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。 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，体积小和寿命长。,为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施： （1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚动丝杠副，滚动导向支承等； （2）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧力的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度； （3）选用最佳传动比，以减小等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速度； （4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙，减小支承变形等措施； （5）改进支承及架体的结构设计，以提高刚性，减少振动，降低噪音，如采用复合材料等。,二、机械系统的组成 1传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构要根据伺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因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还要满足小型、高速、低噪声和高可靠性的要求。 2导向机构 其作用是支承和导向，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， 3执行机构 它是用以完成操作任务的执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。,三、机电一体化系统中常用机械传动装置,（一）齿轮传动 1总传动比的确定 齿轮传动系统总传动比i应满足伺服电机与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求。由于负载特性和工作条件的不同，齿轮传动系统的最佳总传动比有不同的确定原则。通常按“负载加速度最大”的原则确定总传动比。 用于伺服系统的齿轮传动一般是减速系统，其输入是高速、小转矩，输出是低速、大转矩，用以使负载加速。因此，不但要求齿轮传动系统要有足够的强度和刚度，还要有尽可能小的转动惯量，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。,下图所示为传动系统的计算模型。,额定转矩为Tm、转子转动惯量为Jm的直流伺服电机，通过减速比为i的齿轮减速器，带动转动惯量为JL、负载转矩为TLF的负载。,2齿轮传动链的级数及各级传动比的分配 总传动比确定后，就可根据具体要求在伺服电机与负载之间配置传动机构，以实现转矩、转速的匹配。 从减少传动级数和零件的数量出发，应尽量采用单级齿轮传动，这样结构紧凑，传动精度和效率高。但伺服电机跟负载之间的总传动比一般较大，若一级的传动比过大，就会使整个传动装置的结构尺寸过大，并使小齿轮磨损加剧。虽然各种周转轮系可以满足总传动比的要求且结构紧凑，但由于效率等原因，常用多级圆柱齿轮传动副串联组成齿轮系。,确定齿轮副的级数和分配各级传动比，按不同原则有三种方法。（1）等效转动惯量最小原则 小功率传动装置,以右图所示的电机驱动的二级齿轮传动系统为例。假设传动效率为100，各主动小齿轮转动惯量相同，轴与轴承的转动惯量不计，各齿轮均为同宽度同材料的实心圆柱体，分度圆直径分别为d1、d2、d3，齿宽为b，密度为。,例：设i=80,传动级数n=4的小功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。,验算i=i1i2i3i480,小功率传动级数曲线,小功率传动跟大功率传动有何不同？,大功率传动装置 大功率传动装置传递的转矩大，各级齿轮副的的模数、齿宽、直径等参数逐级增加。这时，小功率传动的假设不适用，可用下图a、b、c来确定传动级数及各级传动比。各级传动比的分配原则仍然是“前小后大”。,用于大功率传动确定传动级数的曲线,用于大功率传动确定第一级传动比的曲线,用于大功率传动确定第一级齿轮以后各级传动比的曲线,例 设有i=256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。,通过分析计算，可以得出下列结论： 1. 按折算转动惯量最小的原则确定级数和各级传动比，从电机到负载，各级传动比按“前小后大”的次序分配； 2. 级数越多，总折算惯量越小。 3. 但是级数增加到一定值后，总折算惯量减小并不显著，反而会增大传动误差，并使结构复杂化。 另外还要注意，高速轴上的惯量对总折算惯量的影响最大。,(2)质量最小原则 小功率传动装置 仍以电机驱动的两级齿轮传动为例，假定各主动小齿轮的模数、齿数均相同，轴与轴承的质量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽与材料均相同。,由此可见，对于小功率传动装置，按“质量最小”原则来确定传动比时，其各级传动比是相等的。在假设各主动小齿轮模数、齿数均相等这样的特殊条件下，各大齿轮的分度圆直径均相等，因而每级齿轮副的中心距也相等。这样就能设计成图示的回曲式齿轮传动链，其总传动比为39000。其结构十分紧凑。,大功率传动装置 仍以二级齿轮传动为例。假定各主动小齿轮的模数用m1、m3、分度圆直径Dl、D3、齿宽b1、b3都与所在轴上的转矩T1、T3的三次方根成正比。,二级传动比分配线图（i10时查图中的虚线）,三级传动比分配线图（i100时查图中的虚线）,例 设n=2，i=40，求各级传动比。 查左图可得i1=9.1，i2=4.4例 设n=3，i=202，求各级传动比。 查右图可得i1=12，i2=5 ，i3=3.4可见，大功率传动装置按“质量最小”原则确定的各级传动比是逐级递减的，即“前大后小”。,(3)输出轴转角误差最小原则 设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到输出轴上的总转角误差为max，则,式中,k为第k个齿轮的转角误差；ikn为第k个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。,设四级齿轮传动系统各级齿轮的转角误差分别为1,2,3，8，则换算到末级输出轴上的总传动比为,由此可知，总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。 在设计中，为提高齿轮系的传动精度，从电机到负载，各级传动比应按“前小后大”的次序分配，而且要使最末一级传动比尽可能大，同时提高最末一级齿轮副的精度。 另外，应尽量减少传动级数，从而减少零件数量和误差来源。,（4）三种原则的选择 对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统，可用质量最小原则。 对于要求运动平稳、启动频繁和动态性能要求好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合，以降低噪声和振动。 对于要求提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则来处理。 对传动比较大的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传动比，并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小、重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。,3、齿轮传动的消隙 1)刚性消隙法 刚性消隙法是在严格控制轮齿齿厚和齿距误差的条件下进行的，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但能提高传动刚度。 偏心轴套调整法 偏心轴套式消隙机构如图所示。电动机1通过偏心轴套2装在箱体上。转动偏心轴套可调整两齿轮中心距，消除齿侧间隙。这种方法简单，但调整后齿侧间隙不能自动补偿。,锥齿轮调整法 锥齿轮消除间隙的结构如图所示。将齿轮1、2的分度圆柱改为带锥度的圆锥面，使齿轮的齿厚在轴向产生变化。装配时通过改变垫片3的厚度，来改变两齿轮的啮合的松紧程度，以消除侧隙。,斜齿轮垫片调整法：用两个薄片齿轮与一个宽斜齿轮啮合，两个薄片齿轮在键的作用下不能作轴向相对运动，且两薄片齿轮中间用垫片隔开了一小段距离，这样两个薄片齿轮的螺旋线就错开了。,2)柔性消隙法 柔性消隙法指调整后齿侧间隙可以自动补偿。采用这种消隙方法时，对齿轮齿厚和齿距的精度要求可适当降低，但对影响传动平稳性有负面影响，且传动刚度低，结构也较复杂。 双齿轮错齿调整法,碟形弹簧消除斜齿圆柱齿轮侧隙的机构,压力弹簧消隙机构,双圆柱齿轮消隙机构,双齿轮调整机构,3.2.2 滚珠螺旋传动 滚珠丝杠传动是在丝杠和螺母之间放入一定量的滚珠，使丝杠和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动的滑动摩擦变为滚动摩擦。,滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和反向器(滚珠循环反向装置)等四部分组成。丝杠转动，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母上装有反向器，构成滚珠的循环通道，使滚珠从通道的一端滚出后，沿着通道进入另一端，重新进入滚道，形成一闭合回路。,与普通滑动丝杠相比，滚珠丝杠传动具有下列特点： (1)传动效率高 滚珠丝杠副传动的效率=0.920.96，比常见的丝杠螺母副提高34倍（滑动丝杠效率为0.20.4）。因此，功率消耗只相于常见丝杠螺母副的1/41/3。 (2)传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副，本身就具有很高的传动精度，由于摩擦小，启动时无冲击，低速时无爬行，工作时温升变形小，容易获得较高的传动精度。 (3)磨损小、寿命长 钢球是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，工作寿命一般要比滑动丝杠高56倍。,(4)运动的可逆性 逆传动效率几乎与正传动效率相同，既可把回转运动变成直线运动，又可把直线运动变成回转运动，以用于一些特殊要求的场合。但在需要防止逆向传动的场合，需设置防逆转装置。 (5)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。 (6)结构复杂，工艺性差，成本高。 (7)不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。,1、滚珠丝杠副的结构形式 滚珠丝杠副的结构形式很多，其主要区别在于螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整预紧方法等三个方面。,（1）螺纹滚道法向截面形状 螺纹滚道法向截面的形状，常见的有单圆弧(图a)和双圆弧(图b)两种。在螺纹滚道法向截面内，滚珠与滚道接触点的公法线和丝杠轴线垂直线之间的夹角刀称为接触角，一般取45。,单圆弧滚道用砂轮加工成型较简单，容易得到较高的加工精度，但其接触角随间隙及载荷变化而变化，故传动效率、承载能力和轴向刚度均不稳定。 双圆弧滚道的接触角在工作过程中基本保持不变，故传动效率、承载能力和轴向刚度均比较稳定。滚道底部与滚珠不接触，其空隙可存储一定的润滑油和脏物，以减小摩擦和磨损。,(2)滚珠循环方式 按滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，可分为内循环和外循环两种。,内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。但精度要求高，否则误差对循环的流畅性和传动平稳性有影响。 上图中的反向器为圆形带凸键，不能浮动，称为固定式反向器。若反向器为圆形，可在孔中浮动，外加弹簧片令反向器压向滚珠，称为浮动式反向器，可以做到无间隙有预紧，刚度较高，回珠槽进出口自动对接，通道流畅，摩擦特性好，但制造成本高。,外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。插管式外循环结构简单，制造容易，但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。,若在螺母外表面上开槽与切向孔连接，在螺纹滚道内装入两个挡珠器，代替弯管，则为螺旋槽式外循环，径向尺寸较小，但槽与孔的接口为非圆滑连接，滚珠经过时易产生冲击。 若在螺母两端加端盖，端盖上开槽引导滚珠沿螺母上轴向孔返回，则为端盖式外循环，这种方式结构简单，但滚道衔接和弯曲处不易做准确而影响其性能，故应用较少。,(3)消除轴向间隙的调整预紧方法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。 目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm，而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点： 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，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的1/3。 2)要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响。,单螺母预紧,常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种： 垫片调隙式 用螺钉连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。该形式结构紧凑，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，除非更换垫圈。故适用于一般精度的传动机构。,螺纹调隙式 双螺母中的一个外端有凸缘，一个外端无凸缘但制有螺纹，它伸出套筒外，用两个圆螺母固定锁紧，并用键防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该形式结构紧凑、工作可靠、调整方便，缺点是不很精确。,齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱内齿轮(齿数为z1、z2，且 z2-zl1)分别与双联齿轮啮合。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,若z1=99，z2=100，p 6mm，则s=0.6m。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。,4. 滚珠丝杠副的支承结构形式 滚珠丝杠的支承作用主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支承座有足够的刚度。,一端固定、一端自由(F-O) 如图所示，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。,一端固定、一端游动(F-S) 如图所示。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，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。,两端固定(F-F) 两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。如图所示，两端各采用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，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。,四、滚珠螺旋传动,单推单推,1轴向刚度较高；2预拉伸安装时，加载荷较大3适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。,双推双推,四、滚珠螺旋传动,1轴向刚度最高；2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高3适宜高速、高刚度、高精度。,5 滚珠丝杠副的选择计算,设计滚珠丝杠副的已知条件是：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 ) ，丝杠的转速n（平均转速nm或最大转速nmax）（r/min），以及滚道硬度HRC和运转情况。,设计步骤：（1）载荷FC(N ) 计算。FC=KFKHKAFmKF载荷系数 KH硬度系数 KA精度系数 Fm 平均工作载荷 (N ),（2）额定动载荷计算值Ca(N ) 的计算。nm平均转速 Lh使用寿命,（3）根据Ca值从滚珠丝杠副系列中选择所需要的规格，使所选规格的丝杠副的额定载荷Ca值大于或等于Ca，并列出其主要参数值。（4）验算传动效率、刚度及工作平稳性是否满足要求，如不能，则应另选其他规格重新验算。,例 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Fm =3800N，丝杠工作长度l=1.2m，平均转速nm =100r/min，最大转速nmax =1000r/min，使用寿命Lh=15000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为HRC5862，传动精度要求 =0.03mm。,3.2.3 其他传动机构 1同步带传动 同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。它将带的工作面及带轮外周均制成齿形，通过带齿与轮齿作啮合传动。带内有强力层，保持带的节距不变，使主、从动带轮能作无滑差的同步传动。,与一般带传动相比，同步带传动具有如下优点： 无滑动，传动比准确； 传动效率高，可达98%，有明显节能效果； 传动平稳，能吸振，噪声小； 使用范围广，传递功率可由几瓦到几百千瓦，速度可达50m/s，速比可达10左右； 维修保养方便，不需要润滑。 同步带传动的缺点是： 安装精度要求高，中心距要求严格； 带与带轮制造较复杂，成本高。,1)同步带及带轮的结构 (1)同步带结构 同步带由带背1、强力层2及带齿4组成。为提高寿命，在采用氯丁橡胶为基体的同步带中还增设了尼龙包布层3。,强力层是带的抗拉元件，用来传递力并保证带的节距不变。它多采用有较高抗拉强度、较小伸长率的材料制造，如钢丝、尼龙、玻璃纤维等。 带齿为啮合元件，带背用来连接带齿、强力层，并在工作中承受弯曲。故带齿、带背要求有较好的抗剪切、抗弯曲能力及较高的耐磨性和弹性。目前常用的材料有氯丁橡胶、聚氨脂等。 在氯丁橡胶制成的同步带的齿面覆盖着一层尼龙包布，以增加带齿的耐磨性及带的抗拉强度。常用的材料有尼龙帆布、锦纶布等。,(2)带轮结构 目前在国际上采用的带轮齿形有直边齿形和渐开线齿形两种。对于带轮的齿数，在一定速比下，取较少的带轮齿数可使传动结构紧凑，但齿数过少，同时啮合的齿数少，易造成带齿受载过大而断裂，一般要求同时啮合的齿数应大于 6。此外，带轮齿数过少，在节距一定时，带轮直径减小，使同步带的弯曲应力增大，过早疲劳断裂。,2 谐波齿轮传动 (1)谐波齿轮传动的构造和工作原理 谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递运动和动力的，谐波齿轮传动由刚轮1、柔轮2和波形发生器3(H)三个主要构件组成。,波形发生器的直径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形，迫使柔轮在椭圆的长轴方向与刚轮完全啮合(A、B位置)，在短轴方向完全脱开(C、D位置)。当波形发生器回转时，柔轮长轴和短轴的位置随之不断变化，从而齿的啮合处和脱开处也随之连续变化，由于柔轮和刚轮在节圆处的啮合过程，如同两个纯滚动的圆环一样，它们在任意瞬间转过的弧长都必须相等，因此对于双波传动，波形发生器每转一转，柔轮和刚轮就必然相对移动2个齿距。如果刚轮固定，柔轮就沿着与波形发生器相反的回转方向转过一定角度。当波形发生器连续运转时，柔轮上任何一点的径向变形量是随转角变化的变量，其展开图为一正弦波，故称之为谐波传动。,(2)谐波齿轮传动的传动比 谐波齿轮传动中，钢轮、柔轮和波发生器中的任何一个都可作为主动件，其余两个中，一个作为从动件，一个作为固定件。如：当钢轮固定，波发生器作为输入，柔轮作为输出时，传动比为zr/(zg-zr)，此时谐波齿轮传动作减速用，输入和输出之间运动方向相反。其它情况可以此类推。,(3)谐波齿轮传动的主要特点 谐波齿轮传动具有如下优点； 传动比大 一般单级谐波齿轮传动的传动比为50500，多级和复式传动的传动比更大，可达30000以上。不仅用于减速，还可用于增速。 承载能力强 因为同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30 40左右，而且齿与齿之间是面接触。 传动精度高 由于多齿啮合对误差有互相补偿作用，因此在齿轮精度等级相同的情况下，谐波齿轮传动的传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右，精密谐波齿轮传动的传动误差可小于20。通过波形发生器半径的微量改变可调整柔轮的变形量，使齿隙很小，甚至做到无侧隙啮合。,传动效率高、运动平稳 由于柔轮的轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑动速度仍极低，只有普通渐开线齿轮传动的几百分之一，所以磨损小、效率高。由于啮入和啮出时轮齿的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。 结构简单、零件少、体积小、重量轻。在传动比和承载能力相同的条件下，谐波齿轮减速器比一般减速器的体积和重量减少约1/21/3。,可以向密封空间传递运动或动力 当柔轮固定后，它在作为密封传动的壳体的同时能够产生弹性变形，完成错齿运动，达到传递运动和动力的目的。因此，谐波齿轮传动可用来驱动在高真空、有辐射或其它有害介质的空间中工作的传动机构。这是其它传动机构无法比拟的。,谐波齿轮传动的主要缺点是： 柔轮周期性的变形产生交变应力，所以对材料、加工、热处理都提出了较高的要求，否则容易产生疲劳破坏。 转动惯量大，启动力矩大。为了减小折算转动惯量，可在高速端串接一对圆柱齿轮减速。 传动比下限值较高，且不能做成交叉轴和相交轴的结构； 散热条件差。,(4)谐波齿轮减速器产品及选用 谐波齿轮传动装置自行设计制造较少，多数选用现成产品。原电子工业部于1985年颁布的SJ2640-85单级谐波齿轮减速器标准，有10个机型43个品种，以柔轮内径表示机型号。另外，有关生产厂也有谐波齿轮减速器系列产品出售。设计机电一体化系统时，可根据减速比、额定输入转速和额定输出转矩等参数选用相应的谐波齿轮减速器。,3.3 支承部件设计,常用的支承部件有轴承、机身、导轨等，它们的精度、刚度、抗振性、热稳定等因素都会影响整机的精度、动态特性和可靠性。机电一体化系统对支承部件的要求是：精度高、刚度大、热变形小、抗震性好、可靠性高，并且具有良好的摩擦特性和结构工艺性。,3.3.1 回转运动支承设计,回转运动支承主要指滚动轴承、动压轴承、静压轴承、磁轴承等。其作用是支承回转运动的轴或丝杠。随着加工自动化的发展，对主轴转速要求越来越高，如数控机床主轴最高转速可达6000r/min。磨削小孔的砂轮主轴转速可达240000r/min。因此，机电一体化系统对轴承的精度、承载能力、刚度、寿命、转速等提出了更高的要求。,滚动轴承,1）标准滚动轴承标准滚动轴承的规格已经标准化，由专门厂家生产。使用时，主要根据刚度和转速选择。近年来，为适应不同要求，出现了不少新型轴承。,（1）空心圆锥滚子轴承,特点：中空，有利于滚子散热，具有一定弹性变形能力，可吸收部分振动。另外，轴承外圈较宽，与箱体孔的配合可松一些，箱体孔的精度对外圈滚道的影响小。多用于卧式主轴。,双列空心圆锥滚子轴承 单列空心圆锥滚子轴承,（2）陶瓷滚动轴承,结构与一般滚动轴承一样，常用陶瓷材料是Si3N4。特点：热传导率低、不易发热、硬度高、耐磨，在采用油脂润滑的情况下，转速可高达30000r/min。主要用于中、高速运动的主轴的支承。,2）非标准滚动轴承,（1）微型滚动轴承,微型向心推力轴承,微型滚动轴承,（2）密珠轴承,滚珠密集分布在内、外圈之间，并具有过盈配合。特点：各滚珠沿着自己的滚道滚动，能减少磨损；密集的滚珠具有误差平均效应。,3 静压轴承,属于流体摩擦支承的基本类型之一，它是在轴颈与轴承之间充有一定压力的液体或气体，将轴浮起并承受一定负荷的一种轴承。根据支承承受负荷方向的不同，静压轴承分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三种。,1）液体静压轴承,液体静压系统由静压支承、节流器和供油装置组成。,液体静压向心轴承,每个轴承有8个油腔。当凸球圆度为0.05um，供油压力为1MPa时，主轴的径向和轴向回转精度为0.01um；轴向刚度为160N/um，径向刚度为100N/um.,双半球轴系,液体静压轴承的特点：摩擦小、传动效率高、使用寿命长、转速范围广、刚度大、抗震性好、回转精度高；能适应不同负荷，满足不同转速的大、中、小型机械设备的要求；但需要一套供油装置，增大了设备的体积和质量。,2）气体静压轴承,气体静压向心轴承,超精车床球轴承,当主轴转速为200r/min时，主轴径向振摆为0.03um，轴向窜动为0.01um；径向刚度为25N/um,轴向刚度为80N/um。使用金刚石刀具加工铝或铜件时，可获得粗糙度值为0.02um的五划痕镜面。,气体静压轴承的优点：气体内摩擦力小、黏度极低，故摩擦损耗极小，不易发热。适用于转速极高和灵敏度要求高的场合；气体性质稳定，可在高温、深冷、放射性等恶劣环境中正常工作；若采用空气静压轴承，则空气来源十分方便，对环境无污染，循环系统比液体静压轴承简单。气体静压轴承的缺点：负荷能力低；支承的加工精度和平衡精度要求高，所需气体的清洁度要求高，需严格过滤,4 磁轴承,向心磁轴承,向心磁轴承,磁轴承是一种高速轴承，最高转速达60000r/min。由于采用电磁和电子控制，无机械接触，无磨损，也无需润滑和密封，因此转速高、功耗小，可靠性远高于普通轴承。在低速时，轴与轴承存在电磁关系，会使轴承座振动。磁轴承常用于机器人、精密仪器、火箭发动机等处。,3.3.2 直线运动支承 （一）、导轨概述 1.导轨的功用与要求在导轨副(例如工作台和床身导轨)中，运动的一方(如工作台导轨)叫做动导轨，不动的一方(如床身导轨)叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨只能有一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性。通常，动导轨相对于支承导轨只能作直线运动或者回转运动。由于导轨的功用是保证所支承的各部件的相对位置和运动精度，所以对导轨副的基本要求是：导向精度高、刚度大、耐磨、运动灵活和平稳。 机电一体化系统中常用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。,金属-金属型滑动导轨目前在机电一体化产品中使用较少。因为这种导轨静摩擦系数大，动-静摩擦系数的差值也大，容易出现低速爬行现象，不能满足伺服系统的快速响应性、运动精度和运动平稳性等要求。,2 塑料导轨,塑料的化学稳定性高、工艺性好、使用维护方便，因此塑料导轨得到了越来越广泛的应用。但塑料导轨耐热性差，且易蠕变，使用时需注意散热。常用塑料导轨有3种。,1）塑料导轨软带,国产TSF塑料导轨软带以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物等构成的高分子复合材料。,平面式（多用于维修） 埋头式（多用于新产品） 导轨软带粘贴形式,2）金属塑料复合导轨板,分3层，内层为钢带，保证导轨的机械强度和承载能力。钢带上镀烧结成球状的青铜粉或青铜丝网形成多孔中间层，再浸渍聚四氟乙烯等塑料填料。中间层可提高导轨导热性，防止塑料填料产生蠕变。当青铜与配合面发生摩擦时，塑料的热膨胀系数远大于金属，将从中间层挤出，向摩擦表面转移，形成厚约0.010.05mm的自润滑塑料层。这种导轨一般用胶粘贴到金属导轨上，成本比聚四氟乙烯软带高。,3）塑料涂层,在导轨副中，若只有一面磨损严重，则可把磨损部分切除，涂覆配置好的胶状塑料涂层，利用模具或另一摩擦面使涂层成形，固化后的塑料涂层即成为配对面中之一。目前常用塑料涂层材料为环氧涂料和含氟涂料。,3 滚动导轨 滚动导轨的类型很多。按滚动体的类型，可分为滚珠式、滚柱式和滚针式。按滚动体是否循环，分为循环式和非循环式。循环式滚动导轨的滚动体在运行过程中沿自己的循环通道循环，因而行程不受限制，但结构较复杂。非循环式滚动导轨的滚动体在运行过程中不循环，因而行程有限，但结构简单，成本低。,单圆弧导轨,双圆弧导轨,按滚道形状，可分为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧为两点接触，双圆弧为四点接触。前者运动摩擦和安装基准的平均作用比后者小，但静刚度比后者稍差。,3）直线滚动导轨副,由导轨和滑块组成，滑块数量可根据需要而定。,常用的两种直线滚动导轨副结构,1. 滚动导轨的优点： 摩擦系数小(0.0030.005)，运动灵活，磨擦阻力小，从而获得： a.动、静磨擦力之差很小，不易产生爬行，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 b.驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 c.适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。 d.能实现高定位精度和重复定位精度。,可以预紧，能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件导轨安装面的加工精度，减少基础件的机械制造成本与难度。 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承载能力及刚度比平面与钢球点接触大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 导轨轴采用表面硬化处理，使导轨轴具有良好的耐磨性性，精度保持性好，寿命长。,简化了机械结构的设计和制造。 运动平稳，微量位移准确，定位精度高。 润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用。 滚动导轨的缺点是： 导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大； 对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高有低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度； 结构复杂，制造困难，成本较高： 对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。,循环式直线滚动导轨副的设计计算,例 图中为中等精度水平安装的直线滚动导轨支承。工作台质量为200kg，负载P=6kN，有效行程ls=1m，每分钟往返次数nz=8，移动速度vs=16m/min；常温下运行，无明显冲击振动，目标寿命10年。试设计该导轨。,闭式液体静压导轨工作原理图,4 静压导轨,3.3.3 支承件(机身) (一)支承件应满足的基本要求 支承件是支承其他零部件的基础构件，如机床的床身、底座、立柱、工作台及箱体等。支承件既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。支承件多采用铸件、焊接件或型材装配件，其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工面多、几何精度和相对位置精度要求较高。在设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置提出相应的精度要求，以保证产品总体精度。其次，支承件的变形和振动将直接影响产品的质量和正常运转，故应对其刚度、热变形和抗振性提出下列基本要求：,(1)应有足够的刚度 支承件受力后的变形不得超过一定的数值，以保证各部件问的相对位移不超过允许误差，也就是说支承件要有足够的静刚度。 (2)应有较小的热变形 当支承件受热源的影响时，如果热量分布不均匀，散热性能不同，就会由于不同部位有温差而产生热变形，影响整机的精度。为了减小热变形，一是控制热源，二是采用热平衡的办法，控制各处的温差，从而减小其相对变形。 (3)稳定性好 支承件的稳定性是指能长时间地保持其几何尺寸和主要表面相对位置的精度，以防止产品原有精度的丧失。为此，应对支承件进行时效处理来消除产生变形的内应力。 (4)工艺性好，成本低，符合人机工程的要求。,(5)应有足够的抗振性 当支承件受振源的影响而发生振动时，会使整机晃动，使各主要部件及其相互间产生弯曲或扭转振动，尤其当振源振动频率与整机固有频率重合时，将产生共振而严重影响系统的正常工作和使用寿命，所以支承件应有足够的抗振性。 动刚度是衡量抗振性的主要指标。提高支承件的抗振性可采取如下措施： 提高固有振动频率，以避免产生共振。提高固有振动频率的方法是提高静刚度与重量的比值，即在保证足够静刚度的前提下尽量减轻重量。 增加阻尼，因为增加阻尼对提高动刚度的作用很大。 采取隔振措施，如用减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。,(二)支承件的材料 1灰铸铁 灰铸铁的铸造性好，便于铸成复杂形状；内摩擦大，阻尼作用大，有良好的抗振性；价格便宜。采用铸件的缺点是要制造木模，成本高，周期长，只有在成批生产时才合算；铸造易出废品，如有时会出现缩孔、气泡、沙眼等缺陷；铸件的加工余量大，机械加工费用大。 2钢 用钢材焊成的支承件造型简单，对单件小批生产适应性强，其生产周期比铸件缩短3050，所需制造设备简单，成本低；钢的弹性模量比铸铁的大，在同样载荷下，壁厚可做得比铸铁的薄，重量轻(比铸铁约轻2050)，使固有频率提高。但钢的阻尼作用比铸铁差，在结构上需采取防振措施；钳工工作量大；成批生产时，成本较高。,3其它材料 近年来，天然岩石已广泛作为各种高精度机电气体化系统的机座材料。如三坐标测量机的工作台、金刚石车床的床身等就采用了高精度的花岗岩材料。目前，国外还出现了采用陶瓷材料作支承件。天然岩石及陶瓷的优点很多：经过长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定，精度保持性好；阻尼系数比钢大约15倍，抗振性好；耐磨性比铸铁高510倍，耐磨性好；膨胀系数小，热稳定性好。其主要缺点是；脆性较大，抗冲击性差；油、水易渗入晶体中，使岩石产生变形。,3.4 精密机械的精度设计和误差分配,精密机械精度设计的基本任务是精度分配和误差补偿。精度分配是根据产品允许的总误差，将其经济、合理地分配到各零部件上，并制定个零部件的公差和技术要求。误差补偿的目的是减小或消除部分误差，从而达到总精度的要求。,3.4.1 产品精度分配依据和步骤,产品精度分配的依据有以下几个方面由产品的使用性能要求和有关精度标准确定其精度指标和总技术条件。产品的工作原理、机械结构装配图及有关零部件图。它们提供了误差源的总数，各误差源对产品误差的影响程度，以及误差之间相互补偿的可能性等。产品制造厂的技术水平，产品使用的环境条件等。产品的经济性要求国家、部门、企业的有关公差技术标准。,精度分配步骤明确总精度标准在构成产品工作原理和总体方案时，主要考虑理论误差和方案误差。设计总体布局和机、电、光等系统时，分别考虑其原理误差。完成各零部件的结构设计，先找出全部误差源，写出各自的误差表达式，进行总精度计算，然后确定各部件公差与技术条件，确定误差补偿方法。将给定的公差技术条件标注到零件工作图上，编写技术设计说明书。,综上，要将精度和误差作为核心来考虑，并贯彻于产品设计、制造和检验的全过程。对重大的影响因素，还需在模型试验的基础上进行精度分析和计算，这是精密设备与非精密设备设计的根本区别。,3.4.2 误差分配方法,由于误差性质不同，其分配方法也不同。产品误差s=总系统误差e+总随机误差 总系统误差一般来说，系统误差的影响较大而数目较少。如果系统误差仅是某个变量的函数，可用产品的误差方程表示。如测长机的系统误差是长度的函数，在不同长度范围内可用不同的总系统误差表达式。产品设计时，一般要求总系统误差不大于1/3产品允许的总误差，并以此来制定影响系统误差的公差，等制定随机误差的公差后，再来综合平衡。,2 随机误差,随机误差的特点是数量多，一般按均方根法综合。 = s e总随机误差的分配原则有等作用原则和不等作用原则。,（1）等作用分配原则 若各零部件误差相等地作用于总随机误差，则每个单项误差i为,包括未定系统误差和随机误差,不大于2/3产品允许总误差,（2）不等作用分配原则 不等作用分配原则来源于概率论中的不等权测量，即要考虑各项随机误差的作用系数Pai，每个单项误差i为一般情况下， Pai值难以确定，通常根据经验来判断误差源的性质。对难以实现的误差项可适当增大，对容易实现的误差项尽可能缩小。,3 公差调整按等作用原则分配误差时，由于没有考虑各零部件的实际情况，从而造成有的零部件公差偏松，有的零部件公差偏紧，很不经济。通常是在调研制造企业实际工艺水平和使用技术水平的基础上，定出三个方面的公差评定等级，作为衡量标准 经济公差极限在通用设备上，采用最经济的加工方法所能达到的精度。 生产公差极限在通用设备上，采用特殊工艺装备，不考虑效率因素进行加工所能达到的精度。 技术公差极限在特殊设备、良好的实验条件下，进行加工和检验时所能达到的精度。,有些企业按机床加工精度等级来区分三种公差等级，并以机床来保证其加工精度。调整公差时，要确定调整对象。一般先调整系统误差、误差传递系数较大和容易调整的误差项目。对随机误差调整，一般大多数采用经济公差极限内，少数在生产公差极限内，个别在技术公差极限内。对个别的超出技术公差极限的，应采用补偿方法解决